КОММУНИКАЦИОННЫЙ КАБЕЛЬ ДЛЯ НИСХОДЯЩЕЙ СКВАЖИНЫ Российский патент 2016 года по МПК H01B7/29 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится к коммуникационному кабелю для нисходящих скважин для работы при температурах, превышающих рабочую температуру фторполимера в компонентах кабеля, и к использованию таких фторполимеров в нисходящих скважинах в таких температурных условиях.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Нисходящие скважины для извлечения углеводородных жидкостей, таких как нефть и/или природный газ, из недр земли или для утилизации тепловой энергии водной текучей среды, находящейся в земле, работают в условиях все более высоких температур в зависимости от места и глубины бурения скважины. При глубоком бурении температуры не ниже 280°C становятся обычными на дне или близко ко дну скважины, т.е. вблизи забоя скважины.

Коммуникационный кабель вводят в такие нисходящие скважины для передачи сигналов между центром управления на поверхности земли и скважинным инструментом, таким как, например, каротажный зонд, или для подвода электроэнергии для проведения скважинных работ, например бурения. Кабели включают полимерный компонент, например либо электрическую изоляцию, либо, в случае оптоволоконного кабеля, защитный материал, окружающий оптическое волокно, т.е. оболочку и/или уплотнительный материал, расположенный между оптическим волокном и оболочкой. Скважинный инструмент сам по себе может включать полимерный компонент в качестве герметизирующего материала для предотвращения проникновения скважинных жидкостей в инструмент, изоляции электрического провода(ов) или защитного материала, окружающего оптическое волокно.

Полимерный компонент является слабым звеном в кабеле в том, что касается способности выдерживать все более высокие температуры, встречающиеся вблизи забоя скважины, поскольку бурение скважин происходит все глубже в недрах земли. Патент США 5894104 раскрывает спускаемый на тросе кабель, имеющий каротажный зонд на своем нижнем конце, причем кабель содержит полимерную изоляцию, как, например: PFA, FEP и TEFZEL^®, а зонд содержит уплотнения из эластомера или PEEK (полиэфирэфиркетона). PFA - это сополимер тетрафторэтилена (TFE) и перфторированного алкилвинилового эфира, FEP - это сополимер TFE и гексафторпропилена, и TEFZEL^® - это сополимер TFE и этилена (ETFE). Патент США 7235743 раскрывает на Фиг.5 кабель для ствола скважины, который включает множество полимерных компонентов, электрическую изоляцию 506, окружающую скрученную жилу из электрических проводов, устойчивые к сжатию силовые элементы 508, которые могут быть окружены устойчивым к сжатию полимером, провода бронирования 516 и 518, образующие поверхность кабеля, которые имеют полимерное покрытие, оболочку 514, окружающую сборку из изолированных проводов и силовых элементов, и уплотнительный материал 510, заполняющий пространство между изолированной проволокой, силовыми элементами и оболочкой. PFA, FEP и ETFE перечислены среди раскрытых полимеров как полезные для многих из этих применений в кабеле. Эти фторполимеры являются широко доступными и имеют следующие температурные характеристики*:

  Температура плавления (°C) Температура непрерывного использования (°C) PFA 302-310 260 FEP 245-265 200 ETFE 250-280 150 * стр. 6 и 125-128 и 133-134 в S. Ebnesajjad, Fluoroplastics, Vol. 2 Melt Processible Fluoropolymers, The Definitive User's Guide and Databook, издано Plastics Design Library (2003). Температура плавления PFA приведена для коммерциализованного в 1972 года PFA (тетрафторэтилен/перфторированный пропилвиниловый эфир).

Температура плавления представляет собой температуру, соответствующую положению эндотермического пика ДСК, который является результатом фазового перехода полимера из твердой фазы в жидкую (расплавленную). Однако температура, которую может выдерживать полимер, значительно ниже температуры плавления, как показывают значительно более низкие температуры непрерывного использования (эксплуатации). Под температурами непрерывного использования, приведенными выше, понимают самую высокую температуру, при которой полимер может быть использован в течение периода 6 месяцев, во время которого упругие свойства снижаются до 50% от первоначального значения. Эту температуру определяют с помощью испытания упругих свойств испытуемых образцов полимера, подвергнутых тепловому старению без применения нагрузки в течение 6 месяцев. Тестируемые образцы извлекают из камеры для теплового старения и проводят определение их упругих свойств при температуре окружающей среды (15-25°C).

Снижение упругих свойств с увеличением времени теплового старения указывает на ухудшение целостности фторполимера. Однако, если определение упругих свойств фторполимера проводить при температуре теплового старения, снижение упругих свойств проявляется немедленно, т.е. старение не требуется. Например, предел прочности при растяжении ETFE, который составляет не менее примерно 6000 фунтов на квадратный дюйм (41,4 МПа) при температуре окружающей среды, снижается до примерно 2000 фунтов на квадратный дюйм (13,8 МПа) при испытании на растяжение при 150°C. Обеспокоенность снижением упругих свойств при высоких температурах отражена в производственном стандарте для температуры отжига (отпуска) фторполимера с наиболее высокой температурой переработки расплава - PFA, приведенного выше в таблице. Сформованные из PFA изделия нагревают до 250-260°C с целью снятия внутренних напряжений для улучшения стабильности размеров сформованного изделия. Типичное время нагрева в течение 10 минут на каждый 1 мм толщины в результате составляет примерно 4 часа в случае толстостенного формованного из PFA изделия, т.е. при толщине 25,4 мм. Температуру нагрева устанавливают значительно ниже температуры плавления PFA для того, чтобы избежать разрушения изделия.

PFA, имеющий наиболее высокую температуру непрерывного использования, является материалом выбора для компонентов изделий, используемых в нисходящих скважинах, приближенных к забою скважины. Из опыта отжига изделий из PFA, в которых не происходит изменения размеров под действием собственного веса изделия, под температурой непрерывного использования понимают верхний предел температуры эксплуатации.

Вопрос заключается в том, может ли фторполимер быть непрерывно использован при температурах выше 260°C. Политетрафторэтилен (PTFE) может быть возможным кандидатом благодаря тому факту, что PTFE не становится текучим в расплавленном состоянии из-за своего чрезвычайно высокого молекулярного веса. Однако недостатком PTFE является то, что изделия из него невозможно изготовить путем экструзии расплава. Это отсутствие возможности для переработки расплава является практическим препятствием для использования PTFE в качестве полимерного(ых) компонента(ов) коммуникационного кабеля в нисходящих шахтах. Изоляция кабеля, оболочка и защитный материал требуют экструзии расплава для формования большой длины, необходимой для производства кабеля большой длины, который необходим для нисходящих скважин.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящим изобретением обнаружено, что способный к переработке в расплаве PFA может быть модифицирован таким образом, чтобы быть пригодным для использования в качестве компонентов коммуникационного кабеля, используемого в нисходящих скважинах, где температуры могут достигать 280°C и выше.

Изобретение может быть определено как размещение коммуникационного кабеля в нисходящей скважине, где температура может быть не ниже 280°C, причем по меньшей мере часть указанного кабеля таким образом подвергается воздействию указанной температуры, при этом указанный кабель содержит в качестве своего компонента композицию, включающую легко обрабатываемый в расплаве сополимер тетрафторэтилена и перфторированного алкилвинилового эфира (PFA), причем перфторированный алкил содержит 1-5 атомов углерода, и текучий в расплавленном состоянии политетрафторэтилен, который самостоятельно не обладает прочностью на разрыв и присутствует в указанной композиции в количестве, эффективном для обеспечения способности указанного компонента выдерживать указанную температуру. Наивысшая температура в скважине будет составлять 280°C или выше, или ожидается, что она будет не ниже этой температуры, и планируется, что устойчивость к высоким температурам компонента кабеля, который будет подвергаться воздействию этой температуры, будет соответствующей, т.е. будет выдерживать действие этой температуры.

