Электрический кабель для питания электродвигателей погружных нефтенасосов
Электрический кабель предназначен для питания погружных электрических систем подземного оборудования нефтяных скважин в частности электродвигателей погружных нефтяных насосов. Кабель содержит три плотно уложенные параллельно в одной плоскости токопроводящие жилы 1, изолированные двумя слоями изоляции 2 и 3, подушку 5 и броню 6 из стальной профилированной ленты, при этом на каждую изолированную жилу наложен защитный слой из металлической фольги 4 с продольным или обмоточным наложением. Жилы прижаты друг к другу по всей длине и покрыты общей оболочкой 6 с образованием клиньев 7, находящихся в межфазном пространстве жил, из материала оболочки. Технический результат заключается в увеличении срока службы при эксплуатации кабеля на глубинах свыше 2000 м и при спускоподъемных операциях в наклонных скважинах. 1 н.з. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к кабельной промышленности, в частности к конструкции электрических кабелей для питания погружных электрических систем подземного оборудования нефтяных скважин и может быть использовано для питания электродвигателей погружных нефтяных насосов, работающих в присутствии газа в количестве 500 м3/тонну скважинной жидкости и в температурном рабочем диапазоне 120÷130°C.
Ко всем работающим в нефтяных скважинах кабелям предъявляется требование по обеспечению радиальной герметичности изоляционных и защитных оболочек при максимально-возможных давлениях.
Из уровня техники известен кабель, содержащий, по меньшей мере, три токопроводящих жилы, каждая из которых выполнена из медной проволоки с двумя последовательно расположенными слоями изоляции из полимерного материала, бандаж в виде ленты из термоскрепленного иглопробивного полотна и расположенную поверх бандажа броню из металлических коррозионно-стойких лент, причем в качестве полимерного материала для первого слоя изоляции использован сшитый полиолефин, выполненный с применением облучения пучком направленных электронов в воздушной среде, а в качестве полимерного материала для второго слоя изоляции использован термопластичный эластомер на основе блоковых гидрогенизированных фенилэтиленовых сополимеров (патент РФ 
41917, МПК H01B 7/18, опубл. 10.11.2004).
При эксплуатации кабелей такой конструкции вследствие воздействия скважинной жидкости происходит разбухание изоляции токопроводящих жил. В связи с тем, что броня образует закрытое пространство для изолированных жил, изоляция деформируется из-за объемного теплового расширения в замкнутом пространстве, заполняя свободное пространство. Изоляция крайних жил, после разогрева в скважине под остаточным механическим напряжением бронепокрова, сдавливают среднюю жилу, и профиль последней изменяет свою форму, причем толщина изоляции в местах соприкосновения жил уменьшается. Это может привести к электрическому пробою изоляции и, как следствие к отказу погружных электрических систем.
Решаемая техническая задача заключается в разработке и создании электрического кабеля для питания электродвигателей погружных нефтенасосов, выдерживающего повышенные механические и термические нагрузки.
Достигаемый технический результат заключается в увеличении срока службы при эксплуатации кабеля на глубинах свыше 2000 м и при спускоподъемных операциях в наклонных скважинах.
Задача, положенная в основу настоящего изобретения, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что в электрическом кабеле для питания электродвигателей погружных нефтенасосов, содержащем плотно уложенные параллельно в одной плоскости токопроводящие жилы, покрытые двумя слоями изоляции из полимерного материала и общей оболочкой, защитную подушку, расположенную поверх оболочки; и броню, каждая изолированная жила дополнительно покрыта защитным слоем из металлической фольги, а оболочка выполнена с образованием клиньев в межфазном пространстве из материала последней.
Кроме того, защитный слой наложен на жилы продольно с перекрытием 4-6 мм.
Кроме того, защитный слой наложен на жилы методом обмотки с перекрытием 15-20%.
Кроме того, защитный слой выполнен с клеевым подслоем.
Кроме того, защитный слой выполнен из алюминиевой фольги.
Кроме того, защитный слой выполнен из медной фольги.
Кроме того, защитный слой выполнен из фольги из нержавеющей стали.
