НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ ДЛЯ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН

Полезная модель относится к резистивным нагревательным кабелям. и может быть включена в комплект оборудования для предупреждения образования асфальто-смоло-парафиновых отложений (АСПО) и снижения вязкости добываемой нефти на нефтедобывающих скважинах со штангово-глубинными насосами (ШГН), а также для подогрева выкидных линий промысловых нефтепроводов.
Известен нагревательный кабель, который содержит общую броню с подушкой под эту броню, три параллельно расположенные внутри брони термоизолированные токопроводящие нагревательные жилы, локальный датчик (первичный преобразователь) температуры, соединительные провода, которые расположены внутри брони параллельно нагревательным жилам и посредством которых датчик соединен с входом регулятора, при этом нагревательные жилы на одном (нижнем) конце кабеля соединены между собой, а другими концами подключены к регулируемому источнику тока, управляющий вход которого соединен с выходом регулятора. (Патент США №5782301, кл. E21B 36/04, опубл. 21.07.1998).
Известен нагревательный кабель, содержащий три нагревательные жилы, защищенные двумя слоями термоизоляции из блоксополимера пропилена с этиленом и слоем обмотки из термостойкого полотна. Кабель также содержит заполняющие жилы, выполненные в виде изолированных медных проволок, уложенные вдоль нагревательных жил. Диаметры заполняющих жил выбраны такими, чтобы их наружные поверхности упирались в соответствующие наружные поверхности нагревательных жил и внутреннюю поверхность подушки под общую броню кабеля. Поверх изолированных нагревательных и заполняющих жил уложена общая обмотка под броню и броня с образованием нагревательных поверхностей. Нагревательные жилы в нижней части кабеля соединены между собой, а другими концами подключены к регулируемому источнику трехфазного тока, управляющий вход которого соединен с выходом регулятора. Заполняющие жилы также в нижней части кабеля соединены между собой, а верхними концами включены в плечо измерительного моста, диагональ измерения которого соединена с входом регулятора. (Патент №2238392, Кл. E21B 36/04, H05B 3/56, опубл. 20.10.2004).
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является нагревательный кабель круглого сечения для нефтяных скважин с полимерной наружной оболочкой, содержащий многопроволочные нагревательные и заполняющие жилы. Нагревательный кабель для нефтяной скважины, содержит термоизолированные токопроводящие нагревательные жилы, выполненные из медной или алюминиевой проволоки и соединенные на одном конце кабеля между собой, а другими концами выполненные с возможностью подключения к регулируемому источнику тока, а также уложенные параллельно термоизолированным токопроводящим нагревательным жилам заполняющие жилы, заключенные в изоляцию и также соединенные на одном конце кабеля между собой, а на другом - выполненные с возможностью подключения к измерительному прибору, кроме того нагревательный кабель снабжен нитями из арамидного волокна, содержит общую изолирующую оболочку нагревательных и заполняющих жил, имеет защитную оболочку. [Патент №132663 от 20.09.2013].
Недостатком известных конструкций нагревательных кабелей для нефтяных скважин являются большой диаметр, вес и ограниченная гибкость (небольшой радиус изгиба), что затрудняет процесс монтажа кабеля в горизонтальных трубопроводах и делает невозможным монтаж кабеля в полых штангах и в межтрубном пространстве скважин с шлангово-глубинным насосами (ШГН).
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение диаметра и веса нагревательного кабеля, а также увеличение его гибкости с достаточной разрывной прочностью, что делает его удобным для монтажа/демонтажа в выкидных линиях промысловых нефтепроводов и на скважинах, оборудованных штангово-глубинными насосами, путем помещения кабеля в полые штанги насоса или межтрубное пространство.
Данный технический результат достигается тем, что нагревательный кабель для нефтяных скважин содержит термоизолированные токопроводящие нагревательные жилы, выполненные из медной или алюминиевой проволоки с возможностью подключения к регулируемому источнику тока и уложенные параллельно термоизолированным токопроводящим нагревательным жилам n-заполняющих жил, заключенных в изоляцию, выполненную из полимера, снабжен нитями из арамидного волокна, содержит общую изолирующую оболочку нагревательных и заполняющих жил, и имеет защитную оболочку, согласно предложенному техническому решению, заполняющие жилы выполнены из арамидных нитей, выполняющих функцию грузонесущего силового элемента в отсутствие металлической брони, а защитная оболочка наложена непосредственно на общую изолирующую оболочку.
Токопроводящие нагревательные жилы могут быть выполнены как однопроволочными, так и многопроволочными.
На Фиг. 1 изображено поперечное сечение нагревательного кабеля переменного тока для выкидных линий и скважин с ШГН состоящий из трех токопроводящих нагревательных жил.
На Фиг. 2 изображено поперечное сечение нагревательного кабеля постоянного тока для выкидных линий и скважин ШГН из восьми токопроводящих нагревательных жил.
