Раскрыты высокопрочные скважинные электрические кабели, которые образованы из множества защитных упрочняющих элементов. Защитные упрочняющие элементы образованы из нескольких жил из скрученных проволок, которые могут быть закрыты оболочкой из полимерного материала. Защитные упрочняющие элементы могут быть использованы в качестве центрального защитного упрочняющего элемента или даже уложены в виде слоя вокруг центрального, расположенного в аксиальном направлении компонента или защитного упрочняющего элемента для образования слоя из защитных упрочняющих элементов. Кабели по изобретению могут иметь любую реализуемую на практике конструкцию, включая одножильные каротажные кабели, коаксиальные кабели, кабели четверочной скрутки, кабели семерочной скрутки, кабели в виде талевого каната, многопроводные кабели и т.д., и имеют повышенную коррозионную стойкость, уравновешивание крутящих моментов и могут также способствовать предотвращению или минимизации опасной миграции газа из скважины к поверхности.

 

(57) Реферат / Формула:
высокопрочные скважинные электрические кабели, которые образованы из множества защитных упрочняющих элементов. Защитные упрочняющие элементы образованы из нескольких жил из скрученных проволок, которые могут быть закрыты оболочкой из полимерного материала. Защитные упрочняющие элементы могут быть использованы в качестве центрального защитного упрочняющего элемента или даже уложены в виде слоя вокруг центрального, расположенного в аксиальном направлении компонента или защитного упрочняющего элемента для образования слоя из защитных упрочняющих элементов. Кабели по изобретению могут иметь любую реализуемую на практике конструкцию, включая одножильные каротажные кабели, коаксиальные кабели, кабели четверочной скрутки, кабели семерочной скрутки, кабели в виде талевого каната, многопроводные кабели и т.д., и имеют повышенную коррозионную стойкость, уравновешивание крутящих моментов и могут также способствовать предотвращению или минимизации опасной миграции газа из скважины к поверхности.

 

---

2420-148556ЕА/010 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КАБЕЛИ С ЗАЩИТНЫМИ УПРОЧНЯЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
ИЗ СКРУЧЕННЫХ ПРОВОЛОК
Описание
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к скважинным армированным каротажным электрическим кабелям. В соответствии с одним аспектом изобретение относится к высокопрочным кабелям на основе защитных упрочняющих элементов из скрученных проволок, используемых вместе с устройствами для анализа геологических формаций, примыкающих к стволу скважины.
Как правило, геологические подземные формации, которые содержат нефть и/или нефтяной газ, обладают свойствами, которые могут быть связаны со способностью пластов содержать подобные продукты. Например, пласты, которые содержат нефть или нефтяной газ, имеют более высокое электрическое удельное сопротивление, чем те, которые содержат воду. Пласты, содержащие большей частью песчаник или известняк, могут содержать нефть или нефтяной газ. Пласты, содержащие большей частью сланец, которые также могут окружать нефтеносные пласты, могут иметь значения пористости, значительно превышающие пористость песчаника или известняка, но, поскольку размер зерна сланца очень небольшой, может быть очень трудно извлечь нефть или газ, захваченные в нем. Соответственно, может быть желательно определить различные характеристики геологических формаций, примыкающих к скважине, с тем, чтобы способствовать определению местоположения нефтеносного и/или несущего нефтяной газ пласта, а также количества нефти и/или нефтяного газа, захваченного в пласте.
Каротажные приборы, которые, как правило, представляют собой длинные, трубчатые устройства, могут быть спущены в скважину для измерения подобных характеристик на различных глубинах вдоль скважины. Данные каротажные приборы могут включать в себя устройства для излучения/приема гамма-лучей, каверномеры, устройства для измерения удельного электрического сопротивления, устройства для испускания/приема нейтронов и тому подобное, которые используются для определения
характеристик пластов рядом со скважиной. Армированный каротажный кабель-трос соединяет каротажный прибор с одним или несколькими источниками электрической энергии и оборудованием для анализа данных на поверхности земли, а также обеспечивает конструктивную опору для каротажных приборов при их спуске и подъеме через скважину. Как правило, кабель-трос сматывают с барабанного устройства, предусмотренного на грузовом автомобиле или морском основании, через несколько шкивов, и спускают в скважину. Армированные каротажные кабели часто должны иметь высокую прочность для того, чтобы выдерживать массу подвешенных приборов и самого участка кабеля.
Кабели-тросы, как правило, образуют из комбинации металлических проводников, изоляционного материала,
наполнителей, оболочек и проволок для бронирования. Оболочки обычно окружают сердцевину кабеля, при этом сердцевина содержит металлические проводники, изоляционный материал, наполнители и тому подобное. Армирующие проволоки обычно окружают оболочки и сердцевину. Армирующие проволоки, используемые в кабелях-тросах, служат нескольким целям. Они обеспечивают физическую защиту для проводников в сердцевине (жиле) кабеля, когда кабель истирается при трении о поверхности ствола скважины. Они несут вес связки приборов и тысяч футов кабеля, свисающего в скважине. Двумя распространенными причинами повреждения кабеля-троса являются коррозия армирующих проволок и дисбаланс крутящих моментов. Коррозия обычно приводит к ослабленным или разорванным проволокам.
Армирующая проволока, как правило, создана из холоднотянутой перлитной стали, покрытой цинком для защиты от коррозии. Несмотря на то, что цинк защищает сталь при умеренных температурах, исследования показали, что пассивация цинка в воде (то есть потеря его свойств, обеспечивающих защиту от коррозии) может происходить при повышенных температурах. Когда проволока начинает ржаветь, она быстро теряет прочность и пластичность. Несмотря на то, что сердцевина кабеля по-прежнему может быть функциональной (эффективно работающей), экономически не оправдана замена армирующей проволоки, и весь кабель должен
быть выброшен. Когда коррозионно-активные текучие среды (флюиды) проникают в кольцевые зазоры, трудно или невозможно полностью удалить их. Даже после очистки кабеля коррозионно-активные текучие среды остаются в кольцевых пространствах, что приводит к повреждению кабеля. В результате коррозия кабеля представляет собой по существу непрерывный процесс, начинающийся с первого спуска кабеля-троса в скважину.
При приложении аксиальной нагрузки к кабелю спиральное расположение армирующей проволоки приводит к тому, что в кабеле создается скручивающая нагрузка. Величина данной нагрузки зависит от расположения спирали и размера проволок. Существуют два традиционных способа уменьшения величины крутящего момента, который создается: существенно увеличить длину спирали или использовать армирующие проволоки, выполненные с меньшим диаметром, с наружной стороны и с большим диаметром - с внутренней стороны. Ни одна из данных опций не является целесообразной с точки зрения практики в случае кабеля-троса. Первый подход приводит к увеличению жесткости кабеля при изгибе. Второй подход может привести к уменьшению срока службы кабеля вследствие проблем, связанных с абразивным износом. Кабель также подвергается уменьшению диаметра вследствие радиальных сил, которые создаются во время нагружения кабеля. Это приводит к сжатию сердцевины кабеля и может вызвать ползучесть изоляции на проводниках, что приводит к возможным коротким замыканиям или поврежденным проводникам (жилам). Во время действия скручивающей нагрузки на кабель фактическая нагрузка, вызывающая разрушение кабеля, будет уменьшаться вследствие изменения распределения нагрузки на двух слоях проволок. Кроме того, когда используются внутренний и наружный слои из проволок, каждый из которых имеет проволоки, ориентированные по спирали, это приводит к возникновению крутящего момента, когда кабель будет подвергаться воздействию аксиальной нагрузки.
Другая проблема, с которой сталкиваются при использовании традиционных армированных кабелей-тросов, имеет место в скважинах высокого давления, когда трос спускают через один или
несколько участков трубопровода, заполненных консистентной смазкой для изоляции давления газа в скважине при одновременном обеспечении возможности перемещения троса в скважину и из скважины. Поскольку слои из проволок имеют незаполненные кольцевые зазоры, газ из скважины может проникать в данные зазоры и проходить через данные зазоры вверх по направлению к зоне более низкого давления. Данный газ имеет тенденцию "удерживаться" на месте при перемещении троса через наполненный консистентной смазкой трубопровод. Когда трос перемещается по верхнему шкиву у верхней части трубопровода, проволоки немного "расходятся" друг от друга, и газ под давлением выпускается, при этом он создает опасность взрыва.
