Усовершенствованные бронепроволоки для электрических кабелей
Изобретение относится к электрическим кабелям и способам изготовления и использования таких кабелей. Электрический кабель содержит по меньшей мере один изолированный проводник и одну или более бронепроволок, окружающих этот изолированный проводник. Бронепроволоки содержат высокопрочную сердцевину, окруженную оболочкой из стойкого к коррозии сплава, причем эта оболочка содержит такие сплавы, как сплавы на основе бериллия-меди, сплавы на основе никеля-хрома, супераустенитные нержавеющие стали, сплавы на основе никеля-кобальта, сплавы на основе никеля-молибдена-хрома и аналогичные сплавы. Изолированный проводник электрического кабеля представляет собой семь металлических проводников, заключенных в изоляционный материал, изолированный проводник окружен первым слоем бронепроволок, который окружен вторым слоем бронепроволок. Техническим результатом является повышение прочности и улучшение защиты от коррозии и истирания, при одновременном исключении образования трещин и накопления цинковой пыли в производственной окружающей среде. 16 з.п. ф-лы, 8 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Это изобретение относится к электрическим кабелям и способам изготовления и использования таких кабелей. В одном своем аспекте изобретение относится к электрическим кабелям с усовершенствованными бронепроволоками, используемым вместе с оборудованием буровых скважин для анализа геологических формации, смежных с этой буровой скважиной, к способам их изготовления, а также к применениям таких кабелей.
Уровень техники
Обычно геологические формации внутри земли, которые содержат нефть и/или нефтяной газ, имеют свойства, которые могут быть связаны со способностью этих формаций удерживать такие продукты. Например, формации, которые содержат нефть или нефтяной газ, имеют более высокое электрическое удельное сопротивление, чем формации, содержащие воду. Формации, в основном содержащие песчаник или известняк, могут содержать нефть или нефтяной газ. Формации, в основном содержащие сланец, который может также заключать в себе нефтеносные пласты, могут иметь гораздо более высокие пористости, чем пористости песчаника или известняка, но из-за очень небольшого размера зерен сланца удаление нефти или газа, захваченных в нем, может оказаться очень трудным. Следовательно, может оказаться целесообразным измерять различные характеристики смежных со скважиной геологических формаций перед ее оснащением с тем, чтобы помочь определить местоположение формации, несущей нефть и/или нефтяной газ, а также количества нефти и/или нефтяного газа, захваченных внутри этой формации.
Для измерения таких характеристик на различных глубинах вдоль ствола скважины в скважину могут быть опущены каротажные приборы, которые обычно представляют собой длинные, имеющие форму трубы устройства. Эти каротажные приборы могут включать в себя гамма-излучатели/приемники, устройства-каверномеры, устройства измерения удельного сопротивления, излучатели/приемники нейтронов и аналогичные устройства, которые используются для измерения характеристик формаций, смежных со скважиной. Каротажный кабель соединяет такой каротажный прибор с одним или более источниками электропитания и оборудованием для анализа полученных данных на поверхности земли, а также обеспечивает конструктивную опору каротажным приборам по мере того, как их опускают и поднимают через скважину. Обычно каротажный кабель сматывается с грузовика через шкив и опускается в скважину.
Каротажные кабели обычно образованы из сочетания металлических проводников, изоляционного материала, материалов-наполнителей, оболочек и металлических бронепроволок. В каротажных кабелях бронепроволоки обычно выполняют множество функций, включая защиту электрической жилы кабеля от механических повреждений, наблюдаемых в типичной среде внутри скважины, и обеспечение механической прочности кабеля для выдерживания нагрузки, оказываемой цепочкой каротажных приборов и самим кабелем.
Рабочие характеристики бронепроволоки сильно зависят от коррозионной защиты. Вредные текучие среды (флюиды) во внутрискважинной среде могут вызвать коррозию бронепроволоки, и если бронепроволока начинает ржаветь, ее прочность и гибкость могут быстро ухудшаться. Хотя жила кабеля может оставаться все еще работоспособной, замена бронепроволок(и) не является экономически целесообразной, и поэтому весь кабель целиком в типичном случае должен быть забракован.
Обычно в электрических кабелях для буровых скважин используют бронепроволоки из оцинкованной стали (в типичном случае - нелегированных углеродистых сталей в диапазоне сортамента Американского института черной металлургии (AISI) 1065 и 1085), известные в данной области техники как бронепроволоки из оцинкованной улучшенной высококачественной стали (ОУВС) (от англ. Galvanized Improved Plow Steel (GIPS)), которая действительно обеспечивает высокую прочность. Такие бронепроволоки обычно изготавливают из холоднотянутой перлитной стали, покрытой цинком для умеренной защиты от коррозии. Бронепроволоки из ОУВС защищены нанесенным путем погружения в расплав цинковым покрытием, которое действует в качестве расходуемого слоя, когда эти проволоки подвергаются воздействию умеренно коррозионных окружающих сред.
И хотя цинк защищает сталь при умеренных условиях и температурах, известно, что коррозия весьма вероятна при повышенных температурах и при определенных агрессивных условиях внутри ствола «сернистой» скважины. Поэтому в таких окружающих средах типичный срок службы кабеля является ограниченным, и кабель может легко ухудшаться. Кроме того, оцинковывание погружением в расплав приводит в результате к пониженной прочности стали и увеличивает количество потенциальных мест возникновения разрывов, которые могут вносить дополнительный вклад в связанное с коррозией повреждение бронепроволоки из ОУВС.
