книги из ГПНТБ / Месенжник Я.З. Кабели для нефтегазовой промышленности

следующее. Применение одинаковой по термостойкости изоляции по всей длине кабеля с технико-экономической точки зрения нецелесообразно. Наиболее рационально ис­ пользование комбинированной по длине изоляции, обеспечи­ вающей выполнение критерия (1—3—6): до 100°С — изоля­ ционная резина или ПЭНД, с 100 по 175°С1— фторлон-40Ш или с 100 по 220°С — облученный полиэтилен, при более высоких температурах — фторлоны-4 или-4Д. Выбор длины каждого участка с тем или иным видом изоляции опреде­ ляется геотермическим градиентом скважины. Изготовление таких кабелей с комбинированной по длине изоляцией в принципе возможно как в целых длинах (с общей жилой), так и при помощи соединения между собой отдельных участ­ ков изолированных жил (причем, остальные операции — оп­ летка, бронирование — являются общими для всех участков).

Методика расчета длин участков комбинированной изо­ ляции будет рассмотрена в гл. IV. Имеются предпосылки создания изоляции с непрерывно изменяющейся по длине теплостойкостью в соответствии с характером изменения температуры кабеля по длине при нахождении его в сква­ жине. Это возможно, в частности, при радиационной обработ­ ке полиолефиновой изоляции в случае протягивания изо­ лированной жилы через зону облучения с шириной h с переменной скоростью. Время, необходимое для достижения в то^ке 1 необходимой дозы NT, составляет:

*KD N

Максимальному времени нахождения жилы в зоне облучения (конец облучения)

соответствует минимальная средняя скорость провода в зо­ не облучения:

’Более надежно—160°С.

90

Непрерывное изменение теплостойкости изоляции по длине

K D

справедливому при Kt 1> ТНСх — Тн , т. е. начиная с длины, определяемой из выражения (2 — 4 —8). Максимальная мощ­ ность дозы (конец облучения) составляет

При конструировании кабеля необходимо учитывать не только прямые следствия действия эксплуатационных фак­ торов на характеристики элементов его конструкции (дей­ ствие температуры на электропроводность изоляции и т. п.), но и косвенные. Так, работоспособность изоляции кабеля в целом, его долговечность зависят от термомеханической характеристики изоляционной оболочки. Ее набухание в эксплуатационной среде приводит к потере кабелем „агре­ гатное™“ и формы, а также к увеличению расстояния меж­

91

ду макромолекулами, уменьшению сил межмолекулярного воздействия и снижению прочности полимера [95]. Выбору изоляционных защитных и других конструкционных мате­ риалов для рассматриваемых кабелей, как правило, должны предшествовать не только серьезная проработка литературных данных, но и экспериментальные исследования в условиях, по возможности максимально имитирующих эксплуатационные.

Дело в том, что понятия „термостойкость“, „баростой­ кость“ и т. д. различны для каждого конкретного приме­ нения этих материалов. Анализ показывает, что многие из известных термостойких изоляционных материалов непри­ годны для применения в каротажных кабелях, в то время как они вполне применимы в рассчитанных на высокие тем­ пературы электрических машинах, конденсаторах, кабелях неподвижной прокладки. К недостаткам, лимитирующим применение этих материалов в сверхдлинных каротажных теплостойких (250°С и выше) кабелях, относятся: низкие значения рѵ и высокий температурный коэффициент RH3

(TKR„3), невысокие механические характеристики (окись магния, кремнийорганическая резина и др.). Из материалов

рактеристики и их термостабильность в этом диапазоне. Высокая в настоящее время стоимость и дефицитность полиимидных пленок, невозможность переработки их мето­ дом экструзии и др, препятствуют их применению в сверх­ длинных каротажных кабелях.

На основании анализа комплекса факторов, действующих на элементы конструкций во время эксплуатации кабеля, раз­ рабатываются критерии оценки работоспособности их и ка­ беля в целом.

Основные критерии оценки работоспособности элементов конструкции каротажных кабелей (см. гл. I, § 3) должны быть заложены в основу конструирования кабелей для сква­ жины. Однако, являясь основными, они не всегда достаточ­ ны. В частности, выбор радиальной толщины изоляции в некоторых случаях (например, при конструировании тепло­ стойкой изоляции) производится в соответствии с критерием (1 — 3 — 6), но и с учетом механической прочности изоляцион­ ного покрытия, разброса его параметров, технологичности, надежности, баростойкости при повышенных температурах, возможностей имеющегося технологического оборудования и т. п. Вобщем случае толщина изоляции получается боль­ шей с учетом перечисленных факторов, чем с учетом только критерия (1—3 — 6).

