专利名称：具有改进疲劳寿命的弯曲不敏感性的光-电电缆的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及光-电电缆，并且更具体地涉及用于油田测井电缆、 地震勘探的混合光-电电缆及其制造方法。
背景技术：
本部分中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息，并且可能不构成现 有技术。
当正钻探油井时，探头通常周期地下降进入钻井以测量它横过的地层 的特征。典型地，测井电缆在钻井中支持并运动探头，为探头运送电力， 并且在探头与地表处的仪器和控制设施之间中继控制指令和数据。由于测 量和测量仪器己变得更精密，数据传输速度已增加到现有电缆可能变得饱 和的点。
如光纤电话电缆所展示的，光纤技术能够增加多个数量级的数据传输 速率。然而由于使用测井电缆的要求条件，电话光纤电缆将是不可接受的。 电话电缆被设计以在使用中保持静止，并且不会遇到在油井中发现的温度 与压力极端情况。
相反，测井电缆围绕滑轮反复拉动，并随着它下降进入井和从井提升 出来在绞车巻筒上巻上和巻下。因此，该电缆必须承受围绕几英尺直径的 反复弯曲，和数千磅的张力。
一旦在井中，电缆遇到可能超过每平方英寸
2万磅的压力和可能超过175°C的温度。然而，光纤对变形(尤其点负载) 极敏感，这极大地增加了光纤内的光信号的衰减。它们也对湿气敏感，湿 气在'光纤中攻击微小裂纹，减小其强度。此外，它们对原子和分子氢敏感， 氢与石英(Silica)反应，增加了光纤的衰减。当制造电缆时，并且随后当使 用时，电缆部件(电导体、强度部件等)上的应力(弯曲与拉伸)使它们 在电缆内相对于彼此运动。这能够导致光纤的局部变形。拉伸电缆拉伸了 光纤，从而增加了其应力，加重了其衰减，并且有时导致它们断裂。井内的高压和高温有助于湿气和氢侵入电缆和光纤。如指示，典型的光学电话 通信电缆不是为这些操作条件而设计的。
考虑到前述内容，Anderson等人的U.S. 4,375,313中公开了一种与本 申请共同转让的期望用于油井和地震勘探应用的光-电电缆，其与本申请共 同转让，该专利的内容通过参考整体并入这里。该U.S. 4,375,313专利公 开了一种缓冲结构，用于保护光纤免于湿气、氢和不均匀的应力。虽然这 种缓冲结构适合反复和苛求的测井应用，考虑到在更深油和气井中应用电 缆和采用要求增加数据传输量的更精密的工具，仍需要更好地缓冲光纤对 抗应力和湿气以及氢保护。
发明内容
本发明的实施方案提供了具有提高的弯曲不敏感性、疲劳寿命和对氢 侵蚀的保护的光纤元件、混合光-电导体、混合光-电导体组件和光-电芯组 件。在一种优选形式中，光纤元件包括光纤和围绕光纤的碳层。
在另一种形式中，混合光-电导体包括至少一个光纤元件；围绕至
少一个光纤元件设置的至少一个电导体；和围绕至少一个电导体设置的固 定层，用于将至少一个电导体固定到位。该至少一个光纤元件包括光纤和 围绕光纤元件的碳层。
在另一种形式中，混合光-电导体组件包括成捆设置的多个光-电导 体；和用于结合多个光-电导体的填充材料。该光-电导体每个包括光纤元 件和包围光纤元件的电导体。该光纤元件具有光纤和围绕光纤的碳层。
在另一种形式中，混合光-电导体包括至少一个光纤元件；围绕至 少一个光纤元件设置的至少一个电导体；第一聚合物；和第二聚合物层。 第一聚合物层将至少一个电导体固定就位。第二聚合物层包围第一聚合物 层，用于提高光-电导体的机械强度。
在另一种形式中，混合光-电导体组件包括:成捆设置的多个光-电导 体；嵌条；和填充材料。多个光-电导体确定了外部轮廓和相邻光-电导体 之间的多个间隙。多个嵌条设置在邻近外部轮廓的间隙中。填充材料填充 在间隙中，以连结多个导体和嵌条以形成芯组件。
