專利名稱：高強(qiáng)度/重量比細(xì)鋼絲繩和多線電纜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及一種油田作業(yè)中使用的細(xì)鋼絲繩電纜(slickline cables)。
背景技術(shù)：
電線中的光纖元件或永久檢測(cè)電纜對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用具有大的潛力。 不幸地，這種潛力被使它們?cè)谟吞镒鳂I(yè)中易受損的幾個(gè)缺點(diǎn)所抵消。例如， 高溫下暴露于氫導(dǎo)致光纖發(fā)黑，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸能力下降。光纖上的涂 層或其它聚合物保護(hù)層中的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的蒸發(fā)釋放氫，這能
夠侵襲光纖和使光纖變黑。氫侵襲存在水的玻璃是另一種損壞源。
進(jìn)一步地，當(dāng)與其它電纜元件相比，光纖的線性拉伸是有限的。這要 求在光纖元件中具有額外的光纖長(zhǎng)度，這導(dǎo)致制造過(guò)程復(fù)雜化。光纖元件 結(jié)構(gòu)缺乏橫向強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致潛在加載點(diǎn)和微小彎曲的問(wèn)題。這會(huì)導(dǎo)致光纖的 機(jī)械失效和/或信號(hào)衰減。
圖1A顯示典型的細(xì)鋼絲繩電纜。如圖所示，細(xì)鋼絲繩電纜100由包含 在內(nèi)部鋼管120內(nèi)的光纖110構(gòu)成，內(nèi)部鋼管120涂覆有聚合(其可以是連續(xù) 的或長(zhǎng)的強(qiáng)化纖維)化合物130。然后絕緣層140(其可包括環(huán)氧或其它熱塑 性等熱固性樹(shù)脂)附加在高分子復(fù)合物(polymer composite) 130上以便 完成細(xì)鋼絲繩芯。最后，外部鋼管150在細(xì)鋼絲繩芯上牽引以便完成細(xì)鋼 絲繩電纜100。
這種設(shè)計(jì)遇到幾個(gè)問(wèn)題。細(xì)鋼絲繩芯的高分子復(fù)合物130在制造期間 可變成橢圓形。內(nèi)部鋼管120可偏移高分子復(fù)合物130內(nèi)的中心。當(dāng)內(nèi)部 鋼管120和外部鋼管150之間的高分子復(fù)合物130厚度不足(例如，由于收 縮或其它因素)，當(dāng)電纜在槽輪上彎曲或纏繞時(shí)高分子復(fù)合物130和外部 鋼管150會(huì)彼此分離。
此外，細(xì)鋼絲繩電纜中使用不同材料會(huì)具有不同的熱膨脹系數(shù)，這會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題。例如，在制造期間，高分子復(fù)合物130和內(nèi)部鋼管120 容易膨脹。由于高分子復(fù)合物130固化和冷卻，它容易收縮和脫離內(nèi)部鋼 管120。此外，內(nèi)部鋼管120在縱向上的收縮得比高分子復(fù)合物130多。 在固化化合物期間，光纖會(huì)短時(shí)間經(jīng)受400 500 ° F的固化溫度，這會(huì)損 壞光纖的聚合物涂層。同樣，化合物的(纖維整理)會(huì)與環(huán)氧尸硬化(印oxy curing)干涉。
改進(jìn)細(xì)鋼絲繩電纜的一種方法是給光纖涂覆樹(shù)脂套以便形成更耐用 的光纖。圖1B顯示這種光纖，其具有在商業(yè)可獲得的光纖110上的連續(xù)或 長(zhǎng)的強(qiáng)化熱固性樹(shù)脂套115。
盡管圖1B所示的光纖更強(qiáng)，但是給光纖涂覆化合物樹(shù)脂套的過(guò)程會(huì)導(dǎo) 致一些問(wèn)題。例如，由于拉擠過(guò)程(pultrusion process)中的加載點(diǎn)會(huì)引 起光纖的高損失。環(huán)氧尸硬化時(shí)發(fā)生的收縮會(huì)影響光纖，并產(chǎn)生信號(hào)衰減 問(wèn)題。這需要仔細(xì)處理光纖以便盡可能地減少加載點(diǎn)，并且拉伸過(guò)程中的 過(guò)拉(overpull)會(huì)導(dǎo)致制造困難和耗時(shí)。這些光纖元件遇到的信號(hào)衰減的
高發(fā)生率在油田分布式溫度系統(tǒng)測(cè)量和需要長(zhǎng)距離遙控的應(yīng)用中是不能 接受的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及一種細(xì)鋼絲繩電纜。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例 的細(xì)鋼絲繩電纜包括預(yù)制的聚合物復(fù)合桿(polymer composite rod)， 所述預(yù)制的聚合物復(fù)合桿中具有通道；光纖，所述光纖設(shè)置在通道中；緊 固件，所述緊固件將光纖固定在通道內(nèi)，其中所述緊固件由從聚合物帶、 聚合物層、和聚合物帶與聚合物層的組合所組成的組中選擇的材料形成 和外部管，所述外部管設(shè)置在聚合物復(fù)合桿的外部，所述聚合物復(fù)合桿中 具有光纖。
