CN101521056A

CN101521056A - 油田应用中的具有高导电性线芯的双金属线

Info

Publication number: CN101521056A
Application number: CNA2009101346167A
Authority: CN
Inventors: 约瑟夫·瓦基; 韦迪姆·普罗塔索夫; 乔斯·R·洛扎诺-金德鲁
Original assignee: Prad Research and Development Ltd
Current assignee: Prad Research and Development Ltd; Schlumberger Technology BV
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2009-02-01
Publication date: 2009-09-02

Abstract

本发明公开了一种电缆和制造该电缆的方法，该电缆包括用于传输电力的导电的电缆芯和围绕该电缆芯的由多条铠装线构成的至少一个层。至少一条铠装线是具有同轴的内部部分和周围的外部部分的双金属铠装线。内部部分和外部部分由不同的金属材料制成，并且双金属铠装线为通过电缆芯传输的电力提供返回路径。

Description

油田应用中的具有高导电性线芯的双金属线

背景技术

这部分中的陈述只是提供与本发明相关的背景信息，可能并不构成现有技术。

电缆的实施例一般涉及油田电缆，并且特别地，涉及钢丝绳和滑线(slickline)电缆，以及制造和使用这种电缆的方法。

具有合金铠装线的单芯电缆(mono-cable)通常包括位于芯部的单根绝缘铜导体，用于起到电传输和遥测的作用。采用单芯电缆，电力沿着中心绝缘电力导体向下传输，然后电力沿着铠装返回。然而，采用长距离的合金电缆时，电力不可能在其上返回，这是因为，采用镀锌钢铠装封装，合金线(例如MP35N和HC-265)的高电阻的特性有效地阻止了具有合金铠装的长距离单芯电缆的生产。为了克服这个问题，提出了同轴电缆。采用同轴电缆，电力沿着中心绝缘导体传输，并沿着绞合铜线的保护层(serve layer)返回，绞合铜线覆盖有位于电缆芯外缘附近的聚合物绝缘体的薄层。单芯电缆和同轴电缆都有缺点。

单芯电缆有缺点是因为：取决于采用的铠装线的类型，能够在长距离电缆中传输的电力受到限制。虽然标准镀锌改良犁钢(GIPS)铠装线具有相当低的电阻，但由MP35N/HC-265或高碳合金(例如在存在H₂S的井中使用的合金)构成的铠装线可能具有相对于电流达20倍的电阻。因此，具有合金铠装线的电缆的长度受到限制。

同轴电缆有缺点是因为：有可能破坏尺寸相对小的同轴电缆绝缘体，这可能导致向铠装放电；以及小尺寸的铜线难于绞合成块(strand block)，这增加了保护层和绝缘体之间气体迁移的可能性。图1A和1B示出了与现有技术的同轴电缆相关的通常的可能故障。如图1A所示，典型的同轴电缆10具有由中心多股导体11形成的芯，中心多股导体11由一层绞合铜屏蔽线12所包围，并且芯由位于电缆外部的金属铠装线加强构件13包围。导体11和线12嵌入在聚合物绝缘体14中。线12通过聚合物绝缘体14的薄层15与加强构件13分离，聚合物绝缘体14的薄层15位于电缆芯的外缘。如图1B所示，绝缘层15的损坏16使得屏蔽线12与铠装线13接触，从而产生类似单芯电缆的电流传输的情况。

同轴电缆的缺点还因为：在H₂S环境下，铜一般必须镀镍，而由于保护层上的铜的总面积减小，故减小了保护层上电力返回的效率；保护层的制造极复杂且费时，通常导致更高的最终成本。同轴电缆还有缺点，因为绞合层确定大面积，这减小了电缆的电力承载量。

