NO319495B1 - Kabel - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår armerte kabler benyttet i forbindelse med elektrisk logging av olje- og gassbrønner. Mer spesielt angår oppfinnelsen en konstruksjon som kombi-nerer elektriske og fiberoptiske kabler for nedsenkning av loggeinstrumenter i borehull som er tildannet i jordskorpen.

Brønnlogging benyttes for å frembringe målinger av egenskaper til jordformasjoner som gjennomtrenges av borehull. Brønnlogging omfatter nedføring av måleinstrumenter i borehullet, idet instrumentene er forbundet med den ene enden av en armert elektrisk kabel. De armerte, elektriske kabler som er kjent innenfor dette fagområdet, omfatter typisk minst én isolert elektrisk leder som både benyttes for å forsyne instrumentene med elektrisk kraft og for å overføre signaler som genereres av instrumentene, til annet utstyr som befinner seg ved jordoverflaten, for dekoding og fortolkning. Kablene som er kjent innenfor dette fagområdet omfatter dessuten stålarmering i form av tråder som er helisk viklet omkring den elektriske leder for å gi kabelen tilstrekkelig strekk-styrke og motstand mot abrasjon.

Signalene som genereres av instrumentene for overføring til jordens overflate er typisk elektriske signaler. Disse signaler kan foreligge i form av analoge spenninger eller digitale pulser. En ulempe med å benytte elektriske signaler ved brønnlogging er at de mekaniske krav som loggekabelen må tilfredsstille, f .eks. ved at den må ha en relativt høy bøye-lighet og lav vekt pr. lengdeenhet, fører til at kabelen og den elektriske leder blir laget av tråder som normalt har liten diameter. En typisk brønnloggekabel kan f.eks. omfatte en elektrisk leder som består av syv kordeler av kobbertråd med en diameter på ca. 0,3 mm dekket av en ytre plastkappe med utvendig diameter på ca. 2,5 mm. Den elektriske leder har typisk en motstand på omkring 30 ohm pr. km (9 ohm pr. 1000 fot) og en kapasitans på noen titalls pF/m (flere pikofarad pr. fot).

Andre kabler som er kjent innenfor dette området kan ha flere ledere anbragt i en sentral lederbunt, idet hver leder har omtrent samme konstruksjon og elektriske egenskaper som lederen benyttet i én-lederkabelen.

Fordi de elektriske egenskaper til lederne i typiske brønnloggekabler har de verdier som er antydet ovenfor, kan ikke loggekabler som er kjent fra før på effektiv måte over-føre elektriske signaler med frekvenser over 100 kHz. Nyere typer loggeinstrumenter kan imidlertid generere data ved hastigheter som fører til at anvendelse av elektriske trans-misjonssignaler blir både vanskelig og kostbar.

Oet er kjent innenfor dette tekniske felt å anbringe optiske fibre i brønnloggekabler for å muliggjøre bruk av optisk telemetri som gir muligheter for svært mye høyere frekvenser og større dataoverføringshastigheter enn det som gjelder ved transmisjon av elektriske signaler. I US-patent nr. 4.696.542 (Thompson) er det f.eks. beskrevet en brønn-loggekabel med optiske fibre anbragt stort sett sentralt inne i helisk viklede, kobberbelagte stål-ledere, idet stål-lederne selv er dekket av to lag med armeringstråder av stål snodd i motsatt retning. En ulempe med brønnloggekabelen beskrevet i dette patent, er at de optiske fibre er innleiret i et plastrør. Brønnloggekabler kan, i borehullene, utsettes for hydrostatiske trykk og temperaturer høye nok til å ute-lukke bruk av plastrør som vist i det ovennevnte US-patent.

