DE69118275T2

DE69118275T2 - Verfahren zum Herstellen eines Datenübertragungskabel

Info

Publication number: DE69118275T2
Application number: DE69118275T
Authority: DE
Inventors: Willem Wijnberg
Original assignee: Schlumberger Technology BV
Current assignee: Schlumberger Technology BV
Priority date: 1990-08-14
Filing date: 1991-07-26
Publication date: 1996-10-10
Anticipated expiration: 2011-07-27
Also published as: DE69118275D1; ZA916382B; JPH04233106A; IE912866A1; MX9100551A; EP0471600B1; NO912971D0; NO301197B1; AU8177691A; BR9103434A; AU647509B2; NO912971L; EP0471600A1; IE74900B1; US5150443A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Bearbeitung von Kabeln zum Erzielen gewünschter physikalischer Charakteristiken, insbesondere verringerter Längsdehnung.

2. Stand der Technik

In vielen Anwendungsfällen ist es wichtig, daß die physische Länge eines Kabels festliegt oder, wenn die Länge sich ändert, daß solche Änderungen bestimmbar sind. Dies ist beispielsweise von Bedeutung bei Bohrlochuntersuchungen, bei denen eine Sonde in ein Bohrloch an einem elektrischen Kabel abgesenkt wird und die Tiefe der Sonde bestimmt wird durch Messen der abgelaufenen Kabellänge. Üblicherweise ändert sich die Länge des Kabels bei solcher Anwendung mit der Temperatur und dem Zug an dem Kabel, doch diese Längenänderungen können aus bekannten Temperatur- und Zugdatenbeziehungen berechnet werden. Wenn das Kabel jedoch irreversibel im Betrieb deformiert wird (wie durch eine permanente oder plastische Längung), hat sich die Kabellänge geändert, und die genaue Tiefe einer Untersuchungssonde in dem Bohrloch zum Zeitpunkt der Verwendung ist nicht genau bestimmt. Wenn darüber hinaus die Kabellänge bestimmt wird durch Marken längs der Kabellänge, werden diese Marken ungenau infolge permanenter Kabellängung.
Es ist, um dieses Problem der irreversiblen Deformation eines Kabels zu lösen, vorgeschlagen worden, die gesamte Länge des Kabels vor seiner Verwendung einer "heißen Vorreck-Operation" zu unterwerfen. Bei diesem Arbeitsgang wird das Kabel gleichzeitig Zug und Hitze derart ausgesetzt, daß die inhärente irreversible (oder plastische) Deformationscharakteristiken im wesentlichen eliminiert werden; die einzigen Deformationscharakteristiken, von denen angenommen wird, daß sie an diesem Punkt verbleiben, sind die elastischen Deformationscharakteristiken.
Dieser Arbeitsgang überwindet jedoch die oben erwähnten Schwierigkeiten nicht vollständig.
Die Art von Kabel, auf die sich die Erfindung richtet, umfaßt generell einen Kern, umgeben von einer Hülle, hergestellt beispielsweise aus isolierendem Material. Die Hülle ist selbst eingeschlossen von einer ersten und einer zweiten Schicht aus Armierungssträngen. Der Kern kann elektrische Leiter und/oder optische Fasern enthalten und die üblichen elektrischen Isolations- und mechanischen Schutzhüllen, die unmittelbar die elektrischen Leiter oder die optischen Fasern umgeben. Solche bekannten Kabel sind beispielsweise beschrieben in den US-Patenten Nr. 2,725,713, 3,106,815, 3,137,988, 3,371,474 und 3,800,066: Alle diese Patente sind auf den Rechtsvorgänger oder Schwesterfirmen des Inhabers der vorliegenden Anmeldung übertragen. Ein anderes Beispiel dieser bekannten Kabel ist in WO-A1-8400819 beschrieben.
In einer ersten Ausführungsform dieser bekannten Kabel, wie dies in dem Artikel "Umbilical Cable Design and Selection Criteria" von Fred Hartdegen und Willem Wijnberg, veröffentlicht in Ocean Industry, März 1985, Mai 1985 und Juni 1985, beschrieben ist, besteht die zwischen dem Kern und den Armierungssträngen angeordnete Hülle aus einem thermoplastischen Material, wie beispielsweise Polyethylen oder einem Ethylenpropylencopolymer (EPC). Dieses thermoplastische Material ist derart, daß es bei Anlegen von Zug an das Kabel während dessen Einsatz ermöglicht, daß die Armierungsstränge sich in das Hüllenmaterial einbetten. Insbesondere liegen die Armierungsstränge in Nuten, die auf der Peripherie der Hülle erzeugt werden. Die Nuten, die nach dem Entspannen verbleiben, unterstützen dabei die Armierungsstränge, in dichter Beziehung mit der Hülle/dem Kern zu halten. Bei Anlegen von Zug an das Kabel jedoch wird das thermoplastische Hüllenmaterial üblicherweise gequetscht und kann, nachdem es die Zwischenräume zwischen den Armierungssträngen gefüllt hat, sogar zwischen den Armierungssträngen heraustreten. Infolgedessen betten sich die Armierungsstränge in die Hülle tiefer und tiefer von einer Benutzung zur nächsten ein und demgemäß wird das Kabel länger und länger in einer permanenten Weise. Diese plastische Längung des Kabels fährt fort, bis die Armierungsstränge in Kontakt miteinander sind. An diesem Punkt nimmt der Verschleiß des Kabels rapide zu.
