專(zhuān)利名稱(chēng)：惡劣環(huán)境中所用的光纜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纜，具體說(shuō)涉及一種惡劣環(huán)境所用的光纜。
背景技術(shù)：
隨著尤其是惡劣環(huán)境如油井和氣井中所用的纖維光學(xué)傳感器的發(fā)展，對(duì)于能夠在惡劣環(huán)境生存的光纜有增加的需求。例如，在井下的纖維光學(xué)傳感應(yīng)用中所遭遇的惡劣環(huán)境對(duì)于井下環(huán)境中所用的光纜的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格的要求。這樣一種光纜可被用于將一井下的纖維光學(xué)傳感器連接于位于井孔表面處的儀器。
井下的環(huán)境狀態(tài)可能包括溫度超過(guò)130℃，液態(tài)壓力超過(guò)100Bar，振動(dòng)，腐蝕性化學(xué)成分和存在氫的高局部壓力。井下應(yīng)用也導(dǎo)致要求生產(chǎn)1000米長(zhǎng)度或更長(zhǎng)的光纜。由于在這種應(yīng)用中光纜的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，光纜必須被設(shè)計(jì)成支承包含在其中的光纖以防與光纖的長(zhǎng)度造成的重量相關(guān)的過(guò)度變形。
氫對(duì)光纖的光學(xué)性能的有害影響，尤其在用于通訊領(lǐng)域的海底設(shè)施中，長(zhǎng)期以來(lái)已有記載。為了保護(hù)光纖免受氫的影響，已經(jīng)采用了密封涂層和阻隔層，如碳層等，以盡量減小在海底通訊設(shè)施中氫的影響。但在惡劣的井下環(huán)境中所存在的高溫下，這種涂層失去了對(duì)氫滲透性的抵抗能力。此外，在這種高溫下，氫對(duì)光纖的影響可能加劇和增強(qiáng)。
所以，需要一種適合在這種惡劣環(huán)境中使用的光纜。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種在惡劣環(huán)境中使用的光纜。
本發(fā)明的還一目的是提供這樣一種光纜，它能盡量減小光纖暴露于惡劣環(huán)境所含的氫中，特別是在高溫下。
本發(fā)明的還一目的是提供這樣一種光纜，其中包含在光纜中的光纖在一廣泛的工作溫度范圍內(nèi)不會(huì)經(jīng)受明顯的有害變形。
根據(jù)本發(fā)明，一光纜包括一芯和一環(huán)繞的保護(hù)層。該芯包括一具有包含在其中的一或多根光纖的內(nèi)管，環(huán)繞的保護(hù)層包括設(shè)置在內(nèi)管上面的一外管，一層緩沖材料設(shè)置在外管和內(nèi)管之間。緩沖材料保持內(nèi)管通常對(duì)中地位于外管內(nèi)并在內(nèi)管和外管之間提供了機(jī)械連接，以防止其間的相對(duì)移動(dòng)。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，內(nèi)管可涂覆有氫滲透性低的材料以盡量減小氫進(jìn)入內(nèi)管。還根據(jù)本發(fā)明，氫滲透性低的材料可涂覆一硬且防擦傷材料的保護(hù)層，以保護(hù)氫滲透性低的材料的整體性。