Более того, во время оцинковывания погружением в расплав между сталью и цинком образуется промежуточный слой железо-цинкового сплава. Так как сталь, железо-цинковые сплавы и цинк все имеют различные коэффициенты теплового расширения, это может привести к образованию трещин в слое железо-цинкового сплава во время проведения последующего за погружением в расплав процесса охлаждения. Эти снимающие напряжения трещины обычно расширяются во время последующего за оцинковыванием процесса волочения. Присутствие таких разрывов во время обработки кабеля дополнительно снижает коррозионную стойкость кабелей с использованием таких бронепроволок. Цинк может также отслаиваться во время изготовления кабеля, приводя к значительному накоплению цинковой пыли в производственной зоне.
Как правило, в условиях, имеющихся внутри сернистой скважины, используют специальные кабели для сернистых скважин, полностью выполненные из стойких к коррозии сплавов. И хотя такие сплавы весьма пригодны для формирования бронепроволок, используемых в кабелях для таких скважин, общеизвестно, что прочность таких сплавов является весьма ограниченной.
Таким образом, существует потребность в электрических кабелях, которые имеют высокую прочность и улучшенную защиту от коррозии и истирания, при одновременном исключении образования трещин и накопления цинковой пыли в производственной окружающей среде. Существует настоятельная потребность в электрическом кабеле, который позволит преодолеть одну или более из тех проблем, которые описаны выше, в то же время проводя большие количества энергии при значительной способности к передаче сигналов данных, и эту потребность, по меньшей мере частично, удовлетворяет настоящее изобретение.
Краткая сущность изобретения
В одном своем аспекте настоящее изобретение относится к электрическим кабелям с усовершенствованными бронепроволоками, используемым вместе с вводимыми в ствол скважины устройствами для анализа геологических формаций (пластов), смежных с буровой скважиной. Такие кабели содержат по меньшей мере один изолированный проводник и один или более слоев проволочной брони, окружающих этот изолированный проводник. Улучшенная конструкция бронепроволок, использованных для формирования слоев проволочной брони, содержит высокопрочную сердцевину, окруженную оболочкой (наружным слоем) из стойкого к коррозии сплава, такого как, например, сплав на основе никеля. Между высокопрочной сердцевиной и оболочкой из стойкого к коррозии сплава может быть также размещен связующий слой. Электрические кабели могут содержать первый слой проволочной брони, окружающий изолированный проводник, и второй слой проволочной брони, предусмотренный вокруг первого слоя проволочной брони. Кабели по изобретению могут быть подходящими для использования в широком диапазоне областей применения, включая кабели, используемые при подземных операциях, такие как монокабель, кабель с четверкой жил, кабель с семеркой жил, кабель для канатных работ, многопроводный кабель, коаксиальный кабель или сейсмический кабель.
Для формирования высокопрочной сердцевины может быть использован любой подходящий материал. Материалы, подходящие для применения с целью формирования оболочки из стойкого к коррозии сплава, в качестве неограничивающего примера включают такие сплавы, как сплавы на основе меди-никеля-олова, сплавы на основе бериллия-меди, сплавы на основе никеля-хрома, супераустенитные нержавеющие стали (нержавеющие стальные сплавы со сверхвысоким содержанием аустенита), сплавы на основе никеля-кобальта и сплавы на основе никеля-молибдена-хрома, и аналогичные материалы или любые их смеси.
Материалы изоляции, используемые для формирования изолированных проводников и подходящие для применения в кабелях по изобретению, включают, но не обязательно ограничиваются ими, полиолефины, полиарилэфирэфиркетон, полиарилэфиркетон, полифениленсульфид, модифицированный полифениленсульфид, полимеры этилена-тетрафторэтилена, полимеры поли(1,4-фенилена), политетрафторэтилен, перфторалкокси-полимеры, фторированный этиленпропилен, полимеры политетрафторэтилена-перфторметилвинилового эфира, полиамид, полиуретан, термопластичный полиуретан, хлорированный этиленпропилен, этилен-хлортрифторэтилен и любые их смеси.
В другом своем аспекте настоящее изобретение относится к способам изготовления электрического кабеля, которые включают в себя формирование бронепроволок, используемых для выполнения слоев проволочной брони, обеспечение по меньшей мере одного изолированного проводника, выполнение защитного покрова (обмотки) из первого слоя бронепроволок вокруг этого изолированного проводника, и выполнение защитного покрова (обмотки) из второго слоя тех же самых бронепроволок вокруг первого слоя бронепроволок. Согласно одному подходу усовершенствованную конструкцию бронепроволок получают посредством обеспечения высокопрочной сердцевины, приведение этого прочного элемента сердцевины в контакт с по меньшей мере одним листом из материала оболочки из стойкого к коррозии сплава, формование этого листа из материала сплава вокруг высокопрочной сердцевины и волочение комбинации оболочки из материала сплава и прочного элемента сердцевины до конечного диаметра с образованием бронепроволоки усовершенствованной конструкции. Другой подход к получению бронепроволок включает в себя обеспечение высокопрочной сердцевины, экструзию материала сплава вокруг этой сердцевины и волочение комбинации оболочки из материала сплава и прочного элемента сердцевины до конечного диаметра с образованием бронепроволоки. Получение бронепроволок может также включать в себя покрытие высокопрочной сердцевины связующим слоем перед формированием оболочки из материала сплава вокруг высокопрочной сердцевины.
