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

вес. ч. хлорированного ПЭ и 5 вес. ч. хлорсульфированного ПЭ [246]. Эта композиция обладает лучшими механи­ ческими свойствами и более высокой морозостойкостью, чем ПВХ и 1-я, а по негорючести почти соответствует ПВХ.

Как хайпалон, так и другие негорючие композиции ПЭ используются обычно для изготовления защитных оболочек. Например, ф. Assoc. Electrical Inds. Ltd (AE1) (Англия) вы­ пускаются кабели с бутиловой изоляцией и оболочкой из хайпалона, рассчитанные на температуру жилы (длительную) 85°С. Бутиловая изоляция обеспечивает высокие электри­ ческие характеристики, хорошую водостойкость, оболочканегорючесть, кислото-и маслоустойчивость [202]. В качестве изоляционных и защитных негорючих оболочек кабелей для геофизики и нефтедобычи, рассчитанных на „нормальную“ температуру (до 100—120 С), видимо, может применяться и теплостойкий ПВХ, имеющий также повышенные электри­ ческие характеристики. Так, новый японский ПВХ—пласти­ кат „Vini —eifcht“ с повышенной нагревостойкостью, достиг­ нутой применением высокомолекулярных пластификаторов, имеет срок службы при температурах 105 и 120°С, соответ­ ственно, 23000 и 2400 час; сѴ5 о°с = 1,9-ІО'4 ом-см, Епр на переменном токе—40 А 45 кв,'мм, морозостойкость состав­ ляет — 30°С для электрической изоляции и — 40°С для за­ щитной оболочки.

По стойкости к коротким замыканиям кабель с изоля­ цией и защитной оболочкой из теплостойкого ПВХ не ус­ тупает кабелям с изоляцией из химически сшитого ПЭ и бутиловой резины, превосходя их по прочности при растя­ жении, короностойкости, стойкости и тепловому старению, огнестойкости и другим параметрам [253].

В СССР ПЭВД выпускается нескольких марок: П—2008К (А), П—2015К (А) и др. Марка ПЭ определяется показате­ лем вязкости, пропорциональной молекулярному весу. За ру­ бежом ПЭВД выпускается под названиями полиэтилен (США), луполен (ФРГ), алкатен (Англия), фертен (Италия). ПЭВД—хорошо изученный и широко применяющийся мате­ риал с отличными электрическими и технологическими свойствами. Недостатком, препятствующим применению его в чистом виде в качестве изоляции кабелей для скважин, является сравнительно низкая теплостойкость и малая стой­ кость к действию нефтепродуктов, особенно при повышен­ ных температурах. При температурах до 90°С электрофи­ зические и механические характеристики в случае нахожде­ ния ПЭВД на воздухе и в воде изменяются незначительно. Нахождение в низкомолекулярных жидкостях (трансформа­ торное масло и др.) сопровождается сильным набуханием ПЭВД и потерей за несколько часов механической и элек-

180

трической прочности. Так, изоляция из ПЭВД расползается при 3-часовом пребывании в буровом растворе (Т = 90°С).

Плотность ПЭВД пропорциональна степени кристаллич­ ности. С повышением температуры до 80°С плотность умень­ шается до 0,88, степень кристалличности—до 35%. При этой температуре начинается размягчение материала, а при 110°С—полная аморфизация и течение: полиэтилен приоб­ ретает свойства вязкой жидкости. Согласно данным [30], полученным методом ИК - спектроскопии, степень кристал­ личности различных марок ПЭВД при 20°С находится в пределах 45—54%, ПЭНД—66—70%, т. е. заметно ниже известных данных (см. табл. 16). Линейные полиэтилены (низкого и среднего давления), в отличие от разветвленных (высокого), сохраняют высокую степень кристалличности вплоть до температуры размягчения [52].