Таким образом, существует потребность в высокопрочных армированных скважинных электрических кабелях, которые имеют повышенную коррозионную стойкость и улучшенное уравновешивание крутящих моментов при одновременном обеспечении их эффективного изготовления. Кроме того, существует потребность в кабелях, которые способствуют предотвращению или минимизации миграции газа из ствола скважины. Электрический кабель, который может обеспечить преодоление одной или нескольких из проблем, подробно раскрытых выше, при одновременной передаче больших количеств энергии при существенной способности к передаче сигналов данных, был бы очень желательным, и потребность, по меньшей мере, частично удовлетворяется посредством нижеприведенного изобретения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к скважинным электрическим кабелям, и, в частности, изобретение относится к высокопрочным кабелям, образованным из защитных упрочняющих элементов. Кабели используются вместе с устройствами для анализа геологических формаций, примыкающих к стволу скважины. Кабели по изобретению могут иметь любую реализуемую на практике конструкцию, включая одножильные каротажные кабели, коаксиальные кабели, кабели четверочной скрутки, кабели семерочной скрутки, кабели в виде талевого каната, многопроводные кабели и т.д. Кабели, описанные здесь, имеют повышенную коррозионную стойкость, уравновешивание
крутящих моментов и могут также способствовать предотвращению или минимизации опасной миграции газа из ствола скважины к поверхности.
В кабелях по изобретению используются скрученные жилы в полимерной оболочке в качестве защитных упрочняющих элементов. Жилы представляют собой одиночные непрерывные металлические проволоки, которые проходят на длине кабеля. Множество жил собрано в жгут для образования защитного упрочняющего элемента, и они могут включать в себя полимерную оболочку, закрывающую жилы. Защитные упрочняющие элементы могут быть использованы в качестве центрального защитного упрочняющего элемента или даже размещены в виде слоя вокруг центрального компонента, расположенного в аксиальном направлении, или защитного упрочняющего элемента для образования слоя из защитных упрочняющих элементов. Кроме того, может быть образовано более одного слоя из защитных упрочняющих элементов.
Е одном варианте осуществления кабель представляет собой скважинный электрический кабель, включающий в себя центральный компонент и внутренний слой из защитных упрочняющих элементов. Этот слой включает в себя, по меньшей мере, три защитных упрочняющих элемента, и прилегает к центральному компоненту под углом свивки. Каждый защитный упрочняющий элемент, образующий слой, включает в себя центральную жилу, по меньшей мере, три жилы, расположенные по спирали и прилегающие к центральной жиле, и полимерную оболочку, закрывающую центральную жилу и прилегающие жилы.
В одном варианте осуществления кабель включает в себя центральный компонент, внутренний слой из, по меньшей мере, четырех защитных упрочняющих элементов, прилегающий к центральному компоненту под углом свивки. Каждый защитный упрочняющий элемент включает в себя центральную жилу, по меньшей мере, три жилы, расположенные по спирали и прилегающие к центральной жиле, и полимерную оболочку, закрывающую центральную жилу и прилегающие жилы. Кроме того, по меньшей мере, один слой из армирующих проволок в виде защитного покрытия расположен по спирали и прилегает к наружной
периферийной поверхности защитных упрочняющих элементов.
Кроме того, раскрыт скважинный электрический кабель, образованный из центрального компонента, по меньшей мере, четырегх защитных упрочняющих ^ элементов, прилегающих к центргшьному компоненту, полимерной оболочки, расположенной на защитных упрочняющих элементах, и слоя из армирующих проволок, наложенных в виде покрытия по спирали и прилегающих к полимерной оболочке.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение можно понять посредством ссылки на нижеприведенное описание, рассматриваемое вместе с
сопровождающими чертежами, на которых изображено следующее:
Фиг.1А и 1В иллюстрируют один вариант осуществления, в котором отдельные жилы скручены вместе под углом в направлении скручивания, противоположном по отношению к ориентации защитных упрочняющих элементов, образующих кабель.
Фиг. 2 показывает способ образования защитных упрочняющих элементов с промежуточными пространствами, заполненными полимерным материалом, и возможность скрепления защитного упрочняющего элемента с полимерной оболочкой кабеля.
Фиг.З иллюстрирует один способ заделывания наружных жил и придания определенной формы наружным жилам, расположенным поверх слоя полимерного материала.
Фиг.4 иллюстрирует посредством поперечного сечения сам защитный упрочняющий элемент, изготовление которого описано со ссылкой на фиг.2.
Фиг.5А, 5В, 5С и 5D иллюстрируют несколько вариантов осуществления защитных упрочняющих элементов со скрученными жилами, пригодных для кабелей по изобретению.
Фиг.6 иллюстрирует изготовление кабелей, содержащих защитные упрочняющие элементы, предусмотренные со скрученными проволоками и обеспечением уравновешивания крутящих моментов.
Фиг.7А-7Г показывают посредством поперечных сечений операции при изготовлении одножильного каротажного кабеля, описанного выше со ссылкой на фиг.6.
Фиг.8А-8Е показывают посредством поперечных сечений
коаксиальный кабель в соответствии с изобретением.
Фиг.9А-9Г иллюстрируют посредством поперечных сечений вариант осуществления кабеля с семерочной скруткой и с защитными упрочняющими элементами, предусмотренными со скрученными жилами и обеспечением уравновешивания крутящих моментов, в соответствии с изобретением.
Фиг.ЮА-ЮЕ иллюстрируют кабель с защитными упрочняющими элементами, предусмотренными с обеспечением уравновешивания крутящих моментов, и спиральными изолированными проводами.
Фиг. НА, 11В, НС и 11D иллюстрируют посредством поперечных сечений конструкцию кабеля сейсмического источника с защитными упрочняющими элементами, предусмотренными со скрученными проволоками и обеспечением уравновешивания крутящих моментов, в соответствии с изобретением.
Фиг.12 иллюстрирует в сечении кабель, собранный с использованием защитных упрочняющих элементов и отдельных проводов в соответствии с изобретением.
Фиг.13 показывает посредством поперечного сечения вариант осуществления кабеля, в котором используется полимерные композиционные материалы с длинными непрерывными волокнами в качестве защитных упрочняющих элементов.
Фиг.14 иллюстрирует посредством поперечного сечения кабель, в котором используются небольшие защитные упрочняющие элементы, прилегающие к центральному проводу для образования центрального компонента кабеля.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Ниже описаны иллюстративные варианты осуществления изобретения. Для ясности не все элементы фактической реализации описаны в данном описании. Само собой разумеется, следует понимать, что при разработке любого подобного реального варианта осуществления многочисленные решения, специфические для конкретной реализации, должны быть приняты для достижения определенных целей разработчика, такие как соответствие ограничениям, связанным с системой и связанным с бизнесом, которые будут различаться для разных реализаций. Кроме того, следует понимать то, что подобные проектно-конструкторские
работы могут быть сложными и трудоемкими, но, тем не менее, они будут представлять собой стандартные работы, выполняемые средними специалистами в данной области техники, пользующимися преимуществами, предоставляемыми данным описанием.
Изобретение относится к высокопрочным кабелям, включающим в себя скрученные проволоки в качестве защитных упрочняющих элементов, при этом кабели размещают в стволах скважин при использовании их вместе с устройствами, предназначенными для анализа геологических формаций, примыкающих к скважине. Также раскрыты способы изготовления подобных кабелей и применения кабелей в сейсмических и скважинных операциях. Кабели в соответствии с изобретением имеют повышенную коррозионную стойкость, а также улучшенное уравновешивание крутящих моментов. Некоторые варианты осуществления кабелей по изобретению также способствуют предотвращению или минимизации опасной миграции газа из ствола скважины к поверхности. Кроме того, кабели по изобретению могут быть более эффективно изготовлены, чем традиционные бронированные скважинные электрические кабели.
Е кабелях согласно изобретению используются скрученные жилы Е; качестве защитных упрочняющих элементов. Термин "жила" в используемом здесь смысле означает одиночную непрерывную металлическую проволоку, которая проходит на длине кабеля, в котором она используется, для образования, и ее следует рассматривать как эквивалент армирующей проволоки, если не указано иное. Множество жил объединяют в пучки для образования "защитного упрочняющего элемента", и множество жил может включать в себя полимерную оболочку, закрывающую жилы. Защитные упрочняющие элементы могут быть использованы в качестве центрального защитного упрочняющего элемента или даже могут быть размещены в виде слоя вокруг центрального расположенного в аксиальном направлении компонента или защитного упрочняющего элемента для образования слоя из защитных упрочняющих элементов. Также может быть образовано несколько слоев из защитных упрочняющих элементов. Кроме того, когда электропроводящие жилы используются при образовании защитного
упрочняющего элемента, в том случае, если защитный упрочняющий элемент обладает достаточно высокой электропроводностью, он может быть использован для проведения электрического тока.
