CN115691897A - 一种用于井下永置使用的光电复合缆及光电复合缆组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于井下永置使用的光电复合缆及光电复合缆组件，光电复合缆包括光纤、软体填料、若干根铜导体及绝缘套；所述软体填料包裹于所述光纤的外围；各个所述铜导体均以螺旋方式缠绕于所述软体填料外；所述绝缘套套设于各个所述铜导体上，各个所述铜导体的均部分或完全嵌设于所述软体填料内。本发明提出的技术方案的有益效果包括：不需要使用合金管，而是通过螺旋缠绕的铜导体与软体填料的配合来承压，因此，光纤的生产成本会大大降低，铜导体均螺旋缠绕于软体填料上，铜导体采用螺旋缠绕的方式，可以将铜导体的热膨胀以径向而不是纵向表示；同时，电缆的横截面上电通道和光通道的占比得到大大提高，提高了电通道和光通道的通道容量。
Description
技术领域
本发明涉及电缆技术领域，尤其是涉及一种用于井下永置使用的光电复合缆及光电复合缆组件。
背景技术
用于井下永置使用的光电复合缆用于石油和天然气行业，以提供持续的井数据。现有的光电复合缆采用将电通道和光通道分开的设计进行封装。电通道通常是铜或镍包铜导体。光学通道封装在管中，典型的用于井下永置使用的光电复合缆如图1所示，包括合金管1、电导体2、光纤3、填料4以及灌封胶5，其中，电导体2、光纤3及填料4分别填装于合金管1内，灌封胶5封装于合金管1的外侧。这些设计有以下缺点：
(1)由于需要使用合金管1，导致光缆成本较高；
(2)由于合金管1通常有若干个短节焊接而成，在管道焊接过程中，会释放有机化合物(VOC)，这会削弱光纤的光学性能；
(3)电缆的横截面上电通道和光通道的占比很小，导致电通道和光通道的通道容量不高。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种用于井下永置使用的光电复合缆及光电复合缆组件，用以解决现有的用于井下永置使用的光电复合缆成本较高、管道焊接过程中释放对光纤造成影响的有机化合物气体以及电缆通道容量不高的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于井下永置使用的光电复合缆，包括光纤、软体填料、若干根铜导体及绝缘套；
所述软体填料包裹于所述光纤的外围；
各个所述铜导体均以螺旋方式缠绕于所述软体填料外；
所述绝缘套套设于各个所述铜导体上，各个所述铜导体的均部分或完全嵌设于所述软体填料内。
在一些实施例中，所述软体填料上套设有铜管，所述绝缘套套设于所述铜管上。
在一些实施例中，各个铜导体或铜管均被赋予正电荷。
在一些实施例中，所述用于井下永置使用的光电复合缆还包括铅套及外部聚合物护套，所述铅套套设于所述绝缘套上，所述外部聚合物护套用碳纳米管或碳纤维改性。
在一些实施例中，所述绝缘套外套设有拉拔护套，所述拉拔护套由耐腐蚀金属的钢合金焊接拉制制成。
在一些实施例中，所述光纤外，从内至外依次套设有硅套、PFA套和PEEK套，所述PEEK套上电镀金属保护层。
在一些实施例中，所述光纤被包裹在吸氢玻璃中，所述吸氢玻璃外依次套设软硅胶层及硬硅胶层。
在一些实施例中，所述光纤涂覆碳涂层。
在一些实施例中，所述软体填料为通过长纤维或短纤维改性后的聚合物。
本发明还提供了一种光电复合缆组件，包括中心硬质聚合物杆、弹性包体、外层包体及若干个所述的用于井下永置使用的光电复合缆，其中：
所述弹性包体包覆于所述中心硬质聚合物杆上，所述外层包体包覆于所述弹性包体外，各个所述用于井下永置使用的光电复合缆均嵌设于所述弹性包体及所述外层包体之间。
与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果包括：
