NO168445B - Hermetisk forseglet, fiberoptisk roer, armert kabel omfattende et saadant roer, og fremgangsmaate for fremstilling av roeret hhv. kabelen - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår optiske fibrer og armerte kabler. Mer spesielt angår oppfinnelsen hermetisk forseglede rør som inneholder optiske fibrer, og armerte, fiberoptiske kabler som inneholder sådanne rør.

Konvensjonelle, elektromekaniske kabler for sådanne anvendelser som oljebrønnlogging inneholder isolerte metall-ledere for overføring av elektriske signaler. Sådanne kabler har signaloverføringsbåndbredder som er begrenset til ca.

100 kHz over lengder som svarer til typiske oljebrønndybder på 3500 - 6000 meter. Mye av den informasjon som kan oppnås med moderne loggingsverktøy, kan ikke innhentes fra borehullet som følge av den begrensede signalbåndbredde som er karakteristisk for vanlige loggingskabler ifølge den kjente teknikk. Det eksisterer følgelig et behov for å tilveiebringe kabler som har vesentlig større signaloverføringsbåndbredder, dvs. kapa-sitet, og/eller større overføringshastigheter over lange kabellengder uten forsterkere. Optiske fibrer kan tilveiebringe signaloverføringsbåndbredder på ca. 100 MHz over lengder på opp til ca. 9000 meter. Dette er ca. tre størrelses-ordener høyere enn de isolerte tråder som benyttes i konvensjonelle kabler for anvendelse i barske omgivelser, såsom borehul1-logging.

Optiske glassfibrer har to egenskaper som gjør det vanskelig å innlemme disse på vellykket måte i strekk-kabler

som vil bli strukket når de benyttes, eller som vil bli benyt-tet under vann, særlig ved høyt trykk og/eller høy temperatur, slik det forekommer i et oljebrønn-borehull. Disse egenskaper er statisk utmattingsforringelse og mikrobøyningstap.

Kiselglassfibrer har små sprekker (mikrosprekker) på sin overflate. Dybden av disse mikrosprekker kan øke på grunn av påkjenningsakselerert, kjemisk reaksjon mellom kiselglasset og fuktighet, hvilket kalles statisk utmatting. Glassfiberens strekkfasthet avtar vesentlig etter hvert som mikrosprekkene øker i dybde. Glass er et elastisk materiale med høy elasti-sitetsmodul. Deformasjon eller formendring i en optisk glass-fiber frembringer strekkspenning og resulterer i statisk utmatting. Optiske glassfibrer er således ikke egnet for benyttelse under høy formendring (>0,5%) ved nærvær av fuktighet over lange tidsperioder. Ikke noe plastmateriale kan tilveiebringe tilstrekkelig beskyttelse da vann i en viss grad diffunderer gjennom alle plastmaterialer.