为了提高具有合金铠装的抵抗H₂S的七芯电缆中的电力返回效率，合金线被用作加蔽线(drain wires)并位于内铠装线层内的聚合物绝缘(polymer-insulated)的镀镍铜线所代替，如图2所示。电缆20具有中心多股导体11，该中心多股导体11由一层绞合铜屏蔽线12所包围。导体11和线12嵌入聚合物绝缘体14中，聚合物绝缘体14的薄层15位于电缆芯的外缘。芯由合金铠装线21的内层围绕，合金铠装线21的内层由合金铠装线的外层22围绕。若干内合金线21由聚合物绝缘的镀镍铜加蔽线23代替。然而这种电缆20是有缺点的，因为该电缆的机械负载承载量显著减小，还因为镀镍铜线因油井环境中存在的动态加载而发生Z扭绞(z-kinking)带来的可能问题。

另一电缆30包括三个绝缘绞合铜导体，这三个绝缘绞合铜导体在用软聚合物绝缘的导体上以三个一组的构造拧成缆，如图3A到3D所示。电缆芯30按照如下方式组装。在步骤“A”中，用软聚合物32绝缘的绞合铜导体31置于电缆芯的中心(图3A)。可选择地，导体由任何适合的导电材料形成。在步骤“B”中，三个绝缘导体33、34、35以三个一组的构造在中心导体31上螺旋地拧成缆(图3B)。然后，三个未绝缘的铜导体36、37、38在绝缘导体33、34、35之间的空间中拧成缆，以提供电力返回的可能性，如图3C所示。相对较厚的聚合物绝缘体39的层在被拧成缆的导体的顶部被挤出，以完成小直径的电缆芯30，如图3D所示。然而，这种电缆因每个导体都需要绝缘而不利地限定出大面积，从而减小了铜的横截面，电力输送受到影响。

镀铜钢线已经在一段时间成功地应用于各种产业中。这些线提供了极好的电力传输能力和强度。然而，由于苛刻的井下环境，这些线不适于钢丝绳的应用场合，在井下环境中采用合金电缆，因为铜很快被存在于井下环境中的H₂S气体和其它腐蚀性气体及液体消耗掉。

如图4所示，传导滑线芯由单一导体41构成，单个导体41与聚合物材料42一起挤出，然后供以铜线43，铜线43用于电力返回，并与外聚合物材料44一起挤出。滑线芯覆盖有金属或合金的管/包层45，金属或合金的管/包层45用作强度构件和/或防腐蚀铠装层。该电缆40是有缺点的，因为保护层的制造极复杂且耗时，保护层限定了大面积，金属的管/包层因有限的疲劳寿命而一般具有短寿命，而且用金属的管/包层围住芯并不合算。

因此，期望提供一种电缆，其能克服目前的单芯电缆和同轴电缆设计中遇到的问题。

发明内容

电缆的实施例包括用于传输电力的导电电缆芯和围绕该电缆芯的由多条铠装线构成的至少一个层。至少一条铠装线是具有同轴的内部部分和周围的外部部分的双金属铠装线，该内部部分和外部部分由不同的金属材料制成。该至少一条双金属铠装线适于为通过电缆芯传输的电力提供返回路径。电缆芯包括与至少一个周围的绝缘聚合材料一起挤出的导体。电缆芯可包括具有同轴的内部部分和外部部分的双金属电缆芯线，该双金属电缆芯线的内部部分和外部部分由不同的金属材料制成。由聚合材料形成的基质可包覆电缆芯和该至少一层铠装线。

可选择地，电缆芯包括与至少一个周围的绝缘聚合材料一起挤出的导体。或者，电缆芯包括具有同轴的内部部分和外部部分的双金属电缆芯线，该双金属电缆芯线的内部部分和外部部分由不同的金属材料制成。或者，电缆还包括由聚合材料形成的基质，该基质包覆电缆芯和该至少一层铠装线。或者，双金属铠装线的内部部分包括铜材料、铝材料和铍铜材料中至少之一。或者，双金属铠装线的外部部分由金属合金材料制成，该金属合金材料包括MP35N材料、HC-265材料、因科内尔合金(Inconel)材料、蒙乃尔合金(Monel)材料和雷内镍基高温耐蚀合金(Rene)材料中至少之一。

