ПЛОСКИЙ СИЛОВОЙ КАБЕЛЬ
FLAT POWER CABLE

Область техники
Настоящее изобретение относится к плоскому силовому кабелю. Силовой кабель должен иметь соответствующую токонесущую способность и достаточную диэлектрическую прочность изоляции для сведения к минимуму потерь электроэнергии и вероятности отказа даже в неблагоприятных условиях окружающей среды.
2
В патенте США 3889049, например, описаны условия внутри скважины. Условия окружающей среды внутри скважины обычно варьируются в зависимости от географического расположения. В некоторых случаях жидкости, содержащиеся в скважинах («скважинные флюиды»), оказывают очень сильное коррозионное действие, а температуры во многих случаях превышают 275°F (приблизительно 135°С). Большинство нефтяных скважин содержат минеральные растворы, в которых содержится растворенный газ сероводород (HS), карбонаты, соли и большое количество нефти. Давление жидкости в скважинах может быть довольно высоким и во многих случаях превышает 4000 фунтов на квадратный дюйм (приблизительно 270 атмосфер). Кроме того, скважины достаточно глубоки, в среднем от 8000 до 10000 футов (приблизительно от 2 до 3 км). Электрический кабель должен обладать достаточной физической прочностью, позволяющей опускать двигатель и кабель на такие глубины, и наружная поверхность кабеля должна быть устойчивой к абразивному воздействию в процессе введения.
Среди данных устройств имеются плоские погружаемые электрические кабели, применяемые для передачи электроэнергии к погружаемым устройствам (т.е. двигателям), используемым в нефтяных и водозаборных скважинах и в минеральных источниках. Плоская форма данных кабелей позволяет пропускать их через узкие проходы в нефтяных скважинах относительно малого диаметра, где более крупный круглый кабель мог бы стать помехой движению или вызвать какие-либо другие проблемы, как описано, например, в патенте США 4600805.
Примером плоского кабеля, применяемого в агрессивной среде, является кабель, который поставляется на рынок заявителем под торговым наименованием Devilead Flat Pump Cable. Такой кабель имеет три жилы, изолированные компаундом на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера. Каждая изолированная жила покрыта свинцовой оболочкой. Стальная ленточная броня, соединенная «внахлестку», окружает три изолированные и покрытые оболочкой жилы. Наличие упомянутой свинцовой оболочки позволяет защитить изолированные жилы кабеля от нефти, химикатов, газов и декомпрессии изоляции, но вместе с тем увеличивает вес кабеля.
Более легкий кабель поставляется на рынок, например, заявителем под торговым наименованием Deviline Flat Cable; каждая из его трех жил, изолированная слоем на основе полипропилена, защищена полимерной оболочкой (на основе, например, каучука на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера - EPDM). В свою очередь, полимерная оболочка покрыта по спирали фторполимерной лентой (например, из политетрафторэтилена). Расположенная внахлест ленточная стальная броня окружает три изолированные и покрытые оболочкой жилы. Сочетание полимерной оболочки и фторполимерной ленты обеспечивает изоляцию жил с защитой от тепла, нефти, химикатов и декомпрессии.
Заявитель выявил, что при высоких температурах, в газово-нефтяной среде или из-за изменений давления полимерная оболочка имеет тенденцию раздуваться, или увеличиваться, заполняя внутренние пустоты под броней, что может вызвать смещение лент или оплетки, окружающей оболочку, и/или ухудшение геометрии кабеля, при этом оба результата впоследствии ведут к отказу кабеля. Раздувание полимерной оболочки и смещение лент может привести к относительному перемещению изолированных жил. При таких обстоятельствах изолированные жилы теряют свою конфигурацию, что крайне нежелательно и впоследствии приводит к отказам кабеля.
