Brevet FR2537769A1 — publié le 19840615

La présente invention concerne un câble des- tiné à être utilisé dans des conditions très sévères et plus précisément un câble plat destiné à transmettre de l'énergie électrique à des pompes immergées de puits de pétrole. Les câbles électriques qui sont utilisés pour la transmission d'énergie électrique aux pompes immergées des puits de pétrole doivent pouvoir supporter des condi- tionsextrêmement sévères de température et de contraintes mécaniques et doivent fonctionner de manière satisfaisante dans ces conditions Dans les puits de pétrole, les -em- pératures ambiantes sont souvent élevées et les pertes dans le câble luimême par effet Joule augmentent encore la quantité de chaleur ambiante, La durée de service d'un câble est, de manière connue, inversement proportionnelle à la température à laquelle il est utilisé Ainsi, il est important que la chaleur du câble puisse être retirée lorsqu'il se trouve dans ces conditions très sévères de fonctionnements De tels câbles subissent des contraintes méca- niques de plusieurs manières On fixe couramment les câbles au bottier de la pompe électrique immergée ou à la colon- ne de production du puits de pétrole à l'aide de bandes ou languettes qui peuvent écraser les câbles et ainsi réduire sérieurement l'efficacité de l'isolement et la résistance mécanique du câble, Des câbles peuvent aussi être soumis à des détériorations par chocs pendant la mise en place et sous l'action des charges élevées de compression pendant et après la mise en place, surtout lorsque le câble est introduit dans des puits qui n'ont pas des forages parfaitement rectilignes. On munitdonc habituellement ces câbles d'une armature métallique externe et entoure les conducteurs individuels dans des couches de matériaux choisis afin qu'ils accroissent les caractéristiques de résistance mécanique du câble, mais certains précautions ne convien- nent parfois pas à la protection nécessaire. 2537769 i Un autre problème est dû aux pressions ré- gnant au fond des sondages et auxquelles les câbles sont soumis, ces pressions pouvant atteindre des dizaines et des centaines de bars Par exemple, l'isolement entourant les conducteurs dans un câble contient des micropores dans lesquels le gaz est chassé à ces pressions élevées, au cours du temps Lorsque le câble est ensuite retiré assez vite du puits, la pression interne des pores n'a pas le temps de se dissiper A cause de cette décompres- sion,7 î'isolement a tendance à se dilater vers l'extérieur comme un ballon et peut se rompre, si bien que le câble est affaibli ou inutilisable ensuite- La demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n 291 125, déposée le 7 ao-ût 1982, décrit une structure de câble qui convient particulièrement bien aux applica- tions dans des conditions extrêmement sévères La struc- ture protège le câble contre les forces de compression dirigées vers l'intérieur et assure la dissipation de chaleur du câble, selon une caractéristique importante dans les conditions de travail à température élevée, pour les raisons indiquées, et donne aussi une résistance à la dilatation de 1 Jisolement par décompression. Comme décrit dans la demande précitée de bre- vet des Etats-Unis d'Amérique, la structure protectrice du câble comporte un ou plusieurs organes allongés résis- tant aux forces et disposés parallèlement au conducteur isolé du câble et près de celui-ci Les organes ont une section rigide afin qu'ils résistent aux forces de com- pression qui devraient être autrement encaissées par les conducteurs du câble, Dans les applications nécessitant -que le câble forme des coudes de grand rayon lors de l'uti- lisation, le support allongé peut comporter une rangée de fentes espacées perpendiculairesà un -bord de l'organe, dans le corps de celui-ci, et destinéesà réduire la rigidité de la section de l'organe dans les zones fendues afin que le support ait une certaine souplesse permettant la formation de coudes de grand rayon par rapport à son axe 2537769 i longitudinal. Comme décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique no 390 308 déposée le 21 juin 1982, dans certaines applications, il peut être préférable que la gaine isolante de l'électricité, formée sur le conduc-. teur du câble, ne soit pas directement au contact-des ouvertures des fentes En effet, les ouvertures formées par les fentes dans l'organe de support peuvent permettre l'accès à la composition de la gaine des matériaux très corrosifs qui peuplent s'écouler vers