КАБЕЛЬ ДЛЯ УСТАНОВОК ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОНАСОСОВ

Электрический кабель относится к кабельной технике и может быть использован для питания погружных электросистем, преимущественно электродвигателей погружных нефтенасосов.
На работоспособность кабелей для погружных нефтенасосов влияют скважинные и другие факторы:
- проникновение газа под давлением во внутренний объем изоляции, уменьшение плотности изоляции приводит к росту токов утечки - уменьшению диэлектрических свойств изоляции;
- подъем УЭЦН при присутствии газа в изоляции, уменьшение плотности изоляции, радиальные микроразрывы (микротрещины) изоляции при несоответствующих скоростях подъема УЭЦН приводят к росту токов утечки - уменьшению диэлектрических свойств изоляции;
- присутствие горячей воды более 80°С и внедрение ее в изоляцию приводит к соединению гидроксильной группы (ОН) с молекулярной структурой изоляции, это приводит к уменьшению диэлектрических свойств изоляции - росту токов утечки;
- вымывание ингредиентов из изоляции (специальных добавок, увеличивающих срок эксплуатации кабеля) приводит к уменьшению диэлектрических свойств изоляции - росту токов утечки;
- внедрение маслянистых жидкостей не диэлектрического характера под давлением в изоляцию приводит к уменьшению плотности изоляционного материала, росту токов утечки;
- внедрение маслянистых жидкостей под давлением в изоляцию, в закрытом объеме под бронепокровом, приводит к сдавливанию средней жилы и утонению ее боковых стенок, результатом этого эффекта является появление продольных трещин по бокам средней жилы и росту токов утечки;
2
- внедрение химических веществ в объем изоляции, таких как NaCl, HS углеводородных соединений и других, приводит к химическому соединению с молекулярной структурой изоляции и росту токов утечки;
- высокое давление отрицательно влияет на работу изоляции.
(Я.З. Месенжник «Кабели для нефтегазовой промышленности», Ташкент, издательство «Фан», 1972, стр. 28, 29).
Известен «Электрический кабель» по патенту RU №2109359 С1, 6 Н01В 7/18, от 1997.01.22, опубл. 1998.04.20. Электрический кабель содержит три расположенных параллельно в одной плоскости токопроводящие жилы, каждая из которых имеет двухслойную изоляцию из композиции на основе полиэтилена высокой плотности, подушку под броню в виде положенной поверх жил прорезиненной невулканизованной ткани, общую броню из стальной профилированной ленты, а также дополнительный элемент изоляции, выполненный по меньшей мере из двух фторопластовых лент, наложенных с перекрытием 30-50% на внутренний слой изоляции.
Из-за того, что поверх второго слоя изоляции расположены фторопластовые ленты, между ними остаются воздушные включения, которые способствуют электрическому пробою изоляции. Такая конструкция предназначена для работы в диапазоне температур 90-110°С, скважинной жидкости и не более, так как полиэтиленовая изоляция, при значениях температуры выше этих, потеряет диэлектрические свойства.
Известна конструкция кабеля с изоляцией из радиационно-модифицированного полиэтилена высокой плотности (РМ ПЭВП), изготавливаемого Подольским кабельным заводом (Г.П. Макиенко «Кабели и провода, применяемые в нефтегазовой индустрии», Пермь-2004, стр. 128, 129, рис. 3,6), где изоляцию жил для увеличения температурной стойкости обрабатывают на ускорителях электронов в присутствии воздуха.
При проведении НИОКР исследовано поведение сопротивления изоляции из РМ ПЭВП в жидкой среде при изменении температуры. Работы показали, что облучение ПЭ высокой плотности в присутствии воздуха приводит к глубокой окислительной деструкции, которая, в свою очередь, сопровождается повышением гидрофильное™ изоляции и, следовательно, интенсификацией процесса диффузии жидкости в изоляцию. Это способствует резкому увеличению проводимости изоляции (уменьшению сопротивления изоляции) с ростом температуры. Данный фактор ограничивает применение радиационно-модифицированного ПЭВП (полиэтилен высокой плотности) в качестве двухслойной изоляции.