Для модификации PFA использован политетрафторэтилен, отличный от PTFE, который, как обсуждалось выше, не способен течь в расплаве. Для модификации PFA использован политетрафторэтилен с низким молекулярным весом, который здесь упоминается как LMW PTFE в отличие от PTFE, который не способен течь в расплаве из-за своего чрезвычайно высокого молекулярного веса.

Способность компонента, выполненного из композиции, используемой в данном изобретении, выдерживать температуру не ниже 280°C означает, что компонент сохраняет форму, полученную при изготовлении из расплава, и физическую целостность во время эксплуатации в нисходящей скважине. Обнаружено, что политетрафторэтилен, используемый в данной композиции и самостоятельно не имеющий прочности на разрыв, способен повышать температуру эксплуатации PFA во время переносимого воздействия высоких температур, встречающегося при работе в нисходящей скважине. Таким образом, LMW PTFE взаимодействует с PFA во время эксплуатации при высокой температуре, что приводит к устойчивости против деградации композиции PFA/LMW PTFE во время воздействия высоких температур в нисходящей скважине. Это воздействие приводит к твердофазному термическому превращению внутри композиции, т.е. эпитаксиальной совместной кристаллизации, которая будет дополнительно описана в Примере 4.

Другой вариант осуществления данного изобретения может быть определен как коммуникационный кабель для нисходящей скважины, содержащий по меньшей мере один электрический провод или оптическое волокно, окруженные электрической изоляцией или защитным материалом соответственно, причем указанный изоляционный или защитный материалы содержат композицию, включающую легко перерабатываемый в расплаве сополимер тетрафторэтилена и перфторированного алкилвинилового эфира, причем указанный перфторированный алкил содержит 1-5 атомов углерода, и текучий в расплавленном состоянии политетрафторэтилен, причем указанный политетрафторэтилен самостоятельно не обладает прочностью на разрыв и присутствует в указанной композиции в количестве, эффективном для обеспечения способности указанных изоляции и защиты выдерживать воздействие температуры не ниже 280°C в указанной нисходящей скважине.

Еще один вариант осуществления данного изобретения может быть определен как коммуникационный кабель для нисходящей скважины, содержащий (i) по меньшей мере один электрический провод, (ii) электрическую изоляцию, окружающую указанный провод, и (iii) несущий элемент, скрепленный с указанной изоляцией, причем указанная изоляция содержит композицию, включающую легко перерабатываемый в расплаве сополимер тетрафторэтилена и перфторированного алкилвинилового эфира, причем указанный перфторированный алкил содержит 1-5 атомов углерода, и текучий в расплавленном состоянии политетрафторэтилен, причем указанный политетрафторэтилен самостоятельно не обладает прочностью на разрыв и присутствует в указанной композиции в количестве, эффективном для обеспечения способности указанной изоляции и силового элемента выдерживать воздействие температуры не ниже 280°C в указанной нисходящей скважине. Изоляция может быть первичной и/или вторичной изоляцией. Провод кабеля электропитания обычно формируют из скрученной вместе проволоки, образующей зазоры на поверхности провода, а изоляция, окружающая провод, заполняет эти зазоры.

Настоящее изобретение может также быть описано как использование композиции, включающей легко перерабатываемый в расплаве сополимер тетрафторэтилена и перфторированного алкилвинилового эфира, причем указанный перфторированный алкил содержит 1-5 атомов углерода, и текучий в расплавленном состоянии политетрафторэтилен, в нисходящей скважине, где температура, воздействию которой может быть подвергнута указанная композиция, составляет 280°C или выше. Политетрафторэтилен в данной композиции, как описано выше, самостоятельно не имеет прочности при растяжении и присутствует в указанной композиции в количестве, эффективном для обеспечения способности указанной композиции выдерживать воздействие температуры не ниже 280°C. Предполагается, что основное применение (использование) композиции будет в качестве компонента коммуникационного кабеля, как описано в данном документе.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Нисходящие скважины, к которым применимо настоящее изобретение, в общем представляют собой скважины, которые производят углеводородные жидкости, как, например, нефть и/или природный газ или термальную энергию. Нисходящей скважиной также может быть скважина, которая производит другую жидкость, не являющуюся углеводородной жидкостью, особенно пар, как в случае геотермальных скважин. В этих нисходящих скважинах жидкость извлекают из недр земли. Другой нисходящей скважиной может быть скважина, которую используют для извлечения жидкой среды из земли, но не прямым образом, как это происходит в случае закачивания пара в скважину для сжижения нефти в нефтеносных песках, где сжиженную нефть затем извлекают транспортировкой и нагнетанием из отдельной расположенной рядом нисходящей скважины. Верхняя часть скважины, т.е. устье, может быть расположена на суше или в море на морском дне. Нисходящая скважина может быть в том виде, как она была пробурена, т.е. представлять собой ствол скважины, или может быть обсажена, чтобы вмещать эксплуатационную колонну для подъема жидкой среды из земли к устью скважины или для подвода пара к забою, в зависимости от конкретного случая. Эксплуатационная колонна содержит отверстие у забоя скважины (конца скважины) для впуска жидкой среды из земли или нагнетания пара в землю и отверстие в верхней части (устье скважины) для отвода транспортируемой жидкой среды и для подвода нагнетаемого пара. Эксплуатационная колонна обычно продолжает длину ствола скважины вблизи забоя скважины. Дополнительная труба может быть закреплена в обсадке эксплуатационной колонны в пределах скважины рядом с эксплуатационной колонной. Эта дополнительная труба, которую иногда называют капиллярной, обеспечивает канал для размещения коммуникационного кабеля, если этот кабель не располагается внутри эксплуатационной колонны.

Забой нисходящей скважины является нижним концом ствола скважины. Этот нижний конец является самой глубокой частью скважины. Забой скважины может быть самым глубоким вертикальным проникновением скважины в недра земли и также включает любую горизонтальную часть, продолжающуюся от вертикального проникновения. Продолженная горизонтальная часть ствола скважины не обязательно находится под прямыми углами к вертикальному стволу скважины или параллельно поверхности земли. Эта продолженная часть следует пласту земли, который в основном является горизонтальным и из которого извлекают желаемую жидкую среду.

Обычно забой скважины является наиболее горячей зоной скважины, а в случае горизонтально продолжающегося ствола скважины, эта наиболее горячая зона имеет значительную длину. Часть коммуникационного кабеля, находящаяся вблизи забоя скважины, подвержена воздействию температуры этой наиболее горячей зоны. Тепло земли может дополняться теплом, производимым скважинной работой, например бурением, что может повысить температуру скважины на 30-50°C. Таким образом, температура выше 280°C, встречающаяся в нисходящей скважине, может быть как результатом температуры земли, так и температуры (подводимой) в результате работы. Другая подводимая температура является результатом нагнетания пара в скважину. В то время как наиболее горячая зона скважины будет в основном вблизи забоя скважины, включая забой (конец) скважины, эта зона может быть значительно длиннее, т.е. занимать большую длину скважины, в случае если скважину используют для нагнетания пара. Коммуникационный кабель обычно изготавливают так, чтобы он выдерживал условия наиболее горячей температурной зоны в скважине, даже если только часть длины кабеля будет подвергаться воздействию этой зоны. Это происходит потому, что кабель обычно изготавливают путем непрерывного процесса, путем экструзионного формования полимерного компонента, например, как формуют электрическую изоляцию кабеля.