l'intérieur par les fentes En outre, les coins formés par les fentes peuvent découper la gaine sous-jacente du câble ou l'user lorsque le câble subit des flexions répétées. La structure protectrice de câble décrite dans cette dernière demande de brevet est constituée d'une structure composite qui met en oeuvre un organe allongé destiné à résister aux forces et ayant une bonne conducti- bilité thermique, placé contre la gaine conductrice formant l'isolement Cet organe comporte un organe dont la section est en U Un revêtement, lisse et souple peut être monté dans l'organe en U en face de l'isolement du conducteur adjacent afin que les fentes formées dans l'organe soient recouvertes et protègent ainsi l'isolement sous-jacent contre l'abrasion par les bords des fentes au cours de la flexion de l'organe en U L'armature ou enveloppe ex- terne, les revêtements et les organes en U ont tous pour fonction de protéger l'isolement des conducteurs et en conséquence le câble contre les détériorations dues aux forces de compression, aux chocs et à la dilatation par décompression. On peut obtenir une résistance supplémentaire aux forces de compression avec un câble réalisé selon les demandes de brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 429 530 et 429 781, déposées le 30 septembre 1982. Dans certaines applications et notamment les applications dans les puits de pétrole, le câble doit pouvoir être introduit et retiré axialement par un espace 2537769 j libre formé entre la paroi interne circulaire du tubage du puits et la surface externe de la colonne de production, un boîtier de pompe électrique immergée ou une autre struc- ture à laquelle le câble est fixé Par exemple, le câble est monté à la surface externe d'une pompe centrifuge et en conséquence il dépasse à l'extérieur du boîtier de la pompe et constitue ainsi un obstacle potentiel au montage convenable dans le tubage du puits En outre, plus le câble a une section épaisse et plus la section que là pompe doit avoir pour pénétrer dans le tubage de section donnée est petite Les pompes centrifuges de type électrique sont cependant plus efficaces lorsqu'elles ont un grand diamètre si bien qu'il est préférable que l'épaisseur de la section du câble associé soit aussi faible que possible afin que l'utilisateur puisse utiliser la pompe la plus efficace Comme ces structures ont des formes cylindriques en général, l'espace libre délimité entre elles a essentiellement une section annulaire puis- qu'il est délimité par deux surfaces pratiquement circu- laires de rayons différents. Comme indiqué précédemment, dans ces applica- tions, le câble est soumis à des pressions et des tempéra- tures très élevées, à des forces importantes de compres- sion régnant dans le puits et à des chocs pendant le mon- tage, dus par exemple à des marteaux ou à d'autres outils. Il est donc souhaitable d'utiliser les câbles décrits dans les demandes précitées de brevet des Etats-Unis d'Amérique et il est en outre souhaitable que l'épaisseur efficace du câble soit réduite afin que les possibilités de coincement ou de blocage contre le tubage pendant l'in- troduction ou le retrait de l'appareillage auquel le câble est fixé soient réduites. Selon l'invention, le câble blindé est formé de manière que sa section soit courbe et corresponde à la courbure de la surface sur laquelle il est monté. l'épaisseur efficace du câble est-ainsi réduite puisqu'il se conforme à l'espace annulaire disponible entre la-paroi du puits et la structure cylindrique placée à l'intérieur donnant ainsi un avantage maximal. L'invention concerne un câble électrique plat dont la forme en coupe correspond à la configuration cir- culaire en coupe d'un trou ou espace dans lequel le câble est utilisé. Elle concerne aussi un câble électrique blindé dont la section a une configuration courbe et qui convient particulièrement bien aux puits de pétrole. Elle concerne aussi une structure de câble électrique blindé ayant une section de forme courbe, des- tinée à être utilisée dans des puits de pétrole et compre- nant un dispositif qui résiste aux diverses forces de rupture subies dans ces applications. