Гибкое витое изделие для исследования нефтяных и газовых скважин и транспортировки жидких и газообразных сред

Полезная модель относится к кабельной промышленности, к производству витых проволочно-пластмассовых изделий.
В практике разработки нефтяных и газовых месторождений широко применяют кабеля различных конструкций, выполняющих задачу информационного канала связи, грузонесущую проталкивающую и транспортирующую роль. При транспортировании жидких и газообразных составляющих одним из основных требований, предъявляемых к изделию, является герметичность и прочность пластмассовой трубы. Нарушение герметичности трубы приводит к выходу изделия из строя. Кроме того, изделие должно обладать устойчивостью против кручения. При невыполнении этого требования возникают дополнительные внутренние силы, приводящие к повороту изделия во время эксплуатации, к появлению волнистости, выходу проволоки из повива.
Известен кабель-шланг, содержащий трубу, поверх которой уложена стальная спираль, два повива брони, причем во внутреннем повиве располагаются изолированные электрические жилы (А.С. СССР №1387049 Н01В 7/18 04.06.1986 г.).
Отличительной особенностью данного кабеля является наличие проволочной спирали на трубе, что приводит к большим контактным напряжениям в местах касания спирали с трубой при транспортировании химических реагентов внутри трубы, а это, несомненно, является причиной появления трещин, разрывов на трубе и, как следствие, выхода кабеля из строя.
Кроме того, использование двух повивов брони в плотном укладывании проволок в каждом слое без зазоров приводит к значительному превышению крутящего момента наружного слоя над крутящим моментом внутреннего слоя брони и, как следствие, к повороту кабеля, выходу проволок из повивов, нарушению целостности изделия, к снижению эксплуатационного срока службы.
Известен грузонесущий геофизический кабель, содержащий токопроводящую жилу, изоляцию и броню, отличающийся тем, что токопроводящая жила выполнена в виде трубки из полимерного материала, обеспечивающей гидродинамический канал связи с токопроводящей оплеткой, взаимодействующей с токопроводящей жидкостью, находящейся в трубке (Патент на полезную модель РФ №35035, 7 Н01В 7/00, F16L 11/00, 2003 г.). Причем броня выполнена из металлической проволоки или ленты, располагаемой однослойным или многослойным повивом или встречным повивом по многозаходной винтовой линии на поверхности кабеля.
Недостатком данного изделия является незначительная прочность трубки, ограничивающая проталкивающую функцию кабеля и совмещение канала для подачи химического реагента и токопроводящей жилы в виде оплетки, что увеличивает вероятность выхода из строя всего кабеля.
Известен кабель - гибкая протяжная труба, имеющая в основе пластмассовую трубу, броню из металлической проволоки и токопроводящие жилы, отличающаяся тем, что применяемая труба имеет дополнительную полимерную оболочку, армированную химическим волокном или металлической проволокой, поверх которой накладывается двухповивная грузонесущая броня из стальной проволоки диаметром 0,8÷2,8 мм и количеством 24-80 в каждом повиве (Патент РФ на полезную модель №44782 кл. 7F16/9/00, опубликовано 27.03.2005 г.).
Недостатком изделия является то, что не определены требования к кабелю по устойчивости его к кручению, по этой причине резко повышается вероятность появления «фонарей», выхода проволоки из слоя и, как следствие, сокращение срока эксплуатации кабеля.
Известен кабель - гибкое витое изделие для исследования нефтяных и газовых скважин, и транспортировки жидких и газообразных составляющих, содержащее пластмассовую трубу, два противоположно свитых повива из стальной проволоки и наружное полимерное покрытие (Патент РФ на полезную модель №80268 МПК Н018 7/00, 2006 г. 0.1.). Принят за прототип.
Отличительной чертой данного кабеля является то, что труба имеет отверстие, занимающее от 20 до 80% от общей площади трубы, внутренний слой брони образован повивом из плотно уложенных проволок с количеством, равным 15÷100 и углом свивки 8÷20°, наружный слой брони обеспечивает крутящий момент, равный крутящему моменту внутреннего слоя, при этом имеет в слое количество проволок, равное 4÷20 и угол свивки 15÷20°, а полимерное покрытие, проникая через зазоры наружного слоя брони, заполняет впадины внутреннего слоя, имеет толщину, равную 1÷3,0 мм. По данному кабелю можно дать следующую информацию.
Наложение круглой проволоки на пластмассовую трубу является не особенно удачным, так как в местах касания проволоки и трубы возникают большие контактные напряжения, которые являются причиной появления трещин, разрывов на трубе и, как следствие, выхода кабеля из эксплуатации. Кроме того, наличие одной наружной полимерной оболочки недостаточно для успешного и длительного применения кабеля в промышленных условиях, потому что внешняя оболочка защищает кабель от внешнего воздействия, но недостаточно защищает трубу от разрыва и трещин в результате действия внутреннего давления, обеспечивающего продвижение реагентов по трубе.
