[发明专利]钻井通信电缆

说明书

技术领域

本发明涉及在钻井(downhole well)中用于在超过电缆组件中的含氟聚合物的工作温度的温度下操作的通信电缆，并涉及此类含氟聚合物在处于此类温度条件下的钻井中的使用。

背景技术

钻井取决于钻井的位置和深度在越来越高的温度下操作，所述钻井用于烃流体如得自地层的油和/或天然气的回收或用于捕集在地层中存在的由含水流体驱动的热能。随着深钻，在或靠近井的底部，即邻近井的底部，至少280℃的温度是常见的。

通信电缆被插入这些钻井中以用于在地层表面的控制单元和向下钻孔工具之间传送信号，如记录传感器，或电驱动井下操作，如钻孔。电缆包括聚合物组分，如作为电绝缘体或在光缆的情况下作为围绕所述光纤的保护材料，即夹套和/或定位在光纤和夹套之间的填充材料。向下钻孔工具自身可包括聚合物组分作为密封材料以阻止井下流体侵入工具，一个或多个用于电导体的绝缘体或围绕所述光纤的保护材料中。

由于井被钻进地层越来越深，就邻近井的底部耐受越来越高的温度的能力而言，聚合物组分在电缆中是薄弱环节。美国专利5,894,104公开了在其下端处具有测井探头的纤细电缆，所述电缆包括聚合物绝缘体，如PFA、FEP和并且所述探头包括弹性体或PEEK(聚醚醚酮)的密封件。PFA为四氟乙烯(TFE)/全氟(烷基乙烯基醚)共聚物，FEP为TFE/六氟丙烯共聚物，并且为TFE/乙烯共聚物(ETFE)。美国专利7,235,743在图5中公开了井筒电缆，其包含多个聚合物组分，围绕电导体的绞线的电绝缘体506，可被耐压缩聚合物围绕的耐压缩填料棒508，具有聚合物涂层的形成电缆的外部的铠装导线516和518，围绕绝缘导体和填料棒的组装件的夹套514，以及填充介于绝缘导线、填料棒和夹套之间的空间的填充材料510。PFA、FEP和ETFE是所公开的可用于电缆中的许多此类应用的聚合物。这些含氟聚合物如通常获得的那样具有下列温度特性*：

*S.Ebnesajjad的Fluoroplastics，第2卷，Melt Processible Fluoropolymers，TheDefinitive User’s Guide and Databook的第6页和125-128页以及133-134页，由Plastics Design Library出版(2003)。PFA熔融温度针对在1972年商业化的PFA(四氟乙烯/全氟(丙基乙烯基醚))。

熔融温度是对应于聚合物从固态至液(熔融)态的相变造成的DSC吸热峰位置的温度。然而，聚合物可耐受的温度远低于熔融温度，如由低得多的连续使用(工作)温度所表明。上文报道的连续使用温度被理解为聚合物可被使用超过6个月时间的最高温度，在这段时间内，拉伸性能下降至其初始值的50％。该温度通过无载荷热老化的聚合物测试样品的6个月的拉伸性能测试确定。测试样品从热老化烘箱中移除，并在环境温度(15-25℃)下经受拉伸性能测试。

随着增加的热老化时间，拉伸性能的下降表示含氟聚合物的完整性的劣化。然而，当含氟聚合物在热老化温度下拉伸测试时，拉伸性能立即下降，即无需老化。例如，ETFE在环境温度下至少约6000psi(41.4MPa)的拉伸强度降低至在150℃拉伸测试下的约2000psi(13.8MPa)。对高温拉伸性能降低的担心表现在对于上表中所列的用于最高熔融可熔融加工的含氟聚合物PFA的退火温度的行业标准上。PFA的模塑制品被加热至250-260℃以便释放内部应力以改善所述模塑制品的尺寸稳定性。对于每1mm的厚度10min的典型加热时间导致对于厚壁即25.4mm厚的PFA模塑制品约4小时的加热时间。加热温度被保持远低于PFA的熔融温度以避免制品的塌缩。

具有最高连续工作温度的PFA使其成为邻近井底部在钻井中使用的制品组件的一种选择。根据退火PFA制品而不导致它们在它们自重下变得在尺寸上不稳定的经验，连续使用温度已为人所知作为工作温度的上限。

问题在于是否任何含氟聚合物都能够在高于260℃的温度下连续使用。聚四氟乙烯(PTFE)可为令人信服的候选材料，这是因为由于其极高的分子量，PTFE在熔融态不流动的事实。然而PTFE也具有缺点，即，其不能通过熔融挤塑被加工成制品。缺乏熔融加工性是将PTFE用作钻井中的通信电缆的一种或多种聚合物组分的实际障碍。电缆绝缘体、夹套和保护材料需要熔融挤塑以形成在加工钻井中所需的长电缆长度所要求的较大长度。

发明内容

本发明已发现，可熔融加工的PFA可被改性以便用作通信电缆中的组件，所述通信电缆用于其中温度可为280℃或更高的钻井中。