Дополнительное покрытие каждой изолированной жилы защитным слоем из металлической фольги и выполнение общей оболочка с образованием клиньев, находящихся в межфазном пространстве жил, из материала оболочки обеспечивает сохранность геометрии жил в процессе эксплуатационного периода и расчетную толщину изоляции под соответствующее расчетное электрическое напряжение, подающееся по кабелю. Кроме того, изготовление защитного слоя из металлической фольги, обладающей достаточной газо, водонепроницаемостью и прочностью, позволяет увеличить срок службы при эксплуатации кабеля при спускоподъемных операциях в наклонных скважинах.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного изобретения с выявленными аналогами уровня техники, показал, что она не известна, а с учетом возможности серийного изготовления электрического кабеля для питания электродвигателей погружных нефтенасосов, можно сделать вывод о его соответствии критериям патентоспособности.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером выполнения электрического кабеля для питания электродвигателей погружных нефтенасосов, который наглядно демонстрирует возможность получения указанного технического результата.
Допускаются различные модификации и улучшения, не выходящие за пределы области действия изобретения определенные прилагаемой формулой.
Предпочтительный вариант исполнения изобретения описывается далее на основе представленных чертежей, где:
- на фиг.1 изображен общий вид электрического кабеля для питания электродвигателей погружных нефтенасосов, вариант выполнения защитного слоя, аксонометрия;
- на фиг.2 то же, второй вариант выполнения защитного слоя, аксонометрия;
- на фиг.3 показан поперечный разрез кабеля.
В графических материалах соответствующие конструктивные элементы электрического кабеля для питания электродвигателей погружных нефтенасосов обозначены следующими позициями:
1. - токопроводящие жилы;
2. - первый слой изоляции жил;
3. - второй слой изоляции жил;
4. - металлическая фольга;
5. - перекрытие металлической фольги саму на себя;
6. - общая оболочка, покрывающая все три жилы (с боковой стороны 1±0,2 мм и по продольной стороне 0,8+0,2 мм);
7. - клинья материала общей оболочки;
8. - защитная подушка;
9. - металлический химически стойкий бронепокров.
Электрический кабель для питания электродвигателей погружных нефтенасосов содержит три плотно уложенные параллельно в одной плоскости токопроводящие жилы 1, изолированные двумя слоями изоляции 2 и 3. Первый слой 2 изоляции покрывает каждую из трех жил и имеет круговую форму. Второй слой 3 изоляции покрывает каждую жилу и также имеет круговую форму. Поверх каждой изолированной жилы наложен защитный слой из металлической фольги 4 с продольным или обмоточным наложением, при этом в случае продольного наложения защитный слой наложен на жилы с перекрытием 4-6 мм, а при обмоточном наложении - с перекрытием 15-20%. Защитный слой из металлической фольги выполняет функцию преграды против газа и скважинной жидкости и может быть выполнен как с клеевым подслоем, так и без него.
Поверх трех плотно уложенных параллельно в одной плоскости жил наложена общая оболочка 6, задачей которой является сохранение металлической фольги от механических и химических повреждений и сохранение геометрии изоляции жил до конца эксплуатации кабеля в скважине с помощью клиньев 7. Поверх общей оболочки наложена методом обмотки защитная подушка 8 с перекрытием саму на себя согласно требованиям ГОСТ Р 51777. Поверх защитной подушкой методом обмотки наложен ленточный бронепокров 9 со специальным противозадирным замком, позволяющий спуск кабеля в скважину в обоих направлениях.
Электрический кабель для питания электродвигателей погружных нефтенасосов изготавливают следующим образом.
В качестве токопроводящих жил используют жилы сечением 13,3, 16 и 25 мм2, выполненные однопроволочными из медной проволоки марки ММ, диаметром 4,5 мм по ТУ 16-705.492-2005.
На три медные жилы поочередно наносят первый слой изоляционного материала круглой формы, например, из полиолефинов (полиэтилена высокой плотности несшитого и сшитого и блоксополимера этилена с пропиленом) с использованием технологической экструзионной линии австрийской фирмы «Розендаль» или американской - «Девис Стандарт». При этом для первого слоя 2 изоляции используют ПП-КМ ТУ 2243-004-12741606-2001. Затем на три изолированные жилы поверх первого слоя 2 изоляции экструдируют поочередно второй слой 3 изоляционного материала круглой формы. Для второго слоя изоляции используют изоляционный материал марки ПП-К ТУ 2243-004-12741606-2001. Как варианты, в качестве изоляционного материала можно использовать полиэтилен высокой плотности марки 204-11К ГОСТ 16337-77 для второго слоя 3 изоляции, а для первого слоя 2 изоляции - с добавками для устойчивости к ионам меди с последующей прошивкой электронами.