Патент США 7009113 относится к высокотемпературному электрическому кабелю с внутренним наполнителем, заполняющим пустоты, и к проблеме улучшения правильности круглой формы кабеля. Электрический кабель включает в себя центральную изолированную жилу и множество наружных изолированных жил, расположенных вокруг центральной изолированной жилы, при этом центральная изолированная жила и множество наружных изолированных жил образуют первый набор пустот между ними, а множество наружных изолированных жил образуют между собой второй набор пустот. Электрический кабель дополнительно включает в себя наполнитель, по существу, заполняющий хотя бы часть первого набора пустот и, по меньшей мере, часть второго набора пустот, а также оболочку, охватывающую жилы и наполнитель. Примерами наполнителей служат керамическая замазка, фторэластомер и/или фторированный жир или масло. Кроме того, электрический кабель дополнительно включает в себя пучок волокон, расположенный, по меньшей мере, в одном наборе пустот, наполнитель, по существу, заполняющий хотя бы часть первого набора пустот и, по существу, заполняющий, по меньшей мере, часть второго набора пустот, вокруг волокон, а также слой ленты, охватывающий жилы, волокно и наполнитель. Согласно одному из вариантов осуществления, пучок волокон содержит тетрафторэтилен.
Патентная заявка США 2007/0027245 относится, в общем случае, к области разведывания, разработки и исследования нефтяных месторождений, а конкретнее - к разбухающим эластомерным материалам и их применению в данной области. В частности, там описано устройство, содержащее разбухающую эластомерную композицию со специфическими химическими свойствами. Такой тип устройства включает в себя устройства, в которых элемент, связанный с разработкой нефтяного месторождения, может быть любым элементом, подвергаемым воздействию воды, минерального раствора, жидкостей с низким и высоким уровнем рН и/или жидкостей с содержанием углеводородов, таким как, в числе прочих, уплотнения и изоляционные элементы, применяемые в электрических компонентах, такие как полупроводниковые защитные и/или изолирующие оболочки провода и кабеля, обкладки силовых кабелей.
Еще одна проблема, с которой сталкиваются при работе с кабелями, размещенными в условиях описанной агрессивной среды, происходит от присутствия низкомолекулярных углеводородов, таких как метан, как описано, например, в патенте США 3800066. В глубине буровой скважины и при температурах выше 150°, что весьма распространено, газ может просачиваться в матрицу кабеля вследствие явления, которое можно назвать активированной диффузией.
Заявитель убедился на собственном опыте, что, для того чтобы гарантировать нормальную работу кабеля согласно предшествующему уровню техники в агрессивной среде, необходимы сложные и/или тяжелые конструкции.
Вес известных кабелей в таких случаях возрастает, также возрастают затраты на транспортировку и время, необходимое для установки в скважину.
Цель, преследуемая заявителем, состояла в том, чтобы уменьшить вес и сложность известных плоских кабелей, одновременно обеспечив стабильность их плоской формы как во время транспортировки, так и внутри скважины, когда они погружены в вышеупомянутые жидкости, и поддерживать эффективную защиту от химикатов и агрессивной внешней среды (высокие температуры и давление).
Заявитель обнаружил, что использование разбухающих наполнителей, размещаемых внутри промежутков между жилами и имеющих в неразбухшем состоянии меньшее поперечное сечение, чем сечение упомянутых пустот, может позволить удержать положение одной жилы относительно других, обеспечивая стабильность плоской геометрической конфигурации.
До установки плоского кабеля по изобретению внутрь скважины и до погружения упомянутого кабеля в скважинные флюиды разбухающий наполнитель заполняет только часть пространства внутренних пустот. Ввиду ограниченного количества материала в наполнителе вес и жесткость плоского кабеля во время транспортирования и установки уменьшены по сравнению с известными кабелями предшествующего уровня техники.
После установки плоского кабеля внутрь скважины, когда упомянутый кабель вступает в контакт со скважинными флюидами и когда упомянутые жидкости просачиваются сквозь броню, они поглощаются разбухающими наполнителями. Разбухающие наполнители разбухают и увеличиваются в размере, заполняя пустоты и нажимая на жилы и броню, что позволяет поддержать исходную конфигурацию кабеля.
Следовательно, согласно первому объекту, настоящее изобретение относится к плоскому кабелю, содержащему, по меньшей мере, две жилы, из которых, по меньшей мере, две содержат изолированный передающий энергию элемент и защитную оболочку, расположенную радиально снаружи относительно упомянутого передающего энергию изолированного элемента; причем упомянутые жилы расположены на общей поперечной оси; наружную броню, в которой размещены упомянутые жилы; причем внутри упомянутой брони смежные жилы и внутренняя поверхность упомянутой брони образуют внутренние пустоты; при этом упомянутый плоский кабель содержит разбухающие наполнители, расположенные в упомянутых внутренних пустотах; причем в поперечном сечении упомянутого кабеля каждый из упомянутых разбухающих наполнителей в неразбухшем состоянии имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения соответствующей внутренней пустоты.