再根據(jù)本發(fā)明，內(nèi)管中的區(qū)域可充填一充填材料，選擇該充填材料以具有足夠的黏度，以便抵抗內(nèi)管中光纖的重量所施加在其上的剪力，同時(shí)允許在卷繞、鋪設(shè)和處理光纜期間光纖在內(nèi)管中移動(dòng)，由此防止光纖的損傷和微量彎曲。還根據(jù)本發(fā)明，可以用氫吸收/清除材料浸漬充填材料。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，光纖相對(duì)于內(nèi)管具有一過(guò)長(zhǎng)的長(zhǎng)度。還是根據(jù)本發(fā)明，光纜可包括一高溫的保護(hù)材料的外套，以在處理和安裝期間保護(hù)光纜。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)提供了明顯的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)使光纖盡量不暴露于氫，該光纜可明顯地抵抗氫的有害影響。光纜的內(nèi)管涂覆有氫滲透性低的材料，以限制氫侵入內(nèi)管。此外，用氫吸收/清除材料浸漬內(nèi)管中的充填材料，以排除可能進(jìn)入內(nèi)管的任何氫。在氫滲透性低的材料的上面設(shè)置一保護(hù)性涂層，以保持涂層的整體性，以處理和制造光纜。為了提供能夠在惡劣環(huán)境中鋪設(shè)的高強(qiáng)度光纜，內(nèi)管由保護(hù)層環(huán)繞，其包括由一外管環(huán)繞的緩沖材料。
從下面結(jié)合


的示例性實(shí)施例中，可更明顯看出本發(fā)明的上述和其他目的，特征和優(yōu)點(diǎn)。
附圖的簡(jiǎn)要描述圖1是本發(fā)明的光纜的剖視圖；和圖2是圖1所示的光纜在油井和/或氣井的井孔內(nèi)的透視圖。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明的制造的一光纜10包括一纖維在金屬管內(nèi)(FIMT)的芯11，其具有一環(huán)繞一或多根光纖16,17的內(nèi)管13。內(nèi)管13可以是一激光焊接的管，如一沿長(zhǎng)度方向激光焊接的管，由一種如耐蝕金屬合金之類(lèi)的耐蝕材料制造。合適的耐蝕材料合金的例子包括，但不限制于不銹鋼304；不銹鋼316；鉻鎳鐵合金625；耐熱鉻鎳鐵合金825。內(nèi)管13的直徑可以在1.1至2.6mm的范圍內(nèi)，并且在本發(fā)明的一示例性實(shí)施例中是2.4mm。盡管內(nèi)管被描述為在直徑上是1.1至2.6mm，內(nèi)管的直徑可以在一大范圍內(nèi)變化，取決于所用的材料和置于內(nèi)管中的光纖的數(shù)量。內(nèi)管13的壁厚被選擇成足以經(jīng)受激光焊接工藝。例如，對(duì)于不銹鋼304而言，內(nèi)管13的壁厚可為0.2mm。
內(nèi)管13被涂覆以或鍍以一氫滲透性低的材料涂層19，如錫，金，碳或其他氫滲透性低的材料。選擇涂層19的厚度以便對(duì)高局部壓力的氫環(huán)境提供一阻隔作用。取決于材料的選擇，該涂層的厚度可以在0.1至15微米的范圍內(nèi)。例如，碳涂層可以具有一0.1微米薄的厚度，而錫涂層在厚度上可以約為1.3微米。涂層19上可以再涂覆以由硬的耐擦傷材料構(gòu)成的保護(hù)層，如鎳或聚酰胺之類(lèi)的聚合物。取決于材料，外涂層21的厚度可以在2至15微米的范圍內(nèi)。
可以用充填材料22充填內(nèi)管13，以大體充滿(mǎn)內(nèi)管13內(nèi)未被光纖16,17占據(jù)的空余的空間。充填材料22將光纖16,17支承在內(nèi)管13內(nèi)。選擇充填材料22以具有充分的黏度，從而抵抗在一豎直井道安裝中由于纖維的重量所施加于其上的剪力，由此在光纜10的整個(gè)操作溫度(包括典型地在10℃至200℃的范圍內(nèi))上為光纖16,17提供理想的支承，但該光纜可以在一更寬的溫度范圍內(nèi)使用，這取決于材料的選擇，主要涉及緩沖材料35和光纖16,17上的涂層。