在另一种形式中，用于电缆组件的护套系统包括适合包围电缆芯的聚合物复合材料；包围聚合物复合材料的第一强度元件；包围第一强度元 件的第一聚合物层；包围第一聚合物层的第二强度元件；和包围第二强度 元件的第二聚合物层。
在另一种形式中，制造光电导体组件的方法包括提供多个光-电导 体；成捆设置多个光-电导体，这些光-电导体确定了外部轮廓和相邻光-电 导体之间的多个间隙；将多个嵌条放置在邻近外部轮廓的间隙中；将填充 材料填充入间隙中；和将保护层放置在导体和嵌条周围。
通过这里提供的描述，更进一步的应用范围将很明显。应该理解描 述和具体实例意图仅是用于说明目的，并不是对本发明的范围进行限制。
这里描述的附图仅用于说明的目的，并不是意图以任何方式限制本发 明的范围。
图1是根据本发明的教导构造的光纤元件的横断面视图。 图2是根据本发明的教导构造的可选光纤元件的横断面视图。 图3是根据本发明的教导构造的混合光-电导体的横断面视图。 图4是根据本发明的教导构造的可选混合光-电导体的横断面视图。 图5是根据本发明的教导构造的混合光-电芯组件的横断面视图。 图6是根据本发明的教导构造的另一可选混合光-电电缆组件的横 断面视图。
图7是根据本发明的教导构造的另一可选混合光-电电缆组件的横 断面视图。
图8是根据本发明的教导构造的可选电缆芯组件的横断面视图，和 图9， 10和11是混合光-电导体组件的芯组件的横断面视图，显示 了根据本发明的教导制造芯组件的顺序步骤。 在几个附图中，对应标号指示对应的部件。
具体实施例方式
下述描述本质上仅是说明性的，并不意图限制本发明、应用或用途。
应该理解在全部附图中，对应的标号指类似或对应的部件和特征。光纤元件
参照图1，显示了根据本发明的教导构造的光纤元件，并总地由标号 10指示。光纤元件10包括光纤12;围绕光纤12设置的碳层14;
围绕碳层14的缓冲层18;和围绕缓冲层18的外部硅层24。光纤12 包括芯1和覆层2。
光纤12和碳层14形成光纤组件16。碳层14是密封、耐高温的， 并被放置在光纤12上以提供对H20和H"的屏障，从而保护防止氢侵 蚀和水解。碳层14也增加了光纤元件10的试验应力水平，和耐静疲劳， 从而增加了光纤元件10的使用寿命。
优选地，光纤12具有高数值孔径(Numerical Aperture)和比传统电 信光纤更小的芯1。高数值孔径光纤要求更小的光纤芯尺寸以保持恒定的 截止波长。高NA光纤减小了光纤对由微弯曲和大弯曲造成的光信号衰 减敏感性。
缓冲层18包围光纤组件16，并紧密接触光纤组件16。缓冲层18 被称作"紧缓冲"，因为缓冲层18与光纤组件16紧密接触，与可能采用 导管形式和宽松地包含光纤组件16的"松缓冲"相反。缓冲层18包括挤 压成形在光纤组件16上的硅层或其它适合的软聚合体20和挤压成形 在硅层20上的PFA(全氟垸氧基)层22。
外部硅层或其它适合的软聚合体24被挤压成形在缓冲层18上，以 缓冲光纤组件16并分散在光纤组件16上来自外部的任何压縮负载。利 用这种结构，光纤元件10更不易受拉伸应力和弯曲应力影响，从而减小 信号衰减。
参照图2，显示了可选光纤元件并由标号30总地指示。光纤元件30 具有类似于光纤元件10的结构，区别在于光纤元件30包括三个光纤 组件16。
应理解和认识到根据应用，光纤元件10或30可具有任意数目的 光纤组件16。此外，光纤组件16可被布置以确定圆形横断面以外的横 断面。在不背离本发明的精神的情况下，可以采用其它配置。在敷设它们 以形成捆前，每种光纤组件16可涂覆有硅或其它适合的软聚合物3。
混合光-电导体参照图3，显示了混合光-电导体并由标号40总地指示。混合光-电 导体40包括光纤元件10;包围光纤元件10的多个电导体42;包围
多个电导体42的固定层44;和包围固定层44的强化层46。如前面描