На фиг.1А и 1В показан один вариант осуществления кабелей в соответствии с изобретением. Отдельные жилы 102 (обозначена только одна) могут быть скручены по спирали (собраны в пучок) вместе вокруг центральной жилы 104 в направлении А поворота для образования защитного упрочняющего элемента 10 6. Направление А представляет собой направление поворота, противоположное по отношению к показанной на фиг.1В ориентации В при повороте, предусмотренной для множества собранных в пучок и расположенных по спирали, защитных упрочняющих элементов 106 (обозначен только один), образующих кабель 108, поскольку защитные упрочняющие элементы уложены в виде слоя поверх центрального компонента 110 кабеля 108. Кабель 108 дополнительно включает в себя оболочку 112, в которой удерживается множество защитных упрочняющих элементов 10 6 и центральный компонент 110, а также полимерную оболочку 112, закрывающую жилы 102, 104 защитного упрочняющего элемента 106. Углы свивки жил 104 в защитных упрочняющих элементах 106, предусмотренных со скрученными жилами, и углы свивки защитных упрочняющих элементов 106, собираемых вместе в пучок для образования кабеля 108, можно регулировать для обеспечения оптимального равновесия крутящих моментов. Полимерные материалы, используемые для образования оболочки 112, закрывающей жилы 102, 104 и множество защитных упрочняющих элементов 106 (только один обозначен на фиг.1В), могут быть непрерывно скреплены для удерживания элементов на месте. Свойства полимера могут быть улучшены посредством коротких волокон для обеспечения таких преимуществ, как повышенная прочность или сопротивление абразивному износу. Конечный, лишенный волокон слой полимера может быть предусмотрен для создания оптимальной герметизирующей поверхности, которая может также обладать сопротивлением разрыву и раздиранию.
Как показано на фиг.1В, кольцевые зазоры 114 (показан только один), образованные между жилами 102, 104, защитными
упрочняющими элементами 106 и проводом 110 в кабелях по изобретению, могут быть заполнены полимерными материалами для минимизации или предотвращения проникновения, накопления и/или перемещения скважинных текучих сред и газов. Полимерные оболочки 112 также могут служить в качестве фильтра или ловушки для многих коррозионно-активных текучих сред. Полагают, что посредством минимизации подвергания защитных упрочняющих элементов 10 6 воздействию данных материалов и предотвращения накопления коррозионно-активных текучих сред в кольцевых зазорах 114 обеспечивается значительное увеличение эксплуатационной долговечности жил 102, 104 и кабеля.
Несмотря на то, что варианты осуществления изобретения не ограничены какой-либо определенной теорией или механизмом функционирования, нижеследующее может проиллюстрировать уравновешивание крутящих моментов для некоторых кабелей по изобретению. Каждый защитный упрочняющий элемент,
предусмотренный со скрученными жилами, имеет заданную величину крутящего момента (Twri) перед скруткой под натяжением Т (все крутящие моменты приведены при базовом натяжении). Суммирование величин для всех защитных упрочняющих элементов данного типа дает суммарную величину (Тс) крутящего момента. Углы свивки, используемые для отдельных жил в защитных упрочняющих элементах и при скрутке законченных (полностью изготовленных) защитных упрочняющих элементов поверх сердцевины кабеля, можно отрегулировать для обеспечения оптимального равновесия крутящих моментов, как разъяснено посредством нижеприведенных выражений:
Twri = крутящий момент для одного защитного упрочняющего элемента, предусмотренного со скрученными проволоками, перед скруткой
TwriT = 2 Twri
Twric = крутящий момент (противоположный Twri), созданный посредством скрутки одного защитного упрочняющего элемента, предусмотренного со скрученными проволоками, поверх сердцевины кабеля
Twricr = ? Twric
TwriT = Twricr
Скрутка защитных упрочняющих элементов поверх центрального компонента кабеля в направлении поворота, противоположном по отношению к направлению поворота отдельных наружных жил в защитных упрочняющих элементах, обеспечивает создание выполняющих функции талевых канатов и многопроводных кабелей определенного размера, которые могут выдерживать более высокие рабочие нагрузки (то есть от 500 кгс до 1000 кгс).
Армированные скважинные электрические кабели в соответствии с изобретением, как правило, включают в себя центральный компонент и, по меньшей мере, три защитных упрочняющих элемента, прилегающих к центральному компоненту. Каждый защитный упрочняющий элемент содержит центральную жилу, по меньшей мере, три жилы, расположенные по спирали и прилегающие к центральной жиле, и полимерную оболочку, закрывающую центральную жилу и прилегающие жилы. Центральный компонент может представлять собой изолированный провод, провод или защитный упрочняющий элемент. Центральный компонент может иметь такую конструкцию, которая позволяет образовать одножильный каротажный кабель, кабель в виде талевого каната, многопроводный кабель, кабель семерочной скрутки, сейсмический кабель, кабель четверочной скрутки или даже коаксиальный кабель. Защитные упрочняющие элементы предпочтительно расположены по спирали вокруг центрального компонента. Полимерная оболочка предпочтительно армирована волокнистым армирующим материалом.
Б кабелях в соответствии с изобретением могут использоваться любые пригодные материалы для образования жил, которые являются высокопрочными и обеспечивают такие преимущества, как коррозионная стойкость, низкое трение, малый абразивный износ и высокий порог усталости. К неограничивающим примерам подобных материалов относятся сталь, сталь с содержанием углерода в диапазоне от приблизительно 0,6 весового процента до приблизительно 1 весового процента, любые высокопрочные стальные проволоки с прочностью, превышающей 2 900 мПа, и тому подобное. Использование шинных кордов для
изготовления защитных упрочняющих элементов создает возможность использования меньших углов свивки, что может привести к получению кабелей с более высокими значениями рабочего натяжения. Материалы жил также могут представлять собой высокопрочные органические материалы, такие как композиционные материалы, армированные длинными непрерывными волокнами, образованные из полимера, такого как полиэфирэфиркетон, полиэфиркетон, полипропилен, полифениленсульфид, фторполимеры, термопластики, термопластичные эластомеры, отвержденные при нагревании полимеры и тому подобное, но возможные органические материалы не ограничены вышеуказанными, и непрерывные волокна могут представлять собой углеродные волокна, стекловолокна, кварцевые волокна или любой пригодный синтетический материал.
Как описано выше, кабели по изобретению могут включать в себя заключенные в оболочку, скрученные жилы. Кроме того, промежуточные пространства, образованные между защитными упрочняющими элементами (скрученными жилами) и между защитными упрочняющими элементами и центральным компонентом, могут быть заполнены полимерным материалом. Полимерные материалы, которые используются для образования полимерных оболочек и заполнения промежутков, могут представлять собой любой пригодный полимерный материал. К пригодным примерам относятся полиолефин (такой как сополимер этилена и пропилена или полипропилен), другие полиолефины, полиамид, полиуретан, термопластичный полиуретан, полиарилэфирэфиркетон, полиарилэфиркетон,
полифениленсульфид, модифицированный полифениленсульфид,
полимеры из сополимера этилена и тетрафторэтилена, полимеры из поли(1,4-фенилена), политетрафторэтилен, перфторалкоксилированные полимеры, полимеры на основе сополимера тетрафторэтилена и гексафторпропилена, полимеры на основе сополимера политетрафторэтилена и
перфторметилвинилэфира, Parmax(r), сополимер этилена и
хлортржфторэтилена (такой как Halar(r)) , сополимер хлорированного этилена и пропилена и любые их смеси, но возможные полимеры необязательно ограничены вышеуказанными. Предпочтительными
полимерными материалами являются полимеры на основе сополимера этилена и тетрафторэтилена, перфторалкоксилированные полимеры, полимеры на основе сополимера тетрафторэтилена и гексафторпропилена и полимеры на основе сополимера политетрафторэтилена и перфторметилвинилэфира.
Полимерный материал может быть расположен в виде сплошного слоя от центра кабеля до самого дальнего от центра слоя проволок для бронирования или может даже простираться за наружную периферию, тем самым образуя полимерную оболочку, которая полностью закрывает проволоки для бронирования. Под выражением "расположен в виде сплошного слоя" понимается то, что полимерный материал находится в контакте или "присоединен" по всему кабелю без разрывов для образования матрицы, которая закрывает и изолирует другие компоненты кабеля, такие как центральный компонент и жилы защитных упрочняющих элементов. Если снова обратиться к фиг.1А и 1В, можно видеть, что пример подобной прилегающей матрицы, закрывающей и изолирующей другие компоненты кабеля, показан в виде полимерных оболочек 112, а также заполнения промежуточных пространств 114 полимерным материалом. В некоторых случаях, когда используются разные полимерные материалы, материалы, образующие полимерные оболочки, могут быть также химически и/или механически скреплены друг с другом. В некоторых вариантах осуществления полимерный материал может быть химически и/или механически "скреплен" в виде сплошного слоя от самого дальнего внутреннего слоя до самого дальнего от центра слоя. В другом случае полимерные материалы могут быть присоединены непрерывно от центра кабеля до его периферии с образованием гладкой оболочки, которая обладает сопротивлением разрыву. Короткие углеродные волокна, стекловолокна или другие синтетические волокна могут быть добавлены к материалам оболочки для армирования термопластика или термопластичного эластомера и обеспечения защиты от прорезания. Кроме того, графит, керамический материал или другие частицы могут быть добавлены в полимерную матрицу для повышения сопротивления абразивному износу.