此外，由于光纖16,17和內(nèi)管13之間熱膨脹系數(shù)上的差并且在光纜10的卷繞和鋪設(shè)期間，充填材料22必須允許光纖16,17相對(duì)于內(nèi)管13松弛和伸直。充填材料的黏度可以廣泛地變化，取決于具體的光纜設(shè)計(jì)，包括內(nèi)管的直徑和內(nèi)管中光纖的數(shù)量。充填材料22所提供的附加好處是防止光纖16,17上的涂層因?yàn)楣饫|10在安裝和振動(dòng)期間的彎曲作用而碎裂。另一好處是充填材料22用作內(nèi)管表面粗糙度的積分儀，以避免在光纖16,17中的微量彎曲損耗。合適的充填材料包括在光纜工業(yè)中常用的標(biāo)準(zhǔn)觸變凝膠或油脂復(fù)合物，用于光纜的隔水，充填和潤(rùn)滑。
為了進(jìn)一步減小在光纖16,17上氫的效應(yīng)，可以用氫吸收/清除材料23來(lái)浸漬充填材料22，如鈀或鉭。作為選擇，可以用氫吸收/清除材料來(lái)涂覆內(nèi)管13的內(nèi)表面24，或者使這種材料浸入管材料。
參照?qǐng)D2，本發(fā)明的光纜10可以用于油井和/或氣井的井孔27中。選擇光纖16,17以在光纜10的端部之間，例如在位于井孔27內(nèi)的一光纖傳感器28和光信號(hào)處理設(shè)備30之間，提供可靠的光信號(hào)傳輸。合適的光纖包括低缺陷，純硅芯/壓平的復(fù)合纖維。作為選擇，合適的纖維包括摻雜鍺的信號(hào)模式光纖或者其他適用于高溫環(huán)境的光纖。光纖16,17兩者可以屬于相同的類(lèi)型或者不同的類(lèi)型。盡管這里本發(fā)明被描述為在內(nèi)管13中使用了兩個(gè)光纖16,17，本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解可以使用一根或更多根的纖維。內(nèi)管13內(nèi)纖維的總數(shù)量受內(nèi)管直徑的限制，這樣在內(nèi)管內(nèi)提供充分的空間以便防止處理和鋪設(shè)光纜10期間光纖16,17的微量彎曲。
芯11由一外保護(hù)層33環(huán)繞，其包括一緩沖材料35和一外管38。緩沖材料35在內(nèi)管13和外管38之間提供了一機(jī)械連接，以防止內(nèi)管13在其自身重量的作用下在外管38中滑動(dòng)。此外，緩沖材料35保持內(nèi)管13大體在外管38內(nèi)對(duì)中，并保護(hù)內(nèi)管和涂層因振動(dòng)而受損。合適的緩沖材料包括高溫聚合物，如氟乙烯丙烯(FEP)，乙烯-三氟氯乙烯(ECTFE)，聚偏1,1-二氟乙烯(PVDF)，全氟烷氧基(PFA)，TEFLON,TEFLON PFA,TETZEL，或其他適當(dāng)材料。在激光焊接和涂覆/鍍層之后，首先將緩沖材料施加到內(nèi)管3上，然后在緩沖材料上焊接外管38，并且或是在可壓縮的緩沖材料35上使外管收縮，或是在后激光焊接熱工藝期間使緩沖材料擴(kuò)張。外管38可以是TIC焊接，激光焊接，或者可以采用將外管38連接于緩沖材料35上的任何其他適當(dāng)工藝。在容納于一2.4mm直徑的內(nèi)管和一0.25英寸(6.345mm)的外管之間的可壓縮緩沖材料的情況下，如圖1的示例性實(shí)施例所示，緩沖材料應(yīng)當(dāng)具有范圍在.183英寸(4.65mm)和.195英寸(4.95mm)的厚度，并且最好在.189英寸(4.80mm)。盡管緩沖材料厚度的范圍是參照?qǐng)D1的示例性實(shí)施例描述的，但可以使用任何適當(dāng)?shù)木彌_材料厚度，這取決于內(nèi)管和外管的尺寸，以便提供內(nèi)管的理想機(jī)械保護(hù)和/或在內(nèi)管和外管之間提供機(jī)械連接以防止其間的相對(duì)移動(dòng)。