В то время как компоненты кабеля по настоящему изобретению пригодны для воздействия температур в скважине не ниже 280°C, эти компоненты также пригодны для использования при более высоких скважинных температурах, например, не ниже 290°C, и предпочтительно не ниже 300°C. Эти температуры существуют вблизи наиболее глубокой части (забоя) скважины, там, где обычно в скважине располагается более низкий конец эксплуатационной колонны, в случае ее наличия. Период воздействия на компонент наиболее высокой температуры в скважине может варьироваться в соответствии со временем пребывания, предназначенного для коммуникационного кабеля, введенного в нисходящую скважину. Эти компоненты также пригодны для длительного использования при каждой из этих температур, причем минимальный период длительного использования составляет не менее одной недели, предпочтительно, не менее одного месяца, и более предпочтительно, не менее шести месяцев. Эти минимальные периоды длительного использования относятся к каждой из минимальных скважинных температур, упомянутых выше.

Композиция, используемая в настоящем изобретении, пригодна для формования компонентов кабеля разнообразных конструкций кабеля, где в кабеле есть по меньшей мере часть, которая располагается вблизи наиболее горячей зоны скважины, то есть забоя скважины. Эти компоненты являются компонентами, которые можно изготовить из полимерного материала. Из композиции можно изготовить более чем один компонент кабеля, в силу чего описание компонента кабеля как выполненного из композиции, может выражаться с точки зрения "включает", чтобы указать на возможность изготовления множества компонентов из этой композиции. Некоторые подробности этих конструкций обсуждаются ниже со ссылкой на фигуры в патентах или публикациях патентных заявок. Эти фигуры и сопровождающие их раскрытия включены в данное изобретение путем ссылки.

Одна группа коммуникационных кабелей для использования в нисходящих скважинах представляет собой коммуникационный кабель, передающий сигнал (данные) между указанной призабойной зоной скважины, например дном эксплуатационной колонны, и верхом скважины, причем такой кабель содержит по меньшей мере один электрический провод и изоляцию, окружающую провод, и компонент, изготовленный из композиции, используемой в данном изобретении, представляет собой или включает изоляцию.

Термин "изоляция", используемый в данной патентной заявке, представляет собой электрическую изоляцию, т.е. изоляцию, которая не проводит электричество. Изоляция может быть первичной изоляцией или вторичной изоляцией. Первичная изоляция представляет собой изоляцию, окружающую электрический провод и находящуюся в контакте с проводом по всей его длине. Вторичная изоляция представляет собой дополнительную изоляцию, окружающую провод, но которую наносят на первичную изоляцию либо непосредственно на первичную изоляцию, либо опосредованно, как в случае, когда присутствует промежуточная уплотнительная изоляция. Таким образом, вторичная изоляция будет обычно представлять собой либо оболочку для первично изолированного провода, либо оболочку для уплотнительного материала, окружающего первично изолированный провод. Композиция, используемая в настоящем изобретении, может быть использована в обоих применениях вторичной изоляции. Термин "провод", используемый в данной патентной заявке, означает электрический провод, либо изготовленный из одиночной проволоки, либо из многочисленных проволок, обычно скрученных вместе с образованием жилы.

Другая группа коммуникационных кабелей для использования в нисходящих скважинах включает по меньшей мере одно оптическое волокно и защитный материал, окружающий оптическое волокно, где компонент, изготовленный из композиции, используемой в данном изобретении, представляет собой или включает защитный материал, окружающий оптическое волокно.

Другая группа коммуникационных кабелей для использования в нисходящих скважинах представляет собой коммуникационный кабель, имеющий нижний конец, содержащий зонд, например, для геофизических исследований скважины, размещенный на нижнем конце, причем зонд включает либо по меньшей мере один электрический провод, либо по меньшей мере одно оптическое волокно, и кожух для защиты указанного электрического провода или оптического волокна, компонент, изготовленный из композиции, используемой в данном изобретении, представляет собой или включает уплотнение, изолирующее внутреннюю часть указанного кожуха от указанной нисходящей скважины. Это предотвращает попадание в кожух жидкой среды из скважины, которая является как коррозионной, так и имеет высокую температуру, и корродирование зонда. Другим оборудованием, которое может быть размещено в нижнем конце кабеля, является мотор, имеющий обмотку, и компонент кабеля, изготовленный из композиции, представляет собой или включает изоляцию обмотки мотора.

Другая группа коммуникационных кабелей для использования в нисходящих скважинах представляет собой кабель электропитания, обеспечивающий электропитание в забое скважины, где компонент, изготовленный из композиции, используемой в данном изобретении, представляет собой или включает изоляцию. Вместо информации данный кабель сообщает (передает) электрическую энергию оборудованию, к которому этот кабель присоединен. Изоляция может быть первичной и/или вторичной изоляцией для проводника кабеля.

Коммуникационный кабель в общем случае будет включать несущий элемент, т.е. элемент, отличный от электрического провода или оптического волокна и который является неотъемлемой частью кабеля с тем, чтобы нести груз кабеля вниз вдоль нисходящей скважины. Такой коммуникационный кабель может быть использован для передачи информации из глубин скважины к устью скважины или обеспечивать электропитание для скважинной работы, например бурения. Обычно несущий элемент будет содержать проволоку высокой прочности, расположенную снаружи кабеля и образующую неотъемлемую часть кабеля. Коммуникационный кабель может также содержать металлическую оплетку вокруг композиции в качестве защиты при обращении и от условий применения, в которых используют коммуникационный кабель.

Примерами таких компонентов коммуникационного кабеля, которые могут быть изготовлены из композиции, применяемой в данном изобретении, являются следующие.

Патент США 3832481 показывает на Фиг.4 поперечное сечение электрического кабеля для электропитания погружных моторов, причем кабель содержит три скрученные из проволоки жилы 17, образующие три электрических провода, причем каждый провод покрыт первичной изоляцией 19, оболочкой 21, и сборка из трех изолированных проводов заключена в уплотнительный материал 23, а затем в оболочку 13 и внешнюю металлическую броню 15. Один или несколько компонентов этого кабеля, т.е. первичная изоляция 19, оболочка 21, уплотнительный материал 23 и оболочка 13 могут быть изготовлены из композиции, используемой в настоящем изобретении. Скрученные из проволоки жилы, образующие провод, также образуют зазоры на поверхности указанного провода, как показано на Фиг.4, и первичная изоляция 19 также служит уплотнительным материалом, т.е. заполняет эти зазоры, а также пространство между проводом и оболочкой, которая заключает в себе провод и первичную изоляцию.

Патент США 4705353 показывает на Фиг.1 поперечное сечение оптоволоконного кабеля, где каждое оптическое волокно 12 заключено в защитный слой 16 из фторполимера TEFLON®, и сборка из трех защищенных оптических волокон заключена в защитную оболочку 18 из фторполимерной смолы TEFZEL®. Защитный слой 16 и/или защитная оболочка 18 могут быть изготовлены из композиции по настоящему изобретению.

Патент США 4523804 показывает на Фиг.1 поперечное сечение оптоволоконного кабеля, где внешняя оболочка 20 из полимерного материала, как, например, PFA, обеспечена поверх промежуточных защитных материалов оптических волокон 14. Эта оболочка может быть изготовлена из композиции, используемой в настоящем изобретении.

Патент США 5894104 показывает на Фиг.2 вид сбоку кабеля, содержащего спускаемый на тросе провод 20 для передачи данных, изоляцию 21, окружающую провод, и металлическую трубку 22, окружающую изоляцию 21, где все заключено в кожух 23, образуя зонд. Изоляция может быть изготовлена из композиции, используемой в настоящем изобретении. Фиг.4 в поперечном сечении показывает наличие блокирующих заслонок 30 и вкладыш 35, находящиеся между изолированным проводом и кожухом, изолируя внутреннюю часть кожуха 23 от скважины, т.е. предотвращая проникновение скважинных жидкостей во внутреннюю часть кожуха. Заслонки и/или вкладыш могут быть изготовлены из композиции, используемой в настоящем изобретении. Фиг.4 также показывает слой высокотемпературной полимерной изоляции 21, заключающей в себе провод 21 внутри кожуха зонда, который также может быть изготовлен из композиции по настоящему изобретению.