Исследована зависимость сопротивления изоляции из разных материалов и температуры на образцах с двухслойной облученной изоляцией из полиэтилена высокой плотности (Г.П. Макиенко «Кабели и провода, применяемые в нефтегазовой индустрии», Пермь-2004, стр. 129, рис. 3.6).
Для кабеля с двухслойной изоляцией из радиационно-модифицированного полиэтилена сопротивление изоляции начинает резко падать с ростом температуры и при 102°С составляет менее 50 МОм/км, вместо более 2500 МОм/км, требование ГОСТ Р 51777-2001 г. (Новиков Д.В. Разработка и исследование теплостойких кабелей для погружных нефтенасосов. Афтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1999 г.).
В случае облучения электронами в присутствии кислорода часть энергии излучения затрачивается на окисление. Скорость деструкции полимера под влиянием кислорода увеличивается, а скорость сшивания уменьшается.
Радиационное окисление поверхности и объема полиэтилена, существенно ухудшающие электрофизические и механические характеристики изоляции, заметно влияет не только на такую структурно-чувствительную характеристику, как tgδ (приводит к его возрастанию), но и на другие электрофизические характеристики, что особенно проявляется при повышении температуры. Температурные коэффициенты диэлектрической проницаемости ТКξ и удельного сопротивления изоляции TKpv при облучении на воздухе выше, чем при облучении в инертной среде. В этих случаях существенно различаются так же абсолютные значения ξ и ρv (см. рис. 29б, табл. 21) (стр. 211, прил. 2) («Кабели для газовой промышленности» Я.З. Месенжник, издательство ФАН-Узбекской ССР, Ташкент, 1972 г.). Резкое снижение сопротивления изоляции образцов с радиационно-окисленной изоляцией наблюдается и при длительной (примерно 420 ч) работе в воде при атмосферном давлении под напряжением 250 и 500 В переменного тока промышленной частоты. При этом основное снижение сопротивления изоляции происходит за первые 80 часов выдержки («Кабели для газовой промышленности» Я.З. Месенжник, издательство ФАН-Узбекской ССР, Ташкент, 1972 г., стр. 213, прил. 2).
3
В помещениях, где производится обработка изоляции электронным облучением, создать бескислородную среду в объеме более 18 м с большим количеством технологических проемов требует серьезных технических решений и капиталовложений (Г.П. Макиенко «Кабели и провода, применяемые в нефтегазовой индустрии», стр. 127).
Известен кабель по патенту РФ на полезную модель №2309474, МПК Н01В 7/02, опубл. 27.10.2007, прототип.
Этот кабель для установок погружных электронасосов содержит изолированные двумя слоями изоляции несколько токопроводящих медных жил, уложенных продольно в одной плоскости и плотно прижатых друг к другу, и защитную внешнюю оболочку из термоэластопласта, расположенную на всех жилах вместе, при этом изоляция жил содержит два слоя, по меньшей мере один из которых выполнен из радиационно-модифицированного полиэтилена высокой плотности.
Недостатки: относительно плохие изоляционные свойства и прочность кабеля.
Задачей предлагаемого технического решения является существенное улучшение изоляционных свойств и механических характеристик изоляции, при работе на изгиб на глубинах более 2000 метров с температурой пластовой жидкости от 80 до 210°C.
Достигнутый технический результат: уменьшение толщины изоляции при одновременном улучшении ее изоляционных свойств и улучшение физических характеристик, в том числе уменьшение допустимых радиусов изгиба кабеля при хранении и эксплуатации.