述的，光纤元件10包括光纤12;碳层14;缓冲层18;和包围缓冲
层18的外部硅层24。
在这个所示实例中，多个电导体42采用多条铜线或镀镍铜线的形 式。多个电导体42被螺旋地缠绕在光纤元件10周围，并部分嵌入光纤 元件10的外部有机硅(silicone)层24。
固定层44被设置在多个电导体42周围，用于将多个电导体42固 定就位。在一些优选实施例中，固定层是可作为第一聚合物层的聚合物层， 该聚合物层被挤压成形在多个电导体42周围以锁定电导体42。聚合物 层44优选地由诸如含氟聚合物、聚烯烃、聚亚苯基、软弹性体、热塑性 弹性体等制成。这些材料的一些非限制性实例包括聚烯烃类；聚四氟乙 烯-全氟甲基乙烯基醚聚合物(MFA);全氟烷氧基链垸聚合物(PFA);聚四 氟乙烯聚合物(PTFE);乙烯-四氟乙烯聚合物(ETFE);乙烯-丙烯共聚物 (EPC);聚(4-甲基-l-戊烯)(可从三井化学公司(Mitsui Chemicals, Inc.)获得 的TPX⑧);其它含氟聚合物；聚芳基醚醚酮聚合物(PEEK);聚苯硫醚聚合 物(PPS);改性聚苯硫醚聚合物；聚醚酮聚合物(PEK);顺丁烯二酸酐改性 的聚合物；全氟烷氧基聚合物;氟化乙烯丙烯聚合物；聚四氟乙烯-全氟甲 基乙烯基醚聚合物；聚酰胺聚合物；聚氨酯；热塑性聚氨酯；乙烯三氟氯 乙烯聚合物聚合物(诸如Halar );氯化乙烯丙烯聚合物；Parmax SRP聚 合物(由密西西比聚合物技术公司(Mississippi Polymer Technologies, Inc) 生产的自强化聚合物，其基于取代的聚(l，4-亚苯基)结构，其中每个亚苯基 环具有从多种有机基团衍生的取代基R基团)；ECTFE; PAEK; Santoprene;硅(Silicon);乙烯-四氟乙烯共聚物(Tefzd); EPDM; Engage; Infose;含氟热塑性弹性体等；及其任何混合物。
强化层46包围固定层44，用于保护包围其中的光纤元件10和电 导体42。强化层46包括挤压成形在固定层44上的第二聚合物层48; 和挤压成形在第二聚合物层48上的第三聚合物层50。用于第二聚合物 层48和第三聚合物层50的材料被适合地选择以增加用于混合光-电导体40的机械强度，并提供所需的电属性。
例如，第二聚合物层48能够由比第三聚合物层50更硬的材料制 成，以提供期望的机械强度。第二聚合物层48的适合材料包括类似 PEEK, PEK, PK， PAEK等的聚芳基醚酮族；Parmax; PPS或改性的PPS; 类似Tefzel, ECTFE等的碳纤维强化含氟聚合物；强化和韧化的PTFE; 等。第三聚合物层50用于提供期望的电属性，诸如期望的阻抗和低电信 号衰减。第三聚合物层50的适合材料包括诸如PP, PE， EPC， TPX的 聚烯烃；诸如Tefzel, MFA, ECTFE, PFA， FEP, PTFE等的含氟聚合物。
虽然未在图中显示，应理解和认识到第三聚合物层50能够设置邻 近固定层44，并且第二聚合物层48能够设置在第三聚合物层50周围。 可以避免固定层44与层48和50 —起，和仅与层48和50相配。
在一些实施例中，第一聚合物层44可被去除。光纤将由第二聚合物 层48和第三聚合物层50保护。在一些实施方案中，第二聚合物层44 可在第三聚合物层50外部上，以使组件(package)具有对来自外力的更好 的抗破碎性。
参照图4，显示了可选光-电导体并由标号54总地指示。光-电导体 54不同于图3的光-电导体40之处在于光-电导体54包括三个光纤 组件16。应理解和认识到在光-电导体中能够包括任意数目的光纤组件 16，不会背离本发明的范围。
混合光-电电缆芯组件
