CN107086073A - 一种碳纤维多层复合测井电缆 - Google Patents

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朱礼斌
朱波
李洪俊
杨先辉
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Abstract

本发明公开了一种碳纤维多层复合测井电缆，适用于高压井测试的电缆形式。该碳纤维复合材料测井电缆采用多层结构，可在芯部埋设多根高导电体，在导体外侧采用多层包覆及缠绕结构保证芯层的刚性以及与外层的界面结合，在外层采用碳纤维树脂基复合材料拉挤成型加碳纤维织物缠绕结构，保证电缆自身的刚度、耐磨、耐冲击特性以及耐酸碱腐蚀的特性。该复合结构的碳纤维测井电缆可用于解决井口的密封、深井测试以及高温高压地下复杂环境的耐腐蚀问题处理。

Description

一种碳纤维多层复合测井电缆
技术领域
本发明涉及一种电缆，尤其是一种碳纤维多层复合测井电缆。
背景技术
我国油藏开发的类型日趋复杂、地域更为广阔，油气井遍布陆上、海域，伴随着深层油藏的开发，涌现出大量的深井、超深井。井矿环境除水、盐外，还出现CO2、HCl和H2S等腐蚀性气体，这就意味着在测试、测井系统中，装备将面临巨大的挑战。在油田勘探开发阶段，油气水井需要用专门的仪表测量压力、产油、气量与含水量的相对变化及温度等参数，测井用电缆是其中必用的装备。
目前国内现场使用的测井电缆以钢丝铠装形式为主。钢材的强度低，自重大，只能满足浅井的测试要求；钢材耐腐蚀性能差，不能应用于复杂的井况；铠装形式的自身缺陷导致高压含气井的井口密封困难，无法满足安全井控要求。总之，目前的电缆形式很难同时兼具“高强、质轻、耐腐蚀、安全井控”这四个特点。
碳纤维复合材料是兼具高比强度、高比模量、耐腐蚀等多种优异特性的新型材料，利用碳纤维与特种树脂制备的复合材料已经广泛应用于海洋、日晒、风沙等恶劣环境的电力系统部件和油田领域中，而利用碳纤维作为耐腐蚀和提高力学特性的主要部件与电缆的高导电材料配合使用，制备新型复合结构的测井电缆，是极具有发展潜力的设计思路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于解决井口的密封、深井测试以及高温高压地下复杂环境的耐腐蚀问题处理的碳纤维多层复合测井电缆。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种碳纤维多层复合测井电缆，包括芯层和外层包覆层，芯层包括：铜导体芯、包裹在铜导体芯外侧的绝缘层和缠绕在绝缘层表面的碳纤维复合外层；外层包覆层包括：树脂碳纤维复合材料拉挤层和包裹缠绕在树脂碳纤维复合材料拉挤层外表面的碳纤维复合材料外表层，其中芯层包埋在树脂碳纤维复合材料拉挤层中。
所述铜导体芯为表面经过粗糙化处理或者采用螺纹化处理的黄铜芯或紫铜芯，铜导线为单芯或者多芯结构，铜导线直径在2-10mm之间。
所述铜导线为2芯、4芯或者8芯结构。
所述绝缘层的厚度为0.1-1mm，采用耐高温热塑性树脂。
所述绝缘层的材质为聚氨酯、聚乙烯、聚苯硫醚、聚丙烯中的一种。
所述碳纤维复合外层为单向纤维或二维织物缠绕层，其中碳纤维为T300、T700、T800中的一种，单向纤维或二维织物预浸热固性树脂，按质量百分比，树脂含量在30％-50％之间，树脂为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种。
所述树脂碳纤维复合材料拉挤层为浸渍热固性树脂胶液的碳纤维，热固性树脂为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种，碳纤维为T300、T700、T800、M40、M60中的一种。
所述树脂碳纤维复合材料拉挤层的整体厚度为3-20mm。