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, fait en référence au dessin annexé sur lequel i la figure 1 est une perspective partielle avec des parties arrachées d'un tronçon de câble réalisé selon l'invention, avec une partie d'un bottier ou d'une autre structure de configuration générale cylindrique, auquel le câble est par exemple fixé, l'extrémité du câble étant représentée après enlèvement d'une enveloppe protec- trice externe la figure 2 est une coupe transversale du câble suivant la ligne 2-2 de la-figure 1, la structure placée au-dessous sur la figure 1 étant supprimée; et la figure 3 est une vue de bout d'un exemple d'organe résistant aux forces, destiné à protéger l'isole- ment des conducteurs individuels du câble. La figure 1 représente un premier mod E'de réalisation d'un câble 10 réalisé selon l'invention et convenant particulièrement bien aux applications dans les puits de pétrole Dans ces applications, le câble doit pouvoir être introduit et retiré axialement dans un espace libre formé entre la paroi circulaire interne du tubage du puits et la surface externe de la colonne 2537769 i de production du puits, un boîtier de pompe électrique immergée ou une autre structure à laquelle le câble est fixé Comme ces structures ont le plus souvent des sur- faces courbes ou plus précisément des surfaces cylindri- que, l'espace laissé libre est essentiellement de sec- -* tion annulaire car il est délimité par deux surfaces cy- lindriques pratiquement concentriques et de diamètres différents. Comme indiqué précédemment, dans ces applica- tion, le câble est soumis à des pressions et des tempéra- tures très élevées, ainsi qu'à des forces de compression très sévères dans le:puits et à des chocs pendant le mon- tage, par exemple dus à des marteaux ou d'autres outils. Le câble 10 comporte une enveloppe protectrice métallique 11 qui entoure et enferme plusieurs fils métal- liques ou conducteurs distants 12, 13 et 14 qui sont isolés individuellement Les conducteurs sont disposés de manière que leurs axes centraux se trouvent sur une surface courbe parallèle à la surface cylindrique de la structure 30 placée sous le câble afin que le câble ait une section de configuration légèrement courbe, nécessaire à la mise en place dans l'sspace annulaire délimité entre le tubage du puits et la structure 30 sur laquelle le câble est lié Sur la figure 1, une partie seulement de la struc- ture 30 est représentée,mais il faut noter que, dans son ensemble, la structure peut être le boîtier extérieur d'une pompe de puits de pétrole ou le moteur électrique d'entraînement de la pompe, une colonne cylindrique de production d'un puits de pétrole allant de la pompe à la surface, ou toute autre structure ayant une surface sensiblement cylindrique sur laquelle le câble doit être monté. La gaine ou enveloppe 11 est par exemple for- *mée d'un feuillard d'acier 11 ayant, en coupe, une forme en Z qui est enroulé autour des conducteurs 12, 13 et 1-4, sous forme hélicoïdale avec recouvrement des spires afin que l'ensemble forme une gaine blindée et imbriquée. 2537769 j Les conducteurs juxtaposés ont une longueur considérable, de la dimension nécessaire, et il faut noter que seul un très court tronçon du câble est représenté sur la fi- gure 1 Les conducteurs 12, 13 et 14 sont recouverts chacun d'une ou plusieurs couches d'isolement électrique, deux couches étant représentées, comme indiqué par les référen- ces numériques 15, 16 et 17 pour les-différents conduc- teurs. Il faut noter que l'isolement utilisé dans ces conducteurs a une fonction plus élaborée que celle d'une ou plusieurs couches d'une matière formant une bar- rière chimique et/ou un isolant électrique Normalement, dans les conditions régnant dans un puits de pétrole, un câble de pompe comprend un isolement qui est un ensem- ble de couches de matériaux isolés de différents-types, donnant les propriétés diélectriques voulues ainsi que la résistance voulue aux diverses réactions chimiques subies, avec une activité accélérée dans ces conditions de température et pression élevées, ces matériaux isolants pouvant être retenus par des tresses et/ou des rubans d'un métal ou d'une autre matière convenable ou pouvant être protégés mécaniquement d'une autre manière par de telles tresses et/ou rubans Cependant, le système de recouvrement mécanique et isolant ne fait pas lui-même partie de la présente invention, il est classique et on ne le décrit donc pas plus en détail dans le présent mé- moire. Les conducteurs isolés sont séparés les uhs des autres latéralement d'une manière suffisante pour qu'il reste entre eux un espace qui loge latéralement un organe 20 destiné à résister aux forces Chacun des organes 20 est aussi allongé et est placé parallèlement aux- conducteurs Les organes 20 sont formés d'un matériau dont la section est pratiquement rigide et qui est choisi afin qu'il possède de bonnes propriétés de conductibilité thermique, c'est-à-dire une conductibilité thermique au moins supérieure à celle de l'isolement des conducteurs. 