Краткое описание чертежей
Изобретение может быть лучше понято при изучении нижеприведенного описания, приведенного в сочетании с сопроводительными чертежами, на которых:
Фиг.1 показывает вид в поперечном сечении обычного кабеля известной из уровня техники конструкции;
Фиг.2 показывает стилизованное представление в поперечном сечении конструкции бронепроволоки, подходящей для применения в некоторых кабелях по изобретению;
Фиг.3 показывает представление в поперечном сечении общей конструкции кабеля согласно изобретению с использованием двух слоев бронепроволок;
Фиг.4 показывает представление в поперечном сечении конструкции с семеркой жил согласно изобретению, включающей в себя два слоя бронепроволок;
Фиг.5 показывает в виде стилизованного поперечного сечения конструкцию монокабеля согласно изобретению;
Фиг.6 иллюстрирует способ получения бронепроволок, подходящих для применения в кабелях согласно изобретению;
Фиг.7 иллюстрирует другой способ получения бронепроволок, подходящих для применения в кабелях согласно изобретению;
Фиг.8 иллюстрирует еще один способ получения некоторых бронепроволок.
Подробное описание изобретения
Ниже описаны иллюстративные варианты воплощения изобретения. В целях большей ясности в тексте данного описания раскрыты не все признаки фактического варианта реализации. Будет, конечно, понятно, что при разработке какого-либо такого фактического варианта воплощения должны быть приняты многочисленные, специфические для конкретного варианта реализации решения с тем, чтобы достичь специфических целей разработчика, таких как соответствие ограничивающим условиям, относящимся к системе в целом и связанным с видом бизнеса, которые будут изменяться от одного конкретного варианта реализации к другому. Более того, должно быть понятно, что такие усилия по разработке могут быть сложными и требующими большого количества времени, но, тем не менее, рутинными мероприятиями для специалистов с обычной квалификацией в данной области техники, которые извлекают пользу из этого раскрытия.
Изобретение относится к электрическим кабелям и способам их изготовления, а также к их применениям. В одном своем аспекте изобретение относится к электрическим кабелям, используемым с устройствами для анализа геологических формаций, смежных с буровой скважиной, к способам их изготовления и к применениям таких кабелей при сейсмических работах и операциях на буровых скважинах. Хотя это изобретение и пункты формулы данного изобретения не связаны каким-либо конкретным механизмом функционирования или теорией, было обнаружено, что применение определенных сплавов для формирования оболочки из стойкого к коррозии сплава на высокопрочной сердцевине при получении бронепроволоки обеспечивает создание электрических кабелей, которые имеют повышенную стойкость к коррозии, повышенную стойкость к истиранию (абразивному износу), которые обладают свойствами высокой прочности, в то же время минимизируя снимающее напряжения растрескивание/образование разрывов и накопление цинковой пыли, с которыми обычно сталкиваются во время изготовления кабеля.
Кабели согласно вариантам воплощения настоящего изобретения обычно содержат по меньшей мере один изолированный проводник и по меньшей мере один слой высокопрочных коррозионно-стойких бронепроволок, окружающих этот(эти) изолированный(ые) проводник(и). Изолированные проводники, используемые в вариантах воплощения изобретения, включают в себя металлические проводники или даже один или более оптических волокон. Такие проводники или оптические волокна могут быть заключены в изоляционную оболочку (рубашку). При этом могут быть использованы любые металлические проводники. Примеры металлических проводников включают, но не обязательно ограничены ими, медь, покрытую никелем медь или алюминий. Предпочтительными металлическими проводниками являются медные проводники. И хотя при образовании изолированного проводника может быть использовано любое подходящее количество металлических проводников, предпочтительно используют от 1 до примерно 60 металлических проводников, более предпочтительно - 7, 19 или 37 металлических проводников. Конструктивные элементы, такие как проводники, бронепроволоки, наполнитель, оптические волокна и т.п., используемые в кабелях согласно изобретению, могут быть размещены под нулевым углом подъема винтовой линии относительно центральной оси кабеля или под любым подходящим углом подъема винтовой линии относительно центральной оси кабеля. Обычно центральный изолированный проводник размещен под нулевым углом подъема винтовой линии, тогда как те конструктивные элементы, которые окружают этот центральный изолированный проводник, размещены намотанными по винтовой линии (спирали) вокруг центрального изолированного проводника под требуемыми углами подъема этой винтовой линии. Пара слоев слоистой проволочной брони может быть намотана по встречным винтовым линиям или размещена под противоположными углами подъема винтовой линии.
