CN102687206A - 具有含氟聚合物填充层的井下电缆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于井下电缆的系统和方法。井下电缆包括一绝缘导体部分。一填充层毗邻并封装绝缘导体部分，其中填充层大体上由泡沫状含氟聚合物形成。一铠装外壳应用在泡沫状含氟聚合物填充层的外部。

Description

具有含氟聚合物填充层的井下电缆

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年3月29日提交的标题为“Down-hole Cable Having a FluoropolymerFiller Layer（具有含氟聚合物填充层的井下电缆）”的美国临时专利申请61/318,482的权益，该申请的全部公开内容通过引用结合到本文中。

技术领域

本发明主要涉及电缆，特别地涉及一种具有含氟聚合物填充层的井下电缆。

背景技术

井下电缆在在许多工业中使用，包括进行深孔钻探的那些工业，例如在石油钻探工业中。这些电缆可用以从一具有钻探设备的钻孔区域将信息和数据传输到一位于远离钻孔区域的控制中心。许多石油钻探区域位于地壳内的深处，如陆上或近海钻探中见到的那些区域。从位于地表面的控制中心或位于海平面的水上控制中心算起，钻探区域可在5000英尺或更深的地方。5000英尺或更长的电缆重量大，当将其垂直下放到一钻孔时，电缆本身的结构扭曲。这可导致电缆出现故障或电缆变形，使其比没有变形的电缆效率更低。

现有的电缆包括一由固体聚丙烯制成的填充物，其包围一导体并由一铠装护套（armorsheath）（例如高温合金，如耐热铬镍铁合金（Incoloy）或不锈钢）封装。聚丙烯填充物是为了在导体核心和铠装护套之间提供一压缩力，从而产生将导体核心保持在电缆内的力。由固体聚丙烯填充物产生的力可抵消拔出力（pullout force），而拔出力是将导体核心从电缆中移除的必要的力。使用的聚丙烯填充物的额定（rated）温度是150℃，因此当使用加热方法生产电缆时，聚丙烯填充物往往无法保持它们的完整性。这是由于挤出的聚丙烯填充物具有固有的结晶度以及来自铠装护套的封装挤出的额外加热循环具有后效应。这些额外的加热循环会导致聚丙烯产生相移，这实际上减少了材料的直径，这就减少了损伤电缆所需的拔出力。封装挤出过程具有高于聚丙烯退火温度的温度，这有助于相移。这会导致电缆很容易被其自身的重量损坏，自身的重量产生作用于导体核心的拔出力，导致导体核心在电缆中移动。

因此，迄今为止在业界仍存在未解决的需要，以解决上述缺陷和不足之处。

发明内容

本发明的实施例提供用于井下电缆的设备和方法。在结构上，简要地描述的一个该系统的实施例，除其它情况外，可按如下方式实施。井下电缆包括一绝缘导线部分和一填充层，所述填充层毗邻并封装绝缘导体（insulated conductor）部分，其中填充层大体上由泡沫状（foamed）含氟聚合物形成。在泡沫状含氟聚合物填充层的外部应用一铠装外壳（armor shell）。

本发明也可视为提供用于制造井下电缆的方法。在这方面，除其它外，这种方法的一个实施例可大致总结为以下步骤：使一填充层在绝缘导体部分周围成泡沫状，该填充层毗邻并封装绝缘导体部分，其中填充层大体上是含氟聚合物；以及在填充层的外部应用一铠装外壳。

本领域技术人员在研究以下附图及详细的说明之后，本发明其它的系统、方法、特征和优势将会或者变得显而易见。本文意图使所有这些额外的系统、方法、特征和优势纳入本发明的范围内，并由所附的权利要求进行保护。

附图说明

参考以下附图能更好地理解本发明的许多方面。附图中的组件不必按比例绘出，而是将重点放在清楚地示出本发明的原理。此外，在附图中，相同的附图标记在数个视图中表示相应的部分。

