Электрический кабель

Электрический кабель относится к кабельной технике и может быть использован для питания погружных электрических систем, преимущественно электродвигателей погружных нефтяных насосов. Задачей предлагаемого технического решения является увеличение срока службы при эксплуатации кабеля на глубинах до 3000 метров с температурой пластовой жидкости от 140 до 210°С, при газовом факторе свыше 300 м³/т и давлении до 30 МПа. Поставленную задачу решают за счет того, что электрический кабель содержит изолированные радиационно-модифицированным полиэтиленом токопроводящие жилы, оболочку, подушку и броню, а также дополнительную оболочку, выполненную из термоэластопласта толщиной 0,2-0,7 мм, расположенную на изоляции каждой из токопроводящих жил, при этом поверхностный слой двухслойной изоляции предварительно обработан плазмой. 1 ил.

 

Электрический кабель относится к кабельной технике и может быть использован для питания погружных электрических систем, преимущественно электродвигателей погружных нефтяных насосов.

На работоспособность кабелей электродвигателей погружных нефтяных насосов влияют скважинные и другие факторы;

- проникновение газа под давлением во внутренний объем изоляции, уменьшение плотности изоляции приводит к росту токов утечки - уменьшению диэлектрических свойств изоляции;

- подъем УЭЦН при присутствии газа в изоляции, уменьшение плотности изоляции, радиальные микроразрывы (микротрещины) изоляции при несоответствующих скоростях подъема УЭЦН приводят к росту токов утечки - уменьшению диэлектрических свойств изоляции;

- присутствие горячей воды более 80°С и внедрение ее в изоляцию приводит к соединению гидроксильной группы (ОН) с молекулярной структурой изоляции, приводит к уменьшению диэлектрических свойств изоляции - росту токов утечки;

- вымывание ингредиентов из изоляции (специальных добавок, увеличивающих срок эксплуатации кабеля) приводит к уменьшению диэлектрических свойств изоляции - росту токов утечки;

- внедрение маслянистых жидкостей не диэлектрического характера под давлением в изоляцию приводит к уменьшению плотности изоляционного материала, росту токов утечки;

- внедрение маслянистых жидкостей под давлением в изоляцию, в закрытом объеме под бронепокровом, приводит к сдавливанию средней жилы и утонению ее боковых стенок, результатом этого эффекта является появление продольных трещин по бокам средней жилы и росту токов утечки;

- внедрение химических веществ в объем изоляции, таких как NaCl, H₂S, углеводородных соединений и других приводит к химическому соединению с молекулярной структурой изоляции и росту токов утечки;

- высокое давление отрицательно влияет на работу изоляции.

Известен кабель КПвПБ - 120, по ТУ 16. К09-119-2002, "Кабели силовые для установок погружных электронасосов, теплостойкие" производства ОАО "Камкабель" (прил.1), где медные токопроводящие жилы, двухслойная изоляция из силаносшиваемого полиэтилена, подушка из иглопробивного нетканого технического полотна и бронепокров из стальной оцинкованной ленты.

Недостатком существующей конструкции является недостаточная адгезия. Согласно ГОСТР 51777-2001 "Кабели для установок погружных электронасосов. Общие технические условия при изготовлении погружных кабелей" изолированные жилы кабелей должны быть продольно герметичны при перепаде давления скважинной жидкости 0,02 МПА на 5 м. длины в течение полутора часов.

Изоляция должна быть двухслойная и толщиной не менее 2,5 мм. При нанесении первого слоя силаносшиваемого полиэтилена материал проходит через расплавленное состояние и при остывании его происходит пространственная молекулярная сшивка за счет присутствия в объеме экструдируемой массы агента сшивки. После наложения первого слоя изолированная жила проходит через несколько ванн с водой с постепенным охлаждением и сушкой. Охлажденная изолированная жила вновь поступает в головку экструдера для покрытия вторым слоем изоляционного материала подготовленной силаносшиваемой смесью полиэтилена. При наложении второго слоя в момент касания первый слой и второй имеют разные молекулярные строения и между ними нет адгезии.

При эксплуатации кабеля такой конструкции в скважинах с повышенным содержанием газового фактора или при работе на больших глубинах (более 2000 м, где присутствует высокое давление) между слоями изоляции вдоль кабеля поднимается газ и скважинная жидкость, что приводит к разбуханию изоляции (см. график прил.2), уменьшению плотности, внедрению не диэлектрических материалов в изоляцию, электрическому пробою и, как следствие, к сокращению срока службы кабеля.

Из графика видно, что кривая 2 (отражающая радиационно-сшитый полиэтилен) имеет самый большой процент разбухания при соответствующих температурах, чем другие материалы.

Наиболее близким техническим решением является кабель для питания установок электропогружных насосов КПсПБП-130, на рабочую температуру 130°С, по ТУ 16 К13-012-2002 Подольского завода НП "Подольсккабель" (прил.3), содержащий медную токопроводящую жилу, комбинированную изоляцию из сшитого и несшитого полиолефина, где второй слой выполнен из блок-сополимера пропилена с этиленом, подушку из иглопробивного полотна и бронепокрова из стальной оцинкованной ленты.

Изоляция двух слоев выполнена из полиолефинов, они изменяют свою геометрию при температуре 80°С и выше, которая отрицательно влияет на стабильность диэлектрических свойств из-за внедрения маслянистых жидкостей скважинного пласта. Поэтому данный кабель нельзя применять при температурах выше 130°С.

