CABLES HÍBRIDOS REFORZADOS PARA SONDEO
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona a cables eléctricos para sondeo, así como a métodos para fabricar y utilizar tales cables. En un aspecto, la invención se relaciona a fibras ópticas reforzadas útiles para cables de acero eléctricos sólidos para sondeo. Generalmente, los yacimientos geológicos dentro de la tierra que contienen gasóleo y/o gas de petróleo tienen propiedades que pueden unirse con la capacidad de los yacimientos que contienen tales productos. Por ejemplo, los yacimientos que contienen gasóleo o gas de petróleo tienen resistividad eléctrica más elevada que aquellas que contienen agua. Los yacimientos que comprenden en general piedra arenisca o piedra caliza pueden contener gasóleo o gas de petróleo. Los yacimientos que comprenden en general esquisto, las cuales pueden también encapsular yacimientos petrolíferos, pueden tener porosidades mucho mayores que aquellas de la piedra arenisca o piedra caliza, pero, debido a que el tamaño de grano del esquisto es muy pequeño, puede ser muy difícil remover el aceite o gas atrapado en las mismas. Por consiguiente, puede ser deseable medir varias características de los yacimientos geológicos adyacentes a un pozo antes de la terminación para ayudar a determinar la ubicación de un yacimiento petrolífero de aceite y/o petróleo así como la cantidad de gasóleo y/o gas de petróleo atrapado dentro del yacimiento. Herramientas para diagrafía, las cuales son en general dispositivos en forma de tubos, generalmente largos, pueden descender en el pozo para medir tales características en diferentes profundidades a lo largo del pozo. Estas herramientas para diagrafía pueden incluir emisores/receptores de rayos gamma, dispositivos de calibración, dispositivos que miden la resistividad, emisores/receptores de neutrones y similares, los cuales se utilizan para detectar características de los yacimientos adyacentes al pozo. Un cable de perforación, tal como un cable de acero sólido, se conecta a la herramienta de diagrafía con una o más fuentes de energía eléctrica y un equipo de análisis de datos en la superficie de la tierra, así como proporciona un soporte estructural a las herramientas para diagrafía cuando desciende y se eleva a través del pozo. Generalmente, el cable de acero sólido para perforación se embobina fuera de una unidad de tambor desde un camión o una instalación marina, sobre poleas y hacia abajo dentro del pozo. Los cables para perforación, o incluso cables permanentes que monitorean el fondo del pozo, a menudo incluyen fibras ópticas para transmisión de datos. Aunque los componentes de fibras ópticas en cables para perforación o de supervisión permanente, tienen un vasto potencial para aplicaciones de transferencia de datos existen varias desventajas que los hace vulnerables para daño en operaciones de campos petrolíferos, incluyendo desventajas tales como: exposición a hidrógeno a temperaturas elevadas que resultan en un "oscurecimiento" de la fibra óptica cuya reducción en la capacidad para portar datos; el estiramiento lineal limitado de la fibra cuando se compara a los otros componentes de cable, requiriendo así un tramo de fibra adicional para ser construido en los componentes de fibra óptica, lo cual complica el proceso de fabricación; la volatilización de los compuestos orgánicos volátiles (VOCs) en recubrimientos u otras capas protectoras poliméricas en las fibras ópticas que liberan hidrógeno adicional, el cual puede atacar y oscurecer la fibra; el ataque hidrolítico de vidrio en la presencia de agua, lo cual puede conducir a fragilidad en el vidrio y susceptibilidad a degradación de transmisión de datos; o la falta de tenacidad transversal de la construcción del componente de fibra conduce a problemas de carga concentrada potencial y microflexión, los cuales pueden conducir a falla mecánica de la fibra y/o la atenuación incrementada de los datos. El procedimiento común utilizado para crear componentes de fibra óptica más reforzados es extruir por estirado una cubierta de resina epoxi termoendurecible reforzada con una fibra larga sobre una fibra óptica comercialmente obtenida, como se ilustra en la FIGURA 1. Como se muestra en la FIGURA 1, la fibra 102 óptica tiene una cubierta 104 de resina epoxi termoendurecible reforzada con