Кабели согласно изобретению могут включать в себя
металлические проводники (провода) и в некоторых случаях одно или несколько оптических волокон. Как показано на фиг.1, провода и оптическое волокно в случае их использования, как правило, содержатся в центральном компоненте кабеля, как показано посредством проводов 116 (только один обозначен). Кроме того, провода и оптическое волокно могут быть размещены в других зонах кабеля, включая промежутки 114. Могут быть использованы любые пригодные металлические провода. К примерам металлических проводов относятся медные, медные с никелевым покрытием или алюминиевые, но возможные провода необязательно ограничены вышеуказанными. Предпочтительными металлическими проводами являются медные провода. Несмотря на то, что любое пригодное число металлических проводов может быть использовано при образовании центрального компонента 110, предпочтительно используется от 1 до приблизительно 60 металлических проводов, более предпочтительно - 1, 7, 19 или 37 металлических проводов. На фиг.1 показанный центральный компонент 110 содержит семь проводов 116 для образования одножильного каротажного кабеля.
Могут быть использованы любые промышленно изготавливаемые и имбяощиеся на рынке оптические волокна. Оптические волокна могут представлять собой одномодовые оптоволокна или многомодовые оптоволокна, которые предусмотрены или с герметичным покрытием, или без покрытия. В том случае, когда предусмотрено герметичное покрытие, углеродное или металлическое покрытие, как правило, нанесено на оптические волокна. Оптическое волокно может быть размещено в любом месте в стандартной конфигурации сердцевины кабеля-троса. Оптические волокна могут быть размещены центрально (в аксиальном направлении) или по спирали в кабеле. Одно или несколько дополнительных покрытий, такие как акриловые покрытия, кремниевые покрытия, покрытия из
кремния/перфторалкоксилированного полимера, покрытия из кремния/перфторалкоксилированного полимера/кремния или
полимидные покрытия, могут быть нанесены на оптическое волокно, но Е,озможные покрытия не ограничены вышеуказанными. На оптические волокна с покрытием, которые промышленно
изготавливаются и имеются на рынке, может быть нанесено другое покрытие из мягкого полимерного материала, такого как силикон, каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера и тому подобное, для обеспечения возможности заделывания любых металлических проводов, образующих защитное покрытие вокруг оптических волокон. Подобное покрытие может создать возможность полного заполнения пространства между оптическим волокном и металлическими проводами, а также уменьшения "ослабления" способности оптического волокна передавать данные.
Защитное полимерное покрытие может быть нанесено на каждую жилу для защиты от коррозии. К неограничивающим примерам покрытий относятся: покрытия из фторполимеров, такие как покрытия из сополимера тетрафторэтилена и гексафторпропилена, Tefzel(r), из перфторалкоксилированных полимеров, из политетрафторэтилен, из полимеров на основе сополимера политетрафторэтилена и перфторметилвинилэфира; покрытия из полиэфирэфиркетона или полиэфиркетона с комбинацией фторполимеров; комбинация полифениленсульфида и
политетрафторэтилена; латексные покрытия или покрытия из каучука. Жилы также могут быть покрыты металлическим покрытием толщиной от приблизительно 0,5 мил до приблизительно 3 мил, которое может обеспечить усиление сцепления жил с материалами полимерной оболочки. Материалы для плакирования (металлизации) могут включать в себя такие материалы, как ToughMet(r) (высокопрочный сплав меди, никеля и олова, изготавливаемый компанией Brush Wellman), латунь, медь медные сплавы и тому подобное.
Материал полимерной оболочки и материал для покрытия жил могут быть выбраны так, что жилы не будут присоединены к оболочке и смогут перемещаться внутри оболочки. В таких случаях материалы оболочки могут включать в себя полиолефины (такие как сополимер этилена и пропилена или полипропилен), фторполимеры (такие как Tefzel(r), перфторалкоксилированные полимеры или полимеры на основе сополимера политетрафторэтилена и
перфторметилвинилэфира), полиэфирэфиркетон или полиэфиркетон, Parmax или даже полифениленсульфид.
В некоторых случаях исходные полимеры, образующие оболочки, не обладают достаточными механическими свойствами, чтобы выдерживать растягивающие или сжимающие силы, составляющие 25000 фунтов, при перемещении кабеля поверх шкивов, так что полимерный материал может быть армирован короткими волокнами. Волокна могут представлять собой углеродные волокна, стекловолокна, керамические волокна, Kevlar(r), Vectran(r), кварцевые волокна, наноуглеродные волокна или любой другой пригодный синтетический материал. Поскольку трение для полимеров, армированных короткими волокнами, может быть значительно выше, чем для исходного полимера, для обеспечения меньшего трения слой исходного материала толщиной от 1 до 15 мил может быть добавлен поверх наружной стороны армированной волокнами оболочки.
В полимерные материалы, образующие оболочки, могут быть добавлены частицы для повышения износостойкости и улучшения других механических свойств. Это может быть выполнено в виде слоя толщиной от 1 до 15 мил, нанесенного на наружную сторону оболочки или на всю полимерную матрицу оболочки. Частицы могут включать в себя Ceramer(tm), нитрид бора, политетрафторэтилен, графит или любую их комбинацию. В качестве альтернативы материалу Ceramer(tm) фторполимеры или другие полимеры могут быть армированы наночастицами для повышения износостойкости и улучшения других механических свойств. Это может быть выполнено в виде оболочки толщиной от приблизительно 1 до приблизительно 10 мил, нанесенной на наружную сторону оболочки или на всю полимерную матрицу оболочки. Наночастицы могут включать в себя наноглины [наночастицы глин], наночастицы диоксида кремния, наноуглеродные пучки, наноуглеродные волокна или любые другие пригодные наноматериалы.
.Мягкие полимеры (с диапазоном значений твердости по шкале А Шора менее 50 единиц) могут быть экструдированы поверх центральной жилы в защитных упрочняющих элементах, используемых
в данном изобретении. К пригодным материалам относятся Santoprene или любой другой полимер, мягкость которого повышена посредством добавления соответствующих пластификаторов, но возможные материалы не ограничены вышеуказанными.
Стержни-наполнители могут быть размещены в промежутках, образованных' между защитными упрочняющими элементами и между защитными упрочняющими элементами и центральным компонентом кабелей в соответствии с изобретением. Кроме того, некоторые стержни-наполнители включают в себя устойчивый к сжатию стержень и устойчивый к сжатию полимер, покрывающий стержень. Стержни-наполнители могут быть образованы из нескольких плотно скрученных синтетических нитей или элементарных волокон. К материалам, используемым для изготовления устойчивых к сжатию стержней-наполнителей относятся тетрафторэтилен,
полифениленсульфид, полиэфирэфиркетон, полиэфиркетон,
фторполимеры и синтетические волокна, такие как полиэфирное волокно, полиамиды, Kevlar(r), Vectran(r), стекловолокно, углеродное волокно, кварцевое волокно и тому подобное, но возможные материалы необязательно ограничены вышеуказанными. К примерам устойчивых к сжатию полимеров, используемых для покрытия стержня-наполнителя, относятся приведенные в качестве неограничивающих примеров Tefzel, полимеры на основе сополимера политетрафторэтилена и перфторметилвинилэфира,
перфторалкоксилированная смола, сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена, полифениленсульфид, полиэфирэфиркетон, полиолефины (такие как сополимер этилена и пропилена или полипропилен), армированные углеродным волокном фторполимеры и тому подобное. Данные стержни-наполнители также могут обеспечить минимизацию повреждения оптических волокон, поскольку кабель может лучше сохранять геометрические характеристики при приложении большого растягивающего усилия.
