CN101311762B - 模块化光电缆线单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于油田电线的模块化光电缆线单元。该模块化光电缆线单元包括多个缆线模块。缆线模块是可互换以便实现具有适用于特定应用的预定的遥测和电性能的模块化缆线单元。缆线模块能够是光纤模块、电力缆线或光电模块组件。构成模块化缆线单元的缆线模块优选地以三元组结构设置从而限定大致三角形相切周边，并且被具有圆形周边的聚合物外套层包围。模块化缆线单元的三元组结构有利于提高机械强度。还公开一种具有高机械强度的浮动管型光纤元件。

Description

模块化光电缆线单元

技术领域

本发明大致涉及一种光电缆线，尤其涉及一种模块化光电缆线单元(modular opto-electrical cable units)和它们的制造方法。

背景技术

本部分的说明仅提供关于本发明的背景信息，并且可能不构成现有技术。

当钻油井时，通常周期地将探测器下放到钻井中以便测量钻井横穿过的土壤地层的特性。典型地，测井缆线在钻井中支撑和移动探测器，携带探测器电源，和在探测器与地表仪器和控制装置之间传递控制指令。由于测量方法和测量仪器变得越来越复杂，因此需要具有高功率和更高数据传输速率的缆线。

为了提供具有高机械强度的缆线，提出了七线缆线(hepta cable)，该七线缆线由围绕中心导线的六个导线构成。尽管七线缆线提高了机械稳定性，但是七线缆线的遥测能力和功率输出能力有效。

公知的是，四线对绞结构的缆线具有高过滤能力。如图14所示，四线对绞结构的电线缆线200包括四个大的高功率导线202(仅表示一个)。四个小的螺旋导线204(仅表示一个)设置在相邻的大的高功率导线202形成的空隙中。形成在大的高功率导线202和小的导线204之间的间隙可用填充材料填充以便把导线结合在一起。在填充材料206填充到间隙中之后，然后带208围绕导线202，204和填充材料206包裹以便形成缆线芯。保护套210包括两层铠甲电线212和214，然后围绕缆线芯包裹用于提供期望的机械强度，因此形成缆线组件200。

然而，四线对绞结构的缆线具有机械不稳定的缺点。在测井过程中，小光导线容易进一步挤压进相邻的大功率导线之间的空隙中，不容易损坏和短路。

因此，需要具有高机械强度、机械稳定性、功能传输和遥测能力的光电缆线。进一步地，在石油勘探中使用具有不同需求的更复杂和通用的井下工具，这也需要容易制造的、具有期望的遥测和功率传输能力的光电缆线，以便适应特定的应用。

发明内容

在一个优选的实施方式中，一种光纤元件，包括：至少一个光纤；包围所述至少一个光纤的管；和围绕管同轴地设置的外层。所述光纤宽松地容纳在管中，所述管能够相对于外层沿管的中心轴线移动。

在另一个实施方式中，一种光纤元件，包括：至少一个光纤；和包括第一部分和第二部分的主体。所述第一部分和第二部分协同地包裹至少一个光纤。

在另一个实施方式中，一种光纤元件包括：至少一个光纤或光纤元件；和被多个聚合物层包围的多个铜线或涂镍的铜线。

在另一个实施方式中，一种缆线模块，包括：主缆线装置，所述主缆线装置仅包括直径大致相等的三个主导线元件；和包裹所述主导线装置的外套层。所述三主导线元件邻接以便形成大致三角形相切周边。

在另一个实施方式中，一种缆线模块包括由多个铜线构成的电导线。该电导线上挤压有适当的绝缘材料。

在另一个实施方式中，一种模块化缆线单元，包括：多个缆线模块；包裹所述多个缆线模块的外套层，其中所述缆线模块是可互换的并且被选择成实现预定的遥测和电性能。

在另一个实施方式中，一种制造缆线模块的方法，包括如下步骤：设置三个主模块以便形成大致三角形相切周边；和围绕所述三个主模块涂覆外套层以便形成缆线模块。

在另一个实施方式中，一种制造模块化缆线单元的方法，包括如下步骤：制备具有不同遥测、光学和电特性的多个缆线模块；和邻接多个缆线模块以便形成具有预定的遥测、光学和电特性的模块化缆线单元。

