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

Зависимость пробивного напряжения газа от давления

нимумом и максимумом—для неоднородного. В однородном поле положение минимума зависит от произведения давления Р на расстояние между электродами h. У большинства газов пробивное напряжение составляет несколько сотен вольт и соответствует Ph, равному нескольким тысячным кгс/см. Увеличение давления, начиная с минимума, сопровождается монотонным увеличением Unp, которое постепенно устанав­ ливается при давлении 50—100 кгсісм2. В неоднородном по­ ле минимуму кривой Unp = {(log Р) предшествуют сильный местный максимум при Р —5 — 10 кгс/см2 [24]. Линейная зависимость U„P от Ріг (после минимума) известна под наз­ ванием закона Пашена.

Согласно [53], заметное отклонение от закона Пашена для воздуха наблюдается при давлениях свыше 10—15 кгс/смг: в пределах 10% - ой точности, законом Пашена в этом слу­ чае можно пользоваться до давлений 20—25 кгс/см2. При пробое газа в неравномерном поле закон Пашена с^10% - ой точностью также выполняется в сравнительно широком

140

Интервале РА, по крайней мере значительно большем реаль- но-возможных значений РА в рассматриваемом нами случае

1000 кгс/см2 составляет всего 1,763 кгс/см2.

Пробивное напряжение (минимальное значение) газового включения, находящегося в изоляции, с учетом температур­

Коэффициент может быть найден из зависимости UnP-= f(P-x) для конкретных газов. Для воздуха в однородном электри­ ческом поле при давлении до 10 кгс/см2, нормальной тем­ пературе и длине межэлектродного промежутка, равной 0,63 см,

К= “ (L—строительная длина жилы).

Вобщем случае можно ожидать, что при нахождении

141

жину с заданными условиями (температура, давление). Поэ­

пературы вдоль ствола скважины со скоростью Kt=30"C//c.«

щаются вверх, т. е. в сторону больших значений К(тр). Для различных К, они могут быть построены по данным о тем­

142

d и D—диаметры соответственно голой и изолиро­ ванной жилы.

Очевидно, что, кроме температуры и давления, на иони­ зационные характеристики влияют и другие эксплуатацион­ ные факторы. Поэтому целесообразно изучить влияние на напряжение начала ионизации набухания полимеров в раз­ личных жидких и газообразных средах, а также новых пор, которые могут образоваться в полимере при его старении, нагревании или облучении вследствие выделения газообраз­ ных продуктов термического разложения и радиолиза и т. д.

Можно ожидать, что при работе кабеля в жидкой сре­ де с высоким газовым фактором при повышенных давлениях (а в определенной степени и температурах)его электриче­ ская прочность до извлечения из скважины может быть вы­ ше, чем при работе в жидкой среде с меньшим газовым фактором, в том числе при более низких давлениях и тем­ пературах. Электрическое упрочнение пор должно умень­ шить вероятность пробоя изоляции. Это предположение нуж­ дается в точной экспериментальной проверке. В какой-то степени оно косвенно подтверждается результатами эксплу­ атации кабелей для электропитания погружных нефтенасосов в районах, отличающихся газовым фактором. Так, ана­ лиз эксплуатационных данных показывает, что в управлении „Туймазанефть“ при газовом факторе до 60 м3/т количест­ во подъемов установки из скважины по причине пробоя ка­

майнефть“ около 30% подъемов глектронасосных установок из скважин производится по причине выхода из строя ка­

143

КРБП, в 30 (15%) имеют место механические повреждения. Вместе с тем следует иметь в виду, что средний срок служ­ бы t кабеля с резиновой изоляцией существенно увеличи­

вается с уменьшением газового фактора; в управлении „Пер­

чением газового фактора является разрыв резиновых обо­ лочек при подъеме на поверхность установки с кабелем вследствие большого перепада внутреннего и внешнего дав­ лений и связанная с этим необходимость частых ремонтов кабеля.

Поскольку, с одной стороны, повышение температуры должно приводить к ионизации нейтральных молекул, следо­ вательно, к увеличению концентрации электронов и фото­ нов, участвующих в процессе пробоя газовых включений, т. е. ухудшать электропрочностные характеристики газовых включений, а с другой—к увеличению давления в газовой поре, т.е. к ее электрическому упрочнению,зависимости ионизацион­ ных характеристик полимеров оттемпературы, очевидно, долж­ ны быть немонотонными, т. е. должны иметь экстремумы. При этом положение экстремума должно зависеть от на­ пряженности поля. Эта гипотеза экспериментально подтверж­ дена результатами исследований12 температурной зависимо­ сти интенсивности ионизации (Іср) радиационно-модифици­ рованного полиэтилена. В зависимости от напряженности и температурного интервала lg Іср может повышаться и пони­ жаться с увеличением температуры, а также не зависеть от температуры в отдельных температурных интервалах. Час­ тичное качественное подтверждение мы находим в [179]: в течение 125 час. ионизационного старения замечено умень­ шение интенсивности ионизации и увеличение напряжения начала ионизации. Предположено, что это связано с увеличе­

1 6% от общего числа подъемов.