una fibra larga extruída al momento para formar la fibra óptica reforzada. Este procedimiento para reforzar la fibra óptica tiene varias desventajas, incluyendo el daño a las fibras ópticas desde la carga concentrada durante el proceso de extrusión por estirado, el encogimiento que ocurre cuando el epoxi se cura puede colisionar en la fibra óptica y crear problemas de atenuación de señal, y el manejo de fibras ópticas más cuidadosamente para reducir la probabilidad de carga concentrada y el sobreesfuerzo durante el proceso de extrusión por estirado hace difícil la fabricación y requiere mucho tiempo. Una incidencia elevada de atenuación de señal encontrada con estos componentes de fibra óptica es inaceptable para uso en mediciones de DTS del campo petrolífero, y a menudo, los componentes pueden solamente utilizarse para transferencia de datos, y no como un conductor y un dispositivo de transferencia de datos. De este modo, existe una necesidad para cables eléctricos para sondeo con fibras ópticas reforzadas, los cuales siguen siendo durables durante y después del. proceso de fabricación de extrusión por estirado, mientras se tiene una capacidad conductora. Las fibras ópticas reforzadas útiles para formar cables los cuales superan uno o más de los problemas detallada anteriormente, los cuales serán más altamente deseables, y la necesidad se cumple al menos en parte por la siguiente invención.
COMPENDIO DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona a componentes de cable eléctrico para sondeo, y métodos para fabricar y utilizar tales componentes de cable. Particularmente, la invención se relaciona a fibras ópticas reforzadas útiles para formar cables de acero eléctricos, sólidos. Los componentes de fibra óptica reforzada de preferencia incluyen los siguientes elementos: una o más fibras ópticas recubiertas; conductores metálicos; resinas de refuerzo sin fibra; y resinas de refuerzo de fibra larga. La o las fibras ópticas se colocan en general en el centro del componente, aunque los conductores metálicos se colocan de forma helicoidal alrededor de la fibra óptica. Los conductores metálicos proporcionan la ventaja de incrementar transmisión de datos y de energía. La resina de refuerzo de fibra larga forma una cubierta externa alrededor de la combinación de fibras ópticas y conductores metálicos. Una resina de refuerzo sin fibra se coloca directamente sobre los conductores metálicos, así como entre los conductores y resina de refuerzo de fibra larga . Pueden fabricarse fibras ópticas reforzadas al utilizar tales medios como extrusión por estirado y o extrusión por embobinado. La resina utilizada para modificar las fibras podría ser del mismo material aplicado sobre los conductores metálicos, por lo que se une a la resina de refuerzo de fibra larga extruída por estirado o extruída por embobinado. Las fibras ópticas reforzadas de acuerdo con la invención pueden utilizarse como componentes para cables útiles para una variedad de operaciones subterráneas o submarinas, incluyendo, pero sin limitarse necesariamente a monocables, cables cuádruples, heptacables, cables de acero sólido, cables múltiples, cables coaxiales, cables de monitoreo permanente o cables sísmicos. Los cables preparados utilizando las fibras ópticas reforzadas de la invención pueden utilizarse con dispositivos de sondeo para propósitos de monitoreo, o incluso para realizar operaciones en sondeos para penetrar yacimientos geológicos que pueden contener depósitos de gas y aceite.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La invención puede entenderse para referencia a la siguiente descripción tomada junto con los dibujos anexos, en los cuales: La FIGURA 1 ilustra mediante vista en corte transversal un diseño de la técnica anterior típica para fibras ópticas reforzadas utilizadas en cables eléctricos para sondeo. La FIGURA 2 representa mediante vista en corte transversal una modalidad del componente de fibra óptica reforzada de acuerdo con la invención. La FIGURA 3 ilustra en vistas en corte transversal de la fibra óptica reforzada, un flujo de proceso para preparar una modalidad de la fibra óptica reforzada de acuerdo con la invención. La FIGURA 4 muestra la fibra óptica reforzada de la FIGURA 3, pero difiere en que las resinas termoplásticas se utilizan en lugar de las