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

тельных усилий и в жиле от упругой изоляционной оболочки при изгибе кабеля. В этом случае для одножильного кабе­ ля в формуле (2 — 5 — 28) радиус изгиба жилы

при конструировании ТПЖ (в выборе а, п, 8) с целью полу­ чения оптимального значения До' (не опасного для работо­ способности жилы и достаточного для противодействия сме­ щению и петлеобразованию проволок).

Приведенные рассуждения хорошо объясняют получен­ ные Л. И. Кранихфельдом [83] экспериментальные данные по стойкости к многократным перегибам особо гибких жил с изоляцией, обладающей различным модулем упругости. Возникающие при перегибах значительные напряжения в тонких проволоках жилы при применении таких жестких изоляционных материалов, как ПЭНД, фторлоны -4 М и -4Д, снижают живучесть изолированных жил в 3,5 4-5,4 раза по сравнению с неизолированными.

Малая податливость изоляционной оболочки из упругих и жестких материалов к смещению проволок жилы при из­ гибах кабеля на барабанах и роликах препятствует образо­ ванию петлеобразных деформаций в проволоках медных ТПЖ при рывках кабеля, в связи с чем значительно повы­ шается устойчивость к обрывам и живучесть чистомедных токопроводящих жил каротажных кабелей. Поскольку мо­ дуль упругости материала изоляционной оболочки умень­ шается с увеличением температуры, дополнительные напря­ жения в проволоках жилы в этом случае уменьшаются. Если учесть также, что коэффициент линейного расширения изо­ ляции намного больше, чем у жилы, то очевидно, что с повышением температуры подвижность жил в изоляции уве­ личивается. Это не приводит к существенному уменьшению живучести медных жил, так как кабель испытывает перегиб через ролик вне скважины на поверхности, когда он имеет температуру, близкую к температуре окружающей среды (за исключением случаев быстрого подъема кабеля из сква­ жин с высоким геотермическим градиентом).

Касательные напряжения в изоляционной оболочке, воз­ никающие при перегибах кабеля на роликах и барабанах, как и напряжения сжатия (от веса кабеля и аппаратуры, а также давления среды), и расширения (от действия темпе­ ратуры и набухания), должны отражаться на электрических характеристиках изоляции, суммируясь с влиянием темпе­ ратуры и других эксплуатационных факторов. Так, механи-

120

ческая нагрузка, практически не влияя на кратковременную электрическую прочность, существенно снижает время жиз­ ни электрической изоляции [54]. Уменьшение электрической прочности и срока жизни кабельной изоляции при увеличе­ нии ее механической напряженности отмечают и другие ис­ следователи [33 и т. д]. Уменьшение толщины изоляции при ее деформации приводит к уменьшению RH3 и измене­ нию других электрофизических характеристик.

§ 6. ПРИНЦИП ПОЛУЧЕНИЯ УРАВНОВЕШЕННЫХ ОТ КРУЧЕНИЯ МНОГОЖИЛЬНЫХ КАБЕЛЕЙ

В настоящее время в номенклатуре кабелей для нефте­ газовой промышленности наряду с одножильными имеется ряд многожильных. В связи с наблюдающейся тенденцией проведения с их помощью комплексных работ „жильность“ кабелей будет увеличиваться. Видимо, в ближайшем будущем большинство работ в скважинах будет осуществляться на многожильных бронированных и ошлангованных кабелях. В стремлении максимально уравновесить их от кручения при нахождении в скважине обычно направления скрутки прово­ лок в жилу и скрутки жил между собой выбирают противо­ положными. Однако почти всегда момент, создаваемый скру­ ченным кабелем (т. е. заготовкой под шланг—в ошлангован­ ных и под броней — в бронированных), превосходит момент, создаваемый скрученными в жилу проволоками, вследствие чего кабель не уравновешен от кручения. Очевидно, это выз­ вано неправильным соотношением параметров скрутки собст­ венно жил и общей скрутки.

Принцип уравновешенности от кручения многожильного

Ао, Со, г — агрегатные коэффициенты жесткости и радиус жилы (знак плюс применяется при односторон­ ней скрутке, минус — при крестовой).