根据这里的说明，进一步的应用领域将变得显然。可以理解的是，说明和特定实例仅用于解释，并不是用于限制本发明的保护范围。

附图说明

这里描述的附图仅用于说明，并不用于限制本发明的保护范围。

图1是根据本公开的教导构造的光纤元件的剖视图；

图2是根据本公开的教导构造的光纤元件的剖视图；

图3是根据本公开的教导的光纤元件的剖视图；

图4是根据本公开的教导的光纤元件的剖视图；

图5是根据本公开的教导的光纤元件的剖视图；

图6是缆线模块的剖视图，显示制造模块化缆线组件的系列步骤；

图7是模块化缆线单元的剖视图，显示制造模块化缆线单元(modularcable unit)的系列步骤；

图8是根据本公开的教导的模块化缆线单元的剖视图；

图9是根据本公开的教导的模块化缆线单元的剖视图；

图10a和10b是根据本公开的教导的模块化缆线单元的剖视图；

图11是根据本公开的教导的具有加强构件(strength member)的模块化缆线单元的剖视图；

图12是具有铠装***(armoring system)的模块化缆线单元的剖视图，显示围绕模块化缆线单元施加铠装***的系列步骤；

图13是显示缆线模块如何单独使用或组合使用；和

图14是现有技术的四线对绞缆线的剖视图。

具体实施方式

在整个附图中，相同参考标记表示相同部件。

以下说明仅是实例性的，并不是对本公开、应用或使用的限制。可以理解的是，在整个附图中，相同参考标记表示相同或对应部件和特征。

开始时，可以理解的是，整个说明书中使用的术语“缆线模块”是指可以单独使用的缆线或缆线组件，或可以与其它缆线或缆线组件组合形成模块化缆线单元的缆线或缆线组件。构成模块化缆线单元的缆线模块在不同应用中可互换。缆线模块能够是光纤导线、光纤导线组件、电导线、电导线组件、光电混合导线组件和任何其它具有预定遥测、电力或光学特性的导线或导线组件。

光纤元件

参考图1，根据本公开的教导构造的光纤元件大致用参考标记10表示。光纤元件10包括光纤12、围绕光纤12设置的绝缘层14、围绕绝缘层的缓冲层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和绝缘层14形成光纤组件16。优选地由碳形成的绝缘层14是密封的并且能够承受高温。绝缘层14放置在光纤12之上并且设置有阻挡H₂O和H⁺的障碍物，因而防止氢侵蚀和水解。绝缘层14还提高光纤元件10的屈服应力等级和静疲劳抵抗力，因而增加光纤元件10的使用寿命。

优选地，光纤12具有高数值孔径(numerical aperture)和比传统的通信光缆更小的芯1。高数值孔径光纤需要更小的光纤芯尺寸，以便保持恒定的截止波长。高NA光纤降低了它们对微观和宏观弯曲引起的光信号衰减的敏感性。

缓冲层18围绕光纤组件(optical fiber ensemble)16，并且与光纤组件16紧密接触。缓冲层18称作“紧密缓冲器”，因为缓冲层18与光纤组件16紧密接触，这与采用导管形式并宽松地包含光纤组件16的“宽松缓冲器”相反。缓冲层18优选地包括在光纤组件16上挤压的硅层20和在硅层20上挤压的PFA(全氟环氧(perfluoroalkoxy))层22。

外部硅层或其它适当的软聚合物24挤压在缓冲层18上以便缓冲光纤组件16，从外部分配施加在光纤组件16上的任何压缩负载。由于具有该构造，光纤缆线10不容易遭受张应力和弯曲应力，因而减小信号衰减。

参考图2，参考标记30表示根据本公开的教导的可选的光纤元件。光纤元件30包括多个光纤12(仅表示一个)，多个光纤12宽松地容纳在管34中，外部聚合物层36围绕管34同轴地设置。管34由金属或聚合物制成，用于包含容纳在其中的光纤12。外部聚合物层提高了机械强度。

在管34和外部聚合物层36之间设置至少一个中间层38。中间层38可由凝胶或软聚合物、织物、发泡和填充的软聚合物或它们的组合形成。中间层38允许管34“浮动地”容纳在外部聚合物层36中，从而使得“浮动”管34能够响应施加在光纤元件30上的张力、相对于外部聚合物层36沿管34的中心轴线滑动。因为相当大的张力和/或弯曲应力施加到光纤元件30，这导致“浮动”管34的滑动运动，光纤12能够抵抗张力和/或弯曲应力被更有效地保护在管34中。因此，光纤元件30的疲劳强度得到了极大的改善。这样，就没有必要在光纤12上涂布碳涂层来提高光纤12的强度。管还可提供抵抗H₂O和H⁺，因而防止氢侵蚀和水解。