Патент США 7009113 на Фиг.3 показывает поперечное сечение электрического кабеля, состоящего из проводов 202 и 204, образованных из скрученных проволок, причем каждый провод окружен первичной изоляцией 206, оболочкой 207, уплотнительным материалом 208 и внешней оболочкой 302, причем по меньшей мере два слоя 214 и 216 бронирующей проволоки образуют внешнюю защиту кабеля и несут груз кабеля. Один или несколько следующих компонентов могут быть изготовлены из композиции, используемой в настоящем изобретении: первичная изоляция 206, оболочка 207, уплотнительный материал 208 и внешняя оболочка 302.

Патент США 7066246 на Фиг.3 показывает поперечное сечение плоского кабеля, содержащего совокупность проводов 202 для передачи сигналов, причем каждый провод окружен первичной изоляцией 204, при этом совокупность изолированных проводов прикреплена к плоскому продолженному (в направлении длины кабеля) поддерживающему слою 206 уплотненного пластика. Первичная изоляция 204 может быть изготовлена из композиции, используемой в настоящем изобретении.

Патент США 7235743 на Фиг.5 показывает поперечное сечение электрического кабеля, состоящего из множества проводов 504, причем каждый из них имеет полимерную изоляцию 506, все заключены в устойчивую к ползучести оболочку 514 и бронирующую проволоку 516 и 518. Пространство между изолированными проводами и оболочкой 514 заполнено несжимаемым уплотнительным материалом 510 и распределенными внутри устойчивыми к сжатию силовыми элементами 508, каждый из которых представляет собой покрытую полимером нить. Один или несколько следующих компонентов кабеля могут быть изготовлены из композиции, используемой в настоящем изобретении: полимерная изоляция 506, уплотнительный материал 510 и полимерная оболочка, образующая силовые элементы 508.

Патент США 7324730 на Фиг.3 показывает поперечное сечение оптоволоконного/электрического проводящего кабеля, где изоляционный материал 108 заключает в себе пучок скрученных вместе проводов 106 и заполняет зазоры, образовавшиеся при скручивании проводов вместе. Фиг.3 показывает в поперечном сечении расположенное центрально оптическое волокно 302, окруженное металлическими проводами 304, которые в свою очередь окружены полимерным изоляционным материалом 306, который может быть изготовлен из композиции, используемой в настоящем изобретении.

Публикация заявки на патент США 2007/0188344 на Фиг.7 показывает обсадную трубу, содержащую бурильную колонну 12, образующую полую трубу и содержащую буровой наконечник 15 на своем нижнем конце. Провод 708, имеющий зонд 710 на своем нижнем конце, пропускают вниз по полой внутренней части буровой колонны 12, пока зонд 710 не окажется рядом с буровым наконечником. Зонд выполняет роль каротажного и/или измерительного инструмента при бурении, доставляя информацию на поверхность скважины. Изоляция провода 708 и внутри зонда являются компонентами, которые могут быть изготовлены из композиции, используемой в настоящем изобретении.

Применения композиции, используемой в настоящем изобретении, в качестве компонентов в коммуникационных кабелях являются всего лишь иллюстрациями применений, а не ограничениями использования этой композиции в скважинных кабелях. Предполагается, что более высокие скважинные рабочие температуры, придаваемые кабелю благодаря использованию этой композиции, приведут к новым конструкциям кабелей, включая конструкцию зондов, в которой композиция может быть использована в качестве одного или нескольких их компонентов.

В отношении полимерных ингредиентов, используемых для изготовления композиции, используемой в настоящем изобретении, и изготовления полимерного компонента изделий, описанных выше, PFA представляет собой сополимер тетрафторэтилена (TFE) и перфторированного алкилвинилового эфира (PAVE), в котором линейная или разветвленная группа содержит 1-5 атомов углерода. Предпочтительными мономерами PAVE являются те, в которых перфторалкильная группа содержит 1, 2, 3 или 4 атомов углерода, соответственно известные как перфторированный метилвиниловый эфир (PMVE), перфторированный этилвиниловый эфир (PEVE), перфторированный пропилвиниловый эфир (PPVE) и перфторированный бутилвиниловый эфир (PBVE). Сополимер может быть изготовлен, используя несколько PAVE мономеров, как, например, сополимер TFE/перфторированный метилвиниловый эфир, иногда называемый производителями MFA, но здесь упоминаемый как PFA. PFA может содержать примерно 1-15%(вес.) PAVE, однако, в случае PAVE содержание 2-5%(вес.), предпочтительно 3,0-4,8%(вес.), является наиболее распространенным содержанием PAVE в случае использования одного мономера PAVE для образования PFA, причем TFE образует оставшуюся часть сополимера. Если PAVE включает PMVE, композиция представляет собой примерно 0,5-13%(вес.) перфторированного метилвинилового эфира и примерно 0,5-3%(вес.) PPVE, остальное до 100%(вес.) составляет TFE. Предпочтительно, чтобы особенности и количество PAVE, присутствующее в PFA, было таким, чтобы температура плавления PFA была выше 300°C. PFA является фторопластом, а не фторэластомером. Как фторопласт, PFA является полукристаллическим, т.е. частично кристаллическим.

В дополнение к тому, что PFA пригоден для обработки в расплаве, он также может быть легко переработан в расплаве, т.е. PFA обладает достаточной текучестью в расплавленном состоянии, чтобы его можно было легко перерабатывать обработкой расплава, как, например экструзией, для производства изделий, имеющих достаточную прочность для их использования. Эта достаточная прочность может быть охарактеризована тем, что сам PFA демонстрирует прочность на перегиб (MIT Flex Life) не менее 1000 циклов, предпочтительно не менее 2000 циклов для пленок толщиной 8 мил (0,21 мм). В испытаниях прочности на перегиб пленку зажимают между тисками и сгибают вперед-назад в диапазоне 135°. В данном случае, то, что PFA не является ломким, говорит о его прочности. Скорость течения расплава (MFR) PFA (до проведения любой тепловой обработки) составляет предпочтительно не менее 0,1 г/10 мин, предпочтительно не менее 5 г/10 мин, и еще более предпочтительно не менее 7 г/10 мин, как измерено в соответствии с документами Американского общества по испытанию материалов D-1238 и Американского общества по испытанию материалов D 3307-93, при 372°C, используя 5-и килограммовую нагрузку на расплавленный PFA.

PFA может быть обработан фтором для получения стабильной концевой группы -CF₃ как наиболее преобладающей концевой группы и менее 50, предпочтительно менее 25, общего количества нестабильных концевых групп, особенно -CONH₂, -COF, -CH₂OH и -COOH на 10⁶ атомов углерода как наиболее распространенных концевых групп, получаемых в процессе водной эмульсионной полимеризации, используемом для изготовления PFA. Методы фторирования раскрыты в патенте США 4743658 (Imbalzano and Kerbow) и патенте США 6838545 (Chapman and Bidstrup). Согласно одному аспекту настоящего изобретения, PFA не обрабатывают фтором, при этом его концевые группы являются нестабильными концевыми группами, упомянутыми выше, являющимися результатом водной эмульсионной полимеризации, используемой для получения PFA.