Изоляционные материалы, пригодные для применения при формировании изоляции проводников и изоляционных оболочек, могут быть любыми подходящими изоляционными материалами, известными в данной области техники. Неограничивающие примеры изоляционных материалов включают полиолефины, полимер политетрафторэтилена-перфторметилвинилового эфира (MFA), полимер перфторалкоксиалкана (PFA), полимеры политетрафторэтилена (PTFE), полимеры этилена-тетрафторэтилена (ETFE), сополимеры этилена-пропилена (EPC), поли(4-метил-1-пентен) (поставляемые под товарным знаком ТРХ® фирмой Mitsui Chemicals, Inc.), другие фторполимеры, полимеры полиарилэфирэфиркетона (РЕЕК), полимеры полифениленсульфида (PPS), модифицированные полимеры полифениленсульфида, полимеры полиэфиркетона (РЕК), модифицированные полимеры малеинового ангидрида, перфторалкокси-полимеры, фторированные полимеры этиленпропилена, полимеры политетрафторэтилена-перфторметилвинилового эфира, полимеры полиамида, полиуретан, термопластичный полиуретан, полимеры этилена-хлортрифторэтилена (такие как продукты под товарным знаком Halar®), хлорированные полимеры этиленпропилена, SRP-полимеры под товарным знаком Parmax® (самоупрочняющиеся полимеры, изготавливаемые фирмой Mississippi Polymer Technologies, Inc. и основанные на структуре замещенного поли(1,4-фенилена), где каждое фениленовое кольцо имеет замещающую группу R, производную от широкого разнообразия органических групп) или т.п., и любые их смеси.
В некоторых вариантах воплощения изобретения изолированные проводники являются пакетными изолированными диэлектриком проводниками с характеристиками гашения электрического поля, такие как проводники, использованные в кабелях, описанных в патенте США №6600108 (на имя Mydyr и др.). Такие пакетные изолированные диэлектриком проводники обычно содержат первый слой изоляционной оболочки, размещенный вокруг металлических проводников, причем этот первый слой изоляционной оболочки имеет первую относительную диэлектрическую проницаемость, и второй слой изоляционной оболочки, размещенный вокруг первого слоя изоляционной оболочки и имеющий вторую относительную диэлектрическую проницаемость, которая меньше первой относительной диэлектрической проницаемости. При этом первая относительная диэлектрическая проницаемость находится в пределах диапазона от примерно 2,5 до примерно 10,0, а вторая относительная диэлектрическая проницаемость находится в пределах диапазона от примерно 1,8 до примерно 5,0.
Электрические кабели согласно изобретению могут иметь любую практичную конструкцию. Кабели могут быть кабелями для буровой скважины, включая монокабели, коаксиальные кабели, кабели с четверкой жил, кабели с семеркой жил, сейсмические кабели, кабели для канатных работ, многопроводные кабели (от англ. multi-line cables) и аналогичные кабели. В конструкциях коаксиального кабеля по изобретению множество металлических проводников окружают изолированный проводник и размещены вокруг той же самой оси, что и этот изолированный проводник. Кроме того, в случае любых кабелей по изобретению изолированные проводники могут быть дополнительно заключены в оболочку (рубашку) из ленты. Все материалы, включая ленту, размещенную вокруг изолированных проводников, могут быть выбраны так, что они будут связаны химически и/или механически друг с другом. Кабели по изобретению могут иметь наружный диаметр от примерно 0,5 мм до примерно 400 мм, предпочтительно - диаметр от примерно 1 мм до примерно 100 мм, более предпочтительно - от примерно 2 мм до примерно 15 мм.
Обращаясь теперь к фиг.1, там представлен вид в поперечном сечении электрического кабеля обычной конструкции. Фиг.1 иллюстрирует поперечное сечение конструкции типичного бронированного кабеля, используемого для применений внутри скважины. Кабель 100 содержит центральный пучок 102 проводников, имеющий множество проводников и наружный полимерный изоляционный материал. Кабель 100 дополнительно содержит множество наружных пучков 104 проводников, каждый из которых имеет несколько металлических проводников 106 (позицией указан только один) и полимерный изоляционный материал 108, окружающий эти металлические проводники 106 наружных пучков. Предпочтительно металлический проводник 106 может быть медным проводником. Центральный пучок 102 проводников типичных известных из уровня техники кабелей имеет, как правило, туже самую конструкцию, что и наружные пучки 104 проводников, хотя это и не обязательно. Необязательная лента и/или ленточная оболочка 110, выполненная из материала, который может быть либо электропроводным, либо неэлектропроводным и который способен выдерживать высокие температуры, окружает наружные пучки 104 проводников. Объем внутри ленты и/или ленточной оболочки 110, не занятый центральным пучком 102 проводников и наружными пучками 104 проводников, заполнен наполнителем 112, который может быть выполнен либо из электропроводного, либо из неэлектропроводного материала. Первый слой 114 брони и второй слой 116 брони, обычно выполненные из бронепроволок из оцинкованной улучшенной высококачественной стали (ОУВС) с высоким пределом прочности на разрыв, окружают и защищают эти ленту и/или ленточную оболочку 110, наполнитель 112, наружные пучки 104 проводников и центральный пучок 102 проводников.
Бронепроволоки, пригодные для применения в кабелях согласно различным вариантам воплощения настоящего изобретения, имеют светлотянутые проволоки из высокопрочной стали (с соответствующим содержанием углерода и прочностью для применения в качестве каната при каротаже скважин), размещенные в положении сердцевины данных бронепроволок. Затем поверх такой сердцевины плакируют оболочку из сплава со стойкостью к коррозии. Слой стойкого к коррозии сплава может быть плакирован поверх высокопрочной сердцевины посредством экструзии или посредством формования вокруг стальной проволоки провода. Толщина стойкой к коррозии оболочки может составлять от примерно 50 микрон до примерно 600 микрон. Материалом, используемым для выполнения стойкой к коррозии оболочки, может быть любой подходящий сплав, который обеспечивает достаточную стойкость к коррозии и стойкость к истиранию (абразивному износу) при его использовании в качестве оболочки. Сплавы, использованные для выполнения оболочки, могут также иметь трибологические свойства, пригодные для улучшения стойкости к истиранию и смазывания взаимодействующих поверхностей при их относительном движении, или улучшенные свойства стойкости к коррозии, которые минимизируют постепенный износ при химическом воздействии, или даже оба эти свойства.
