EA010147B1 - Электрические кабели - Google Patents

Abstract

Предлагается электрический кабель, который включает в себя покрытый электрический проводник, полимерный защитный слой, который захватывает любые чешуйки покрытия, первую изолирующую оболочку, расположенную прилегающей к электрическому проводнику и имеющую первую относительную диэлектрическую проницаемость, и вторую изолирующую оболочку, расположенную прилегающей к первой изолирующей оболочке и имеющую вторую относительную диэлектрическую проницаемость, которая является меньшей, чем первая относительная диэлектрическая проницаемость. В другом аспекте настоящего изобретения предлагается способ изготовления кабеля, который включает в себя обеспечение покрытого электрического проводника, экструзию полимерного защитного слоя поверх покрытого электрического проводника, экструзию первой изолирующей оболочки поверх защитного полимерного слоя и экструзию на нее второй изолирующей оболочки. Кабели по изобретению могут дополнительно включать в себя слои проволочной оплетки или даже проводники обратного тока.

Description

Данное изобретение относится к кабелю с перераспределенным электрическим полем и способу его изготовления. В одном аспекте изобретение относится к устойчивому к коррозии кабелю с перераспределенным электрическим полем, применяемому с устройствами для анализа геологических формаций вблизи скважины до ее заканчивания, и способу его изготовления.

Описание уровня техники

Обычно геологические формации в земле, которые содержат нефть и/или нефтяной газ, обладают свойствами, которые могут быть связаны со способностью данных формаций содержать такие продукты. Например, формации, которые содержат нефть и/или нефтяной газ, имеют более высокое удельное электрическое сопротивление, чем формации, которые содержат воду. Формации, обычно содержащие песчаник или известняк, могут содержать нефть или нефтяной газ. Формации, обычно содержащие сланец, которые могут также заключать в себе нефтеносные формации, могут иметь намного большую пористость, чем пористость песчаника или известняка, но, так как размер зерна сланца очень маленький, может быть трудно извлечь нефть или газ, заключенные в нем.

Соответственно, может быть желательно измерять различные характеристики геологических формаций вблизи скважины до ее заканчивания, чтобы помочь в определении расположения нефтеносной и/или газоносной формации, а также количества нефти и/или нефтяного газа, заключенного в формации. Скважинные приборы, которые обычно представляют собой длинные трубообразные устройства, могут опускаться в скважину для измерения таких характеристик на различных глубинах вдоль скважины. Эти скважинные приборы могут включать в себя излучатели/приемники гамма-лучей, каверномеры, устройства измерения удельного сопротивления, нейтронные излучатели/приемники и им подобные, которые применяются для зондирования характеристик формаций вблизи скважины. Каротажный кабель соединяет скважинный прибор с одним или более источниками электроэнергии и оборудованием для анализа данных на поверхности земли, а также обеспечивает конструктивную опору для скважинных приборов, когда их опускают и поднимают по скважине. Обычно каротажный кабель разматывают с грузовика через шкив и вниз в скважину. Каротажные кабели обычно имеют как можно меньший внешний диаметр для того, чтобы максимизировать длину кабеля на барабане. Другие желательные характеристики включают в себя высокие отношения прочности к массе, большую подаваемую мощность, высокую устойчивость к коррозии и хорошую передачу данных.

Каротажные кабели обычно образованы из комбинации металлических проводников, изоляционного материала, материалов-наполнителей, оболочек и металлических проволок оплетки. При изготовлении кабелей общепринято использовать экструзионный способ для формирования изолирующей оболочки, прилегающей к проводнику или проводникам кабеля. Для некоторых применений желательно формировать кабель с изоляцией, используя больше чем одну изолирующую оболочку, прилегающую к проводнику(ам), для достижения определенных диэлектрических свойств. Патент США № 6600108 (Мубиг и др.), включенный сюда посредством ссылки, описывает кабели с двумя разными изолирующими оболочками вокруг проводника(ов) для обеспечения кабеля, способного передавать большие количества энергии с минимальной электрической изоляцией за счет снижения пиковой напряженности электрического поля, возникающей в данном диапазоне напряжения электроэнергии. Это позволяет сохранять как можно меньший диаметр кабеля. Данная конструкция может также исключить использование металлической оплетки в качестве обратного электрического проводника, так как такая конфигурация может представлять опасность для персонала и оборудования, которые случайно войдут в контакт с проволоками оплетки во время работы скважинных приборов. Кроме того, в некоторых применениях каротажные кабели с изоляцией подвергаются воздействию значительных уровней коррозийных химикатов, таких как сероводород.

Присутствие коррозийных химикатов, таких как сероводород, в скважинах или скважинных флюидах может вызывать заметное повреждение проволок оплетки и металлических проводников. Например, сероводород в виде газа или газа, растворенного в жидкостях, атакует металлы, взаимодействуя с ними с образованием сульфидов металлов и атомарного водорода. Разрушающий процесс главным образом представляет собой водородное охрупчивание, сопровождаемое химической атакой. Химическую атаку обычно называют растрескиванием под напряжением в сульфидсодержащей среде. Сероводород атакует металлы с широким разбросом интенсивности. Высокопрочные стали, используемые в проволоках оплетки, которые имеют высокое содержание углерода и подвергнуты интенсивной холодной деформационной обработке, особенно чувствительны к повреждению сероводородом. Поэтому в качестве материала проволоки оплетки необходимо использовать металлы и специальные сплавы, которые очень устойчивы к коррозии. Для защиты от повреждения сероводородом или другими коррозийными химикатами обычно применяют специально модифицированные металлические электрические проводники. Перед тем как изолировать, индивидуальные металлические проводники обычно покрывают металлом, обычно никелем. Покрытые проводники имеют более высокое сопротивление, чем традиционные непокрытые проводники, тем самым ограничивая способность к передаче энергии для данного диаметра кабеля.