(1)光纤可以作为光通道，各个铜导体可以作为电通道，由于不需要使用合金管，而是通过螺旋缠绕的铜导体与软体填料的配合来承压，因此，光纤的生产成本会大大降低，铜导体均螺旋缠绕于软体填料上，铜导体采用螺旋缠绕的方式，可以将铜导体的热膨胀以径向而不是纵向表示；
(2)由于不需要使用管道，因此不需要进行管道焊接，不会释放削弱光纤的光学性能的有机化合物；
(3)由于省去了合金管、填料、灌封胶等结构，电缆的横截面上电通道和光通道的占比得到大大提高，提高了电通道和光通道的通道容量。
附图说明
图1是现有的一种典型的光电复合缆的横剖面示意图；
图2是本发明提供的用于井下永置使用的光电复合缆的实施例1的横剖面示意图；
图3是本发明提供的用于井下永置使用的光电复合缆的实施例2的横剖面示意图；
图4是本发明提供的用于井下永置使用的光电复合缆的实施例3的横剖面示意图；
图5是本发明提供的用于井下永置使用的光电复合缆的实施例4的横剖面示意图；
图6是本发明提供的用于井下永置使用的光电复合缆的实施例5的横剖面示意图；
图7是本发明提供的用于井下永置使用的光电复合缆的实施例6的横剖面示意图；
图8是本发明提供的用于井下永置使用的光电复合缆的实施例7的横剖面示意图；
图9是本发明提供的用于井下永置使用的光电复合缆的实施例8的横剖面示意图；
图10是图9中的用于井下永置使用的光电复合缆采用其他轮廓的光纤构件的横剖面示意图；
图11是图9中的用于井下永置使用的光电复合缆的其他变形的横剖面示意图；
图12是本发明提供的用于井下永置使用的光电复合缆的实施例9的横剖面示意图；
图13是本发明提供的光电复合缆组件的实施例10的横剖面示意图；
图中：1-合金管、2-电导体、3-光纤、4-填料、5-灌封胶、10-中心硬质聚合物杆、20-弹性包体、30-外层包体、100-软体填料、200-铜导体、300-绝缘套、400-铜管、500-铅套、600-外部聚合物护套、700-拉拔护套、810-硅套、820-PFA套、830-PEEK套、831-金属保护层、910-吸氢玻璃、920-软硅胶层、930-硬硅胶层、940-碳涂层。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
请参照图2，本发明的实施例1提供了一种用于井下永置使用的光电复合缆，包括光纤3、软体填料100、若干根铜导体200及绝缘套300，所述软体填料100包裹于所述光纤3的外围，各个所述铜导体200均以螺旋方式缠绕于所述软体填料100外，所述绝缘套300套设于各个所述铜导体200上，各个所述铜导体200的内侧均嵌设于所述软体填料100内，各个所述铜导体200的外侧均嵌入所述绝缘套300内，铜导体200嵌入软体填料100内有助于防止电缆发生微弯曲，从而对光纤3进行保护。
实施例1中，光纤3可以作为光通道，各个铜导体200可以作为电通道，由于不需要使用合金管1，而是通过螺旋缠绕的铜导体200与软体填料100的配合来承压，因此，光纤的生产成本会大大降低，同时，不需要进行管道焊接，不会释放削弱光纤的光学性能的有机化合物；此外，由于省去了合金管1、填料4、灌封胶5等结构，电缆的横截面上电通道和光通道的占比得到大大提高，提高了电通道和光通道的通道容量。
实施例2
如图3所示，本发明提供的实施例2与实施例1的相似，都包括光纤3、软体填料100、若干根铜导体200及绝缘套300，不同的是：
(1)实施例2中，各个铜导体200完全嵌入软体填料100内；
(2)实施例2中，软体填料100套设有铜管400，铜管400上套设有绝缘套300。
实施例2中，光纤3可以作为光通道，各个铜导体200及铜管400均作为电通道，实施例2通过增设铜管400，可提高用于井下永置使用的光电复合缆的抗压强度。
