Brevet FR2529007A1 — publié le 19831223

La présente invention concerne un câble élec- trique et plus précisément un câble destiné à supporter des conditions extrêmement sévères, par exemple dans des puits de pétrole. Les câbles électriques qui sont utilisés dans les puits de pétrole doivent pouvoir résister,tout en fonc- tionnant de manière satisfaisante, à des conditions ex- trêmement sévères de températureset de contraintesméca- niques Les températures régnant dans les puits sont souvent élevées et les pertes par effet Joule dans le câble lui- même augmentent encore la chaleur ambiante La durée d'uti- lisation d'un câble varie, de manière connue, en fonction inverse de la température à laquelle il fonctionne Il est donc important que la chaleur puisse être retirée du câble lorsqu'il se trouve dans ces conditions de fonc- tionnement. Les câbles sont soumis à des contraintes méca- niques de plusieurs manières On fixe couramment des câbles à des tuyauteries de pompage d'huile afin qu'ils soient introduits dans un puits, à l'aide de bandes qui peuvent écraser les câbles et les écrasent en réalité et réduisent ainsi sérieusement l'efficacité de l'isolement du câble et sa résistance mécanique Les câbles sont aussi soumis à des forces de tension axiale et à des forces latérales de choc en cours d'utilisation. Il est donc classique de munir de tels câbles d'un blindage métallique externe et d'entourer les conduc- teurs individuels de couches de matériaux choisis afin qu'ils accroissent les caractéristiques d'isolement et de résistance mécanique du câble, mais ces précautions ne suffisent pas parfois à assurer la protection néces- saire. Un problème supplémentaire est dû aux pressions régnant dans les forages et qui peuvent atteindre des di- zaines ou des centaines de bars, les câbles étant soumis à ces pressions Par exemple, l'isolement entourant les conducteurs dans un câble comporte des micropores dans lesquels du gaz est chassé à ces pressions élevées lors- qu'elles règnent un certain temps Lorsque le câble est ensuite extrait rapidement du puits, la pression interne des pores n'a pas un temps suffisant pour diminuer sous l'action des fluides En conséquence, l'isolement a ten- dance à se dilater comme un ballon et peut se rompre si bien que le câble devient alors inutilisable. La demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n O 291 125 déposée le 7 août 1982 par David H Neuroth crée une structure de câble convenant particulièrement bien dans des conditions extrêmement sévères de ce type. La structure protège le câble contre les forces de com- pression et assure la dissipation de la chaleur du câble, selon une caractéristique importante dans des conditions de fonctionnement à température élevée, pour des raisons indiquées dans cette demande. Cette demande indique aussi que la structure protectrice du câble comporte un ou plusieurs organes al- longés de support qui ont une forme correspondant à un conducteur isolé formant le câble, ces organes de support étant placés parallèlement à un tel conducteur et près de celui-ci Les organes ont une section rigide afin qu'ils résistent aux forces de compression qui pourraient être encais- sées par les conducteurs du câble Dans des applications qui nécessitent l'installation du câble avec des plis de grand rayon,le support allongé peut avoir une rangée de fentes espacées disposées perpendiculairement à un bord de l'organe de support et pénétrant dans le corps de cet organe afin que la rigidité de la section de l'organe soit réduite dans les zones fendues et que le support ait une certaine souplesse permettant une flexion autour de son axe longitudinal, avec un rayon important. Dans certaines applications, il peut être avan- tageux que l'enveloppe isolante de l'électricité formée sur un conducteur d'un câble ne soit pas directement au contact des orifices formant les fentes En effet, ces orifices formés dans l'organe de support peuvent permettre à des matières très corrosives d'avoir accès à la compo- sition de l'enveloppe par écoulement vers l'intérieur, par les fentes En outre, les coins formés par les fentes peuvent découper l'enveloppe du câble placée au-dessus ou l'user, lorsque le câble subit des flexions répétées. L'invention concerne une structure de protec- tion de câble qui comporte un organe allongé de support qui peut fléchir et qui est destiné à protéger une couche sous-jacente d'isolement d'un conducteur contre les forces de compression et l'abrasion, à la suite de la flexion de l'organe. L'invention concerne aussi une structure pro- tectrice allongée de câble qui est un ensemble composite comprenant une partie externe qui peut fléchir et qui est formée de plusieurs tronçons raccordés de section rigide destinés à protéger un conducteur sous-jacent contre les forces de compression, et un élément interne destiné à protéger le conducteur contre le contact abrasif avec les tronçons qui résistent à la compression. L'invention concerne aussi une structure protec- trice allongée