resinas termoendurecibles. La FIGURA 5 ilustra en vistas en corte transversal del proceso de fibra óptica reforzada etapas para aplicar resinas de refuerzo de fibra larga sobre los componentes de la fibra óptica para formar una modalidad de la invención. La FIGURA 6 muestra mediante vistas en corte transversal una modalidad de un cable de acero sólido que contiene una fibra óptica reforzada de la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA La descripción y ejemplos se presentan únicamente para el propósito para ilustrar las modalidades preferidas de la invención y no deben interpretarse como una limitación al alcance y la aplicabilidad de la invención. Aunque las modalidades de la presente invención se describen en la presente como comprendiendo ciertos materiales, se debe entender que los cables o fibras ópticas reforzadas podrían comprender opcionalmente dos o más materiales químicamente diferentes. Además, los cables o fibras ópticas reforzadas pueden también comprender algunos componentes diferentes de aquellos citados. En el resumen de la invención y en esta descripción detallada, cada valor numérico debe leerse una vez como modificado por el término "aproximadamente" (a menos que se modifique ya de esta forma abiertamente) y leerse de nuevo entonces como no modificado a menos que se indique de otra forma en el contexto. La invención se relaciona a componentes de cable eléctrico de sondeo, y métodos para fabricar y utilizar tales componentes de cable. Particularmente, la invención se relaciona a fibras ópticas reforzadas útiles para formar cables eléctricos de acero sólidos. Los componentes de fibra óptica reforzada incluyen los siguientes elementos: una o más fibras ópticas recubiertas; conductores metálicos; resinas de refuerzo sin fibra; y resinas de refuerzo de fibra larga. La o las fibras ópticas se colocan en general en el centro del componente, aunque los conductores metálicos se colocan de forma helicoidal alrededor de los conductores metálicos. Los conductores metálicos proporcionan datos mejorados así como transmisión de energía. La resina de refuerzo de fibra larga forma una cubierta externa alrededor de la combinación de fibras ópticas y conductores metálicos. Una resina de refuerzo sin fibra se coloca directamente en los conductores metálicos, entre los conductores y la resina de refuerzo de fibra larga. Se ha descubierto que los componentes de fibra óptica reforzada de la invención ofrecen las siguientes ventajas sobre los componentes de fibra óptica hechos con diseños de fibra óptica reforzada previa: proceso de fabricación más fácil; conductores metálicos helicoidalmente aplicados permiten mejor manejo de las fibras ópticas y protegen contra la carga durante la fabricación y las operaciones de implementación de sondeo; y los conductores metálicos también permiten funcionar a la fibra óptica reforzada como un conducto de uso dual para transmisión de datos y energía. Se ha comprendido también que las fibras ópticas de la invención superan problemas relacionados a exposición de hidrógeno a temperaturas elevadas los cuales resultan en un "oscurecimiento" de la fibra óptica que causa reducción en la capacidad de portación de datos. También, las fibras ópticas de la invención tienen sensibilidad mejorada a compuestos orgánicos volátiles (VOCs) en recubrimientos u otras capas protectoras poliméricas, así como la resistencia a ataque hidrolítico del vidrio en la presencia de agua. Además, los diseños de fibra óptica reforzada de la invención tienen tenacidad transversal mejorada para superar problemas de carga concentrada potencial y microflexión durante la fabricación. Cualesquiera fibras ópticas disponibles pueden utilizarse para formar las fibras ópticas reforzadas de la invención. Las fibras ópticas pueden ser fibras de modo sencillo o fibras de modo múltiple, las cuales se recubren. El recubrimiento puede servir para proteger la fibra de impactos y/u otras fuerzas experimentadas durante el manejo y en las operaciones. El recubrimiento puede, pero no necesariamente limitarse a un recubrimiento acrílico, un silicón/recubrimiento de PFA, o un recubrimiento de poliimida. Pueden utilizarse cualesquiera conductores metálicos adecuados. En las modalidades preferidas, los conductores metálicos son cobre, los cuales pueden crearse de