Tap av lys på grunn av små bøyninger i fiberen (mikrobøyningstap) skal beskrives i det følgende. Optiske fibrer overfører lyssignaler ifølge prinsippet om total indre refleksjon. Dette prinsipp avhenger av at lysstrålene blir totalreflektert tilbake til kjerneområdet hver gang de treffer grenseflaten mellom den optiske fibers kjerne og dens kled-ning. Total indre refleksjon kan bare inntreffe når innfalls-vinkelen mellom strålene og grenseflaten mellom kjernen og belegget er under en viss kritisk verdi. Bøyning av en optisk fiber forårsaker at noe av lyset som forplanter seg i fiber-kjernen, treffer grenseflaten mellom kjernen og belegget under innfallsvinkler som er større en den kritiske verdi, og av-bøyes ut av den optiske kjerne og går tapt. Den mengde lys som går tapt, blir større etter hvert som bøyningens effektive diameter blir mindre. Når bøyningen eller krumningen av den optiske fiber forårsakes av avbøyning på grunn av lokale sidekrefter, kalles den resulterende reduksjon i signalstyrke (og reduksjon av lengden av den kabel som kan benyttes) for mikrobøyningstap. Når en optisk fiber avbøyes på grunn av en lokal inhomogenitet, såsom en klump i dens dekklag, avhenger bøyningens effektive diameter av den lokale formendring eller deformasjon som fiberen utsettes for. Vanligvis vil fiberen bøye seg til en mindre, effektiv diameter når det formend-ringsnivå som fiberen utsettes for, øker. Høyere formend-ringsnivåer resulterer følgelig i høyere nivåer av mikrobøy- . ningstap. Mikrobøyningstap i fibrer reduseres i vesentlig grad ved først å belegge fibrene med en myk elastomer, såsom silikongummi, og innkapsle denne bufferforsynte fiber i en stiv kappe som kan motstå ytre krefter. Plastmaterialer, såsom silikongummi, mister imidlertid sin integritet under forhold som påtreffes i barske omgivelser, som for eksempel ved bunnen av et dypt. borehull, dvs. når de utsettes for varmt saltvann ved trykk på* opp til 1,38 x IO<5> kPa og temperaturer på opp til 260°C. ;Det ville således være ønskelig å ha et hermetisk forseglet rør som inneholder minst én optisk fiber og som kan innlemmes i en borehull-loggingskabel. Røret ville minimalisere fiberens mikrobøyning og fuktighetsforårsaket mikro-sprekksvikt i fiberen. Hermetisk forseglede rør som inneholder minst én optisk fiber, er allerede blitt foreslått for forskjellige kabelanvendelser. For eksempel viser GB-A-2 029 048 et hermetisk forseglet, fiberoptisk rør for anvendelse i en fiberoptisk undervannskabel, hvor røret er dannet av et metallbånd som er viklet i lengderetningen på en rørformet struktur som er dannet av minst to halvsylindriske avsnitt som er montert sammen, og hvor båndets lengdekanter er sveiset til hverandre. ;GB-A-1 073 958 viser dessuten en isolert elektrisk kabel omfattende et hermetisk forseglet rør som inneholder en isolert elektrisk leder, hvor røret er dannet av to U-formede metallstrimler som er sveiset til hverandre. ;En nødvendig betingelse for nøyaktig logging av et borehull er nøyaktig kjennskap til stillingen av loggingsverk-tøyet i borehullet. Verktøyets stilling er bestemt av den faktiske lengde av loggingskabel som er opphengt i borehullet. Den faktiske lengde av opphengt kabel kan bestemmes ut fra kunnskap om størrelsen av ubelastet kabellengde som er blitt nedsenket i borehullet, pluss kunnskap om kabelens forlen-gelsesegenskaper som funksjon av strekk og strekket langs den opphengte kabellengde. Mengden av ubelastet kabellengde som er blitt nedsenket i borehullet, kan måles nøyaktig. Strekk-profilen langs den opphengte kabellengde kan beregnes nøyak-tig. Den faktiske kabellengde som er opphengt i borehullet, kan derfor bestemmes nøyaktig dersom kabelens forlengelses-egenskaper som funksjon av strekk er nøyaktig kjente og repe-terbare. ;Konvensjonelle, elektromekaniske kabler for borehull-logging kan konstrueres for å tåle barske omgivelser med høy temperatur og å akseptere høye nivåer av aksial formendring eller forlengelse mens de fremdeles forblir funksjonsdyktige. Mer spesielt omfatter for eksempel hvert lederelement i en konvensjonell loggingskabel en bunt kobbertråder. Kobber-trådene gir etter uelastisk ved lav deformasjon. Når kabelen vekselvis strekkes og slakkes, går kobberet ikke fullstendig tilbake til sin utgangstilstand, og til slutt blir kobbertrå-dene skjøre, som følge av deformasjonsherding, og brekker. Selv denne alvorlige tilstand gjør imidlertid ikke nødvendig-vis kabelen funksjonsudyktig på grunn av at et brudd i én eller flere tråder med tilstøtende, ikke-avbrutte tråder tillater strømmen å overføres til nabotrådene, og således virker lederen fremdeles hel og kabelen forblir funksjonsdyk-tig. Konvensjonelle loggingskabler kan således motstå betyde-lig uelastisk og elastisk deformasjon og fremdeles forbli funksjonsdyktige. ;Borehull-loggingskabler konstrueres vanligvis med to lag av ytre stålarmeringstråder, se f.eks. GB-A-2 036 361. Armeringstrådene forpresses og anbringes i skruelinjer med motsatt tvinneretning for å hindre kabelen fra oppvikling når den bærer en fritthengende last. Inne i den armerte kappe kan det være sju isolerte kobberledere som er slått seks rundt én i skruelinjer som vanligvis har motsatt tvinneretning i forhold til skruelinjene av ståltrådene i det indre armeringslag. Det eksisterer imidlertid ingen bestemt sammenheng eller relasjon mellom skruelinjene av kobberlederne og skruelinjene av de indre armeringstråder da de tilføyes i separate frem-stillingstrinn og vanligvis med et underlag av et føyelig eller ettergivende materiale derimellom. Et resultat av denne funksjonelle kablingsgeometri er at grenseflaten mellom de indre armeringstråder og de underliggende, isolerte ledere består av et stort antall krysningspunkter som er adskilt av ettergivende underlagsmateriale. ;Når en konvensjonell brønnloggingskabel strekkes ved høye temperaturer, vil den bli forlenget med et beløp som ikke er nøyaktig forutsigelig. Dette er på grunn av at forlen-gelsen består av to deler, én som er lineær og én som er høyst ikke-lineær og uelastisk. Den uelastiske del opptrer på grunn av at armeringstrådene på uelastisk måte deformerer det underliggende, ettergivende underlagsmateriale og trådisolasjonen, som følge av meget høye, lokale spenninger i krysningspunk-tene, og antar en mindre delingsdiameter. Den uelastiske del av kabelforlengelsen er ikke særlig forutsigelig eller repe-terbar, og stillingen av loggingssonden vil følgelig ikke være nøyaktig kjent. ;For å hindre uelastisk deformasjon fra å opptre under bruk, gis konvensjonelle loggingskabler en varm-for-håndsstrekking under fremstilling. Når varm-forhåndsstrekkingsoperasjonen utføres på riktig måte, vil den resultere i en kabel som oppviser en lineær og elastisk forlengelse som reaksjon på strekk. Varm-forhåndsstrekkingsoperasjonen gir konvensjonelle sju-leder-loggingskabler en permanent (uelastisk) deformasjon på mellom 3/4 til 1/2 %. Varm-forhånds-strekking av en konvensjonelt konstruert, armert kabel som inneholder én eller flere optiske fibrer i sin kjerne, vil etterlate de optiske glassfibrer under en permanent forlengelse på 3/4 til 1/2 %. Optiske fibrer i kabler som er utsatt for disse høye, permanente deformasjonsnivåer, ville raskt svikte på grunn av statisk utmatting og/eller oppvise util-latelig høye mikrobøyningstap. Det er åpenbart at konvensjonell forhåndsstrekkingsteknologi ikke kan anvendes på armerte, fiberoptiske kabler. Det ville således være meget ønskelig å ha en armert, fiberoptisk kabel som overvinner disse og andre vanskeligheter og tillater utvidelse av optisk fiberkommuni-kasjonsteknologi til områder med barske omgivelser. ;Ifølge én side ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt et hermetisk forseglet, fiberoptisk rør for anvendelse i omgivelser som krever motstand mot buling eller knekking under trykk og uelastisk strekking av dette når det utsettes for langsgående forlengelse, avspenning og bøyekrefter, idet røret omfatter en indre kjerne med én eller flere bufferforsynte, optiske fibrer og et sylindrisk metallrør som passer rundt den indre