Исполнение кабеля только с двумя повивами брони обеспечивает успешную эксплуатацию при небольших величинах внутреннего давления и таким образом ограничивает применение его в других промышленных условиях, где требуется транспортирование реагентов на дальние расстояния и в больших объемах.
Технической задачей создания полезной модели является повышение герметичности и прочности пластмассовой трубы и расширение области применения кабеля в промышленных условиях исследования горизонтальных и вертикальных нефтяных и газовых скважин.
Указанная задача достигается тем, что гибкое витое изделие, содержащее пластмассовую трубу, нанесенный на нее вплотную армирующий повив из ленты, два противоположно свитых повива из стальной оцинкованной проволоки с зазорами между проволоками, пропитанных полимерным материалом, промежуточную полимерную оболочку с расположенными в ней двумя тремя изолированными токопроводящими жилами, наружный повив из стальной оцинкованной проволоки с зазорами между проволоками, пропитанный полимерным материалом и наружную полимерную оболочку и согласно полезной модели повивы из стальной оцинкованной проволоки имеют нулевой результирующий крутящий момент, соответствующий уравнению:
1
1
1
2
2
2
3
3
3
Q sinα r n - Q sinα r n +Q sinα r n = 0, где
Q - сила, действующая по оси проволоки;
1
2
3
α, α, α - углы свивки первого, второго и третьего повивов;
1
2
3
n, n, n - число проволок первого, второго и третьего повивов;
1
2
3
r, r, r - радиус первого, второго и третьего повивов;
армирующий повив из ленты имеет шаг навивки, определяемый:
Н=πd⋅ctgα, где
Н - шаг навивки ленты;
d - диаметр трубы;
α - угол навивки ленты на трубу, заключенный между осью ленты и осью трубы;
толщины промежуточной и наружной полимерных оболочек, каждой в отдельности определяются из соотношения:
Δ=(1÷2)δ, где
Δ - толщина оболочки;
δ - диаметр проволоки;
(1÷2) - коэффициенты соотношения.
Сущность полезной модели поясняется фигурой, где представлена конструкция изделия, состоящая из следующих элементов: пластмассовая труба - 1, армирующий повив из ленты - 2, первый повив из проволоки - 3, второй повив из проволоки - 4, наружный (третий) повив из проволоки - 5, промежуточная полимерная оболочка - 6, изолированные токопроводящие жилы - 7, наружная полимерная оболочка - 8.
Конструирование кабеля с применением на пластмассовой трубе металлической ленты, трех повивов брони из стальной оцинкованной проволоки, пропитанных полимерным материалом, двух полимерных оболочек, позволяет надеяться на создание высокопрочного гибкого витого органа, позволяющего успешно выполнять функции транспортирующего химические реагенты внутри трубы, информационного канала связи в вертикальной и горизонтальной плоскостях в условиях наличия каменных глыб, камней и жидких составляющих. Такой кабель имеет повышенную герметичность и прочность по сравнению с прототипом, где имеется только два повива из стальной оцинкованной проволоки, пропитанных полимерным материалом и одна полимерная оболочка.
Оценим разрывную прочность прототипа и заявляемой полезной модели.
Прототип выполнен с применением пластмассовой трубы и с нанесенным на нее повивом из металлической ленты и двух повивов из стальной оцинкованной проволоки.
Остальные элементы существенного влияния на прочность кабеля не имеют.
Сравним эти данные, можно сделать заключение, что повив из стальной оцинкованной проволоки по прочности прототипа и заявленной полезной модели уравновешивают друг другу, а повив из металлической ленты обеспечивает превышение прочности заявляемой полезной модели над прочностью прототипа.
В таком кабеле используются армирующая лента размером 0,6×3,2 мм с пределом прочности, равной более 2000 Мпа.
Площадь S металлической ленты, находящейся в повиве, составит:
S=B*а, где
В - ширина ленты, равная 3,2 мм;
а - толщина ленты, равная 0,6 мм.
Подставляя эти данные в формулу, получим
2
S=3,2*0,6=1,92 мм
Прочность ленты, находящейся в повиве составляет:
P=S*δ, где
δ - предел прочности ленты, равный 2000 Мпа.
Подставляем эти данные в формулу, получим
Р=1,92*2000=3840 Н.
Эта цифра наглядно показывает превышение прочности заявляемой полезной модели над прочностью прототипа.
Большую роль в продолжительности эксплуатации заявляемого кабеля играет нулевой результирующий крутящий момент повивов из стальной оцинкованной проволоки.
Такой кабель ведет себя спокойно, не поворачивается вокруг своей оси, не делает петель и таким образом обеспечивает нахождение проволок в своих первоначально заложенных местах и не дает повод на негативную эксплуатацию.