所述碳纤维复合材料外表层为碳纤维长丝或二维带状织物缠绕层，厚度为1-10mm，碳纤维为T300、T700、T800、M40、M60中的一种，碳纤维长丝或二维带状织物浸渍热固性树脂胶液，按质量百分比，树脂含量在30％-50％，热固性树脂为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种。
本发明的有益效果是：
(1)与传统电缆相比，拉伸强度提高20％-30％；
(2)与传统电缆相比，耐腐蚀性增强，可实现复杂井况下的测试。
(3)解决了井口密封问题，可实现高压气井的测试。
附图说明
图1为本发明碳纤维多层复合测井电缆的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，本发明的碳纤维多层复合测井电缆，包括芯层和外层包覆层，芯层包括：铜导体芯1、包裹在铜导体芯外侧的绝缘层2和缠绕在绝缘层表面的碳纤维复合外层3；外层包覆层包括：树脂碳纤维复合材料拉挤层4和包裹缠绕在树脂碳纤维复合材料拉挤层外表面的碳纤维复合材料外表层5，其中芯层包埋在树脂碳纤维复合材料拉挤层4中。
所述铜导体芯1为表面经过粗糙化处理或者采用螺纹化处理的黄铜芯或紫铜芯，铜导线为单芯或者多芯结构，铜导线直径在2-10mm之间。
优选，所述铜导线为2芯、4芯或者8芯结构。
所述绝缘层2的厚度为0.1-1mm，采用耐高温热塑性树脂。
优选，所述绝缘层2的材质为聚氨酯、聚乙烯、聚苯硫醚、聚丙烯中的一种。
所述碳纤维复合外层3为单向纤维或二维织物缠绕层，其中碳纤维为T300、T700、T800中的一种，单向纤维或二维织物预浸热固性树脂，按质量百分比，树脂含量在30％-50％之间，树脂为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种。
所述树脂碳纤维复合材料拉挤层4为浸渍热固性树脂胶液的碳纤维，热固性树脂为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种，碳纤维为T300、T700、T800、M40、M60中的一种。
所述树脂碳纤维复合材料拉挤层4的整体厚度为3-20mm。
所述碳纤维复合材料外表层5为碳纤维长丝或二维带状织物缠绕层，厚度为1-10mm，碳纤维为T300、T700、T800、M40、M60中的一种，碳纤维长丝或二维带状织物浸渍热固性树脂胶液，按质量百分比，树脂含量在30％-50％，热固性树脂为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种。
本发明的碳纤维多层复合测井电缆采用多层复合结构，所述的芯层的铜导体线的表面绝缘层的外部缠绕碳纤维复合材料外层，该外层用以提高芯部整体的刚性、抗劈裂特性，同时提高与外部结构的树脂复合材料的界面结合特性。
所述的缠绕复合材料外层经过浸渍树脂的织物或长丝缠绕后，再加热条件下固化成型，固化温度和时间根据树脂基本固化特性灵活调整。
所述的电缆整体外层结构中的树脂碳纤维复合材料拉挤层采用热塑改性的热固性树脂基体、采用高强度或高模量碳纤维增强制备。
所述的电缆整体外层结构采用拉挤成型制备，拉挤过程将芯层结构定位于中心部位，同时排布浸渍树脂胶液的增强纤维，将芯层结构与纤维同步拉挤成型，拉挤外层结构的整体厚度保持在3-20mm范围内灵活调整。
所述的电缆整体外层拉挤结构采用热固化方式成型，固化温度和时间根据树脂特性不同而灵活调整。
所述的电缆整体外层的外表面缠绕碳纤维复合材料层，采用碳纤维长丝或二维带状织物缠绕，缠绕过程中碳纤维单向或二维织物浸渍热固性树脂胶液，最终外部缠绕层的树脂含量控制在30-50％之间，采用热固化方式成型，固化温度和时间根据树脂特性不同而灵活调整。外表面缠绕碳纤维复合材料层的厚度保持在1-10mm范围内灵活调整。
实施例1
一种碳纤维多层复合测井电缆的制备可采用如下实施方式：