kjerne, hvilket rør er kjennetegnet ved at det sylindriske metallrør omfatter minst to metallseksjoner som er hermetisk sammenføyd for å danne det nevnte rør, idet hver metallseksjon er blitt forpresset ved valsing av en glødet metalltråd og er valgt slik at den har en flytedeformasjon som er større enn 0,85. ;Ifølge en andre side ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en armert, fiberoptisk kabel omfattende et sentralt, hermetisk forseglet, fiberoptisk rør ifølge oppfinnelsen, hvilken kabel er kjennetegnet ved at den omfatter ;minst seks i hovedsaken massive elementer som er viklet i skruelinjeform rundt det sentrale rør med en gitt tvinneretning, ;minst det dobbelte antall av de minst seks elementer ;av indre armeringstråder som er viklet rundt og kontakter de minst seks elementer i en enkeltslagnings-skruelinjekonfigura-sjon med den samme tvinneretning, idet enkeltslagnings-skrue-linjekonfigurasjonen kan oppnås ved å montere de minst seks elementer og de indre armeringstråder rundt røret på samme tid, og hvor elementene og de indre tråder med samme tvinneretning og røret danner en sentra], bunt, og ;et antall ytre armeringstråder som berører de indre armeringstråder, idet de ytre armeringstråder er viklet med motsatt skruelinje-tvinneretning i forhold til de indre armeringstråders tvinneretning, slik at de vridningsmomenter som utøves av de indre armeringstråder og de ytre armeringstråder, er i det vesentlige utbalansert når de er under strekk. ;Ifølge oppfinnelsen er det videre tilveiebrakt en fremgangsmåte for fremstilling av det fiberoptiske rør ifølge oppfinnelsen, hvilken fremgangsmåte er kjennetegnet ved at den omfatter de trinn som er angitt i den karakteriserende del av krav 23. Videre er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for fremstilling av en armert optisk kabel som omfatter det fiberoptiske rør ifølge oppfinnelsen, hvilken fremgangsmåte omfatter fremgangsmåten for fremstilling av det fiberoptiske rør og er kjennetegnet ved at den videre omfatter de trinn som er angitt i den karakteriserende del av krav 30. ;Når det gjelder uttrykket "bufferforsynte" i forbin-delse med de optiske fibrer, refererer dette seg til en pro-sess for belegning av den optiske fiber med et passende, støtdempende materiale, såsom en elastomer. Fremstillingen av det fiberoptiske rør: utføres slik at fibrene forsegles i røret uten at de strekkes, slik at man unngår innføring av deformasjon, mikrobøyninger eller vannforsterkede mikrosprekker. Den optiske kabel og fremstillingsmetoden for denne minimaliserer den uelastiske del av kabelforlengelsen ved å gjøre kjernens deformerbarhet minst mulig. ;En "enkeltslagnings"-konfigurasjon defineres som en kabelbunt i hvilken hvert element er i kontinuerlig berøring med og har samme orientering i forhold til sine nærmeste naboer. Tverrsnittene av den sentrale bunt i kabelen er identiske i hvert punkt langs kabelen, bortsett fra en rota-sjon om den sentrale akse. Enkeltslagnings-konstruksjonen fordeler tverrgående krefter kontinuerlig langs de berørende komponenter i stedet for å konsentrere kreftene i krysningspunkter slik som i kontraskruelinjeformet dannede lag av kabelelementer, eller lag av ensrettet kablede elementer som har forskjellige slagningslengder. Kabelens slagningslengde er lang, av størrelsesorden ca. 8,9 cm for en kabel med en ytre diameter på ca. 1,2 cm. "Slagningslengde" defineres som den avstand langs kabelen eller skruelinjeaksen som tilbake-legges av en fullstendig skruelinjeomdreining av elementet. Kabelen har minst ett ytre armeringslag som er kontraskrue-linjeviklet rundt den sentrale bunt. Det ytre armeringslag har motsatt tvinneretning i forhold til den sentrale bunt og utbalanserer i det vesentlige den indre armerings vridningsmoment når kabelen er under strekk. Elementene i lagene er harde og motstandsdyktige mot deformasjon. Dette betyr at vilkårlige lederelementer som er inneholdt i kabelen, er enkeltstående metall-ledere og ikke flertråds- eller multi-filamentledere. ;Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningen hvis ene figur viser et tverr-snitt av en armert, fiberoptisk kabel. ;Figuren viser det hermetisk forseglede rør 12 og den armerte, optiske kabel 10 ifølge oppfinnelsen. Røret 12 og den armerte, optiske kabel 10 vil bli beskrevet med hensyn til spesielle parametere, såsom total størrelse, dimensjoner og materialer som benyttes til å fremstille en borehull-loggingskabel som ligger innenfor oppfinnelsens ramme. Oppfinnelsen er imidlertid ikke ment å være begrenset bare til de spesielle dimensjoner eller materialer som benyttes i beskrivelsen, og heller ikke bare til borehull-loggingsanvendelser. Det beskrevne rør og/eller den beskrevne kabel er nyttig ved hvilken som helst anvendelse som krever minimale kabeldeformasjoner under belastning. Røret kan benyttes ved hvilken som helst anvendelse som krever en hermetisk omgivelse for en optisk fiber. ;Den armerte, optiske kabel 10 har en sentral kjerne som utgjøres av et hermetisk forseglet rør 12. Dette rør kan benyttes alene dersom anvendelsen ikke krever armering eller lederelementer. Det hermetisk forseglede rør 12 har en ytterdiameter på mellom ca. 2,7 og ca. 3,1 mm ± 1 % med en innerdiameter på ca. 1,5 mm. Røret 12 inneholder én eller et antall optiske fibrer 14. De optiske fibrer 14 kan være enkeltmodus- eller flermodusfibrer, eller blandinger av begge. Passende optiske fibrer med et tynt beskyttelsesbelegg av en ultrafiolett-herdet, akrylbasert plast, fremstilles av Valtec Co. Massachusetts, USA. Dersom det hermetisk forseglede rør 12 inneholder et antall optiske fibrer, bør de optiske fibrer fortrinnsvis være tvinnet sammen med den samme skruelinje-tvinneretning som elementene 22 og de indre armeringstråder 24 i den sentrale bunt 30 i kabelen 10. For eksempel har de tre fibrer som er vist, en høyresnodd slagningsretning og ca. ;8,9 cm slagningslengde (1,2° slagningsvinkel). ;De belagte fibrer er omgitt av og belagt med et støt-dempende materiale 16, såsom et elastomert, støtdempende materiale, for eksempel silikonelastomer og liknende. Ytterligere elastomer eller et annet passende fyllmateriale 18 er tilsatt for delvis eller, som vist, fullstendig å fylle røret 12 ved fremstillingen av det komplette rør 12. ;Røret 12<*> er fremstilt av halvsylindriske profiler eller seksjoner 20- som er forpresset ved valsing eller trek-king av en glødet metalltråd. Selv om to seksjoner 20 er vist, kan røret 12 være dannet av hvilket som helst antall seksjoner. En passende veggtykkelse for to seksjoner ville være ca. 0.69 + 0,05 mm. Valsingen eller trekkingen av de sylindriske seksjoner deformasjonsherder metallet før fiberen innesluttes i seksjonene. De sylindriske seksjoner er laget av ståltråd eller en annen legeringstråd som valgfritt kan utskillings-herdes for å gi en høy flytegrense ved varmebehandling før sveising. Utskillingsherding defineres som en herdeprosess ved hvilken en bestanddel utskilles fra en overmettet, fast oppløsning. Det deformasjonsherdede metall kan således for-sterkes ytterligere med hensyn til flytegrense ved hjelp av utskillingsherding. Passende standard valsemaskiner og pro-sesser, såsom de som benyttes av det amerikanske firma Shaped Wire Co., Illinois, kan benyttes til å presse tråd til ae halvsylindriske seksjoner 20 som danner røret 12. Passende eksempler på rustfri ståltråd eller et annet passende materiale er 17-7 PH rustfritt stål, et produkt fra Armco, og MP-35 jernfri legering, et produkt fra Latrobe Steel Co., Latrobe, Pennsylvania. De av trådene dannede seksjoner bør ha en flytegrense som er større enn ca. 1,724 GPa. Dette svarer til en flytedeformasjon som er større enn ca. 0,85. Flytedeformasjon defineres som den maksimale deformasjon som kan anvendes uten vesentlig permanent deformasjon av prøvestykket. Dette tillater røret å løpe over en skive med en diameter på ca. 91 cm og fortrinnsvis 61 cm eller mindre, eller å vikles rundt en kabelspoletrommel med en diameter på 91 cm og fortrinnsvis 61 cm eller mindre under maksimal belastning uten å gi etter uelastisk.