alambres de cobre sólido o trenzados. Opcionalmente, la fibra óptica puede envolverse por ejemplo en un tubo, tal como tubos metálicos o compuestos. Fibras ópticas de acuerdo con la invención pueden tener además un relleno intersticial colocado sobre la fibra óptica la cual puede crearse de silicona, o cualquier polímero suave con propiedades similares, para permitir al relleno conformarse al espacio intersticial así como proporcionar amortiguación para las fibras ópticas. La influencia de amortiguación puede mejorar además el proceso de fabricación y durabilidad de la fibra óptica reforzada. Las fibras ópticas reforzadas incluyen una cubierta externa formada de una capa delgada de resina de refuerzo sin fibra adyacente a los conductores metálicos, seguida por una capa de resina de refuerzo de fibra larga colocada sobre las mismas. La cubierta puede proporcionar eléctricamente propiedades de aislamiento así como protección contra corrosión galvánica. Las fibras largas utilizadas pueden ser de carbón, vidrio o cualquier fibra natural o sintética adecuada. Aunque puede utilizarse cualquier resina adecuada utilizada, la resina puede ser una resina termoendurecible, tal como un epoxi, o incluso una resina termoplástica. El espesor del recubrimiento de fibra óptica puede variar hasta aproximadamente 20 milésimas, de preferencia de aproximadamente 2 milésimas a aproximadamente 15 milésimas, más preferiblemente de aproximadamente 4 milésimas a aproximadamente 7 milésimas. Los conductores metálicos utilizados pueden ser de cualquier diámetro adecuado, de preferencia de aproximadamente 3 milésimas a aproximadamente 30 milésimas de diámetro, y más preferiblemente de aproximadamente 36 milésimas a 11 milésimas de diámetro. El espesor de la cubierta externa formada adyacente a los conductores metálicos puede ser de aproximadamente 3 milésimas a aproximadamente 25 milésimas, de preferencia de aproximadamente 5 milésimas a aproximadamente 15 milésimas. Las fibras largas utilizadas pueden tener un diámetro promedio de aproximadamente 3 milésimas a aproximadamente 60 milésimas, de preferencia de aproximadamente 10 milésimas a aproximadamente 30 milésimas. El diámetro total de fibras ópticas reforzadas de la invención puede variar de aproximadamente 50 milésimas a aproximadamente 500 milésimas, de preferencia de aproximadamente 70 milésimas a aproximadamente 300 milésimas, más preferiblemente de aproximadamente 70 milésimas a aproximadamente 200 milésimas. En una primera modalidad de la invención, la cual es una fibra óptica reforzada como se ilustra en la FIGURA 2, una fibra 202 óptica recubierta con PFA con una capa de silicona 204 se coloca centralmente sobre el eje de la fibra óptica reforzada. Los conductores metálicos (tal como alambres de cobre) 206 (solamente uno indicado) se cablean helicoidalmente adyacentes a la silicona 204 en un ángulo sesgado adecuado. Durante el proceso de fabricación, cuando se aplican los conductores 206 metálicos, la silicona 204 se deforma para llenar los espacios entre los conductores 206 metálicos y la fibra 202 óptica recubierta con PFA. La silicona 204 también sirve como un amortiguador entre los conductores 206 metálicos y la fibra 202 óptica. Una capa delgada de resina 208 de epoxi termoendurecible de refuerzo sin fibra se aplica sobre el cobre trenzado para ayudar a evitar la corrosión galvánica de conductores 206 metálicos con el carbón u otras fibras. La resina 210 de epoxi termoendurecible de refuerzo con fibra larga se extruye por estirado sobre la capa 208 para reforzar el componente de fibra óptica. Una capa opcional de la resina 212 de epoxi de refuerzo sin fibra puede revestir la resina 210 de epoxi de refuerzo de fibra larga para proporcionar suavidad superficial. La FIGURA 3 ilustra un movimiento de proceso para preparar una modalidad del componente de fibra óptica reforzada de acuerdo con la invención, similar al menos en parte a la modalidad descrita en la FIGURA 2. De acuerdo con la FIGURA 3, una fibra 302 óptica de modo sencillo o modo múltiple se coloca en la posición axial. Un recubrimiento 304 de polímero suave, tal como silicona por ejemplo, puede aplicarse entonces para crear una amortiguación protectora y actúa como un agente de llenado de espacio. Los alambres 306 de cobre (solamente uno indicado) se cablean