Покрытые металлические проводники склонны к наличию отслоения во время изготовления, пере

- 1 010147 мещения и использования. Так как проводник и покрывающие металлы могут иметь разные коэффициенты теплового расширения, покрытие может отслаиваться, когда проволока подвергается воздействию тепла экструдера. Покрытие также может отслаиваться, когда проволока изгибается поверх натяжных шкивов. Покрытие также может сдираться при контактном трении в головке экструдера. Чешуйки покрытия имеют тенденцию смешиваться с изолирующими слоями или оболочками, вызывая усиление местного электрического поля, что может приводить к активизации частичных разрядов или даже снижению диэлектрической прочности. Это может приводить к потере способности адекватно передавать энергию.

Таким образом, существует потребность в кабелях, которые способны передавать большие количества электроэнергии, сохраняя при этом небольшой диаметр кабеля и сохраняя устойчивость к коррозии. Поэтому был бы очень желателен кабель, который может преодолеть указанные выше проблемы, передавая при этом большие количества электроэнергии при сохранении целостности передачи сигнала данных, и данная потребность удовлетворяется, по меньшей мере, частично, нижеследующим изобретением.

Краткая сущность изобретения

В одном аспекте изобретения предлагается электрический кабель. Этот кабель включает в себя электрический проводник, состоящий из центрального металлического проводника и множества покрытых металлических проводников, размещенных по спирали вокруг центрального металлического проводника, полимерный защитный слой, расположенный прилегающим к электрическому проводнику, первую изолирующую оболочку, расположенную прилегающей к полимерному защитному слою и имеющую первую относительную диэлектрическую проницаемость, и вторую защитную оболочку, размещенную прилегающей к первой защитной оболочке и имеющую вторую относительную диэлектрическую проницаемость, которая является меньшей, чем первая относительная диэлектрическая проницаемость.

В другом аспекте изобретения предлагается электрический кабель, который включает в себя множество изолированных электрических проводников, причем каждый изолированный электрический проводник включает в себя центральный покрытый металлический проводник и множество покрытых металлических проводников, размещенных по спирали вокруг центрального металлического проводника, полимерный защитный слой, расположенный прилегающим к электрическому проводнику, первую изолирующую оболочку, расположенную прилегающей к полимерному слою, причем эта первая защитная оболочка имеет первую относительную диэлектрическую проницаемость, и вторую защитную оболочку, расположенную прилегающей к первой защитной оболочке и имеющую вторую относительную диэлектрическую проницаемость, которая является меньшей, чем первая относительная диэлектрическая проницаемость. Электрический кабель дополнительно включает в себя электрически непроводящую оболочку, окружающую изолированные электрические проводники, промежуточный наполнитель, расположенный между этой оболочкой и изолированными электрическими проводниками, и множество изолированных проводников обратного тока, расположенных между оболочкой и упомянутыми изолированными электрическими проводниками. Эту оболочку окружают два устойчивых к коррозии слоя проволочной оплетки.

Другой вариант реализации изобретения предлагает электрический кабель, который включает в себя множество изолированных электрических проводников, причем каждый изолированный электрический проводник включает в себя центральный покрытый металлический проводник и множество покрытых металлических проводников, размещенных по спирали вокруг центрального металлического проводника, полимерный защитный слой, расположенный прилегающим к электрическому проводнику, первую изолирующую оболочку, расположенную прилегающей к полимерному слою, причем эта первая защитная оболочка имеет первую относительную диэлектрическую проницаемость, и вторую защитную оболочку, расположенную прилегающей к первой защитной оболочке и имеющую вторую относительную диэлектрическую проницаемость, которая является меньшей, чем первая относительная диэлектрическая проницаемость. Электрический кабель дополнительно включает в себя электрически непроводящую оболочку, окружающую изолированные электрические проводники, и промежуточный наполнитель, расположенный между этой оболочкой и изолированными электрическими проводниками. Слои проволочной оплетки, окружающие эту оболочку, также включают в себя по меньшей мере один проводник обратного тока.

В еще одном аспекте изобретения предлагается способ изготовления кабеля. Этот способ включает в себя обеспечение покрытого электрического проводника, экструзию защитного слоя поверх покрытого электрического проводника, экструзию первой изолирующей оболочки, имеющей первую относительную диэлектрическую проницаемость, поверх полимерного защитного слоя, и экструзию второй изолирующей оболочки, имеющей вторую относительную диэлектрическую проницаемость, поверх электрического проводника, причем вторая относительная диэлектрическая проницаемость является меньшей, чем первая относительная диэлектрическая проницаемость.

Краткое описание чертежей

Изобретение может быть понято при обращении к нижеследующему описанию, взятому в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых крайняя(ие) левая(ые) цифра(ы) в ссылочных позициях

- 2 010147 обозначает(ют) первую фигуру, на которой появляется соответствующий ссылочный номер, и на которых фиг. 1 представляет собой стилизованный вид в сечении конструкции типичного кабеля согласно уровню техники;

фиг. 2 представляет собой вид в сечении типичного изолированного проводника согласно уровню техники, обычно применяемого в конструкции кабеля согласно уровню техники на фиг. 1;

фиг. 3 представляет собой стилизованный вид в сечении проводника с многослойной диэлектрической изоляцией;

фиг. 4 изображает в сечении вариант реализации кабеля согласно изобретению, проводник с многослойной изоляцией и с защитным полимерным слоем;

фиг. 5 изображает в сечении вариант реализации кабеля согласно изобретению, проводник с многослойной изоляцией и с защитным полимерным слоем;

фиг. 6 изображает в сечении кабель согласно изобретению;

фиг. 7 изображает в сечении кабель согласно изобретению, который дополнительно содержит проводники обратного тока;

фиг. 8 изображает в сечении кабель согласно изобретению, который дополнительно включает в себя небольшие проводники в промежуточных пространствах.