需要指出的是，实施例2中的铜管400上可以镀镍来提高承受腐蚀环境的能力。
实施例3
如图4所示，本发明提供的实施例3与实施例1的相似，都包括光纤3、软体填料100、若干根铜导体200及绝缘套300，不同的是：
(1)实施例3中，各个铜导体200被赋予正电荷以排斥氢离子或氢气分子(H+或H2)。
光纤组件在井下环境中传输信息的长期能力受到氢暴露的破坏性影响的限制。井下环境提供了充足的氢离子来源，包括金属在盐水中的腐蚀以及将施工作业时将酸引入井中。当氢离子与井下环境中的高温相结合时，氢离子的破坏性影响变得特别明显。在井下监测电缆中，光纤放置在不锈钢管中。这些井下监测电缆以“U”形配置放置在井中，两端位于井表面。当旧光纤被氢腐蚀损坏时，通过将旧光纤吹出并吹入新光纤来更换光纤。
具体来说，扩散的H2分子或H+离子与光纤的玻璃芯反应形成羟基(OHˉ)。这些OHˉ基团对光纤造成不可逆的损害，并导致光纤信号显着衰减。该反应的速率随着温度和H2分子或H+离子浓度的增加而显着增加。只有大大减少氢的有害影响(尤其是在高温下)，光纤才能在井下电缆中充分发挥其潜力。
因此，实施例3中，各个铜导体200被赋予正电荷以排斥氢离子或氢气分子(H+或H2)，从而可提高光纤3的使用寿命。
实施例4
如图5所示，本发明提供的实施例4与实施例2的相似，都包括光纤3、软体填料100、若干根铜导体200、铜管400及绝缘套300，不同的是：
实施例4中，铜管400被赋予正电荷以排斥氢离子或氢气分子(H+或H2)，从而可提高光纤3的使用寿命。
如图5所示，实施例4中，铜导体200可以为铜包钢线(如图5的a图)或铜线(如图5的b图)。
实施例5
如图6所示，本发明提供的实施例5与实施例1的相似，都包括光纤3、软体填料100、若干根铜导体200及绝缘套300，不同的是：
(1)实施例5中，还包括铅套500，铅套500套设于绝缘套300上，铅套提供了防止氢和水侵蚀的屏障；
(2)实施例5中，还包括外部聚合物护套600，外部聚合物护套600套设于铅套500外，外部聚合物护套600用碳纳米管或碳纤维改性以增加氢吸收的能力；
(3)实施例5中，软体填料100由含氟聚合物组成，从而具有很高的耐热性、耐化学腐蚀性、耐久性和耐候性。
实施例5中，铜导体200既可以嵌于软体填料100与绝缘套300之间(如图6的a图)，也可以完全嵌于软体填料100内(如图6的b图)。铜导体200可以施加正电荷以排斥氢离子或氢气分子。
实施例6
如图7所示，本发明提供的实施例6与实施例1的相似，都包括光纤3、若干根铜导体200及绝缘套300，不同的是：
实施例6中，绝缘套300外套设有拉拔护套700，拉拔护套700由MP33、Inconel(铬镍铁合金)或其他耐腐蚀金属的钢合金焊接拉制制成。
实施例6中，铜导体200可以施加正电荷以排斥氢离子或氢气分子。
实施例7
如图8所示，本发明提供的实施例7与实施例1的相似，都包括光纤3、软体填料100及若干根铜导体200，不同的是：
(1)实施例6中，光纤3外，从内至外依次套设有硅套810、PFA套820和PEEK套830，其中，PFA套820由PFA材料(Polyfluoroalkoxy，四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物)制成，PEEK套830由PEEK材料(聚醚醚酮)制成，PEEK套830上电镀金属保护层831(可以为金、镍、锡或其他合适的金属)，从而提供了一个相对不透水的屏蔽层来防止氢和湿气的侵袭。
(2)软体填料100外套设有外部聚合物护套600，外部聚合物护套600用碳纳米管或碳纤维改性以增加氢吸收的能力；