图1是根据本发明第一个示范性实施例的井下电缆的横截面图；

图2是根据本发明第二个示范性实施例的井下电缆的横截面图；

图3是根据本发明第一个示范性实施例的电缆处于使用位置时的横截面图；

图4是根据本发明第二个示范性实施例的电缆的横截面图；

图5是一流程图，其示出了根据本发明第一个示范性实施例的上述井下电缆的制作方法。

具体实施方式

图1是根据本发明第一个示范性实施例的井下电缆10的横截面图。井下电缆10也可称为管筒封装导线、永久性井下电缆或简单地称为电缆。电缆10包括绝缘导体部分20，其位于电缆10的中心轴附近。毗邻的填料层30由泡沫状含氟聚合物形成，其封装绝缘导体部分20。铠装外壳40应用在泡沫状含氟聚合物填充层30的外部并遍历电缆10的周长。

电缆10可以是可用于深孔钻探作业如陆上或近海石油钻探的任何电线、传输线或类似的结构。绝缘导体部分20可包括任何能够促进电荷、光或任何其它通讯介质运动的材料。绝缘导体部分20可包括至少一种导体材料22，如铜、铝、合金、光纤电流复合材料（fiber electrichybrid materials）、光纤光学材料（fiber optical material）或业内已知的任何其它材料。包围至少一种导体材料22的绝缘物可包括任何类型的绝缘物。绝缘导体部分20能促进为设备供电的能量的运动，或促进设备之间的通讯或信号控制。绝缘导体部分20可大体上位于电缆10的中心，但也可偏离中心或也可处于另一位置。如对图2进行的讨论，电缆10可包括多于一个绝缘导体部分20。

围绕绝缘导体部分20并将其完全封装的是泡沫状含氟聚合物填充层30。填充层30基本由泡沫状含氟聚合物形成。这可包括任何基于泡沫状碳氟化合物的聚合物，其具有多个牢固的碳-氟键，如材料FEP（聚全氟乙丙烯）、PFM（全氟烷氧基聚合物树脂）、MFM（改性全氟烷氧基聚合物）、ETFE（乙烯-四氟乙烯共聚物）、ECTFE（乙烯-三氟氯乙烯共聚物）、PVDF（聚偏氟乙烯）、TPX（聚甲基戊烯）、PEEK（聚醚醚酮）、共聚物、合成聚合物或任何其它含氟聚合物。其中一些材料的通用商品名称可包括

Nylon和

泡沫状含氟聚合物填充层30具有泡沫结构，其不同于聚丙烯材料的实体结构。

泡沫状含氟聚合物填充层30可用一挤出生产线制造，其中挤出机的机筒内有一氮气口。在挤出过程中，可将氮气注入筒中以形成泡沫状孔结构（cell structure）。该孔结构可存在于整个填充层30中，并能提供作用在绝缘导体部分20上的压缩力。泡沫状含氟聚合物层也可通过任何其它起泡过程形成，其中粘度相当高的泡沫被导向接近绝缘导体部分20处，并经加工以使粘度相当低。泡沫状含氟聚合物也可具有很高的退火温度，从而使它在整个退火过程中能够保持其完整性。这可包括超过150℃、175℃、200℃、250℃、300℃、350℃或任何其它已知退火温度的退火过程。优选地，泡沫状含氟聚合物填充层30将能够超过高达250℃的温度。含氟聚合物的泡沫状微孔结构可提供一稳定的材料基体，这提高了作用于绝缘导体部分20上的压缩，从而增加作用在电缆上的有效拔出力。

铠装外壳40是一护套或外部覆盖物或层，其应用在泡沫状含氟聚合物填充层30的外表面上，并保护电缆10的内部组件。位于电缆10外部并能够保护电缆10的任何材料、物质或层，都可视为一铠装外壳40。铠装外壳40大体上与绝缘导体部分20同心，并由一牢固的物质例如不锈钢或