В отношении политетрафторэтилена, используемого в настоящем изобретении, специалистам в данной области техники понятно, что когда PTFE раскрывают в литературе без каких-либо пояснений, то имеется в виду не текучий в расплаве PTFE, причем отсутствие текучести расплава является результатом чрезвычайно высокого молекулярного веса этого полимера. Политетрафторэтилен, используемый в настоящем изобретении, является текучим в расплаве благодаря низкому молекулярному весу данного полимера, и обозначается здесь и далее как LMW PTFE. В то время как этот низкомолекулярный вес придает полимеру текучесть в расплаве, LMW PTFE не пригоден для переработки в расплаве. Под выражением "не пригоден для переработки в расплаве" подразумевают то, что изделие, отлитое из расплава LMW PTFE, не пригодно к использованию из-за свой чрезвычайной хрупкости. Из-за своего низкого молекулярного веса (по отношению к не текучему в расплаве PTFE) LMW PTFE не обладает прочностью. Экструдированное из этого низкомолекулярного PTFE волокно настолько ломкое, что оно ломается при изгибании. В общем, пластинки, изготавливаемые компрессионным формованием, не могут быть изготовлены для испытания на растяжение низкомолекулярного политетрафторэтилена, используемого в настоящем изобретении. Пластинки растрескаются или раскрошатся при извлечении из пресс-формы, поэтому ни упругие свойства, ни прочность на перегиб не могут быть испытаны. По существу, этот полимер не обладает прочностью на разрыв (нулевая прочность на разрыв), и прочность на перегиб составляет ноль циклов.

LMW PTFE также может быть охарактеризован высокой кристалличностью, предпочтительно демонстрируя теплоту кристаллизации не менее 50 Дж/г.

В дополнение к характерной высокой кристалличности LMW PTFE и отсутствию прочности, предпочтительный LMW PTFE обладает текучестью расплава, т.е. LMW PTFE течет в расплавленном состоянии. Одним количественным параметром текучести расплава является скорость течения расплава (MFR) через отверстие при заданной температуре и под заданной нагрузкой на расплавленный полимер, используя прибор, как, например, пластометр, описанный в документе D 1238 Американского общества по испытанию материалов. Предпочтительный LMW PTFE имеет MFR не менее 0,01 г/10 мин, более предпочтительно не менее 5 г/10 мин, как измерено в соответствии с методом D 1238 Американского общества по испытанию материалов, при 372°C, используя 5-и килограммовую нагрузку на расплавленный полимер. LMW PTFE получают либо прямой полимеризацией в условиях, предотвращающих образование очень длинных полимерных цепей, либо деградацией PTFE под облучением, т.е. высокомолекулярного, не текучего в расплаве PTFE. В то время как LMW PTFE обладает низкомолекулярным весом, он тем не менее имеет достаточный молекулярный вес, чтобы находиться в твердом состоянии вплоть до высоких температур, например, имеет температуру плавления не ниже 300°C, более предпочтительно, не ниже 310°C, еще более предпочтительно, не ниже 320°C. Одним показателем такого достаточного молекулярного веса является то, что LMW PTFE образует вязкий расплав, таким образом, что когда определяют MFR полимера в соответствии с документом D 1238 Американского общества по испытанию материалов при 372°C, используя 5-и килограммовую нагрузку, MFR полимера составляет не более чем 100 г/10 мин, предпочтительно, не более чем 75 г/10 мин, еще более предпочтительно, не более чем 50 г/10 мин. Каждое из этих самых высоких значений MFR может быть скомбинировано с любым из самых низких значений MFR, упомянутых выше, с образованием диапазонов значений MFR, например, 0,01-50 г/10 мин, 0,01-75 г/10 мин, 5-100 г/10 мин и т.д. Значения MFR для PFA и LMW PTFE, используемых в композициях, предпочтительно находятся в диапазоне 20 г/10 мин друг от друга, более предпочтительно в диапазоне 15 г/10 мин друг от друга, и более предпочтительно в диапазоне 10 г/10 мин друг от друга. Скорости течения расплава, раскрытые здесь, определяли для полимера, который не подвергали тепловому старению, т.е. продолжительному воздействию высоких температур, которые, например, наблюдаются в нисходящих скважинах, как описано выше.

LMW PTFE, используемый в настоящем изобретении, часто называют микропорошковым PTFE, что также является другим способом отличить данный полимер от высокомолекулярного, не текучего в расплаве PTFE. Хорошо известно, что торговая марка TEFLON® компании DuPont Company относится к PTFE. В отличие от этого, DuPont Company продает микропорошковый PTFE как фторированную добавку ZONYL®, используемую для придания низкой поверхностной энергии и других свойств фторполимера при добавлении к другим материалам.

Соотношения PFA и LMW PTFE, используемые для изготовления компонентов кабелей для скважинного использования, обычно содержат большое количество LMW PTFE с целью придания повышенной температурной устойчивости компоненту, таким образом, чтобы он мог работать при значительно больших скважинных температурах, чем компонент, изготовленный исключительно из PFA, в течение периода времени, требуемого для скважинных работ. Для этого компонент должен содержать не менее 12%(вес.) LMW PTFE, предпочтительно, не менее 15%(вес.). Чтобы выдерживать 300°C в нисходящей скважине, минимальное количество LMW PTFE составляет не менее 18%(вес.), предпочтительно, не менее 20%(вес.). Максимальное содержание LMW PTFE будет диктоваться определенным применением компонента, и в любом случае должно быть ниже чем 50%(вес.). Для всех максимальных содержаний LMW PTFE, упомянутых выше, предпочтительные максимальные количества LMW PTFE в композициях, из которых изготавливается компонент, составляет 45%(вес.), таким образом, определяя содержание LMW PTFE в диапазоне 12-45%(вес.), 15-45%(вес.), 18-45%(вес.) и 20-45%(вес.). На том же основании, предпочтительное максимальное количество LMW PTFE составляет 40%(вес.), и более предпочтительно, 35%(вес.), и еще более предпочтительно, 30%(вес.). Таким образом, дополнительными диапазонами содержания LMW PTFE могут быть 18-40%(вес.), 18-35%(вес.) и 18-30%(вес.), 20-45%(вес.), 20-35%(вес.) и 20-30%(вес.). Для всех этих количеств, выраженных в %(вес.), содержание PFA составляет остаток до полных 100%(вес.) на основе общего веса этих полимеров. Предпочтительно использовать один LMW PTFE и один PFA для получения композиции, из которой изготавливают компонент, и они являются единственными полимерными ингредиентами, составляющими композицию. В композиции могут присутствовать пигменты, но предпочтительно, чтобы они не делали композицию электропроводящей. Композиция предпочтительно является не электропроводящей, в этом случае она не будет содержать электропроводящий углерод. Предпочтительно, чтобы диэлектрическая постоянная композиции была не выше 2,4, более предпочтительно, не выше 2,2 (измеренная при 20°C), что обеспечивает электроизоляционную способность композиции и компонентов, изготовленных из нее, т.е. она не проводит электричество.

Композицию, из которой изготовлены компоненты, предпочтительно приготавливают тщательным перемешиванием вместе PFA и LMW PTFE в желаемых пропорциях. Перемешивание расплава, как раскрыто здесь и как определено термином, представляет собой нагревание композиции выше температуры плавления обоих компонентов и проведение смешивания полученного расплава, например, перемешиванием расплава, как это происходит при использовании инжекционного или экструзионного шнека, присутствующего при литьевом формовании или экструзии соответственно. Скорость сдвига, применяемая при смешивании расплава, будет обычно составлять не менее примерно 75 с^-1.

Перед смешиванием расплава два полимера могут быть смешаны в сухом виде с образованием композиции в виде сухой перемешанной смеси. Полимеры для сухого смешивания могут быть в форме экструдированных гранул PFA и порошкового LMW PTFE. Обычно гранулы имеют размер меньше 10 мм в диаметре и в длину, а средний размер частиц порошкового LMW PTFE составляет меньше 50 микрометров согласно результатам измерения лазерным прибором Microtac®.