本發(fā)明的另一個(gè)方面涉及一種用于制造細(xì)鋼絲繩電纜的方法。根據(jù)本 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的方法包括如下步驟預(yù)制其中具有至少一個(gè)通道的聚 合物復(fù)合桿；將至少一個(gè)光纖放置在聚合物復(fù)合桿中的至少一個(gè)通道中； 使用聚合物帶、聚合物層、或聚合物帶與聚合物層的組合把至少一個(gè)光纖 固定在至少一個(gè)通道中；把外部管設(shè)置在聚合物復(fù)合桿上。根據(jù)下面的說(shuō)明和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將變得顯然。


圖1A顯示現(xiàn)有技術(shù)的細(xì)鋼絲繩電纜；
圖1B顯示光纖芯的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)，該光纖芯具有包圍光纖的聚合化合
物層；
圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于制造細(xì)鋼絲繩電纜的方法的 流程圖3顯示制造本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光纖芯的過(guò)程； 圖4顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有兩個(gè)光纖的光纖芯；
圖5顯示制造本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的光纖芯的另一個(gè)過(guò)程； 圖6顯示制造本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的光纖芯的過(guò)程； 圖7顯示制造本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的光纖芯的過(guò)程； 圖8顯示具有容納本發(fā)明的實(shí)施例的光纖的不同形狀的通道的兩個(gè)光
纖；
圖9顯示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的制造光纖芯的過(guò)程，其使用多個(gè)
弧形楔件來(lái)形成樹(shù)脂套；
圖10顯示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的制造光纖芯的過(guò)程，其使用兩個(gè)
半圓形件來(lái)形成內(nèi)部管；
圖ll顯示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的制造光纖芯的過(guò)程，其使用兩個(gè) 聚合桿件來(lái)形成容納光纖的內(nèi)部管；
圖12顯示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的制造光纖芯的過(guò)程，其使用兩個(gè)
聚合桿件來(lái)形成容納光纖的內(nèi)部管；
圖13顯示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的制造光纖芯的過(guò)程，該光纖芯具 有包括多層的內(nèi)部管；
圖14顯示根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的光纖芯，該光纖芯除了具有光纖 外還具有幾個(gè)電導(dǎo)線；
圖15A-15C顯示包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的混合光纖-電導(dǎo)線芯 中的圍繞電導(dǎo)線的銅屏蔽罩的三個(gè)過(guò)程；
6圖16A和16B顯示本發(fā)明的實(shí)施例的具有電導(dǎo)線的光纖芯，該電導(dǎo)線包 括在與光纖相同的通道中；
圖17顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的制造光纖芯的可選方法，其使用 多個(gè)弧形聚合化合物帶來(lái)形成樹(shù)脂套；
圖18顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的制造光纖芯的另一可選方法，其 使用附接到內(nèi)部管的翼和多個(gè)組合帶來(lái)形成樹(shù)脂套；
圖19顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的細(xì)鋼絲繩電纜的實(shí)例，其中光纖 設(shè)置在內(nèi)部金屬管中。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的前述公開(kāi)和說(shuō)明是示意性的和說(shuō)明性，對(duì)于本領(lǐng)域熟練技術(shù) 人員而言，在不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下，可對(duì)尺寸、形狀和材料 以及這里的示意結(jié)構(gòu)或元件的組合的細(xì)節(jié)進(jìn)行變化。此外，電纜除了包括 己經(jīng)說(shuō)明的元件外，還能夠包括一些其它元件。在本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容和它 的詳細(xì)說(shuō)明中，每個(gè)數(shù)值僅用術(shù)語(yǔ)"大約(about)"限定一次(除非已經(jīng)清 楚地如此限定了)，那么將不再次限定除非在本文中有特別表示。
