Brevet FR2522438A1 — publié le 19830902

La présente invention est relative à un ctble électrique destiné à être utilisé dans un environnement agressif, par exemple dans un puits de pétrole. Il existe peu d'environnements plus agressifs pour un câble électrique d'un puits de pétrole Il est toutefois souvent nécessaire d'utiliser des câbles des- cendant dans des puits de pétrole pour des appareils tels que des pompes immergées, des appareils de diagra- phie et différentes autres fonctions. Parmi les éléments potentiellement destructeurs auxquels ces ebles sont exposés figurent les gaz et les pressions hydrostatiques qui peuvent dépasser 350 kg/em 2 dans des puits ayant des profondeurs de l'ordre de 3. 000 metres Ces pressions forcent les gaz et les fluides à pénétrer l'isolant du câble, et les cables qui sont retirés de ces puits présentent souvent des détériora- tions et des ruptures qui provoquent la défaillance du càble. Lorsque des câbles sont exposés à une telle pénétration des fluides pendant de longues périodes, il en résulte une détérioration des propriétés électriques de l'isolant Un expédient qui a été utilisé pour remé- dier partiellement à ces conditions est un isolant à fai- ble perméabilité Un tel isolant permet aux gaz qui sont rassemblés dans le câble de s'échapper dans l'atmosphère lorsque le câble est retiré de l'environnement à haute pression du puits de pétrole. Une autre technique utilisée pour empêcher l'intrusion des gaz et de l'humidité consiste à recouvrir les câbles d'un matériau tel que du plomb Cependant de tels revêtements sont assez facilement rendus fragiles ou autrement détériorés par flexion et manipulation On a obtenu un certain succès en utilisant un mélange de caout- chouc nitrile du type à faible coefficient de gonflement et résistant au pétrole en combinaison avec un chemisage métallique Même si des ouvertures se forment dans le chemisage de métal, la combinaison demeure relativement efficace. En plus des problèmes de pénétration des gaz, les fluides que l'on trouve dans les puits et dans les matériaux de forage qui sont utilisés sont souvent corro- sifs ou abrasifs à un degré élevé Différents matériaux ont été adoptés pour empêcher la pénétration des fluides dans les cables utilisés dans les puits de pétrole, et ces matériaux s'étendent des techniques classiques de blindage à une mise sous pression interne pour résis- ter à cette pénétration des fluides destructeurs prove- nant du puits Une technique utilisée consiste à enrouler un ruban de métal ou de matière plastique par-dessus la couche d'isolant, ce ruban enfermant à son tour le con- ducteur actif Le ruban de métal est ensuite habituelle- ment recouvert d'un matériau isolant qui est à son tour protégé par une enveloppe de protection En dépit de l'uti- lisation d'un tel agencement compliqué et relativement coûteux, la corrosion chimique et électrolytique des éléments métalliques se produit souvent, en particulier lorsqu'un câble est laissé dans un puits pendant des périodes prolongées Cette corrosion commence habituelle- ment à la couche externe mais progresse rapidement à travers le métal pour provoquer le claquage du câble. L'invention a en conséquence principalement pour but de perfectionner les cbles électriques destinés à être utilisés dans les puits de pétrole, -d'augmenter la résistance des câbles électri- ques à la pénétration par les gaz; -d'augmenter la résistance à la pénétration de l'humidité dans les cables électriques; -d'augmenter la résistance des dcbles électri- ques à la corrosion chimique et électrolytique; -de prolonger la durée de vie et d'améliorer les performances des cbles utilisés dans les forages. Suivant l'invention un câble caractéristique destiné à être utilisé dans un puits de pétrole comprend plusieurs conducteurs principaux, habituellement en cui- vre massif ou torsadé, chacun de ces conducteurs étant enfermé dans une enveloppe d'un isolant haute-température par-dessus lequel est formée une barrière de métal La barrière peut consister en un ruban revêtu d'un adhé- sif et enroulé hélicoidalement par-dessus l'isolant. On peut utiliser une seule couche d'un ruban enroulé hélicoidalement et se recouvrant lui-même sur 2/3 ou plus de sa largeur En variante on peut utiliser deux de ces rubans enroulés hélicoidalement dans le même sens ou dans des sens opposés et se recouvrant chacun lui- mime sur 50 % ou plus de sa largeur Dans certaines applica- tions on peut utiliser plus de deux rubans Les rubans sont relativement minces et le revêtement d'adhésif est appliqué sur l'une des faces des rubans ou sur les deux. En variante on enroule de minces pellicules de métal revêtues d'un adhésif dans le sens longitudi- nal suivant une configuration à recouvrement par-dessus l'isolant Suivant l'adhésif particulier utilisé, le ruban ou la pellicule peut être chauffé à une température de 14800 ou plus pour réunir les