helicoidalmente sobre la fibra óptica recubierta en un ángulo sesgado. Una capa de la resina 308 de epoxi termoendurecible reforzada sin fibra se aplica para humectar los alambres de cobre y para crear la separación entre el cobre y las fibras de carbono largas. La resina 310 de epoxi termoendurecible reforzada con fibra larga se extruye por estirado sobre la resina 308 de epoxi reforzada sin fibra para reforzar el componente de fibra óptica. Una capa final de la resina 312 de epoxi termoendurecible puede aplicarse sobre la capa 310 de epoxi reforzada con fibra para proporcionar una superficie externa más suave y para evitar corrosión galvánica con cualesquiera medios de acero externos. Un tubo 314 externo opcional puede empotrarse y revestirse sobre el componente de fibra óptica reforzada. Alternativamente, alambres 316 armados pequeños (solamente uno indicado) , pueden intercalarse entre cubiertas internas y externas de resina 318 de refuerzo de fibra de carbono, por lo que las cubiertas se unen y captan entre los alambres armados, y revisten el componente de fibra óptica reforzado. Como una opción adicional, pueden colocarse dos capas de alambres armados para proporcionar tales propiedades como resistencia incrementada, protección y equilibrio de par. Con referencia ahora a la FIGURA 4, la fibra óptica reforzada de la FIGURA 4, es similar a aquellas descritas en las FIGURAS 2 y 3, pero difiere en que las resinas termoplásticas se utilizan en lugar de las resinas termoendurecibles. El proceso de fabricación para el componente de fibra óptica es como sigue. Al menos una fibra 402 óptica de modo sencillo o modo múltiple se coloca en el centro. Puede aplicarse una silicona 404 similar a polímero suave para crear una amortiguación protectora y actúa como un agente de llenado de espacio. Los alambres 406 de cobre (solamente uno indicado) se cablean helicoidalmente sobre la fibra 404 óptica recubierta en cualquier ángulo sesgado adecuado. Una capa de resina 408 termoplástica de refuerzo sin fibra se aplica para humectar los alambres 406 de cobre y/o para crear la separación entre las fibras largas y el cobre. Las fibras largas en la resina 410 termoplástica se extruyen por estirado sobre el recubrimiento 408 termoplástico aplicado para reforzar el componente de fibra óptica. Una capa final de la resina 412 termoplástica de refuerzo sin fibra puede aplicarse sobre la capa 410 termoplástica de refuerzo de fibra para proporcionar una superficie externa más suave y para evitar corrosión galvánica con miembros de acero externos. Un tubo 414 metálico externo opcional puede empotrarse y revestirse sobre la parte superior del componente de fibra óptica reforzada. Alternativamente, alambres 416 armados pequeños (solamente uno indicado) pueden intercalarse entre las cubiertas internas y externas de la resina 418 reforzada con fibra de carbón, por lo que las cubiertas se unen y captan entre los alambres armados, y revisten el componente de fibra óptica reforzada. Como una opción adicional, dos capas de alambres armados pueden colocarse para proporcionar tales propiedades como resistencia incrementada, protección y equilibrio de par. En otro proceso para aplicar resinas de refuerzo de fibra larga sobre los componentes de fibra óptica, las etapas ilustradas en la FIGURA 5, hebras en forma de pilares de la resina 502 termoplástica de refuerzo de fibra larga (solamente una indicada) se aplican sobre un componente 504 de fibra óptica, mediante un proceso de extrusión por estirado, extrusión por embobinado o combinaciones de las mismas. Estas hebras 502 de perfil de pilar se forman entonces sobre el componente 504 de fibra óptica al fundir el recubrimiento 508 de resina termoplástico en la parte superior de los conductores 510 metálicos y las superficies de las hebras en forma de pilar de las resinas 502 termoplásticas de refuerzo de fibra larga. Este procedimiento proporciona la fibra 512 óptica reforzada. Pueden utilizarse varios métodos para aplicar resinas de refuerzo de fibra larga sobre los componentes de fibra óptica. Pueden aplicarse resinas de refuerzo de fibra larga por tales procesos como extrusión por estirado, extrusión por embobinado o una combinación de las mismas, o cualesquiera medios conocidos o fácilmente aparentes por aquellos de experiencia en la