(3)铜导体200可以施加正电荷以排斥氢离子或氢气分子。
实施例8
如图9所示，本发明提供的实施例8与实施例1的相似，都包括光纤3、若干根铜导体200及绝缘套300(铜导体200及绝缘套300未示出)，不同的是：
(1)光纤3被包裹在吸氢玻璃910中，吸氢玻璃910外依次套设软硅胶层920及硬硅胶层930，吸氢玻璃910提供了大量的吸氢位点位与H+发生反应，从而大大延长光纤的使用寿命，软硅胶层920及硬硅胶层930可对吸氢玻璃910提供约束和防护。铜导体(铜线或铜包钢丝)可螺旋缠绕于硬硅胶层930，以形成任何先前的实施例。
(2)光纤3上可涂覆碳涂层940。
如图10所示，光纤3吸氢玻璃910组成的光纤构件的轮廓可以是圆形、矩形、椭圆形或其他任意形状，本发明对此不做限定。
如图11中的a图所示，碳涂层940可以省略；如图11中的b图所示，碳涂层940也可以形成于吸氢玻璃910外。
实施例9
如图12所示，本发明提供的实施例9与实施例1的相似，都包括光纤3、软体填料100、若干根铜导体200及绝缘套300，不同的是：
(1)光纤3在软体填料100内可以为多根，例如，图12中的a、b、d、e图中，软体填料100内都嵌设有3根光纤；
(2)软体填料100可以由两个拱形体组成，从而便于装配(如图12中的c、f图)；
(3)软体填料100可以为通过长纤维或短纤维改性后的聚合物(如图12中的d、e、f图)，其中，长纤维或短纤维可以为碳、玻璃、石英、陶瓷纤维，用纤维改性后的聚合物制成软体填料100可最大限度地减少因铜导体200和光纤3之间不兼容的热膨胀系数引起的热膨胀问题的可能性。众所周知，铜金属的热膨胀率高于光纤3，因此纤维改性后的聚合物制成软体填料100，软体填料100的热膨胀率大大降低，从而在一定程度上抵消铜导体200热膨胀的影响。
同时，在本发明的所有实施例中，铜导体200均螺旋缠绕于软体填料100上，铜导体200采用螺旋缠绕的方式，可以将铜导体200的热膨胀以径向而不是纵向表示，也即是说，由于铜导体200采用螺旋缠绕的方式，当发生热膨胀时，其可以通过沿径向膨胀来释放膨胀量，而在现有的设计中，导体为直线状，其热膨胀仅能沿长度方向释放，从而会因与光纤的膨胀率不匹配而引发故障。
实施例10
如图13所示，本发明的实施例10提供了一种光电复合缆组件，所述光电复合缆组件由多个如实施例1-实施例9中的用于井下永置使用的光电复合缆并在一起制成。
实施例10中的光电复合缆组件包括中心硬质聚合物杆10、弹性包体20、外层包体30及若干个如实施例1-实施例9中的用于井下永置使用的光电复合缆。
其中，弹性包体20包覆于中心硬质聚合物杆10上，所述外层包体30包覆于弹性包体20外，各个用于井下永置使用的光电复合缆均嵌设于所述弹性包体20及所述外层包体30之间。
其中，中心硬质聚合物杆10的作用是承受井下高压环境，中心硬质聚合物杆10可以通过长纤维或短纤维改性，以降低热膨胀率，从而避免因与光纤3的热膨胀率不匹配而导致故障。
综上所述，本发明提供的技术方案的有益效果如下：
(1)光纤3可以作为光通道，各个铜导体200可以作为电通道，由于不需要使用合金管1，而是通过螺旋缠绕的铜导体200与软体填料100的配合来承压，因此，光纤的生产成本会大大降低，铜导体200均螺旋缠绕于软体填料100上，铜导体200采用螺旋缠绕的方式，可以将铜导体200的热膨胀以径向而不是纵向表示；
(2)由于不需要使用管道，因此不需要进行管道焊接，不会释放削弱光纤的光学性能的有机化合物；
(3)由于省去了合金管1、填料4、灌封胶5等结构，电缆的横截面上电通道和光通道的占比得到大大提高，提高了电通道和光通道的通道容量；