参考图3，参考标记40表示根据本公开的教导的可选光纤元件。光纤元件40包括多个光纤12(仅表示一个)和用于在其中容纳多个光纤12的管42。管42具有多层结构，并包括以同心方式设置的多个管状体44，多个管状体44中的一个设置在另一个的内侧。多个管状体44中的一个“浮动地”容纳在另一个的内侧，从而使得当弯曲或张力施加到光纤元件40时，管状体44能够相对于相邻管状体44沿光纤元件40的中心轴线滑动，以便防止张力和/或弯曲力传递到光纤12上。因此，这种多层结构进一步提高光纤元件40的机械强度和疲劳寿命。

管状体44的数量不限于图3所示的四个。进一步地，尽管在图3中没有显示，与图2中相同的中间层可设置在相邻管状体44之间，以便于管状体44的滑动运动。

参考图4，参考标记50表示根据本公开的教导的可选光纤元件。光纤元件50包括：多个光纤组件16(仅表示一个)；包括第一部分52和第二部分54的主体。第一和第二部分52和54由金属或聚合物制成，并围绕光纤芯16，光纤芯16包括光纤12和绝缘涂层14，作为非限制实例，绝缘涂层14为碳涂层。光纤组件16被第一和第二部分52和54紧紧地夹持，并且不能在其中***。外部聚合物层56挤压在第一和第二部分52和54上以便把光纤组件16固定到位。外部聚合物层56还用作绝缘。光纤组件16的数量不限于图4所示的三个。

尽管图4显示了光纤元件，但是可以理解的是，可以用一个以上电元件或光电元件来代替一个以上的光纤组件16以便形成电元件或光电混合缆线。

光电混合缆线元件

参考图5，参考标记60表示光电混合元件组件。光电混合元件60包括如图1所描述的光纤元件10、围绕光纤元件10的多个电导线62(仅表示一个)、围绕多个电导线62的第一聚合物层64、和围绕第一聚合物层64的第二聚合物层66。因为光纤元件10的结构已经在图1中说明，为了简洁省略了它的说明。

多个电导线62优选地具有多个铜线或涂覆镍的铜线的形式。多个电导线62螺旋地包裹光纤元件10，并且部分地嵌在光纤元件10的外部硅层24中。

第一聚合物层64挤压在多个电导线62上，第二聚合物层66挤压在第一聚合物层64上。适当地选择用于第一聚合物层64和第二聚合物层66的材料以便增加光电混合缆线的机械强度，并且提供所需的电特性，例如避免串话干扰、电磁干扰。

缆线模块

参考图6，参考标记70表示根据本公开的教导的光电缆线模块。光电缆线模块70包括主缆线装置(primary cable package)，该主缆线装置仅具有三个主缆线，三个主缆线以三元组结构(triad configuration)设置，即主缆线具有大致相等外直径并且邻接以便形成大致三角形相切周边。相切周边通过三个主缆线的三个切线限定。具有三元组结构的缆线模块提高了机械强度。在本示例实例中，三个主缆线装置括光纤元件72和两个电导线缆线元件74。光纤元件72具有与图2和3的光纤元件30和40相似的“浮动管”结构。电导线元件74是标准的电导线组件，每个电导线组件包括被绝缘层78包围的多个电导线76。光纤元件72和电导线元件74适当地设置成包围填充元件78和形成大致三角形三元组结构。填充元件78可包括高扭曲合成线80和挤压在线80上的软变形聚合物82。用于填充模块的另一个实施例包括由多个电导线“B”(仅表示一个)构成的标准电导线“A”。电导线“A”上挤压软变形聚合物82。外部聚合物层84挤压在三个元件72、74上以便形成具有外周边86的圆周截面。

下面将更详细地说明缆线模块70的制造过程。首先，设置中间填充元件78和包括一个光纤元件72和两个电导线组件74的三个主元件。电导线74和光纤元件72围绕中心填充元件78或A螺旋地缠绕。当光纤元件72和两个电导线74包裹住填充元件78时，填充元件78的变形聚合物82发生变形以便填充三个元件72和74之间的间隙。填充元件78可通过加热软化以便容易变形。