Далее на каждую изолированную жилу по отдельности накладывают металлическую фольгу 4 (защитный слой), толщиной от 0,01 до 0,15 мм, с клеевым подслоем продольно с перекрытием 4-6 мм. Если фольга применяется без клея, то накладывают ее на изолированные жилы перед наложением общей оболочки. Варианты применения металлической фольги:
- скотч алюминиевый с акриловым клеем, фирма «3М», «Промышленные ленты и клеи 3М», арт. 425 и арт., 431, -54 до +150°C;
- медная фольга, марка M1 ГОСТ 5638;
- фольга из нержавеющей стали AISI 304 (США), 08Х18Р10 (Россия), DIN X5CrNi18-10 (Германия).
При использовании фольги с клеевым подслоем совмещают два этапа - продольное наложение фольги и наложение общей оболочки на экструзионной технологической линии. Далее 3 барабана с изолированной жилой устанавливают перед экструзионной линией. Перед экструдером стоят специальные устройства, которые правильно обхватывают подходящую к жиле фольгу и приклеивают ее клеевой стороной к изоляции. Приклеивание ровное без морщин с перекрытием фольги на саму себя 4-6 мм.
При использовании фольги без клеевого подслоя каждая изолированная жила проходит процесс обмотки металлической фольгой в виде ленты определенной ширины. При этом соблюдается узаконенный шаг наложения с определенным перекрытием (15-20%) фольги саму на себя, которое увеличивает повышенную гарантию непроходимости газового фактора.
Затем одновременно на три плотно уложенные параллельно в одной плоскости заходящие жилы с металлической фольгой в экструдер, наносится общая оболочка 6, используя материал блоксополимер пропилена с этиленом марки ПП-К ТУ 2243-004-12741606-2001. Форма оболочки показана на фиг.1 и 2.
Расположение в одной плоскости цилиндрических, изолированных токопроводящих жил, плотно прижатых друг к другу по всей длине, формирует клинообразные межфазовые пространства между изоляцией жил, в которых при покрытии оболочковым материалом образуются клинообразные вставки из материала оболочки, объединенные тонким пояском из того же материала, для удержания геометрии средней жилы при разогреве кабеля до критической температуры.
Поверх общей оболочки накладывают общую защитную подушку 8 из лент иглопробивного термоскрепленного полотна, например, «Полотно иглопробивное термоскрепленное для технических целей и лента из него» ТУ 8390-008-05283280-2012 «РОСТЕКСТИЛЬ» или «Полотно нетканое иглопробивное термостабилизированное и лента из него» ТУ 8390-007-46745403-2004 ЗАО «Промсинтекс».
При этом с одного отдающего барабана изолированные жилы в общей оболочке направляются в бронеобмоточную машину американского производства. Перед входом в машину подается маркировочная лента с информацией о кабеле. Проходя через калибр, изолированные жилы в общей оболочке обматываются нетканым полотном с определенным перекрытием - это так называемая подушка, которая защищает оболочку при наложении бронепокрова. В машине поверх общей оболочки с подушкой производится обмотка оцинкованной или другой химически стойкой лентой, толщиной 0,5 мм и шириной 20 мм подгруппы 1 по ГОСТ 3559-75, с образованием специального замка. Замок формируется противозадирным, что позволяет направлять кабель в скважину в любом направлении.
Предлагаемая конструкция электрического кабеля для питания электродвигателей погружных нефтенасосов конструктивно проста и доступна для реализации на базе известного оборудования, материалов и технологий, существующих в кабельной промышленности.
1. Электрический кабель для питания электродвигателей погружных нефтенасосов, содержащий плотно уложенные параллельно в одной плоскости токопроводящие жилы, покрытые двумя слоями изоляции из полимерного материала и общей оболочкой, защитную подушку, расположенную поверх оболочки, и броню, отличающийся тем, что каждая изолированная жила дополнительно покрыта защитным слоем из металлической фольги, а оболочка выполнена с образованием клиньев в межфазном пространстве из материала последней.
2. Кабель по п.1, отличающийся тем, что защитный слой наложен на жилы продольно с перекрытием 4-6 мм.
3. Кабель по п.1, отличающийся тем, что защитный слой наложен на жилы методом обмотки с перекрытием 15-20%.
4. Кабель по п.1, отличающийся тем, что защитный слой выполнен с клеевым подслоем.
5. Кабель по п.1, отличающийся тем, что защитный слой выполнен из алюминиевой фольги.
6. Кабель по п.1, отличающийся тем, что защитный слой выполнен из медной фольги.
7. Кабель по п.1, отличающийся тем, что защитный слой выполнен из фольги из нержавеющей стали.