ПЭВД обладает малой устойчивостью к сильным окисли­ телям—концентрированной азотной кислоте, четыреххлорис­ тому углероду и др., низкими водопоглощением и водо­ проницаемостью. При 100°С он полностью растворяется в бензоле, ксилоле и других углеводородах, расползается в нефти. Газопроницаемость уменьшается с увеличением его плотности. Коэффициенты газопроницаемости (Кг ), диффу­ зии (Д) и сорбции (h) у полиэтилена высокого давления значительно ниже, чем у резин, в том числе полихлоропреновых. Так, Кг, D и h полиэтилена для водорода состав­ ляют, соответственно, 3,91 • ІО-8 смг/сек-кгс-см~2\ 2,08-ІО-6

чаются по своим свойствам, в частности, по электрической прочности (ЕПр) и разбросу ее значений, определяемому по

экструзией на червячных прессах с длиной червяка, равной

мм, при давлении в головке экструдера до 80 4-100 кгс/см2. Для увеличения стабильности диаметра рекомендуется при­ менять матрицы с удлиненной цилиндрической частью. При­ мерный температурный режим изолирования на английском

Ш

Ш

3 Мом-км. Отжиг изоляции при охлаждении сопровождается

ляции при температуре 137°С. С увеличением давления

Снижение температуры без снятия давления сопровож­ дается дальнейшим возрастанием деформации (рис. 24, б). Это, видимо, связано с низкой теплопроводностью ПЭНД, вследствие чего эквивалентная экспозиция приложения наг­ рузки при повышенной температуре увеличивается. Дефор­ мация же зависит не только от температуры и величины приложенной нагрузки, но и от экспозиции приложения этой нагрузки, т. е. от поглощенной системой энергии. Подобные явления выявлены также у вулканизатов—резины и ради­ ационно-сшитых ПЭВД и ПЭНД. Исходя из зависимости деформации изоляции из ПЭНД от времени приложения наг­ рузки и температуры (рис. 24, в) при раздавливающих наг­

184

рузках от 10 до 50 кгс/см2, установлено следующее. При 30°С (точки в, вь в2і) 20-секундные приложения нагрузки не изменили величину деформации. Постоянная деформация определяется только величиной раздавливающей нагрузки. Быстрое (в течение 25 пин.) повышение температуры до

Рис,. 24. Зависимость деформации изоляции (ради­ альная толщина 2 мм) из полиэтилена низкого дав­

ратный, т. е. при снижении температуры.

120°С приводит к значительной деформации (точки а, а,, а2), которая, однако, обратима. Медленное (в течение 75 мин.) охлаждение до 30°С сопровождается отжигом и уменьше­ нием деформации. Поведение этих же образцов (бж = 4,5 мм, Д = 2 мм) при совместном температурно-барическом наг­ ружении в установке высокого давления и температуры сле­ дующее:

185

При совместном воздействии на изоляцию из температуры и гидростатического давления (до 150 кгс/см?) основной вклад в снижение рѴЭКв принадлежит температуре.

также весьма существенен: повышение давления на 50 кгсісм2

изоляции, что можно объяснить увеличением энергии диффузии молекул коррозионной воды (являющейся термобаростатирующей средой) в изоляцию при повышенных температурах и давлениях. Резкое уменьшение степени кристалличности ПЭНД в рассматриваемом температурном интервале способствует активному протеканию диффузион­ ных процессов. Наряду с этим происходит определенное уплотнение изоляции, обусловливающее уменьшение сече­

ПЭНД марки П-4020 ЭК показали, что 50-часовая выдерж­ ка его при температуре 80°С и гидростатическом давлении 60 кгс/см2 незначительно снизила его рѵср (с 9,7- ІО16 до 1,3- •ІО16 ом-см), а 30-минутная при 120° С и том же давлениидо 1,8-Ю14 ом-см. Это изменение рѵср обратимо: снятие дав-

186

ления и охлаждение образца до 40° С привело к восстанов­ лению рѵср до 3,2-1017 он-см.

Приведенные данные свидетельствуют о возможности применения ПЭНД в кабелях для электропитания погруж­ ных нефтенасосов и легли в основу разработки этих ка­ белей на заводе Дашкенткабель“ (1967—1968 гг.). Позже выявилась возможность применения ПЭНД в качестве изо­

Недостатки ПЭНД проявляются в его меньшей, чем у ПЭВД, технологичности, более высоком температурном коэффициенте сопротивления изоляции при работе в жид­ кой среде (в частности, воде) и переменном электрическом напряжении. Поэтому использование его в качестве элект­ рической изоляции ряда кабелей считают нецелесообразным [2361.