Плоский силовой кабель предпочтительно является погружаемым кабелем.
В настоящем описании и формуле изобретения под термином «погружаемый кабель» подразумевается силовой кабель, применяемый для доставки электричества к погружаемым двигателям, используемым в нефтяных скважинах, минеральных источниках или водозаборных скважинах.
2
6
4
14
Упомянутые разбухающие наполнители предпочтительно изготовлены из композиции на основе полимерного материала, выбираемого из следующего ряда: сополимеры пропилена и С-С альфа-олефина, например сополимеры этилена и пропилена, по выбору - с содержанием одного или более дополнительных мономеров, например диенового мономера; сополимер этилена и, по меньшей мере, одного С-С альфа-олефина, по выбору - в смеси с сополимером этилена и алкилена или алкила и сложного эфира; а также смеси вышеупомянутых веществ.
Полимерный материал можно сочетать с добавками, такими как сшивающие агенты, пластификаторы и неорганические наполнители, такие как сажа, каолин или и то, и другое.
Полимерный материал упомянутых разбухающих наполнителей предпочтительно имеет набухаемость от 50% до 400% от исходного объема. Набухаемость должна быть достаточной для поддержания плоской формы кабеля.
Все разбухающие наполнители предпочтительно имеют одинаковую набухаемость. Все набухающие наполнители увеличиваются в размере с одним и тем же соотношением, чтобы поддерживать плоскую форму кабеля.
2
6
Согласно предпочтительному варианту осуществления, защитная оболочка изготовлена из композиции на основе полимерного материала, выбранного из следующего ряда: нитриловый каучук, сополимер пропилена и С-С альфа-олефина, предпочтительно - сополимеры пропилена и этилена, по выбору - с наличием одного или более дополнительных мономеров, например диенового мономера; а также смеси упомянутых веществ.
Полимерный материал можно сочетать с добавками, такими как сшивающие агенты, пластификаторы и неорганические наполнители, такие как сажа, каолин или и то, и другое.
Упомянутые разбухающие наполнители предпочтительно имеют набухаемость, по меньшей мере, равную набухаемости защитной оболочки.
В других случаях упомянутые разбухающие наполнители имеют большую набухаемость, чем защитная оболочка. Таким образом, разбухание наполнителей противодействует разбуханию защитной оболочки благодаря впитыванию одних и тех же флюидов, в которые погружен плоский силовой кабель.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, каждый разбухающий наполнитель представляет собой непрерывный элемент, продолжающийся по всей длине плоского кабеля. Непрерывность каждого элемента позволяет заполнить каждую пустоту внутри кабеля и обеспечивает равномерность распределения усилия, действующего со стороны разбухших наполнителей на жилы и наружную броню по всей длине кабеля.
В другом случае каждый разбухающий наполнитель содержит множество отдельных элементов, расположенных друг за другом и выровненных по всей длине плоского кабеля.
Все разбухающие наполнители предпочтительно имеют одинаковое поперечное сечение.
Все разбухающие наполнители предпочтительно содержат внутри сматываемую нить.
Сматываемая нить предпочтительно выполнена на основе полиэфира или полиамида.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, каждый разбухающий наполнитель имеет круглое поперечное сечение. Разбухающие наполнители с круглым поперечным сечением легко изготавливать и хранить, т.е. наматывать на катушки.
Каждый из упомянутых разбухающих наполнителей в неразбухшем состоянии предпочтительно прилегает к жилам и внутренней поверхности.
Также наполнители в неразбухшем состоянии предпочтительно имеют диаметр, позволяющий зафиксировать их во внутренних пустотах.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, плоский силовой кабель содержит три передающих энергию изолированных элемента с соответствующими защитными оболочками.
Согласно одному из вариантов осуществления, одна из жил представляет собой элемент передачи управляющих сигналов.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, каждая жила содержит фторполимерную ленту, расположенную радиально снаружи по отношению к защитной оболочке.