couches en une cou- che composite multiple. Par-dessus la barrière de métal ainsi formée on extrude un mélange de caoutchouc synthétique semi- conducteur Les trois conducteurs ainsi traités de la façon décrite sont assemblés suivant une configuration soit de section circulaire soit plate qui est ensuite recouverte d'une gaine externe deprotection Le matériau semi-conduc- teur disposé sur les conducteurs individuels sert non seulement d'amortisseur contre la gaine externe de protec- tion mais sert également à relier électriquement la barriè- re métallique à la gaine Le contact électrique continu assuré par le mélange semi-conducteur sur toute la longueur du cable sert à empêcher la concentration de courants de fuite localisés qui pourrait provoquer une corrosion élec- trolytique et une détérioration du câble en un seul point. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après, prise en référence aux dessins annexes, sur lesquels: la Fig l montre un cable plat pour pompe, des- tiné à être utilisé dans un puits de pétrole; et la Fig 2 est une vue à plus grande échelle d'une partie du câble représenté à la Fig l. On a représenté à la Fig l un cable caractéris- tique à trois conducteurs destiné à descendre dans un forage Les trois conducteurs peuvent être identiques et ils comprennent chacun un élément conducteur central 12 qui peut être en cuivre massif ou torsadé L'élément con- ducteur 12 est de façon caractéristique conçu pour trans- porter un courant alternatif de trois kilovolts, et le diamètre du fil doit être de 204 mm ou plus. Bien que l'on ait représenté un câble plat, comme on le décrira de façon plus détaillée ci-après, le déséquilibre capacitif qui existe habituellement dans les cables plats classiques est évité suivant l'invention. La capacité du câable représenté est à peu près la même que celle qui serait obtenue dans un câble à trois conducteurs, de section circulaire. Une couche 14 d'un isolant haute-température qui peut être du polypropylène, de l'éthylène-propylène, du caoutchouc, ou autre isolant approprié est appliquée par extrusion ou autrement sur un élément conducteur caracté- ristique tel que celui désigné par la référence 12 La couche 14 d'isolant peut avoir une épaisseur de 1,15 à 1,83 mm Comme on l'a indiqué plus haut, un ou plusieurs rubans ou pellicules peuvent être utilisés pour réaliser une barrière métallique appropriée L'agencement préféré qui est représenté comprend deux rubans 16 et 18 d'alu- minium, d'acier inoxydable, ou autre métal approprié ayant une épaisseur de 0,10 mm revêtues sur une face ou de préférence sur les deux faces d'un adhésif Cet adhé- sif peut être un polymère adhésif ayant une épaisseur d'environ 0,025 mm Les rubans sont enroulés hélicoidale- ment par-dessus la couche 14 d'isolant, chaque ruban se recouvrant luimême sur 50 % de sa largeur ou plus la barrière métallique à plusieurs couches formée par les rubans est recouverte d'une couche 20 d'un mélange de caoutchouc synthétique semi-conducteur tel qu'un caout- chouc nitrile On peut utiliser d'autres matériaux semi- conducteurs classiques, mais le caoutchouc nitrile est préféré pour ses propriétés de résistance au pétrole Une gaine 22 de protection est finalement enroulée par-dessus les trois conducteurs isolés qui sont agencés parallèle- ment suivant une disposition relative plane pour réaliser suivant le présent exemple une forme plate La gaine peut être constituée d'un enroulement d'une bande profilée en acier galvanisé ayant une épaisseur d'environ 0,5 mm. Dans certains cas, la gaine peut être form 6 é de bronze phosphoreux, d'acier inoxydable ou autre matériau appro- prié. La couche 20 de caoutchouc semi-conducteur remplit deux fonctions Tout d'abord bien entendu elle assure un amortissement entre la gaine en acier et la barrière en métal En second lieu, en raison de sa nature semi-conductrice, elle assure un contact électrique conti- nu entre la gaine en acier et la barrière en métal sur toute la longueur du cable En raison de ce contact électrique continu, on évite la formation de courants de fuite localisés et, en conséquence,la corrosion électrolyti- que de se produire en de tels points localisés Cette corrosion est une cause courante de défaillance dans un cable électrique. On a mentionné le fait que l'on évite un des- équilibre capacitif dans des cables plats fabriqués sui- vant l'invention La géométrie d'un cable plat classique est la cause du fait qu'un tel câble présente un deséqui- libre capacitif en raison du fait que la capacité entre chacun des conducteurs externes et la terre est différen- te de la capacité du conducteur central à la terre Par ailleurs, avec la construction à barrière métallique suivant l'invention, la capacité est à peu près la même entre chaque conducteur et la terre en raison de la liai- son entre chacune des barrières et la gaine de protection grâce à la couche de caoutchouc