参照图5，显示了根据本发明的教导构造的混合光-电电缆芯组件， 并总地由标号60指示。光-电电缆芯组件60包括成捆设置的多个光-电导体40;带62，包围多个光-电导体40 ，用于将光-电导体40捆在 一起；和包围带62的保护层64。由于已参照图3描述了光-电导体40， 为了简明在这里省略了其描述。
应指出虽然显示了 7个光-电导体40，应理解和认识到根据应用， 在混合光-电电缆芯组件60中能够包括任意数目的光-电导体40。此外， 包围在这里的光-电导体40能够由具有3个光纤组件16的图4的光-电导体54完全或部分替换，不会背离本发明的范围。
多个光-电导体40确定了外部轮廓和相邻光-电导体40之间的多个间隙66。多个嵌条68被设置在由带62和两个相邻导体40包围的 间隙66中，以便导体40和嵌条68确定了接近电缆芯组件60的期 望横断面的形状的外部轮廓。嵌条68包括扭曲玻璃纤维芯74和挤压成 形围绕扭曲玻璃纤维芯74的聚合物层76。
填充材料70填充在间隙66中，用于将导体40和嵌条68结合在 一起。
在这种例证性的实例中的保护层64是挤压成形在带62上的聚合 物护套64，以提供机械稳定性和保护。电缆40、嵌条68、带62、填充 材料70和聚合物护套64形成芯组件60。聚合物护套64可根据应用 由一个或多个层组成，包括短纤维强化的聚合物复合材料。
参照图6，显示了混合光-电电缆组件并由标号90总地指示。电缆 组件90包括相对于芯组件60的中心轴螺旋布置的第一金属线组件92 和第二金属线组件94。第一金属线组件92沿螺旋方向缠绕，并且第二 金属线组件94沿反螺旋方向缠绕。铠装线的第一层可以是与螺旋光-电导 体40相同的铺设方向，或能够沿相反方向铺设。
参照图7，显示了另一混合光-电电缆芯组件并由标号100总地指 示。该光缆芯组件100具有类似于前面描述的电缆芯组件40, 60, 80的 结构，除了保护层的结构。
更具体地说，电缆组件100具有设置在电缆芯组件60周围的护套 系统102，使用短纤维强化复合材料作为聚合物护套64。以从内向外的 顺序，铠装组件(package) 102包括第一强度元件106;第一聚合物层 108;第二强度元件110;和第二聚合物层112。
将短纤维强化聚合物复合材料64应用于，优选地挤压成形在带62 上。第一强度元件106采用铠装线的形式，以铺设角度缠绕并部分嵌入 短纤维强化聚合物64。第一聚合物层108也被短纤维强化，并挤压成形 在第一强度元件106上包住它。第一聚合物层108通过第一强度元件 106之间的间隙结合到聚合物护套64。第二强度元件110采用铠装线的 形式，并沿与第一强度元件106相反的方向螺旋缠绕。第二强度元件110 被部分地嵌入第一聚合物层108。
第二聚合物层112也被短纤维强化，并挤压成形在第二强度元件106上包住它。第二聚合物层112通过第二强度元件110之间的间隙结合到第一聚合物层108。具有小厚度并由新鲜橡胶(virginpolymer)材料制成的外层(未显示) 能够被应用覆盖第二聚合物层112以产生平滑的低摩擦表面。芯组件参照图8，显示了可选芯组件并由标号120总地指示。芯组件120 包括多个第一光-电导体122;和多个第二光-电导体124。在图8中， 显示了 4个第一光-电导体122和5个第二光-电导体124。第一导体 122和第二导体124具有类似于导体40 (图3)、 90 (图6)、 100 (和图7) 的结构，但不局限于说明书描述和附图中显示的结构。根据应用，可以改 变光纤元件10的数目、电导体42、缓冲结构或保护层的数目和缠绕设 置。如所示，第一导体122和第二导体124由带126包围。第一导体 122具有比第二导体124更大的直径。第一导体122确定了多个间隙 125。第二导体124被设置在邻近带126的间隙125中。多个嵌条68被 设置在邻近带126并且两个相邻第一和第二导体122和124之间的间 隙125中。