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

Коэффициенты барического сжатия резины ТСШ-40 име­ ют следующие значения:

На рис. 59 [125] показано изменение плотности ПЭВД— исходного и облученного ^-излучением Со-60 в гелии до до­ зы 80 Мрад, рассчитанное по результатам исследования сжи­ маемости этих материалов в камере высокого давления типа

Рис. 59. Зависимость плотности ПЭВД от темпе­ ратуры при давлениях, кгсІсмЧ 1 и 1' —1; 2 и 2 ' —

—1200, 1' и 2'—необлученный ПЭВД, 1 и 2—облу­ ченный в инертной среде у-излучением Со60 до дозы 80 Мрад.

„пьезометр“. При температурах выше 115°С в необлученном ПЭВД наблюдается фазовый переход, соответствующий за­ метному изменению (уменьшению) плотности материала. Дав­

зацией полиэтилена и сопровождающийся увеличением объ­ ема материала, находит свое отражение также на термоме­ ханических характеристиках облученного полиэтилена a=f(T) в резком уменьшении величины деформации в температур­ ной зоне плавления кристаллитов, а также в качественно

ный характер их электрофи­ зических характеристик при температурно-барическом нагру­ жении.

Эксплуатационные среды заметно влияют на механиче­ ские характеристики и долговечность полимерных изоляци­ онных и защитных оболочек каротажных и других погру­ жаемых в скважины кабелей. Несмотря на то, что эти обо­ лочки работают в скважинном растворе под значительным давлением, в случае, если они не полярны (или не окисле­ ны), сквозная диффузия этого раствора через них происхо­ дит за весьма длительное время. Молекула жидкости диф­ фундирует сквозь вещество, описывая сложный путь. Ско­ рость диффузии зависит от вязкости этого вещества и раз­

4- 10- 7 мм, находящейся в жидкости вязкостью ІО 2 пуаза, средняя продолжи, ельность времени диффундирования на рас­ стояние порядка одного ее диаметра составляет около 1 0 - 1 1 сек. Ввиду статистического характера процесса время диффузии пропорционально квадрату преодолеваемого расстояния [189].

Расчеты показывают, что время сквозного проникновения воды, нефти и других жидкостей через изоляционные и за­ щитные оболочки и заполнение свободного объема под ними при атмосферном давлении значительно превышает реальное непрерывное и общее время нахождения кабелей

322

Рис. 61. Зависимость от давления:

л —сжимаемости (%) ПЭВД, облученного в инертной среде f -излучением Со00 до дозы 80 Мрад при Т \С : / —100-4130; Д—140; 3—80; б —плотности ПЭВД при температурах, °С: /—40; 2—80; 3—120; 4—150.

в скважинах. Под давлением этот процесс ускоряется, жид­ кости сорбируются оболочками, которые, кроме того, сжи­ маются под давлением. При подъеме кабеля на поверхность на изоляционную и шланговую оболочки будет действова ь значительный перепад давлений. Снижение внешнего дав­ ления до атмосферного приводит к восстановлению разме­ ров оболочки и быстрой десорбции жидкостей. Поскольку последние обладают малым коэффициентом сжимаемости, деформация этих оболочек происходит в пределах их уп­ ругости, и они не разрываются. Однако присутствующие в скважинной жидкости углеводородные газы (особенно при высоком газовом факторе) обладают большим коэффициентом сжимаемости и при снятии внешнего давления, десорбируясь, могут разорвать изоляционную и защитную оболочки. В отличие от оболочек кабелей для погружных нефтенасосов

323

изоляционная и защитная оболочки каротажных бронирован­ ных кабелей не разрываются газом. Это обусловлено не­ значительным временем пребывания их в скважинах, высо­ кими упругостью и механической прочностью их двухслой­ ной проволочной брони.

Скважинная среда, имеющая, как правило, в своем сос­ таве низкомолекулярные углеводородные жидкости, в том числе сжиженные при определенном давлении углеводород­ ные газы, очевидно, должна влиять на физико-механиче­ ские и электрические характеристики полимерной изоляции, поскольку иногда химически взаимодействует с ней и ока­ зывает на нее пластифицирующее действие. В частности, возможно увеличение диэлектрических потерь, электро­ проводности, диэлектрической проницаемости и снижение ме­ ханической и электрической прочности.