Подробное описание изобретения

Ниже описаны иллюстративные варианты реализации изобретения. В целях ясности в данном описании описываются не все признаки реального исполнения. Конечно, будет понятно, что при разработке любого такого реального варианта реализации должны быть применены многочисленные конкретные решения для достижения конкретных задач разработчика, таких как соответствие связанным с системой и связанным с бизнесом требованиям, которые будут меняться от одного исполнения к другому. Кроме того, будет понятно, что такие усилия по разработке могут быть комплексными и потребовать времени, но, тем не менее, будут рутинными мерами для средних специалистов в данной области техники, обладающих преимуществом данного описания.

Электрическое напряжение, прилагаемое к электрическому проводнику, создает вокруг этого проводника электрическое поле. Напряженность этого электрического поля меняется прямо пропорционально напряжению, прилагаемому к проводнику. Когда напряжение превышает критическую величину (т.е. напряжение возникновения), может возникать частичный разряд проводника. Частичный разряд представляет собой локализованную ионизацию воздуха или других газов вблизи проводника, которая разлагает воздух. В электрических кабелях воздух может оказаться в пустотах внутри материала, изолирующего этот проводник, а также между изоляцией и поверхностью проводника. Когда электрическое поле в пустотах становится достаточно сильным, может возникать частичный разряд. Такие частичные разряды обычно нежелательны, так как они постепенно портят способность изолирующего материала электрически изолировать проводник. Если электрическое поле, создаваемое текущим по проводнику электричеством, может быть, по меньшей мере, частично подавлено путем перераспределения электрического поля, т.е. уменьшения максимальной интенсивности электрического поля, то вероятность частичного разряда может быть снижена. Патент США № 6600108 описывает кабели, рассчитанные на подавление электрического поля путем формирования многочисленных изолиряционных оболочек поверх электрических проводников.

Покрытые металлические электрические проводники обычно применяют в том случае, когда присутствие коррозийных химикатов, таких как сероводород, в скважинах или скважинных флюидах потенциально может вызывать существенное повреждение металлических проводников. Перед тем как изолировать, эти металлические проводники обычно покрывают металлом, таким как никель. Во время изготовления, перемещения и применения электрических кабелей, содержащих покрытые металлические проводники, покрытие склонно отслаиваться. Эти чешуйки покрытия имеют тенденцию смешиваться с слоями изоляции и, вследствие их металлической природы, могут вызывать локальное усиление электрического поля, которое ведет к проблемам частичного разряда (то есть снижению напряжения возникновения и напряжения гашения разряда). Чешуйки покрытия могут даже вызывать пробой диэлектрической прочности, тем самым ликвидируя преимущества, обеспечиваемые кабелями с многослойной изоляцией.

Было обнаружено, что размещение полимерного защитного слоя прилегающим к электрическим проводникам, которые включают в себя металлические проводники с коррозионно-стойким покрытием, придает кабелю отличные диэлектрические свойства, коррозионную стойкость и долговечность. Хотя изобретение и его формула не связаны каким-либо конкретным механизмом действия или теорией, считается, что размещение полимерного защитного слоя прилегающим к электрическим проводникам удерживает или сдерживает любые отслоения устойчивого к коррозии покрытия, что, в свою очередь, решает проблемы, связанные с уменьшением диэлектрической прочности или снижением напряжений возникновения и гашения частичного разряда.

В вариантах электрического кабеля по изобретению центральный металлический проводник по спирали обмотан множеством покрытых металлических проводников с образованием электрического про

- 3 010147 водника. Центральный металлический проводник может быть либо непокрытым, либо покрытым подобным же образом, как и другие покрытые металлические проводники. Электрический проводник затем покрывают полимерным защитным слоем и двумя дополнительными изолирующими оболочками с образованием проводника с многослойной диэлектрической изоляцией, устойчивого к коррозийным условиям в скважине. Проводник с многослойной диэлектрической изоляцией может применяться либо индивидуально для образования кабеля, либо объединяться с другими такими изолированными проводниками, образуя больший кабель. Затем на кабель могут быть спирально наложены один или более слоев проволочной оплетки для обеспечения защиты и прочности.

Фиг. 1 изображает сечение конструкции типичного кабеля, обычно используемого для скважинных применений. Кабель 100 включает в себя центральный изолированный проводник 102, имеющий множество электрических проводников и внешний изолирующий материал. Кабель 100 дополнительно включает в себя множество внешних изолированных проводников 104, каждый из которых имеет несколько металлических проводников 106 (обозначен только один) и изолирующий материал 108 (обозначен только один), окружающий внешние электрические проводники 106. Обычно электрическим проводником 106 является медный проводник. Центральный изолированный проводник 102 типичных кабелей согласно уровню техники имеет по существу ту же конструкцию, что и внешние изолированные проводники 104. Лента и/или ленточная оболочка 110, выполненная из материала, который может быть либо электропроводящим, либо не электропроводящим, и который способен выдерживать высокие температуры, окружает внешние изолированные проводники 104. Объем внутри этой ленты и/или ленточной оболочки 110, не занятый центральным изолированным проводником 102 и внешними изолированными проводниками 104, заполнен наполнителем 112, который может быть выполнен из электропроводящего или не электропроводящего материала. Первый слой оплетки 114 и второй слой оплетки 116, обычно выполненные из материала с высокой прочностью на разрыв, такого как оцинкованная высококачественная сталь повышенной прочности, легированная сталь или им подобные, окружают и защищают ленту и/или ленточную оболочку 110, наполнитель 112, внешние изолированные проводники 104 и центральный изолированный проводник 102.