Решение указанных задач достигнуто в кабеле для установок погружных электронасосов, содержащем изолированные двумя слоями изоляции несколько токопроводящих медных жил, уложенных продольно в одной плоскости и плотно прижатых друг к другу, и защитную внешнюю оболочку, расположенную на всех жилах вместе, при этом изоляция жил содержит два слоя, один из которых выполнен из радиационно-модифицированного полиэтилена высокой плотности, тем, что из радиационно-модифицированного полиэтилена высокой плотности выполнен второй слой, при этом толщины слоев изоляции выполнены из соотношения:
1
0
δ/δ=0,52-0,59,
1
где δ - толщина первого слоя изоляции,
0
δ - толщина второго слоя изоляции,
а защитная внешняя оболочка выполнена из полимерной композиции.
Первый слой может быть выполнен из сополимеров и блок-сополимеров.
Минимальная толщина защитной внешней оболочки может быть выполнена 2 мм, а максимальная выбирается из условия соблюдения соотношение толщины кабеля и диаметра изолированной жилы:
мах
0
А/D=1,45-1,66,
мах
где А - максимальная толщина кабеля,
0
D - внешний диаметр изолированной двумя слоями изоляции жилы.
Защитная внешняя оболочка выполнена с заполнением межфазного пространства и с возможностью легко отделяться от изолированных жил кабеля без повреждения изоляции.
Применение сополимеров и блок-сополимеров в изоляционных слоях повысит температурную стойкость кабеля.
Сополимеры представляют собой обширную категорию, в которой принято различать структурно разные:
- нерегулярные сополимеры - в длинной молекуле такого вещества блоки мономеров расположены в случайном порядке;
- регулярные сополимеры - молекула содержит блоки мономеров, распределенные в правильной последовательности, которую можно задать в процессе производства;
- привитые и блок-сополимеры - молекула состоит из блоков мономеров разного типа, которые могут чередоваться или дополнять друг друга, создавая очень сложные структуры.
Более устойчивые сополимеры дают возможность придавать материалам определенные свойства. Пример такого материала abs пластик, представляющий собой сополимер акрилонитрила с бутадиеном и стиролом. Этот материал отлично зарекомендовал себя в промышленности, дизайне и рекламной деятельности благодаря доступности цены и широкой функциональности.
Статистические сополимеры могут проявлять довольно широкий разброс свойств. Одним из наиболее распространенных представителей этого семейства можно назвать сополимер полипропилена. Большая часть материалов этой группы характеризуется следующими особенностями:
- химическая стойкость в отношении агрессивных сред, способность не реагировать со щелочами при нормальной и повышенной температуре;
- устойчивость к воздействию масел и растворителей;
- широкий диапазон температур, при которых материал сохраняет основные физические свойства, плавится при разогреве до 140°С и более, не становится хрупким до охлаждения примерно в пределах -40 С;
- минимальная электрическая проводимость, благодаря которой сополимеры полипропилена используются в качестве изоляторов;
- высокие показатели механической прочности и жесткости, делающие возможным использование в качестве конструкционного материала, в том числе и в ударопрочной модификации.
В зависимости от конкретного вида и модификации сополимера его можно использовать в разных областях деятельности.
Модифицируя исходный полимер, добиваются:
- изменения прозрачности, возможности выбора материала по светопропусканию;
- получения материалов с разной степенью гладкости и шероховатости поверхностей;
- изменения качества по жесткости и ударопрочности.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах (фиг. 1-5), где:
на фиг. 1 приведено поперечное сечение кабеля,
на фиг. 2 приведено поперечное сечение кабеля увеличенной ширины,
на фиг. 3 приведено поперечное сечение изолированной шины, первый вариант,
на фиг. 4 приведено поперечное сечение изолированной шины второй вариант,
на фиг. 5 приведен фрагмент изоляции жилы.
На фиг. 1 и 2 приведено предложенный кабель плоской формы в поперечном сечении (близкой к прямоугольной) с размерами А × В,
где А - толщина кабеля,
В - ширина кабеля.
1
Боковые стенки кабеля скруглены радиусом R, при этом:
1
R=А/2.
Исполнение кабелей на фиг. 1 и 2 отличаются только их шириной В.