2 Отчет ТашНИКИ, Ws 202, 1968 г.

144

нием давления в порах в начальной стадии Ионизации. Ранее [86j отмечалось возрастание напряжения начала ионизации при нагреве полиэтиленовой изоляции кабелей, имеющих по жилам экраны, и объяснялось уменьшением размеров газовых включений и увеличением давления в них при тем­ пературном расширении полиэтилена.

Однако попытка объяснения увеличения напряжения на­ чала ионизации без точного знания размеров газовых вклю­ чений может привести к спорным результатам* так как с увеличением толщины 8 газового включения напряжение начала ионизации не уменьшается монотонно, а изменяется

сдвигать экстремумы зависимостей электропрочностных и ионизационных характеристик от температуры по осям абс­

связано именно со структурными изменениями—увеличением плотности, степени кристалличности и т. д. Таким образом, существует принципиальная возможность регулирования электрических свойств изоляции при помощи давления. Пос­ кольку электрические свойства, в частности электрическая прочность, зависят от надмолекулярной структуры и мак­ роструктуры, оптимума их можно достичь при опреде­ ленных соотношениях температуры и гидростатического давления.

Зависимости ионизационных и электропрочностных ха­ рактеристик газовой поры от давления в принципе также должны иметь экстремумы, причем даже в области линей­ ного возрастания Ucp с увеличением Ph. Это связано с тем, что при достаточно высоких внешних давлениях наряду с электрическим упрочнением пор должно происходить их электрическое ослабление вследствие уменьшения их разме­ ров в направлении приложенного поля.

Ниже будут рассмотрены результаты исследования не-

Которых полимеров, нашедших применение в кабелях для нефте-газовой промышленности, при высоких температурах

в течение 20 час. из фторлона-40Ш и -4M в течение 48 час. при 230°С и 1300 K z c jc x Внешний вид образцов фторлона-4 и -4Д после выдержки в УВДТ не изменился; образцы фторлона-40111 и -4M деформировались, на поверхности

прочности при разрыве у фторлона-4 снизился на 23,2%, от­ носительное удлинение — на 25%, у фторлона-4М—соответст­ венно — на 56,8 и 96%, -40Ш п. 295 — на 59,5 и 65% ,-40Ш

скважин является ее высокая термобаростойкость, то стано­ вится очевидной необходимость выполнения ее в виде мо­ нолитных оболочек. Однако фторлон-4, обладая очень цен­ ными и уникальными электрофизическими и другими свой­ ствами, имеет следующий недостаток: являясь термореактив­ ным материалом, при нагревании даже выше температуры термического разложения (415°С) не переходит в необходи­ мое для экструвии вязкотекучее состояние.

Пленочная фторлоновая изоляция, подвергающаяся уже в изделии термообработке с целью создания монолитности,

146

при высоких гидростатических давлениях может обеспечить выполнение только первой части предъявляемых требова­ ний—высокой термостойкости. Для увеличения баростойкости она должна быть защищена дополнительной монолитной оболочкой. С этой точки зрения применение пленочных фторлонов в каротажных кабелях нерационально и было бы целесообразнее использовать, например, шприцующийся фторлон-4Д, практически имеющий такие же характеристики, как обычный фторлон-4, и отличающийся от него только формой частиц и несколько меньшим молекулярным весом. Главным препятствием применению в каротажных кабелях монолитной изоляции из фторлона-4Д является невозмож­ ность в настоящее время непрерывного наложения её на многокилометровые длины кабеля. Пленочная же изоляция позволяет получать практически неограниченные строитель­

В зависимости от способа изготовления различают фторлоны химической и радиационной полимеризации. В первом случае продукт получается полимеризацией газообразных мономеров при повышенных давлениях (40—100 кгс/см2) в присутствии воды и перекисных катализаторов при 70—80°С [46,193]. Во втором—в поле ионизирующего излучения (на­ пример, -^-излучения) при атмосферном или избыточном давлениях без вещественных инициаторов реакции, что поз­ воляет получить продукт высокой чистоты [34]. В настоя­ щее время химической промышленностью широко освоен первый способ полимеризации.