Материалы, образующие материалы оболочки, используемые в кабелях в соответствии с изобретением, могут дополнительно включать в себя фторполимерную добавку или фторполимерные добавки в смеси материалов для образования кабеля. Подобные
добавки могут быть полезными для изготовления кабелей большой протяженности и высокого качества с высокой
производительностью. К пригодным фторполимерным добавкам относятся политетрафторэтилен, перфторалкоксилированный
полимер, сополимер этилена и тетрафторэтилена, сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена, перфорированный поли(этилен-пропилен) и любая их смесь, но возможные добавки необязательно ограничены вышеуказанными. Фторполимеры также могут представлять собой сополимеры тетрафторэтилена и этилена и, возможно, третьего сомономера, сополимеры 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 максимальную температуру плавления, которая ниже температуры при технологическом процессе экструзии и которая предпочтительно находится в интервале от приблизительно 200°С до приблизительно 350°С. Для приготовления смеси фторполимерную добавку смешивают с полимерным материалом. Фторполимерная добавка может быть введена в смесь в количестве, составляющем приблизительно 5 весовых процентов или менее от общей массы смеси, предпочтительно приблизительно 1 весовой процент или менее от общей массы смеси, более предпочтительно приблизительно 0,75% или менее от общей массы смеси.
Компоненты, используемые в кабелях в соответствии с изобретением, могут быть расположены под нулевым углом свивки или любым соответствующим углом свивки относительно центральной оси кабеля. Как правило, центральный компонент расположен под углом свивки, равным нулю, в то время как защитные упрочняющие элементы, окружающие центральный изолированный провод, расположены по спирали вокруг центрального компонента под заданными углами свивки.
Кабели в соответствии с изобретением могут иметь любую реализуемую на практике конструкцию, включая одножильные
каротажные кабели, коаксиальные кабели, кабели четверочной скрутки, кабели семерочной скрутки, кабели в виде талевого каната, многопроводные кабели и тому подобное. В конструкциях коаксиальных кабелей по изобретению множество металлических проводов, прилегающих к наружной периферии центрального компонента. Кроме того, у любых кабелей по изобретению изолированные провода могут быть дополнительно закрыты лентой. Все материалы, включая ленту, расположенную вокруг изолированных проводов, могут быть выбраны так, что они будут химически и/или механически соединяться (сцепляться) друг с другом. Кабели по изобретению могут иметь наружный диаметр от приблизительно 1 мм до приблизительно 125 мм и, предпочтительно, диаметр от приблизительно 2 мм до приблизительно 20 мм.
В некоторых вариантах осуществления изобретения защитные упрочняющие элементы изготовлены с промежуточными пространствами, образованными между отдельными жилами и заполненными полимерным материалом, и при этом обеспечивается возможность соединения защитных упрочняющих элементов с полимерной оболочкой кабеля. Это проиллюстрировано ниже на фиг.2, 3 и 4. Фиг.2 иллюстрирует процесс образования защитных упрочняющих элементов с промежуточными пространствами (пустотами) , заполненными полимерным материалом, и при этом обеспечивается возможность соединения защитного упрочняющего элемента с полимерной оболочкой кабеля. На фиг.2 показано, что центральную жилу 204 покрывают полимерным материалом 202, подвергаемым экструзии посредством сдавливания в экструдере 206. Полимерный материал 202 может представлять собой не армированный волокнами полимер, армированный короткими волокнами полимер, формованный полимер или мягкий полимер. Наружные жилы 208 (только одна обозначена) подают с бобин 210 и скручивают поверх полимерного материала 202 под соответствующим углом свивки в месте 212 при реализации процесса для образования защитного упрочняющего элемента 214. Если в одном варианте осуществления армированный короткими волокнами полимер используется в качестве полимерного материала 202, защитный
упрочняющий элемент 214 затем может быть пропущен через источник 216 теплоты (такой как электромагнитный тепловой источник) , который обеспечивает соответствующий нагрев полимерного материала 2 02 так, что наружные жилы 2 08 становятся частично заделанными в полимерный материал 202. Если мягкий полимер или формованный полимер используется в качестве полимерного материала 202, необходимость в источнике 216 теплоты может отсутствовать. Защитный упрочняющий элемент 214 может проходить через ряд валиков 218 (фиг.З), предназначенных для дальнейшего введения наружной жилы в полимерный материал 202 и поддержания постоянного профиля поперечного сечения. Наружная полимерная оболочка 220, которая может быть армирована короткими волокнами, затем может быть экструдирована посредством сдавливания поверх наружных жил 208 для завершения образования защитного упрочняющего элемента 224. Полимерная оболочка обеспечивает устранение промежуточных пустот между проволоками и обеспечивает возможность скрепления защитных упрочняющих элементов на месте при навивке их на бронированные кабели.
В некоторых вариантах осуществления защитный упрочняющий элемент 214 может иметь не более двух слоев из жил, окружающих центральную жилу 204, при этом каждый слой снабжен с девятью или менее наружными жилами 208. Данные слои могут быть наложены посредством повторения процесса, описанного со ссылкой на фиг.2. Полимерный материал 202 будет размещен поверх каждого слоя из жил.
На фиг.З показан один способ, подобный описанному выше со ссылкой на фиг.2, в котором используются два ряда регулируемых валиков 302 и 304, смещенных друг относительно друга на угол, составляющий приблизительно 90 градусов. Как показано на фиг.З, канавки 306, выполненные в валиках и имеющие точные размеры, обеспечивают вдавливание навитых наружных жил 208 равномерно в полимерный материал 2 02, в результате чего получают находящиеся в плотном контакте и заделанные наружные жилы 208 по мере перемещения защитного упрочняющего элемента в направлении С. Фиг.4 дополнительно иллюстрирует посредством изображения в
поперечном сечении защитного упрочняющего элемента процесс изготовления, описанный выше со ссылкой на фиг.2. Как показано на фиг.4, полимерный материал 202 экструдируют посредством сдавливания поверх центральной жилы 204. Затем наружные жилы 208 (только одна обозначена) навивают поверх полимерного материала 202. Затем наружные жилы 208 заделывают в полимерный материал 202. Наружная полимерная оболочка 220 после этого может быть образована посредством экструзии поверх наружных жил 208 для завершения изготовления защитного упрочняющего элемента 224.
Фиг.5А, 5В, 5С и 5D иллюстрируют несколько вариантов осуществления защитных упрочняющих элементов, предусмотренных со скрученными жилами и пригодных для некоторых кабелей по изобретению. На фиг.5А мягкий или формованный полимер 502 может быть размещен поверх центральной жилы 504 защитного упрочняющего элемента. Мягкий или формованный полимер 502 заполняет промежуточные пространства, образованные между наружными жилами 506 (только одна обозначена) и центральной жилой 504, и полимерная оболочка 508 (которая может быть армирована короткими волокнами) размещена с обеспечением ее прилегания к наружным жилам 506. Кроме того, никакого нагрева не требуется при образовании защитного упрочняющего элемента 510. Показанная на фиг.5В конструкция почти такая же, как на фиг.5А, за исключением того, что промежуточные пространства 512, образованные между наружными жилами 506 и центральной жилой 504, не заполнены для образования защитного упрочняющего элемента 514. В защитном упрочняющем элементе 522, показанном на фиг.5С, используется армированный короткими волокнами, полимерный материал 524, размещенный полностью и в виде сплошного слоя поверх центральной жилы 504 и изолирующий жилу 504 от наружных жил 506. На фиг.50 показан защитный упрочняющий элемент 532, предусмотренный со скрученными проволоками и без полимерной оболочки, состоящий только из наружных жил 506 и центральной жилы 504.