et pouvant fléchir, destinée à un câble et qui comprend un ensemble composite en deux parties, un canal externe de section rigide destiné à protéger les conducteurs internes du câble contre les forces de com- pression appliquées transversalement et destiné à fléchir autour de son axe longitudinal, et un revêtement interne qui peut fléchir avec le canal extérieur et qui est des- tiné à protéger l'isolement placé sur les conducteurs con- tre l'abrasion et/ou les conditions sévères ou produits chimiques corrosifs. Elle concerne aussi une structure composite de protection de câble, ayant les propriétés indiquées pré- cédemment et destinée à être utilisée dans des puits de pétrole, cette structure étant conductrice de la chaleur afin qu'elle dissipe la chaleur reçue par le câble dans de telles conditions. Elle concerne aussi une structure de protection de câble électrique, logée dans l'enveloppe protectrice du câble et qui est formée d'un ensemble de deux éléments afin que la fabrication de la structure protectrice soit simplifiée. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure t est une perspective partielle avec des parties arrachées d'un tronçon de câble réalisé selon l'invention, la figure représentant une partie de bout après enlèvement de l'enveloppe protectrice externe; la figure 2 est une élévation latérale de la -partie d'extrémité du câble de la figure 1, dans la di- rection de la flèche 2; la figure 3 est une coupe d'un organe en forme de canal résistant à la compression destiné à être utilisé dans le câble selon l'invention, suivant la ligne 3-3 de la figure 2; la figure 4 est une coupe d'un revêtement de l'intérieur de l'organe résistant à la compression repré- senté sur la figure 3; et la figure 5 est une coupe transversale d'un organe composite résistant à la compression monté sur un conducteur d'un câble isolé, en coupe suivant la ligne 5-5 de la figure 2. La figure 1 représente un mode de réalisation d'un câble réalisé selon l'invention et qui convient par- ticulièrement bien dans un forage ou un puits de pétrole. Le câble 10 représenté comporte une enveloppe protectrice métallique externe 11 qui entoure et enferme plusieurs conducteurs individuellement isolés 12, 13 et 14 Dans les applications d'utilisation dans un trou de forage, les conducteurs sont disposés de manière que leurs axes centraux soient parallèles et pratiquement dans le même plan afin que le câble ait une forme aplatieavantageuse. L'enveloppe 11 est par exemple formée d'ondu- lations métalliques enroulées autour des conducteurs 12, 13 et 14 sous forme d'une hélice Les conducteurs juxta- posés ont une longueur considérable le cas échéant, seul un très court tronçon de câble étant représenté sur la figure 1 Quatre organes de support 15, 16, 17 et 18 sont placés entre les conducteurs isolés et chacun d'eux est allongé et est disposé parallèlement aux conducteurs. Les organes 15, 16, 17 et 18 de support sont formés d'unl matériau dont la section est très rigide et qui est choisi afin qu'il possède de bonnes propriétés de conductibilité thermique, plus précisément une conduc- tibilité thermique au moins supérieure à celle de l'isole- ment des conducteurs Les compositions à base de carbone chargées de fibres conviennent à cet effet et possèdent aus- si une bonne résistance à la compression Des métaux tels que l'acier et l'aluminium conviennent aussi à cet effet, de même que les matières polymères durcissablescontenant une charge métallique. Un canal 20 destiné à former chacun des organes de support 15, 16, 17 et 18 peut être poinçonné dans une seule bande continue d'un canal en U, tous les tronçons de canal 20 ayant pratiquement la même dimension et la même configuration en coupe En conséquence, on ne décrit que le canal 20 d'un organe de support, l'organe 15, dont la nature et l'application correspondent à celles des or- ganes de support 16, 17 et 18. Le canal 20 a essentiellement une forme en U, en coupe, et est formé par des branches supérieure et in- férieure 21 et 22 qui sont pratiquement plates, parallèles l'une à l'autre et horizontales comme indiqué sur la fi- gure 2, afin qu'elles correspondent aux faces supérieure et inférieure plates de l'enveloppe métallique 11 Les branches latérales des organes de support sont reliées par une barre verticale rigide 23 qui a une longueur lé- gèrement supérieure à la somme du diamètre du conducteur et d'une ou plusieurs couches de revêtement assurant l'isole- ment On note que la configuration du support, en coupe, est pratiquement celle d'un canal en U, les branches 21 et 22 étant disposées à peu près jusqu'au centre du con- ducteur adjacent placé en face de la configuration en U du canal En conséquence, les branches 21 et 22 partent de la barre 23 de raccordement et rejoignent les deux cô- tés du conducteur sur une distance qui est à peu près égale au rayon maximum du conducteur augmenté de son re- vêtement d'isolement Les forces d'écrasement appliquées à l'enveloppe 11, surtout en direction perpendiculaire