2
2
Рассмотрим нагревательный кабель переменного тока в центре которого расположены три токопроводящие нагревательные жилы 1 заключенные в изоляцию 2, выполненную из полимера, например, блок сополимер пропилена с этиленом или других материалов с аналогичными свойствами. Токопроводящие нагревательные жилы 1 могут быть выполнены как однопроволочными, так и многопроволочными из медных проволок суммарным сечением от 1 до 32 мм, например, ММ ТУ 16-705.492 или алюминиевых проволок, например АМ, ГОСТ 6132-79 суммарным сечением от 1,5 до 45 мм. В многопроволочных жилах проволоки скручены между собой. Снаружи на проволоки наложены нити из арамидных волокон 3, например, марки К-49. Кроме того проволоки токопроводящих нагревательных жил могут быть скручены между собой непосредственно с нитями из арамидных волокон. В промежутках между токопроводящими нагревательными жилами 1 и вдоль их уложены n «грузонесущих» заполняющих жил 4, выполненных из арамидных нитей, заключенных в изоляцию, выполненную из полимера, например, блок-сополимер пропилена с этиленом или других материалов с аналогичными свойствами, и выполненные с возможностью подключения к регулируемому источнику переменного тока (на черт, не показано). Сечение «грузонесущих» заполняющих жил, состоящих из арамидных нитей, подбирается по паспортным характеристикам материала таким образом, чтобы разрывное усилие кабеля было в пределах 1000-1500 кг.
«Грузонесущими» согласно ГОСТ 15845-80 «ИЗДЕЛИЯ КАБЕЛЬНЫЕ. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ», в данной полезной модели названы жилы, жгуты, кабель (изделия кабельные) которые помимо своего основного назначения одновременно предназначены для подвески, тяжения, а также многократных спусков, подъемов, удержания на заданной высоте и горизонтального перемещения (буксировки) грузов. На «грузонесущие» заполняющие жилы 4 и токопроводящие жилы 1 наложена общая изолирующая оболочка 5, выполнена из полимера, например, из блок-сополимер пропилена марки 02015-302К. На общую изолирующую оболочку 5 наложена защитная оболочка 6, выполненная из полимера, например, полиэтилена высокой плотности (низкого давления) ГОСТ 16338-85. Нити из арамидных волокон 3 скрученные с нагревательными жилами 1, и «грузонесущие» заполняющие жилы 4 выполняют функции силового элемента, компенсируя тем самым отсутствие проволок брони как в известных конструкциях с «грузонесущей» металлической броней.
Возможно выполнение нагревательного кабеля с одной «грузонесущей» заполняющей жилой 4, помещенной в изоляцию 7, выполненной из арамидных нитей, размещенной в центре кабеля и выполняющую роль «грузонесущего сердечника» кабеля.
2
Изоляция 7 «грузонесущей» заполняющей жилы 4 выполнена из полимера, например, блок-сополимер пропилена с этиленом или других материалов с аналогичными свойствами. На изоляцию 7 «грузонесущей» заполняющей жилы 4 наложены токопроводящие нагревательные жилы 1, выполненные из медной или алюминиевой проволоки каждая сечением от 1,5 до 7 мм. Токопроводящие нагревательные жилы 1 разделены на равные группы «грузонесущими» изолированными жгутами 8, выполненными из арамидных волокон, покрытых изоляцией. На токопроводящие нагревательные жилы 1 и «грузонесущие» изолированные жгуты 3 наложена общая изолирующая оболочка 5, например, из блок-сополимер пропилена марки 02015-302К. На общую изолирующую оболочку 5 наложена защитная наружная оболочка 6, выполненная из полимера, например композиции полиэтилена высокой плотности.
«Грузонесущие» заполняющие жилы 4, и «грузонесущие» разделительные жгуты 3 выполненные из арамидных нитей, обладают высоким значением разрывного усилия и полностью компенсируют отсутствие стальной грузонесущей брони, как в известных конструкциях.
Сборку нагревательного кабеля для нефтяных скважин и выкидных линий осуществляют следующим образом:
Токопроводящие нагревательные жилы 1 скручивают из медных или алюминиевых проволок. Затем на токопроводящие нагревательные жилы накладывают нити из арамидных волокон и покрывают изоляцией 2. В промежутки между токопроводящими нагревательными жилами 1 вдоль токопроводящих нагревательных жил укладывают «грузонесущие» заполняющие жилы 4, покрытые изоляцией. На токопроводящие нагревательные жилы, помещенные в изоляцию 2 и «грузонесущие» заполняющие жилы 4 с изоляцией накладывают общую изолирующую оболочку 5. Далее на общую изолирующую оболочку 5, накладывают защитную наружную оболочку 6, защищающую кабель от контакта с агрессивной средой.