填充材料130填充在间隙125中，用于将导体122,124和 嵌条68结合在一起。虽然未在图8中显示，结合图5, 6或7描述的聚合物护套64将 被设置在120的顶部以完成电缆芯组件。本发明的一些其它实施例包括混合光-电电缆芯组件，包括成捆设 置并确定外部轮廓的多个光-电电缆和在相邻光-电电缆导体之间的多个间 隙；设置在邻近外部轮廓的间隙中的多个嵌条；和填充在间隙中的填充材 料，以结合多个电缆和嵌条以形成芯组件。光纤元件可包括光纤；覆盖 在光纤上的碳；围绕碳覆层的缓冲层；和挤压成形在缓冲层周围的硅层或 任何其它软弹性体或热塑层，以及螺旋地缠绕在光纤元件周围的多个铜线 或镀镍铜线。第一聚合物层可包围铜线或镀镍铜线，用于将铜线固定就位， 并且第二聚合物层可包围第一聚合物层。可选地，第三共聚物层可包围第 二共聚物层。在另一实施方案中，光-电电缆芯组件包括成捆设置的多个光-电导体；光电导体每个包括光纤组件，具有光纤和围绕光纤的碳层；包围光纤元件的电导体；和用于结合多个光-电导体的填充材料。多个光-电导体确定了多个间隙，并且填充材料填充间隙。 制造方法结合图5参照图9到11，现在更详细地描述制造光-电电缆组件的 示例性的方法。首先，多个光-电组件40成捆设置以确定接近电缆组件的期望横断面 的结构。多个光-电导体40形成外部轮廓，和确定相邻导体40之间的多 个间隙66。接下来，如图10所示，多个嵌条68被放置在邻近由多个导体40 确定的外部轮廓的间隙66中，以便由成捆导体40和嵌条68确定的 轮廓接近期望的横断面。填充材料70则填充在所有间隙66中，以将导 体40和嵌条68结合在一起。如图11所示，在填充材料70填入间隙66后，带62则缠绕在导 体40和嵌条68周围，并且将聚合物护套64被应用于顶部，从而形成 芯组件60。两层铠装线92和94 (图6)或铠装组件系统102 (图7) 被应用于电缆芯组件60的顶部，从而形成电缆组件90或100。利用光纤元件10、光电导体40、芯组件60和从而光缆组件100的 结构，具有碳层14的光纤12具有提高的疲劳寿命，并且更不易受弯曲 应力影响。碳层14也保护防止水解。此外，通过根据本发明的光-电电缆、 电缆芯组件和保护层的特殊安排，光纤12被进一步凉护以对抗弯曲应 力。因此，光纤元件、光-电电缆和光-电电缆组件的使用寿命能够得以提 高。本发明的一些实施方案是制造光-电电缆组件的方法，包括提供多 个光-电电缆导体；成捆设置多个光-电电缆导体，所述多个光-电电缆导体 确定了外部轮廓和相邻光-电电缆导体之间的多个间隙;然后将多个嵌条放 置在邻近外部轮廓的间隙中；将填充材料填充入间隙中；然后在电缆和嵌 条周围放置保护层。这种方法还可包括在将填充材料填充入间隙以形成芯 组件后，在电缆和嵌条周围放置带。此外，这些方法可包括在电缆和嵌条 上挤压成形聚合物复合材料，其中在一些实例中，第一强度元件沿螺旋方向螺旋地缠绕在聚合物复合材料周围。铺设方向可以与螺旋光-电导体的铺 设方向相同或相反。
第一强度元件可包括多个铠装线。第一聚合物层可以挤压成形在第一 强度元件上，并且第二强度元件沿相反的螺旋方向缠绕在第一聚合物层周 围。此外，第二聚合物层可放置在第二强度元件上。
保护层还可包括具有封闭铠装线的聚合物护套，并且保护层可包括至 少两种铠装线。
本发明的上述描述实际上只是示范性的，因此未背离本发明要旨的变 化应在本发明的范围之内。这种变化不应被视为背离本发明的精神和范 围。
权利要求
1.一种光纤元件，包括光纤；以及包围光纤的碳层，以形成光纤元件。
2. 根据权利要求1所述的光纤元件，其中碳层包括覆盖在光纤上的碳。
3. 根据权利要求1所述的光纤元件，还包括围绕碳层的缓冲层。
4. 根据权利要求3所述的光纤元件，其中缓冲层与碳层紧密接触。