Фторлон-4 выпускается за рубежом под различными названиями: алгофлон (Италия), хостафлон TF (ФРГ), сорефлон (Франция), тефлон (США), флюон (Англия).

Электрофизические и физико-механические свойства фторлона-4 определяются степенью кристалличности: его плотность возрастает с ее увеличением и снижается с по­ вышением температуры (по данным Д. Д. Чегодаева):

147

Следовательно, нагревание фторлона сопровождается его аморфизацией. Плотность уменьшается с увеличением мо­ лекулярного веса, поскольку в случае длинных молекуляр­ ных цепей затруднена кристаллизация упорядоченной струк­ туры с высокой плотностью. Температура плавления крис­ таллических областей в фторлоне-4 составляет 327°С, стек­ лования—около 120°С. При аморфизации объем его увели­ чивается до 25% (так называемый переход второго рода). Физические характеристики фторлона-4 зависят от степени кристалличности, регулируемой скоростью охлаждения предварительно отпрессованных из порошка таблеток, пос­ ле термообработки при температуре 375 ± 10%. При охлаж­ дении с 380 до 300°С методом погружения в ледяную воду или воду с температурой 20°С можно получить закаленные образцы со степенью кристалличности до 45 и 50%, соот­ ветственно. При охлаждении на воздухе степень кри­

фторлона-4 при повышенных температурах приводит к сня­ тию закалки.

Фторлон-4 получает остаточные деформации при нагруз­ ках, сильно уменьшающихся с ростом температуры: 5%-ная деформация при температуре 0°С наступает при нагрузке 262 кгс/см2, при температуре 200°С—35 кгс/см1. Длительное воздействие механических и температурных нагрузок при высоких температурах (например, случай длительного на­ хождения кабеля в скважине) может вызывать остаточные деформации фторлона-4 при значительно меньших нагруз­ ках. В результате этого может реализоваться ползучесть кабеля в целом, при которой нарушается его агрегатность, перераспределяются нагрузки на жилы, отдельные прово­ локи брони и повивы, ускоряется абразивный износ прово­ лок из-за „фонарения“ повива, а следовательно, ускоряется выход кабеля из строя. Ползучесть фторлона-4 увеличива­ ется с уменьшением степени кристалличности. Вместе с тем понятие „хладотекучесть“ в строгом смысле слова неприме­ нимо к нему. Деформации, вызываемые „хладотекучестью“

148

фторлона-4 полностью обратима (при нагревании до темпе­ ратуры плавления кристаллитов деформированный образец полностью восстанавливает свою форму) и имеет конечную, зависящую от нагруз ки и температуры величину, достигаемую за достаточно короткое время и практически не изменя­ ющуюся в последующее время.

Оценку работоспособности изоляции из фторлона-4 при повышенной температуре (Т°,С), можно произвести по пре­ делу текучести

и теплопроводности (0,21 ккал/м- час -град). Средние коэф­

фициенты линейного расширения (TKD отличаются для различных температурных диапазонов: (25-4 100°С) —12,4 X

X 1СГб град-1; (2,54-200°С) —15,1 • ІО-5 и т. д., возрастая с расширением температурного диапазона. Так, для диапазона

(25-4300°С) ТК1 составляет 21,8 • 10-5град.-1 Видимо, вследствие малой теплопроводности в образцах

из фторлона-4 часто возникают внутренние напряжения, необратимо изменяющие при нагревании его размеры и при­ водящие к неожиданному сокращению вместо ожидаемого удлинения. В связи с этим монолитная изоляция из фторлона при длительной работе в воде под напряжением раст­ рескивается.

По химической стойкости и водостойкости фторлон-4 нельзя сравнить ни с одним материалом: на него действуют только расплавленные щелочные металлы, трехфтористый и элементарный фтор при повышенных температурах (—300°С); к действию же кислот, щелочей, окислителей, растворите­ лей он абсолютно стоек.

По диэлектрическим свойствам фторлон-4 превосходит все известные типы диэлектриков. Удельное объемное элек­ трическое сопротивление его может достигать ІО20 ом • см, диэлектрическая проницаемость имеет величину, характер­ ную для неполярных диэлектриков (1,8—2,2) и практически неизменную в частотном диапазоне 60-4 1010 гц, диэлект­ рические потери малы (tg 8 — 2 • ІО-4) и также неизменны в частотном диапазоне 604-1010 Щ- Электрическая прочность фторлона-4 возрастает с уменьшением толщины образца.

146