可选择地，所述多条铠装线包括耐蚀合金铠装线。或者，所述至少一层铠装线是内层并包括围绕内层的由多条铠装线构成的外层，并且其中，所述至少一条双金属铠装线布置在内层中。或者，所述至少一层铠装线是外层，并包括被外层环绕的由多条铠装线构成的内层，并且其中，所述至少一条双金属铠装线布置在外层中。或者，所述多条铠装线包括内层和外层，并且其中，所述至少一条双金属铠装线布置在内层中并包括布置在外层中的至少另一条双金属铠装线。

电缆的实施例包括：由第一金属材料形成的导电电缆芯；金属壳体，包覆电缆芯并由不同于第一金属材料的第二金属材料形成；以及聚合物护封(polymer jacket)，包覆电缆芯和壳体。电缆可包括连结材料，该连结材料设置于壳体的外表面与聚合物护封的内表面之间，并将壳体的外表面和聚合物护封的内表面附接起来。连结材料可以是铜材料的薄层。电缆可包括围绕聚合物护封的由多条铠装线构成的至少一个层。

可选择地，第一金属材料包括铜材料、铝材料和铍铜材料中至少之一。或者，第二金属材料包括MP35N材料、HC-265材料、因科内尔合金材料、蒙乃尔合金材料和雷内镍基高温耐蚀合金材料中至少之一。

形成电缆的方法包括：提供用于传输电力的导电电缆芯；提供具有同轴的内部部分和周围的外部部分的至少一条双金属铠装线，内部部分和外部部分由不同的金属材料形成；以及用由包括该至少一条双金属铠装线的多条铠装线构成的至少一个层围绕电缆芯，其中所述至少一条双金属铠装线为通过电缆芯传输的电力提供返回路径。该方法可以包括围绕导体挤出至少一种绝缘聚合材料以形成电缆芯并在由聚合材料形成的基质中包覆至少一层铠装线。该方法可以进一步包括提供具有双金属电缆芯线的电缆芯，该双金属电缆芯线包括同轴的内部部分和外部部分，双金属电缆芯线的内部部分和外部部分由不同的金属材料形成。

附图说明

通过结合附图参照下面的详细描述，可以更好地理解本发明的这些和其它特点和优点，附图中：

图1A和1B是现有技术同轴电缆的径向横截面图。

图2是现有技术的七芯同轴电缆的径向横截面图。

图3A到3D是现有技术的三个一组构造的电缆芯的径向横截面图。

图4是现有技术中的具有金属的管/包层的滑线同轴电缆的径向横截面图。

图5是电缆芯的径向横截面图。

图6是包括图5中所示的电缆芯的同轴电缆的径向横截面图。

图7A和7B是滑线电缆的径向横截面图。

图8A到8D是滑线或钢丝绳电缆的实施例的径向横截面图。

具体实施方式

电缆的实施例还提供了利用耐蚀合金铠装线的电力返回的可选择方式。电缆的实施例采用单缆芯，在该单缆芯周围反螺旋地缠绕有合金铠装线，电返回路径通过由双金属材料制成的至少一条铠装线。双金属铠装线优选包括内部的高导电性金属或合金以及外部的耐蚀金属合金。双金属铠装线能够以类似的方式应用于滑线应用场合中。

电缆的实施例有利地克服了目前的合金单芯电缆和同轴电缆设计中遇到的问题，同时提供了在30000英尺的电缆上传输超过0.5kW的电力的能力并提供良好的遥测能力。

下面描述说明性实施例。为了清楚起见，并非所有实际实施的特征都在本说明书中被描述。当然可以理解的是，在任何这样的实际实施例的开发中，必须作出许多实施所特有的决定以达到开发者的特定目标，比如依从系统相关和商业相关的约束，而对于一种实施到另一种实施来讲，该特定目标是变化的。另外，可以理解的是，这种开发的努力可能是复杂并费时的，但对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说是日常任务。