在围绕填充元件78设置三个元件72和74以及填充元件78变形后，在缠绕导线上挤压外套层(优选地为软聚合物层84)以便产生具有外周边86的圆形截面。外周边86靠近三个元件72和74限定的外周边，从而使得外周边86和元件72和74限定的间隙88比元件72和74小，并且那里没有比将设置在间隙88(仅表示一个)中的三个元件72和74大的空间。

由于光纤元件72和电力元件74的尺寸小，光电缆线模块70具有有限的电功率能力，并因此适用于低功率应用。光电缆线模块70能够单独使用或与其它缆线组件或缆线模块组合使用以便形成更大的模块化缆线单元，该更大的模块化缆线单元具有高的电功率特性，下面将详细说明。

模块化缆线单元

参考图7，参考标记90表示根据本公开的教导的模块化光电缆线单元。模块化光电缆线单元90包括第一缆线模块92、第二缆线模块94和第三缆线模块96。第一缆线模块92、第二缆线模块94和第三缆线模块96具有大致相等外直径并且以三元组结构设置。第一、第二和第三缆线模块92、94和96是可互换的，并且可适当地选择以便实现具有期望的遥测性、电特性和机械强度的模块化缆线单元90。

更具体地，第一缆线模块92是具有与图6所描述的缆线模块相似结构的光电组件。第二缆线模块94和第三缆线模块96是电导线组件。除了高功率导线模块94和96包括具有更高功率能力的更大的高电导线(仅表示一个)之外，电导线模块94和96具有与图6所描述的低功率导线元件74相似的结构。结果，模块化缆线单元90能够用于更高功率应用。第一、第二和第三缆线模块92，94和96被外套层包围以便形成模块单元，外套层优选地为聚合物层99。

因为模块化缆线单元90具有与缆线模块70相似的结构，因此相同元件用相同参考标记表示，并且为了简洁省略其说明。制造过程也与图6所描述的相似，因此也省略它的说明。

参考图8，参考标记100表示根据本公开的教导的模块化光电缆线单元。模块化光电缆线单元100具有与模块化光电缆线单元90相似的结构，并且包括第一缆线模块102、第二缆线模块104和第三缆线模块106。第一缆线模块102是“浮动管型”光缆102并包括多个光纤12(仅表示一个)和管106，多个光纤12宽松地容纳在管106中。

光缆102具有与图2和3的光纤元件30和40相似的结构，除了管106具有更大直径以便携带更多个光纤12和与第二、第三缆线模块104、106的直径配合外。通过使用浮动型光纤模块102，而不是使用光电模块92，模块化缆线单元100具有更高的光学能力和遥测能力。

模块化缆线单元100还包括两个更低的电功率导线组件108，两个更低的电功率导线组件108设置在第一、第二和第三缆线模块102、104和106与外部聚合物层109的外周边110之间限定的间隙中，从而在保持电功率能力的同时提高遥测能力。第二缆线模块104和第三缆线模块106之间的剩余间隙用额外的光纤元件和电功率元件进一步地填充以便进一步提高遥测和功率能力。

尽管图8中没有显示，可用图5的绞合光电元件60、图4的具有保护性的第一和第二部分的光纤元件50来代替浮动管，以便改变模块单元的遥测和电特性。无论第一缆线模块如何互换，第一缆线模块的外直径应当与第二和第三缆线模块104和106的外直径大致相等，从而使得第一、第二和第三缆线模块102，104，106形成大致三角形相切周边。优选地，第一、第二和第三缆线模块102，104，106被设置成第一、第二和第三缆线模块102，104，106构成等边三角形的顶点。

参考图9，参考标记110表示根据本公开的教导的可选模块化光电缆线单元。模块化缆线单元110包括第一缆线模块112、第二缆线模块114和第三缆线模块116。第一缆线模块112、第二缆线模块114和第三缆线模块116具有相等的外直径并以三元组结构设置。第一缆线模块112是浮动管光纤模块。第二和第三缆线模块114和116被同轴缆线组件112屏蔽。两个电功率缆线模块118设置在间隙中。由于具有该结构，缆线模块110除了提供光电模块的光遥测外，还提供两个电屏蔽遥测路径。低数据速率电遥测能够用作备用件。

