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

обеспечения при заданных значениях температуры и давле­ ния следующего соотношения:

трическая информация выводится из КВДТ через посредство

кольцами 2 за счет некомпенсированной площади. Основной недостаток этого вывода—малая термоста бильность изоля­ ционного элемента. Кроме того, резиновая изоляция в месте подпайки жилы к бронзовому стержню претерпевает тер­ мическую деструкцию, что при длительных испытаниях

ванности площади (обратный конус). К одному концу брон­ зового стержня подпаивается жила кабеля 7 и соединение покрывается ленточной фторлоновой изоляцией 6. Место стыка закрывается затем резиновой трубкой 5, уплотнение создается бандажами 4 из мягкой медной проволоки. На выведенный из камеры конец электровывода ставится ох­ ранное кольцо 1.

390

Рис. 67. Электровыводы.

Конструкция позволяет монтировать в затворе до семи электровыводов с обоих концов установки высокого дав­ ления и температуры. Недостаток этого варианта—малая стойкость фторлонового конуса к сминающим усилиям при высоких давлениях.

Ко второму типу относятся конструкции электровыводов, показанные на рис. 67, в, г. Первый электровывод (рис. 67,б) представляет собой стальную полую трубку 4, на наружной поверхности которой выполнен конус с углом 10°. На ее поверхность плотно посажена конусная втулка 3 из прессо­ ванного фторлона-4, обеспечивающая уплотнение электро-

391

вывода. В стальную трубку вставлен сменный стальной по­ лый наконечник 6, внутренний диаметр которого строго соответствует диаметру испытуемой жилы 2. Для создания уплотнения между жилой и наконечником ставится рези­ новая трубка 7 с проволочными бандажами 5. На выведен­ ный конец жилы одевается охранное кольцо /. Недостаток этого электровывода—деформация фторлоновой трубки 3 при давлениях 500—600 кгсісяі2 и температуре около 200°С. Электровывод, приведенный на рис. 67, г, устраняет недос­ татки предыдущих вариантов. Он состоит из корпуса /, в цилиндрическую расточку которого вставляется уплотни­ тельный двусторонний конус 2 из резины с высокими уп­ ругими свойствами и повышенной термостойкостью. Уплот­

с конусной расточкой. Закручивание жилы при уплотнении предотвращается винтом 5, входящим в шпоночный паз стальной втулки 4. Существенное преимущество вывода в том, что он вынесен из среды высокого давления и темпе­ ратуры. Для увеличения срока службы резиновых конусов применяется искусственное охлаждение. Вывод работоспо­ собен при кратковременном приложении давления до 1200 кгс'ісм2 и температуры 250°С. Повышение его долговечности при длительном приложении давлений и температур дости­ гается увеличением степени уплотнения выводимого из КВДТ объекта, без его деформации, что в принципе возмож­ но как при увеличении длины уплотнительного конуса, так и при применении многосекционной конструкции элек­ тровывода с армированным уплотнительным конусом (в обоих случаях с искусственным охлаждением, например, водо­ проводной водой).

Необходимая длина контактной части электровывода рас­ считывается исходя из условия сохранения целостности изо­ ляции и предотвращения выталкивания образца жилы рабо­ чей жидкостью [124]:

где N — радиальное давление на изоляцию в электровыводе;

392

По величине 1К0Нт можно определить оптимальное коли­ чество секций электровывода в каждом конкретном случае испытания.

В случае, если концы образца выводятся из камеры вы­ сокого давления наружу через фланцы, силы выталкивания кабеля из камеры через электровыводы приблизительно равны и противоположны по направлению, что приводит к появлению напряжений в токопроводящей жиле и изоляции образца. В случае нарушения условия (5 - 1 —2) может прои­ зойти разрыв образца (особенно при испытании жил мало­ го диаметра). Для предотвращения разрыва и выбрасыва­ ния из камеры на оба конца тонкого образца напрессовы­ ваются резиновые упорные цилиндры так, чтобы образец внутри камеры находился в форме спирали. Расстояние между цилиндрами выбирается исходя из условия отсут­ ствия натяжения образца в момент, когда цилиндры упи­ раются в корпуса электровыводов. При подъеме давления жидкая рабочая среда выталкивает концы испытуемого об­ разца до тех пор, пока напрессованные цилиндры не упи­ раются в корпуса электровыводов; таким образом предот­ вращается разрыв тонкого образца.

