УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ПОГРУЖНОГО КАБЕЛЯ В СКВАЖИНЕ

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей отрасли и может быть использовано для защиты одного погружного кабеля или двух кабелей одновременно спускаемых в скважину, от механических повреждений в процессе спускоподъемных операций (СПО) насосно-компрессорных труб (НКТ).
Известны устройства защиты погружного кабеля в скважине (1), (2). Устройство защиты силового кабеля в скважине, содержащее корпус в виде втулки, охватывающей муфту насосно-компрессорных труб (НКТ), на наружной поверхности которого выполнены пазы для укладки силового кабеля, и элементы крепления корпуса к муфте НКТ, отличающееся тем, что корпус устройства составлен из двух частей (левого и правого полукорпусов), каждый из которых имеет вид скоб, с образованием в полости корпуса двух упоров, расстояние между которыми в сборке равно длине муфты, при этом на внешних поверхностях левого и правого полукорпусов выполнены ребра, образующие в сборке единый паз с глубиной, превышающей толщину кабеля, для укладки кабеля с гарантированным зазором и исключения возможности относительного вращательного смещения полукорпусов на смежных торцах ребер образован зацеп, выполненный в виде кольцевой проточки и кольцевого выступа в ребрах левого и правого полукорпусов, а противоположные торцы ребер выполнены со скосом. (1. Патент RU 62645, Е21В 17/10, опубл. 27.04.2007 г)
Недостатком известного устройства является, то, что оно состоит из двух частей и в процессе монтажа на муфту и на НКТ необходимо фиксировать обе половины устройства вручную или механически, чтобы оно не распалось. В процессе спуска или подъема погружного (силового) кабеля с помощью устройства велика вероятность попадания одной из его половин внутрь скважины, что может повлечь за собой полный подъем глубинно-насосного оборудования и капитальный ремонт скважины. Недостатком устройства является его большая масса, что в процессе монтажа сказывается на трудозатратах при спуско-подъемных операциях (СПО). Устройство предназначено для защиты только одного кабеля, например, предназначенного для питания погружного двигателя, без возможности одновременного спуска или подъема двух кабелей внутрь скважины, то есть значительно сужены технологические возможности.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности (прототипом) является устройство защиты силового (погружного) кабеля в скважине (2, Патент 2355867, МПК Е21В 17/10, опубл. 20.05.2009 Бюл. N14), содержащее расположенные на насосно-компрессорных трубах корпус и элементы крепления корпуса, который выполнен из соосно расположенных на расстоянии, равном длине муфты, втулки и скобы, жестко связанных между собой двумя параллельными направляющими пластинами со скосами на торцах, образующими вдоль поверхности муфты канал для проводки силового кабеля - первый кабельный канал, на поверхности втулки выполнены, по меньшей мере, две дополнительные пластины в виде ребер со скосами на торцах, имеющих длину на внешних гранях, превышающую ширину паза между торцами смежных труб эксплуатационной колонны, соединяемых муфтами эксплуатационной колонны, при этом диаметр окружности, проведенной через внешние грани ребер, обеспечивает возможность свободного прохода устройства в эксплуатационную колонну при спуске насосно-компрессорных труб, причем два дополнительных ребра выполнены параллельно между собой, расположены противоположно первому кабельному каналу, образуя второй канал для проводки второго кабеля в скважину, при этом ширина и глубина образуемого канала превышают ширину и толщину второго кабеля, если он плоской формы, и диаметр кабеля, если он круглый, и два дополнительных каналообразующих ребра на втулке выполнены одновременно. Муфта размещена между втулкой и скобой.
Однако данному устройству присущи недостатки, которые снижают технологичность устройства: в устройстве нет самостоятельных жестких узлов крепления к колонне НКТ, крепления осуществляются посредством только стальных хомутов-клямс и спускаемого в скважину кабеля. Втулка и скоба частично участвуют в креплении кабеля, препятствуя соскользнуть устройству с муфты, но позволяют ей свободно вращаться вдоль оси НКТ. Единственным препятствием для вращения является кабель, прижатый к НКТ. Из-за зазоров между ребрами и кабелем в кабельном канале возникает люфт. С помощью хомута кабель прижимается к НКТ, а кабель прижимает само устройство. При ширине кабельного канала, большем, чем ширина кабеля, возникает люфт - свободное движение устройства защиты силового кабеля (далее - устройства) вокруг оси НКТ, что может вызвать повреждение кабеля. В данном устройстве втулка и скоба выполнены толстостенными, их наружные диаметры равны наружному диаметру муфты. В результате этого само устройство имеет большую массу, что затрудняет монтаж и транспортировку на скважине.