本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種細(xì)鋼絲繩電纜，特別是具有高強(qiáng)度/重量比 的細(xì)鋼絲繩電纜，和制造這種電纜的方法。為了避免在制造過(guò)程中光纖暴 露于高溫，光纖可放置在預(yù)制的復(fù)合元件(composite components)組裝的 結(jié)構(gòu)中。這種復(fù)合元件可利用光纖、特別是連續(xù)的或長(zhǎng)強(qiáng)化纖維。在一個(gè) 方面中，在涉及制造細(xì)鋼絲繩電纜的方法的本發(fā)明的實(shí)施例中，光纖包圍 在預(yù)制件組裝的復(fù)合樹(shù)脂套中。在另一個(gè)方面中，涉及具有聚合化合物涂 覆光纖元件的細(xì)鋼絲繩電纜的本發(fā)明的實(shí)施例可進(jìn)一步包括電導(dǎo)體元件。
如上所述，制造圖1B所示的傳統(tǒng)細(xì)鋼絲繩電纜或"耐用"光纖的現(xiàn)有 方法是不理想的，因?yàn)樗鼈兪构饫w經(jīng)受高溫。本發(fā)明的實(shí)施例通過(guò)預(yù)制元 件避免了這些問(wèn)題中的一些，前述預(yù)制元件組裝形成復(fù)合樹(shù)脂套，該復(fù)合 樹(shù)脂套包括或形成用于容納光纖的通道。
圖2顯示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意方法。如圖2所示，方法20首先形 成包括用于容納光纖的通道的復(fù)合樹(shù)脂套(步驟22)。具有通道的復(fù)合樹(shù)脂 套可以幾種方式形成，下面將更詳細(xì)說(shuō)明。請(qǐng)注意，復(fù)合樹(shù)脂套可具有單個(gè)通道或多于一個(gè)的通道，以便容納一個(gè)或更多個(gè)光纖和/或其它線(例如
導(dǎo)線)。樹(shù)脂套優(yōu)選地由強(qiáng)化纖維聚合化合物，更優(yōu)選地是連續(xù)的或長(zhǎng)強(qiáng)
化纖維聚合化合物。
一旦形成具有用于容納光纖的通道的復(fù)合樹(shù)脂套，光纖可放置到通道
中(步驟24)。如果樹(shù)脂套以多個(gè)單件形成，可在組裝多個(gè)單件的同時(shí)或之
后執(zhí)行把光纖放置在通道中的步驟。
接下來(lái)，光纖固定在樹(shù)脂套中(步驟26)。可用各種材料和方法來(lái)把光 纖固定在樹(shù)脂套中，包括使用帶、聚合層、或它們的組合。聚合層可包括
適當(dāng)?shù)牟牧?，這些適當(dāng)?shù)牟牧习ǖ痪窒抻跓崴苄圆牧?，例如聚四?乙烯一全氟甲基乙醚聚合物
(polytetrafluoroethylene-perfluoromethylvinylether polymer, MFA)，全氟垸氧鏈垸聚合物(perfluoro-alkoxyalkane polymer, PFA),聚 四氟乙烯(polytetrafluoroethylene polymer, PTFE)，乙烯一四氟乙烯 聚合物(ethylene-tetrafluoroethylene polymer, ETFE)，乙烯一丙烯共 聚物(ethylene-pr叩ylene copolymer, EPC)，聚乙烯(4-甲基-1-戊烯)(可 從Mitsui Chemicals' Inc.得到TPX⑧)，其它的聚烯烴，其它的含氟聚合 物，聚乙烯芳基乙醚酮聚合物(polyaryletherether ketone polymer, PEEK),聚亞苯基硫化聚合物(polyphenylene sulfide polymer, PPS)， 改性聚亞苯基硫化聚合物(modified polyphenylene sulfide polymer), 聚醚酮聚合物(polyether ketone polymer, PEK)，順丁烯二酐改性聚合 物(maleic anhydride modified polymers), Parmax SRP聚合物(由 Mississippi Polymer Technologies,工nc基于替代聚乙烯(1， 4-亞苯基) 結(jié)構(gòu)制造的自加強(qiáng)聚合物，前述替代聚乙烯(1, 4-亞苯基)結(jié)構(gòu)中的每個(gè)亞 苯基具有來(lái)自大范圍有機(jī)基的取代R基)等，以及它們的混合物，或者設(shè)置 是環(huán)氧等熱塑性材料。 一旦制成光纖芯，絕緣層可放置在光纖組件上，并 且外部金屬管可在樹(shù)脂套或絕緣層上拖拽以便完成細(xì)鋼絲繩電纜(步驟 28)。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，細(xì)鋼絲繩電纜結(jié)合至少一個(gè)光纖，該光纖可任 何通常可得到的光纖。這種光纖例如可由玻璃或塑料材料制成。光纖可以 是單或多樣式光纖，也可使用彎曲不敏感光纖(bend-insensitiveoptical fibers)。在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例中，光纖可涂覆樹(shù)脂，例 如丙烯酸脂、硅樹(shù)脂、全氟烷氧脂(perfliioroalkoxy， PFA)、聚亞胺樹(shù)脂 等。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，光纖在相對(duì)于光纖束的中心軸線定向成零 放置角度或適當(dāng)放置角度的地方可捆成束。在光纖處于非零度的放置角度 的情況中，優(yōu)選地相對(duì)于光纖束的中心軸線的角度為1 21度，更優(yōu)選地 相對(duì)于光纖束的中心軸線的角度為1 15度。