Согласно современным представлениям, диффузия газа в полимере происходит отдельными импульсами через отверс­ тия, которые образуются и исчезают в непосредственной близости с молекулами диффундирующего вещества. В элас­ тичных полимерах эти отверстия появляются вследствие флуктуации плотностей при тепловом движении отрезков мо­ лекулярных цепей. С повышением гибкости цепи увеличи­ вается возможность осуществления таких флуктуаций, сле­ довательно, проницаемость больше. Поэтому наибольшей проницаемостью обладают аморфные полимеры с очень гиб­ кими цепями, находящиеся в высокоэластическом состоянии (например, резины), а у кристаллических (например, поли­ этилена) она значительно меньше [173].

Если полимер не наполнен соответствующими ингреди­ ентами, то проникновение жидкости в него всегда сопро­ вождается набуханием, существенно сказывающимся на его

вначале заполняющие свободное межмолекулярное простран­ ство, по мере увеличения объема растворителя начинают раздвигать макромолекулы. В результате этого увеличивают­ ся расстояния между ними и уменьшаются силы межмоле­ кулярного взаимодействия и прочность полимера [95].

Поэтому набухание сопровождается обычно уменьше­ нием сопротивления разрыву и относительного удлинения. При уменьшении сил межмолекулярного взаимодействия так­ же ухудшаются электрические характеристики—tgS, Unp. Из них наиболее структурно-чувствительной является tgS: после

324

ческих характеристик от давления. Можно считать установ­ ленным. что электрофизические характеристики полимерных диэлектриков в широком диапазоне давлений при различных температурах изменяются по кривым с экстремумами.

Выше мы приводили данные об уменьшении электро­ проводности радиационно-модифицированного полиэтилена в определенных интервалах давления, связывая это с уплот­ нением материала и увеличением содержания в нем крис­ таллической фазы. Действительно, электропроводность по­ лимеров уменьшается с повышением их степени кристал­ личности [160, 204]. При этом с ростом давления температу­ ра плавления кристаллических областей в полимере возрас­ тает. Так, у тефлона она возрастает с 324°С при 69 кгс)см2 до 420СС при 615 KzcjcM2 [190]. Скорость повышения тем­ пературы плавления кристаллитов тефлона сдавлением сос­ тавляет 0,2°С • см2/кгс~1, полиэтилена—0,02, натурального каучука—0,037 [254].

Увеличение плотности материала с давлением вызывает одновременное протекание двух противоположных процес­ сов: 1 ) рост электропроводности вследствие увеличения концентрации носителей тока в единице объема и 2 ) ее уменьшение в результате увеличения сил взаимодействия между частицами вещества, препятствующих передвижению носителей тока. Исследованиями неполярных (вернее, сла­ бополярных) диэлектриков (фторлон-40Ш, полиэтилены, радиационно-модифицированные полиэтилены, фторлон-4 и др.) установлена возможность уменьшения электропроводнос­ ти с ростом давления. Исключение составляют случаи ее уве­ личения в определенных диапазонах давлений при температу­ рах ниже температуры плавления кристаллитов, когда содер­ жание кристаллической фазы велико и мало зависит от давле­ ния [254], а также электропроводности сложных систем, на­ пример, резин, когда характер влияния давления зависит от многих факторов.

Электропроводность слабополярных диэлектриков, в част­ ности радиационно-модифицированного (облучение в инерт­ ной среде) ПЭВД, определяется соотношением двух про­ тивоположных факторов: увеличением ее под давлением при температурах до 80— 100°С вследствие неизбежного наличия радиационно-стимулированных нарушений (в общем случае— чем-либо обусловленных дефектов) и уменьшением ее с повышением давления во всем остальном температурном диапазоне из-за увеличения плотности, степени кристаллич­ ности и вязкости. Вместе с тем при температурах выше 100°С его электропроводность с ростом давления уменьша­ ется не монотонно. Как и в барическом ходе сжимаемости, можно выделить три температурные области (°С) [123]:

326

1 —100-ГІ30; 2—130 1 190; 3—190-1-250. В первом и третьем

мещение радикалов, сегментов молекул и увеличение взаи­ модействия при сжатии, вследствие чего растет потенциаль­ ный барьер, препятствующий перемещению носителей тока в направлении поля. Во втором материал находится в вы­ сокоэластическом состоянии, вязкость значительно снижается. Согласно [17] последнее сопровождается повышением элек­ тропроводности, очевидно, в связи с уменьшением сопро­ тивления перемещению ионов-носителей. Повышение давле­ ния увеличивает вязкость, в результате чего несколько уменьшает электропроводность, причем это уменьшение значительно меньше, чем в первом интервале. В третьем увеличивается дезориентирующее влияние теплового дви жения в полимере, но в то же время значительно повы­ шаются концентрация ионов-носителей в единице объема и силы взаимодействия частиц при сжатии полимера. Прева­ лирование суммы первого и третьего факторов над вторым способствует заметному уменьшению электропроводности

сростом давления.