Сборку нагревательного кабеля для нефтяной скважины и выкидных линий с одной «грузонесущей» заполняющей жилой осуществляют следующим образом. «Грузонесущую» заполняющую жилу 4 в изоляции 2, помещают в центр нагревательного кабеля, на которую, в свою очередь, накладывают токопроводящие нагревательные жилы 1, выполненные из медной или алюминиевой проволоки каждая сечением от 1,5 до 7 мм. Токопроводящие нагревательные жилы 1 разделяют «грузонесущими» разделительными изолированными жгутами 8, выполненными из нитей арамидного волокна, на равные группы: так если нагревательный кабель выполнен из четного количества токопроводящих нагревательных жил, например, 6 то их разделяют на_2 группы по 3 жилы или на 3 группы по 2 жилы, если 8 жил - то разделяют на 2 группы по 4 жилы, а если нагревательный кабель выполнен из нечетного количества токопроводящих нагревательных жил, например, 9, то их разделяют изолированными жгутами на 3 группы по 3 жилы.
«Грузонесущая» заполняющая жила 4, помещенная в изоляцию 2 и токопроводящие нагревательные жилы 1 с изолированными «грузонесущими» разделительными жгутами 8, покрывают общей изолирующей оболочкой 5. На общую изолирующую оболочку 5 накладывают защитную наружную оболочку 6, защищающую кабель от контакта с агрессивной средой. На одном конце кабеля токопроводящие нагревательные жилы соединяют между собой спаиванием, либо свариванием, образуя единую электрически замкнутую цепь, и надевают на них направляющий металлический наконечник из нержавеющей стали заполненный термостойким, устойчивым к агрессивным продуктам полимером или герметиком (на фиг. 1, 2 не показан). Металлический наконечник обжимают на кабеле труборезом с затупленными роликами, либо специальным гидравлическим прессом.
При работе нагревательный кабель помещают в полые штанги насоса ШГН или в межтрубное пространство нефтяной скважины либо в выкидную линию промыслового нефтепровода нагревательные жилы подключают к регулируемому источнику переменного тока фиг. 1 или постоянного тока фиг. 2. Регулируемый источник тока в нашем случае - это станция управления нагревательным кабелем, оснащенная измерительными и контрольными приборами. При пропускании по кабелю электрического тока напряжением от 380 В до 900 В происходит нагрев токопроводящих нагревательных жил до температуры порядка (60-90)°C. Выделенное при этом тепло, нагревая находящуюся в насосно-компрессорных трубах или трубах выкидных линий жидкость (нефть) препятствует образованию асфальто-смоло-парафиновых отложений (АСПО). Станция управления нагревательным кабелем поддерживает заданный режим нагрева кабеля и осуществляет защитные функции (превышение максимального тока, короткое замыкание, превышение максимально-заданной температуры, утечка тока) с помощью контрольно-измерительных приборов установленных на станции управления. Контроль средней температуры кабеля осуществляют по изменению сопротивления греющих жил с помощью логического контроллера, устанавливаемого на станции управления нагревательным кабелем. Работа станции управления не рассматривается в данном техническом решении.
Предложенная конструкция нагревательного кабеля позволяет:
1. Поместить через устьевой сальниковый герметизатор с обеспечением высокой герметичности устьевого оборудования скважины и расположить в межтрубном пространстве скважины или в полых штангах насоса ШГН нефтяной скважины, что обеспечивает возможность монтажа кабеля без длительной остановки скважины и демонтажа колонны НКТ.
2. Поместить его через сальниковый герметизатор в выкидной линии промыслового нефтепровода длиной до 1500 м без извлечения труб и земляных работ
Данный кабель не требует крепления к насосно-компрессорным трубам, а фиксируется и герметизируется только на устье скважины специальным кабельным зажимом и сальниковым герметизатором, что позволяет осуществлять монтаж и демонтаж кабеля в любой момент без подъема насосно-компрессорных труб скважины. При возникновении осевых растягивающих усилий в процессе работы кабеля и при спускоподъемных операциях предложенная конструкция кабеля способна компенсировать возникающие нагрузки. Применяемые материалы и особенности конструкции позволяют значительно снизить вес и диаметр кабеля, и увеличить радиус изгиба, что позволяет беспрепятственно помещать его в полые штанги насоса ШГН и межтрубное пространство нефтедобывающих скважин, а также протягивать его в горизонтальных трубопроводах длинной до 1500 м. Применяемые материалы и особенности конструкции также позволяют значительно увеличить срок эксплуатации кабеля. Все это в конечном итоге приводит к значительному сокращению производственных затрат.
Таким образом предложенное техническое решение позволяет решать следующие задачи:
- отсутствие в конструкции стальной брони делает кабель гибким и соответственно более удобным для монтажа/демонтажа на скважине с ШГН и в горизонтальных трубах промыслового нефтепровода;
- полная замена в конструкции брони из стальных проволок на полимерные «грузонесущие» кабельные изделия, выполненные из арамидных волокон, позволяет значительно снизить вес кабеля при сохранении необходимой прочности изделия;
- малый диаметр кабеля позволяет помещать кабель в полые штанги и межтрубное пространство на нефтедобывающих скважинах со штангово-глубинными насосами.
- малый вес кабеля позволяет протягивать в короткие сроки в горизонтальных трубах промыслового нефтепровода кабель длиной до 1500 метров без демонтажа труб нефтепровода и применения специализированной техники.