Каждый кабель содержит несколько токопроводящих жил 1, выполненных из меди и изолированных двумя слоями изоляции: первым 2 и вторым 3 (при этом нумерация слоев идет от токопроводящей жилы 1).
Кабель содержит защитную внешнюю оболочку 4, которая заполняет межфазное пространство и изолирует все токопроводящие жилы 1.
Кабель может быть выполнен с возможностью легко отделять защитную внешнюю оболочку 4 от изолированных жил кабеля 1 без повреждения изоляции. Такая возможность обеспечена выполнением второго слоя 3 и защитной внешней оболочки 4 из разного материала с поверхностью разделения 5 (фиг. 5).
Расположение слоев изоляции 2 и 3 на каждой жиле 1 позволяет провести бескислородное радиационное модифицирование полиэтилена высокой плотности, поскольку после покрытия термоэластопластом изоляции токопроводящих жил доступ воздуха к изоляции исключен.
Такая конструкция кабеля с защищенной и обработанной изоляцией жил создает условие для получения изделия с более высоким качеством диэлектрических свойств изоляции, в том числе и по токам утечки, поскольку не ухудшает своих диэлектрических свойств от времени, обработанная через оболочку из других материалов продолжает снижать свои диэлектрические свойства со временем.
Совокупность признаков нова и, кроме известного из уровня техники повышения теплостойкости кабеля, приводит к новому техническому результату, выявленному при эксплуатации, существенному улучшению электрофизических характеристик изоляции (см. таблицу 2).
При эксплуатации предлагаемой конструкции кабеля был выявлен еще один технический результат. Токи утечки бескислородно-модифицированного через оболочку из термоэластопласта кабеля в десятки раз меньше, чем у кабеля, обработанного в воздушной среде, и в несколько раз меньше, чем у кабеля бескислородно-радиационно-модифицированного через оболочку из других материалов,
Такая конструкция кабеля с защищенной от доступа воздуха изоляцией жил создает условие для бескислородного радиационного модифицирования полиэтилена высокой плотности без создания специальных механических устройств и приспособлений.
Расположение оболочки из полимерной композиции на каждой жиле позволяет провести бескислородное радиационное модифицирование полиэтилена высокой плотности, поскольку после покрытия термоэластопластом изоляции токопроводящих жил доступ воздуха к изоляции исключен.
Такая конструкция кабеля с защищенной и обработанной изоляцией жил создает условие для получения изделия с более высоким качеством диэлектрических свойств изоляции, в том числе и по токам утечки, поскольку не ухудшает своих диэлектрических свойств от времени, обработанная через оболочку из других материалов продолжает снижать свои диэлектрические свойства со временем.
Выбор толщины изоляции является чрезвычайно важной задачей при проектировании силового кабеля для установок скважинных насосов. Минимальное значение толщины изоляции ограничивается ее эффективностью, а превышение увеличивает вес кабеля и снижает его прочность на разрыв и ограничивает глубину установки погружного насоса.
На кабели и провода с пластмассовой и резиновой изоляцией, предназначенные для стационарных и передвижных силовых и осветительных установок различного назначения на номинальное переменное напряжение по 6 кВ частоты по 1 кГц и постоянное напряжение до 6 кВ ГОСТ 23286-78 приняты шесть категорий толщины изоляции:
И-1 - изоляция кабелей и проводов в оболочке на номинальное переменное напряжение до 220 В (для систем 220/380 В) или постоянное напряжение до 700 В,
И-2 - изоляция кабелей и проводов без оболочки на номинальное переменное напряжение до 220 В (для систем 220/380 В) или постоянное напряжение до 700 В.
И-3 - изоляция кабелей и проводов в оболочке на номинальное переменное напряжение от 220 В (для систем 220/380 В) до 400 В (для систем 400/600 В) и постоянное напряжение от 700 до 1000 В.
И-4 - изоляция кабелей и проводов без оболочки на номинальное переменное напряжение от 220 В (для систем 220/380 В) до 400 В (для систем 400/600 В) или постоянное напряжение от 700 до 1000 В.