Seksjonene 2 0 passer sammen i lengderetningen for

å danne røret 12. De langsgående sømmer utsettes for bare liten sekundær-skjærspenning når røret bøyes over en skive eller en spole. Seksjonene 20 presses sammen og sveises ved hjelp av sømmer 21 der hvor kantene møtes, for hermetisk å forsegle fibrene 14 i røret. Under fremstillingen av røret blir de tvinnede og bufferforsynte fibrer fremmatet mellom de sylindriske seksjoner etter hvert som de kommer sammen, med tilstrekkelig klaring til å unngå klemming. Sveisingen ut-føres fortrinnsvis med lasersveising, hvilket danner en ren smelte som kan avgrenses til et lite volum som ikke trenger gjennom hele veien gjennom veggen, og derfor ikke gløder hele veggtykkelsen og ikke ødelegger de bufferforsynte fibrer. For ytterligere beskyttelse kan det fullførte rør valgfritt belegges med en hard plast av et passende materiale, såsom poly-vinyliden-dif luorid (Kynar^) eller polyetereterketon (PEEK^) , eller galvaniseres. Dette valgfrie belegg justeres slik at det endelige, hermetisk forseglede rør har en ytterdiameter på ca..3,1 mm.

En alternativ rørstruktur inneholder seksjoner med svalehaleender, slik at de passer inn i hverandre på sikker måte. Utenfor de sylindriske seksjoner er det anordnet et valseformet og sveiset metallrør. Metallrøret er lasersveiset langs den valseformede rørsøm med en passende laser, såsom en

C00-laser. Røret er fortrinnsvis fremstilt av et ytterst

(r)

korrosjonsbestandig materiale, såsom Inconel^. Dybden av

lasersveisen under sveising kan valgfritt innstilles slik at sveisen passerer gjennom det ytre metallrør og inn i den ene av de indre rørhalvdeler. Dette forsegler de optiske fibrer hermetisk på sikker måte inne i røret. Et alternativt valg er å dypp-overtrekke eller plettere det ytre dekke med et passende materiale som motstår korrosjon. Dette rør er vist i den amerikanske patentsøknar nr. 408 971 som ble innlevert 17. august 1982 og har tittelen "Hermetically Sealed Optical Fiber" (nå US patent nr. 4 504 112).