Andre fiberoptiske kabler som er kjent innenfor dette tekniske området omfatter innkapsling av de optiske fibre i et stålrør. I "Electro-Optical Mechanical Umbilicals", utgitt av Vector Cable, Sugar Land, Texas (publikasjonsdato ukjent) viser flere såkalte slepe- og "umbilical"-kabler som omfatter stålrør som omslutter de optiske fibre. En ulempe med kombinasjonen av elektriske/optiske fiberkabler beskrevet i referansen fra Vector Cable, er at kabelkonstruksjonene som er vist der har elektriske ledere med svært store diametre som utelukkende tenkes benyttet for elektrisk kraftoverføring, mens de optiske fibre gjennomfører praktisk talt all signal-kommunikasjon som skal utføres av kabelen. Av grunner som er kjent for fagfolk på dette området, vil bruk av kraftkabler med store diametre som vist i referansen fra Vector Cable resultere i en kabel med så stor ytre diameter at bruk av visse styringsanordninger for å kontrollere fluidtrykket blir utelukket.

Kablene som er vist i referansen fra Vector Cable har også ganske anderledes elektriske signaloverførings-karakteristikker enn de som gjelder for loggekabler innenfor dette området, nettopp på grunn av den store størrelsen på kraft-kablene. Det er også ønskelig å tilveiebringe en kombinasjon av elektriske/fiberoptiske kabler med elektriske ledere som er i stand til å opprettholde den elektriske signaloverfør-ingsevnen til de elektriske loggekabler som tidligere er kjent innenfor dette området, slik at eksisterende brønn-loggeinstrumenter som gjør bruk av elektrisk telemetri ikke må ombygges.

En kombinert fiberoptisk/elektrisk brønnloggekabel med den optiske fiber innlagt i et stålrør er vist f.eks. i US-patent nr. 4.522.464 (Thompson m.fl.). Kabelen som er vist i dette patent, omfatter en optisk fiber innesluttet i et stål-rør som befinner seg i sentrum av en brønnloggekabel. En ulempe med kabelen som er vist i dette patent, er at de ledende elementer som er posisjonert utenfor det sentrale røret som inneholder den optiske fiber, er konstruert av kobberbelagt ståltråd for å gi både styrke og motstand mot uelas-tiske påkjenninger av kabelen. Kobberbelagt ståltråd har typisk en annen elektrisk impedans enn kobbertråd med tilsvarende elektrisk ledningsevne. Lederelementene i kabelen i det sistnevnte US-patent kan være vanskelig å benytte for signaloverføringsteknikker som er kjent innenfor dette området.

Ved en annen utførelse av loggekabelen som er vist i det ovennevnte US-patent, kan én eller flere kobberbelagte stål-tråder bli erstattet av optiske fibre. En ulempe med å erstatte lederelementer direkte med optiske fibere som angitt i dette patentet, er at noe av den elektriske kraf tover før ings-evne og signaloverføringsevne i loggekabelen vil gå tapt, fordi de utbyttede ledere erstattes av et ikke-ledende element, nemlig den optiske fiber.

En ytterligere ulempe med kabelen som er vist i det sistnevnte patent er at stålrøret som benyttes til å inn-kapsle den optiske fiber utsettes for ikke-elastiske påkjenninger og til slutt kan svikte på grunn av gjentatte påkjenninger med strekk og avlastning aksielt i kabelen. Røret, som er benyttet i sentrum av kabelen i henhold til dette patent, blir utsatt for større aksiell forlengelse under strekk enn noen av armeringstrådene fordi armeringstrådene er viklet helisk omkring aksen til kabelen og derfor tillater at kabelen forlenges mens de heliske lag i armeringen bare åpner seg litt under aksiell påkjenninge.

En ytterligere kombinasjon av fiberoptisk brønnlogge-kabel er beskrevet i "Manufacturing and testing of armored fiber optic downhole logging cable", av Randall m.fl.< i Wire Journal, september 1980. Kabelen som er vist i artikkelen av blant annet Randall, oppviser en plastmantlet optisk fiber som kan erstatte én eller flere av de elektriske ledere. En ulempe med kabelen i henhold til Randall er at den optiske fiber utsettes for fluidtrykk i borehullet fordi den ikke er trykkforseglet. En ytterligere ulempe med kabelen til Randall er at enkelte av de elektriske ledere er erstattet av optiske fibre. De elektriske transmisjonskarakteristikker for en kabel som er bygget i henhold til Randall, kan ikke inneha egnede elektriske transmisjonsegenskaper for bruk i forbindelse med visse brønnloggeinstrumenter.