Типичный изолированный проводник согласно уровню техники, такой как изолированные проводники 102 или 104 согласно фиг. 1 уровня техники, изображен на фиг. 2. На фиг. 2 изолированный проводник 200 содержит электрические проводники 202 и 204 (обозначен только один). Электрические проводники 202 и 204 могут быть скрученными многожильными или сплошными проводниками. Электрические проводники 202 и 204 обычно представляют собой непокрытые медные или алюминиевые проводники. Изолированный проводник 200 обычно представляет собой семижильный медный проволочный проводник, имеющий центральный проводник и шесть внешних проводников, лежащих вокруг центрального проводника. Внешние электрические проводники 204 обычно окружены непроводящим изоляционным материалом 206. Такими непроводящими изоляционными материалами обычно являются ПЭЭК, РЕКК, ПТФЭ или другие фторполимеры и полиолефины. Промежутки 208, образованные между внешними электрическими проводниками 204 и центральным электрическим проводником 202, также обычно заполняются непроводящим изоляционным материалом.

Обращаясь теперь к фиг. 3, которая показывает проводник с многослойной диэлектрической изоляцией, такой как проводники, раскрытые в патенте США № 6600108 (Мубиг и др.), включенном сюда посредством ссылки, причем проводники с многослойной диэлектрической изоляцией используются в кабелях, разработанных для подавления электрического поля путем формирования множества изолирующих оболочек поверх электрических проводников. Проводник 300 с многослойной диэлектрической изоляцией включает в себя центральный электрический проводник 302, окруженный внешними электрическими проводниками 304 (обозначен только один). Первая изолирующая оболочка 306 располагается вокруг электрических проводников 302 и 304 и имеет первую относительную диэлектрическую проницаемость. Первая изолирующая оболочка 306 может быть выполнена из полимера ПЭЭК или ПФС. Вторая изолирующая оболочка 308 располагается вокруг первой изолирующей оболочки 306. Вторая изолирующая оболочка обычно выполнена из политетрафторэтилен-перфторметилвинилэфирного полимера, перфторалкоксиалканового полимера, политетрафторэтиленового полимера, этилентетрафторэтиленового полимера, этиленполипропиленового сополимера или фторполимера. Вторая изолирующая оболочка 308 имеет вторую относительную диэлектрическую проницаемость, которая меньше, чем относительная диэлектрическая проницаемость первой изолирующей оболочки 306.

Как описано выше, в качестве дополнительной защиты от повреждения под действием коррозийных условий в скважине электрические проводники могут быть специально модифицированы покрытием. При изготовлении проводников с диэлектрической изоляцией желательна компрессионная экструзия изоляционных слоев для улучшения напряжений возникновения и гашения, и она помогает блокировать перемещение находящихся под давлением скважинных газов вверх по проводнику между проволокой и изоляцией. Однако во время такой технологической операции устойчивые к коррозии покрытия проводников могут иметь склонность к отслаиванию. При изготовлении кабеля с изоляцией, такого как показанный на фиг. 3, например, при компрессионной экструзии покрытой никелем меди, никелевое покрытие имеет тенденцию отслаиваться и смешиваться с первым изолирующим слоем или оболочкой, тем

- 4 010147 самым сводя к нулю преимущества многослойной изоляции и компрессионной экструзии, а также, возможно, вызывая снижение диэлектрической прочности.

Фиг. 4 изображает в сечении вариант реализации согласно изобретению, который представляет собой проводник с многослойной диэлектрической изоляцией и с защитным полимерным слоем. Покрытые внешние металлические проводники 404 (обозначен только один) окружают центральный металлический проводник 402, который может быть покрытым или непокрытым. Внешние металлические проводники 404 могут быть размещены параллельно или спирально относительно центрального металлического проводника 402. Металлические проводники 402 и 404 могут быть выполнены из любого проводящего металлического материала. Медные и алюминиевые являются предпочтительными металлическими проводниками. В качестве дополнительной защиты от повреждения коррозийными материалами электрические проводники 402 и 404 могут быть покрыты защитным покрытием 410. Покрытие 410 обычно является металлическим, предпочтительно никелевым покрытием. Емкость проводника с изоляцией может быть в диапазоне от примерно 98 до примерно 230 пикофарад на метр.

Обращаясь опять к фиг. 4, защитный полимерный слой 412 располагается вокруг внешних металлических проводников 404. Полимерный защитный слой 412 может также заполнять промежуточные пространства, образованные между покрытыми внешними металлическими проводниками 404 и центральным металлическим проводником 402. Полимерный защитный слой 412 может быть толщиной от примерно 1 до примерно 153 микрометров, предпочтительно - от примерно 10 микрометров до примерно 153 микрометров, измеряемой между самой внешней поверхностью металлического проводника 404 и внутренней поверхностью изолирующей оболочки 406. Полимерный защитный слой 412 может быть образован из любого подходящего материала, способного удерживать чешуйки покрытия проводника и предотвращать внедрение чешуек во внешние изолирующие слои. Примеры подходящих материалов внешнего защитного слоя включают в себя, но не обязательно ограничены ими, полиарилэфирэфиркетон (ПЭЭК), полифениленсульфид (ПФС), полимеры этилентетрафторэтилена (ТсГхс1®). полимеры поли(1,4фенилена) (Рагтах®) или любой другой полимер с диэлектрической постоянной, большей чем 2,3. Полимерный защитный слой может быть либо электропроводящим, либо не электропроводящим. Первая изолирующая оболочка 406 располагается поверх защитного полимерного слоя 412 и может быть образована из полиарилэфирэфиркетона (ПЭЭК), полифениленсульфида (ПФС), ΤβΓζβΙ®, Рагтах® или другого полимера с диэлектрической постоянной, большей чем 2,3, а также большей, чем диэлектрическая постоянная второй изолирующей оболочки 408, расположенной поверх первой изолирующей оболочки 406. Вторая изолирующая оболочка 408 имеет меньшую диэлектрическую постоянную, чем первая изолирующая оболочка 406, создавая конструкцию многослойной изоляции. Вторая изолирующая оболочка может содержать политетрафторэтилен-перфторметилвинилэфирный полимер, перфторалкоксиалкановый полимер, политетрафторэтиленовый полимер, этилентетрафторэтиленовый полимер, этиленполипропиленовый сополимер, фторполимер или любую их смесь.