При охлаждении расплавленной композиции после процесса переработки расплава, PFA и LMW PTFE будут кристаллизоваться отдельно, на что указывает наличие у композиции двух температур плавления, примерно соответствующих температурам плавления двух полимерных компонентов композиции. Тепловая обработка композиции в результате длительного времени пребывания при наиболее высокой температуре в скважине вызывает твердофазные превращения, т.е. эпитаксиальную совместную кристаллизацию, посредством чего композиция теперь демонстрирует только одну температуру плавления. Результирующая смешанная в расплаве композиция тем не менее в настоящем документе упоминается как содержащая оба полимерных компонента, считая, что на молекулярном уровне эти два компонента по-прежнему присутствуют в композиции даже после теплового превращения, вызванного тепловым старением. Используемый здесь термин "содержащая" включает описание композиции с точки зрения ее изготовления, т.е. композиции, изготовленной смешиванием расплава двух полимерных компонентов (и переработкой расплава), и композиции, которую подвергают тепловому старению для осуществления эпитаксиальной совместной кристаллизации. Упоминание того, что композиция проходит эпитаксиальную совместную кристаллизацию, также относится к компонентам кабеля, изготовленным из композиции, например, с помощью переработки расплава.

Расплав смеси композиции может быть переработан из расплава в конечную форму компонента кабеля или в экструдированные гранулы композиции, которые затем можно переработать из расплава в конечную форму желаемого компонента. Процесс переработки расплава будет зависеть от формуемого компонента, но в основном будут использоваться такие процессы переработки расплава, как экструзия, литьевое формование, литьевое прессование, компрессионное формование, ротолайнинг и ротационное формование.

Способность композиции выдерживать высокую температуру в нисходящей скважине, например, не ниже 280°C, может быть количественно оценена как композиция, сохраняющая не менее 80% изначального (до старения) модуля упругости, и более предпочтительно, не менее 90%, все определения сделаны в испытаниях при температуре окружающей среды (15-25°C), если не указано другое. Предпочтительно, чтобы сохранение модуля также достигалось при более высоких температурах воздействия, например, не ниже 290°C или 300°C, и даже более предпочтительно, не ниже 310°C. Исходным модулем упругости является модуль упругости до воздействия этих высоких температур. Период времени воздействия в общем случае будет длительным, например, в течение не менее 1 недели, часто не менее 2 недель, и предпочтительно, в течение не менее 6 месяцев при 280°C или более высоких температурах, как, например, 290°C или 300°C. Более предпочтительно, чтобы модуль упругости оставался по меньшей мере таким же высоким, как и исходный модуль упругости после воздействия каждого из этих условий. Периоды времени воздействия высокой температуры, раскрытые в данном документе, могут быть результатом постоянного или периодического воздействия. В случае постоянного воздействия воздействие происходит без перерывов. В случае периодического воздействия, воздействие происходит с перерывами, как это может случаться, если компонент кабеля используют на глубине скважины, и его периодически удаляют и снова устанавливают в скважине. Таким образом, это время воздействия высокой температуры является кумулятивным временем воздействия.

ПРИМЕРЫ

Модуль упругости (модуль Юнга) определяют с помощью метода согласно документу D 638-03 Американского общества по испытанию материалов в измененном варианте D3307 параграф 9.6 Американского общества по испытанию материалов, на испытуемых образцах в форме гантели шириной 15 мм и длиной 38 мм и толщиной 5 мм, вырезанных штамповкой из полученных компрессионным формованием пластин толщиной 60 мил (1,5 мм). Модули упругости, приведенные в данном документе, определяли при 23°C, если не указано другое.

Метод измерения прочности на перегиб описан в документе D 2176 Американского общества по испытанию материалов, при этом используют полученную компрессионным формованием пленку толщиной 8 мил (0,21 мм).

Компрессионное формование пластин и пленки, используемых в данных испытаниях, проводили на смешанных в расплаве композициях, изготовленных на экструдере Brabender®, как описано здесь ниже, при приложенном усилии, равном 20000 фунтов (9070 кг) при температуре 343°C, получая компрессионные формованные изделия размером 7×7 дюймов (17,8×17,8 см). Более подробно, для изготовления пластины толщиной 60 мил (1,5 мм) 80 г композиции добавляют в обойму пресс-формы, имеющую толщину 63 мил (1,6 мм). Обойма определяет размер пластины 17,8×17,8 см. Во избежание прилипания к прижимным плитам компрессионной пресс-формы обойму и наполняющую композицию размещают между двумя листами алюминия. Комбинация из обоймы и алюминиевых листов (усиленных прижимными плитами пресса) образует пресс-форму. Прижимные плиты пресс-формы нагревают до 343°C. Полное время прессования составляет 10 минут, причем первая минута используется для постепенного достижения сжимающего усилия, равного 20000 фунтов (9070 кг), а последняя минута используется для сброса давления. Структуру типа сэндвича затем сразу же переносят в 70-тонный холодный пресс (63560 кг) и прикладывают сжимающее усилие, равное 20000 фунтов (9070 кг), к горячему компрессионному формованному изделию в течение 5 минут. Структуру типа сэндвича затем удаляют из холодного пресса и полученную компрессионным формованием пластину удаляют из пресс-формы. Образцы в форме гантели (тестируемые образцы) вырубают с помощью штампа из пластины, используя стальной вырубной штамп, описанный на Фиг.1 метода Американского общества по испытанию материалов D 3307. Для пленки, используемой в испытании прочности на перегиб, используют тот же метод за исключением того, что обойма имеет толщину 8 мил (0,21 мм), и количество композиции, внесенное в пресс-форму, составляет 11,25 г. Образцы пленки, используемые в испытании прочности на перегиб, представляли собой полоски шириной 1/2 дюйма (1,27 см), вырезанные из полученной компрессионным формованием пленки. Композиция, из которой изготавливают пластины или пленку, предпочтительно представляет собой композицию до изготовления кабеля, а не из самого компонента, поскольку в последнем случае будет требоваться разрушение компонента.

LMW PTFE, используемый в Примерах, представляет собой следующее:

LMW PTFE А имеет теплоту кристаллизации 64 Дж/г, температуру плавления 325°C (второй нагрев), средний размер частиц 12 микрометров и скорость течения расплава 17,9 г/10 мин.

LMW PTFE В имеет теплоту кристаллизации 59 Дж/г, температуру плавления 330°C (второй нагрев), средний размер частиц 20 микрометров и скорость течения расплава 0,01 г/10 мин.

Ни один из этих LMW PTFE не может быть сформован компрессионным формованием в пластины, которые имеют достаточную прочность для испытания упругих свойств.

PFA, используемые в Примерах, представляют собой следующее:

PFA 1 представляет собой сополимер TFE/PPVE, имеющий скорость течения расплава 14 г/10 мин.

PFA 2 представляет собой сополимер TFE/PPVE, имеющий скорость течения расплава 2 г/10 мин.

PFA 3 представляет собой сополимер TFE/PPVE, имеющий скорость течения расплава 5,2 г/10 мин.

PFA 4 представляет собой обработанный фтором PFA 1 и содержит не более 20 нестабильных концевых групп (-COF и -COOH) на 10⁶ атомов углерода в полимерной цепи.

Все эти PFA имеют температуру плавления (первый нагрев) от 307 до 308°C и содержат от 3,2 до 4,8%(вес.) PPVE. PFA 1, PFA 2 и PFA 3 не обрабатывали фтором, и распределение концевых групп в этих PFA представляет собой в основном -COOH и небольшую долю -COF. Эти PFA имеют вид гранул, полученных экструзией расплава и разрезанием экструдированного жгута на гранулы.