制成。铠装外壳40可保护电缆10以免被异物刺穿电缆10，所述异物如钻井过程中的碎片。铠装外壳40也可支撑电缆10到达锚固位置或两个锚固位置之间。例如，电缆10可以通过铠装外壳40锚固在一端，由此电缆10的另一端可置于地内的垂直方向上，例如当将其下放到钻孔时。铠装外壳40还可包括任何编织的（woven）、实心的、基于微粒的和分层的保护材料。

泡沫状含氟聚合物填充层30可以是在绝缘导体部分20和铠装外壳40之间的唯一材料。因此，泡沫状含氟聚合物包括一微孔结构，其提供了作用于绝缘导体部分20的外表面和铠装外壳40的内表面上的压缩力。该压缩力抵抗电缆10内的拔出力，如由重力产生的作用于井下电缆10上的拔出力。电缆10可具有任意大小直径或长度，并因此绝缘导体部分20、泡沫状含氟聚合物填充层30和铠装外壳40可以具有有任意大小或结构。这可包括相对于铠装外壳40或绝缘导线部分20来说相当薄的泡沫状含氟聚合物填充层30，或形成电缆10内材料的大部分的泡沫状含氟聚合物填充层30。

在操作过程中，电缆10可垂直放置，其中电缆10的一端大大高于电缆10的另一端。这可包括具有任意长度如100英尺、300英尺、500英尺或更长，或任意其它长度的电缆10。例如，电缆10可悬挂在地壳内的钻孔中，其中线缆10的一端位于地壳上而另一端位于地壳以下500英尺或以上的地方。电缆10可保持在该位置任何一段时间。电缆10可抵抗由重力引起的作用在电缆10的组件上的拔出力。换句话说，泡沫状含氟聚合物填充层30可施加一压缩力在绝缘导体部分20上，这比任何由重力引起的拔出力都大。电缆10还可包括在电缆10的任何部分处的锚固物，以将电缆10保持在一个或多个位置。电缆10可适合于任何垂直用途，并可特别适合用于跨越500英尺或更长距离的垂直用途。如本领域技术人员将认识到的，电缆10，或其任意组件可包含很多变形、结构和设计，所有这些都被认为落入本发明的范围之内。

图2是本发明第一个示范性实施例的电缆10的横截面图。如图所示，电缆10包括一位于电缆10的中心轴附近的绝缘导体部分20，以及由泡沫状含氟聚合物制成的毗邻填充层30，所述填充层30封装绝缘导体部分20。填充层30包括一泡沫状孔结构，其创建了一稳定的基体，从而提高了整条电缆10的有效拔出力。该泡沫状微孔结构可包含在整条电缆10的全部或部分填充层30内，图2对整个填充层30进行了图解。例如，泡沫状孔结构可仅包含在电缆10的特定部分或分段内，或仅在电缆10的一定的径向边界内。泡沫状孔结构可用多种方法产生，包括在制造过程中将其挤出时，向填充层30中注入一定量的气体，如氮气。具体来说，用以创制填充层30的挤出机可包括机筒内的气体口，气体通过该口被注入填充层30以创制泡沫状孔结构。铠装外壳40应用于具有泡沫状孔结构的泡沫状含氟聚合物填充层30的外部，并围绕电缆10遍历其周长。

图3是本发明第一个示范性实施例的电缆10处于使用位置时的横截面图。电缆10为井下电缆，在大体上垂直的位置上使用。例如，处于使用位置的电缆10可包括大体上垂直的取向，其中至少部分电缆置于地内或水体例如海洋内的钻孔或凿孔内。图3显示了电缆10部分置于地52的一孔50内。从图中可以看出，电缆10的铠装外壳40可置于地52附近，借此其可以防止地52内的物质穿透电缆10。例如，当其置于孔50内时，铠装外壳40可防止岩石或其它物体损坏电缆10。此外，铠装外壳40可用以将电缆10通过附着于一个或以上的锚固结构60固定在特定位置。在图3中，锚固结构60被描绘在电缆10的上端，尽管锚固结构60可置于沿电缆10的任何部分，包括底部或中间部分。