I den foretrukne utførelse er rommet for det sentrale, hermetisk forseglede rør 12 dannet av minst seks elementer 22, såsom lederparter, som er slått rundt den sentrale kjerne 12 med en høyresnodd slagningsretning og ca. 8,9 cm slagningslengde (9,8° slagningsvinkel). For å oppnå en større diameter for den sentrale kjerne 12, benyttes flere lederparter, f.eks. åtte som vist, for å fremstille rommet for den sentrale kjerne 12. Lederpartene 22 bør være fremstilt av et materiale som minimaliserer deformasjon og er i stand til å sammenkoples med den ytre armering 24. Passende lederparter er massiv, kobberbelagt ståltråd med en diameter på ca. 1 mm

- 1 %. Lederpartene bør ha en minimums-ledningsevne på

60 % minimum av International Annealed. Copper Standard.

(IACS) med en f ly tede formas jon på ca. 0,9' % minimum ved 0,2" forskyvning. Et materiale som oppfyller disse betingelser,

(r)

er Copperweld^. Den massive, kobberbelagte- ståltråd er belagt med en isolator, såsom Kynar<®>, til en ytterdiameter på ca. 1,8 mm. Det hermetisk forseglede rør 12 og lederpartene 22 bør ha en sammenlagt ytterdiameter på ca. 6,6 mm.

Lederpartene 22 er omgitt av indre armeringstråder 24, idet antallet av indre armeringstråder er minst det dobbelte av antallet av lederparter. I denne foretrukne ut-førelse skal seksten indre armeringstråder 24 være linetråder av et trukket, galvanisert, forbedret plogstål (AISI) eller et annet passende materiale med en diameter på ca. 1,4 mm ± 1 %, en minimums-strekkfasthet på ca. 1,68 GPa, minimumsvridninger (20,3 cm) på ca. 39, og en beleggvedheftning slik den godtgjø-res ved en 3D-dorinnhyllingstest. De indre armeringstråder 24 er slått som del av den sentrale bunt 30 med en høyresnodd slagningsretning og ca. 8,9 cm slagningslengde (15,5° slagningsvinkel). Den sentrale bunt 30 har en ytterdiameter på ca. 9,4 mm. Det er vesentlig at de seksten indre armeringstråder 24 er elektrogalvanisert med blanke og glatte overfla-ter, såsom et minimums-sinkbelegg på ca. 61 g/m<2>. De indre armeringstråder 24 ligger i umiddelbar nærhet av de isolerte ledere 22 og må derfor tilveiebringe en glatt grenseflate for overføring av trykkbelastninger til de isolerte tråder.

Et passende beskyttelsesmateriale for den tilsiktede omgivelse for kabelen 10 påføres under fremstillingen av den sentrale bunt 30 ut til den indre armering 24. Passende materialer for en borehull-loggingskabel er nitrilgummibaaerte fyllmasser og liknende. De indre armeringstråder 24 er viklet rundt lederpartene 22 som vist for å tilveiebringe rom for åtte mellomromsutfyIlende elementer 28. De åtte mellomromselementer 28 er valgfrie og kan være enten et korrosjons-inhibitor-smøremiddel 26, såsom TMS 5878-masse, et produkt fra Quaker Chemical Company, eller metalltråder eller isolerte ledere eller mantlede, optiske fibrer. Mellomromselementene 28 er slått med den samme slagningsretning som lederpartene 22 og de indre armeringstråder 24. Mellomromselementene 28 er kablet med en høyresnodd slagningsretning og ca. 8,9 cm slagningslengde (12,5° slagningsvinkel). Mellomromselementene 28 må ha en maksimal ytterdiameter på ca. 0,7 mm, et minimums-sinkbelegg på ca. 30,5 g/m<2>, en minimums-strekkfasthet på ca. 1,73 GPa, minimumsvridninger (20,3 cm) på ca. 83, og en be-leggvedhefting slik den godtgjøres ved en 2D-dorinnhyllingstest. Dersom mellomromselementene 28 benyttes til å styre plasseringen av de indre armeringstråder 24, må elementene 28 fortrinnsvis være massive, blanke, galvaniserte tråder. Det er viktig at eventuelle mellomromselementer 28 har en rund og glatt ytterflate da de ligger i umiddelbar nærhet av de isolerte lederparter og må tilveiebringe en glatt overflate for overføring av trykkbelastninger til de isolerte lederparter.

Et spesielt særtrekk ved den armerte, optiske kabel 10 er at elementene i den sentrale bunt 30 er fremstilt med den samme slagningslengde og tvinneretning, slik at de legger seg inntil hverandre og ikke krysser hverandre. Et annet spesielt særtrekk er at lederpartene 22 og de indre armeringstråder 24 er montert i den samme operasjon, slik at elementene 22 og 24 hviler på hverandre og ikke i de spor som er dannet mellom lederpartene 22. Denne konstruksjon gir kabelen større fleksibilitet og reduserer friksjon mellom lederpartene 22 og de indre armeringstråder 24. Disse særtrekk sørger for minimal deformasjon av grenseflaten mellom elementene og dermed minimal uelastisk forlengelse av kabelen.