Раскрываемый здесь метод определения температуры плавления представляет собой ДСК (дифференциальный сканирующий калориметрический) анализ в соответствии со стандартом Американского общества по испытанию материалов D3418-08. Используемый калориметр представляет собой модель Q1000 TA Instruments (New Castle, DE, USA). Температурную шкалу калибровали, используя (a) температуры начала плавления 3 металлов: ртуть (-38,86°C), индий (156,61°C), олово (231,93°C) и (b) скорость нагрева 10°/мин в потоке сухого азота скоростью 30 мл/мин. Калориметрическую шкалу калибровали, используя теплоту сплавления индия (28,42 Дж/г) в условиях (b). Определения температуры плавления проводили, используя условия (b). Раскрытые здесь температуры плавления представляют собой эндотермический пик кривой, полученной при ДСК. Пик, получаемый при первом нагреве до 350°C, представляет собой температуру плавления при первом нагреве. За этим следует охлаждение и второй нагрев до 350°C с целью получения температуры плавления при втором нагреве. Подробности циклов нагрева и охлаждения раскрыты в патенте США 5603999, за исключением того, что в качестве наиболее высокой температуры используют 350°C вместо 380°C. Температуры плавления композиций PFA/LMW PTFE, раскрытых в данном документе, представляют собой температуры плавления при первом нагреве.

Температуру кристаллизации (первый нагрев) определяют, как описано в патенте США 5603999.

Смеси (расплавы смесей) PFA и LMW PTFE, используемые в Примерах, получают путем следующей процедуры: используют одношнековый экструдер Brabender®. Экструдер оборудован шнеком с диаметром 1-1/4 дюйма (3.2 см), оснащенного смешивающим наконечником типа Saxton, отношение L/D экструдера равно 20:1. Гранулы PFA и порошковый LMW PTFE смешивают в сухом виде, с последующим перемешиванием в расплаве в экструдере Brabender®. В случае композиции, содержащей 30%(вес.) LMW PTFE, смешивание проводят в три стадии. На первой стадии одну треть от заданного общего количества LMW PTFE смешивают с гранулами PFA и затем пропускают через экструдер, с помощью которого из данной смеси получают гранулы. На второй стадии эти гранулы смешивают в сухом виде с другой одной третьей частью от требуемого общего количества LMW PTFE и пропускают через экструдер Brabender® с получением экструдированных гранул. Третья стадия представляет собой сухое смешивание этих гранул с последней одной третьей частью LMW PTFE и затем прохождение этой композиции через экструдер с получением хорошо перемешанной смеси PFA/LMW PTFE в виде гранул. В случае композиции, содержащей 20%(вес.) LMW PTFE, выполняют только первые две экструзии. Температурный профиль в экструдере следующий: зона 1 = 315°C, зона 2 = 321°C, зона 3 = 332°C, зона 4 = 338°C, зона 5 и фильера = 349°C. Шнек экструдера работает в режиме 120 об/мин.

Пример 1 - Композиции, выдерживающие 315°C

Пример демонстрирует на основании сохранения композицией своего первоначального модуля упругости, что композиции PFA/LMW PTFE выдерживают воздействие температуры значительно выше температуры непрерывного использования PFA, составляющей 260°C, в течение длительных периодов времени. Композиции увеличивают свой модуль упругости с увеличением времени воздействия. В Таблице 1 приведены результаты испытаний, при которых испытуемые образцы из смешанных в расплаве смесей PFA с LMW PTFE подвергают нагреву при 315°C без приложения нагрузки в печи с циркулирующим воздухом. Эту температуру используют для оценки композиций и компонентов, выполненных из нее, с точки зрения непрерывного использования в нисходящих скважинах, где могут наблюдаться температуры, достигающие 300°C.

Таблица 1 Недели Модуль упругости-МПа   PFA 2/B-20 PFA 2/A-20 PFA 3/A-20 PFA 4/A-20 PFA 1/A-30 0 487 465 484 487 541 3 477 485 469 469 508 6 500 518 566 503 551 9 497 520 494 497 591 12 502 529 528 542 602

В Таблице 1 столбец “Недели” представляет период времени воздействия на модуль упругости испытуемых образцов при 315°C. В столбце, названном “PFA 2/B-20”, B представляет собой 20%(вес.) LMW PTFE B в композиции. Остальные названия столбцов должны интерпретироваться сходным образом, например, "А-30" представляет собой 30%(вес.) LMW PTFE A. Испытуемые образцы извлекают из печи каждую неделю и проводят определение их модуля упругости. Для краткости в Таблице 1 приведены только результаты с 3-х недельными интервалами. У каждого испытуемого образца определяют модуль упругости только один раз и затем его выбрасывают, таким образом, каждый результат для модуля упругости получают на новом испытуемом образце. Определение модуля упругости проводят при 23°C.

Результаты определения модуля упругости, приведенные в Таблице 1, показывают существование тенденции к увеличению модуля упругости с увеличением времени нагрева, определяемого неделями. Пропущенные результаты испытаний для недель 1, 2, 4, 5, 7, 8, 10 и 11 согласуются с этой тенденцией. Это противоречит ожидаемому снижению упругих свойств со временем нагрева, которое приводит к установлению температуры непрерывного использования только одного PFA, равной 260°C. Удивительным образом присутствие значительного количества LMW PTFE в композиции PFA обеспечивает это улучшение.

Определение модуля упругости композиции PFA1/LMW PTFE A-20 после старения в течение длительного периода показывает сходное сохранение модуля упругости, где существует тенденция увеличения модуля упругости с увеличением времени нагрева при 315°C, как показано в следующей Таблице:

Таблица 2 Недели Модуль упругости - МПа 0 487 5 479 10 507 15 535 20 576

Пропущенные результаты испытаний для недель 1-4, 6-9, 11-14 и 16-19 и 11 согласуются с этой тенденцией (а) сохранения модуля упругости и (b) увеличения модуля упругости с увеличением времени нагрева. Сохранение модуля упругости наблюдалось при нагреве при 315°C в течение 6 месяцев и дольше. Например, модуль упругости, определяемый при 23°C, остается в пределах 90% от первоначального модуля упругости после 18 месяцев теплового старения при 315°C. То же наблюдается для композиции PFA 3/A-20.

При снижении концентрации LMW PTFE в PFA до 15%(вес.) при этом условии нагрева испытуемый образец становится непригодным для испытаний из-за нарушения формы во время нагрева в печи в течение только одной недели. Это означает, что температура нагрева должна быть снижена, например, до 300°C, для получения соответствия рабочей температуре, равной примерно 285°C.

Все композиции PFA/LMW PTFE, используемые в данных Примерах, демонстрируют одну температуру плавления (второй нагрев) в интервале от 318°C до 324°C после теплового старения и диэлектрическую постоянную менее 2,2.

Пример 2 - Испытание упругости при повышенных температурах

В то время как испытания при температуре окружающей среды применяют для определения температуры непрерывного использования, также желательно знать об упругих свойствах при высокой температуре.

Когда композицию PFA/LMW PTFE подвергают тепловому старению при 315°C в течение 7 дней и определяют упругие свойства при 250°C, композиция по-прежнему демонстрирует значительный модуль упругости, как показано в Таблице 3.

Таблица 3 Температура испытания - °C Модуль упругости (МПа) PFA 1/A-20 23 540 250 25

Когда нагрев композиции PFA 1/A-20 проводят при 315°C и определяют модуль упругости при 200°C, получают результаты, приведенные в Таблице 4.

Таблица 4 Время теплового старения (ч) Модуль упругости-(МПа) 0 50 24 55,8 48 56 168 56

Пример 3 - Применение композиций PFA/LMW PTFE в коммуникационном кабеле для нисходящей скважины

Примеры компонентов коммуникационного кабеля для нисходящей скважины, которые могут быть изготовлены из данных композиций, описаны выше со ссылкой на упомянутые патенты. Эти компоненты могут быть изготовлены при производстве кабеля с помощью такого же процесса производства из расплава, который применяют для формования компонентов кабеля из полимеров, указанных в этих патентах. Обычно, в случае как первичной, так и вторичной изоляции, компонент формуют экструзией на уже сформированной конструкции кабеля. Например, оболочку кабеля экструдируют на первично изолированный провод, причем первичная изоляция предварительно сформована на проводе с помощью экструзии. То же самое применимо к оптическим кабелям. Композицию экструдируют на оптическое волокно для выполнения роли защитного материала для оптического волокна, является ли этот защитный материал оболочкой кабеля и/или уплотнительным материалом между оптическим волокном и оболочкой кабеля.