图4是本发明第二个示范性实施例的电缆110的横截面图。该电缆110与第一个示范性实施例的电缆10类似，并包括绝缘导体部分120内的至少第一导体材料122和第二导体材料124，绝缘导体部分120位于电缆110的中轴线上。毗邻填充层130由泡沫状含氟聚合物制成并封装绝缘导体部分120。铠装外壳140应用于泡沫状含氟聚合物填充层130的外部，并遍历电缆110的周长。

该电缆110可包括第一个示范性实施例中公开的任何特征或设计。此外，电缆110包括多个导体材料，即第一和第二导体材料122、124，其可包括两个或以上的实心的或其它导体材料。此外，第一和第二导体材料122、124可以是不同的导体，这取决于电缆110的设计和用途。第一和第二导体材料122、124可促进电能通过电缆110进行传输，或促进控制信号通过电缆110进行通讯。泡沫状含氟聚合物填充层130可在绝缘导体部分120的任一个或全部的第一和第二导体材料122、124上施加一压缩力，从而增加电缆110内的拔出力抵抗性。多个绝缘导体部分120也可促进传输不同的信号，如信号在多个绝缘导体部分120中的一个绝缘导体部分上传送，而能源在多个绝缘导体部分120中的另一个绝缘导体部分上传输。如本领域技术人员将认识到的，电缆110或其任意组件可包括很多变形、结构和设计，所有这些都被认为落入本发明的范围之内。

图5是一流程图200，其显示了上述本发明第一个示范性实施例的井下电缆10的制作方法。应该指出，流程图中的任何过程描述或方块应理解为代表模块、分段、代码部分或步骤，所述模块、分段、代码部分或步骤包括过程中用于实施特定逻辑功能的一个或更多个说明，并且其它实施方式也包括在本发明范围内，在所述其它实施方式中，各功能可以以不同于所显示或所讨论的顺序执行，包括大体上同时或以相反顺序执行，这取决于所包括的功能性，如本领域技术人员理解的那样。

如方块202所示，使填充层30在导体部分20周围成泡沫状，填充层30毗邻并封装导线部分30，其中填充层大体上为含氟聚合物。在泡沫状含氟聚合物填充层30的外部应用一铠装外壳40（方块204）。也可使电缆10经历一退火过程以将铠装外壳40固定到泡沫状含氟聚合物填充层30的外部。这可包括将带有铠装外壳40的电缆10加热至超过300℃的温度。

该方法还可包括多种其它步骤。例如，使填充层30在绝缘导体部分20周围成泡沫状的步骤可包括通过注入气体创制泡沫状孔结构，例如在挤出过程中注入氮气的方法。此外，使填充层30在绝缘导体部分20周围成泡沫状的步骤可包括产生一径向压缩力作用在绝缘导体部分20和铠装外壳40上。该径向压缩力可抵抗绝缘导体部分20和铠装外壳40之间的拔出力。这可使井下电缆10抵抗各种温度下绝缘导体20和铠装外壳40之间的拔出力，所述温度包括大于150℃的温度，优选250℃。

可以理解，井下电缆10可用于各种用途，如用在石油钻井操作中。因此，任意数量的信号可通过绝缘导线部分20内任意数量的导体传输。这些信号可以是任何类型的信号，如用以操作一设备或设备组合的电源信号和/或通讯信号。这可包括用于监测设备的活动或设备附近的环境活动的信号。由于电缆10可大体上垂直放置，因此铠装外壳40可以连接至少一个锚固结构。锚固结构可通过铠装外壳40支撑井下电缆10的重量。

应该强调的是，本发明的上述实施例，特别是任何“任选的”实施例，只是实施中可能的实例，仅出于清楚地理解本发明的原理的目的而给出。在大体上不偏离本发明的精神和原理的情况下，本发明的上述实施例可作出多种变形和改进。所有这些改进和变形都包括在本文中，落入本发明的范围内，并受以下权利要求保护。