2537769 i Des compositions à base de carbone, chargées de fibres, conviennent à cet effet et possèdent aussi une bonne ré- sistance à la compression Les métaux tels que l'acier ou l'aluminium conviennent aussi-à cet effet, de même que les matières polymères durcissables ayant une charge métallique, et éventuellement des matières thermoplasti- ques extrudées telles que le "Nylon". Bien que le câble représenté sur le dessin possède trois conducteurs, il est évident qu'il peut en comprendre un nombre différent, et que le nombre d'organes capables d'encaisser les forces est habituellement inférieur d'une unité au nombre de conducteurs. Etant donné que l'organe 20 est très rigide et résiste bien à la compression dans la direction des forces de compression appliquées en directions sensible- ment perpendiculaires au plan principal du câble 10, une plus grande souplesse peut être nécessaire afin que le câble puisse suivre des coudes de grand raycn, comme cela peut être nécessaire lors du montage à un emplacement d'utilisation. Cette plus grande souplesse est obtenue par exemple, lorsque cela est nécessaire, par plusieurs fentes distantes longitudinalement 22 dirigées vers l'intérieur ou vers le bas comme représenté sur la figure à partir de la face supérieure 26 de chaque organe 20 et se termi- nant à peu près à mi-chemin ou plus dans cet organe 20- Les fentes 22 ont un espacement pratiquement uniforme en direction longitudinale par rapport à l'organe 20- Des fentes 23, dirigées vers l'intérieur et vers le haut dans le corps de l'organe 20 à partir de sa face infé- rieure 27 sont espacées longitudinalement entre les fentes 22 Les fentes 23 sont aussi espacées de manière sensi- blement uniforme en direction longitudinale et se trouvent à peu près à mi-distance entre les fentes 22 Ainsi, les fentes 22, 23 sont dirigées vers l'intérieur en alternance à partir des faces supérieure et inférieure 26 et 27 res- pectivement et elles donnent une grande souplesse à l'organe Lors du montage dans le câble, la structure obtenue a un aspect analogue à celui qui est indiqué sur la fi- gure 1. Comme peuvent le noter les hommes du métier, les organes 20 peuvent être formés par extrusion, moulage ou par d'autres procédés, puis par découpe lorsqu'une grande souplesse est nécessaire afin que les fentes soient formées notamment lorsque les organes sont extrudés Cha- que organe 20 a des surfaces supérieure et inférieure qui sont sensiblement plates si bien qu'elles prennent une forme correspondant aux parties latérales interne et externe et sensiblement parallèles 24 A et 24 B, c'est- à-dire des parties supérieure et inférieure de la gaine 11, et les bords longitudinaux des organes 20 peuvent avoir une forme semi-circulaire afin qu 'elle corresponde plus étroitement aux configurations des surfaces périphé- riques en regard de l'isolement des conducteurs isolés adjacents Les quatre coins 28 des organes 20 sont légère- ment arrondis, par exemple par formation d'un chanfrein, afin que les coins 28 ne se cassent pas lorsque le câble est plié avec une configuration légèrement courbe en coupe. Les forces d'écrasement exercées sur l'extérieur du câble rencontrent les organes 20 et la détérioration du câble par ces forces est ainsi évitée ou au moins réduite au minimum. Dans-une variante, la partie intérieure des éléments de l'enveloppe du câble peut avoir l'une quelcon- que des formes décrites dans les demandes précitées de brevet des Etats-Unis d'Amérique. Le câble 10, lorsqu'il doit être mis à la forme voulue légèrement courbe, est formé initialement à plat puis étiré dans des filières de mise en forme de courbure convenable qui provoquent un pliage de la gaine de blindage en direction transversale, avec une courbure qui est pratiquement égale à celle de la structuré contre laquelle le câble doit être monté Comme le blindage est formé d'un métal, la gaine garde la forme courbe voulue 2537769 i lorsqu'elle a quitté les filières. Le rayon R de l'arc de cercle interne délimi- tant la surface interne de la partie latérale 24 A du blin- dage 11 est par exemple égal sensiblement à la distance radiale comprise entre l'axe central et la partie de sur- face cylindrique externe de la surface sous-jacente 30 de support Le rayon R' de la partie latérale externe 24 B est par exemple-égal au rayon R de la partie latérale interne 24 A augmenté