图5和6中示出了电缆50的实施例，电缆50具有直径小、功率高的电缆芯，该电缆芯具有通过一条或多条双金属铠装线的返回路径。电缆50包括芯，芯包括与绝缘聚合物材料42、44一起挤出的导体41，然后进一步供以两组铠装线54、55，这两组铠装线54、55反螺旋地围绕芯缠绕。一条或多条铠装线包括双金属铠装线51以允许电力返回。双金属铠装线51包括由不同金属和/或合金形成的同轴的内部部分52和外部部分53。内部部分52包括高导电性金属，例如，但不限于，铜、铝、铍铜或任何其它合适的用于电力传输和遥测评估的高导电性材料。外部部分53包括用作强度和/或防腐蚀金属合金的金属或合金，例如但不限于，MP35N、HC-265、因科内尔合金(Inconel)、蒙乃尔合金(Monel)、雷内镍基高温耐蚀合金(Rene)或任何其它合适的耐蚀合金或钢。双金属铠装线51可以置于内铠装层54和/或外铠装层55中，如图6所示。电缆50中的双金属线51的数量可以根据电力需求而变化，这将是本领域技术人员可以理解的。

图7A示出了小直径的高导电性滑线电缆60的实施例。滑线电缆60包括单一导体61，该导体61包有或覆盖有合金或钢的管/包层62并进一步被挤出的聚合物护封(polymer jacket)63包住或覆盖。聚合物护封挤出物63优选地直接施加在合金/钢的壳体(shell)62上，如图7A所示。可选择地，在聚合物挤出物63之前，一薄铜层71施加到合金/钢的壳体62以形成滑线电缆70，如图7B所示。图7B中的铜层71用作合金/钢的壳体62与聚合物护封63之间的连结媒介。电力返回优选地经由油井套管(未示出)来实现。

图8A到8D示出了小直径、高导电性、低重量的滑线或钢丝绳电缆的实施例，该滑线或钢丝绳电缆具有将双金属铠装线(例如，图5和6中所示的铠装线)用作导体或芯的合金铠装封装件，该合金铠装封装件包在绝缘聚合物中，并在由聚合物材料形成的基质中进一步由一对铠装线层包住或覆盖。至少一条铠装线是双金属铠装线层，从而提供经由铠装线的电力返回的能力。

图8A示出电缆80a，电缆80a具有铠装线51，该铠装线51用作包在绝缘聚合物42中的芯导体51a。聚合物42由内铠装线层81围绕，内铠装线层81由外铠装线层82围绕。层81、82由绞合导体形成并包在聚合物材料83的基质中。层81中的至少一条线51b是铠装线51。图8B示出电缆80b，除了内铠装线层84和外铠装线层85由实心导体形成之外，电缆80b类似于电缆80a。图8C示出了类似于电缆80a和80b的具有内铠装线层84和外铠装线层82的电缆80c。图8D示出了类似于电缆80a、80b和80c的具有内铠装线层81和外铠装线层85的电缆80d。

电缆的实施例消除了与保护层制造相关的问题，延长了电缆的寿命，并且使同等的电力传输和机械功能所需的实际土地的量最小化。双金属中心导体也可以替换为有效地形成合金滑线单芯电缆构造的绞合镀镍铜导体，该单芯电缆构造具有经由双金属铠装线的回程。进一步地，电返回路径可以在内或外铠装线层上获得或者在这两者上获得。

双金属铠装线可以在任何诸如利用合金铠装线作为强度构件的单芯、三芯、四芯、或七芯构造的电缆的电缆中有利地用作电返回路径。双金属铠装线的应用有利地允许合金单芯电缆被构造成在长度上超过30000英尺。

在电缆实施例中有用的聚合物材料可以包括如下非限制性的示例：聚烯烃(例如EPC或聚丙烯)、其它聚烯烃、聚芳基醚醚酮(PEEK)、聚芳基醚酮(PEK)、聚苯硫醚(PPS)、改性聚苯硫醚、乙烯-四氟乙烯的聚合物(ETFE)、聚(1，4-亚苯基)聚合物、聚四氟乙烯(PTFE)、全氟烷氧基(PFA)聚合物、氟化乙烯丙烯(FEP)聚合物、聚四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚(MFA)聚合物、Parmax