Es ist vorgeschlagen worden, diese Situation zu beheben, indem man die Hülle aus einem thermisch abbindenden oder thermohärtenden Material herstellt, wie einem gehärteten Gummi, beispielsweise Acrylnitrilbutadien-Gummi, wie in den oben genannten Patenten gezeigt. Im Ruhezustand liegen die Armierungsstränge auf der zylindrischen Oberfläche der Hülle. Bei Anwendung von Zug auf das Kabel ermöglicht die Glattheit des ausgehärteten Gummis den Armierungssträngen, sich in Nuten einzubetten, die an der Oberfläche der Hülle erzeugt worden sind, während seine elastischen Eigenschaften die Einbettungsnuten verschwinden läßt bei Abbau der Zugbelastung.
Obwohl es das oben erwähnte Phänomen des Ausfließens zu vermeiden scheint, zeigt das Gummihülsenkabel einige Nachteile.
Als erstes streckt sich das Gummihüllenkabel gewöhnlich in Längsrichtung, wenn es zugbelastet wird, in höherem Maße als das Plastikhüllenkabel, da der Gummi die Zwischenräume zwischen den Armierungssträngen füllt und demgemäß dem Kabel die Streckung ermöglicht. Zweitens ist das Gummi ein Material, das nicht leicht zu handhaben und zu verarbeiten ist und das auch einige Beschränkungen bezüglich der Temperaturfestigkeit und Alterung aufweist.
Ein armiertes Freileitungs-Fernsprechkabel, etwas analog zu dem vorerwähnten Gummihüllenkabel, ist in CH-A-351312 offenbart. Dieses Leistungskabel hat eine Aluminiumhülle, umgeben von einer Schutzschicht, die einen geringen Anteil einer vulkanisierbaren Substanz enthält, derart ausgewählt, daß sie immer noch relativ weich in ihrem ausgehärteten (d.h. vulkanisierten) Zustand ist, so daß die Armierungsdrähte oder Kabel in die vulkanisierte Schicht eingebettet werden können.
Im Lichte des Vorstehenden bleibt eine Notwendigkeit, insbesondere in feindlicher Umgebung, wie in einem Bohrloch, für ein Kabel, das vernachlässigbare permanente (plastische) Streckung aufweist und nur begrenzte elastische Streckung.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Kabel zu schaffen, das eine drastisch verringerte elastische Längsdeformation aufweist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für die Herstellung eines Kabels geschaffen, umfassend die Schritte:
a) Bereitstellen eines Kerns, welcher Kern mindestens eine Übertragungsleitung enthält;
b) Umschließen des Kerns mit einer Hülle;
c) Umschließen der Hülle mit einer Einbettungsschicht aus elastischem und aushärtbarem, thermisch abbindendem Material; und
d) Einschließen der Einbettungsschicht mit schraubenförmig gewickelten Armierungsmitteln, welche Armierungsmittel mindestens einen Satz von Armierungssträngen umfassen;
dadurch gekennzeichnet, daß der Einschließungsschritt ausgeführt wird, während die Einbettungsschicht aus thermisch abbindendem Material in ihrem nichtabgebundenen Zustand ist derart, daß komplementäre Nuten in der Einbettungsschicht für die Aufnahme der Armierungsstränge gebildet werden, und dem der Schritt des nachfolgenden Aushärtens des thermisch abbindenden Materials der Einbettungsschicht folgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Dicke der Einbettschicht, gemessen in Radialrichtung vor dem Aushärtschritt, typischerweise zwischen 1% und 75%, und vorzugsweise zwischen 1% und 10% der Dicke der Hülle.
Beispielsweise kann die Hülle aus thermoplastischem Material, wie Polyethylen, Ethylen-Propylen-Copolymer (EPC), Polytetrafluorethylen (PFTE), wie unter dem Warenzeichen TEFLON erhältlich (eingetragenes Warenzeichen von DuPont, Inc.) oder Polyurethan hergestellt werden.
Das aushärtbare, thermisch abbindende Material der Einbettungsschicht ist vorzugsweise Butylgummi, Neopren, Nitril oder chlorsulphoniertes Polyethylen, wie erhältlich unter dem Warenzeichen Hypalon (eingetragenes Warenzeichen von DuPont, Inc.).
Die Erfindung betrifft auch ein Kabel, hergestellt gemäß dem Verfahren des ersten Aspekts der Erfindung.
Die Erfindung ist besser verständlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung typischer Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in welchen:

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ein Kabel zeigt, aufgebaut gemäß der Erfindung und abgesenkt in ein Bohrloch, das in das Erdreich abgeteuft wurde;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Kabels gemäß der Erfindung ist; und
Fig. 3 eine Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Kabels gemäß der Erfindung ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Ein Beispiel für ein Kabel, das gemäß dem Verfahren nach der Erfindung hergestellt sein kann, ist in Fig. 1 wiedergegeben. Ein Kabel 10 ist gezeigt, das eine Bohrlochuntersuchungssonde 11 trägt, beispielsweise in einem Bohrloch 12, das in das Erdreich abgeteuft ist. Das Kabel 10 läuft über eine Rolle 13, angebracht an einer Struktur 100, die über Tage aufgerichtet ist. Das obere Ende des Kabels ist an einer konventionellen Winde 14 befestigt, mittels der die Sonde 11 in das Bohrloch 12 abgesenkt und aus ihm herausgezogen werden kann. Die Winde 14 kann auf einem Lastwagen 110 montiert sein zusammen mit den üblichen elektronischen Komponenten für die Übertragung, Verarbeitung, Wiedergabe oder andere Prozeßschritte der Daten, die von der Sonde 11 kommen, wie auch für die Steuerung des Betriebs der Sonde 11. Es ist festzuhalten, daß die Zeichnung der Fig. 1 nicht maßstabsgetreu ist.
Wie in größeren Einzelheiten in Fig. 2 gezeigt, welche einen Querschnitt eines Beispiels einer Ausführungsform des Kabels darstellt, umfaßt das Kabel 10 einen Kern 15, welcher eine Übertragungsleitung für die Übertragung von Daten und Betriebsbefehlen von der und zu der Sonde umfaßt. Die Übertragungsleitung kann vom optischen, elektrooptischen oder elektrischen Typ sein und kann beispielsweise entweder mehrere optische Fasern oder mehrere elektrische Leiter umfassen, angeordnet in einem Stahlrohr 16. Das Rohr 16 kann von einer Schicht aus synthetischem, nichtgewebtem Material 17 umgeben sein, beispielsweise solchem, das unter dem Warennamen Nylon bekannt ist. Ein Satz von leitenden Drähten 18, beispielsweise aus Kupfer, können die Synthetikmaterialschicht 17 umgeben. Die Kupferdrähte 18 sind in einer Hülle 19 aus irgendeinem geeigneten Material eingeschlossen, wie einem thermoplastischen Material, genauer gesagt, Polyethylen (PE), Ethylen-Propylen- Copolymer (EPC), Polyurethan (PU), Teflon* (FEP*, PFA*) Tefzel*; wobei * ein eingetragenes Warenzeichen der DuPont, Inc. bezeichnet). Die Hülle kann alternativ aus einem wärmehärtenden Material bestehen.
Die Hülle 19 ist von einer inneren Armierungsschicht 20 umgeben, umfassend eine Mehrzahl von Metallsträngen 21, die vorzugsweise vorgeformt sind und die in einer Schraubenlinie um Hülle/Kern gewickelt sind. Die Steigung der Stränge 21 deckt im wesentlichen die Hülle 19 ab. Während vierzehn Stränge 21 in Fig. 2 gezeigt sind, hängt die genaue Anzahl, die in irgendeinem Fall verwendet wird, ab von dem gewünschten Durchmesser, Festigkeit und Lage. Bei elektrischen Untersuchungsarbeitsgängen können die verwendeten Kabel bis zu vierundzwanzig Stränge in der inneren Armierungsschicht 20 aufweisen. Auf die Außenseite der inneren Armierungsschicht 20 ist eine äußere Armierungsschicht 22 aufgewickelt, umfassend eine Mehrzahl von Metallsträngen 23, die in entgegengesetzter Richtung zu den inneren Strängen 21 gewickelt sind. Die äußere Armierung 22 umfaßt in dem dargestellten Beispiel zwanzig Stränge 23, kann jedoch bis zu vierundzwanzig umfassen.
Zur Illustration kann das in Fig. 2 gezeigte Kabel die folgenden Abmessungen aufweisen, wobei "AD" für "Außendurchmesser" steht:
Kern AD 0,097" (2,46 mm)
Hülle AD 0,174" (4,42 mm)
Innenarmierungsstrangdurchmesser 0,049" (1,24 mm)
Außenarmierungsstrangdurchmesser 0,049" (1,24 mm)
Gemäß der Erfindung ist eine Einbettschicht 25 für die inneren Armierungsstränge 20 vorgesehen und zwischen der Hülle 19 und der inneren Armierung 20 angeordnet. Die Einbettschicht 25 besteht aus einem elastischen und härtbaren thermobindenden Material, wie beispielsweise Butylgummi, Neopren, Nitril oder Hypalon (eingetragenes Warenzeichen der DuPont, Inc.). Das die Einbettschicht 25 bildende Material ist derart, daß dann, wenn das Kabel Zugbelastung unterworfen wird, Nuten in dem Material gebildet werden. Solche Nuten sind komplementär zu den inneren Armierungssträngen 21, so daß das thermobindende Material der Einbettschicht die Zwischenräume zwischen den inneren Armierungssträngen füllt. Demgemäß verbleibt kein Leerraum zwischen der Hülle 19 und der inneren Armierung 20. Die Nuten bleiben nach Entspannung, wie weiter in Verbindung mit der Beschreibung des Verfahrens gemäß der Erfindung für die Herstellung des Kabels erläutert wird.