如上所述，包圍光纖的復(fù)合樹(shù)脂套優(yōu)選地由強(qiáng)化纖維聚合化合物制 成。用于本發(fā)明的強(qiáng)化纖維聚合化合物的聚合物可以是熱塑性樹(shù)脂或熱固 性樹(shù)脂。熱固性樹(shù)脂可以包括環(huán)氧、酯、亞胺羧等。熱塑性樹(shù)脂例如可 以包括聚醚酮酮(polyether ketone ketone, PEKK);聚醚醚酮(polyether ether ketone, PEEK);聚醚酮(polyether ketone, PEK);聚苯硫醚 (polyphenylene sulfide, PPS)和含氟聚合物(例如，Tefzel (DuPont, Wilmington, DE) ， PFA)，聚四氟乙烯一全氟甲基乙醚聚合物 (TFE-Perfluoromethylvinylether copolymer, MFA)，氟化乙烯丙烯聚合 物(FEP)， 和乙烯一氯三氟乙烯共聚物
(ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, ECTFE))。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，強(qiáng)化纖維聚合化合物中使用的纖維可以是碳； 玻璃；芳族聚酰胺(例如Kevla^、 Twaro，等)；石英；陶瓷；或其它金 屬，例如鋁、鋼；或其它適當(dāng)?shù)暮辖?。這些纖維優(yōu)選是用于強(qiáng)化形成包圍 光纖的樹(shù)脂套的聚合物的長(zhǎng)連續(xù)纖維。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，也可使 用長(zhǎng)切割纖維(long cut fibers)。
本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員可以知道，細(xì)鋼絲繩電纜的其它元件可以包括例 如絕緣層和外部管。用于絕緣層的材料可以包括乙烯一丙烯共聚物 (ethylene-propylene copolymer, EPC)、聚乙烯(4-甲基-1-戊烯)(可從 Mitsui Chemicals, Inc.得到1 乂 )和聚乙烯等聚合物；或氟化乙烯丙烯 (FEP)聚合物、乙烯一 四氟乙烯聚合物(Tefzel )、全氟烷氧鏈垸聚合物 (perfluoro-alkoxyalkane polymer, PFA)、 聚四氟乙烯聚合物 (polytetrafluoroethylene polymer, PTFE)、聚四氟乙烯一全氟甲基乙 醚聚合物 (polytetrafluoroethylene-perfluoromethylvinylether polymer, MFA)和乙烯一 四氟乙烯的聚合物(ETFE)等含氟聚合物。圍繞細(xì)鋼絲繩電纜的外部管例如可以是鋼、Inconel (Special Metals Corporation, New Hartford, NY) 、 MP35 (H. C. Starck， Inc., Newton, MA)、或其它任何適當(dāng)?shù)暮辖稹?br> 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，用于包圍光纖的復(fù)合樹(shù)脂套可包括單件(單一 整體桿)或幾個(gè)部分的桿?？捎酶鞣N方法制備這種桿或多個(gè)部分的桿，可 用各種方法把光纖組裝進(jìn)這種桿(復(fù)合樹(shù)脂套)中，然后組裝進(jìn)細(xì)鋼絲繩電 纜中。下面將在實(shí)例中說(shuō)明這些方法。
根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，細(xì)鋼絲繩電纜用的復(fù)合樹(shù)脂套可以包括單 個(gè)聚合物桿。如圖3所示，具有用于放置光纖的通道302的聚合物復(fù)合桿301 可通過(guò)擠出、拉擠(pultrusion)或滾擠(rolltrusion)制造。通道302形成 有芳香族聚酰胺(例如，產(chǎn)自DuPont， Wilmington, DE的Kevlar⑧)線303， 該芳香族聚酰胺線303用作光纖的占位物(placeholder),以便在聚合物復(fù) 合桿301中產(chǎn)生通道302。
如圖3所示，以六個(gè)步驟顯示該方法。在步驟A中，聚合物復(fù)合桿301 形成有包圍在其中的聚芳基酰胺線303，以便產(chǎn)生通道302。在聚合物復(fù) 合桿301冷卻后，聚芳基酰胺線303冷卻并收縮，聚合物復(fù)合桿301 然后可刻劃(步驟B)而在聚合物復(fù)合桿301中形成開(kāi)口 304 (步驟C)。然后， 聚芳基酰胺線303去除(步驟D)，在聚合物桿301中留下通道302。在 步驟E中，光纖110可放置在通道302中。最后，熱塑性或熱固性材料 305(本實(shí)例中是帶的形式)可施加在聚合物復(fù)合桿301上以便把光纖 110保持在位(步驟F)。如果使用帶，那么帶可由與聚合物復(fù)合桿301以 及擠出的聚合物層結(jié)合的任何適當(dāng)?shù)臒崴苄曰驘峁绦詮?fù)合材料形成。可選 地，聚合物材料(例如PEEK， PEK， PEKK或PPS)可以是在聚合物復(fù)合桿上擠 出的管，以便把光纖保持在適當(dāng)位置。在一些實(shí)施例中，可使用帶和聚合 物層的組合。