采用经过粗糙化处理的芯结构的紫铜导线芯，导线直径在2mm之间；在铜导体线表面选用注射成型的方式制备厚度为1mm的聚氨酯绝缘层；在绝缘层表面采用T300碳纤维单向缠绕制备外部缠绕复合材料外层，纤维长丝或织物浸渍不饱和聚酯树脂，树脂含量保持在50％(质量百分比，下同)之间，整个缠绕层制备后采用热固化方式成型，固化温度在120℃，固化时间为2小时。
在上述芯部结构制备完成后，在芯部外部采用拉挤成型方式制备拉挤外层结构，首先将芯部多层结构定位于拉挤外层的中心位置，同时排布浸渍环氧树脂胶液的T300碳纤维，将芯层结构与纤维同步拉挤成型，拉挤外层结构的整体厚度保持在3mm范围内，整个拉挤外层结构制备后采用热固化方式成型，固化温度在130℃，固化时间为1小时。
在拉挤外部结构制备完成后，在外表面缠绕碳纤维复合材料层，采用T700碳纤维增强酚醛树脂热固性树脂复合材料结构，整个外层采用碳纤维长丝缠绕，缠绕过程中碳纤维单向或二维织物浸渍树脂在40％之间的热固性树脂胶液，外表面缠绕碳纤维复合材料层的厚度保持在2mm，采用热固化方式成型，固化温度在125℃，固化时间为2小时。
实施例2
一种碳纤维多层复合测井电缆的制备可采用如下实施方式：
采用经过螺纹化处理的4芯结构的黄铜导线芯，导线直径在3mm；在铜导体线表面选用喷涂方式制备厚度为0.5mm的聚乙烯绝缘层；在绝缘层表面采用T700碳纤维二维织物缠绕制备外部缠绕复合材料外层，纤维长丝或织物浸渍酚醛树脂，树脂含量保持在40％之间，整个缠绕层制备后采用热固化方式成型，固化温度在121℃，固化时间为1小时。
在上述芯部结构制备完成后，在芯部外部采用拉挤成型方式制备拉挤外层结构，首先将芯部多层结构定位于拉挤外层的中心位置，同时排布浸渍酚醛树脂胶液的T800碳纤维，将芯层结构与纤维同步拉挤成型，拉挤外层结构的整体厚度保持在5mm范围内，整个拉挤外层结构制备后采用热固化方式成型，固化温度在123℃，固化时间为2.5小时。
在拉挤外部结构制备完成后，在外表面缠绕碳纤维复合材料层，采用T700碳纤维增强环氧树脂热固性树脂复合材料结构，整个外层采用碳纤维二维带状织物缠绕，缠绕过程中碳纤维单向或二维织物浸渍树脂在43％之间的热固性树脂胶液，外表面缠绕碳纤维复合材料层的厚度保持在3mm，采用热固化方式成型，固化温度在125℃，固化时间为2小时。
实施例3
一种碳纤维多层复合测井电缆的制备可采用如下实施方式：
采用经过粗糙化处理的8芯结构的紫铜导线芯，导线直径在4mm；在铜导体线表面选用喷涂成型的方式制备厚度为0.6mm的聚苯硫醚绝缘层；在绝缘层表面采用T800碳纤维单向缠绕制备外部缠绕复合材料外层，纤维长丝或织物浸渍酚醛树脂，树脂含量保持在45％之间，整个缠绕层制备后采用热固化方式成型，固化温度在135℃，固化时间为1小时。
在上述芯部结构制备完成后，在芯部外部采用拉挤成型方式制备拉挤外层结构，首先将芯部多层结构定位于拉挤外层的中心位置，同时排布浸渍环氧树脂胶液的M40碳纤维，将芯层结构与纤维同步拉挤成型，拉挤外层结构的整体厚度保持在12mm范围内，整个拉挤外层结构制备后采用热固化方式成型，固化温度在121℃，固化时间为2小时。
在拉挤外部结构制备完成后，在外表面缠绕碳纤维复合材料层，采用M60碳纤维增强环氧树脂热固性树脂复合材料结构，整个外层采用碳纤维二维带状织物缠绕，缠绕过程中碳纤维单向或二维织物浸渍树脂在40％之间的热固性树脂胶液，外表面缠绕碳纤维复合材料层的厚度保持在6mm，采用热固化方式成型，固化温度在121℃，固化时间为2小时。
实施例4
一种碳纤维多层复合测井电缆的制备可采用如下实施方式：
采用经过螺纹化处理的4芯结构的紫铜导线芯，导线直径在6mm；在铜导体线表面选用注射成型的方式制备厚度为0.9mm的聚丙烯绝缘层；在绝缘层表面采用T800碳纤维二维织物缠绕制备外部缠绕复合材料外层，纤维长丝或织物浸渍酚醛树脂，树脂含量保持在40％之间，整个缠绕层制备后采用热固化方式成型，固化温度在122℃，固化时间为2.5小时。