Пример 4 - Эпитаксиальная совместная кристаллизация

Во время воздействия на часть коммуникационного кабеля, подвергающуюся наиболее высокой температуре в нисходящей скважине, в этой части происходит кристаллографическое преобразование смеси отдельных кристаллов, в основном PFA и LMW PTFE, в смешанные кристаллы этих полимерных компонентов. Это преобразование, называемое эпитаксиальная совместная кристаллизация (ЕСС), представляет собой твердофазную реакцию, происходящую во время теплового старения, вызванного продолжительным воздействием на эту часть коммуникационного кабеля высокой температуры в нисходящей скважине. Проявлением ЕСС является то, что подвергнутая тепловому старению часть композиции кабеля демонстрирует одну температуру плавления на ДСК (первый нагрев). В противоположность этому, такая же часть коммуникационного кабеля до теплового старения, несмотря на то, что эта часть коммуникационного кабеля была изготовлена из расплава, демонстрирует две температуры плавления, соответствующие примерно температурам плавления каждого полимерного компонента.

ЕСС представляет собой явление, при котором эти отдельные кристаллы становятся смешанными кристаллами таким образом, что температура плавления на ДСК при первом нагреве представляет собой одну температуру плавления, которая выше температуры плавления PFA, что говорит о том, что кристаллы PFA и LMW PTFE преобразовались в другое кристаллическое состояние, а именно смешанные кристаллы.

ЕСС происходит в настоящем изобретении путем теплового старения в нисходящей скважине при температуре, при которой композиция PFA/LMW PTFE сохраняет изготовленную из расплава форму, т.е. композиция и компоненты кабеля, изготовленные из нее, находятся в твердом состоянии. Форма изготовленного из расплава изделия различима после теплового старения. Важно, чтобы изготовленная из расплава часть коммуникационного кабеля сохраняла свою форму. Таким образом, несмотря на то, что температура теплового старения высока, такая температура не столь высока, чтобы часть кабеля плавилась и текла, теряя свою исходную (до старения) форму. Было обнаружено, что данная стабильность формы сохраняется даже при тепловом старении при температурах выше, чем температура плавления самого PFA. Предпочтительно, однако, чтобы температура теплового старения (максимальная температура воздействия в нисходящей скважине) была ниже, чем температура плавления компонента композиции с самой низкой температурой плавления, т.е. ниже температуры плавления PFA.

При изготовлении из расплава композиции PFA/LMW PTFE ЕСС не происходит. Это означает, что изготовленная из расплава композиция (часть кабеля, подверженная действию высокой температуры в нисходящей скважине) демонстрирует две температуры плавления, соответствующие примерно температурам плавления компонентов PFA и LMW PTFE, как показано в следующем испытании. Испытуемая композиция представляет собой 75%(вес.) PFA3 и 25%(вес.) LMW PTFE A. Исходный материал представляет собой композицию в виде гранул, изготовленных на одношнековом экструдере Brabender®, как описано выше.

ДСК анализ гранул показывает присутствие двух эндотермических пиков (температуру плавления) при примерно 315°C и 322°C, что говорит о присутствии отдельных кристаллов PFA и LMW PTFE в изготовленных из расплава гранулах композиции.

Повторная экструзия гранул в экструдере Kombiplast® с конструкцией шнека, обеспечивающей тщательное перемешивание компонентов композиции, и последующий ДСК анализ экструдата показывает примерно те же две температуры плавления (315°C и 322°C) композиции, не прошедшей тепловое старение.

Тепловое старение экструдата в течение одного дня при 300°C с последующим ДСК анализом показывает одну температуру плавления композиции - 319°C. Было определено, что необходимо не менее 12 ч теплового старения при 300°C, прежде чем композиция будет демонстрировать в основном одну температуру плавления.

Повторную экструзию композиции, не прошедшей тепловое старение, проводят 6 раз и полученный не прошедший тепловое старение экструдат после каждой экструзии подвергают ДСК анализу, причем результатом является присутствие двух пиков плавления в интервалах 313°C-314°C и 321°C-322°C.

Тепловое старение экструдата, не прошедшего тепловое старение, при 300°C в течение 1 дня для каждой из этих 6 повторных экструзий показывает один пик плавления на ДСК (температуру плавления) в интервале 318°C-319°C.

Экструдат остается твердым, и форма экструдата остается различимой даже после этого теплового старения, т.е. тепловое старение происходит при сохранении экструдатом твердого состояния.

Таким образом, очевидно, что тепловое старение в нисходящей скважине необходимо для осуществления ЕСС.

Изобретение относится к коммуникационному кабелю для нисходящих скважин. Коммуникационный кабель включает в качестве своего компонента композицию, включающую легкообрабатываемый в расплаве сополимер тетрафторэтилена и перфторированного алкилвинилового эфира и текучего в расплаве политетрафторэтилена, который самостоятельно не обладает упругими свойствами и присутствует в указанной композиции в количестве, эффективном для обеспечения способности компонента выдерживать воздействие указанной температуры, при этом воздействие высокой температуры на компонент кабеля достаточно для термического твердофазного превращения композиции, таким образом приводя к эпитаксиальной совместной кристаллизации. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Коммуникационный кабель нисходящей скважины, содержащий, по меньшей мере, один электрический провод или оптическое волокно, окруженные соответственно электроизоляционным или защитным материалом, причем изоляционный или защитный материал содержит композицию, содержащую легкообрабатываемый в расплаве сополимер тетрафторэтилена и перфорированного алкилвинилового эфира, причем перфторированный алкил содержит 1-5 атомов углерода и текучий в расплавленном состоянии политетрафторэтилен, который самостоятельно не обладает прочностью на разрыв и присутствует в композиции в количестве, эффективном для обеспечения способности изоляционного или защитного материала выдерживать температуру по меньшей мере 280°С в скважине.

2. Кабель по п.1, который дополнительно содержит прикрепленный к изоляции несущий нагрузку элемент.

3. Кабель по п.1, в котором способность выдерживать указанное воздействие температуры, составляющей по меньшей мере 280°С, характеризуется тем, что композиция сохраняет по меньшей мере 90% своего модуля упругости после указанного воздействия в течение по меньшей мере 1 недели.

4. Кабель по п.1, в котором провод выполнен из свитых вместе проволок, образующих зазоры на поверхности провода, и электрическая изоляция заполняет зазоры.

5. Кабель по п.1, который имеет нижний конец и нижний конец и зонд, расположенный на нижнем конце и содержащий либо по меньшей мере один электрический провод, либо по меньшей мере одно оптическое волокно и кожух для защиты электрического провода или оптического волокна, причем кожух дополнительно содержит уплотнение, содержащее упомянутую композицию для изоляции внутренней части кожуха от скважины, и/или изоляцию для электрического провода или защитный материал для оптического волокна.

6. Кабель по п.1, который является кабелем электропитания, содержащим электрическую изоляцию для кабеля электропитания, содержащую упомянутую композицию.

7. Кабель по п.1, который имеет нижний конец и включает электродвигатель с обмоткой, имеющей изоляцию для обмотки, содержащую упомянутую композицию.

8. Нисходящая скважина, в которой температура составляет по меньшей мере 280°С, содержащая скважинную головку, трубу, расположенную внутри скважины и имеющую нижнее отверстие для транспортировки углеводородов или пара из земли к скважине, и скважинный коммуникационный кабель по любому из пп.1-7.

9. Скважина по п.8, в которой кабель размещен внутри или вблизи трубы.

10. Скважина по п.8, в которой температура создает наиболее горячую зону скважины и часть кабеля расположена в указанной зоне.