Хотя для формирования бронепроволок согласно изобретению в качестве оболочки из стойкого к коррозии сплава может быть использован любой подходящий сплав, некоторые их примеры включают, но не обязательно ограничиваются ими: сплавы на основе бериллия-меди; сплавы на основе никеля-хрома (такие как сплав под товарным знаком Inconel®, поставляемый фирмой Reade Advanced Materials, Providence, Rhode Island, USA, 02915-0039); супераустенитные нержавеющие стали (т.е. нержавеющие стальные сплавы со сверхвысоким содержанием аустенита) (такие как сплав под товарным знаком 20Мо6®, поставляемый фирмой Carpenter Technology Corp., Wyomissing, PA, 19610-1339, USA; сплав под товарным знаком INCOLOY® 27-7MO и сплав под товарным знаком INCOLOY® 25-6MO, поставляемые фирмой Special Metals Corporation of New Hartford, New York, USA; или сплав Sandvik 13RM19, поставляемый фирмой Sandvik Materials Technology, Clarks Summit, Pa., 18411, USA); сплавы на основе никеля-кобальта (такие как сплав МР35N, поставляемый фирмой Alloy Wire International, Warwick, Rhode Island, 02886, USA); сплавы на основе меди-никеля-олова (такие как сплав под товарным знаком ToughMet®, поставляемый фирмой Brush Wellman, Fairfield, New Jersey, USA); или сплавы на основе никеля-молибдена-хрома (такие как сплав под товарным знаком HASTELLOY® C276, поставляемый фирмой Alloy Wire International). Оболочка из стойкого к коррозии сплава может быть выполнена также из сплава, содержащего никель в количестве от примерно 10% до примерно 60% по массе от общей массы сплава, хром в количестве от примерно 15% до примерно 30% по массе от общей массы сплава, молибден в количестве от примерно 2% до примерно 20% по массе от общей массы сплава, кобальт в количестве вплоть до примерно 50% по массе от общей массы сплава, а также относительно незначительные количества других элементов, таких как углерод, азот, титан, ванадий или даже железо. Предпочтительными сплавами являются сплавы на основе никеля-хрома и сплавы на основе никеля-кобальта.
Кабели согласно изобретению содержат по меньшей мере один слой бронепроволок, окружающих изолированный проводник. Для формирования слоев проволочной брони бронепроволоки, используемые в кабелях по изобретению и содержащие высокопрочную сердцевину и оболочку из стойкого к коррозии сплава, могут быть использованы сами по себе или в сочетании с другими типами бронепроволок, такими как проволоки из оцинкованной улучшенной высококачественной стали. Предпочтительно для образования предпочтительных электрических кабелей по изобретению используют два слоя бронепроволок.
На Фиг.2 показано стилизованное представление в поперечном сечении улучшенной конструкции бронепроволоки, пригодной для применения в некоторых кабелях по изобретению. Бронепроволока 200 содержит высокопрочную сердцевину 202, охваченную оболочкой 206 из стойкого к коррозии сплава. Между этими сердцевиной 202 и оболочкой 206 из стойкого к коррозии сплава может быть размещен необязательный связующий слой 204. Сердцевина 202 может быть выполнена, в общем, из любого материала с высоким пределом прочности на разрыв, такого как, в качестве неограничивающего примера, сталь. Примеры подходящих сталей, которые могут быть использованы в качестве прочных элементов сердцевины, включают, но не обязательно ограничиваются ими, стали марок по классификации Американского института черной металлургии AISI 1070, AISI 1086 или AISI 1095, шинные корды, любые высокопрочные стальные проволоки с прочностью более 2900 мПа и аналогичные материалы. Прочный элемент 202 сердцевины может содержать стальную сердцевину высокой прочности или даже проволоки с гальваническим или иным покрытием. При его использовании связующий слой 204 может быть выполнен из любого материала, способствующего созданию прочной связи между высокопрочной сердцевиной 202 и оболочкой 206 из стойкого к коррозии сплава. Предпочтительно при его использовании для образования связующего слоя 204 может быть нанесен слой латуни посредством процесса погружения в расплав или электролитического осаждения.
Обращаясь теперь к фиг.3, там показано представление в поперечном сечении общей конструкции кабеля согласно изобретению, в состав которого входят два слоя бронепроволок. Кабель 300 содержит по меньшей мере один изолированный проводник 302 и два слоя 304 и 306 бронепроволок. Эти слои 304 и 306 проволочной брони, окружающие изолированный(ые) проводник(и) 302, содержат бронепроволоки, такие как бронепроволока 200 по фиг.2, содержащие высокопрочную сердцевину и оболочку из стойкого к коррозии сплава. Необязательно, в промежуточных пространствах 308, образованных между бронепроволоками, а также образованных между бронепроволоками и изолированным(и) проводником(ами) 302, может быть размещен полимерный материал.
