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

быстрый износ брони вследствие ее обдирания о кольца с неровными краями, образованные при сварке труб.

Долговечность различных кабелей по любым критериям может быть сравнена только при совершенно аналогичных условиях их эксплуатации, что требует длительного време­ ни для сбора данных и в строгом смысле слова вообще не­ возможно, так как условия работы могут изменяться во времени. Поэтому параметры надежности кабелей целесооб­ разно определять методом обработки статистических данных эксплуатации его в различных условиях и построением графи­

ков функций вероятности для tip и т общ1Работоспособность и эксплуатационная надежность кабе­

лей обеспечиваются при выполнении ряда мероприятий, ка­ сающихся конструирования, технологии изготовления и эксплуатации кабелей. Выполнение последних возможно при соблюдении технологической дисциплины, своевременной и качественной профилактики технологического оборудования, точном исполнении инструкций по транспортировке, хране­ нию и эксплуатации кабеля.

Рассмотрим критерии работоспособности основных эле­ ментов конструкции кабеля, выполнение которых обеспечи­ вает ее надежность.

Токопроводящая жила (ТПЖ). ТПЖ должна отвечать следующим основным требованиям: быть устойчивой к ме­ ханическим нагрузкам, передающимся ей от кабеля во всех возможных режимах его работы, обладать минимально-воз­ можным электрическим сопротивлением и быть достаточно технологичной. Каротажные кабели при эксплуатации под­ вергаются многократным воздействиям механических нагру­ зок, вызывающих в них упругие деформации растяжения, сжатия и изгиба. При этом в наиболее тяжелых условиях на­ ходится ТПЖ одножильного или семижильного кабеля, рас­ положенная в центре. По эксплуатационным данным, долго­ вечность кабеля резко снижает несоответствие механических характеристик ТПЖ условиям их работы в кабеле (т. е. пара­ метрам брони, поскольку броня и жилы работают совмест­ но). Так, применение медной ТПЖ в одножильном кабеле с резиновой изоляцией приводит к быстрому ее выходу из строя. Это обусловлено тем, что при любой величине упру­ гого растяжения кабеля в целом медная жила получает ос­ таточные удлинения (так как у меди остаточные деформа­

ции начинаются С у >0,2% ), а при снятии нагрузки, со­ провождающемся сжатием брони и кабеля в целом, прово­

1 Подробно вопрос о параметрах надежности кабелей рассмотрен в главе V.

40

локи жилы претерпевают продольный изгиб в виде петель синусоидальной формы („уточек“). При циклических нагруз­ ках в местах наименьшего радиуса кривизны „уточек“ про­ исходит обрыв проволок ТПЖ, носящий характер усталост­ ного излома, при этом возможны проколы изоляционной и защитной оболочек.

Поэтому основным критерием механической устойчивос­ ти ТПЖ каротажных кабелей можно считать превышение относительного и упругого удлинения ее при разрыве над относительным и упругим удлинением кабеля в целом:

Критерию (1—3—1) удовлетворяют ТПЖ с введенными в

них упруго-удлиняющимися элементами (стальные проволо­ ки, органические или синтетические сердечники). При этом следует рассматривать ТПЖ не отдельно, а в изоляционной (или изоляционно-защитной) оболочке, поскольку от тол­ щины последней и модуля упругости зависит величина до­ полнительных напряжений, передаваемых на проволоки жи­ лы. Оболочка оказывает существенное сопротивление сме­ щению проволок. В частности, образование „уточек“ в мед­ ной жиле может быть предотвращено применением оболо­ чек с повышенным по сравнению с резиной модулем упругости

идостаточной толщиной (фторлон-40Ш, сшитый полиэтилен

идр.). ТПЖ испытывает также напряжения, обусловленные кручением кабеля, поскольку кабели с утолщенными про­ волоками в верхнем повиве брони не уравновешены.

По данным Шахназаряна [195], условие нерастяжимости жил при кручении кабеля для свободной подвески груза

выражено в виде

кабеля.