Таким образом, условие уравновешенности многожиль­ ного кабеля от кручения будет иметь вид

Ао Го cos2 ß sin ß = ± Co cos ß,

откуда

Г л а в а 111

новые конструкционные материалы в кабелях

ДЛЯ НЕФТЕ-ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ

§ I. О ГРАНИЦАХ И ПЕРСПЕКТИВАХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ

В промысловой геофизике до 1957 г. применялись иск­ лючительно кабели с резиновой изоляцией. Последующие годы характеризуются значительным расширением географии использования кабелей для проведения работ в скважинах, а также значительным изменением условий их эксплуатации —ужесточением как за счет роста глубин скважин, темпе­ ратур и гидростатических давлений, так и вследствие уве­ личения числа глубоких и сверхглубоких скважин.

Появилось множество глубоких скважин с температурой на забое 200° С и выше в районах Ставропольского края, Чечено-Ингушской АССР, Узбекской ССР и др. Некоторые

необходимость проверки предложения геофизических орга­ низаций о расширении температурно-барического предела использования каротажных кабелей с резиновой изоляцией (КОБД-4, КОБД-5, КОБД-6) до температур 120-130° С и гидростатического давления 800 кгс/см2.

Возможность такого расширения проверялась в экспе­ риментальных и натурных условиях. Экспериментальные ис­ следования проводились на образцах серийных кабелей КОБД-4 и КОБД-6 в разработанных ТашНИКИ установ­ ках высокого давления и температуры, имитирую­ щих температурно-барическое нагружение кабеля в скважине. Температурная зависимость сопротивления изоляции из рези­ ны ТСШ-50 (жила кабеля КОБД-4) приведена на рис. 13, а. Уже при 80'С рѵ составляет 4,6- ІО13 при подъеме и 6 -ІО13

123

ом-см при снижении температуры. При совместном действии

Рис. 13. Зависимость удельного сопротивления изоляционной резины ТСШ-50:

а — от воздействия баротермических факторов: 1 , 2 — Igpv — f(T) соответственно при подъеме и снижении ее; 3 — lgpv = f(T, Р) при подъеме Т и Р; б — от темпе­ ратуры: 1—4—рѵ = f(T) соответственно при атмосферном давлении и при 500; 800 и

500 кгсісм* (кривая 4 постооена по данным исследования идентичных образцов в автоклаве Раменского отделения ЕНИИГ); в —логарифма удельной электропровод­ ности от обратного значения температуры (°К) при давлениях, кгеіем*: 7 — 7; 2 — 500; 3 — 500 (рассчитано по данным Раменского отделения ВНИИГ); 4 — 800.

Гидростатическое давление снижает рѵ в температурном интервале 904-150° С до 10 раз. С увеличением температу­

124

шйется до 5-1012 ом-см. Увеличение давления до 500 кгс/см2 снижает рѵ в 5 раз при 130° С, а до 800 кгс/см2—в 50. Та­

кое резкое снижение, очевидно, происходит вследствие уве­ личения диффузии воды в резиновую изоляцию.

Процесс интенсивной кратковременной диффузии воды в резиновую изоляцию под давлением в значительной мере

\

ется на порядок, в том числе 60% за счет теплового ста­ рения и 40% за счет необратимой диффузии воды в рези­ ну под давлением. Выдержка образцов под давлением 800 кгс/см2 при температуре 130°С сопровождается некоторым увеличением рѵэкв как во время выдержки на данном ре­

жиме, так и после снятия давления и охлаждения. Это свя­ зано с перевулканизацией резины, потерей эластичности и уменьшением подвижности носителей тока. Однако повтор­ ные циклы нагрева снижают рѵэкв вследствие появления в

изоляции быстро развивающихся микротрещин, ускоряю­ щегося при работе кабеля в скважине под действием ин­ тенсивных механических знакопеременных нагрузок, рас­ тяжения, сжатия, изгибов и т. д.

Температурная зависимость электропроводности при пос­ тоянном давлении у резины ТСШ-50 имеет особенности, от-

125

дичающие ее от аналогичной зависимости неполярных или малополярных пластмасс (фторлон, полиэтилен и др.) Если зависимость, приведенную на рис. 13, б, представить в виде

lg о = f (-J-) (см рис. 13, ß), то будет видно, что в интервале

температур 70-у90°С на каждой кривой имеется точка пе­ региба, начиная с которой темп увеличения электропровод­ ности изоляции уменьшается со скоростью ~-0,25°С см^/кгс, причем, в противоположность теплостойким пластмассам, она с увеличением гидростатического давления смещается в об­ ласть меньших температур.

Уменьшение темпа роста электропроводности при темпера­ турах выше точки излома, видимо, можно объяснить хаоти­ ческим перемещением носителей тока с высокой кинети­ ческой энергией, затрудняющим процесс электропроводнос­ ти. Изменение последней (в том числе смещение точки пе­

одновременно протекающих процессов:

1.Увеличения плотности изоляции, приводящего к рос­ ту электропроводности вследствие увеличения концентра­ ции носителей тока в единице объема.