外管38由容易擴(kuò)散氫的耐蝕材料制造。例如，外管用與內(nèi)管13相同的材料制造，而無(wú)氫滲透性低的涂層和/或氫清除材料。外管38具有一標(biāo)準(zhǔn)直徑(在收縮之后，如果施用的話(huà))，例如四分之一管徑(6.345mm)，并可具有一范圍在4至10mm內(nèi)的直徑。外管38的壁厚可在0.7至1.2mm的范圍內(nèi)。
光纜10必須能夠在一廣范圍的溫度范圍內(nèi)工作。例如在10℃和200℃之間。特別是，光纜必須考慮由光纖16,17和內(nèi)管13所具有的不同的熱膨脹系數(shù)(TCE)。不考慮不同的TCE，在光纜的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)大于0.2％的長(zhǎng)期應(yīng)力有可能施加在光纖16,17上。由于光纖16,17的應(yīng)力侵蝕，這種應(yīng)力可能導(dǎo)致過(guò)早的機(jī)械失效。為了減小由于安裝在高溫環(huán)境中所導(dǎo)致的施加在光纖16,17上的長(zhǎng)期應(yīng)力，內(nèi)管直徑被選擇成大到足以在內(nèi)管13內(nèi)支承過(guò)長(zhǎng)的或者“蛇狀彎曲-過(guò)度裝填”光纖。在內(nèi)管13的激光焊接期間通過(guò)控制內(nèi)管材料的溫升可以獲得這種過(guò)長(zhǎng)的長(zhǎng)度。控制該溫度使得其接近最終安裝的預(yù)期最大或正常工作溫度。一旦冷卻內(nèi)管，這一過(guò)程將在內(nèi)管中產(chǎn)生過(guò)長(zhǎng)的纖維。采用這種方法已經(jīng)獲得了高達(dá)2.0％的過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)度。
為了在處理和安裝期間進(jìn)一步保護(hù)光纜10，可以在外管38上施用一高強(qiáng)度保護(hù)性材料構(gòu)成的保護(hù)套40。例如，可以在外管38上施用一矩形的乙烯-三氟氯乙烯(ECTFE)的套，以輔助處理和鋪設(shè)光纜10。其他材料，例如氟乙烯丙烯(FEP)，聚偏1,1-二氟乙烯(PVDF)，聚氯乙烯(PVC),HALAR,TEFLON PFA，或其他適當(dāng)材料可以用作保護(hù)套40。
盡管參照示例性實(shí)施例描述和說(shuō)明了本發(fā)明，在其中和對(duì)其可作出上面的以及各種其他增減，而不超出本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1．一種光纜，包括一內(nèi)管；一或多個(gè)設(shè)置在所述內(nèi)管中的光纖；一層環(huán)繞所述內(nèi)管的緩沖材料；和一環(huán)繞所述緩沖材料的外管；其中所述緩沖材料被設(shè)置在所述內(nèi)管和所述外管之間并保持所述內(nèi)管大體對(duì)中地位于所述外管內(nèi)。
2．如權(quán)利要求1所述的光纜，其中所述緩沖材料限制所述內(nèi)管和所述外管之間的相對(duì)移動(dòng)。
3．如權(quán)利要求1所述的光纜，還包括在所述內(nèi)管上的一涂層，所述涂層包括一氫滲透性低的材料，以盡量減小氫進(jìn)入所述內(nèi)管。
4．如權(quán)利要求3所述的光纜，其中所述氫滲透性低的材料選自由錫，金和碳構(gòu)成的組。
5．如權(quán)利要求3所述的光纜，其中還包括一在所述涂層上的保護(hù)層，所述保護(hù)層包括一硬的耐擦傷材料，以保護(hù)氫滲透性低的材料的所述涂層的整體性。
6．如權(quán)利要求5所述的光纜，其中還包括容納在所述內(nèi)管中的充填材料。