En annen kombinasjon av fiberoptisk/elektrisk brønn-loggekabel er vist i internasjonal patentsøknad nr. WO 94/28450. Kabelen som er vist der, omfatter en optisk fiber innlagt i et metallrør. Hetallrøret kan være omgitt av flet-tede kobberkordeller som benytes for leding av elektrisk kraft og elektriske signaler. En spesiell utførelse av kabelen i denne patentsøknad omfatter kobberomfletting som ligger direkte inn mot metallrør et. En ulempe med kabelen vist i denne patentsøknad er at røret befinner seg ved sentrum av kabelen. En slik plassering av røret ved kabelens senter vil, som tidligere forklart, utsette røret og dermed den optiske fiber for uheldig store aksielle påkjenninger under visse tilstander. Dessuten blir det verken vist eller foreslått i forbindelse med kabelen som er angitt i denne patentsøknad en konfigurasjon av metallrøret og kobberomflettingen som.gir en elektrisk impedans i likhet med karakteristikkene for de isolerte kobbertråder i de elektriske brønnloggekabler som er

kjent innenfor dette området. I realiteten vil den foretrukne utførelse av kabelen i henhold til den sistnevnte patent-

søknad benytte et lag isolasjonsmateriale mellom metalirøret og kobberomflettingen.

Som det forstås av fagfolk på dette området, omfatter brønnloggekabler typisk elektriske ledere og utvendige armeringstråder som hver for seg er posisjonert slik at kabelen opprettholder et hovedsakelig rundt tverrsnitt selv etter gjentatte spenninger og avspenninger av et betydelig aksielt strekk til kabelen, selv når den samtidig utsettes for betydelig bøyepåkjenninger. Som det også forstås av fagfolk innenfor området,, vil gjentatt eksponering for strekk og avslakning av det aksielle strekk samt bøyepåkjenninger inntreffe som en følge av at instrumenter senkes ned i borehullet og senere fjernes fra borehullet idet kabelen spoles på og av en forrådsspole via forskjellige skiver og trinser ved hjelp av en vinsj som er utstyrt for å heve og senke instrumentet i borehullet. Kjente brønnloggekabler innenfor dette området og utelukkende forsynt med elektriske ledere, opprettholder i stor grad sitt runde tverrsnitt fordi alle elementer i lederen har sammenlignbare strekk- og bøye-egenskaper. En direkte utskifting av ledere med optiske fibre for å frembringe en loggekabel med optiske fibre, vil føre til at kabelen får asymmetriske strekk- og bøye-egenskaper, noe som muligens vil gi redusert motstand mot deformasjoner som av-viker fra det sirkulære tverrsnitt til kabelen under strekk-og bøyepåkjenninger.

Følgelig er det et formål med foreliggende oppfinnelse å frembringe en brønnloggekabel med minst én optisk fiber, hvor kabelens mekaniske konfigurasjon og mekaniske egenskaper be-holdes svært lik de som gjelder for tidligere kjente brønn-loggekabler av elektrisk type.

Et ytterligere formål med foreliggende oppfinnelse er å frembringe en brønnloggekabel med minst én optisk fiber montert og hvor evnen til overføring av elektrisk kraft og transmisjon av signaler er sammenlignbar med egenskapene for brønnloggekabler av kjent type.

Dette oppnås ved å utforme loggekabelen i henhold til de nedenfor fremsatte patentkrav.

Foreliggende oppfinnelse omfatter en brønnloggekabel som omfatter flere første elementer som hvert utgjøres av en ståltråd omgitt av kobbertråder og som er belagt med et elektrisk isolerende materiale, og minst ett andre element som omfatter minst én optisk fiber innleiret i et metallrør, hvor kobbertråder omgir røret og er dekket av eventuelt elektriske isolerende materialer. De første elementer og minst det ene andre element er anbragt i en sentral bunt. Det andre element befinner seg slik i bunten at det blir helisk viklet rundt sentralaksen til bunten. Bunten omgis endelig av armeringstråder som er helisk viklet omkring bunten.