На фиг.6 и 7A-7F проиллюстрированы некоторые варианты осуществления кабелей и изготовление данных кабелей по
изобретению, которые представляют собой одножильные каротажные кабели с защитными упрочняющими элементами, предусмотренные со скрученными проволоками и обеспечением уравновешивания крутящих моментов. Как показано на фиг.б, армированную волокнами, полимерную оболочку 602 экструдируют путем сдавливания посредством экструдера 606 поверх центрального компонента 604, которая представляет собой провод одножильного каротажного кабеля, такой как центральный компонент 110 на фиг.1В. Защитные упрочняющие элементы 608 (только один обозначен), предусмотренные со скрученными жилами, сматывают с бобин 610 (только одна обозначена) и навивают поверх полимерной оболочки 602 под соответствующими углами свивки. Данный угол свивки может быть противоположным по отношению к углу, используемому для жил в защитных упрочняющих элементах 608 (то есть, если наружные проволоки были навиты по часовой стрелке на защитных упрочняющих элементах, готовые защитные упрочняющие элементы навивают в направлении против часовой стрелки на кабель). Далее, кабель, содержащий защитные упрочняющие элементы 608 и центральный компонент 604 с полимерной оболочкой 602, перемещающийся в направлении D, проходит через электромагнитный тепловой источник 612. Теплота вызывает незначительное расплавление армированной волокнами оболочки 602 на центральном компоненте 604 кабеля и защитных упрочняющих элементах 608, что создает возможность, по меньшей мере, частичного введения защитных упрочняющих элементов 608 в полимерную оболочку 602 центрального компонента 604 кабеля. Кабель затем проходит через ряд валиков 614 для дополнительного заделывания защитных упрочняющих элементов 608 и поддержания постоянного профиля поперечного сечения. В качестве опции стержни-наполнители 616 (только один обозначен), которые, возможно, покрыты армированным волокнами полимером, или другие пригодные наполнители могут быть поданы с бобин 618 (только одна обозначена) в канавки между наружными поверхностями защитных упрочняющих элементов 608. Прохождение через второй источник 620 теплоты создает возможность, по меньшей мере, частичного размещения наполнителей 616 в полимере оболочки 602. Второй ряд
валиков 622 может обеспечить дополнительное заделывание стержней-наполнителей 616 на месте и поддержание профиля кабеля. Наружная армированная волокнами, полимерная оболочка может быть затем экструдирована путем сдавливания из экструдера 624 поверх защитных упрочняющих элементов 608 и возможных стержней-наполнителей 616 для образования одножильного каротажного кабеля 626.
G> Hr.7A-7F показывают посредством поперечных сечений операции, используемые для изготовления одножильного каротажного кабеля с защитными упрочняющими элементами, предусмотренными с обеспечением уравновешивания крутящих моментов, которые описаны выше со ссылкой на фиг.6. На фиг.7А в поперечном сечении показан провод 702 одножильного каротажного кабеля в оболочке, который включает в себя наружную полимерную оболочку 704, закрывающую изолированный провод 706 одножильного каротажного кабеля. Провод 706 включает в себя центральный металлический провод 708 с шестью наружными металлическими проводами 710 (только один показан), наложенными по спирали поверх центрального провода 708. Обеспечивающий электрическую изоляцию, полимерный материал 712, прилегающий к наружным проводам 710. Как показано на фиг.7В, множество защитных упрочняющих элементов 720 (восемь в данном случае, но только один обозначен), которые аналогичны защитному упрочняющему элементу 224 или такие же, как защитный упрочняющий элемент 224, показанный на фиг.4, расположены по спирали в виде первого слоя, или внутреннего слоя, прилегающего к проводу 702 одножильного каротажного кабеля. Как показано на фиг.7С, защитные упрочняющие элементы 720 заделаны в наружную полимерную оболочку 7 04 провода 7 02 одножильного каротажного кабеля. Фиг.7Б показывает, каким образом возможные стержни-наполнители 730 (только один обозначен) могут прилегать и контактировать с двумя защитными упрочняющими элементами 720. На фиг.7Е показано, что стержни-наполнители 730 заделаны в полимерную оболочку двух защитных упрочняющих элементов 720. Фит.IF показывает, что армированная волокнами, полимерная оболочка 740 может быть экструдирована посредством сдавливания
поверх защитных упрочняющих элементов 720 и стержней-наполнителей 730 для образования одножильного каротажного кабеля 750.
0:nr.8A-8F показывают посредством поперечных сечений коаксиальный кабель с защитными упрочняющими элементами, предусмотренными с обеспечением уравновешивания крутящих моментов, в соответствии с изобретением, изготовленными с помощью способов, описанных со ссылкой на фиг.6. На фиг.8А в поперечном сечении показан провод 8 02 одножильного каротажного кабеля: с оболочкой, который включает в себя наружную полимерную оболочку 804, закрывающую коаксиальный изолированный провод 806. Провод 806 включает в себя центральный металлический провод 808 с шестью наружными металлическими проводами 810 (только один показан), наложенными по спирали поверх центрального провода 808. Обеспечивающий электрическую изоляцию, полимерный материал 812 прилегает к наружным проводам 810, и металлические провода 814 расположены на периферии обеспечивающего электрическую изоляцию, полимерного материала 812 для образования коаксиального провода. Как показано на фиг.8В, множество защитных упрочняющих элементов 820 (только один обозначен) расположены по спирали в виде первого слоя, или внутреннего слоя, прилегающего к проводу 802. На фиг.8С показано, что защитные упрочняющие элементы 820 заделаны в наружную полимерную оболочку 804 провода 802. Onr.8D показывает стержни-наполнители 830 (только один обозначен), прилегающие и контактирующие с двумя защитными упрочняющими элементами 820. На фиг.8Е показано, что стержни-наполнители 830 заделаны в полимерную оболочку двух защитных упрочняющих элементов 820. G> nr.8F показывает, что армированная волокнами, полимерная оболочка 840 может быть экструдирована посредством сдавливания поверх защитных упрочняющих элементов 820 и стержней-наполнителей 830 для образования коаксиального кабеля 850.
Фиг.9А-9Р иллюстрируют вариант осуществления кабеля семерочной скрутки с защитными упрочняющими элементами, предусмотренными со скрученными жилами и обеспечением уравновешивания крутящих моментов, в соответствии с
изобретением. На фиг.9А показано, что армированная волокнами, полимерная оболочка 904 экструдирована посредством сдавливания поверх стандартного провода 90 6 кабеля семерочной скрутки, который служит в качестве центрального компонента 902 кабеля. Провод 906 кабеля семерочной скрутки представляет собой по существу пучок из семи изолированных проводов 706 одножильного каротажного кабеля, показанных на фиг.7, при этом один провод 706а расположен по центральной оси, и шесть проводов 706Ь (только один обозначен) расположены по спирали на центральном проводе 706а. Защитные упрочняющие элементы 920 (только один обозначен) навивают в виде первого слоя, или внутреннего слоя, поверх центрального компонента 902 под углом свивки. Далее, кабель проходит через электромагнитный тепловой источник. Теплота вызывает незначительное расплавление армированной волокнами оболочки 904 на центральном компоненте 902 кабеля и защитных упрочняющих элементах 920, что создает возможность, по меньшей мере, частичного введения защитных упрочняющих элементов 920 в оболочку 904 сердцевины кабеля, и кабель проходит через ряд валиков для дополнительного заделывания защитных упрочняющих элементов и поддержания постоянного профиля, как показано на фиг.ЭС. В качестве опции, как показано на фиг.9Э, защитные упрочняющие элементы меньшего размера или одиночные жилы 930 (только одна обозначена), покрытые армированным волокнами полимером, могут быть при навивке размещены в канавках между наружными поверхностями защитных упрочняющих элементов 92 0. Прохождение через второй источник тепла, как показано на фиг.ЭЕ, может создать возможность размещения отдельных защитных упрочняющих элементов меньшего размера или одиночных жил 930 в полимере, и второй ряд валиков может обеспечить дополнительное заделывание и поддержание профиля кабеля. Как показано на фиг.9Г, наружная армированная волокнами, полимерная оболочка 940 может затем быть экструдирована посредством сдавливания поверх наружной периферии защитных упрочняющих элементов меньшего размера или одиночных жил 930 и защитных упрочняющих элементов 920.
Фиг.1OA-10Е иллюстрируют еще один вариант осуществления
изобретения, который представляет собой кабель с защитными упрочняющими элементами, предусмотренными с обеспечением уравновешивания крутящих моментов, и со спиральными изолированными проводами. Как показано на фиг.ЮА, наружная армированная волокнами, полимерная оболочка 1002 экструдирована посредством сдавливания поверх центрального защитного упрочняющего элемента 224а, такого как элемент 224, описанный со ссылкой на фиг.4 и выше в данном описании, для образования центрального компонента 1004. Дополнительные защитные упрочняющие элементы 22 4Ь (только один обозначен) затем навивают поверх центрального компонента 1004 под углом свивки в виде первого слоя, или внутреннего слоя. Данный угол свивки будет противоположным по отношению к углу, используемому для наружных жил 208 (фиг.4), образующих защитные упрочняющие элементы, то есть если наружные проволоки были навиты в направлении по часовой стрелке на защитные упрочняющие элементы, то защитные упрочняющие элементы навиты в направлении против часовой стрелки на кабель. Далее кабель проходит через источник теплоты. Теплота обеспечивает незначительное расплавление армированных волокнами оболочек на центральном защитном упрочняющем элементе 1004 и спиральных защитных упрочняющих элементах 224Ь, что создает возможность частичного заделывания спиральных защитных упрочняющих элементов 224Ь в оболочку 1002 на центральном защитном упрочняющем элементе 1004 (как показано на фиг.ЮС). Кабель проходит через ряд валиков для дополнительного заделывания защитных упрочняющих элементов 224Ь в оболочку 1002 для поддержания постоянного профиля. Как показано на фиг.ЮЭ, небольшие изолированные провода 1006 навиты по спирали поверх поверхностей наружных защитных упрочняющих элементов 224Ь в открытых наружных периферийных промежуточных пространствах между защитными упрочняющими элементами 224Ь. Провода 1006 выполнены с таким размером, что они не выступают за наружный профиль, представленный окружной периферией Е совокупности защитных упрочняющих элементов 224Ь. Далее, как показано на фиг.ЮЕ, наружную армированную волокнами, полимерную оболочку 1008 экструдируют посредством
сдавливания поверх защитных упрочняющих элементов 22 4Ь и проводов 1006 для образования кабеля 1010.