盡管圖3所示方法顯示了在聚合物復(fù)合桿301中形成單個(gè)通道302，但 是該方法也可用于形成具有多于一個(gè)通道的桿，如圖4所示，其顯示具有 兩個(gè)通道402的聚合物復(fù)合桿401。
兩個(gè)通道402可用于保持兩個(gè)光纖、光纖和導(dǎo)線的組合、或其它組合。 本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員可以知道，可在聚合物復(fù)合桿中制成任何數(shù)量的通
10道。
盡管上述實(shí)例使用聚芳基酰胺線作為在樹(shù)脂套中形成通道的占位物， 但是也可使用不與強(qiáng)化纖維聚合化合物粘結(jié)的其它材料。例如，根據(jù)本發(fā) 明的一些實(shí)施例，可使用一些聚合物(沒(méi)有纖維強(qiáng)化或具有短纖維強(qiáng)化)形 成光纖用通道。這些聚合物可包括熱塑性材料，例如PEEK; PEK; PEKK; PPS;聚丙烯(PP); TPX ;或EPC。另外，其它聚合物包括聚酰胺、聚 酯和含氟聚合物。這些材料可包括尼龍-6;尼龍-11;尼龍-12;尼龍-66;
聚丁烯三鄰苯二甲酸酯(polybutylene terphthalate ， PBT);全氟乙烯 聚合物(FEP); Halar (Solvay Solexis， Hillsborough, NJ); MFP; PFA; 和Tefzel⑧。
在上述實(shí)例中，在形成復(fù)合樹(shù)脂桿的過(guò)程中形成容納光纖的通道。本 領(lǐng)域熟練技術(shù)人員可以知道的是，光纖用通道也可在強(qiáng)化纖維聚合物復(fù)合 桿已經(jīng)拉擠、擠出或滾擠之后通過(guò)機(jī)加工形成。圖5顯示這些方法的一個(gè) 示意。如圖所示，首先形成聚合物復(fù)合桿501(狀態(tài)A)，例如通過(guò)拉擠、 擠出或滾擠。然后，在桿501上機(jī)加工用來(lái)容納光纖的通道502(狀態(tài)B)。 接下來(lái)，光纖110放置在通道中(狀態(tài)C)。最后，用帶、聚合物層、或帶 和聚合物層的組合來(lái)密封通道(狀態(tài)D)。
可選地，在形成復(fù)合桿期間，強(qiáng)化纖維聚合化合物可拉擠、擠出、或 滾擠成包括通道，而不借助占位物。例如，如圖6顯示，強(qiáng)化纖維聚合物 復(fù)合桿601制有通道602(狀態(tài)A)。光纖110然后放置到通道602中(狀態(tài)B)。 之后，用帶、聚合物層、或帶和聚合物層的組合來(lái)把光纖固定在位(狀態(tài) C)。請(qǐng)注意，沒(méi)有表示通道如何形成，通道可構(gòu)造成寬松或松弛地容納光 纖。
以上說(shuō)明的實(shí)例具有單個(gè)整件構(gòu)造的樹(shù)脂套。本發(fā)明的一些實(shí)施例可 具有多個(gè)部件構(gòu)造的復(fù)合樹(shù)脂桿，這些多個(gè)部件組裝形成復(fù)合樹(shù)脂桿(或 套)。例如，圖7所示，兩個(gè)強(qiáng)化纖維聚合化合物部件(701A， 701B)可構(gòu)造 有互補(bǔ)的輪廓，用于當(dāng)組裝時(shí)形成通道702?；パa(bǔ)形狀的強(qiáng)化纖維聚合物 部件701A， 701B可通過(guò)拉擠、擠出或滾擠(狀態(tài)A)形成。盡管所示的兩 個(gè)部件701A和701B具有不同尺寸，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以知道 的是，它們可具有相同尺寸和/或形狀。 一個(gè)或更多個(gè)光纖IIO可設(shè)置在通過(guò)組裝形成通道的地方(狀態(tài)B)。最后，兩個(gè)部件701A和701B通過(guò)熱塑性或熱固性帶、聚合物或帶和聚合物的組合組裝和固定在一起。請(qǐng)注意，通過(guò)多個(gè)部件的組裝形成的通道不需要貼身地裝配光纖，并且通道可具有各種形狀。圖8顯示多個(gè)部件組裝后的具有不同形狀的通道的一些實(shí)
盡管圖7中的實(shí)例使用兩個(gè)部件形成復(fù)合樹(shù)脂套，但是圖9顯示另一個(gè)實(shí)例，該實(shí)例包括由六個(gè)弧形輪廓部件形成的復(fù)合樹(shù)脂桿/套。如圖9所示，光纖110可首先包裹在內(nèi)部聚合物管112中，該內(nèi)部聚合物管112可由具有或不具有短切割纖維的聚合物制成(狀態(tài)A)?；⌒屋喞?01可圍繞內(nèi)部聚合物管112的圓周組裝以便形成復(fù)合樹(shù)脂套(狀態(tài)B)?；⌒屋喞?01可通過(guò)拉擠、擠出、或滾擠強(qiáng)化纖維聚合化合物形成?；⌒屋喞?01之間的空間可用新鮮橡膠906填充，內(nèi)部聚合物管可使用同樣的方法和同樣的聚合化合物112 (狀態(tài)C)。此外，新鮮橡膠層907可涂覆在組裝好的桿上，以便幫助固定組裝件?？捎眠m當(dāng)?shù)姆椒ò研迈r橡膠(virgin polymer)填充在桿的間隙中和桿上，例如擠壓。
最后，短纖維強(qiáng)化聚合物的另一層909(其可以是絕緣層)可放置在外層907上以便完成光纖組裝。請(qǐng)注意，用于內(nèi)部聚合物管112的聚合物、填充在連續(xù)或長(zhǎng)纖維強(qiáng)化聚合物楔之間的聚合物906、涂層907、組合中使用的聚合物、和最終層909可包括相同的基礎(chǔ)聚合物。整個(gè)組件能夠放置在外部金屬管中，如同傳統(tǒng)的細(xì)鋼絲繩電纜。
在圖9所示實(shí)例中，內(nèi)部聚合物管112由單個(gè)整體件構(gòu)成。本領(lǐng)域普