I en spesiell utførelse av oppfinnelsen kan ståltråden være belagt med metallisk kobber.

For å gi en klarere forståelse av foreliggende oppfinnelse vises til nedenstående detaljerte beskrivelse av ut-førelseseksempler, samt til de ledsagende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et tverrsnitt av en brønnloggekabel i henhold

til foreliggende oppfinnelse,

fig. 2 viser et detaljert tverrsnitt av et fiberoptisk/-

elektrisk lederelement i kabelen i henhold til

foreliggende oppfinnelse,

fig. 3 viser et detaljert tverrsnitt av et elektrisk lederelement som inngår i kabelen i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Et tverrsnitt av en brønnloggekabel 10 i henhold til foreliggende oppfinnelse er vist i fig. 1. Kabelen 10 omfatter syv plastisolerte lederelementer 16 og 18 som nærmere forklart nedenfor. De syv elementene 16 og 18 er på typisk måte anbragt i en sentral bunt 15, som har et hovedsakelig regelmessig sekskantet mønster hvor seks av elementene omgir det syvende element, et elementarrangement som er familiært for fagfolk innenfor dette området, og er utformet for å gi en betydelig motstand mot deformasjon av det hovedsakelig sirkulære tverrsnitt for kabelen 10. Fem av de syv elementene, nedenfor benevnt de første elementer og på figuren gitt henvisningstall 16, kan være isolerte, elektriske lederelementer som omfatter en kobberbelagt ståltråd som kan ha en diameter på ca. 0,7 mm omgitt av ni kobbertråder som hver kan ha en diameter på omkring 0,3 mm. De første elementene 16 kan omfatte en ytre, isolerende kappe som kan være sammensatt av en varme- og fuktighetsbestandig plasttype slik som polypropylen eller etylen-tetrafluoretylenkopolymer (ETFE) solgt under handelsnavnet "TEFZEL", som er et varemerke til E.I. du Pont de Nemours & Co.

De to øvrige av de syv elementer som er benevnt de andre elementer og er vist ved henvisningstall 18, kan hver blant annet omfatte en optisk fiber som er anbragt inne i et rustfritt stålrør som forklart nærmere nedefor. De andre elementer 18 har til hensikt å utstyre kabelen 10 med optiske fibere og ha elektriske og mekaniske egenskaper som samsvarer med de tilsvarende egenskaper for de fem første elementer 16. Kabelen 10 i henhold til foreliggende oppfinnelse omfatter to symmetrisk posisjonerte andre elementer 18, imidlertid er det tenkt at kabelen 10 i henhold til oppfinnelsen vil virke som tenkt også med de andre elementer 18 posisjonert ved enkelte, vilkårlige steder eller ved alle de seks utvendig posisjonerte steder som inngår i det likesidede, sekskantede mønster som er utformet av de syv elementer til sammen.

Hulrommene som oppstår inne i den sekskantede struktur som omfatter de syv elementer 16, 18, kan være fylt med fyllstoff, vist som 17, og dette kan være tildannet av en plast-type slik som neopren eller ETFE. Fyllstoffet 17 omgir de relative posisjoner til de syv elementer 16, 18 inne i kabelen 10. Elementene 16, 18 og fyllstoffet 10 er dekket med helisk viklede, galvaniserte armeringstråder av stål, utformet til en innvendig armeringskappe vist som 14. Den innvendige armeringskappe 14 er i seg selv utvendig belagt med helisk viklede, galvaniske armeringstråder av stål tildannet som en utvendig armeringskappe som vist ved henvisningstall 12. Oppbygningen av den innvendige armering 14 og den utvendige armering 12 kan være av en type som er kjent for fagfolk

innenfor området og armeringsoppbygningen er utført slik at den vil oppvise en betydelig strekk-kraftstyrke og motstand mot abrasjon, noe som medvirker til at kabelen 10 blir svært robust. Som kjent innenfor dette tekniske felt, kan armeringstrådene 12, 14, i en spesiell kabel 10 som tenkes benyttet i omgivelser som er kjemisk sett fiendtlige, slik som et borehull med betydelige mengder av hydrogensulfid, alter-nativt bestå av en legering av kobolt og nikkel slik som identifisert av industrikoden MP-35N.