(4)可在软体填料100套设有铜管400来提高用于井下永置使用的光电复合缆的抗压强度；
(5)可对铜导体200被赋予正电荷以排斥氢离子或氢气分子；
(6)可在绝缘套300上套设铅套500来提供防止氢和水侵蚀的屏障；
(7)可以坐在铅套500上套设外部聚合物护套600，外部聚合物护套600用碳纳米管或碳纤维改性以增加氢吸收的能力；
(8)可在绝缘套300上套设拉拔护套700，拉拔护套700由MP33、Inconel或其他耐腐蚀金属的钢合金的焊接拉制制成，从而提高耐腐蚀能力；
(9)光纤3外，从内至外依次套设有硅套810、PFA套820和PEEK套830，PEEK套830上电镀金属保护层831(可以为金、镍、锡或其他合适的金属)，从而提供了一个相对不透水的屏蔽层来防止氢和湿气的侵袭；
(10)光纤3可以被包裹在吸氢玻璃910中，吸氢玻璃910提供了大量的吸氢位点位与H+发生反应，从而大大延长光纤的使用寿命；
(11)软体填料100可以为通过长纤维或短纤维改性后的聚合物，从而在一定程度上抵消铜导体200热膨胀的影响；
(12)本发明提供的光电复合缆组件可通过中心硬质聚合物杆10承压，中心硬质聚合物杆10可以通过长纤维或短纤维改性，以降低热膨胀率，从而避免因与光纤3的热膨胀率不匹配而导致故障。
本发明将光纤与其他材料和构造相结合，以产生能够保持性能同时承受井下条件下的物理应力以及氢和湿气侵袭的光纤组件。为了最大限度地减少氢侵蚀，这些实施例使用了不同的氢排斥材料、氢吸收材料和带正电荷的屏障组合。防潮性由高性能聚合物材料的组合提供。物理应力通过使用特殊设计和特殊材料来减轻热膨胀差异的影响。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于井下永置使用的光电复合缆，其特征在于，包括光纤、软体填料、若干根铜导体及绝缘套；
所述软体填料包裹于所述光纤的外围；
各个所述铜导体均以螺旋方式缠绕于所述软体填料外；
所述绝缘套套设于各个所述铜导体上，各个所述铜导体的均部分或完全嵌设于所述软体填料内。
2.根据权利要求1所述的用于井下永置使用的光电复合缆，其特征在于，所述软体填料上套设有铜管，所述绝缘套套设于所述铜管上。
3.根据权利要求2所述的用于井下永置使用的光电复合缆，其特征在于，各个铜导体或铜管均被赋予正电荷。
4.根据权利要求1所述的用于井下永置使用的光电复合缆，其特征在于，还包括铅套及外部聚合物护套，所述铅套套设于所述绝缘套上，所述外部聚合物护套用碳纳米管或碳纤维改性。
5.根据权利要求1所述的用于井下永置使用的光电复合缆，其特征在于，所述绝缘套外套设有拉拔护套，所述拉拔护套由耐腐蚀金属的钢合金焊接拉制制成。
6.根据权利要求1所述的用于井下永置使用的光电复合缆，其特征在于，所述光纤外，从内至外依次套设有硅套、PFA套和PEEK套，所述PEEK套上电镀金属保护层。
7.根据权利要求1所述的用于井下永置使用的光电复合缆，其特征在于，所述光纤被包裹在吸氢玻璃中，所述吸氢玻璃外依次套设软硅胶层及硬硅胶层。
8.根据权利要求1所述的用于井下永置使用的光电复合缆，其特征在于，所述光纤涂覆碳涂层。
9.根据权利要求1所述的用于井下永置使用的光电复合缆，其特征在于，所述软体填料为通过长纤维或短纤维改性后的聚合物。
10.一种光电复合缆组件，其特征在于，包括中心硬质聚合物杆、弹性包体、外层包体及若干个如权利要求1-9中任意一项所述的用于井下永置使用的光电复合缆，其中：
所述弹性包体包覆于所述中心硬质聚合物杆上，所述外层包体包覆于所述弹性包体外，各个所述用于井下永置使用的光电复合缆均嵌设于所述弹性包体及所述外层包体之间。
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