92

Важное значение для работоспособности каротажных ка­ белей в целом имеет термостабильность механических свойств их изоляционных и защитных оболочек. Потеря упругих свойств может привести к выходу кабеля из строя вследствие его сильного радиального сужения и связанного с этим удлинения, нарушения структуры брони, разрыва токопроводящих жил и изоляционно-защитных оболочек. Таким образом, термостабильность электрических и механи­ ческих характеристик изоляционно-защитных оболочек в значительной степени предопределяет работоспособность термостойких бронированных кабелей. Поэтому выбор ра­ бочей температуры кабеля должен быть основан на резуль­ татах исследования не только температурно-барической за­ висимости электрофизических характеристик изоляции, но и термомеханических характеристик изоляционных и защит­ ных оболочек (при давлениях, соответствующих эксплуата­ ционным,'.

Полный расчет кабелей на соответствие сформулирован­ ным в гл. I, § 3 критериям возможен с применением фор­ мул для дифференциальных и интегральных значений пара­ метров (см. главу IV). Решая полученные расчетные урав­ нения для сопротивления токопроводящей жилы, изоляции и других параметров относительно геометрических размеров

вании расчетным путем будут учтены основные условия эксплуатации (температура, давление, влияние агрессивной среды и др.).

Вопросы рационального конструирования брони грузонесущих, в частности каротажных кабелей, подробно рассмо­ трены в известных работах А. В. Линкова, М. Ф. Глушко, Э. А. Шахназаряна, Л. М. Мамаева и др. [92, 98, 195

идр.].

Втечение ряда лет работы по конструированию брони грузонесущих кабелей проводятся также в содружестве с Одесским политехническим и Харьковским автодорожным институтами, заводом „Ташкенткабель“ и ТашНИКИ.

При конструировании брони должны выполняться сле­ дующие основные требования1:

1.Обеспечение необходимой прочности:

(2 -4 -1 1 )

1 Отчет ТашНИКИ № /51, 1969 г.

93

а— угол наложения проволок;

п— число проволок в слое.

Для наиболее распространенного в каротажных кабелях случая кратности шага свивки h = (8—9) DK при различ­

3. Обеспечение плотной свивки брони.

Согласно П. П. Нестерову, плотное касание между первым концентрическим рядом проволок каната и сердечником

1 Отчет ТашНИКИ, № 19/25, 1970 г.

94

возможно при выполнении соотношения

Для кабеля с двухповивной броней di = d0 -f- dnp„ d„, = dj -f dnPl,

(2 - 4 -1 7 )

Соответственно обеспечение плотного касания проволок первого и второго повивов будет иметь вид

95

„цементировании“ поверхностного слоя путем быстрого на­ грева проволок (или брони) в высокочастотном электромаг­ нитном поле и быстрого охлаждения, увеличивающем абразивную стойкость проволок, так и в защите отдельных проволок или повива полимерными покрытиями. Лучшим вариантом, по-видимому, явилась бы одновременная реали­ зация обеих этих возможностей.

Если пренебречь влиянием полимерного покрытия на крутящий момент повива, поскольку модуль упругости его значительно меньше модуля упругости стали, при равенстве углов наложения и модулей упругости проволок повивов, условие уравновешенности брони от кручения можно пред­ ставить в виде

Конструирование медных и стале-медных токопроводящих жил, расчет их механических и электрических характеристик и др. подробно изложены в [92], поэтому останавливаться на них не будем. Рассмотрим некоторые принципиальные воп­ росы создания кабелей для работы в сверхглубоких сква­ жинах (10—15 тыс. м и более). Устойчивость токопроводя­ щих жил к обрывам с учетом технологических, эксплуата­ ционных и других факторов, влияние на неё механических характеристик изоляционных и защитных оболочек, а так­

менением температуры в скважине. Поскольку растягиваю­ щие нагрузки также неодинаковы по длине кабеля, грузо­ несущую броню также целесообразно выполнить с экспо­ ненциально или линейно уменьшающимся по длине сечением в виде бруса равного сопротивления для обеспечения оп­ тимального соотношения между растягивающими нагрузками и прочностью брони (см. рис. 46, 1, 2).