、以及它们的任意混合物。

上述公开的具体实施例仅仅是说明性的，受益于这里教导的本领域技术人员可以以不同但等同的方式来修改和实施本发明。另外，除了下面的权利要求中描述的那些以外，对这里示出的构造或设计的细节没有限制。因此，明显的是，可以改变或修改上述公开的具体实施例，并且所有这样的改变都被认为落入本发明的范围和精神之内。尤其是，这里公开的每个数值范围(采用如下形式：“从大约a到大约b”、或，等同地，“从大约a到b”，或，等同地，“从大约a-b”)应当理解为指的是各数值范围的幂集(所有子集的集合)。因此，在此寻求的保护如下面的权利要求中阐明的那样。

已经参照本发明目前优选的实施例给出了前面的描述。本发明所属的领域技术的人员将理解，可以在不有意偏离本发明的原理和范围的条件下，对所描述的结构和操作方法进行改变和变化。因此，前面的描述不应当被理解为仅属于附图中描述并示出的精确结构，而是应当看作与所附权利要求一致并支持所附权利要求，所附权利要求具有其最完整且最公平的范围。

Claims

1、一种电缆，包括：

用于传输电力的导电的电缆芯；和

围绕所述电缆芯的由多条铠装线构成的至少一个层，

其中，至少一条铠装线是具有同轴的内部部分和周围的外部部分的双金属铠装线，该至少一条双金属铠装线的内部部分和外部部分由不同的金属材料制成，该至少一条双金属铠装线适于为通过电缆芯传输的电力提供返回路径。

2、如权利要求1的电缆，其中，所述电缆芯包括与至少一个周围的绝缘聚合材料一起挤出的导体。

3、如前述权利要求中任一项的电缆，其中，所述电缆芯包括具有同轴的内部部分和外部部分的双金属电缆芯线，该双金属电缆芯线的内部部分和外部部分由不同的金属材料制成。

4、如前述权利要求中任一项的电缆，包括由聚合材料形成的基质，该基质包住电缆芯和该至少一层铠装线。

5、如权利要求1的电缆，其中，双金属铠装线的内部部分包括铜材料、铝材料和铍铜材料中至少之一。

6、如前述权利要求中任一项的电缆，其中，双金属铠装线的外部部分由金属合金材料制成，该金属合金材料包括MP35N材料、HC-265材料、因科内尔合金材料、蒙乃尔合金材料和雷内镍基高温耐蚀合金材料中至少之一。

7、如前述权利要求中任一项的电缆，其中，所述多条铠装线包括耐蚀合金铠装线。

8、如前述权利要求中任一项的电缆，其中，该至少一层铠装线是内层，并包括围绕该内层的由多条铠装线构成的外层，并且其中，所述至少一条双金属铠装线设置在内层中。

9、如前述权利要求中任一项的电缆，其中，该至少一层铠装线是外层，并包括被该外层围绕的由多条铠装线构成的内层，并且其中，所述至少一条双金属铠装线设置在外层中。

10、如前述权利要求中任一项的电缆，其中，所述多条铠装线包括内层和外层，并且其中，所述至少一条双金属铠装线设置在内层中，并包括设置在外层中的至少另一条双金属铠装线。

11、如权利要求1或3的电缆，其中，所述至少一条双金属铠装线和所述双金属电缆芯中至少之一包括：由第一金属材料形成的导电电缆芯；金属壳体，该金属壳体包覆电缆芯，并且由不同于第一金属材料的第二金属材料形成；以及聚合物护封，该聚合物护封包覆所述电缆芯和所述壳体。

12、如权利要求11的电缆，包括连结材料，该连结材料设置于所述壳体的外表面与聚合物护封的内表面之间，并将所述壳体的外表面和聚合物护封的内表面附接起来。

13、如权利要求12的电缆，其中，所述连结材料是铜材料的薄层。

14、一种形成根据前述权利要求中任一项的电缆的方法。