Каждая жила предпочтительно содержит синтетическую оплетку, расположенную радиально снаружи по отношению к упомянутой фторполимерной ленте.
В качестве альтернативы каждая жила может содержать слой стекловолокна, расположенный радиально снаружи по отношению к защитной оболочке.
Соотношение между площадью поперечного сечения каждого наполнителя в неразбухшем состоянии и площадью поперечного сечения соответствующей внутренней пустоты предпочтительно находится приблизительно между 0,3 и 0,8.
Согласно настоящему описанию, под термином «плоский кабель» подразумевается кабель, содержащий, по меньшей мере, две жилы, расположенные в одной плоскости. Все жилы параллельны и лежат в одной плоскости. В сечении кабеля, поперечном относительно направления длины данного кабеля, жилы отцентрированы по общей поперечной оси.
В настоящем описании и последующей формуле изобретения термин «жила» плоского кабеля используется для обозначения полуфабриката, содержащего передающий элемент, такой как проводник электроэнергии, элемент для передачи оптического сигнала (например, оптическое волокно) или комбинированный элемент, передающий как электроэнергию, так и оптические сигналы, и, по меньшей мере, одну электрическую изоляцию или, соответственно, по меньшей мере, один защитный элемент (например, трубку, оболочку, микрооболочку или желобчатую жилу), или, по меньшей мере, два элемента, один из которых представляет собой элемент электрической изоляции, а другой - защитный элемент, расположенный радиально снаружи относительно соответствующего передающего элемента.
В настоящем описании и последующей формуле изобретения термин «элемент передачи оптического сигнала» используется для обозначения любого передающего элемента, содержащего, по меньшей мере, одно оптическое волокно. Данный термин относится как к единичному оптическому волокну, так и к множеству оптических волокон, при необходимости группируемых в пучок или расположенных параллельно друг другу и покрытых общим покрытием, образуя ленту оптических волокон.
В настоящем описании и последующей формуле изобретения термин «комбинированный электрооптический передающий элемент» используется для обозначения любого элемента или группы элементов, способных передавать как электроэнергию, так и оптические сигналы согласно вышеупомянутым определениям.
Если в кабеле имеется множество жил, кабель можно назвать «биполярным», «трехполярным» или «мультиполярным» кабелем в зависимости от количества жил, входящих в его состав (в упомянутых случаях - две, три или более, соответственно).
В соответствии с данными определениями, настоящее изобретение относится к плоским кабелям, снабженным двумя или более жилами. Согласно настоящему изобретению, по меньшей мере, две из упомянутых жил содержат элементы передачи энергии. Настоящее изобретение относится к биполярным или мультиполярным плоским кабелям электрического типа для транспортирования или распределения электроэнергии.
В качестве иллюстративного примера рассмотрен кабель для транспортирования или распределения электроэнергии среднего напряжения (при этом низким напряжением считается напряжение менее 1 кВ, а средним - от 1 кВ до 35 кВ).
В дополнение к жилам, содержащим элементы передачи энергии, плоские кабели по изобретению могут содержать одну или более жил оптического типа, содержащих, по меньшей мере, одно оптическое волокно - электрического типа для передачи сигналов или комбинированного электрооптического типа.
С этой целью в настоящем описании и формуле изобретения, которая последует за ним, принято, что, если не указано иначе, все цифры, обозначающие количества, проценты и т.д., следует понимать как модифицируемые во всех возможных случаях употребления термина «приблизительно» («около»). Кроме того, все диапазоны включают в себя любые приведенные сочетания максимальных и минимальных значений, а также все промежуточные значения, которые могут быть или не быть приведены в данном описании.
Дополнительные признаки и преимущества станут более понятными из подробного описания некоторых предпочтительных, но не исключительных вариантов осуществления кабеля, а также из способа изготовления кабеля по изобретению.
Краткое описание чертежей
Далее описание продолжится со ссылками на прилагаемые чертежи.
На Фиг.1 показан поперечный разрез кабеля согласно одному из вариантов осуществления изобретения.
