Brevet FR2163719A1 — publié le 19730727

La présente invention concerne des cibles électriques, et plus particulièrement des câbles électriques servant à fournir de l'énergie électrique à des moteurs submersibles adaptés pour être utilisés dans des puits de pétrole à température et à pression élevées dans lesquels le fluide du puits n'est pas hautement corrosif. Des pompes submersibles utilisées dans des puits de pétrole, de minéraux ou d'eau comprennent normalement un appareil d'entratnement sous la forme d'un moteur électrique couplé directement à la pompe et disposé profondément dans le puits. I1 est donc nécessaire de prévoir une connexion électrique entre le moteur et une source d'énergie électrique située à la surface. Cela se fait normalement par l'emploi d'un câble conducteur électrique réunissant la source d'énergie électrique au moteur. Dans de nombreux cas, le moteur travaille à des niveaux de puissance relativement élevés, dépassant parfois 200 chevauxvapeur. Les moteurs utilisés sont normalement du type triphasé et le cule associé comprend trois conducteurs électriques séparés. Le cible électrique doit avoir une capacité de transport de courant suffisante et doit posséder une résistance diélectrique suffisante pour empêcher les pertes électriques même dans les conditions d'environnement défavorables habituellement rencontrées dans les puits. Les conditions d'environnement dans les puits varient généralement en fonction de la situation géographique. Le type particulier de puits dans lequel l'utilisation du câble de la présente invention est envisagée comporte un fluide de puits qui n'est pas hautement corrosif. Dans de nombreux cas, les températures des puits dépassent 1200C. Ces puits de pétrole peuvent contenir des gaz dissous, des carbonates, certains sels et des volumes importants d'huile. De plus, les puits sont passablement profonds, allant de 1.200 à 3.000 mètres.Le câble électrique doit posséder assez de résistance physique pour permettre une mise en place du moteur et du câble à de telles profondeurs, et la surface extérieure du câble doit résister à l'abrasion associée au processus de mise en place. Etant donné que le câble est normalement enroulé sur des tourets de stockage ou de transport, il doit posséder une propriété supplémentaire de flexibilité afin de pouvoir résister à la détérioration physique provoquée par l'enroulement sur un touret. Une structure de cible caractéristique actuellement utilisée comprend trois conducteurs de cuivre en brins, isolés sépa rément et enroulés hélicoidalement, ou câblés, pour former une seule unité. Les conducteurs en brins sont isolés à l'aide d'un matériau à haute résistance diélectrique comme le polyéthylène ou le polypropylène. Les conducteurs câblés hélicotdalement et isolés sont gainés dans une gaine extrudée de caoutchouc nitrile entourant les conducteurs isolés. La gaine en caoutchouc nitrile est recouverte d'une armure extérieure ayant la forme d'une bande continue de matériau métallique enveloppée. Les cibles d'alimentation électriques,construits comme indiqué plus haut, ayant été utilisés dans des puits de pétrole à température et pression élevées et d'acidité modérée, ont des défaillances en raison des déformations, provoquées par la température, des composants thermoplastiques du cible, ou des attaques chimiques, ou par solvant, de la gaine en élastomère. Etant donné que la plupart des puits de pétrole contiennent des gaz dissous, des carbonates, de liteau, des sels et de grandes quantités d'huile, aucun matériau ne présente une résistance aux solvants, à la chaleur et à la pression, permettant une utilisation prolongée dans un tel milieu sans risque d'atteinte par au moins un de ces éléments ou d'infiltration de ceux-ci. Un problème supplémentaire posé par les cibles dans un tel milieu est la déformation sous l'effet de la charge. Les cibles sont soumis à des efforts de compression et de traction et, aux températures élevées, il existe une tendance marquée