à l'axe longitudinal du câble 10, sont encaissées par les canaux 20 qui ont une section rigide et les détériorations de l'isolement du conducteur sous l'action de telles for- ces sont ainsi supprimées ou au moins réduites au minimum. De cette manière, lorsque le câble est fixé à un élément tel qu'ue tige d'un puits de pétrole ou un moteur de pom- page de pétrole, par des bandes ou des lanières, une dis- position qui provoque souvent l'écrasement d'un câble, la bande est en appui contre l'extérieur de l'enveloppe 11 et les organes rigides 15, 16, 17 et 18 de support em- pêchent toute détérioration. Les canaux 20 des organes de support 15, 16, 17 et 18, bien qu'ils soient très rigides et résistent à la compression en direction perpendiculaire à l'axe lon- gitudinal du câble 10, doivent aussi présenter une cer- taine élasticité et une certaine souplesse bidirectionnel- les permettant au câble de suivre des trajets ayant des coudes de grand rayon, comme cela est nécessaire lors de la mise en place du câble à une position d'utilisation. L'opération peut être permise par une première rangée de fentes 30 dirigées vers l'intérieur dans chacune des bran- ches 21 et perpendiculairement à la barre 21 de raccor- dement, les fentes aboutissant à peu près aux coudes formés par le raccord de la barre 23 et de la branche opposée 22 Les fentes 30 sont réparties de façon pratiquement uniforme dans la direction longitudinale du canal et di- visent donc celui-ci en une succession de segments indi- viduels raccordés de manière souple Une seconde rangée de fentes opposées 31 est disposée longitudinalement et 252900 ? en alternance entre les fentes 30, ces fentes 31 étant perpendiculaires au corps de chaque canal 20 et partant de chaque branche 22 jusqu'aux coudes de raccordement de la branche 21 et de la barre 23 Les fentes 31 sont aussi réparties de façon sensiblement uniforme dans la direc- tion longitudinale et sont placées à peu près à mi-distance entre les fentes 30 Ainsi, les fentes 30 et 31 sont di- rigées vers l'intérieur, en alternance à partir des bran- ches 21 et 22 et donnent une plus grande souplesse bidi- rectionnelle aux canaux 20 dans le plan principal de flexion du câble, c'est-à-dire dans un plan perpendiculaire au plan passant par les centres des conducteurs juxtaposés 12, 13 et 14 Lorsqu'elle est disposée dans un câble, la structure résultante 20 formée par les segments alternés raccordés de manière souple a un aspect analogue à celui qui est représenté sur la figure 1. Bien que les fentes donnent une certaine souplesse aux canaux, les bords nets formés dans les canaux 20 par les fentes peu- vent provoquer une usure de l'isolement électrique des conducteurs 12, 13 et 14 qui sont entourés au moins en partie parles ca- naux 20 des organes 15, 16, 17 et 18 de support, lorsque ces organes subissent des flexions répétées Comme l'in- diquent les figures 1 et 5, chacun des conducteurs 12, 13 et 14 qui peut être sous forme d'un conducteur métal- lique plein ou tressé, est recouvert d'un ou plusieurs couches ou revêtements concentriques d'isolement électri- que convenable, deux de ces couches étant représentées -et répérées par les références 34 et 35 Ces revêtements isolants sont formés par exemple à base de constituants de caoutchouc ou de matière plastique qui sont relati - vement mous et dont les surfaces peuvent donc être coupées ou usées par frottement ou par un autre contact direct avec des surfaces plus dures Toute coupe ou toute usure de l'isolement des conducteurs de ce type peut dégrader sérieusement ses caractéristiques de revêtement de d'iso- lement. Les fentes 30 et 31 découpées dans les canaux peuvent former des bords nets, des bavures et des coins à l'intérieur des canaux 20, qui peuvent user la couche plus molle 35 d'isolement placée en contact immédiat avec un canal 20, surtout lorsque ce dernier est formé d'acier ou d'aluminium. Un revêtement allongé, destiné à empêcher une telle usure, est disposé dans le U formé par le canal 20. Les revêtements dont l'un est répéré par la référence 40 sur les figures 4 et 5, ont dessurfaces opposées sensi- blement plates 43 et 44 qui sont en butée contre les fa- ces internes des branches 21 et 22 et de la barre 23 com- me indiqué sur les figures 1 et 5 Une surface latérale semi-circulaire 45 est formée sur le revêtement afin qu'elle corresponde à la couche externe cylindrique 34 de l'isolement sous-jacent Chaque revêtement 40 est suf- fisamment continu pour qu'il relie les coins internes et les bords formés par les fentes 30 et 31, mettant ainsi ces bords à distance afin qu'ils ne soient pas en contact direct avec l'isolement porté par l'âme conductrice pla- cée au-dessous. Les revêtements protecteurs 40 ont de préfé- rence une certaine souplesse afin qu'ils fléchissent en arc de courbe en même temps que le canal 20 placé au- dessus, en direction sensiblement perpendiculaire au plan principal de flexion ou à l'axe longitudinal du câble 10. Dans les applications aux puits de