Поскольку между электрическими, механическими и другими физическими свойствами материалов существует корреляционная зависимость, испытание в УВДТ позволяет получить комплексную информацию о поведении кабеля (жи­ лы) под термобарической нагрузкой.

§ 2. ВИДЫ ДЕФЕКТОВ КАБЕЛЕЙ

Кабели для геофизических исследований скважин и неф­ тедобычи работают в обычно различающихся условиях, что определено местом расположения промыслово-геофизиче­ ских партий и нефтепромысловых управлений. В связи с этим возникает первоначальная задача определения единых ус­ редненных критериев и параметров надежности для кабелей одного и того же типа, но работающих в различных усло­ виях эксплуатации. Следующими этапами решения задачи является определение параметров надежности кабелей для отдельных районов, промыслов и скважин.

Долговечность кабелей для геофизических работ в сква­ жинах и нефтедобычи обусловлена следующими основными эксплуатационными факторами:

а) геометрическими и геологическими особенностями скважин (кривизна, механические свойства пород и т. п.), что особенно важно для каротажных кабелей;

б) температурой на поверхности в скважинах, меняю­ щейся в зависимости от района: от—60°С на поверхности

393

„скрытыми“ и обнаруживаются лишь при эксплуатации ка­ беля. При оплетке жил могут возникнуть шишки (утолще­ ние пряжи), возможны случаи обрыва пасьм и наложения неравномерной по плотности оплетки. При изготовлении бро­ ни наиболее существенными дефектами являются: западание отдельных проволок вследствие заниженного диаметра ка­ беля или затяжки проволок, выпирание последних йз-за заниженных диаметра калибра или шага наложения бр$ки, просветы между проволоками первого и второго повйвов брони в результате завышенного диаметра жилы, отсутст­ вия одной из проволок или недостаточного обжатия в ка­ либрах, вздутия наружного повива (образование „фонаря") вследствие перенагартовки проволок брони в преформаторе, слабого обжатия в калибре или малого радиуса перегиба бронированного кабеля и др. Заводские дефекты технологи­ ческого характера являются следствием несоблюдения ре­ жимов и нарушения технологической дисциплины, работы на неисправном оборудовании.

К характерным дефектам, имеющим место при эксплуа­ тации кабеля, можно отнести обрыв медной ТПЖ в произ­ вольных местах, особенно в месте присоединения ее к сква­ жинному снаряду, разрыв стальных проволок стале-медных ТПЖ вследствие некачественной их сварки, выдавливание резиновой изоляции между проволоками брони, продавливание и сминание изоляционной оболочки ТПЖ внутренним повивом брони в отдельных местах или по всей длине ка­ беля, снижение сопротивления изоляции на поверхности ниже предусмотренной ГОСТом нормы и др.

К дефектам, обусловленным нарушениями правил экс­ плуатации кабеля, можно отнести образование „фонарей“, петель, узлов при отсутствии необходимого контроля за спуском кабеля в скважину, в результате чего происходит перепуск и не исключен случай прихвата кабеля и аппара­ та. Освобождение прихваченного кабеля может вызвать появ­ ление вторичных деформаций в жилах и их разрыв, пов­ реждение изоляции и выход кабеля из строя. Причиной прихвата может служить также обрыв отдельных проволок брони, выход их из повива и как следствие—образование пучков, узлов. Обрывы проволоки, в свою очередь, появля­ ются в результате неравномерного износа брони как вслед­ ствие объективных условий (наличие твердых пород, трение о выступы и т. п.) в скважине, так и защемления кабеля в трещинах башмака, колонны обсадных труб, в особенности при торпедировании, прохождении через лубрикаторы и т. п. Обрывы отдельных проволок предотвращаются соблюдением правил эксплуатации и своевременным изъятием из эксплуа­ тации сильно изношенных кабелей [150].