de l'épaisseur radiale T du câble. J 0 Cettedimension T est déterminée-par le diamètre externe des conducteurs isolés augmenté de l'épaisseur radiale totale des deux parties latérales 24 A et 24 B Le rayon R'.doit être inférieur au rayon de la paroi interne du tubage du puits de pétrole afin-que le câble puisse être T 5 placé sans obstacle dans le trou formé alors qu'il est fixé à la structure de support 30 Dans ce cas, la dimen- sion T du câble doit être inférieure à la dimension radiale de l'espace annulaire compris entre la structure de support et la paroi interne du tubage Comme la section du câble 1 T 0 a une forme courbe, la distance comprise entre la partie latérale externe 24 B du câble 10 et la surface cylindrique sous-jacente de support reste pratiquement constante Si le câble avait une section rectiligne, il serait tangent à-une surface cylindrique de support si bien que ses bords s'écarteraient plus dans l'espace annulaire disponible En conséquence, les bords risqueraient d'être en butée contre la surface interne en regard du tubage ou de s'accrocher à cette surface - L'aptitude du câble selon l'invention a corres- pondre étroitement à la forme de la surface de support est une caractéristique particulièrement importante lors- que le câble est utilisé pour l'alimentation en courant électrique des pompes centrifuges directement entraînées par des moteurs électriques ayant des bornes électriques auxquelles les conducteurs du câble sont raccordés Dans cette application, les tolérances permises-latéralement 2537769 ô entre le boîtier de la pompe et le tubage du puits, en direction radiale, sont souvent minimales car, pour-des raisons de rentabilité, il est avantageux que le diamètre de la pompe soit aussi grand que possible Le câble 10 donne donc à l'utilisateur l'avantage de lui permettre l'emploi d'une pompe immergée plus grande et de meilleur rendement. 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 ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Câble électrique, caractérisé en ce qu'il com- prend plusieurs conducteurs rigides isolés ( 12, 13, 14) ayant des axes longitudinaux sensiblement parallèles, les conducteurs isolés étant distants latéralement les uns des autres, et une enveloppe ( 11) recouvrant les conducteurs, rigide en coupe et comprenant des parties opposées de bord et-des parties latérales opposées, les parties latérales de l'enveloppe ayant une forme courbe en coupe. 2 Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que les centres des conducteurs ( 12, 13, 14) sont disposés sur une surface courbe, et les parties latérales de l'enveloppe ( 11), entre les conducteurs, sont sur des surfaces sensiblement parallèles à la surface courbe. 3 Câble selon-la revendication 2, caractérisé en ce qu'une couche ( 15, 16, 17) d'isolement électrique recouvre chacun des conducteurs ( 12, 13, 14), les couches étant séparées les unes des autres en direction parallèle à la surface courbe. 4 Câble selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'enveloppe est formée de spires métalliques. Câble selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un organe rigide ( 20) résistant aux forces, placé dans l'enveloppe ( 11) et entre les conducteurs isolés et espacés ( 12, 13, 14) et parallèlement à ceux-ci, ledit organe ( 20) étant disposé à l'intérieur de l'enveloppe pratiquement d'un côté à l'autre. 6 Câble selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un organe ( 20) résistant aux forces au moins est formé d'un matériau rigide. 7 Câble selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'organe au moins ( 20) résistant aux forces est formé d'un métal. 8 Câble selon la revendication 5, caractérisé en ce que les conducteurs ( 12, 13, 14) sont placés côte à côte, leurs axes centraux étant placés sur une surface courbe, si bien que le câble a deux côtés opposés sensi- blement parallèles et courbes. 9 Câble selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'organe ( 20) résistant aux forces au moins est un corps rigide-sensiblement continu ayant des surfaces inférieure et supérieure sensiblement plates ( 27, 28) adja- centes aux côtés opposés de l'enveloppe. Câble selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit organe ( 20) a plusieurs fentes ( 22, 23) distantes longitudinalement et dirigées en alternance vers l'intérieur à partir des surfaces supérieure et inférieure ( 27, 28) et se terminant à proximité de la surface courbe contenant les axes centraux des conducteurs ( 12, 13, 14).