técnica. La extrusión por estirado es un proceso continuo para fabricar compuestos con una forma de sección transversal constante. El proceso consiste de jalar un material de refuerzo de fibra a través de un baño de impregnación de fibra y dentro de una boquilla de estirado en donde la resina se cura subsecuentemente. Calentar el gel y curar la resina se logra algunas veces completamente dentro de la longitud de la boquilla. En otras variaciones del proceso, el pre-calentamiento del refuerzo de resina húmeda se logra por energía dieléctrica antes de entrar en la boquilla, o el calentamiento puede continuarse en un horno después de la aparición desde la boquilla. El proceso de extrusión por estirado produce longitudes continuas largas de material con resistencias unidireccionales. La resina utilizada para modificar las fibras podría ser del mismo material aplicado sobre los conductores metálicos. El contraste con las técnicas de extrusión por estirado, de extrusión por embobinado se utiliza para formar fibras largas recubiertas con resina húmeda entre dos rodillos que tienen perfiles acanalados en la superficie externa para guiar las fibras. El rodillo superior ejerce presión adecuada para remover la constricción al menos en un volumen sustancial de aire del recubrimiento de resina húmeda de las fibras largas, así como para formar la estructura compuesta deseada. Las fibras ópticas reforzadas de acuerdo con la invención pueden ser componentes de cables útiles para una variedad de operaciones subterráneas o submarinas . Para formar los cables, la fibra óptica reforzada puede cablearse con otros componentes de cable, tales como conductores, rellenos, alambres armados, cintas, cubiertas y similares para formar un cable. Los métodos para formar cables serán fácilmente conocidos o aparentes por aquellos de experiencia en la técnica. Tales cables incluyen monocables, cables cuádruples, heptacables, cables de acero sólidos, cables de multilínea, cables coaxiales, cables de monitoreo permanente o incluso cables sísmicos. Las fibras ópticas reforzadas de la invención son particularmente útiles para cables de acero sólido conductivos útiles para conducir energía eléctrica y datos . Con referencia ahora a la FIGURA 6, en una modalidad, el cable de acero sólido comprende la fibra 602 óptica reforzada (tal como aquellos descritos en la FIGURA 3 o la FIGURA 4) , y un tubo 608 metálico externo para revestir la fibra 602 óptica reforzada. También, un tubo 604 interno, tal como, pero sin limitarse necesariamente a, un tubo metálico, puede revestir la fibra 602 óptica reforzada, y una capa 606 eléctricamente aislante puede colocarse adyacente al tubo 604 interno, o incluso colocarse directamente adyacente a la fibra 602 óptica reforzada. Los cables preparados que utilizan las fibras ópticas reforzadas de la invención pueden utilizarse con dispositivos de sondeo para realizar operaciones en sondeos que penetran yacimientos geológicos que pueden contener depósitos de gas y aceite. Los cables pueden utilizarse para interconectar herramientas para diagrafía de pozos, tales como emisores/receptores de rayos gamma, dispositivos de calibración, dispositivos de medición de resistividad, dispositivos sísmicos, emisores/receptores de neutrones y similares, a uno o más suministros de energía y equipo de diagrafía de datos fuera del pozo. Los cables pueden también utilizarse en operaciones sísmicas, incluyendo operaciones sísmicas submarinas y subterráneas. Los cables pueden también utilizarse como cables de monitoreo permanentes para sondeos. Las modalidades particulares descritas anteriormente son únicamente ilustrativas, ya que la invención puede modificarse y practicarse en diferentes, pero equivalentes maneras aparentes por aquellos expertos en la técnica teniendo el beneficio de las enseñanzas en la misma. Además, no se pretenden limitaciones a los detalles de construcción o diseño en las mismas mostrados, a diferencia de como se describe en las reivindicaciones posteriores. Es por lo tanto evidente que las modalidades particulares descritas anteriormente pueden alterarse o modificarse y que tales variaciones se consideran dentro del alcance y espíritu de la invención. Por consiguiente, la protección buscada en la presente es como se establece en las reivindicaciones siguientes.