Кроме того, данное устройство целесообразно применять только с трубами НКТ диаметром 73 мм. При изготовлении данных устройств для труб других диаметров, например, 89 мм, 102 мм, 114 мм, возникает ряд технологических моментов, ведущих к усложнению процесса изготовления устройств, так как не удается обеспечить равенствонаружных диаметров втулки, скобы и муфты из-за того, что втулка и скоба должны выполняться из стандартных труб, у которых наружный диаметр не равеннаружномудиаметру муфт. Если применять толстостенные трубы, например, НКТ, то втулка и скоба не оденется на наружный диаметр трубы НКТ, так как внутренний диаметр трубы из которой изготавливаются втулка и скоба, оказывается меньше наружного диаметра трубы НКТ, на которую монтируется устройство. Фактически не обеспечена универсальность устройства. Одним из вариантов решения при изготовлении втулок и скоб является выполнение расточки труб, но это трудоемкая и дорогостоящая операция.
Техническая задача предлагаемой полезной модели - устройства защиты погружного кабеля в скважине (далее - устройства) заключается в повышении надежности фиксации погружного кабеля к НКТ при многократных операциях по спуску-подъему. Технический результат заключается в повышении технологичности и универсальности устройства. Повышение технологичности заключается в полном исключении вращения устройства вокруг оси НКТ за счет индивидуального расчета размеров устройства под размеры НКТ и размер муфт. Это также обеспечивает возможность свободной установки устройства на поверхность муфты, возможность применения разного типа погружного кабеля, что приводит к повышению скорости удобства монтажа.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве защиты погружного кабеля в скважине, содержащем корпус и элементы крепления корпуса, который выполнен из соосно расположенных втулки и скобы, между которыми размещена муфта, втулка и скоба жестко связаны между собой двумя параллельными направляющими пластинами в виде ребер со скосами на торцах, образующими вдоль поверхности муфты первый кабельный канал для проводки погружного кабеля, на поверхности втулки выполнены, по меньшей мере, две дополнительные пластины в виде ребер со скосами на торцах, при этом диаметр окружности, проведенной через внешние грани ребер, обеспечивает возможность свободного прохода устройства в эксплуатационную колонну при спуске насосно-компрессорных труб, причем два дополнительных ребра выполнены параллельно между собой и расположены противоположно первому кабельному каналу, образуя второй кабельный канал для проводки второго кабеля в скважину, при этом ширина и глубина образуемого канала превышают ширину и толщину второго кабеля, если он плоской формы, и диаметр кабеля, если он круглый, согласно полезной модели втулка и скоба размещены на расстоянии, большем длины муфты, в нижней и верхней частях устройства установлены крепежные элементы в виде скобы или пластины, один крепежный элемент расположен в нижней части устройства и прикреплен к скобе и ребрам первого кабельного канала, второй крепежный элемент расположен в верхней части устройства и прикреплен к втулке или ребрам, расстояние от нижних торцов второго кабельного канала до скобы выполнено равным или большим расстояния между втулкой и скобой, причем на внутренних частях ребер первого кабельного канала, прилегающих к муфте, выполнены пазы, при условии, что наружные диаметры втулки и скобы равны, а длина каждого паза равна расстоянию между втулкой и скобой, глубина каждого паза h определяется по формуле:
где h - глубина паза, мм,
d - наружный диаметр втулки и скобы, мм,
D - наружный диаметр муфты, мм,
а - ширина кабельного канала, мм,
b - толщина ребра, мм.
В отличие от прототипа, в котором втулка и скоба размещены на расстоянии, равном длине муфты, в предлагаемой полезной модели втулка и скоба размещены на расстоянии, большем длины муфты - это позволяет свободно без дополнительных усилий устанавливать устройство на поверхность муфты. Это обеспечивает повышение удобства монтажа, что повышает технологичность устройства. В прототипе установка устройства затруднена в связи с тем, что поверхность муфты в полевых условиях содержит ржавчину, грязь, нефтепродукты, которые увеличивают установочные размеры и при расстоянии между втулкой и скобой равным длине муфты, приходится устанавливать устройство на поверхность муфты с большим усилием.
Расстояние от нижних торцов второго кабельного канала до скобы выполнено равным или большим расстояния между втулкой и скобой, в этом случае нижний торец второго кабельного канала не будет препятствовать установке устройства на поверхность муфты, так как торец муфты и торец второго кабельного канала не будут зацепляться, что обеспечивает удобство монтажа, что повышает технологичность устройства.