Полимерными материалами, размещенными в промежуточных пространствах 308, может быть любой подходящий материал. Некоторые пригодные для применения полимерные материалы включают, в качестве неограничивающего примера, полиолефины (такие как ЕРС или полипропилен), другие полиолефины, полиарилэфирэфиркетон (РЕЕК), полиарилэфиркетон (РЕК), полифениленсульфид (PPS), модифицированный полифениленсульфид, полимеры этилена-тетрафторэтилена (ETFE), полимеры поли(1,4-фенилена), политетрафторэтилен (PTFE), перфторалкокси-полимеры (PFA), фторированные полимеры этиленпропилена (FEP), полимеры политетрафторэтилена-перфторметилвинилового эфира (MFA), Parmax® и любые их смеси. Предпочтительными полимерными материалами являются полимеры этилена-тетрафторэтилена, перфторалкокси-полимеры, фторированные полимеры этиленпропилена и полимеры политетрафторэтилена-перфторметилвинилового эфира. Полимерные материалы могут быть размещены прилегающими от изолированного проводника до самого дальнего от центра слоя бронепроволок, или же могут даже простираться за наружную периферию, таким образом образуя полимерную оболочку, которая полностью заключает в себе (закрывает) бронепроволоки.
На стренги (пряди) бронепроволоки может быть нанесено защитное полимерное покрытие для дополнительной защиты или даже для способствования связи между бронепроволокой и полимерным материалом, размещенным в промежуточных пространствах. Термин «связь», используемый в данном описании, понимается как охватывающий химическую связь, механическую связь или любое их сочетание. Примеры материалов покрытия, которые могут быть использованы, включают, но не обязательно ограничены ими, фторполимеры, фторированные полимеры этиленпропилена (FEP), полимеры этилена-тетрафторэтилена (под товарным знаком Tefzel®), полимер перфторалкоксиалкана (PFA), полимер политетрафторэтилена (PTFE), полимер политетрафторэтилена-перфторметилвинилового эфира (MFA), полимер полиарилэфирэфиркетона (PEEK), или сочетание полимера полиэфиркетона (РЕК) с фторполимером, полимер полифениленсульфида (PPS), сочетание PPS и PTFE, латексные или каучуковые (резиновые) покрытия и т.п. Каждая бронепроволока может быть также покрыта гальваническим методом металлами для защиты от коррозии или даже для способствования связи между бронепроволокой и полимерным материалом. Неограничивающие примеры соответствующих материалов гальванического покрытия включают медные сплавы и т.п. Бронепроволоками с гальваническим покрытием могут быть даже корды, такие как, например, шинные корды. Хотя может быть использована любая эффективная толщина материала гальванического или иного покрытия, причем толщина от примерно 10 микрон до примерно 100 микрон является предпочтительной.
На фиг.4 показано представление в поперечном сечении конструкции с семеркой жил согласно изобретению, содержащей два слоя бронепроволок. Кабель 400 содержит два слоя 402 и 404 бронепроволок, окружающих ленту и/или ленточную оболочку 406. Слои 402 и 404 проволочной брони содержат бронепроволоки, такие как бронепроволока 200 по фиг.2, содержащие высокопрочную сердцевину и оболочку из стойкого к коррозии сплава. Промежуточное пространство внутри ленты и/или ленточной оболочки 406 содержит центральный изолированный проводник 408 и шесть наружных изолированных проводников 410 (этой позицией обозначен лишь один). Промежуточное пространство внутри ленты и/или ленточной оболочки 406, не занятое центральным изолированным проводником 408 и шестью наружными изолированными проводниками 410, может быть заполнено соответствующим материалом-наполнителем, который может быть выполнен либо из электропроводного, либо из неэлектропроводного материала. Каждый из центрального изолированного проводника 408 и шести наружных изолированных проводников 410 имеет множество проводников 412 (этой позицией обозначен только один) и окружающий эти проводники 412 изоляционный материал 414. Проводник 412 предпочтительно представляет собой медный проводник. Необязательно, в промежуточных пространствах 416, образованных между бронепроволоками, а также образованных между бронепроволоками и/или ленточной оболочкой 406, может быть размещен полимерный материал.
Фиг.5 представляет, в виде стилизованного поперечного сечения, конструкцию монокабеля согласно изобретению. Кабель 500 содержит два слоя 502 и 504 бронепроволок, окружающих ленту и/или ленточную оболочку 506. Слои 502 и 504 проволочной брони содержат бронепроволоки, такие как бронепроволока 200 по фиг.2, содержащие высокопрочную сердцевину и оболочку из стойкого к коррозии сплава. Центральный проводник 508 и шесть наружных проводников 510 (этой позицией обозначен только один) охвачены ленточной оболочкой 506 и слоями 502 и 504 бронепроволок. Проводники 508 и 510 предпочтительно являются медными проводниками. Промежуточное пространство, образованное между ленточной оболочкой 506 и шестью наружными проводниками 510, а также промежуточные пространства, образованные между шестью наружными проводниками 510 и центральным проводником 508, могут быть заполнены изоляционным материалом 512 с образованием изолированного проводника. Необязательно, в промежуточных пространствах 516, образованных между бронепроволоками, а также образованных между бронепроволоками и ленточной оболочкой 506, может быть размещен полимерный материал.