На фиг. 5, которая показывает другой вариант реализации изобретения, изображен проводник с многослойной изоляцией и с захватывающим никель защитным слоем. Кабель 500 включает в себя центральный покрытый металлический проводник 502 и внешние покрытые металлические проводники 504 (обозначен только один), расположенные вокруг центрального металлического проводника 502. Металлические проводники 502 и 504 имеют устойчивое к коррозии никелевое покрытие 510. Полифениленсульфидный защитный полимерный слой 512 с толщиной от примерно 10 микрометров до примерно 153 микрометров компрессионно экструдируется поверх металлических проводников 502 и 504 для захвата любых чешуек 514 никелевого покрытия 510, которые могут образоваться во время процесса экструзии. Первая изолирующая оболочка из полиарилэфирэфиркетона 506 затем экструдируется поверх защитного слоя 512 и имеет диэлектрическую постоянную, большую чем 2,3. Вторая перфторалкоксиалкановая полимерная изолирующая оболочка 508 экструдируется поверх первой изолирующей оболочки 506 и имеет диэлектрическую постоянную, меньшую или равную 2,3.

Кабель 500 с многослойной изоляцией, описанный на фиг. 5, и аналогичный кабель, но только без защитного слоя 512, изготовили, используя последовательную компрессионную экструзию. Четыре индивидуальных семиметровых отрезка кабеля каждой конструкции затем испытывали на диэлектрическую прочность, чтобы продемонстрировать влияние полифениленсульфидного защитного полимерного слоя 512 на диэлектрическую прочность изоляции на пробой. Как показано в таблице 1, четыре отрезка кабеля с полифениленсульфидным защитным полимерным слоем 512, пример 2, продемонстрировали существенно увеличенное напряжение и более согласующиеся уровни электрического напряжения пробоя. Пример 1 показал отрицательное влияние отслаивания никеля на диэлектрическую прочность на пробой изоляции без полимерного защитного слоя. Кроме того, как показывает табл. 1, при компрессионной экструзии на покрытую никелем медь без защитного слоя, пример 1, покрытие может отслаиваться, тем самым сводя к нулю преимущества многослойной изоляции и компрессионной экструзии, и может вызывать широко меняющиеся, непредсказуемые уровни электрического напряжения пробоя.

- 5 010147

Таблица 1. Влияние полифениленсульфидного защитного полимерного слоя на напряжение пробоя изоляции

	Пример 1 - кабель с многослойной изоляцией	Пример 2 - кабель с многослойной изоляцией и с полимерным защитным слоем ПФС
1	18,6 кВ	37,1 кВ
2	33г 5 кВ	35,1 кВ
3	23,6 кВ	30,5 кВ
4	27,0 кВ	37,7 кВ

Возвращаясь к фиг. 4, первую изолирующую оболочку получают из высокополярного диэлектрического материала, имеющего относительную диэлектрическую проницаемость в диапазоне от примерно

2,5 до примерно 10,0, такого как полиарилэфирэфиркетоновый полимер, полифениленсульфоксидный полимер, полиэфиркетоновый полимер, модифицированные малеиновым ангидридом полимеры и Рагтах® 8ВР полимеры (самоупрочняющиеся полимеры, производимые Μίδδίδδίρρί Ро1утег Тсе1то1ощс8. 1пс. на основе замещенной поли(1,4-фениленовой) структуры, где каждое фениленовое кольцо имеет замещающую группу В, производную от широкого набора органических групп), или им подобные и любые их смеси. Особенно подходящим полифениленсульфидным полимерным (ПФС) диэлектрическим материалом является Тойгоп® РР8 8КХ-382, доступный от Тюопа, 1пс. Кроме того, вторую изолирующую оболочку 408 изготавливают из диэлектрического материала, имеющего относительную диэлектрическую проницаемость в диапазоне от примерно 1,8 до примерно 5,0, такого как политетрафторэтиленперфторметилвинилэфирный полимер (МТ А), перфторалкоксиалкановый полимер (ПФА), политетрафторэтиленовый полимер (ПТФЭ), этилентетрафторэтиленовый полимер (ЭТФЭ), этиленпропиленовый сополимер (ЭПС), поли(4-метил-1-пентеновый) полиолефин (такой как, в качестве не ограничивающего примера, ТРХ® полиолефины, доступные от Мйзш СНеписаК 1пс.), другие фторполимеры или тому подобные. Такие диэлектрические материалы имеют меньшую относительную диэлектрическую проницаемость, чем проницаемость диэлектрических материалов первой изолирующей оболочки 406. В результате объединения первой изолирующей оболочки 406 и второй изолирующей оболочки 408 электрическое поле перераспределяется внутри изолирующих оболочек, и результирующее электрическое поле имеет меньшую максимальную интенсивность, чем при однослойной изоляции.