На Фиг.2 показан вид в перспективе отрезка кабеля, представленного на Фиг.1, некоторые части которого удалены, чтобы показать его структуру.
На Фиг.3 показан поперечный разрез кабеля, представленного на Фиг.1, с разбухшими наполнителями.
На Фиг.4 показан поперечный разрез кабеля согласно второму варианту осуществления изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления
На прилагаемых чертежах плоский кабель по изобретению представлен в общем ссылочной позицией 1.
Плоский кабель 1 содержит жилы 2, каждая из которых содержит один передающий элемент 3 для передачи энергии. На прилагаемых чертежах каждая жила 2 представлена схематично и содержит один передающий элемент 3 и слой 4 изоляции, окружающий упомянутый передающий элемент 3.
В частности, варианты осуществления, представленные на прилагаемых чертежах, содержат три жилы 2, каждая из которых представляет собой электрический проводник погружаемого плоского кабеля переменного тока. Настоящее изобретение также может относиться к биполярным или мультиполярным плоским кабелям 1.
Проиллюстрированные передающие элементы 3 представляют собой электрические проводники, выполненные из металлических проволок, например из меди, луженой меди или отожженной луженой меди, сплетенных вместе при помощи обычных методов или выполненных в виде единого проводника.
Также кабель по изобретению может содержать дополнительные жилы 2 с различными передающими элементами, такими как оптические или комбинированные электрооптические передающие элементы (не показанные на чертежах).
Согласно не представленному на чертежах варианту осуществления, плоский кабель 1 содержит три передающих элемента 3 источника питания переменного тока и один проводник для устройства управления или диагностической аппаратуры, в итоге получается 4 параллельные жилы 2.
Независимо от типа и количества жил 2, они расположены в общей плоскости. Все жилы параллельны, лежат в общей плоскости и примыкают друг к другу. В сечении кабеля, поперечном относительно направления длины кабеля, жилы отцентрированы по общей поперечной оси Х-Х.
Каждая жила 2 также снабжена оболочкой 5, защищающей слой изоляции 4 от химических воздействий. Защитная оболочка 5 расположена радиально снаружи относительно упомянутого передающего изолированного элемента 3, 4.
Согласно варианту осуществления, представленному на Фиг. 1 и 2, упомянутая защитная оболочка состоит из полимерного материала. Например, защитная оболочка 5 на основе сшитого полимера Nordel 4770 (полимер на основе сополимера, этилена и диенового мономера, поставляемый на рынок компанией Dow Chemical Company) после обработки минеральным маслом в течение 168 часов при температуре 150°С имеет степень разбухания около 70%.
Вокруг защитной оболочки 5 расположена лента. Согласно варианту осуществления, представленному на Фиг. 1 и 2, каждая жила 2 содержит фторполимерную ленту 6 (например, из политетрафторэтилена), расположенную радиально снаружи по отношению к защитной оболочке 5. Синтетическая оплетка 7 расположена радиально снаружи относительно упомянутой фторполимерной ленты 6.
Согласно варианту осуществления, представленному на Фиг.4, каждая жила 2 содержит слой стекловолокна 8, расположенный радиально снаружи по отношению к защитной оболочке 5.
Плоский кабель 1 по изобретению дополнительно содержит наружную броню 9, расположенную снаружи по отношению к упомянутым жилам 2. Данная наружная броня 9 имеет две, по существу, плоские стороны 9а, параллельные вышеупомянутой общей плоскости, и две противолежащие скругленные стороны 9b, частично охватывающие две боковые жилы 2. Наружная броня 9 предпочтительно представляет собой ленточную броню из стали, нержавеющей стали или сплава меди с никелем.
В результате применения данной конструкции плоский кабель 1 имеет множество внутренних пустот 10, образованных промежутками между жилами 2 и наружной броней 9. Две смежные жилы 2 контактируют по продольной зоне, пересекаемой общей поперечной осью «Х-Х», и с каждой стороны упомянутой поперечной оси «Х-Х» образуется, по существу, треугольная внутренняя пустота 10. В частности, каждая внутренняя пустота 10 ограничена боковыми криволинейными поверхностями 11 каждой из двух соседних жил 2 и плоским участком внутренней поверхности 12 наружной брони 9. Каждая внутренняя пустота 10 продолжается по всей длине плоского кабеля 1.