7．如權(quán)利要求6所述的光纜，其中選擇所述充填材料以具有足夠的黏度，以抵抗由于所述內(nèi)管中所述光纖的重量導(dǎo)致的施加在所述充填材料上的剪力，從而基本上保持所述光纖在所述內(nèi)管中的位置并在光纜移動(dòng)期間允許所述光纖在所述內(nèi)管中移動(dòng)。
8．如權(quán)利要求6所述的光纜，其中所述充填材料用一氫清除材料浸漬。
9．如權(quán)利要求8所述的光纜，其中所述氫清除材料選自由鈀或鉭構(gòu)成的組。
10．如權(quán)利要求8所述的光纜，其中所述光纖相對(duì)于所述內(nèi)管具有一過(guò)長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
11．如權(quán)利要求9所述的光纜，還包括一環(huán)繞所述外管的保護(hù)材料的外套。
12．如權(quán)利要求1所述的光纜，還包括容納在所述內(nèi)管中的充填材料。
13．如權(quán)利要求12所述的光纜，其中選擇所述充填材料以具有一足夠的黏度，以便抵抗由于所述內(nèi)管中所述光纖的重量而施加于所述充填材料的剪力，從而基本上保持所述光纖在所述內(nèi)管中的位置并允許在光纜移動(dòng)期間所述光纖在所述內(nèi)管中的移動(dòng)。
14．如權(quán)利要求12所述的光纜，其中所述充填材料用一種氫清除材料浸漬。
15．如權(quán)利要求14所述的光纜，其中所述氫清除材料選自由鈀或鉭構(gòu)成的組。
16．如權(quán)利要求1所述的光纜，其中所述光纖相對(duì)于所述內(nèi)管具有一過(guò)長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
17．如權(quán)利要求1所述的光纜，還包括一環(huán)繞所述外管的保護(hù)材料的外套。
18．如權(quán)利要求1所述的光纜，其中所述充填材料選自由氟乙烯丙烯(FEP)，乙烯-三氟氯乙烯(ECTFE)，聚偏1,1-二氟乙烯(PVDF)，全氟烷氧基(PFA),TEFLON,TEFLON PFA,TETZEL構(gòu)成的組。
全文摘要
一種光纜，包括一芯和一環(huán)繞的保護(hù)層。該芯包括一具有一或多根光纖的內(nèi)管，保護(hù)層包括設(shè)置在內(nèi)管上面的一外管，一層緩沖材料設(shè)置在外管和內(nèi)管之間。緩沖材料保持內(nèi)管對(duì)中地位于外管內(nèi)并在內(nèi)管和外管之間提供了機(jī)械連接，以防止其間的相對(duì)移動(dòng)。內(nèi)管涂覆有氫滲透性低的材料以盡量減小氫進(jìn)入內(nèi)管。氫滲透性低的材料可涂覆一硬且防擦傷材料的保護(hù)層，以保護(hù)氫滲透性低的材料的整體性。內(nèi)管中未由光纖占據(jù)的區(qū)域可充填一充填材料，選擇該充填材料以具有足夠的黏度，以便抵抗內(nèi)管中光纖的重量所施加在其上的剪力，同時(shí)允許在卷繞、鋪設(shè)和處理光纜期間光纖在內(nèi)管中移動(dòng)，由此防止光纖的損傷和微量彎曲?？梢杂脷湮?清除材料浸漬充填材料以排除內(nèi)管中所有過(guò)量的氫。光纖相對(duì)于內(nèi)管具有一過(guò)長(zhǎng)的長(zhǎng)度，并且光纜可包括一高溫的保護(hù)材料外套，以在處理和安裝期間保護(hù)光纜。
文檔編號(hào)G02B6/44GK1317102SQ99810498
公開(kāi)日2001年10月10日 申請(qǐng)日期1999年7月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月23日
發(fā)明者J·A·邦雅, D·A·諾爾頓, C·J·徹斯特努特, R·A·盧比諾 申請(qǐng)人:塞德拉公司