395

Перед опусканием в скважину кабель подвергается спе­ циальной подготовке —перемотке с заводского барабана сна­ чала на стационарную лебедку, а с нее под натяжением уже на лебедку автомашины—подъемника. Если кабель смотан с заводского барабана на лебедку подъемника без натяжения, производят дополнительную обтяжку кабеля в поле: растя­

свертывается в жгуты, которые могут быть раскручены по­ воротом концевого груза с кабелем до его выпрямления, после чего продолжается намотка на лебедку. Растягивание жгутов по оси кабеля до их выпрямления приводит к появ­ лению неустранимых дефектов—сильному расслоению брони и выходу жилы из повива. Точное выполнение инструкции по транспортировке, хранению и эксплуатации каротажных кабелей во многом предотвращает появление дефектов и увеличивает долговечность кабеля. Ряд дефектов кабелей (в основном ошлангованных и оплетенных), возникающих при их эксплуатации, удается устранить. К ним относятся утечки в изоляции, обрывы жил, асимметрия между жила­ ми в многожильных (3—7 жил) кабелях. Способы их устра­ нения описаны в книгах по промысловой геофизике, в част­ ности в [48].

Типичными дефектами технологического характера при изготовлении кабелей для нефтедобычи являются ребрис­ тость защитной оболочки из-за малой ее толщины и выпи­ рания токоведущих жил, недостаточная адгезия изоляцион­ ных оболочек к однопроволочным жилам в случае их недостаточного прогрева перед изолированием, „зализы“ на защитной полихлоропреновой оболочке (шланге), недоста­ точная продольная герметичность жил при введении в них при скрутке герметика методом экструзии.

Характерными дефектами, которые проявляются при экс­ плуатации этих кабелей, являются вспучивание и разрывы изоляционных и защитных оболочек вследствие десорбции газа при подъеме кабеля из скважины, снижение сопротив­ ления изоляции до недопустимого уровня при длительной эксплуатации кабелей, корродирование и повреждение лен­ точной брони (последнее—чаще всего при подъеме кабелей

трукционных материалов для изоляции, защитных оболочек и брони, более полно соответствующих условиям эксплуа­ тации, так и мероприятиями организационного характера.

396

Так, при подъеме кабеля из скважины с переменной ско­ ростью в принципе возможно свести скорость десорбции га­ за до безопасного уровня. Учитывая, что кабель часто повреждается при подъеме, последний необходимо вести с максимальной осторожностью; возможно, необходимо пе­ ресмотреть существующие правила эксплуатации кабелей. Коррозию брони можно уменьшить не только увеличением ее стойкости к агрессивным средам (например, применением эффективных защитных покрытий поверх стали или нержа­ веющей стали для брони), но и введением в скважинную жидкость химических веществ, уменьшающих коррозию. Так, установлено [220] торможение коррозии металлов в нефтяных продуктах при помощи саркозина N-олеата.

§ 3. ПАРАМЕТРЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ ДЛЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ РАБОТ В СКВАЖИНАХ

Эксплуатационная надежность бронированных кабелей для скважин обеспечивается их механической прочностью, стабильностью электрических и механических параметров, монтажной и ремонтной пригодностью, нефтегазостойкостью изоляционно-защитных оболочек, стойкостью их к темпе­ ратурно-барической нагрузке. Вместе с тем лабораторно­ стендовые исследования, результаты которых закладываются в основу разработки кабеля, пока н£ могут полностью ими­ тировать условий эксплуатации ввиду их многообразия и большого количества входящих факторов. Поэтому получе­ ние достоверных количественных, параметров эксплуатацион­ ной надежности кабелей на стадии лабораторного исследова­ ния и проектирования практически затруднено.