semi-conducteur On con- fère ainsi a un cable plat les mêmes caractéristiques d'équilibre que celles des cables de section circu- laire, ce qui est important lorsque, comme cela est sou- vent le cas, l'espace disponible pour recevoir des c'àbles dans un puits de pétrole est précieux. La corrosion chimique qui constitue également un problème prédominant dans les câbles pour puits de pétro- le, est inhibée par l'utilisation de couches alternées d'un métal et d'un polymère. On a représenté de façon détaillée à la Fig 2 la façon d'enrouler les rubans 16 et 18 Les deux rubans sont enroulés hélicoidalement en sens opposés sur la cou- che 14 d'isolant et chaque ruban se recouvre lui-même sur % de sa largeur L' adhésif peut être l'un quelconque de plusieurs adhésits polymères disponibles et lorsque les rubans ou les pellicules ont été incorporés au càble, celui-ci es; chauffé jusqu'à une température suffisamment élevée pour astreindre l'agent liant à réunir les rubans ou les pellicules en une seule barrière composite métalli- que Bien que l'épaisseur actuellement préférée du ruban de métal ou de la pellicule soit d'environ 0,1 mm, on a obtenu les performances les plus élevées du cable avec des métaux tels que de l'aluminium et de l'acier inoxydable dans des épaisseurs de 0,025 mm à 0,20 mm. En variante, au lieu des rubans de métal enrou- lés hélicoidalement, on peut enrouler des pellicules con- tinues de métal à recouvrement, longitudinalement, sur la couche isolante Ces pellicules doivent avoir la même épaisseur que les rubans et doivent également comporter des couches analogues de liaison d'un polymère adhésif sur l'une de leurs faces ou les deux. Les propriétés considérablement améliorées du câble suivant l'invention ont été démontrées par des essais Un câble classique fabriqué avec une isolation analogue présente lorsqu'il est essayé sous une tension alternative de 3 k V les durées de vie caractéristiquessui- vantesdans l'eau à 9000: 376 heures, 598 heures, b 64 heures, 975 heures Le même cible lorsqu'il est réalisé avec la barrière de métal et les matériaux liants suivant l'invention présente une durée de vie sous tension à 900 C dans l'eau supérieure à 6 000 heures Bien que l'on ait décrit plus particulièrement un câble à trois conducteurs en raison du fait qu'il est évidemment approprié pour une alimentation en énergie triphasée, l'invention est bien entendu applicable d'une façon générale indépendamment du nombre de conducteurs nécessaires dans un câble destiné à être utilisé dans un puits de pétrole. REVUNDICATIONS 1 Cable électrique destiné à être utilisé dans un environnement agressif, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison un conducteur électrique ( 12), une enveloppe ( 14) relativement épaisse en un matériau isolant de faible perméabilité entourant ledit conduc- teur électrique ( 12), une barrière métallique ( 16, 18) relativement mince entourant ledit isolant, une couche ( 20) d'un isolant semi-conducteur entourant la barrière métallique et une gaine externe ( 22) de protection entou- rant ladite couche ( 20) a'isolant semi-conducteur. 2 Cable électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite barrière métallique ( 16, 18) est constituée par au moins une couche de métal, cette couche étant revêtue d'un adhésif. 3 Câble électrique suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite barrière métallique ( 16, 18) est constituée par deux couches de métal réunies ensemble par un adhésif. 4 Câble électrique suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites couches de métal ( 16, 18) sont constituées par deux longueurs d'un ruban enroulé hélicoidalement en sens opposés autour dudit isolant ( 14) de faible perméabilité- O Cble électrique suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites couches ( 16, 18) de métal sont constituées par plusieurs longueurs continues d'une pellicule enroulée longitudinalement à recouvrement autour dudit isolant ce faible perméabilité. 6 Câble électrique suivant la revendication 3, ' caractérisé en ce que ledit adhésif est un polymère. 7 Câble électrique suivant la revendication 4, caractérisé en ce que chacune desdites longueurs de ruban ( 16, 18) a une épaisseur d'environ 0, 025 à 0,20 mm, ledit revêtement adhésif ayant une épaisseur d'environ 0,025 mnm. 8 Câble électrique suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit isolant semi-conducteur ( 14) est suffisamment épais pour assurer un amortissement entre ladite barrière métallique ( 16, 18) et ladite gai- ne externe ( 22)de protection et assure une liaison élec- trique entre ladite barrière métallique et ladite gaine externe de protection. 9 O able électrique suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs conducteurs électriques ( 12) disposés suivant une configuration à plat, lesdits conducteurs étant entourés d'une seule gaine externe ( 22) de protection.