Фиг.6 иллюстрирует способ получения некоторых бронепроволок, пригодных для применения в кабелях согласно изобретению. Соответственно, обеспечивают (получают) высокопрочную сердцевину А. В позиции 602 сердцевина А может быть необязательно покрыта связующим слоем В, таким как, например, латунь, с использованием процесса погружения в расплав или электролитического осаждения. В позиции 604 необязательно покрытую связующим слоем сердцевину А приводят в контакт с листом С из стойкого к коррозии материала сплава, такого как, в качестве неограничивающего примера, сплав Inconel® на основе никеля-хрома. Лист С используют для получения вышеупомянутой оболочки из стойкого к коррозии сплава. В позициях 606, 608 и 610 лист С из материала сплава формуют вокруг необязательно покрытой связующим слоем сердцевины А, используя, например, валки. Такое формование материала сплава проводят при температурах между температурой окружающей среды и температурой примерно 850°С. Кроме того, необязательный связующий слой В может течь и в достаточной степени обеспечивать скользящую поверхность раздела между высокопрочной сердцевиной А и оболочкой из стойкого к коррозии сплава, состоящей из листа С. В позиции 612 проволоку подвергают волочению до конечного диаметра с образованием бронепроволоки D. Толщины выполненной из сплава тянутой оболочки С необязательно покрытой связующим слоем сердцевины А могут быть пропорциональными толщине перед волочением.
Фиг.7 иллюстрирует другой способ получения бронепроволок. Согласно этому другому способу обеспечивают высокопрочную сердцевину А, и в позиции 702 эту высокопрочную сердцевину А необязательно покрывают связующим слоем В. В позиции 704 необязательно покрытую связующим слоем сердцевину А приводят в контакт с двумя отдельными листами D и Е из стойкого к коррозии материала сплава с образованием оболочки из стойкого к коррозии сплава. В позициях 706 и 708 эти листы из материала сплава формуют вокруг необязательно покрытой связующим слоем сердцевины А. В позиции 710 проволоку подвергают волочению с обжатием до конечного диаметра с образованием бронепроволоки F.
Фиг.8 иллюстрирует еще один способ получения бронепроволок, а именно - способ экструзии и волочения. Соответственно, обеспечивают высокопрочную сердцевину А, и в позиции 802 поверх этой сердцевины А экструдируют оболочку В из стойкого к коррозии сплава. Материал, образующий оболочку В из стойкого к коррозии сплава, может быть экструдирован на сердцевину А методом горячей или холодной экструзии. В позиции 804 проволоку подвергают волочению с обжатием до конечного диаметра с образованием бронепроволоки С. Кроме того, высокопрочная сердцевина А может быть необязательно покрыта связующим слоем перед экструзией оболочки В из стойкого к коррозии сплава.
Материалы, образующие изоляционные слои, и полимерные материалы, используемые в кабелях согласно изобретению, могут дополнительно содержать фторполимерную добавку или фторполимерные добавки, в смеси материалов для образования кабеля. Такая(ие) добавка(и) может(могут) быть полезной(ыми) для получения длинных отрезков кабеля высокого качества при высоких скоростях производства. Подходящие фторполимерные добавки включают, но не обязательно ограничиваются ими, политетрафторэтилен, перфторалкокси-полимер, сополимер этилена-тетрафторэтилена, фторированный этиленпропилен, перфторированный поли(этиленпропилен) и любые их смеси. Фторполимеры могут также представлять собой сополимеры тетрафторэтилена и этилена и, необязательно, третьего сомономера, сополимеры тетрафторэтилена и винилиденфторида и, необязательно, третьего сомономера, сополимеры хлортрифторэтилена и этилена и, необязательно, третьего сомономера, сополимеры гексафторпропилена и этилена и, необязательно, третьего сомономера и сополимеры гексафторпропилена и винилиденфторида и, необязательно, третьего сомономера. Фторполимерная добавка должна иметь температуру пика плавления ниже температуры экструзионной обработки, а предпочтительно - в диапазоне от примерно 200°С до примерно 350°С. Для приготовления смеси фторполимерную добавку смешивают с изолирующей оболочкой или полимерным материалом. Фторполимерная добавка может быть введена в эту смесь в количестве примерно 5% или менее по массе из расчета на общую массу смеси, предпочтительно - примерно 1% или менее по массе из расчета на общую массу смеси, более предпочтительно - примерно 0,75% или менее по массе из расчета на общую массу смеси.
Кабели по изобретению могут включать в себя бронепроволоки, используемые в качестве обратных (заземляющих) проводов электрического тока, которые обеспечивают проводящие пути для заземления скважинного оборудования или каротажных приборов. Изобретение позволяет использовать бронепроволоки для возврата тока при одновременном сведении к минимуму опасности поражения электрическим током. В некоторых вариантах воплощения изобретения полимерный материал изолирует по меньшей мере одну бронепроволоку в первом слое бронепроволок, таким образом обеспечивая возможность их использования в качестве обратных проводов электрического тока.
Настоящее изобретение не ограничивается, однако, кабелями, имеющими только металлические проводники. Также могут быть использованы оптические волокна для передачи оптических сигналов данных к устройству или устройствам или от устройства или устройств, подсоединенных к ним, что может обеспечить в результате более высокие скорости передачи данных, более низкие потери данных и более высокую пропускную способность (полосу пропускания).