du gainage à se déformer, ce dont il résulte une dislocation des conducteurs et il se produit des courts-circuits entre phases ou d'une phase à la terre. La rupture de l'armure par suite du gonflement de la gaine est un autre exemple de déformation qui se produit dans un tel milieu. Une rupture de la totalité de la structure se produit également pendant le retrait du *ble du puits par suite de la dépression des fluides qui se sont infiltrés dans le cible. Ces difficultés, ainsi que d'autres difficultés associées, ont clairement indiqué l'intérêt qu'il y aurait à disposer d'une structure de cible améliorée, imperméable et insensible au milieu ambiant. La présente invention prévoit un cible électrique à composants multiples perfectionné pour moteurs submersibles, prévu pour être utilisé dans des puits de pétrole à température et pression élevées. Plus particulièrement, elle prévoit une structure de câble qui comprend une armure extérieure composée d'une bande enveloppée continue en matériau métallique, une gaine intérieure en caoutchouc d'épichlorhydrine, et un isolant organique, synthétique, à haute température, entourant les conducteurs électriques. La bande métallique utilisée pour l'armure extérieure est d'un type normalement utilisé pour la protection des fils métalliques. Elle est enroulée hélicotdalement avec recouvrement en tenant compte de la flexibilité. Un exemple de matériau d'armure approprié est l'acier à faible teneur en carbone ou le bronze galvanisés ou recouverts de zinc. Le caoutchouc d'épichlorhydrine utilisé pour la gaine est composé pour assurer un minimum de perméabilité à l'huile et à l'eau et pour un minimum de gonflement pour éviter la déformation et I' infiltration des fluides et des gaz vers l'isolant primaire. Le type d'isolant décrit pour utilisation dans des puits de pétrole à température et pression élevées est un polypropylène thermostabilisé, de poids moléculaire élevé, et à haute température qui est un excellent isolant électrique aux températures élevées quand il n'est pas atteint par l'huile. Un polypropylène homopolymère de structure éminemment isotactique s'est avéré être un bon choix. L'armure métallique extérieure procure une résistance à l'abrasion tout en maintenant la flexibilité de façon quelle protège la gaine en caoutchouc d'épichlorhydrine tout en n'étant pas atteinte par le fluide du puits. La gaine en caoutchouc d'épichlorhydrine est insensible à l'huile ou à l'eau et est hautement imperméable à l'huile, constituant une barrière qui protège 11 isolant en polypropylène. I1 en résulte un minimum d'infiltration d'eau ou d'huile vers l'isolant ou de toute atteinte par ceux-ci. La présente invention sera exposée dans la description suivante, faite en relation avec les dessins annexés, dans lesquels La figure 1 est une vue en perspective fragmentaire d'une section de crible conducteur électrique pour moteurs submersibles représentant diverses caractéristiques de la présente invention ; et La figure 2 est une vue en coupe transversale du cible de la figure 1 suivant les lignes 2-2 de la figure 1. On se reportera maintenant aux dessins qui représentent un cible conducteur électrique à composants multiples pour un moteur submersible prévu pour utilisation dans un puits de pétrole à température et pression élevées, et qui est représentatif d'une mise en oeuvre de caractéristiques de la présente invention. La figure 1 représente une section de câble comprenant les conducteurs 11, une gaine élastique 13 et une armure extérieure 15. Chaque conducteur 11 est formé de brins de fils métalliques 12 enroulés hélicoidalement, ou cåblés, pour empêcher la séparation des brins. Ces brins séparés peuvent Etre étamés pour minimiser 1' interaction chimique entre le conducteur et le matériau isolant. Dans le mode de réalisation représenté, chaque conducteur se compose de sept brins. Le nombre de conducteurs, le diamètre des conducteurs et le nombre de fils dépendent évidemment des capacités de transport