In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform des Kabels wiedergegeben und in ihr sind Elemente ähnlich den Elementen in Fig. 2 mit denselben Bezugszeichen versehen, modifiziert durch einen Indexstrich. Die Kunststoffhülle 19' hat einen Außendurchmesser von 0,159" (4,04 mm), d.h. ist kleiner als der AD der Ausführungsform nach Fig. 2. Die Einbettungsschicht 25' der Fig. 3 ist dicker als die in Fig. 2 gezeigte und hat eine Dicke von 0,02" (0,58 mm).
Das Kabel wird vorteilhafterweise gemäß dem folgenden Verfahren, das Teil der Erfindung ist, hergestellt.
Der erste Schritt des Verfahrens ist die Herstellung des Kerns 15, wie dies im Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise gemäß der Lehre der älteren oben erwähnten Patente. Der Kern wird dann in eine thermoplastische Hülle 19 eingeschlossen, beispielsweise durch Extrusion der Hülle. Auf der Peripherie der Hülle 19 wird die Einbettungsschicht 25 aus härtbarem, jedoch noch ungehärtetem, thermisch abbindendem Material aufgebracht. Die härtbare, thermisch abbindende Schicht 25 kann entweder durch Extrusion oder mittels eines Bandes (entweder mit schraubenlinienförmiger oder Längsumhüllung) aufgebracht werden. Dann werden die inneren Armierungsstränge 21 schraubenlinienförmig auf die Einbettungsschicht 25 aufgewickelt und auf diese werden in entgegengesetzter Richtung die äußeren Armierungsstränge 23 gewickelt. Dies führt zur Bildung von Nuten in der weichen Einbettungsschicht. Die Form der Nuten ist komplementär zu den inneren Armierungssträngen 21, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt. Die Armierungsstränge werden, während sie auf die Einbettungsschicht aufgebracht werden, typischerweise einer "Rückspannung" in gewissem Maße unterworfen infolge der Tatsache, daß die Spulen, welche die Stränge enthalten, am freien Drehen gehindert werden. Ein bestimmter Zug resultiert demgemäß in den Strängen zur Überwindung der Reibung und des Abziehens der Stränge von der Spule. Demgemäß üben die Armierungsstränge radialen Druck auf die Einbettungsschicht 25 aus. Die radiale Dicke der Einbettungsschicht ist derart, daß das härtbare, thermisch abbindende Material sich während des Armierungsprozesses in die Zwischenräume zwischen die inneren Armierungsstränge 21 und zwischen dieselben und die Plastikhülle 19 setzt. Der nächste Schritt besteht darin, daß das Kabel der richtigen Wärmemenge unterworfen wird, um das härtbare, thermisch abbindende Material, das die Einbettungsschicht 25 bildet, zu erhärten. Dies ermöglicht, die Form der Nuten permanent festzulegen. Die Menge an thermisch abbindendem Material sollte derart sein, daß, nachdem die Zwischenräume einmal gefüllt worden sind, ein Ring von gehärtetem Material zwischen der Außenoberfläche der Kunststoffhülle 19 und der Innenseite der inneren Armierungsstränge 21 verbleibt. Dieser verbleibende Materialring könnte relativ dünn sein, wie in Fig. 2 gezeigt, beispielsweise von einer Dicke von 0,004" (0,1 mm). Er könnte alternativ relativ dick sein, wie in Fig. 3 gezeigt, beispielsweise mit einer Dicke von 0,02" (0,58 mm).
Das Kabel, hergestellt gemäß der Erfindung, weist eine erheblich verringerte elastische Längsdehnung auf im Vergleich mit Kabeln nach dem Stand der Technik.
Da das ausgehärtete, thermisch abbindende Material der Einbettungsschicht 25 unter Druck keinen "Kaltfluß" (oder Ausquetschung) aufweist, wird die Radialbewegung der Armierungsstränge erheblich verringert, wodurch der größte Teil der plastischen Permanentdehnung des Kabels eliminiert wird. Die inneren Armierungsstränge 21 kehren in ihre ursprüngliche Radialposition bei Freigabe des Zuges zurück. Der auf das Kabel ausgeübte Zug erzeugt jedoch eine sehr begrenzte Radialbewegung der Armierungsstränge, da die Lücken oder Zwischenräume zwischen den Armierungssträngen bereits mit der Einbettungsschicht gefüllt sind (infolge des Vorhandenseins permanenter Nuten). Andererseits begrenzt das Vorhandensein der Hülle 19 die Größe, um die die elastische Einbettungsschicht von den Armierungssträngen 21 komprimiert werden kann. Da darüber hinaus die Armierungsstränge nicht in Kontakt mit der Kunststoffhülle stehen, wird das Kabel gemäß der Erfindung nicht dem nachteiligen Ausquetschphänomen von Kabeln beim Stand der Technik unterworfen.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen derselben beschrieben und illustriert wurde, versteht es sich für Fachleute, daß verschiedene Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung, wie sie beansprucht ist, abzuweichen.
Beispielsweise könnte das Kabel gemäß der Erfindung auch als Kommunikationskabel verwendet werden, das auf dem Boden des Ozeans verlegt werden könnte, oder als ein Kabel, ausgelegt zum Schleppen eines Satzes von Instrumenten durch den Ozean mittels eines Schiffes.