Раскрытые выше конкретные варианты воплощения изобретения являются лишь иллюстративными, поскольку изобретение может быть модифицировано и реализовано на практике различными, но эквивалентными путями, очевидными для специалистов в данной области техники, извлекающих пользу от приведенных здесь основных положений. Более того, не предусматривается никаких ограничений на показанные здесь подробности выполнения или детали конструкции, кроме тех признаков, которые указаны в приведенной ниже формуле изобретения. Поэтому будет очевидным, что раскрытые выше конкретные варианты воплощения могут быть изменены или модифицированы, и все такие варианты считаются находящимися в пределах объема и сущности изобретения. В частности, каждый раскрытый здесь диапазон числовых величин (выраженный в виде «от примерно а до примерно b», или, что эквивалентно, «приблизительно от а до b», или, что эквивалентно, «приблизительно а-b») следует понимать как обозначающий показательное множество (совокупность всех подмножеств множества) соответствующего диапазона числовых величин. Следовательно, испрашиваемый здесь объем патентной защиты определяется приведенной ниже формулой изобретения.
1. Электрический кабель, содержащий по меньшей мере один изолированный проводник и один или более слоев проволочной брони, окружающих этот изолированный проводник, причем слой проволочной брони содержит бронепроволоки, содержащие высокопрочную сердцевину и оболочку из стойкого к коррозии сплава, и при этом оболочка из стойкого к коррозии сплава является наружным слоем упомянутых бронепроволок.
2. Кабель по п.1, в котором изолированный проводник содержит по меньшей мере один электрический проводник, заключенный в изоляционный материал.
3. Кабель по п.1, в котором между высокопрочной сердцевиной и оболочкой из стойкого к коррозии сплава размещен связующий слой.
4. Кабель по п.3, в котором связующий слой содержит латунь.
5. Кабель по п.1, содержащий первый слой проволочной брони, окружающий изолированный проводник, и второй слой проволочной брони, предусмотренный вокруг первого слоя проволочной брони.
6. Кабель по п.1, дополнительно содержащий полимерный материал, размещенный в промежуточных пространствах, образованных между бронепроволоками, а также образованных между бронепроволоками и изолированным проводником.
7. Кабель по п.2, в котором материал изоляции выбран из группы, состоящей из полиолефинов, полиарилэфирэфиркетона, полиарилэфиркетона, полифениленсульфида, модифицированного полифениленсульфида, полимеров этилена-тетрафторэтилена, полимеров поли(1,4-фенилена), политетрафторэтилена, перфторалкокси-полимеров, фторированного этиленпропилена, полимеров политетрафторэтилена-перфторметилвинилового эфира, полиамида, полиуретана, термопластичного полиуретана, хлорированного этиленпропилена, этилен-хлортрифторэтилена и любых их смесей.
8. Кабель по п.1, в котором высокопрочная сердцевина выполнена из стали, а оболочка из стойкого к коррозии сплава выполнена из сплава, содержащего никель в количестве от примерно 10% до примерно 60% по массе от общей массы сплава, хром в количестве от примерно 15% до примерно 30% по массе от общей массы сплава, молибден в количестве от примерно 2% до примерно 20% по массе от общей массы сплава и кобальт в количестве вплоть до примерно 50% по массе от общей массы сплава.
9. Кабель по п.1, в котором оболочка из стойкого к коррозии сплава содержит сплав, выбранный из группы, состоящей из сплавов на основе бериллия-меди, сплавов на основе меди-никеля-олова, супераустенитных нержавеющих сталей, сплавов на основе никеля-кобальта, сплавов на основе никеля-хрома, сплавов на основе никеля-молибдена-хрома и любых их смесей.
10. Кабель по п.1, в котором оболочка из стойкого к коррозии сплава содержит сплав на основе никеля-хрома или сплав на основе никеля-кобальта.
11. Кабель по п.1, в котором высокопрочная сердцевина выполнена из стали с прочностью более примерно 2900 МПа, а оболочка из стойкого к коррозии сплава содержит сплав на основе никеля-хрома.
12. Кабель по п.2, в котором изоляционный материал содержит
a) первый слой изоляционной оболочки, размещенный вокруг металлических проводников, причем первый слой изоляционной оболочки имеет первую относительную диэлектрическую проницаемость; и
b) второй слой изоляционной оболочки, размещенный вокруг первого слоя изоляционной оболочки и имеющий вторую относительную диэлектрическую проницаемость, которая меньше первой относительной диэлектрической проницаемости;
при этом первая относительная диэлектрическая проницаемость находится в пределах диапазона от примерно 2,5 до примерно 10,0, и при этом вторая относительная диэлектрическая проницаемость находится в пределах диапазона от примерно 1,8 до примерно 5,0.
13. Кабель по п.1, который имеет наружный диаметр от примерно 0,5 мм до примерно 400 мм.
14. Электрический кабель для буровой скважины по п.1, в котором упомянутый по меньшей мере один изолированный проводник представляет собой семь металлических проводников, заключенных в изоляционный материал, причем изолированный проводник окружен первым слоем бронепроволок, а первый слой бронепроволок окружен вторым слоем бронепроволок.
15. Электрический кабель для буровой скважины по п.1, содержащий семь изолированных проводников.
16. Электрический кабель по п.1, в котором оболочка из стойкого к коррозии сплава экструдирована поверх высокопрочной сердцевины, и эти оболочка и сердцевина подвергнуты волочению с получением бронепроволок.
17. Электрический кабель по п.1, в котором оболочка из стойкого к коррозии сплава представляет собой по меньшей мере один лист из стойкого к коррозии сплава, сформованный поверх высокопрочной сердцевины, и эти оболочка и сердцевина подвергнуты волочению с получением бронепроволок.