de charge requises pour une utilisation de câble donnée. I1 est à noter, de plus, que tout matériau conducteur approprié peut etre utilisé, comme par exemple, le cuivre, l'aluminium, etc.... Chaque jeu de brins de fils enroulés ou câblés forme un seul conducteur et est isolé séparément par une couche-isolante 19. L'isolant 19 du conducteur est formé d'un matériau synthétique, organique, et à haute température, de résistance diélectrique élevée. Un exemple qui s'est avéré satisfaisant à cet effet est un polypropylène thermostabilisé, de poids moléculaire élevé et à haute température. Si le matériau conducteur est le cuivre, le polypropylène du conducteur devra être stabilisé au cuivre en plus d'être thermostabilisé. La cuprostabilisation des caoutchoucs d'oléfines et des polymères est bien connue dans la technique et peut s'effectuer de la façon telle que décrite dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n" 3.535.257 ou 3.549.572 ou autre procédé acceptable de stabilisation au cuivre. Si le matériau conducteur est autre que le ouivre, une autre stabilisation peut Etre nécessaire. Une couverture extrudée d'un tel isolant peut être utilisée pour former l'isolement du conducteur. Un mode de réalisation préféré de matériau isolant en polypropylène homopolymère thermostabilisé, de poids moléculaire élevé, et à haute température est disponible dans le commerce aux Etats Unis d'Amérique sous la marque déposée Avisun 1046 de l'Amoco Corporation. Ce produit s'est avéré posséder les propriétés suivantes - Poids moléculaire, comme mis en évidence par la viscosité réduite de % sp/E = 3,5 dl/g testé dans la décaline à 1350C. - Densité: 0,90 - 0,91 à 230C (ASTM-D-792-64T) - Débit à 2300C - Charge 2,160 grammes, 5,0 grammes par 10 mn (ASTM-D-1238-65T) - Température de déflexion à 430C à 4,65 kg/cm2 (ASTM-D-648-61) - Déformation sous charge 3,5 % à 140 kg/cm2 (24 heures à 500C) (ASTM-D-621-64) - Absorption d'eau - 0,01 % (ASTM-D-570-63) - Module de flexion - 12.655 kg/cm2 (1,27 mm/mn CHS) (ASTM-D-790-66) Comme indiqué plus haut, ce polypropylène peut avoir à autre modifié par stabilisation au cuivre ou à un autre métal selon le matériau conducteur, ce qui peut altérer quelque peu ses propriétés physiques. L'unité conductrice ciblée est disposée dans la gaine 13 qui est composée d'un caoutchouc d'épichlorhydrine de poids moléculaire élevé, compoundé pour un minimum de perméabilité à l'huile et à l'eau et pour un minimum de gonflement. Cette gaine peut être extrudée autour des conducteurs ciblés et est formée, de préférence de manière à remplir les interstices 23 entre les conducteurs adjacents. Un mode de réalisation préféré est une formulation d'épichlorhydrine composée des matières, et dans les proportions appro ximatives, suivantes Parties pour Marque commerciale Produit 100 parties de Fabricant caoutchouc Herclor H Caoutchouc d'épichlorhydrine de poids moléculaire élevé 100,0 Hercules, Inc. Span 60 Agent tensio-actif composé d'esters partiels d'anhydrides d'hexitol 1,5 Atlas Chemical Industries Dyphos XL Phosphite de Pb dibasique (thermostabilisant) 10,0 National Lead Company N B C Dibutyldithiocarbamate de nickel (anti-oxydant) 1,0 Du Pont Cumate Diméthyldithiocarbamate de cuivre (accélérateur) 0,125 R. T. Vanderbilt Company Phenothiazine Phénothiazine 1,0 Fisher Scientific Company Vulcan Noir de carbone (charge) 30,0 Cabot Corporation Hi Sil 233 Silice (charge) 10,0 P.P.G. Industries TE-70 Plastifiants 0,5 Technical Processing, Inc. TP-95 Plastifiants 1,0 Thiokol Chemical Corp. Acide azélaîque Dispersant 4,0 Eastman Organic Chemicals NA-22 2-mercaptothiazoline (accélérateur) 1,0 Du Pont La gaine d'épichlorhydrine extrudée remplit complètement les vides formés autour des conducteurs isolés séparément. Cela empêche l'exposition de l'isolant aux fluides du puits et évite en outre l'écoulement du fluide du puits le long du cible en cas de rupture en un point quelconque le long de l'armure extérieure 15 et du pourtour extérieur