通技術(shù)人員可以知道的是，該內(nèi)部聚合物管或復(fù)合樹(shù)脂套還可采用與圖7一9相似的方式由多個(gè)部件構(gòu)造成。此外，多個(gè)部件的分界面可構(gòu)造成組裝時(shí)能夠互鎖。
圖10顯示由兩個(gè)板圓形分段1001形成的內(nèi)部復(fù)合樹(shù)脂套管的實(shí)例。兩個(gè)半圓形部件1001圍繞光纖110組裝，然后聚合物層1007擠壓在組裝件上(兩個(gè)部件1001之間)以便把"復(fù)合樹(shù)脂套"固定在光纖IIO (狀態(tài)B)上，并形成更加圓的圓形輪。最后，外部金屬管1009可在組件上牽引拉拽以便完成光纖元件(狀態(tài)C)。
圖10顯示的兩個(gè)半圓形部件組裝時(shí)不需要具有圓形外輪廓。事實(shí)上，
12如圖11所示，在制造期間，平坦表面的結(jié)合可便于部件位置的控制，并且在用于形成這些輪廓的拉擠期間能夠允許更好地控制尺寸。如圖io所示，圖ll所示的兩個(gè)部件可以相似方式組裝，在組裝后聚合物層1011擠壓在兩個(gè)部件1007上。聚合物層1011有助于固定兩個(gè)部分組件和產(chǎn)生圓形外輪廓。最后，外部金屬管1009可在聚合物層1011上牽引拖拽，以便完成光纖元件。圖ll所示的兩個(gè)部件之間的分界面還可構(gòu)造成當(dāng)組裝時(shí)彼此互鎖。
圖12顯示另一個(gè)實(shí)施例，其中組裝形成內(nèi)部管的兩個(gè)部件的外輪廓具有大致平坦表面。本領(lǐng)域的普通技術(shù)可以知道，在不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下，其它修改和變化是可能的。此外，盡管上述實(shí)例顯示在組件中具有一個(gè)光纖，但是可在中心管中結(jié)合任意數(shù)量的光纖，該中心管可由新鮮橡膠(virgin polymer)、短纖維強(qiáng)化聚合物、長(zhǎng)纖維強(qiáng)化聚合物、或連續(xù)纖維強(qiáng)化聚合物。同樣，多個(gè)光纖可螺旋地捆綁在一起，并代替相對(duì)于軸線定向成零放置角度(lay angle)的一個(gè)或多個(gè)光纖。
上述圖1A和9顯示包裹光纖的內(nèi)部管由單層管制成。然而，本發(fā)明的實(shí)施例可包括由多層制成的內(nèi)部管。圖13顯示在內(nèi)部管中包括兩層的實(shí)例。如圖所示，兩層中每層包括兩個(gè)半圓形半體，兩個(gè)半圓形半體可如上所述地組裝。另外，兩個(gè)半圓形半體之間的分界面構(gòu)造成互鎖。
本發(fā)明的一些實(shí)施例涉及細(xì)鋼絲繩電纜，該細(xì)鋼絲繩電纜還包括一個(gè)或更多個(gè)電導(dǎo)線。該電導(dǎo)線可以是標(biāo)準(zhǔn)的絕緣導(dǎo)線或?qū)盈B介電導(dǎo)線(stacked dielectric conductor),例如美國(guó)專利No 6,600， 108中所述的
層疊介電導(dǎo)線，通過(guò)引用它們結(jié)合到本文中。電導(dǎo)線可包括在與容納光纖相同的通道中或不同的通道中?？蛇x地，這種電導(dǎo)線可嵌在細(xì)鋼絲繩電纜中的一個(gè)或多個(gè)聚合物層中。該聚合物層包括形成包裹光纖的內(nèi)部管或前述連續(xù)長(zhǎng)強(qiáng)化纖維聚合物復(fù)合桿(樹(shù)脂套)的層。圖14顯示了一個(gè)實(shí)例。如圖14所示，銅線1401嵌在形成內(nèi)部管的聚合物層中。這些導(dǎo)線可放置在聚
合物層中的零放置角度(或任何適當(dāng)放置角度)。
如果考慮射頻(rf)或電磁干擾(EMI)，導(dǎo)線用適當(dāng)材料屏蔽。例如，
為了減少射頻干擾，可使用銅、鋁、鍍鋅鋼、或?qū)щ娤鹉z、塑料或漆。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，屏蔽(例如銅屏蔽)可設(shè)置在絕緣導(dǎo)線上以便射頻干擾最小。屏蔽可使用適當(dāng)?shù)你~板、圓線或銅帶等形式的材料制備。圖15A -15C顯示放置屏蔽(例如，銅屏蔽)的三種不同方法。圖15A顯 示使用帶1510形式的材料的"香煙包裹(cigarette wr即ping)"方法。在 該方法中，帶是縱向地包裹在導(dǎo)線上的金屬薄片、醋酸鹽。圖15B顯示圍 繞導(dǎo)線以螺旋形路徑包裹帶1512或線的方法。圖15C顯示沿縱向放置的兩 個(gè)帶1514 (或平板件)的方法，當(dāng)兩個(gè)半圓形件組裝形成圍繞導(dǎo)線的管時(shí) 該兩個(gè)帶1514夾著導(dǎo)線并圍繞導(dǎo)線包裹。請(qǐng)注意，這些方法僅用于說(shuō)明。 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以知道，在不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，具有其它 變化例。