Minst ett lag av ytre armeringstråder omgir de indre armeringstråder 24 og danner kabelens 10 ytterdiameter. I den foretrukne utførelse er det vist tjuefire parter av ytre armeringstråder 32. De ytre armeringstråder 32 skal være fremstilt av linetråder av galvanisert, forbedret plogstål (AISI) eller andre passende materialer som har en diameter på ca. 1,2 mm ± 1%, et minimums-sinkbelegg på ca. 122 g/m<2>, test ifølge ASTM A-90, en minimums-strekkfasthet på ca. 1,70 GPa, test ifølge ASTM E-8, minimumsvridninger (20,3 cm) på ca. 47, test ifølge FED SPEC RR-W-410, og et vedheftingsbelegg som oppfyller ASTM A-641 ved benyttelse av en 3D-dor. Trådene 32 er fortrinnsvis forpresset og slått med motsatt slagningsretning i forhold til elementene 22 og 24. For dette eksempel skal slagningsretningen for de ytre armeringstråder 32 være en venstresnodd slagningsretning og ca. 8,9 cm slagningslengde (20,5° slagningsvinkel). Mens de ytre armeringstråder 32 er i ferd med å anbringes, belegges den sentrale bunt 30 med et korrosjonsbestandig og smørende materiale 34, såsom TMS 5878 eller liknende. De totale dimensjoner på den optiske kabel 10 vil være ca. 1,2 cm.

Den armerte kabel som inneholder det hermetisk forseglede rør, fremstilles ved først å danne røret i én operasjon, og deretter å fremstille kabelen rundt røret i en

"in-line"-operasjon.

Det hermetisk forseglede rør som inneholder de optiske fibrer, kan fremstilles i overensstemmelse med følgende metode. Tråder av glødet, rustfritt stål eller en annen passende, jernfri legering valses ved hjelp av profilvalser til sylindriske seksjoner, slik at seksjonene etter passering gjennom føringsvalser danner et rør som har en tilstrekkelig ytre diameter til å inneholde de optiske fibrer uten å klemme fibrene. De valsede seksjoner blir deretter utskillingsher-det ved en temperatur på ca. 4 80° C. Røret dannes fortrinnsvis av bare to halvsylindriske seksjoner, da dette gjør antallet av sveiser minst mulig. Passende valsede seksjoner oppnås fra The Shaped Wire Co., St. Charles, Illinois. Sylindriske seksjoner kan sammenpresses ved hjelp av standard pressvalser, slik de benyttes av Laser Applications Inc., Baltimore, Maryland, forut for og under lasersveisingen. De skruelinjeviklede, belagte fibrer innføres mellom seksjonene etter hvert som' de klemmes sammen, og ytterligere elastomert materiale tilsettes for å klebe fibrene til dette forut for sveising.

Lasersveisingen utføres med en 500 watt industriell C02~laser fra Control Laser Corp. Laseren er fokusert til en dybde på ca. 0,15 mm. Røret sveises til en dybde som er mindre enn tykkelsen av seksjonene. En dybde på ca. 0,40 mm er passende ved fremstilling av et utvendig rør med en diameter på ca. 2,7 - 3,1 mm. De sylindriske sektorer kan valgfritt oppvarmes til mellom ca. 150° C og ca. 26 0° C under sveising. Oppvarmingen letter sveiseprosessen og resulterer også i opp til ca. 0,2 % samraentrekning av røret når det av-kjøles. På denne måte unngås opp til ca. 0,2 % strekking av fiberen som følge av varmeutvidelse når kabelen nedsenkes i et borehull hvor det er temperaturer av størrelsesorden opp til ca. 260° C.

Sveiseprosessen etterlater sømmene i en spent tilstand. En varmebehandling ved ca. 260° C i noen få timer etter sveising avlaster sådanne spenninger uten å gløde det utskillingsherdede rør. Utskillingsherding av røret er ikke mulig så snart den optiske fiber er innelukket i dette, på grunn av at dette overoppheter og ødelegger bufferpolymerene. Etter sveising kan røret valgfritt nikkelpletteres eller galvaniseres for å motstå korrosjon, og til slutt kan røret valgfritt dekkes med en ekstrudering av en plast med høyt smeltepunkt, såsom PEEK®eller Kynar®, for å minimalisere diffusjonen av saltvann inn i eventuelle knappenålshull som er etterlatt etter sveising, og for også å beskytte metallet mot korrosjon. Passende ekstruderinger fremstilles av Berk Tek Co., Pennsylvania.

Etter fremstillingen av røret 12 dannes den sentrale bunt 30 fra én avdeling av planetspoler, og de ytre armeringstråder 32 anbringes direkte over den sentrale bunt 30