Оба критерия при свободной подвеске груза аналогичны, поскольку в этом случае s/ѳ = —BjC. Выполнение критерия (1—3—3) при заданном гж требует уменьшения шага скрут­ ки до нереальной величины, или, при заданных конструк­ тивных параметрах брони, значительного увеличения радиу­ са жилы, следовательно, уменьшения толщины изоляционной оболочки, что в большинстве случаев недопустимо. Таким

41

образом, если условие (1—3—1) выполнимо всегда и пол­ ностью, то (1—3—3) можно осуществлять лишь в отдельных случаях, причем, частично. Минимум осевой деформации растяжения ТПЖ может быть достигнут в уравновешенной конструкции кабеля в случае, если диаметр проволок на­ ружного повива брони меньше диаметра проволок внутрен­ него повива. Однако применение такой конструкции брони нецелесообразно из-за малой ее долговечности. При усло­ вии значительного повышения абразивной стойкости или за­ щиты внешнего повива оболочкой, стойкой к абразивному истиранию, возможно создание кабелей, уравновешенных от кручения.

Качественное проведение электрометрических и взрывных работ с применением существующей каротажной и перфо­ раторной аппаратуры обеспечивается при электрическом сопротивлении всей цепи не более 250 ом. Поскольку температура в скважине неодинакова и увеличивается вдоль ствола по закону (1— 1—2), критерий пригодности жилы по электрическому сопротивлению постоянному току в процессе работы кабеля в скважине можно выразить в виде

его зависимость от температуры и ее распределения по ство­ лу скважины;

Кж<і> — зависимость сопротивления жилы от глубины по­ гружения кабеля при Kt = const.

Данная формула справедлива для электрометрических (ка­ ротажных) кабелей, а для силовых (электропитание погруж­ ных электродвигателей и других энергетических устройств) критерий можно представить в виде

применительно к рассматриваемым кабелям является ее электропроводность, оцениваемая в большинстве случаев по

42

обратному ей значению — сопротивлению изоляции (R„3). Минимальными границами RH3 всей погруженной в скважи­ ну длины каротажного кабеля являются: 1 Мом (электро­ метрические работы) и 0,5 Мом (перфораторные работы). С целью создания некоторого запаса по RH3 к каротажным кабелям обычно предъявляется требование обеспечения со­ противления изоляции всей длины не менее 2 Мом. В соот­ ветствии с этим критерий работоспособности изоляции ка­ беля по электропроводности в любой момент времени его эксплуатации будет выражен как

L

І

бели КТО, КТШ-2,4, КТШН-4).

Для силовых кабелей типа КРБК при их нахождении в сква­ жине

43

учитывающая ее зависимость от температуры и гидростати­ ческого давления, а также распределение этих параметров

проводность изоляции при температурах 20 и 50°С, мка; 1— длина кабеля, км\

U и Ut—то же, что в (1—3—5); в формулах для GH3 <2о°о и GH3 (5 O°O UJ — напряжение в конце линии (кабеля).

Изоляция в процессе эксплуатации работоспособна при выполнении условий (1—3—6) и (1—3—7) во всех режимах механического и термобарического нагружения кабеля. Изо­ ляция должна обладать радиальной герметичностью при ра­ бочих гидростатических давлениях и температурах, устой­ чивостью к термомеханическим деформациям, достаточной эластичностью при высоких температурах во все время эксплуатации кабеля, необходимой нефте-газостойкостью при повышенных температурах и гидростатических давлениях.

Защитная оболочка. Для целостности изоляционных и шланговых оболочек наиболее опасен присутствующий в скважинной жидкости газ вследствие его большого коэффи­ циента сжимаемости. Допустимый перепад давлений можно определить по формуле максимальных напряжений в элас­ тичных оболочках [153]:

где ошах—максимально допустимое давление при растяжении;

Часть радиально-направленной нагрузки, воспринимаемой броней, рассчитывается из условия наступления пластиче­ ской деформации материала при зшах = 0,7ав [170]:

44

Допустимый перепад давлений для ленточной брони с оШах = 1950 кгс/см2 серийного кабеля КРБК будет иметь следующее расчетное значение:

-ІРбр - 84 кгс/см2.

ленточной брони кабеля КРБК. Отсюда понятно, что изоля­ ционно-защитные оболочки каротажных кабелей, при про­ чих равных условиях, не разрываются газом из-за большой механической прочности проволочной брони и сравнительно небольшого времени пребывания кабеля на забое. Вопрос защиты шланга от действия газа в кабелях, у которых не­ целесообразно использовать проволочную броню, может быть решен альтернативно:

1) применением защитной оболочки с высокой газопро­ ницаемостью (10~4 — 10~5 см2/сек- кгс-см~2) и малой проч­ ностью на разрыв (ов^г50 кгс/см2)-,

2) применением защитной оболочки с низкой газопрони­

удлинение кабеля вследствие податливости изоляционно-за­ щитных оболочек будет достигать таких величин, которые могут отразиться на точности измерения глубины скважины.