根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，細(xì)鋼絲繩電纜可包括一個(gè)或多個(gè)光纖和一 個(gè)或多個(gè)導(dǎo)線，即，電線一光纖混合型細(xì)鋼絲繩。如圖16A所示，根據(jù)本 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的細(xì)鋼絲繩可包括光纖1610和纏繞光纖1610的幾個(gè)導(dǎo) 線。電線一光纖混合型芯保持在聚合物(例如紫外固化環(huán)氧物(UV curable 印oxy)、熱塑性樹(shù)脂等)制的內(nèi)部管1620中。內(nèi)部管1620被復(fù)合樹(shù)脂套 1630包圍，復(fù)合樹(shù)脂套1630可由上述連續(xù)或長(zhǎng)強(qiáng)化纖維聚合化合物制成。 聚合物1640的附加層(例如絕緣層)可設(shè)置在樹(shù)脂套1630的外部。樹(shù)脂套 1630可由紫外固化環(huán)氧物、熱塑性樹(shù)脂或其它適當(dāng)材料等制成。最后，外 部金屬管1650在聚合物層1640上牽引拖拽以便完成細(xì)鋼絲繩電纜。請(qǐng)注 意，本實(shí)施例中的聚合物層可由紫外固化環(huán)氧物制成。通過(guò)使用紫外固化 環(huán)氧物，無(wú)需使光纖經(jīng)受當(dāng)在光纖上擠出或拉擠熔融聚合物時(shí)遇到的加熱 問(wèn)題。放置在電纜的中心軸線上的光纖實(shí)際上可由一個(gè)或多個(gè)光纖形成， 在一些情況中，可以一束螺旋定向的光纖形式形成，甚至以多個(gè)光纖圍繞
中心光纖定向的方式形成。
圖16A中所示的實(shí)施例僅用于說(shuō)明。在不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍的情 況下，可有其它變化和修改。例如，圖16B顯示一變化例，其中多于一個(gè) 的光纖包括在細(xì)鋼絲繩電纜中。例如，其它變化例可包括圖2 — 15中的任 何特征。例如，電纜中的一個(gè)或多個(gè)聚合物層可包括多個(gè)部件。組裝的不 同部件之間的分界面可構(gòu)造成具有互補(bǔ)輪廓或具有互鎖特征。
其它變化例可包括使用弧形連續(xù)或長(zhǎng)強(qiáng)化纖維聚合化合物帶來(lái)形成 樹(shù)脂套，該樹(shù)脂套保持光纖芯。如圖17所示，幾個(gè)弧形連續(xù)或長(zhǎng)強(qiáng)化纖維 聚合化合物帶1701圍繞光纖一導(dǎo)線芯組裝以形成復(fù)合樹(shù)脂套1730。請(qǐng)注
14意，弧形強(qiáng)化纖維聚合化合物帶的幾個(gè)層可用于形成多層樹(shù)脂套。然后，
熱固或熱塑層1740施加在復(fù)合樹(shù)脂套1730上，熱固或熱塑層1740可以是 絕緣層。熱固或熱塑層1740可結(jié)合到復(fù)合帶上的樹(shù)脂或不結(jié)合到復(fù)合帶上 的樹(shù)脂。最后，外部金屬管1750在熱固或熱塑層1740上牽引拖拽以便完成 細(xì)鋼絲繩電纜。
圖18顯示另一變化例。如圖18所示，光纖一導(dǎo)線芯可包裹在內(nèi)部聚合 物管中，內(nèi)部聚合物管可具有翼1801。翼1801設(shè)計(jì)成填充弧形聚合化合物 帶1S03之間的間隙，弧形聚合化合物帶1803用于組裝形成復(fù)合樹(shù)脂套。一 旦樹(shù)脂套形成，附加聚合物層1805可擠壓在復(fù)合樹(shù)脂套上。用于附加聚合 物層1805的聚合物可以與構(gòu)成翼1801的聚合物相同。適當(dāng)?shù)牟牧侠缈砂?括PEEK或其它熱塑樹(shù)脂。最后，外部金屬管1807可在附加聚合物層1805 上牽引拖拽以便完成細(xì)鋼絲繩電纜。
盡管上述大部分實(shí)例被描述成具有包裹光纖的聚合物，但是本發(fā)明的 實(shí)施例不局限于這種光纖設(shè)計(jì)。圖19顯示一個(gè)實(shí)例，其中一個(gè)或多個(gè)光纖 被包裹在內(nèi)部金屬管中。該實(shí)施例與圖1A所示的細(xì)鋼絲繩電纜中的傳統(tǒng)光 纖芯相似。
如圖19所示，光纖1910松弛地設(shè)置在內(nèi)部管1920中，或者甚至螺旋捆 綁地設(shè)置在內(nèi)部管1920中，內(nèi)部管1920可以是金屬或塑料的，內(nèi)部管1920 被包裹在預(yù)制元件制成的復(fù)合樹(shù)脂套1930中。復(fù)合樹(shù)脂套1930的外部可 涂覆有附加聚合物層1940。最后，外部金屬管1950在附加聚合物層1940 上牽引拖拽以便完成細(xì)鋼絲繩電纜。
有利地，本發(fā)明具有下面的一個(gè)或多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的一些實(shí)施例具 有光纖芯，該光纖芯形成有預(yù)先形成的樹(shù)脂套，從而使得光纖在制造過(guò)程 中不經(jīng)受高溫。樹(shù)脂套可由一個(gè)或多個(gè)部件形成，該一個(gè)或多個(gè)部件組裝 形成容納光纖的通道。本發(fā)明的一些實(shí)施例包括在細(xì)鋼絲繩電纜中的電導(dǎo) 線用于傳導(dǎo)電力或電信號(hào)。
盡管已經(jīng)根據(jù)有限數(shù)量的實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但是對(duì)于本領(lǐng)域的熟 練技術(shù)人員而言，受益于本發(fā)明的公開(kāi)，在不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍的情 況下，能夠?qū)崿F(xiàn)其它實(shí)施例。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍僅由所附權(quán)利要求 限定。
權(quán)利要求