de la gaine 13. La gaine 13 du cible est entourée par l'armure extérieure 15 formée d'une bande continue de matériau métallique posée par enveloppement. La bande métallique peut être formée d'acier à faible teneur en carbone ou de bronze galvanisés. Les versions courantes et commercialement disponibles d'armures métalliques galvanisées sont généralement satisfaisantes, Cela est particulièrement vrai dans les puits riches en huile où une couche d'huile contribue à la pro section de l'armure contre les polluants corrosifs. Dans certaines conditions corrosives, l'armure peut gtre faite en acier inoxydable ou en l'un des métaux spéciaux, tels que le métal monel.L'em ploi d'un câble à composants multiples tel que celui décrit procure une structure de câble qui résiste à l'abrasion, qui est imperméable aux fluides des puits, flexible et qui n'est pas affectée par les milieux ambiants et les hautes températures des puits quand elle est utilisée dans des fluides de puits d'acidité modérée et qui ne sont pas hautement corrosifs. Comme on peut s'en rendre compte, la structure de câble de la présente invention fournit une unité oonductrice efficace et durable pour une utilisation dans le milieu défavorable associé aux puits de pétrole à température et pression élevées. L'armure extérieure possède les propriétés physiques souhaitables la rendant propre à une utilisation comme cible pour les moteurs submersibles de puits quand la corrosion par l'acide du métal ne pose pas de problème. Bien que le caoutchouc d'épichlorhydrine utilisé pour la gaine 13 ait été de l'Herclor H (Hercules, Inc.), uneépichlorhydri- ne homopolymère (oxyde de poly-alpha-chloropropylène), d'autres homopolymères d'épichlorhydrine tels que 1'hydrie 100 (B.F. Goodrich) peuvent convenir pour cette application. De même, les caoutchoucs d'épichlorhydrine préparés à partir des oxydes d'épichlorhydrine et d'éthylène oonviennent pour la gaine 13. Ces copolymères sont conmerialisés sous les marques déposées Herclor C (Hercules, Inc.) et Hydrine 200 (B.F. Goodrioh). L'appréciation de certaines des valeurs de mesuresindiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Câble électrique à composants multiples adapté pour être utilisé avec un moteur submersible, caractérisé en ce qutil comprend au moins un conducteur électrique, une couche de matériau isolant, entourant ce conducteur, formée d'un isolant organique, synthétique, à haute température, une gaine élastique entourant cet isolant, composée d'un caoutchouc d'épichlorhydrine de poids moléculaire élevé, et une armure extérieure, entourant cette gaine élastique, formée d'une bande de matériau métallique. 2 - Cible à composants multiples selon la revendication 1, caractérisé en ce que cet isolant organique, synthétique, à haute température, est un polypropylène thermostabilisé, de poids moléculaire élevé, à haute température. 3 - Câble à composants multiples selon la revendication 2, caractérisé en ce que ce polypropylène thermostabilisé, de poids moléculaire élevé, à haute température, est également stabilisé au cuivre. 4 - Câble à composants multiples selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce conducteur est en cuivre et que cet isolant organique, synthétique, à haute température, est stabilisé au cuivre. 5 - Cible à composants multiples selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette bande de matériau métallique est formée d'acier galvanisé à faible teneur en carbone. 6 - Cible à composants multiples selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette bande de matériau métallique est formée de bronze galvanisé. 7 - Cible à composants multiples selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette bande de matériau métallique est formée de métal tel que l'acier peu carburé. 8 - Câble à composants multiples selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette bande de matériau métallique est une bande continue, enroulée hélicoidalement et avec recouvrement sur elle-même.