Ett av de andre elementer 18 er vist mer detaljert i fig. 2. Det andre elementet 18 kan bestå av en optisk fiber 22 som er innleiret i et metallrør 24, som i den foreliggende utførelse fortrinnsvis består av rustfritt stål, for å gi egnet korrosjonsmotstand. Røret 24 kan ha en utvendig diameter på 0,8 mm og en innvendig diameter på 0,6 mm. Røret 24 oppviser abrasjons- og bøyebeskyttelse for den optiske fiber 22, og holder ute fluider som forekommer i borehullet (ikke vist på figuren) hvor røret 10 befinner seg under bruk. Røret 24 kan være kobberbelagt for å redusere dets elektriske motstand. Røret 24 kan dessuten være omgitt av tolv kobbertråder vist ved 26. Disse trådene 26 kan hver ha en diameter på ca. 0,25 mm. Kombinasjonen av røret 24 og trådene 26 utgjør en leder med en elektrisk motstand mindre enn 30 ohm pr. km (10 ohm/1.000 fot). Røret 24 og kobbertrådene 26 er dessuten dekket med plast isolasjon 20 som kan bestå av en varme-bestandig plast slik som ETFE eller polypropylen. Den ytre diameter til isolasjonen 20 er praktisk talt den samme som den utvendige diameter på isolasjonen 32 til det første element 16, slik at det sekskantformede mønster som de syv elementer til sammen utgjør som vist i tverrsnitt i fig. 1, blir praktisk talt symmetrisk uavhengig av den relative posisjon til det andre element 18 i sekskantmønsteret som utgjøres av bunten 15.

Det skal forstås at de andre elementer 18 kan være posisjonert i en hvilken som helst eller i alle de seks utvendige posisjoner i den sekskantede struktur som er vist i fig. 1. De (eller det) andre elementer 18 er fortrinnsvis plassert i en utvendig posisjon i den sekskantede struktur som utgjør bunten 15, fordi elementene 16, 18 i disse utvendige posisjoner er viklet helisk omkring elementet som befinner seg i den sentrale posisjon. Som det vil forstås av fagfolk på dette feltet, vil av andre grunner; slik som sideveis reduksjon av diameteren ved aksielt strekk, opp-vikling av den heliske slaglengde og økning av den totale lengde av de helisk viklede ytre elementer i forhold til lengden av sentralelementet 18 (burdannelse); de utvendige posisjonerte elementer 16, 18 utsettes for redusert, aksielt strekk i forhold til den aksielle forlengelse av kabelen

(vist i fig. 1 som 10), noe som derved reduserer muligheten for feil grunnet strekkpåkjenning langs aksen til røret 24 og dermed strekk i fiberen 22. Ved den viste utførelse av oppfinnelsen vil de andre elementer 18 være posisjonert ved to utvendige motsatt anbragte steder i det sekskantede mønster, som antydet i fig. 1 ovenfor.

Fig. 3 viser et tverrsnitt av et første element 16 mer detaljert. Det første element 16 kan bestå av en ståltråd 28 som kan være belagt eller omgitt av metallisk kobber slik at elementet får en ytre diameter på omkring 0,7 mm, noe som reduserer den elektriske motstanden til tråden 28. Den kobberbelagte tråden 28 kan dessuten være omgitt av ni kobbertråder som generelt er vist ved 30, hver med en ytre diameter på ca. 0,3 mm. Kombinasjonen av ståltråden 28 og kobbertrådene 30 gir en elektrisk motstand på mindre enn 20 ohm pr. km (7 ohm/1.000 fot). Trådene 30 kan være belagt med et elektrisk isolerende materiale slik som polypropylen eller

ETFE.