Фиг. НА, 11В, НС и 11D иллюстрируют посредством поперечных сечений конструкцию кабеля сейсмического источника с защитными упрочняющими элементами, предусмотренными со скрученными проволоками и обеспечением уравновешивания крутящих моментов, в соответствии с изобретением. Как показано на фиг.НА, полимерная оболочка 1102, которая может быть армирована волокнами, экструдирована посредством сдавливания поверх центрального компонента 1104 кабеля, который может представлять собой сердцевину кабеля любого сейсмического источника, известную или очевидную для специалистов в данной области техники. Защитные упрочняющие элементы 1106 (только один показан) навиты поверх оболочки 1102 и компонента 1104, как показано на фиг.НВ. Далее кабель проходит через источник теплоты, и теплота вызывает незначительное расплавление оболочек, закрывающих центральный компонент 1102 кабеля и защитные упрочняющие элементы, что создает возможность частичного введения защитных упрочняющих элементов 110 6 в оболочку 1102 (фиг.НС). Кабель затем может быть пропущен через ряд валиков для дополнительного заделывания защитного упрочняющего элемента 1106 и поддержания постоянного профиля. Как показано на фиг.НВ, наружная армированная волокнами, полимерная оболочка 1108 экструдирована посредством сдавливания поверх защитных упрочняющих элементов 110 6 для образования сейсморазведочного кабеля 1110.
Фиг.12 иллюстрирует еще один вариант осуществления кабеля в соответствии с изобретением. На фиг.12 кабель собран из защитных упрочняющих элементов и отдельных проводов. Четыре защитных упрочняющих элемента 1202, каждый из которых содержит множество жил 1204 (обозначена только одна), навиты вокруг центрального провода 1206. Заштрихованные круги F (только один обозначен) показывают фактические окружные периферии защитных упрочняющих элементов 1202. Четыре наружных изолированных провода 1208 (только один обозначен) размещены в пространствах между наружными сторонами защитных упрочняющих элементов 1202.
Отдельные армирующие проволоки 1210 (только одна обозначена) любого соответствующего размера использованы во всем кабеле в качестве наполнителя, заполняющего промежуточные пространства. Наружные провода 1208 могут удерживаться внутри металлических покрытий (обмоток) 1216. Центральный провод 120 6 может представлять собой волоконно-оптический элемент, содержащийся, например, внутри трубы из нержавеющей стали или защитного покрытия из навитых проволок. Если требуется, один или несколько проводов 1208, размещенных в металлических покрытиях (обмотках), могут быть размещены в центре кабеля, как провод 1206. По меньшей мере, один слой, в данном варианте осуществления два слоя 1212 и 1214, из образующих защитное покрытие армирующих проволок расположены вокруг наружной стороны данной сердцевины высокопрочного кабеля. Если требуется, полимерный наполнитель может быть размещен по всей сердцевине высокопрочного кабеля для заполнения любых промежуточных пустот.
Оиг.13 иллюстрирует еще один вариант осуществления кабеля в соответствии с изобретением. В данном случае полимерные композиционные материалы 1302 (только один обозначен) с длинными непрерывными волокнами используются в сердцевине кабеля в качестве защитных упрочняющих элементов. Полимерные материалы могут быть размещены по всему пространству сердцевины кабеля с другими изменяющимися диаметрами 1304 (только один обозначен). Полимерная оболочка 130 6 образована посредством экструзии поверх высокопрочной сердцевины, содержащей полимерные композиционные материалы 1302 и 1304. Слой из небольших армирующих проволок 1308 образован посредством навивки по спирали вокруг внутренней оболочки 1306 для удерживания компонентов на месте. Наружный слой 1310 оболочки, образованный из того же полимерного материала, что и внутренняя оболочка 1306, размещен поверх армирующих проволок 1308. Поскольку они образованы из одинакового материала, внутренняя 1306 и наружная 1310 оболочки могут соединяться посредством пространств между проволоками 1308. Наружная оболочка 1310 может быть дополнительно армирована графитом или короткими
синтетическими волокнами для обеспечения сопротивления абразивному износу и прорезанию. Высокопрочная сердцевина может содержать изолированные провода 1312 (только один обозначен) или оптическое волокно, удерживаемое в трубе или защитном покрытии из проволок 1314.
Количества и размеры проводов и защитных упрочняющих элементов могут изменяться в зависимости от определенных конструктивных требований в любом из кабелей по изобретению. Например, если используется проволока с номером от 12 до 18 по Американскому сортаменту проводов и проволок, могут быть использованы четыре провода 1312, как показано на фиг.13. Однако, если используется проволока с номером от 8 до 11 по Американскому сортаменту проводов и проволок, то, возможно, могут быть использованы два провода 1312.
Фиг.14 иллюстрирует посредством поперечного сечения еще один вариант осуществления изобретения, в котором используются небольшие защитные упрочняющие элементы, расположенные с обеспечением их прилегания к центральному проводу, при этом создается комбинация, образующая центральный компонент кабеля. Защитные упрочняющие элементы 14 02 (только два обозначены) зафиксированы друг относительно друга, что обеспечивает придание центральному проводу 1404 сопротивления сжатию или сплющиванию. Данный центральный провод 14 04 может представлять собой волоконно-оптический элемент или устойчивый к сжатию, предусмотренный с металлическим покрытием провод, подобный описанному выше. Отдельные проволоки 14 06 для бронирования (только одна обозначена) могут быть использованы в качестве наполнителя для промежуточных пространств между защитными упрочняющими элементами 1402. В качестве опции защитные упрочняющие элементы 14 02 могут быть уложены по прямой линии и неплотно обернуты лентой для удерживания их на месте во время создания кабеля. Поскольку данная лента служит только в качестве временного средства, может не потребоваться ее перекрытие внахлестку. Два или более слоев 14 08 из навитых в качестве защитного покрытия армирующих проволок могут быть образованы вокруг внутреннего слоя 1410 из защитных упрочняющих
элементов 1402. Изолированные провода 1412 (только один обозначен) могут быть размещены на расстоянии друг от друга с обеспечением их равномерного распределения в наружном слое 1414 из защитных упрочняющих элементов 1402. Дополнительные слои из навитых в виде защитного покрытия проволок 1416 и 1418 для бронирования размещены поверх слоя 1414, содержащего наружные провода 1412 и защитные упрочняющие элементы 1402.
Е соответствии с изобретением кабели с обеспечением уравновешивания крутящих моментов также могут быть получены посредством использования внутреннего и наружного слоев из защитных упрочняющих элементов, предусмотренных со скрученными проволоками. Например, кабель может иметь наружный слой из защитных упрочняющих элементов, прилегающий к внутреннему слою из защитных упрочняющих элементов, при этом наружный слой образован из, по меньшей мере, четырех наружных защитных упрочняющих элементов. Защитные упрочняющие элементы, образующие наружный слой, могут быть ориентированы под углом свивки, противоположном по отношению к углу свивки защитных упрочняющих элементов, образующих внутренний слой из защитных упрочняющих элементов.
Кабели могут включать в себя армирующие проволоки, используемые в качестве проводов для возврата электрического тока, которые обеспечивают пути заземления для скважинного оборудования или приборов. Изобретение создает возможность использования армирующих проволок для возврата тока при одновременной минимизации риска электрического удара. В некоторых вариантах осуществления полимерный материал обеспечивает изоляцию, по меньшей мере, одной проволоки в первом слое из проволок, в результате чего обеспечивается возможность их использования в качестве проводов для возврата электрического тока.
Кабели в соответствии с изобретением могут быть использованы со скважинными устройствами для выполнения операций в стволах скважин, проходящих через геологические формации, которые могут содержать газовые и нефтяные пласты-коллекторы. Кабели могут быть использованы для соединения
скважинных каротажных приборов, таких как устройства для излучения/приема гамма-лучей, каверномеры, устройства для измерения удельного электрического сопротивления, сейсмические устройства, устройства для испускания/приема нейтронов и тому подобное, с одним или несколькими источниками питания и оборудованием для регистрации данных, расположенным вне скважины. Кабели согласно изобретению также могут быть использованы при сейсморазведочных работах, включая подводные и подземные сейсморазведочные работы. Кабели также могут быть полезными в качестве кабелей для постоянного мониторинга, предназначенных для стволов скважин.