fra en tandem-avdeling av planetspoler. De ytre armeringstråder 32 anbringes med motsatt tvinneretning, slik at de vridningsmomenter som utøves av de indre og ytre armeringstråder, i det vesentlige utbalanseres. En passende metode for utbalansering av de kontraskruelinjeviklede, ytre armeringstråder 32 og de indre armeringstråder 24 er vist i US patentskrift nr. 4 317 00 0. De maskiner som fremstiller kabelen ifølge oppfinnelsen, er kjent i teknikken som planet-kablingsmaskiner. En passende kilde for fremstilling av kabelen er Blake Wire and Cable Company, Torrence, California. Kabelen kan selvsagt også fremstilles ved hjelp av en rør-vikler-kablingsmaskin. De ytre armeringstråder vil imidlertid måtte anbringes i et separat trinn.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet i forbin-delse med en spesielt foretrukket utførelse og noen foretrukne alternativer, vil man forstå at oppfinnelsen ikke er ment å være begrenset bare til den foreliggende beskrivelse. For eksempel er kabelen ikke begrenset til noen bestemt diameter eller til noe bestemt antall optiske fibrer eller liknende. Anvendelse i et forskjellig miljø eller til et annet arbeid som krever en større belastning anbrakt på kabelen, kan kreve en kabel med større diameter og med større og/eller flere lederparter, indre armeringstråder eller ytre armeringstråder. Dessuten må slagningslengden økes i direkte proporsjon etter hvert som kabelens diameter øker. Videre er det nødvendig at lederpartene og den indre armering fremstilles i én operasjon med den samme tvinneretning, og at den indre armering monteres slik at den ikke ligger i de spor som er dannet av lederpartene. Den ytre armering må være viklet med motsatt tvinneretning i forhold til den indre armering og med tilstrekkelig trykkfasthet, slik at den indre armering og den ytre armering er i det vesentlige vridningsmoment-utbalansert.

Claims (31)

1. Hermetisk forseglet, fiberoptisk rør for anvendelse i omgivelser som krever motstand mot buling eller knekking under trykk og uelastisk strekking av dette når det utsettes for langsgående forlengelse, avspenning og bøyekrefter, idet røret omfatter en indre kjerne (16, 18) med én eller flere bufferforsynte, optiske fibrer (14) og et sylindrisk metallrør (12) som passer rundt den indre kjerne (16, 18), KARAKTERISERT VED at det sylindriske metallrør (12) omfatter minst to metallseksjoner (20) som er hermetisk sammenføyd for å danne det nevnte rør (12), idet hver metallseksjon (20) er blitt forpresset ved valsing av en glødet metalltråd og er valgt slik at den har en flytedeformasjon som er større enn 0,85.

2. Rør ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at metallseksjonene er utskillingsherdede seksjoner.

3. Rør ifølge krav 1 eller 2, KARAKTERISERT VED at metallseksjonene (20) er dannet av rustfritt stål eller en jernfri legering.

4. Rør ifølge krav 1, 2 eller 3, KARAKTERISERT VED at metallseksjonene er hermetisk sammenføyd ved langsgående sømmer.

5. Rør ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at seksjonene (20) er fremstilt slik at de valsede profiltråder danner et rør (12) med en ytterdiameter på fra 0,27 til 0,31 cm, med en veggtykkelse på ca. 0,07 cm og en innerdiameter på ca.

0,15 cm.

6. Rør ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at det sylindriske metallrør (12) er dannet av to seksjoner (20).

7. Rør ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at det sylindriske metallrør (12) er belagt med et korrosjonsbestandig metallsjikt eller en høytemperaturplast til en ytterdiameter på ca. 0,305 ± 0,0025 cm.

8. Rør ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at metallseksjonene (20) er sammenføyd ved hjelp av lasersveising.

9. Rør ifølge krav 3 eller 4, KARAKTERISERT VED at det sylindriske metallrør (12) er forsynt med et ytre belegg av et valseformet metallrør, idet det ytre metallrør er sveiset til en dybde som er større en tykkelsen av det ytre metallrør.

10. Rør ifølge krav 5 eller 7, KARAKTERISERT VED at de optiske fibrer er enkeltmodusfibrer.

11. Armert, fiberoptisk kabel omfattende et sentralt rør ifølge krav 1, 2, 3, 8, 9 eller 10, KARAKTERISERT VED at den omfatter minst seks i hovedsaken massive elementer (22) som er viklet i skruelinjeform rundt det sentrale rør (12) med en gitt tvinneretning, minst det dobbelte antall av de minst seks elementer av indre armeringstråder (24) som er viklet rundt og kontakter de minst seks elementer (22) i en enkeltslagnings-skruelinje-konfigurasjon med den samme tvinneretning, idet enkeltslagnings-skruelinjekonfigurasjonen kan oppnås ved å montere de minst seks elementer (22) og de indre armeringstråder (24) rundt røret (12) på samme tid, og hvor elementene (22) og de indre tråder (24) med samme tvinneretning og røret (12) danner en sentral bunt (30), og et antall ytre armeringstråder (32) som berører de indre armeringstråder (24), idet de ytre armeringstråder (32) er viklet med motsatt skruelinje-tvinneretning i forhold til de indre armeringstråders (24) tvinneretning, slik at de vridningsmomenter som utøves av de indre armeringstråder og de ytre armeringstråder, er i det vesentlige utbalansert når de er under strekk.

12. Kabel ifølge krav 11, KARAKTERISERT VED at de minst seks elementer (22) er lederparter av en kobberbelagt stål-trådleder.

13. Kabel ifølge krav 12, KARAKTERISERT VED at den indre armeringstråd (24) er galvanisert ståltråd.

14. Kabel ifølge krav 13, KARAKTERISERT VED at lederpartene og de indre armeringstråder (24) danner mellomrom (28) som er opptatt av kappeforsynte, optiske fibrer eller galvaniserte ståltrådfyllere.

15. Kabel ifølge krav 14, KARAKTERISERT VED at de ytre armeringstråder (32) er galvaniserte, forpressede plogståltrå-der.

16. Kabel ifølge krav 15, KARAKTERISERT VED at de to metallseksjoner er sammenføyd langs langsgående sømmer og de minst seks elementer (22) er åtte elementer.

17. Kabel ifølge krav 11, 14, 15 eller 16, KARAKTERISERT VED at det sentrale rør (12), lederpartene (22) og de indre armeringstråder (24) er belagt med en nitrilgummibasert fyllmasse (26).