pétrole, les revête- ments 40 sont de préférence formés d'une matière qui a une bonne conductibilité thermique afin que la chaleur appliquée au câble 10 dans de telles conditions puisse être dissipée La matière du revêtement doit être rela- tivement lisse afin qu'elle glisse sur l'enveloppe iso- lante externe 35, surtout pendant la flexion de celle- ci Une matière métallique qui convient pour les revê- tement est le plomb qui a une surface lisse qui facilite le glissement sur les couches élastiques d'isolement, tout en possédant une bonne conductibilité thermique D'autres matériaux métalliques ou non qui conviennent peuvent aussi être utilisés pour la formation des revêtements Ceux- ci assurent aussi une protection de l'isolement des con- ducteurs car ils empêchent le contact avec des produits chimiques corrosifs pouvant attaquer l'isolement Le con- ducteur central 13 du câble représenté sur la figure 1 est particulièrement bien protégé puisqu'il est placé en regard des bords presque jointifs des surfaces concaves de deux revêtements qui sont placés dans deux organes de support 16 et 17 placés l'un en face de l'autre. La formation de chacun des organes de support , 16, 17 et 18 sous forme d'un organe composite com- prenant un canal 20 et un élément de revêtement 40 qui peut être introduit dans le canal 20, facilite beaucoup la fabrication des organes composites de support Comme les canaux 20, les revêtements individuels 40 peuvent être fabriqués par découpe à la longueur voulue dans un tron- çon continu plus long d'une bande de matière de revêtement ayant une dimension et une configuration convenables. Les revêtements 40 peuvent être montés à demeure dans les canaux respectifs 20 simplement par formation d'ondulations, par amorce de perçage ou par coincement contre de petites surfaces des branches opposées 21 et 22 des canaux 20, ayant des pointes ou saillies 46 qui dépassent vers l'intérieur Les pointes 46 en regard coo- pèrent au serrage entre elles des faces supérieure et in- férieure 43 et 44 des revêtements 40 introduits à force dans les canaux associés, les surfaces concaves 45 étant tournées du même côté que l'intérieur du canal en U. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ces éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Câble électrique, caractérisé en ce qu'il com- prend plusieurs conducteurs électriques allongés et isolés ( 12, 13, 14) disposés dans un plan et sensiblement parallèles les uns aux autres, une enveloppe externe ( 11) entourant les con- ducteurs afin que l'ensemble forme un câble, un premier organe allongé des conducteurs, parallèle à celui-ci et destiné à s'op- poser aux forces appliquées à l'enveloppe en direction sensiblement perpendiculaire au plan contenant les conduc- teurs, ce premier organe ayant une première et une seconde branche et une barre ( 21, 22, 23), la première branche étant raccordée à la barre et en dépassant près d'une sur- face du conducteur, la barre ayant une plus faible com- pressibilité dans la direction perpendiculaire que l'iso- lement du conducteur qui est adjacent, et un second organe allongé ( 40) monté sur le pre- mier organe entre la première branche et le conducteur, le premier organe ( 20) ayant plusieurs fentes ( 30, 31) distantes longitudinalement, dirigées vers l'in- térieur de la première branche et destinées à faciliter la flexion de la barre, le second organe recouvrant les fentes de la première branche afin que l'isolement du con- ducteur soit protégé. 2 Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première et la seconde branche ( 21, 22) sont sensiblement parallèles, et les fentes ( 30, 31) sont for- mées dans la première et dans la seconde branche. 3 Câble selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fentes ( 30, 31) sont dirigées vers l'inté- rieur et en alternance par rapport à la première et à la seconde branche ( 21, 22). 4 Câble selon la revendication 3, caractérisé en ce que les fentes ( 30, 31) sont dirigées vers l'in- térieur au moins jusqu'au centre de la barre, près de la seconde ou de la première branche. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier organe ( 20) est formé d'une matière rigide. 6 Câble selon la revendication 5, caractérisé en ce que la matière rigide du premier organe ( 20) a une bonne conductibilité thermique. 7 Câble selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le second organe ( 40) a une sur- face concave tournée vers le conducteur ( 8). 8 Câble selon la revendication 7, caractérisé en ce que la surface concave est lisse et continue sur une longueur importante du premier organe ( 20). 9 Câble selon la revendication 8, caractérisé en ce que le second organe ( 40) est formé d'une matière ayant une certaine souplesse afin qu'elle puisse flé- chir dans ledit plan d'une manière sensiblement égale au fléchissement du premier organe ( 20). Câble selon la revendication 9, caractérisé en ce que le second organe ( 40) est formé d'une matière possédant une bonne conductibilité thermique.