И-5 - изоляция кабелей и проводов на номинальное переменное напряжение от 400 В (для систем 400/600 В) по 1800 В (для систем 1800/3000 В) или постоянное напряжение от 1000 до 6000 В.
И-6 - изоляция кабелей и проводов на номинальное переменное напряжение 3600 В (для систем 3600/6000 В). При обозначении категории изоляции добавляются соответствующие индексы: п ~ пластмассовой, р - резиновой изоляции.
Толщина пластмассовой и резиновой изоляции, мм, для различных категорий изоляций в интересующем нас диапазоне сечений провода и напряжений приведена в табл. 1.
Более конкретно для питания установок погружных электронасосов представляет интерес категория ИП 5, т.е. суммарная толщина изоляции жилы должна быть как минимум, 2,2 мм.
Учитывая конкретное исполнение кабеля: конкретный материал пластмассы для изоляции, применение многослойной изоляции и ее обработку для улучшения свойств (модификация) и условия эксплуатации требуется уточнение общей толщины изоляции и соотношения толщин слоев, при ее выполнении многослойной.
Применение более двух слоев изоляции нецелесообразно из-за усложнения технологии изготовления.
Особенно эффективным является радиационное модифицирование изоляции, влияние которой показано в табл. 2.
Для определения оптимальных соотношений толщин слоев изоляции были проведены исследования образцов кабеля с различным соотношением толщин см. табл. 3 и 4.
Вывод по табл. 3 и 4:
Оптимальные соотношения размеров толщины слоев изоляции кабелей:
1
0
δ/δ=0,52-0,59,
1
где δ - толщина первого слоя изоляции,
0
δ - общая толщина изоляции жилы.
Оптимальная максимальная толщина кабеля с учетом внешней общей изоляции определяется из соотношения:
мах
0
А/D=1,45-1,66,
мах
где А - максимальная толщина кабеля,
0
D - внешний диаметр изолированной двумя слоями изоляции жилы.
Максимальные радиусы изгиба кабелей Rr полученные реально на многочисленных испытаниях при спускоподъемных и перемоточных работах приведены в табл. 5.
Минимальные радиусы изгиба кабелей рассчитаны по методике:
y
D=П/π,
p
y
R=15 D,
где Dy - условный диаметр кабеля,
П - периметр поперечного сечения кабелей,
p
R - радиус изгиба кабеля расчетный.
Сравнительные результаты расчетов и экспериментальных проверок минимальных радиусов изгиба кабеля сведены в табл. 5.
Вывод по табл. 5.
В результате сравнения расчетных и экспериментально - достигнутых радиусов изгиба кабелей получено, что применение предложенной изоляции позволяет уменьшить радиус изгиба примерно на 30%, даже с учетом эксплуатации при отрицательных температурах до - 40°С.
3
4
Минимальная и максимальная толщина защитной внешней оболочки δ и δ (фиг. 1) может быть выполнена из следующих условий:
Минимальные толщины:
3
4
δ=δ=2 мм.
Максимальные толщины изоляции защитной внешней оболочки выбираются из условия соблюдения соотношение толщины кабеля и диаметра изолированной жилы:
мах
0
А/D=1,45-1,66,
мах
где А - максимальная толщина кабеля,
0
D - внешний диаметр изолированной двумя слоями изоляции жилы.
При большей толщине необоснованно возрастает вес кабеля.
Применение полезной модели позволило:
- улучшить изоляционные свойства кабеля при относительно малой толщине изоляционных слоев;
- снизить массу кабеля и его габаритные размеры;
- уменьшить толщину изоляции при одновременном улучшении физических характеристик, в том числе, уменьшение допустимых радиусов изгиба кабеля при хранении и эксплуатации;
- применить в скважинах с высоким содержанием кислот, щелочей, сероводорода и других агрессивных веществ;
- увеличить ресурс кабеля.