Возвращаясь опять к фиг. 4, первая изолирующая оболочка 406 может быть механически и/или химически связана со второй изолирующей оболочкой 408, так что поверхность раздела между ними будет существенно свободна от пустот. Также полимерный защитный слой 412 может быть механически и/или химически связан с первой изолирующей оболочкой 406. В качестве иллюстрации, например, вторая изолирующая оболочка 403 может быть механически связана с первой изолирующей оболочкой 406 в результате того, что расплавленный или полурасплавленный материал, образующий вторую изолирующую оболочку 408, прилипает к первой изолирующей оболочке 406. Кроме того, вторая изолирующая оболочка 408 может быть химически связана с первой изолирующей оболочкой 406, если материал, используемый для второй изолирующей оболочки 408, химически взаимодействует с материалом первой изолирующей оболочки 406. Первая изолирующая оболочка 406 и вторая изолирующая оболочка 408 способны подавлять электрическое поле, создаваемое напряжением, подаваемым на внешний проводник 404. Центральный изолированный проводник 402, внешние изолированные проводники 404 и полимерный защитный слой 412 предусматриваются в компактном геометрическом расположении для того, чтобы эффективно использовать доступный диаметр кабеля 400.

Объем внутри изолирующего слоя 406, не занятый центральным металлическим проводником 402, внешними покрытыми металлическими проводниками 404 и полимерным защитным слоем 412, может быть заполнен наполнителем. Наполнитель может быть выполнен либо из электропроводящего, либо из не электропроводящего материала, или может быть тем же материалом, образующим полимерный защитный слой 412. Такие непроводящие материалы могут включать в себя сополимер этилена-пропиленадиенового мономера (ЭПДМ), нитрилкаучук, полиизобутилен, полиэтиленовую смазку или тому подобное. Проводящие материалы, которые могут быть использованы в качестве наполнителя, могут включать в себя ЭПДМ, нитрил-каучук, полиизобутилен, полиэтиленовую смазку или тому подобное, смешанные с электропроводящим материалом, таким как углеродная сажа.

Изолирующие оболочки и/или защитные полимерные слои кабелей согласно изобретению могут дополнительно включать в себя фторполимерную добавку или фторполимерные добавки в виде примеси к материалу, который образует эти оболочки или слои. Такая(ие) добавка(и) может/могут быть полезна(ы) для получения длинных отрезков кабеля высокого качества при высоких скоростях изготовления. Подходящие фторполимерные добавки включают в себя, но не обязательно ограничены ими, политетрафторэтилен, перфторалкокси полимер, этилентетрафторэтиленовый сополимер, фторированный этилен-пропилен, перфорированный поли(этилен-пропилен) и любые их смеси. Этими фторполимерами могут также быть сополимеры тетрафторэтилена и этилена и, возможно, третьего сомономера, сополи

- 6 010147 меры тетрафторэтилена и винилиденфторида и, возможно, третьего сомономера, сополимеры хлортрифторэтилена и этилена и, возможно, третьего сомономера, сополимеры гексафторпропилена и этилена и, возможно, третьего сомономера и сополимеры гексафторпропилена и винилиденфторида и, возможно, третьего сомономера. Фторполимерная добавка должна иметь пиковую температуру плавления ниже температуры процесса экструзии и предпочтительно в диапазоне от примерно 200°С до примерно 350°С.

Для получения изолирующей оболочечной и/или защитной полимерной смеси фторполимерную добавку смешивают с оболочечным или полимерным материалом до покрытия электрических проводников. Фторполимерная добавка может вводиться в смесь в количестве примерно 5% или менее по массе в расчете на общую массу смеси, предпочтительно - примерно 1% или менее по массе в расчете на общую массу смеси, более предпочтительно - примерно 0,75% или менее в расчете на общую массу смеси.

Кабели согласно изобретению могут группироваться вместе в качестве отдельных проводников, образуя большие кабели. Например, изолированный проводник 400 на фиг. 4 может быть сгруппирован с множеством других таких изолированных проводников с образованием большего кабеля. Хотя ограничений на число изолированных проводников, которые могут быть сгруппированы с образованием большего кабеля, не имеется, предпочтительно группировать четыре таких изолированных проводника с образованием квадро-кабеля, а семь таких проводников могут быть сгруппированы с образованием гептакабеля.

В варианте реализации изобретения, показанном на фиг. 6, гепта-кабель 600, семь проводников 602 с многослойной диэлектрической изоляцией и с защитными полимерными слоями, которые могут быть аналогичны изолированному проводнику 400, который показан на фиг. 4, группируются вместе, образуя больший кабель. Шесть внешних изолированных проводников окружены внешней оболочкой 604, выполненной из материала, который может быть либо электропроводящим, либо не электропроводящим, и который способен выдерживать высокие температуры. Такие непроводящие материалы могут включать в себя полимеры семейства полиарилэфиркетонов (ПЭЭК, РЕКК), этилен-тетрафторэтиленовый сополимер (ЭТФЭ), другие фторполимеры, полиолефины или им подобные. Проводящие материалы, которые могут использоваться в оболочке 604, могут включать в себя ПЭЭК, ЭТФЭ, другие фторполимеры, полиолефины или им подобные, смешанные с проводящим материалом, таким как углеродная сажа. Первый слой 608 оплетки и второй слой 610 оплетки, обычно выполненные из материала с высокой прочностью на разрыв, такого как оцинкованная высококачественная сталь повышенной прочности, легированная сталь или им подобные, окружают внешнюю оболочку 604, защищая эту внешнюю оболочку 604, непроводящий наполнитель 606, изолированные проводники 602 от повреждения.