Плоский кабель 1 по изобретению дополнительно содержит разбухающие наполнители 13, расположенные в упомянутых внутренних пустотах 10. В поперечном сечении упомянутого кабеля 1 каждый из упомянутых разбухающих наполнителей 13 в неразбухшем состоянии имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем площадь поперечного сечения соответствующей внутренней пустоты 10, и поэтому не полностью заполняет данную пустоту 10 (Фиг.1, 2 и 4). Предпочтительно, чтобы все разбухающие наполнители 13 имели поперечное сечение одной формы и размера.
В представленном на прилагаемых чертежах варианте осуществления каждый разбухающий наполнитель 13 имеет круглое поперечное сечение и контактирует с каждой из боковых криволинейных поверхностей 11 жил 2 и с внутренней поверхностью 12 наружной брони 9. По сторонам круглого разбухающего наполнителя 13 (в неразбухшем состоянии) находятся три промежутка, каждый из которых имеет, по существу, треугольную форму.
Представленная форма поперечного сечения разбухающих наполнителей 13 не носит ограничительного характера, однако форма и/или размеры поперечного сечения должны быть таковы, чтобы разбухающий наполнитель 13 в неразбухшем состоянии лишь частично заполнял соответствующую внутреннюю пустоту 10.
Соотношение между площадью поперечного сечения каждого наполнителя 13 в неразбухшем состоянии и площадью поперечного сечения соответствующей внутренней пустоты 10 предпочтительно находится приблизительно между 0,3 и 0, 8.
Согласно одному из вариантов осуществления, каждый разбухающий наполнитель 13 проходит вдоль плоского кабеля 1 как непрерывный элемент, предпочтительно с постоянным поперечным сечением. Согласно альтернативному варианту осуществления каждый разбухающий наполнитель 13 содержит множество отдельных элементов, расположенных друг за другом по всей длине плоского кабеля 1.
В настоящем описании и последующей формуле изобретения под термином «набухаемость», относящимся к наполнителю, подразумевается, что наполнитель разбухает после пропитывания жидкостями вышеупомянутого типа, и количественно это выражается в процентах относительно исходного объема в неразбухшем состоянии.
Каждый разбухающий наполнитель 13 предпочтительно имеет набухаемость от 50% до 400%. Все разбухающие наполнители 13 предпочтительно имеют одинаковую набухаемость. Помимо конкретных значений набухаемости, каждый разбухающий наполнитель 13 разбухает после пропитки упомянутыми скважинными флюидами таким образом, что в разбухшем состоянии он полностью заполняет соответствующую внутреннюю пустоту 10 и нажимает на наружную броню 9 и жилы 2 таким образом, что воздействие всех разбухающих наполнителей 13 поддерживает плоскую форму кабеля 1 (Фиг. 3).
В частности, разбухающие наполнители 13 также сталкиваются с разбуханием защитной оболочки 5, пропитанной теми же скважинными флюидами. С этой целью набухаемость разбухающих наполнителей 13 предпочтительно, по меньшей мере, равна или больше разбухаемости защитной оболочки 5.
Каждый разбухающий наполнитель 13 изготовлен из полимерного материала. Например, разбухающий наполнитель 13 на основе сшитого сополимера этилена и октена или этилена и винилацетата после обработки минеральным маслом в течение 168 часов при температуре 150°С имеет набухаемость около 200%.
Для изготовления плоского кабеля 1 по изобретению, согласно первому этапу способа по изобретению, жилы 2 подготавливают в соответствии с предварительно выбранной общеизвестной конфигурацией.
Разбухающий наполнитель 13 предпочтительно подготавливают с помощью выдавливания в виде непрерывных элементов. Каждый непрерывный элемент предпочтительно формируют вокруг сматываемой нити, так что все разбухающие наполнители содержат внутри сматываемую нить. Сматываемая нить предпочтительно выполнена на основе полиэфира или полиамида.
Броня 9 обеспечена вокруг жил 2 и разбухающего наполнителя 13. Стальную ленточную броню предпочтительно обматывают по винтовой линии вокруг жил 2 и разбухающего наполнителя 13, совместно подаваемых в намоточную машину.