参考图10a，参考标记120表示根据本公开的教导的可选模块化光电缆线单元。模块化光电缆线单元120包括第一缆线模块122、第二缆线模块124和第三缆线模块126。第一缆线模块122、第二缆线模块124和第三缆线模块126具有相等外直径并以大致三角形结构设置。第一缆线模块122是与图6相似的光电混合模块。第二缆线模块124和第三缆线模块126是屏蔽的高功率缆线组件。第一、第二和第三缆线模块122、124和126被外套层包围，外套层优选地为聚合物层128。因为第一缆线模块122是具有功率传输能力的光电混合模块，设置在间隙中的电功率导线模块能够被除去。根据不同应用的所需遥测、电功率需求，第一、第二和第三缆线模块122、124和126与聚合物层的外周边之间限定的间隙提供用于附加的更小的导线或导线模块的空间。

在在图10b所示的另一实施例中，参考标记121表示根据本公开的教导的可选模块化光电缆线单元。模块化光电缆线单元121包括第一缆线模块112(如图9中所述)、第二缆线模块125和第三缆线模块127。第一缆线模块112、第二缆线模块125和第三缆线模块127具有相等外直径并以大致三角形结构设置。第一、第二和第三缆线模块112、125和127被外套层包围，优选地该外套层为聚合物层129。

具有加强构件的缆线模块/模块化缆线单元

当使用时，图6的缆线模块70或图7、8、9、10a和10b的模块化缆线单元90、100、110、120能够被加强构件包裹，以便提高机械强度。

参考图11，图7的模块化缆线单元90被加强构件130保护，加强构件130提供所需的机械强度。加强构件130包括相对于模块化缆线单元90的中心轴线螺旋地设置的第一电线组件132和第二电线组件134。第一铠甲电线组件132在螺旋方向上包裹，第二铠甲电线组件134在反螺旋方向上包裹。铠甲电线的第一层的放置方向与模块化缆线单元90内部的模块的放置方向相同，或者以相反方向放置。

参考图12，图7的模块化缆线单元90能够使用铠装***140。铠装***140从内部到外部包括强化聚合复合物142、第一加强元件144、第一聚合物层146、第二加强元件148和第二聚合物层150。优选地，强化聚合复合物142是纤维强化聚合复合物，更优选地，是短纤维强化聚合复合物。

第一加强元件144是铠甲电线的形式，其以一放置角度包裹并部分地嵌到短纤维强化聚合复合物142中。第一聚合物层146也是短纤维强化聚合物并挤压到第一加强元件144上以便于包裹第一加强元件144。第二加强元件148是铠甲电线的形式并在与第一加强元件144的方向相反的方向上螺旋地包裹。第二加强元件148部分地嵌入第一聚合物层146中。

第二聚合物层150也是短纤维强化聚合物并挤压到第二加强元件148上以便于包裹第二加强元件148。第二聚合物层150通过第二加强元件148之间的间隙结合到第一聚合物层146。具有小厚度的并且由新鲜橡胶材料制成的外层(未显示)能够用于覆盖第二聚合物层150以便产生平滑表面。

参考图13，其清楚地显示了根据应用，构成模块化缆线单元的缆线组件能够单独地使用。如图所示，模块化缆线单元160包括第一缆线模块162、第二缆线模块164和第三缆线模块166。第一缆线模块162是光电混合模块。第二缆线模块164是电功率模块。第三缆线模块166是单轴或同轴电导线。这些缆线模块162、164和166能够被铠装***140单独地包裹以便适用于特定应用。

根据本公开的教导，因为缆线组件制成缆线模块并互换使用，因此相对容易形成适用于各种应用的具有不同遥测特性、电特性的模块化缆线单元。

本发明的说明书仅是实例，因此在本发明的保护范围内，具有各种变化例，而不脱离本发明的精神。这种变化例不应当认为超出本发明的精神和保护范围。

Claims (2)

1.一种光纤元件，包括：

至少一个光纤；

包围所述至少一个光纤的管，其中所述光纤宽松地容纳在管中；和

围绕所述管同轴地设置的外部聚合物层，所述管借助于中间层浮动地容纳在所述外部聚合物层中，所述中间层设置在所述管和所述外部聚合物层之间，使得所述管能够相对于所述外部聚合物层沿管的中心轴线移动，

其中所述管包括同轴地设置的多个管状体，所述多个管状体中的一个浮动地容纳在另一个的内侧，使得当弯曲或张力施加到光纤元件时，管状体能够相对于相邻管状体沿光纤元件的中心轴线滑动。

2.根据权利要求1的光纤元件，其中所述中间层包括从凝胶、软聚合物、织物、和它们的任一组合所组成的组中选择的材料。