5. 根据权利要求3所述的光纤元件，还包括围绕缓冲层的硅层。
6. 根据权利要求3所述的光纤元件，其中缓冲层包括有机硅层； 软弹性体层；或热塑层；和全氟烷氧基(PFA)层或含氟聚合物层。
7. 根据权利要求3所述的光纤元件，还包括外部硅层。
8. 根据权利要求1所述的光纤元件，其中所述元件具有高数值孔径，从而减小了该元件对由微弯曲和大弯曲造成的光信号衰减的敏感性。
9. 一种混合光-电导体，包括至少一个光纤元件，该光纤元件包括光纤和围绕光纤的碳层；围绕至少一个光纤元件设置的至少一个电导体；和围绕至少一个电导体设置的固定层，用于将至少一个电导体固定到位。
10. 根据权利要求9所述的混合光-电导体，其中固定层包括第一聚合物层。
11. 根据权利要求9所述的混合光-电导体，还包括包围固定层的强化层，用于提高混合光-电导体的机械强度。
12. 根据权利要求11所述的混合光-电导体，其中强化层包括第二聚合物层和第三聚合物层。
13. 根据权利要求12所述的混合光-电导体，其中第二聚合物层被设置在固定层附近，并具有比第三聚合物层更大的硬度。
14. 根据权利要求9所述的混合光-电导体，其中至少一个电导体包括多条铜线或镀镍铜线。
15. 根据权利要求14所述的混合光-电导体，其中多条铜线或镀镍 铜线被螺旋地设置在至少一个光纤元件周围。
16. 根据权利要求9所述的混合光-电导体，其中至少一个光纤元 件还包括与碳层紧密接触的缓冲层，所述缓冲层包括硅层或任何其它软弹性体 或热塑层，和PFA层或其它适合的含氟聚合物，禾口挤压成形在缓冲层周围的外部硅层或任何其它软弹性体或热塑层。
17. —种用于电缆组件的铠装组件系统，包括适合包围电缆芯的聚合物复合材料； 包围聚合物复合材料的第一强度元件； 包围第一强度元件的第一聚合物层； 包围第一聚合物层的第二强度元件；和 包围第二强度元件的第二聚合物层。
18. 根据权利要求17所述的铠装组件系统，其中聚合物复合材料、 第一聚合物层和第二聚合物层中的至少一个经短纤维强化。
19. 根据权利要求17所述的铠装组件系统，其中第一强度元件部 分嵌入聚合物复合材料。
20. 根据权利要求17所述的铠装组件系统，其中第二强度元件部 分嵌入第一聚合物层中。
21，根据权利要求17所述的铠装组件系统，其中第一聚合物层包 围第一强度元件。
22. 根据权利要求17所述的铠装组件系统，其中第二聚合物层包 围第二强度元件。
23. 根据权利要求17所述的铠装组件系统，其中聚合物复合材料、 第一聚合物层和第二聚合物层中的至少一个通过挤压形成，并且从电缆芯 结合到第二聚合物层。
24. 根据权利要求17所述的铠装组件系统，还包括围绕第二聚合 物层设置的外部层，外部层具有平滑的低摩擦外部表面。
25. 根据权利要求17所述的铠装组件系统，其中第一强度元件和 第二强度元件包括铠装线。
26.根据权利要求25所述的铠装组件系统，其中铠装线沿相反的 方向螺旋缠绕。
全文摘要
一种用于油田测井电缆或地震勘探应用的混合光-电电缆组件，包括光纤元件和电导体。该光纤元件包括光纤和围绕光纤的碳层。该光纤可具有高数值孔径以减小光纤对由微弯曲或大弯曲造成的光信号衰减的敏感性。该碳层增加了光纤的疲劳寿命，并保护光纤防止氢侵蚀和水解。因此，光纤元件和光-电电缆组件更不易受弯曲应力影响并具有增加的使用寿命。还公开了一种用于保护光-电电缆组件的护套系统其制造方法。
文档编号H01B11/00GK101295061SQ200810092349
公开日2008年10月29日 申请日期2008年4月22日 优先权日2007年4月25日
发明者丹·塔巴兰, 弗拉基米尔·赫尔南德斯-索罗斯, 约瑟夫·瓦尔基, 苏里亚·西曼云塔, 金秉俊 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司