Вотличие от неполярных и слабополярных, электро­ проводность полярных диэлектриков (например, изоляцион­ ных резин) в наблюдаемых случаях [117] всегда увеличи­ вается с повышением гидравлического давления, что, видимо, обусловлено как увеличением концентрации ионов-носителей в единице объема, так и, главным образом, диффузией жидкой электропроводящей среды, усиливающейся под дав­ лением. Уменьшение полярности (следовательно, и гидро­ фильное™), увеличение степени структурирования приемами вулканизации, а также защита дополнительными оболочками уменьшают электропроводность изоляции вследствие созда­ ния дополнительного сопротивления передвижению ионов носителей. При некоторой оптимальной степени структури­ рования резиновой изоляции, по-видимому, можно добиться независимости электропроводности от давления и, возмож­ но, даже некоторого снижения ее с увеличением давления. Если же сжатие изоляции проводить при помощи не воды,

адругой неполярной жидкой среды (например, трансфор­ маторного масла) или механического давления, то можно ожидать уменьшения электропроводности резины с увели­

327

чением давления, так как в этом случае резина может вес­ ти себя подобно неполярному,вернее слабополярному по­ лимеру.

Поскольку буровые растворы и другие среды, в которых работают кабели в скважинах, имеют значительно меньшую полярность и электропроводность, чем вода, увеличение элек­ тропроводности изоляции (имеются в виду кабели с рези­ новой изоляцией) с ростом давления, очевидно, происходит менее резко, чем при испытаниях в воде в установке вы­ сокого давления и температуры. Поэтому испытания в во­ де—ужесточенные, а это служит предпосылкой повышения эксплуатационной надежности создаваемых изделий.

Описанные результаты качественно хорошо согласуются с результатами исследования влияния давления на электро­ проводность ионных кристаллов [243]. В связи с изложен­ ным можно ожидать существенного уменьшения электро­ проводности неполярных и малополярных диэлектриков при высоких давлениях. Высокому давлению в скважине обычно сопутствует высокая температура, а эти факторы действуют на содержание кристаллической фазы в полимере противо­ положно. Так, у РМПЭ характерная величина давления (критическое давление), начиная с которой электропровод­ ность уменьшается, с увеличением температуры сдвигается в область больших давлений. Регулируя давление при за­ данной температуре, в принципе можно направленно изме­ нять свойства изоляции и добиться получения оптимальных электрических и других физических характеристик.

§ 2. РАСЧЕТ ОДНОРОДНЫХ ПО ДЛИНЕ КАБЕЛЕЙ. УЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОМЕТРИИ (D/d) ПРИ НАХОЖДЕНИИ КАБЕЛЯ В СКВАЖИНЕ

В номенклатуре кабельных изделий можно выделить группу специальных кабелей, осуществляющих электриче­ скую и механическую связь двух объектов, удаленных друг от друга на значительное расстояние. К ним относятся ка­ бели для электробурения, каротажные и др. В подобных же условиях работают кабели для электроподогрева нефтя­ ных скважин с целью увеличения их дебита, а также си­ ловые для электропитания глубинных нефтенасосов (пос­ ледние не несут механических нагрузок), канаты с токо­ проводящими элементами и др.

До опускания в скважину кабель представляет собой однородную систему и может быть рассчитан по известным методикам. При нахождении в скважине параметры по его длине изменяются, так как в общем случае изменяются температура и давление вдоль ствола скважины. Эти усло­ вия эксплуатации особенно характерны для каротажных кабелей. Остающийся на поверхности (на барабане )отрезок

323

кабеля является однородной системой (разумеется, при ус­ ловии стабильности заводской технологии, свойств приме­ ненных материалов и соблюдения одинаковых габаритных размеров по длине кабеля). Погонные электрические пара­ метры однородного кабеля при температуре Т °С могут быть рассчитаны по известным формулам:

электрическое сопротивление жилы постоянному току

(ом/км):

Учитывая, что выражение, входящее в квадратную скобку,

329