Возвращаясь опять к фиг. 6, объем внутри внешней оболочки 604, не занятый изолированными проводниками 602, может быть заполнен промежуточным наполнителем 606. Такой промежуточный наполнитель 606 может содержать материалы, включая сополимер этилена-пропилена-диенового мономера (ЭПДМ), нитрил-каучук, перфторполиэфирные полимеры, перфторполиэфирсиликоновые полимеры, полиизобутиленовые полимеры, полиэтиленовую смазку, низколетучую смазку (такую как Кту1ох®), фторполимеры, силиконы, вулканизируемые или сшиваемые полимеры, металлические проводники, проволоки, провода заземления, ТФЭ нити, хлопковые нити, полиэфирные нити, любой подходящий гель и им подобные, или любые их смеси. Любой из этих материалов, который может использоваться в качестве промежуточного наполнителя 606, может быть сме:шан с электропроводящим материалом, таким как углеродная сажа. Особенно подходящим промежуточным материалом-наполнителем, который также устойчив к коррозийным химикатам, включая сероводород, является 81РЕЬ™, жидкий перфторполиэфирсиликоновый полимер, доступный от 8Ып-Е1ки Μίετοδί, 1пс., Рйоешх, Апхопа 85044.

Промежуточный наполнитель 606 может также содержать дополнительный материал для корректировки диэлектрической постоянной или даже уменьшения коэффициента трения, такой как, в качестве неограничивающего примера, порошок ПТФЭ. Такой материал может также давать возможность изолированным проводникам 602 легче двигаться относительно друг друга и удлинять срок службы кабеля. Промежуточный наполнитель 606 может быть непроводящим или проводящим в зависимости от телеметрических и энергетических потребностей отдельных конструкций кабеля. Если промежуточный наполнитель 606 является непроводящим, термопластическая оболочка может быть экструдирована поверх него для того, чтобы предотвращать проникновение скважинных флюидов, которые могут вредить действию промежуточного наполнителя 606.

Возвращаясь опять к фиг. 6, промежуточный наполнитель 606 может быть дополнительно окружен кабельной лентой 612, которая может служить для содержания промежуточного наполнителя во время прокладки кабеля. Подходящие материалы для кабельной ленты 612 включают в себя сложный полиэфир, ПФС, ПЭЭК, ленту из стекловолокна, ленту из стекловолокна, покрытую ПТФЭ, фторполимеры (включая ТеГхе1®. перфторалкоксиалкан [ПФА], метафторалкоксиалкан [МФА], фторированный этиленпропилен [ФЭП]), ПТФЭ с увеличенной прочностью на разрыв и им подобные. Лента 612 может быть наложена между промежуточным наполнителем 606 и внешней оболочкой 604 или, альтернативно, между внешней оболочкой 604 и первым слоем 608 оплетки.

Фиг. 7 показывает кабель согласно изобретению, который дополнительно содержит проводники об

- 7 010147 ратного тока. Кабель 700 включает в себя множество изолированных проводников 702, которые могут быть аналогичны изолированному проводнику 400, который показан на фиг. 4, и эти изолированные проводники 702 окружены внешней оболочкой 704. Объем внутри внешней оболочки 704, не занятый изолированными проводниками 702 или другими конструктивными элементами, может быть заполнен промежуточным наполнителем 706. Первый слой 708 оплетки и второй слой 710 оплетки, обычно выполненные из материала с высокой прочностью на разрыв, такого как оцинкованная высококачественная сталь повышенной прочности, легированная сталь или им подобные, окружают внешнюю оболочку 704 для защиты. В промежуточных пространствах могут также размещаться проводники 712 и 714 обратного тока, обеспечивая путь обратного тока из скважины на поверхность. Хотя может использоваться любой подходящий проводящий материал, алюминий, медь, покрытая медь, медные сплавы или покрытая никелем медь являются предпочтительными. Некоторые проволоки оплетки могут быть дополнительно заменены покрытыми проводниками и использоваться в качестве проводников 716 обратного тока. Примерами подходящих покрытых проводников являются проводники, которые имеют полимерные покрытия или металлические покрытия, и могут быть сплошными проводниками или скрученными многожильными проводниками. Предпочтительно, провода 716 заземления представляют собой покрытые никелем медные проволоки.

Фиг. 8 изображает другой вариант реализации изобретения. Кабель 800 включает в себя множество изолированных проводников 802, которые могут быть аналогичны изолированному проводнику 400, который показан на фиг. 4, заключенных во внешнюю оболочку 804. Объем внутри внешней оболочки 804, не занятый изолированными проводниками 802 или другими конструктивными элементами, может быть заполнен промежуточным наполнителем 806 и миниатюрными изолированными проводниками 810, подобными изолированному проводнику 400. Первый и второй слои оплетки окружают внешнюю оболочку 804 для защиты. Проводники 808 обратного тока также могут размещаться в промежуточных пространствах, обеспечивая путь обратного тока из скважины.

Настоящее изобретение не ограничено, однако, кабелями, имеющими только металлические проводники. Вместо металлических проводников могут использоваться оптические волокна для того, чтобы передавать оптические сигналы данных к и от устройства или устройств, прикрепленных к ним, что может давать более высокие скорости передачи, меньшие потери данных и большую полосу пропускания.

В одном варианте применения настоящего изобретения изолированные проводники 400, 500 и кабели 600, 700, 800 используют для присоединения скважинных приборов (зондов), таких как излучатели/приемники гамма-излучения, каверномеры, устройства измерения удельного сопротивления, нейтронные излучатели/приемники и им подобные, к одному или более источникам питания и регистрирующему данные оборудованию вне скважины. Таким образом, материалы, используемые в кабелях 400, 500, 600, 700 и 800, в одном варианте реализации способны выдерживать условия, существующие в среде скважины, такие как высокие температуры, богатые сероводородом атмосферы и им подобные.