45

Условие того, что п проволок диаметром б укладывают­ ся в слой на радиусе г с углом скрутки а, имеет вид [195]

где кз — коэффициент запаса; б) остаточное удлинение брони кабеля (%), не прошед­

шего термомеханическую стабилизацию:

в) остаточное удлинение стабилизированных кабелей (%):

г) неуравновешенность брони.

Под действием механических нагрузок и изменения тем­ пературы бронированные кабели, не уравновешенные и ге­ терогенные по структуре, испытывают кручение, вследствие чего возрастает их удлинение. Нагрузки между элементами кабеля не распределяются, что способствует сильной пере­ грузке отдельных элементов конструкции, в частности, то­ копроводящих жил. Перенапряжение жил приводит к появ­ лению местных деформаций, усталостному излому проволок жил, повреждениям изоляционной оболочки и т. п. При ис­ пользовании кабеля в качестве измерительного инструмента в скважине дополнительное удлинение от кручения может снизить точность измерительных работ. Кручение свободно подвешенного кабеля с учетом всех действующих на него факторов—собственного веса, аппаратуры и груза, темпера­ туры и гидростатического давления при 1= L составляет [98]:

46

С учётом наличия осевого усилия, обусловленного сорбцией изоляционными и защитными оболочками жидкости и газа, формула (1—3— 19) примет вид

При C = 0 (условие уравновешенности от весовых на­ грузок, набухания и гидростатического давления) кабель бу­ дет частично неуравновешен от кручения (Ѵ ^О), так как температурная составляющая кручения (третий член уравне-

ния (1—3—20)) составляет в данном случае—^ —. Полная

уравновешенность кабеля от кручения может быть достиг­ нута при С — 0 и т = 0.

Поскольку оба повива брони наложены в противополож­ ных направлениях, суммарный коэффициент С для брони бу­ дет равен разности коэффициентов Q и С2 (для первого и второго повивов брони, соответственно). Поскольку условие С2 — Cf —0 обычно не выполняется, при конструировании кабеля стремятся к получению минимально-возможной не­

где С,т — максимально-возможные для данной конструкции значения крутящего момента по механическим и темпера­ турной нагрузкам.

Поскольку вклад механических нагрузок в кручение обычно больше, чем температурных, условие (1—3—21) является более сильным, чем (1—3—22), т. е. кабель, урав­ новешенный по механической нагрузке, уравновешен также и по температурной нагрузке, что подтверждено расчетами до кабелю КОБДФ-6 [98].

Величина фе зависит от конструкции брони и отличается у различных кабелей. По данным [48], она максимальна у одножильного кабеля КОБД-4 (0,45) и минимальна у шее« тижильного КБГ-8 (0,19). По данным [98], для теплостой­ кого кабеля КОБДФ-6 <[>с составляет 0,56.

47

Г л а в а //

КЛАССИФИКАЦИЯ, КОНСТРУКТИВНЫЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БРОНИРОВАННЫХ, ОШЛАНГОВАННЫХ И ОПЛЕТЕННЫХ КАБЕЛЕЙ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТ В СКВАЖИНАХ. ПРИНЦИПЫ

КОНСТРУИРОВАНИЯ И АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ

§ 1. НАЗНАЧЕНИЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРИЗНАКИ КАБЕЛЕЙ

По функциональным признакам бронированные, ошлангованные и оплетенные кабели можно разделить на два ос­ новных типа:

1) грузонесущие—для осуществления электрической связи погружаемых в скважины устройств с наземными

2) негрузонесущие—только для электропитания погру­ жаемых в скважины устройств.

Относящиеся к первому типу кабели для проведения всех видов геофизических исследований в бурящихся и действующих скважинах, а также для электробурения, электротепловой обработки и др,—работают в скважинах кратковременно (исключение—кабели для электробурения и электроподогрева). Характерным представителем второго типа является кабель для электропитания погружных нефтенасосов. Конструкции характерных представителей кабелей двух типов приведены в приложениях 1 — 10.

Каротажные кабели широко применяются не только при проведении работ в скважинах, но и в морях и океанах (морская разведка и др.). Далее будут рассмотрены грузонесущие кабели для геофизических работ в скважинах (раз­ резы ряда кабелей даны в приложениях 1—7). Некоторые из них, например, КСО, в настоящее время сняты с произ­ водства, но представляют определенный интерес; кроме то­ го, их можно использовать в некоторых случаях без про­ ведения новых разработок.