Claims (20)

1.一种井下电缆，其包括：

一绝缘导体部分；

一填充层，其毗邻并封装所述绝缘导体部分，其中所述填充层基本上由泡沫状含氟聚合物形成；以及

一铠装外壳，其应用在所述泡沫状含氟聚合物填充层的外部。

2.根据权利要求1所述的井下电缆，其中所述绝缘导体部分进一步包括由绝缘材料包围的至少一种导体材料。

3.根据权利要求2所述的井下电缆，其中所述导体材料进一步包括多导体、光纤电流复合材料和光纤光学材料中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的井下电缆，其中所述泡沫状含氟聚合物进一步包括经气体注入形成的孔结构。

5.根据权利要求4所述的井下电缆，其中经气体注入形成的孔结构进一步包括经氮气注入形成的孔结构。

6.根据权利要求1所述的井下电缆，其中所述填充层产生一径向压缩力作用在所述绝缘导体部分和所述铠装外壳上，其中所述径向压缩力可抵抗所述绝缘导体部分和所述铠装外壳之间的拔出力。

7.根据权利要求6所述的井下电缆，其中所述填料层在高于150℃的温度下抵抗拔出力。

8.根据权利要求6所述的井下电缆，其中所述填料层在高于250℃的温度下抵抗拔出力。

9.根据权利要求1所述的井下电缆，其中所述绝缘导体部分进一步包括至少一第一和一第二导体材料，其中所述第一导体材料传导第一信号而所述第二导体材料传导不同于所述第一信号的第二信号。

10.根据权利要求1所述的井下电缆，其中所述填充层由以下至少一种材料制成：聚全氟乙丙烯（FEP）、全氟烷氧基聚合物树脂（PFM）、改性全氟烷氧基聚合物（MFM）、乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）、乙烯-三氟氯乙烯共聚物（ECTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚甲基戊烯（TPX）、聚醚醚酮（PEEK）、共聚物和合成聚合物。

11.根据权利要求1所述的井下电缆，其中所述铠装外壳完全封装所述泡沫状含氟聚合物填充层。

12.根据权利要求1所述的井下电缆，其中所述铠装外壳进一步包括编织的、实心的、基于微粒的和分层的保护材料的至少一种。

13.根据权利要求1所述的井下电缆，其中所述铠装外壳连接到至少一个锚固结构上。

14.一种制造井下电缆的方法，所述方法包括以下步骤：

使填充层在绝缘导体部分周围成泡沫状，所述填充层毗邻并封装绝缘导体部分，其中所述填充层大体上为含氟聚合物；以及

在所述填充层的外部应用一铠装外壳。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述使填充层在绝缘导体部分周围成泡沫状的步骤进一步包括通过注入气体创建泡沫状孔结构。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述使填充层在绝缘导体部分周围成泡沫状包括形成一径向压缩力作用在所述绝缘导体部分和所述铠装外壳上，其中所述径向压缩力抵抗所述绝缘导体部分和所述铠装外壳之间的拔出力。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括在高于150℃的温度下抵抗拔出力的步骤。

18.根据权利要求14所述的方法，进一步包括通过所述绝缘导体部分内的导电材料传输至少一种信号的步骤。

19.根据权利要求14所述的方法，进一步包括将铠装外壳连接到至少一个锚固结构上的步骤。

20.一种井下电缆，其包括：

至少一种细长的导体材料；

至少一种绝缘材料，其完全封装所述至少一种细长的导体材料；

一填充层，其毗邻并封装所述至少一种绝缘材料，其中所述填充层大体上由泡沫状含氟聚合物形成，其中所述泡沫状含氟聚合物包括经氮气注入形成的泡沫状孔结构；以及

一铠装外壳，其应用在所述泡沫状含氟聚合物填充层的外部并完全封装所述泡沫状含氟聚合物填充层。

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