Влияние отдельных факторов эксплуатационных условий на срок службы элементов кабелей может быть качествен­ но оценено по известным закономерностям. Например, для изоляционных материалов характерно изменение их свойств вследствие старения (например, теплового) под влиянием взаимодействия с окружающей средой. Согласно закону Аррениуса, скорость химических реакций возрастает с уве­ личением температуры по экспоненциальному закону

где У» — постоянная реакции, соответствующая температуре Т = оэ;

U —энергия активации старения;

R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура,

897

Старение изоляции удобно наблюдать по изменению ее массы во времени старения т [242]:

более универсальна формула Дмитревского (см. гл. 3, § 5) для расчета распределения р(т) вероятностей безотказной работы изоляции в зависимости от температуры, напряжен­ ности поля и структуры диэлектрика. Учет в ней характе­ ра распределения температуры вдоль ствола скважины поз­ воляет получить Р(т) на глубине 1:

вестны (они могут быть определены экспериментально). Однако, даже если произвести эти расчеты, прогнозирова­ ние долговечности изоляции каротажных кабелей по их результатам может привести к грубым ошибкам из-за не­ полного учета всех действующих на нее факторов.

Следует иметь в виду, что долговечность изоляции, как и жил, только частично определяет долговечность каротаж­

393

ного кабеля. В большинстве случаев срок службы кабеля обусловлен броней,степенью ее износа.

В связи с изложенным становится ясно, что достовер­ ные показатели надежности и долговечности кабелей могут быть получены в настоящее время практически только в результате статистической обработки эксплуатационных дан­ ных.

Приведем данные о параметрах надежности и долговеч­ ности кабелей для геофизических работ в скважинах, по­ лученные при расчетах с использованием статистических эксплуатационных данных с 1964 по 1969 гг. в крупнейших геофизических организациях Союза — „Азнефтегеофизика“, „Краснодарнефтегеофизика“, „Укргеофизразведка“, „Казахстаннефтегеофизика“, „Башнефтегеофизика“, „Татнефтегеофизика“, „Узгеофизтрест“, „Грозненская промыслово-гео­ физическая контора“ [122].

Определялись периоды работы: до первого ремонта, межремонтный и срок службы до полного списания. Рас­ четы и анализ статистических рядов подтвердили предпо­ ложение о том, что функции плотности времени работы серийных кабелей КОБД-4 до первого ремонта и полного списания, а также КОБД-6 до полного списания распре­ деляются по нормальному закону. Функция плотности вре­ мени работы серийного кабеля КОБД-6 до первого ремон­ та распределяется по закону Эрланга. Полученные данные хорошо согласуются с результатами работы [67], где пока­ зана целесообразность применения для расчета надежности каротажного кабеля композиции экспоненциального и нор­ мального законов распределения.

Кабели для геофизических исследований скважин под­ вергаются абразивному износу, старению, воздействию аг­ рессивных сред и т. д. В литературе распространено мне­ ние о том, что при отказах изделий за счет износа наблю­ дается нормальное распределение времени безотказной ра­ боты, т. е. времени нахождения изделия в исправном сос­ тоянии. При этом необходимым условием нормального распределения функции плотности времени безотказной работы является малый разброс значений скорости износа элементов. Согласно данным, полученным Л. И. Бабушки­ ным, М. А. Башировым и автором, для серийных кабелей КОБД-4 и КОБД-6 имеет место нормальное распределение (рис. 68, а, б) и в некоторых случаях — распределение Эр­ ланга (рис. 68, в, г). Для некоторых случаев нормального распределения графики функций плотности времени безот­ казной работы имеют несколько асимметричный вид. Види­ мо, это объясняется увеличением скорости износа отдель­ ных кабелей за счет более интенсивного абразивного, кор-

аэа