96

При этом необходимо учитывать, что разрывное усилие Р брони при нахождении кабеля в скважине уменьшается по мере приближения к забою. Это связано с уменьшением исходного модуля упругости проволок брони Ео с увели­ чением температуры:

Сравнительно прост и практически осуществим в насто­ ящее время вариант выполнения брони переменного по длине кабеля сечения участками (2—3 и более на строи­ тельную длину), отличающимися сечением стали (см. рис. 4, б, â, 4). Максимальное сечение брони должно приходиться на верхнюю часть кабеля, минимальное—на нижнюю. Раз­ личия в сечениях могут создаваться как применением про­ волок с отличающимся сечением, так и использованием раз­ личного количества повивов.

При существующей технологии изготовления длинных каротажных кабелей наблюдаются случаи деформации то­ копроводящей жилы под действием собственного веса во время ее скрутки, хранения, а также продавливания ее изоляции под действием собственного веса во время хра­ нения и вследствие большого усилия натяжения ее при пе­ ремотках на испытательных аппаратах. Большая продолжи­ тельность технологического цикла на различных операциях изготовления длинных кабелей увеличивает вероятность остановок технологического оборудования, что приводит к браковке всей длины или её части. В связи с этим наибо­ лее предпочтителен вариант изготовления сверхдлинных кабелей до операции бронирования отдельными отрезками по 3—4 км (возможны отклонения в ту или иную сторону) с выполнением операции сростки на бронировочной машине. Наиболее сложным вопросом обычно считается сращивание стале-медных жил, но применение после сварки стальных проволок специальных режимов термообработки обеспечило высокие значения разрывного усилия сварного шва высоко­ углеродистых стальных проволок (см. гл. 111).

Использование такого варианта конструкции могло бы автоматически решить ряд проблем, в частности изготовле­ ние кабеля практически неограниченной длины на сущест­ вующем в настоящее время технологическом оборудовании. При этом испытания и отыскание дефектных мест значи­ тельно проще проводить на коротких отрезках, чем на

длинных. Осуществление сростки заготовок при бронирова­ нии технически не сложно. При обнаружении неустранимых дефектов на одном из отрезков экономичнее изготовить взамен него другой и избежать их повторения на осталь­ ных отрезках. Рассматриваемый технологический вариант позволяет при серийном производстве каротажных кабелей изготавливать наиболее соответствующие условиям эксп­ луатации в скважинах любой глубины и с любыми темпе­ ратурными условиями (для скважин промежуточных глубин могут быть использованы отдельные отрезки сверхдлинных кабелей), т. е. повысить их коэффициент использования.

' Таким образом, применение рассматриваемого [111] вари­ анта конструкции сверхдлинного кабеля целесообразно с различных точек зрения. Вместе с тем возникают дополни­ тельные технологические задачи, в частности надежного сращивания разнотипной изоляции, действенный контроль качества сростки и т. д. Следовательно, при создании ка­ ротажных кабелей для сверхглубоких скважин в принципе не исключен отказ от традиционной конструкции, предус­ матривающей полную исходную однородность по длине как в части применяемых материалов и диаметра, так и элек­ трических и механических параметров.

Возможно также изменение конструкции отдельных эле­ ментов кабеля, в частности, грузонесущей брони. Так, прак­ тический интерес представляет броня закрытого или полу­ закрытого типов [59]. Совместное применение во внутрен­ нем повиве фасонных (например, ^-образных) и круглых проволок позволяет получить самозатягивающийся полуза­ крытый слой с фиксированным внутренним размером. Про­ волоки Z-или Ѵ-образного профилей в наружном повиве создают радиально-герметичный закрытый слой, предохра­ няющий жилы кабеля и внутренний повив от воздействия агрессивной внешней среды.

Закрытая броня может выдерживать повышенные удель­ ные давления. При определенном соотношении размеров проволок и одинаковых углах наложения повивов кручение кабеля под влиянием растягивающих нагрузок может быть сведено к минимуму. Предварительная деформация прово­ лок перед их наложением обеспечивает нераскручиваемость повивов. Высокий процент заполнения сечения повивов сталью (до 90% и выше) позволяет, при прочих равных условиях, миниатюризировать кабель. В 1961 г. автором были разработаны и на Харцызском сталепроволочно-канат- ном заводе изготовлены образцы одно- и трехжильных кабелей с броней полузакрытого типа (с самозатягивающи­ мися повивами). В последующие годы К. А. Дубовик,

98