Уравнение некрутимости кабеля имеет вид:
1
2
3
ΣM-ΣМ+ΣM=0, где
1
3
ΣМ÷ΣМ - суммы крутящих моментов составляющих проволок первого, второго и третьего (наружного) повивов.
Усилие Р, действующее на проволоку и создающее крутящий момент определяется по формуле:
Р=Q sinα, где
Q - сила, возникающая по оси проволоки в результате действия рабочей нагрузки, действующей по оси кабеля;
α - угол свивки проволок.
Суммарные крутящие моменты, действующие в повивах, в общем виде определяются количеством ni проволок в повиве i, средним радиусом ri, слоя i, усилием Pi, действующим на проволоку повива i и создающим крутящий момент, то есть: ΣMi=Pi ri ni=Qi sinαi Pi ri ni.
Для того, чтобы получить нулевой результирующий крутящий момент от действия всех трех повивов необходимо, чтобы уравнение имело вид:
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
3
3
Q sinα r n - Q sinα r n + Q sinα r n = 0
При равенстве усилий, действующих по оси проволоки уравнение приобретает вид:
1
1
1
2
2
2
3
3
3
Q sinα r n - Q sinα r n + Q sinα r n = 0
Задаваясь параметрами свивки двух повивов и определяя параметры свивки третьего повива мы можем создать конструкцию кабеля с нулевым крутящим моментом, который обеспечит длительную безаварийную работу всего комплекса оборудования в промышленных условиях.
Металлическая лента должна навиваться на трубу с шагом навивки, определяемым по формуле:
H=πd⋅ctgα, где
Н - шаг навивки;
d - диаметр трубы;
α - угол навивки ленты на трубу, заключенный между осью ленты и осью трубы.
При навивке ленты на трубу, когда соседние витки ленты касаются друг друга и угол навивки находится в пределах 80°÷83°, а шаг навивки равен значениям 8÷12 мм, получаем полное закрытие поверхности трубы лентой, максимальную прочность и герметичность трубы, и в этом случае появляется возможность транспортировать жидкие и газообразные составляющие внутри трубы на дальние расстояния и в больших объемах.
При навивке ленты на трубу с зазорами между соседними витками, а это получается при угле навивки 60°÷70° и менее, и шаге навивки 24÷40 мм прочность и герметичность трубы снижается, однако такие кабели находят широкое применение в условиях, когда имеются изгибы кабеля в разные стороны, размер зазоров меняется в большую или меньшие стороны, но остается в пределах допустимого без образования нахлестка соседних витков ленты, при этом качество выполненных работ не снижается, а срок службы изделия сохраняется.
Кроме того, эта зависимость помогает определить оптимальный шаг навивки ленты на пластмассовую трубу и, как следствие, рассчитать необходимый зазор между соседними витками ленты с учетом радиуса намотки кабеля на шейку транспортного барабана, когда на выпуклой стороне кабеля витки ленты расходятся, а на вогнутой стороне витки сходятся, таким образом удается избежать образования нахлестков соседних витков ленты на вогнутой стороне кабеля и аварийного выхода изделия из строя.
Подбор толщины промежуточной и наружной полимерных оболочек должен производиться из соотношения:
Δ=(1÷2)δ, где
Δ - толщина оболочки;
δ - диаметр проволоки;
(1÷2) - коэффициенты соотношения.
На практике в качестве брони кабелей используется стальная оцинкованная проволока диаметром от 1,0 до 1,8 мм. Подставляя в соотношение Δ=(1÷2)δ крайние значения диаметров проволок 1,0 и 1,8 мм получим разброс толщин оболочки, равный от 1,0 мм до 3,6 мм, что говорит о том, что принятое соотношение не допускает применения слишком тонких (<0,5 мм) и толстых (>4,0 мм) оболочек и таким образом исключается аварийный выход кабеля из строя из-за продавливания слишком тонких и растрескивания слишком толстых оболочек.
Соблюдение толщины в пределах 1÷2 от диаметра проволоки обеспечивает повышенную сопротивляемость оболочки износу полимерного материала при прохождении кабеля в скважине в стесненных условиях, когда кабель соприкасается с каменными глыбами и металлической поверхностью оборудования.
Реализация трех особенностей полезной модели, а именно:
- нулевого результирующего крутящего момента повивов из стальных проволок;
- нормированного шага навивки повива из металлической ленты;
- нормированной толщины полимерных оболочек в зависимости от диаметра стальных проволок позволили создать геофизический грузонесущий кабель с повышенной прочностью и герметичностью пластмассовой трубы, обеспечить высокие показатели проталкивающей и транспортирующей составляющих и таким образом гарантировать движение реагентов на большие расстояния и в больших объемах.