Согласно изобретению также предложены способы изготовления изолированного проводника. Эти способы включают в себя обеспечение множества покрытых металлических проводников, экструзию на них полимерного защитного слоя, экструзию первой изолирующей оболочки, имеющей первую относительную диэлектрическую проницаемость, вокруг полимерного защитного слоя, а затем экструзию второй изолирующей оболочки, имеющей вторую относительную диэлектрическую проницаемость, которая меньше, чем первая диэлектрическая проницаемость, вокруг первой изолирующей оболочки. Величины относительной диэлектрической проницаемости первой изолирующей оболочки и второй изолирующей оболочки могут быть соразмерны описанным выше величинам. Защитный слой и изолирующие оболочки могут помещаться вокруг электрических проводников путем применения способа компрессионной экструзии, способа трубной экструзии или способа полукомпрессионной экструзии. Температура экструзии обычно составляет от примерно 200°С и выше.

Раскрытые выше конкретные варианты реализации являются только иллюстративными, так как изобретение может быть модифицировано и использовано различными, но эквивалентными способами, очевидными специалистам в данной области техники, обладающими преимуществом наличия данного описания. Кроме того, не подразумеваются никакие ограничения на показанные здесь детали конструкции или дизайна, кроме тех, что описаны ниже в формуле изобретения. Поэтому очевидно, что раскрытые выше конкретные варианты реализации могут быть изменены или модифицированы, и все такие изменения находятся в пределах объема и сущности изобретения. Соответственно, искомая здесь защита устанавливается согласно нижеприведенной формуле изобретения.

Claims (15)

1. Кабель, содержащий:

(a) электрический проводник, содержащий центральный покрытый металлический проводник и множество покрытых металлических проводников, размещенных по спирали вокруг упомянутого центрального покрытого металлического проводника;

(b) полимерный защитный слой, расположенный прилегающим к электрическому проводнику;

- 8 010147 (с) первую изолирующую оболочку, расположенную прилегающей к полимерному слою, причем первая изолирующая оболочка имеет первую относительную диэлектрическую проницаемость; и (ά) вторую изолирующую оболочку, расположенную прилегающей к первой изолирующей оболочке и имеющую вторую относительную диэлектрическую проницаемость, которая является меньшей, чем первая относительная диэлектрическая проницаемость, и при этом первая изолирующая оболочка механически связана со второй изолирующей оболочкой.

2. Кабель по п.1, в котором упомянутые центральный и множество покрытых металлических проводников представляют собой покрытые никелем медные проводники.

3. Кабель по любому из предыдущих пунктов, в котором материал упомянутого полимерного защитного слоя выбран из группы, состоящей из полиарилэфирэфиркетонового полимера, полифениленсульфидного полимера, полиэфиркетонового полимера, модифицированных малеиновым ангидридом полимеров, полимеров Рагтах® 8КР, сополимеров тетрафторэтилена и этилена и любых их смесей.

4. Кабель по любому из предыдущих пунктов, в котором материал упомянутого полимерного защитного слоя имеет относительную диэлектрическую проницаемость, большую чем 2,3, и относительная диэлектрическая проницаемость материала упомянутого полимерного изолирующего слоя больше или равна упомянутой первой относительной диэлектрической проницаемости.

5. Кабель по любому из предыдущих пунктов, в котором упомянутая первая изолирующая оболочка содержит диэлектрический материал, выбранный из группы, состоящей из полиарилэфирэфиркетонового полимера, полифениленсульфидного полимера, полиэфиркетонового полимера, модифицированных малеиновым ангидридом полимеров, полимеров Рагтах® 8КР, сополимеров тетрафторэтилена и этилена и любых их смесей; и вторая изолирующая оболочка выполнена из материала, выбранного из группы, состоящей из политетрафторэтиленперфторметилвинилэфирного полимера, перфторалкоксиалканового полимера, политетрафторэтиленового полимера, этилентетрафторэтиленового полимера, этиленпропиленового сополимера, полиэтилена, поли(4-метил-1-пентенового) полиолефина и фторполимера.

6. Кабель по любому из предыдущих пунктов, в котором упомянутая первая изолирующая оболочка дополнительно содержит фторполимерную добавку, введенную в количестве примерно 5% или менее по массе в расчете на общую массу упомянутой первой изолирующей оболочки.

7. Кабель по любому из предыдущих пунктов, в котором толщина упомянутого полимерного защитного слоя между упомянутой первой изолирующей оболочкой и внешней поверхностью упомянутого электрического проводника находится в пределах диапазона от примерно 1 до примерно 153 мкм.

8. Кабель по любому из предыдущих пунктов, в котором вторая относительная диэлектрическая проницаемость находится в пределах диапазона от примерно 1,8 до примерно 5,0.

9. Кабель по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий внешнюю оболочку, окружающую вторую изолирующую оболочку, промежуточный наполнитель, расположенный между внешней оболочкой и второй изолирующей оболочкой, и слой проволочной оплетки, окружающий внешнюю оболочку.

10. Кабель по любому из предыдущих пунктов, в котором внешняя оболочка выполнена из материала, выбранного из группы, состоящей из полимеров семейства полиарилэфирэфиркетонов, этилентетрафторэтиленового сополимера, фторполимера и полиолефина.

11. Кабель по любому из предыдущих пунктов, в котором промежуточный наполнитель выполнен из материала, выбранного из группы, состоящей из перфторполиэфирных полимеров, перфторполиэфирсиликоновых полимеров, смазки Кгу1ох®, фторполимеров и любых их смесей.

12. Кабель по любому из предыдущих пунктов, в котором емкость электрического проводника в комбинации с первой изолирующей оболочкой и второй изолирующей оболочкой находится в пределах диапазона от примерно 98 до примерно 230 пФ/м.

13. Кабель по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий по меньшей мере один покрытый никелем медный проводник обратного тока.

14. Кабель по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий по меньшей мере один провод заземления напряжения, расположенный внутри упомянутой внешней оболочки.

15. Кабель по любому из предыдущих пунктов, в котором упомянутый слой проволочной оплетки содержит по меньшей мере один проводник обратного тока.