Det vises på ny til fig. 2 hvor de andre elementer 18 er utformet slik at kombinasjonen av røret 24 og trådene 26 får en ytre diameter som fører til at isolasjonsmaterialet 20 gir det andre element 18 praktisk talt samme elektriske kapasitans pr. lengde-enhet som det første element 16. Dermed vil den sammensatte kabel (vist i fig. 1 som 10) få praktisk talt samme elektriske kraftoverføringsevne og samme signalover-føringskapasitet som en brønnloggekabel som er fremstilt i henhold til tidligere kjent teknikk.

Mens foreliggende oppfinnelse er rettet mot en loggekabel med til sammen syv av de første elementer 16 og de andre elementer 18 i den sentrale bunten (vist som 15 i fig. 1) , er det forutsatt at kabler med andre hovedsakelig sym-metriske arrangementer av første elementer 16 og andre elementer 18 i den sentrale bunten 15, hvor elementene 16, 18 er helisk viklet omkring sentralaksen til bunten 15, også vil ha elektriske og mekaniske karakteristikker i likhet med den kabel som bare består av kobbertråder i bunten, men vil likevel innbefatte minst én optisk fiber som er posisjonert inne i kabelen på en slik måte at de aksielle strekk-krefter fiberen utsettes for blir minimale.

Claims (12)

1. Brønnloggekabel som omfatter første lederelementer (16) som hvert innbefatter en stålkjerne (28) omgitt av kobbertråder (30) , hvilke kobbertråder (30) er belagt med et elektrisk isolerende materiale (32), karakterisert ved at kabelen (10) også omfatter: minst ett andre lederelement (18) som innbefatter minst én optisk fiber (22) innkapslet i et metallrør (24) idet kobbertråder (26) omgir dette røret, hvilke kobbertråder (26) er dekket av elektrisk isolerende materiale; idet de første lederelementer (16) og det (de) andre lederelementer (18) er anbragt i en sentral bunt (15) og at det minst ene andre lederelement er plassert slik i denne sentrale bunten at det vil være helisk viklet omkring sentralaksen til bunten (15), idet det (de) andre lederelement(er) (18) har en elektrisk impedans som i alt vesentlig tilsvarer impedansen til hvert av de første lederelementer (16), og at armeringstråder (12,14) er viklet på helisk måte omkring bunten (15).

2. Kabel ifølge krav 1, karakterisert ved at isolasjonsmaterialet (32) omfatter ETFE.

3. Kabel ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at isolasjonsmaterialet (32) omfatter polypropylen.

4. Kabel ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at metallrøret (24) omfatter rustfritt stål.

5. Kabel ifølge krav 1, 2, 3 eller 4, karakterisert ved at ståltråden (28) er belagt med metallisk kobber.

6. Kabel Ifølge krav 1, karakterisert ved at bunten (15) omfatter et totalt antall på syv lederelementer (16,18) som omfatter de første lederelementer (16) og minst ett element av typen som de andre lederelementer (18).

7. Kabel ifølge krav 6, karakterisert ved at bunten (15) omfatter to av de andre lederelementer (18) og fem av de første lederelementer (16), idet bunten (15) er arrangert i et i alt vesentlig regelmessig, sekskantet mønster slik at de to lederelementer (18) av den andre type blir posisjonert dia-metralt motsatt i forhold til hverandre og er helisk viklet omkring et sentralt anbragt lederelement (16) av første type.

8. Kabel ifølge krav 1, 2, 3, 4, 5, 6 eller 7, karakterisert ved at bunten (15) omfatter et fyllmateriale (17) som er anbragt inne i hulrommene mellom lederelementene (16,18) i det hovedsakelig likesidede seks-kantmønster.

9. Kabel ifølge krav 8, karakterisert ved at fyllmaterialet (17) omfatter polypropylen.

10. Kabel ifølge et av kravene 1-9, karakterisert ved at armeringstrådene (12,14) omfatter galvanisert stål.

11. Kabel ifølge krav 10, karakterisert ved at armeringstrådene (12,14) omfatter to koaksiale, sammenhengende lag av helisk omviklede tråder.

12. Kabel ifølge krav 10 eller 11, karakterisert ved at armeringstrådene (12,14) omfatter en legering av kobolt og nikkel.