2.Уменьшения электропроводности вследствие увеличе­ ния сил взаимодействия частиц вещества, препятствующих передвижению носителей тока.

3.Частично или полностью обратимого процесса диффу­ зии воды в изоляцию, происходящего более интенсивно при увеличении давления.

Вклад диффузии в электропроводность у резин, в отли­

чие от пластмасс, очень существенен, что, по всей вероят­ ности, связано с их сравнительной негомогенностью, поляр­ ностью и гидрофильностью. Это вытекает из следующего сопоставления: при температуре 100°С и гидростатическом давлении 800 кгс/см;2 отношение электропроводности изоля­ ции из резины ТСШ-50 с оболочкой из резины HLLI-40 к электропроводности при атмосферном давлении составляет 25; при 120°С и 800 кгс/см2—Ъ0. При этих же темпера­ турах и гидростатическом давлении 1200 кгс/см* отношение электропроводности фторлона-40Ш к его электропровод­ ности при атмосферном давлении составляет, соответственно, 0,264 и 0,636. Качественно аналогичное явление наблюдает­ ся у радиационно-модифицированных полиэтиленов высоко­ го и низкого давления, фторлона-4 и других п шиолефинов.

Вместе с тем при определенных условиях в принципе не исключена возможность такого количественного соотно­ шения между перечисленными одновременно протекающи­

126

èfo сополимеров (Ф-40Ш). Данные рис. 15 позволяют срав­ нить поведение некоторых из этих материалов в одинако­ вых условиях. Широкое применение в каротажных кабелях

- о

Рис. 15. Зависимость сопротивления изоля­ ции от температуры при ее снижении (а) и одновременного действия температуры и дав­ ления для образцов с изоляцией из фторло- на-4 с резиновой герметизирующей обо­

лочкой (6):

100 Мрадпри мощности дозы около 6 Мрадімия;5—с по­

известных в настоящее время термостойких материалов лимитируется их дефицитностью, неудовлетворительными в ряде случаев электрофизическими и физико-механическими

128

Характеристиками, а также значительными техническими

трудностями при их переработке в изоляцию на больших строительных длинах.

Нефте-газовая промышленность выдвигает требования о миниатюризации кабелей, но последняя сопряжена с ухуд­ шением некоторых их электрических и механических харак­ теристик, в связи с чем обычно приходилось избирать аль­ тернативные решения.

Применение полимеризационных пластмасс в ряде слу­ чаев позволяет получить малогабаритные кабели с оптималь­ ными электромеханическими свойствами.

Полимеры, в том числе карбоцепные, отличаются от низкомолекулярных соединений тем, что их свойства оп­ ределяются не только химическим составом, но и молеку­ лярным весом, типом связей между молекулами, формой молекул, надмолекулярной структурой, степенью кристал­ личности, плотностью и т. д. Между перечисленными фак­ торами существует определенная взаимозависимость. Регу­ лируя их, можно изменять свойства полимеров в заданном направлении. Так, увеличение среднечислового молекуляр­ ного веса повышает до определенного уровня твердость, механическую и электрическую прочность, удельное объем­ ное сопротивление, теплостойкость.

На теплофизические, диэлектрические свойства полиме­ ров, их стойкость к действию активных химических веществ

элементарными звеньями макромолекул. Так, благодаря вы­ сокой прочности связи С—С карбоцепные полимеры более устойчивы к действию кислот и щелочей, чем гетероцепные (полиамиды и др.). Степень разветвленности макромолекул полимера влияет на его вязкость, растворимость, прочность; степень кристалличности—на теплостойкость, механические, электрические и химические свойства. Тип и размеры над­ молекулярных структурных образований влияют на элек­ трическую прочность полимера.

Большинство высокополимерных диэлектриков представ­ ляют собой гомеополярные соединения, в которых отсутст­ вуют ионные связи, поэтому в них должна отсутствовать и •собственная ионная электропроводность |71]. Эти диэлект­ рики могут быть либо аморфными (полистирол), либо крис­ таллическими с той или иной степенью кристалличности (фторлоны, полиэтилены). В последнем случае ориентиро­ ванные участки (кристаллические домены) разделены меж­ ду собою аморфными областями, вследствие чего у высокополимеров должна отсутствовать электронная проводи­ мость. Это обусловлено тем, что в аморфной модификации