187

ПЭНД имеет и другие существенные недостатки. Так, высокий модуль упругости изоляции или защитной оболоч­ ки из ПЭНД вызывает в кабеле при его перемещениях значительные механические напряжения. Большая теплота кристаллизации ПЭНД [274] (в 2 раза большая, чем у ПЭВД) вызывает необходимость в отводе при охлаждении кабеля во время изготовления и эксплуатации большого количест­ ва тепла. Это не только осложняет технологию изготовле­ ния, но и создает опасность деформации изоляции (или защитной оболочки) при прохождении кабеля через ролик блок-баланса в случае быстрого его извлечения из горячей скважины или прижатия к ее выступам и т. п. Атмосферное старение изолированных ПЭНД жил после пребывания при высоких температурах приводит к растрескиванию изоляции при изгибе. Этот эффект значительно меньше в случае, если поверх жил наложена броня. Следовательно, единст­ венное неоспоримое преимущество ПЭНД—более высокая (~ н а 20°С), чем у ПЭВД, температура формоустойчивости.

Опыт изготовления и предварительные данные об эксплу­ атации кабелей для нефте-газовой промышленности с оболоч­ ками из ПЭНД свидетельствуют о возможности применения ПЭНД в кабелях для электропитания погружных нефтенасосов при температурах до 90°С, а в каротажных — до 90— 130°С. Температурно-барический ресурс изоляции каро­ тажных кабелей из ПЭНД в разных районах страны нео­ динаков. Видимо, это связано не столько с разбросом качества изоляции, сколько с различиями в технологии проведения работ в скважинах.

Установленные к 1971 г. рабочие ресурсы кабелей с изоляцией из ПЭНД по районам страны таковы: Таджикис­ тан — 135°С, 700 кгс/см^, Узбекистан — 127°С, 400 кгс/см2; Краснодар — 102°С, 750 кгс/см2; Грозный—96°С, 390 кгс/см*, Куйбышев—90°С, 600кгс/см2;Тюмень -90-100°С, 300 кгс/см2, Ставрополь—87°С, 300 кгс/см2.

Вместе с тем, ПЭНД, в отличие от резин, радиационноили химически-сшитого полиэтиленов и других вулканизатов, при обычных и повышенных температурах (Т>Т плкрИст) не обладает достаточной формоустойчивостью и при прило­ жении определенной нагрузки течет. Так, известны случаи (Грозный), когда при спуске кабеля в скважину на бараба­ не лебедки нарушается целостность изоляции из ПЭНД

188

кабель не успевает охладиться при подъеме. Это вызывает необходимость защиты изоляции скрепляющими обмоткой или оплеткой.

Для работы в средах с высоким газовым фактором ка­ бели с оболочками из ПЭНД в настоящее и, по всей вероятности, в ближайшее время будут наиболее перспек­ тивными. Это подтверждается не только результатами лабораторных исследований, но и эксплуатацией кабелей, в частности, КППБКЗХ16 мм2 производства з-да „Ташкент-

диэлектриков в качестве изоляции теплостойких кабелей. Полиэтилен принадлежит к насыщенным углеводородам,

поэтому он не может вулканизоваться. Вулканизация воз­ можна лишь в тех случаях, когда на его молекулах воз­ буждаются активные центры, что приводит к появлению радикалов.

Поскольку ценным следствием вулканизации полиэтиле­ на, заключающейся в пространственном сшивании его макромолекулярных цепей, является значительное повыше­

лучей с введением в полиэтилен сенсибилизаторов фотохи­ мического поглощения, например, бензофенона, гексахлор­ бензола и дрЭ; 3) радиационным (при помощи ионизирую­ щих излучений без вещественных инициаторов реакции сшивания).

Х и м и ч е с к и - и ф о т о х и м и ч е с к и - с ш и т ы й п о л и ­ этилен. Метод сшивания полиэтилена с помощью орга­

189