У этого кабеля отсутствует адгезия между слоями изоляции, так как это два разных материала по молекулярному строению. Это приводит к продольной негерметичной конструкции кабеля и, как следствие, к сокращению срока службы из-за токов утечки и преждевременного электрического пробоя изоляции.

Процент разбухания изоляции второго слоя при температуре -130°С достигает 8-12%. (см. график прил.2)

Кривая один отображает разбухание второго слоя изоляции (он же оболочка), материала блок-сополимера этилена с пропиленом, величина разбухания у него меньше, чем у сшитого полиэтилена.

Вышеуказанная конструкция не отвечает требованиям ГОСТ Р 51777-2001 "Кабели для установок погружных электронасосов. Общие технические условия". Изолированные жилы кабелей должны быть продольно герметичны при перепаде давления скважинной жидкости 0,02 МПА на 5 м длины в течение полутора часов.

Кабель такой конструкции эксплуатируется в скважинах на глубинах до 1800-2000 м с небольшим газовым фактором.

На Нефтеюганском месторождении в 2000 г. кабель данной конструкции не выдержал испытания в скважинах на глубинах более 2000 метров. Между изоляцией первого слоя и оболочкой под воздействием давления стал проникать газ со скважинной жидкостью.

На больших глубинах конструкция должна иметь надежную адгезию между изоляционными слоями и между верхним изоляционным слоем и оболочкой, защищающей изоляцию.

Задачей предлагаемого технического решения является увеличение срока службы при эксплуатации кабеля на глубинах до 3000 метров с температурой пластовой жидкости от 140 до 210°С, при газовом факторе свыше 300 м³/т и давлении до 30 МПа.

Поставленную задачу решают за счет того, что электрический кабель содержит изолированные радиационно-модифицированным полиэтиленом токопроводящие жилы, оболочку, подушку и броню и отличается тем, что дополнительная оболочка, выполненная из термоэластопласта толщиной 0,2-0,7 мм, расположена на изоляции каждой из токопроводящих жил, предварительно обработанных плазмой.

Размещение химически стойкой оболочки из термоэластопласта на поверхностном слое изоляции жил, предварительно обработанном плазмой по всей поверхности, приводит к тому, что адгезия между изоляцией и термоэластопластом достигает усилия отрыва друг от друга (при ширине полосы 2 см) до 480 КН (при отсутствии обработки плазмой поверхности изоляции сцепление отсутствует полностью), приводит к улучшению конструкции кабеля в части создания надежного соединения (адгезии) оболочкового материала - термоэластопласта, с полиэтиленовой изоляцией по каждой жиле.

Такое надежное соединение двух разных по молекулярному строению материалов создает комфортные условия для работы изоляции жил кабеля, похожие на работу в сухой среде, и позволяет уверенно эксплуатировать кабель предлагаемой конструкции на глубинах до 3000 м с присутствием высокого содержания газового фактора, ближе к забою, в условиях динамического уровня скважинной жидкости с высоким давлением в скважине до 25-30 МПа, не боясь прохода газа и скважинной жидкости вдоль кабеля между оболочкой и изоляцией.

Такая конструкция кабеля приводит к техническому результату, заключающемуся в том, что увеличивается срок службы при эксплуатации кабеля на глубинах до 3000 метров с температурой пластовой жидкости от 140 до 210°С, при газовом факторе свыше 300 м³/т и давлении до 30 МПа.

Электрический кабель изображен на чертеже, где медная токопроводящая жила 1, двухслойная изоляция 2 из радиационно-модифицированного полиэтилена, поверхностный слой которого обработан плазмой, защитная оболочка 3 из термоэластопласта, подушка 4 из термоскрепленного нетканого или иглопробивного технического полотна, броня 5 из стальной оцинкованной или с мельхиоровым покрытием ленты.

Электрический кабель выполнен следующим образом.

Электрический кабель содержит медные токопроводящие жилы 1, монолитные круглого сечения до 35 мм², которые могут иметь покрытие по поверхности оловом, серебром и никелем, или многопроволочные при сечении токопроводящей жилы более 35 мм², которые имеют изоляцию 2 из одного или двух слоев радиационно-модифицированного полиэтилена, имеющие хорошую адгезию между токопроводящей жилой и первым слоем, между первым и вторым слоями, поскольку в момент наложения второго слоя на первый материалы имеют одну молекулярную структуру.

Защитную оболочку из термоэластопласта 3, химического стойкого материала к маслам, углеводородам и т.д. наносят на поверхность изоляции 2 каждой жилы, после обработки поверхности плазмой.

Толщина оболочки 3 находится в пределах 0,2-0,7 мм. Толщина менее 0,2 мм является уже не надежной по механической прочности. Толщина 0,7 мм является максимальной, исходя из обеспечения защиты. Увеличение толщины защитного покрытия ведет к необоснованным расходам.

Броня 5 выполнена из стальной ленты оцинкованной, с мельхиоровым покрытием или с другой химической защитой по всей поверхности. Бронепокров 5 выполнен путем обмотки лентой вокруг сложенных изолированных жил с положительным перекрытием, имеющий ступенчатообразный профиль с противозадирным замком в обоих направлениях по длине кабеля.

Электрический кабель содержит изолированные радиационно-модифицированным полиэтиленом токопроводящие жилы, оболочку, подушку и броню, отличается тем, что введена дополнительная оболочка, выполненная из термоэластопласта толщиной 0,2-0,7 мм, расположенная на изоляции каждой из токопроводящих жил, при этом поверхностный слой двухслойной изоляции предварительно обработан плазмой.