1.一種電纜，包括預(yù)制的聚合物復(fù)合桿，所述預(yù)制的聚合物復(fù)合桿中具有通道；光纖，所述光纖設(shè)置在通道中；和緊固件，所述緊固件將光纖固定在通道內(nèi)，其中所述緊固件由從聚合物帶、聚合物層、和聚合物帶與聚合物層的組合所組成的組中選擇的材料形成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的電纜，還包括設(shè)置在聚合物復(fù)合桿外部的外部管， 所述聚合物復(fù)合桿中具有光纖。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的電纜，還包括包裹光纖的內(nèi)部管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的電纜，其中所述內(nèi)部管是金屬管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的電纜，其中所述內(nèi)部管是聚合物管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的電纜，其中所述聚合物管由多個(gè)部件組裝成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的電纜，其中所述聚合物復(fù)合桿由連續(xù)或長(zhǎng)纖維強(qiáng) 化復(fù)合物制成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的電纜，其中所述聚合物復(fù)合桿包括多個(gè)部件和通 過(guò)組裝所述多個(gè)部件而形成在聚合物復(fù)合桿中的通道。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的電纜，其中所述聚合物復(fù)合桿包括多個(gè)部件和通 過(guò)組裝所述多個(gè)部件而形成在聚合物復(fù)合桿中的通道。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l的電纜，還包括設(shè)置在外部管和聚合物復(fù)合桿之 間的絕緣層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l的電纜，其中所述外部管是金屬管。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l的電纜，還包括至少一個(gè)電導(dǎo)線。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的電纜，其中所述至少一個(gè)電導(dǎo)線是從絕緣導(dǎo)線和層疊介電導(dǎo)線中選擇的。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12的電纜，其中所述至少一個(gè)電導(dǎo)線與所述光纖一起設(shè)置在通道中。
15. 根據(jù)權(quán)利要求ll的電纜，其中所述至少一個(gè)電導(dǎo)線嵌在聚合物復(fù)合桿中。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12的電纜，還包括圍繞所述至少一個(gè)電導(dǎo)線的屏蔽。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的電纜，其中所述屏蔽是銅屏蔽。
18. 根據(jù)權(quán)利要求l的電纜，其中所述電纜是細(xì)鋼絲繩電纜。
19. 根據(jù)權(quán)利要求l的電纜，其中所述電纜配送到井眼中。
20. —種電纜，包括預(yù)制的聚合物復(fù)合桿，所述預(yù)制的聚合物復(fù)合桿中具有通道； 光纖，所述光纖設(shè)置在通道中；和外部管，所述外部管設(shè)置在聚合物復(fù)合桿的外部，所述聚合物復(fù)合桿 中具有光纖。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種高強(qiáng)度/重量比細(xì)鋼絲繩和多線電纜。細(xì)鋼絲繩電纜包括預(yù)制的聚合物復(fù)合桿，所述預(yù)制的聚合物復(fù)合桿中具有通道；光纖，所述光纖設(shè)置在通道中；緊固件，所述緊固件將光纖固定在通道內(nèi)，其中所述緊固件由從聚合物帶、聚合物層、和聚合物帶與聚合物層的組合所組成的組中選擇的材料形成；和外部管，所述外部管設(shè)置在聚合物復(fù)合桿的外部，所述聚合物復(fù)合桿中具有光纖。還公開(kāi)一種制造細(xì)鋼絲繩電纜的方法，其包括步驟預(yù)制其中具有至少一個(gè)通道的聚合物復(fù)合桿；將至少一個(gè)光纖放置在聚合物復(fù)合桿中的至少一個(gè)通道中；使用聚合物帶、聚合物層、或聚合物帶與聚合物層的組合把至少一個(gè)光纖固定在至少一個(gè)通道中；把外部管設(shè)置在聚合物復(fù)合桿上。
文檔編號(hào)G02B6/44GK101539649SQ20081008305
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2008年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月18日
發(fā)明者丹·塔巴蘭, 弗拉基米爾·赫爾南德斯-索羅斯, 約瑟夫·瓦凱, 金秉俊, 阿尼爾·塞恩, 香農(nóng)·尼姆強(qiáng) 申請(qǐng)人:普拉德研究及開(kāi)發(fā)股份有限公司