Claims

1. Ein Verfahren für die Herstellung eines Kabels, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen eines Kerns (15), welcher Kern mindestens eine Übertragungsleitung enthält;

b) Umschließen des Kerns (15) mit einer Hülle (19);

c) Umschließen der Hülle (19) mit einer Einbettungsschicht (25) aus elastischem und aushärtbarem thermisch abbindendem Material; und

d) Einschließen der Einbettungsschicht (25) mit schraubenförmig gewickelten Armierungsmitteln (20), welche Armierungsmittel mindestens einen Satz von Armierungssträngen (21) umfassen;

dadurch gekennzeichnet, daß der Einschließungsschritt ausgeführt wird, während die Einbettungsschicht (25) aus thermisch abbindendem Material in ihrem nichtabgebundenen Zustand ist derart, daß komplementäre Nuten in der Einbettungsschicht für die Aufnahme der Armierungsstränge (21) gebildet werden, und dem der Schritt des nachfolgenden Aushärtens des thermisch abbindenden Materials der Einbettungsschicht folgt.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Dicke, gemessen in der Radialrichtung vor dem Abbindeschritt, der Einbettungsschicht (25) zwischen 1% und 75% der Dicke der Hülle (19) ausmacht.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Armierungsmittel (20) ferner einen zweiten Satz von Armierungssträngen (23) umfaßt, schraubenlinienförmig den ersten Satz umgebend, welcher zweite und erste Satz in entgegengesetzten Richtungen gewickelt sind.

4. Ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Einbettungschicht (25) auf der Hülle (19) mittels Extrusion plaziert wird.

5. Ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das thermisch abbindende Material ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus Butylgummi, Neopren, Nitril und chlorosulfoniertem Polyethylen.

6. Ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Einbindungsschicht (25) eine Dicke derart aufweist, daß sie zumindest die Zwischenräume zwischen dem ersten Satz von Armierungssträngen (21) und der Hülle (19) füllt.

7. Ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Hülle (19) aus einem thermoplastischen Material hergestellt wird.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das thermoplastische Material ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus Polyurethan, Polyethylen, Ethylen-Propylen-Copolymer und PTFE.

9. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Hülle (19) aus einem thermisch abbindenden Material hergestellt wird.