18. Kabel ifølge krav 11, KARAKTERISERT VED at den omfatter et sentralt, i hovedsaken rundt, hermetisk forseglet rør (12) med en ytterdiameter på mellom 0,27 og 0,31 cm, og en innerdiameter på ca. 0,15 cm, idet røret (12) inneholder et antall optiske fibrer (14) som er innstøpt i en elastomer (16, 18), idet røret er dannet av to sylindriske metallseksjoner som er forenet med hverandre i lengderetningen rundt de optiske fibrer (14), åtte i hovedsaken runde lederparter (22) som er viklet rundt det sentrale rør (12) med en høyresnodd slagning og ca. 8,9 cm slagningslengde og en diameter på 0,18 cm, slik at ytterdiameteren av det sentrale rør og lederpartene er ca.

0,66 cm, seksten i hovedsaken runde, indre armeringstråder (24) av galvanisert ståltråd som har en ytterdiameter på ca.

0,14 cm og er viklet rundt og berører lederpartene (22) med samme tvinneretning og slagningslengde som lederpartene, idet lederpartene og de indre armeringstråder er fremstilt i samme operasjon, og hvor det sentrale rør (12), lederpartene (22) og de indre armeringstråder (24) danner en sentral bunt (30) med en ytterdiameter på ca. 0,94 cm, og tjuefire i hovedsaken runde, ytre parter (32) av galvanisert ståltråd som er viklet rundt og berører de seksten parter (24) i en venstresnodd slagning med ca. 8,9 cm slagningslengde, idet de tjuefire parter har en diameter på ca. 0,12 cm, slik at den totale kabel har en ytterdiameter på ca. 1,2 cm.

19. Kabel ifølge krav 18, KARAKTERISERT VED at den sentrale bunt (30) er fylt med en elastomer fyllmasse (26).

20. Kabel ifølge krav 19, KARAKTERISERT VED at de mellomrom som er dannet mellom de indre armeringsparter (24) og de ytre armeringsparter (32), er fylt med massive, blanke, galvaniserte tråder og/eller et korrosjonsinhibitor-smøremid-del.

21. Kabel ifølge krav 20, KARAKTERISERT VED at røret (12) videre er belagt med et korrosjonsbestandig metallsjikt eller en høytemperaturplast til en ytterdiameter på ca. 0,305 ± 0,005 cm.

22. Kabel ifølge krav 21, KARAKTERISERT VED at metallseksjonene (20) er blitt sammenføyd ved hjelp av lasersveising.

23. Fremgangsmåte for fremstilling av et hermetisk forseglet, fiberoptisk rør, KARAKTERISERT VED at den omfatter de trinn (a) å valse minst to glødede metalltråder til metallseksjoner (20) med en flytedeformasjon som er større enn 0,85, idet seksjonene (20) er egnet til å passe sammen for å danne et sylindrisk metallrør (12) med en innerdiameter som er tilstrekkelig til å oppta minst én bufferforsynt, optisk fiber (14), (b) å forme et sådant rør (12) rundt én eller flere bufferforsynte, optiske fibrer (14) av metallseksjonene (20) ifølge trinn (a), og (c) å sammenføye seksjonene (20) hermetisk med hverandre for å danne det hermetisk forseglede rør (12).

24. Fremgangsmåte ifølge krav 23, KARAKTERISERT VED at sammenføyningen utføres ved hjelp av lasersveising.

25. Fremgangsmåte ifølge krav 24, KARAKTERISERT VED at røret (12) som inneholder fibrene (14), oppvarmes til mellom 149 og 260°C under sammenføyningen av metallseksjonene.

26. Fremgangsmåte ifølge krav 23, 24 eller 25, KARAKTERISERT VED at seksjonene gjennomgår utskillingsherding før de sammenføyes hermetisk, for å øke de ferdige seksjoners flytegrense.

27. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 23-26, KARAKTERISERT VED at de glødede tråder for forming av metallseksjonene (20) dannes av rustfritt stål eller en jernlegering med høy strekkfasthet.

28. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 23-27, KARAKTERISERT VED at den omfatter innsprøyting av en elastomer i en seksjon (20) eller på de bufferforsynte fibrer (14) forut for forming av det nevnte rør (12).

29. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 23-28, KARAKTERISERT VED at et høytemperaturbestandig plastbelegg dannes rundt det hermetisk forseglede rør (12).

30. Fremgangsmåte for fremstilling av en armert optisk kabel som omfatter et sentralt, hermetisk forseglet, fiberoptisk rør, omfattende fremgangsmåten ifølge ett av kravene 23-29, KARAKTERISERT VED at den videre omfatter de trinn å vikle lederelementer (22) i skruelinjeform rundt det nevnte rør (12), idet viklingen har en gitt tvinneretning og slagningslengde, å vikle et lag av indre armeringstråder (24) med samme tvinneretning som lederelementene (22) og med samme slagningslengde i skruelinjeform rundt lederelementene (22), idet armeringstrådene anbringes på samme tid som lederelementene , og å montere et lag av ytre armeringstråder (32) med motsatt tvinneretning i forhold til det nevnte lag av indre armeringstråder (24) og med en sådan slagningslengde at de vridningsmomenter som utøves av de indre og ytre armeringstråder, er i det vesentlige utbalansert når kabelen er under strekk.

31. Fremgangsmåte ifølge krav 30, KARAKTERISERT VED at monteringen videre omfatter det trinn å legge ned kabeielemen-ter i det mellomrom som er dannet mellom lederelementene (22) og laget av indre armeringstråder (24), på samme tid som lederelementene (22) og laget av indre armeringstråder (24) dannes.