在上述芯部结构制备完成后，在芯部外部采用拉挤成型方式制备拉挤外层结构，首先将芯部多层结构定位于拉挤外层的中心位置，同时排布浸渍不饱和聚酯树脂胶液的T300碳纤维，将芯层结构与纤维同步拉挤成型，拉挤外层结构的整体厚度保持在12mm范围内，整个拉挤外层结构制备后采用热固化方式成型，固化温度在126℃，固化时间为1.5小时。
在拉挤外部结构制备完成后，在外表面缠绕碳纤维复合材料层，采用T300碳纤维增强不饱和聚酯树脂热固性树脂复合材料结构，整个外层采用碳纤维长丝缠绕，缠绕过程中碳纤维单向或二维织物浸渍树脂在50％之间的热固性树脂胶液，外表面缠绕碳纤维复合材料层的厚度保持在6mm，采用热固化方式成型，固化温度在127℃，固化时间为2小时。
本发明涉及气井、含油气井测试领域所使用的缆线，特别是一种适用于高压井测试的电缆形式。该碳纤维复合材料测井电缆采用多层结构，可在芯部埋设多根高导电体，在导体外侧采用多层包覆及缠绕结构保证芯层的刚性以及与外层的界面结合，在外层采用碳纤维树脂基复合材料拉挤成型加碳纤维织物缠绕结构，保证电缆自身的刚度、耐磨、耐冲击特性以及耐酸碱腐蚀的特性。该复合结构的碳纤维测井电缆可用于解决井口的密封、深井测试以及高温高压地下复杂环境的耐腐蚀问题处理。
综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，相同领域内的有识之士可以在本发明的技术指导思想之内可以轻易提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种碳纤维多层复合测井电缆，其特征在于，包括芯层和外层包覆层，芯层包括：铜导体芯(1)、包裹在铜导体芯外侧的绝缘层(2)和缠绕在绝缘层表面的碳纤维复合外层(3)；外层包覆层包括：树脂碳纤维复合材料拉挤层(4)和包裹缠绕在树脂碳纤维复合材料拉挤层外表面的碳纤维复合材料外表层(5)，其中芯层包埋在树脂碳纤维复合材料拉挤层(4)中。
2.根据权利要求1所述碳纤维多层复合测井电缆，其特征在于，所述铜导体芯(1)为表面经过粗糙化处理或者采用螺纹化处理的黄铜芯或紫铜芯，铜导线为单芯或者多芯结构，铜导线直径在2-10mm之间。
3.根据权利要求2所述碳纤维多层复合测井电缆，其特征在于，所述铜导线为2芯、4芯或者8芯结构。
4.根据权利要求1所述碳纤维多层复合测井电缆，其特征在于，所述绝缘层(2)的厚度为0.1-1mm，采用耐高温热塑性树脂。
5.根据权利要求4所述碳纤维多层复合测井电缆，其特征在于，所述绝缘层(2)的材质为聚氨酯、聚乙烯、聚苯硫醚、聚丙烯中的一种。
6.根据权利要求1所述碳纤维多层复合测井电缆，其特征在于，所述碳纤维复合外层(3)为单向纤维或二维织物缠绕层，其中碳纤维为T300、T700、T800中的一种，单向纤维或二维织物预浸热固性树脂，按质量百分比，树脂含量在30％-50％之间，树脂为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种。
7.根据权利要求1所述碳纤维多层复合测井电缆，其特征在于，所述树脂碳纤维复合材料拉挤层(4)为浸渍热固性树脂胶液的碳纤维，热固性树脂为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种，碳纤维为T300、T700、T800、M40、M60中的一种。
8.根据权利要求7所述碳纤维多层复合测井电缆，其特征在于，所述树脂碳纤维复合材料拉挤层(4)的整体厚度为3-20mm。
9.根据权利要求1所述碳纤维多层复合测井电缆，其特征在于，所述碳纤维复合材料外表层(5)为碳纤维长丝或二维带状织物缠绕层，厚度为1-10mm，碳纤维为T300、T700、T800、M40、M60中的一种，碳纤维长丝或二维带状织物浸渍热固性树脂胶液，按质量百分比，树脂含量在30％-50％，热固性树脂为不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂中的一种。
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