Конкретные варианты осуществления, раскрытые выше, являются лишь иллюстративными, поскольку изобретение может быть модифицировано и реализовано на практике другими, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, пользующимися преимуществами, обусловленными идеями, изложенными здесь. Кроме того, предусмотрено, что отсутствуют ограничения в отношении деталей конструкции или конфигурации, показанных здесь, отличных от тех, которые описаны в нижеприведенной формуле изобретения. Следовательно, очевидно, что конкретные варианты осуществления, раскрытые выше, могут быть изменены или модифицированы, и все подобные изменения рассматриваются в пределах объема и сущности изобретения. В частности, все диапазоны значений (типа "от приблизительно а до приблизительно Ь" или, эквивалентно, "от приблизительно а до Ь", или, эквивалентно, "от приблизительно а-b"), раскрытые здесь, следует понимать как относящиеся к показательному множеству (совокупности всех подмножеств) соответствующих диапазонов величин. Соответственно, защита, искомая здесь, определяется нижеприведенной формулой изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Скважинный электрический кабель, содержащий центральный компонент и внутренний слой из защитных упрочняющих элементов, содержащий, по меньшей мере, три защитных упрочняющих элемента и прилегающий к центральному компоненту под углом свивки, и при этом каждый защитный упрочняющий элемент содержит центральную жилу, по меньшей мере, три жилы, расположенные по спирали и прилегающие к центральной жиле, и полимерную оболочку, закрывающую центральную жилу и жилы, прилегающие к центральной жиле.
2. Электрический кабель по п.1, в котором центральный компонент представляет собой изолированный провод.
3. Электрический кабель по п.1, в котором центральный компонент представляет собой защитный упрочняющий элемент, содержащий центральный провод, по меньшей мере, три жилы, расположенные по спирали и прилегающие к центральному проводу, и матрицу полимерной оболочки, закрывающую центральный провод и жилы, прилегающие к центральной жиле.
4. Электрический кабель по п.1, в котором защитные упрочняющие элементы расположены по спирали вокруг центрального компонента.
5. Электрический кабель по п.1, в котором полимерная оболочка дополнительно содержит волокнистый армирующий материал.
6. Электрический кабель по п.1, в котором жила содержит высокопрочный металл или органический композиционный материал.
7. Электрический кабель по п. 6, в котором жила представляет собой высокопрочную сталь.
8. Электрический кабель по п. б, в котором жила представляет собой высокопрочный композиционный материал, армированный длинным непрерывным волокном.
9. Электрический кабель по п.1, содержащий, по меньшей мере, четыре защитных упрочняющих элемента, расположенных по спирали вокруг центрального компонента.
10. Электрический кабель по п.9, содержащий, по меньшей мере, шесть жил, расположенных по спирали и прилегающих к
центральной жиле, и матрицу полимерной оболочки матрицу, закрывающую центральную жилу и жилы, прилегающие к центральной жиле.
11. Электрический кабель по п.1, дополнительно содержащий, по меньшей мере, один провод, расположенный между высокопрочными прядями, прилегающими к центральному компоненту.
12. Электрический кабель по п.1, содержащий два слоя защитных упрочняющих элементов, расположенных по спирали вокруг центрального компонента, при этом промежуточные пространства заполнены армированным волокном, полимерным материалом, обеспечивая гладкую наружную поверхность кабеля.
13. Электрический кабель по п.1, в котором центральный компонент представляет собой защитный упрочняющий элемент, содержащий центральную жилу, по меньшей мере, три пряди, распох:оженные по спирали и прилегающие к центральному компоненту, и изолированные металлические провода, предпочтительно медные или медные с никелевым покрытием, расположенные в промежутках, образованных между расположенными по спирали, защитными упрочняющими элементами, и полимерную оболочку, закрывающую центральный элемент, защитные упрочняющие элементы и изолированные металлические провода, в результате чего кабель имеет гладкую наружную поверхность.
14. Электрический кабель по п.1, содержащий два слоя из защитных упрочняющих элементов, расположенных по спирали вокруг центрального компонента, при этом промежуточные пространства заполнены армирующими проволоками, и образован, по меньшей мере, один слой из армирующих проволок, навитых в виде защитного покрытия в результате чего кабель имеет гладкую наружную поверхность.
15. Электрический кабель по п.1, в котором центральный компонент содержит оптическое волокно.
16. Электрический кабель по п.1, дополнительно содержащий наружный слой из защитных упрочняющих элементов, прилегающий к внутреннему слою из защитных упрочняющих элементов, и содержащий, по меньшей мере, четыре защитных упрочняющих элемента, ориентированных под углом свивки, противоположном
углу свивки защитных упрочняющих элементов, образующих внутренний слой, и при этом каждый из защитных упрочняющих элементов, образующих наружный слой, содержит центральную жилу и, по меньшей мере, три жилы, расположенные по спирали и прилегающие к центральной жиле.
17. Электрический кабель по п.16, в котором каждый из защитных упрочняющих элементов, образующих внутренние слои и наружные слои, содержит девять жил, расположенных по спирали и прилегающих к центральной жиле.
18. Электрический кабель по п.1, в котором, по меньшей мере, один защитный упрочняющий элемент имеет высокую электропроводность.
19. Скважинный электрический кабель, содержащий центральный компонент, внутренний слой из защитных упрочняющих элементов, содержащий, по меньшей мере, четыре защитных упрочняющих элемента, и прилегающий к центральному компоненту под углом свивки, при этом каждый защитный упрочняющий элемент содержит центральную жилу, по меньшей мере, три жилы, расположенные по спирали и прилегающие к центральной жиле, и полимерную оболочку, закрывающую центральную жилу и прилегающие к ней жилы, и по меньшей мере, один слой армирующих проволок, в виде защитного покрытия, расположенный по спирали и прилегающий к наружной периферийной поверхности, по меньшей мере, четырех защитных упрочняющих элементов.
20. Скважинный электрический кабель по п.19, в котором центральный компонент содержит оптическое волокно, заключенное в трубу или защитное покрытие из проволок.
21. Скважинный электрический кабель по п.19, дополнительно содержащий, по меньшей мере, четыре изолированных провода, расположенных в промежутках, образованных между защитными упрочняющими элементами и слоем проволок для бронирования.
22. Скважинный электрический кабель по п.19, дополнительно содержащий наружный слой из защитных упрочняющих элементов, прилегающих к внутреннему слою из защитных упрочняющих элементов, и содержащий, по меньшей мере, четыре защитных упрочняющих элемента, ориентированных под углом свивки,
противоположном углу свивки защитных упрочняющих элементов, образующих внутренний слой, и при этом каждый из защитных упрочняющих элементов, образующих наружный слой, содержит центральную жилу и, по меньшей мере, три жилы, расположенные по спирали и прилегающие к центральной жиле.
23. Скважинный электрический кабель, содержащий центральный компонент, четыре защитных упрочняющих элемента, прилегающих к центральному компоненту, полимерную оболочку, расположенную на защитных упрочняющих элементах, и слой армирующих проволок, расположенных по спирали в виде защитного покрытия и прилегающих к полимерной оболочке.
24. Скважинный электрический кабель по п.23, в котором центральный компонент содержит оптическое волокно, заключенное в трубу или защитное покрытие из проволок.
25. Скважинный электрический кабель по п.23, дополнительно содержащий, по меньшей мере, четыре изолированных провода, расположенных в промежутках, образованных между защитными упрочняющими элементами и слоем армирующих проволок.
По доверенности
1/7
148556
Фиг.2
2/7
Фиг.З
Фиг.4
Фиг.5А Фиг.5В Фиг.5С Фиг.5й
3/7
Фиг.6
Фиг.7Э
Фиг.7Е
Фиг.7Р
4/7
802
820-^
80S
814
Фиг.8А
ъ 'v"* t
Фиг.8В
•N J 820
830-}
f ^ 820
Фиг.8Р
Фиг.8Е
902
920-
Фиг.ЭА
"120
920
Фиг.ЭВ
930-у r
920
804
Фиг.8С
830-
840.J
Фиг.8Р
902
904
Фиг.ЭС
930 ¦)
940
920
950
Фиг.ЭЭ
Фиг.ЭЕ
Фиг.ЭР
5/7
Фиг.11С
Фиг.11D
6/7
Фиг.13
Фиг.14