В верхней и нижней частях устройства установлены крепежные элементы в виде скобы или пластины, один крепежный элемент расположен в нижней части устройства и прикреплен к скобе и ребрам первого кабельного канала, второй крепежный элемент расположен в верхней части устройства и прикреплен к втулке или ребрам, что обеспечивает жесткую фиксацию устройства и кабелей к колонне НКТ, например, стальными хомутами. Жесткая фиксация обеспечивается несмотря на то, что ширина и глубина образуемого канала превышают ширину и толщину второго кабеля. Скоба или пластина выполнена по форме, повторяющей наружную поверхность НКТ. При жиме стальным хомутом через кабель образуется жесткое соединение кабеля к скобе, а скобы к НКТ. Так как деталь имеет достаточную протяженность (имеет продольный размер), то размещение одного крепежного элемента в нижней части устройства было бы недостаточно для надежной фиксации кабеля к НКТ при многократных операциях по спуску - подъему, поэтому в верхней части устройства имеется второй крепежный элемент, который в совокупности с первым исключает отсоединение верхней либо нижней частей устройства от НКТ. В прототипе наличие таких конструктивных элементов не предусмотрено, вследствие чего снижена надежность фиксации кабеля по сравнению с предлагаемой полезной моделью. В предлагаемой полезной модели оба крепежных элемента полностью исключают вращение устройства вокруг оси НКТ, что повышает технологичность устройства, тем самым повышая надежность фиксации кабеля.
Выполнение пазов на внутренних частях ребер, прилегающих к муфте, у первого кабельного канала, при условии, что наружные диаметры втулки и скобы равны, а длина каждого паза равна расстоянию между втулкой и скобой, глубина каждого паза h определяется по формуле:
где h - глубина паза, мм,
d - наружный диаметр втулки и скобы, мм,
D - наружный диаметр муфты, мм,
а - ширина кабельного канала, мм,
b - толщина ребра, мм.
Выполнение пазов на внутренних частях ребер и индивидуальный расчет размеров устройства под размеры НКТ и размер муфт обеспечивает центрирование устройства относительно НКТ, свободную установку на муфту НКТ, позволяет выполнять втулку и скобу с наружным диаметром, меньшим, чем диаметр муфты НКТ, что способствует полному исключению вращения устройства вокруг оси НКТ, что повышает технологичность устройства. Выполнение пазов также позволяет применять распространенные тонкостенные газоводопроводные трубы для изготовления втулок и скоб, что приводит к уменьшению веса устройства и позволяет изготавливать устройства для ряда труб НКТ с наружными диаметрами: 73 мм,89 мм, 102 мм, 114 мм, что еще и расширяет технологические возможности устройства в отличие от прототипа, который целесообразно применять только с трубами НКТ диаметром 73 мм.
Все вышеуказанные признаки также обеспечивают возможность свободной установки устройства на поверхность муфты, возможность применения разного типа погружного кабеля, что приводит еще и к повышению скорости удобства монтажа, что повышает технологичность и универсальность устройства.
Сущность полезной модели поясняется фигурами 1, 2.
На фиг.1 представлено устройство защиты погружного кабеля в сборе с НКТ, на фиг.2 - сечение устройства защиты погружного кабеля в скважине.
Устройство защиты кабеля в скважине (фиг.1, 2) выполнено в виде корпуса, установленного на муфте 1, соединяющей НКТ 2, состоящий из соосно расположенных и жестко соединенных между собой втулки 3 и скобы 4 не менее чем двумя параллельными направляющими пластинами (ребрами) 5 со скосами 6 на торцах 7, образующими первый кабельный канал 8 для проводки погружного кабеля 9. Втулка 3 и скоба 4 размещены на расстоянии, большем длины муфты 1. На поверхности втулки выполнены не менее двух дополнительных параллельных пластин (ребер) 10 со скосами 6 на торцах 7. Два ребра 10 на поверхности втулки 3, противоположные первому кабельному каналу 8, установлены для образования дополнительного - второго кабельного канала 11, ширина и высота которого превышает соответственно ширину и толщину второго защищаемого кабеля 12. В верхней и нижней частях устройства установлены крепежные элементы в виде скобы или пластины, один крепежный элемент 13 расположен в нижней части устройства и прикреплен к скобе 4 и ребрам 5 первого кабельного канала 8, второй крепежный элемент 14 расположен в верхней части устройства и прикреплен к втулке 3 и ребрам 10 второго кабельного канала 11 или к втулке 3 при отсутствии второго кабельного канала 11. Расстояние от нижних торцов 7 второго кабельного канала 11 до скобы 4 выполнено равным или большим расстояния между втулкой 3 и скобой 4. На внутренних частях ребер первого кабельного канала 8, прилегающих муфте 1, выполнены пазы 15, при условии, что наружные диаметры втулки 3 и скобы 4 равны, а длина каждого паза 15 равна расстоянию между втулкой 3 и скобой 4, глубина каждого паза 15 определяется по формуле:
где h - глубина паза, мм,
d - наружный диаметр втулки и скобы, мм,
D - наружный диаметр муфты, мм,
а - ширина кабельного канала, мм,
b - толщина ребра, мм.
Для крепления и фиксации устройства к НКТ 2 установлены хомуты 16.
В статическом положении элементы устройства защиты погружного кабеля в скважине взаимодействуют следующим образом: для установки устройства на колонну НКТ скоба 4 заводится на тело НКТ 2 под нижний торец муфты 1 колонны НКТ, при этом втулка 3 устройства устанавливается на верхний торец муфты 1. Ниппельный резьбовой конец последующей НКТ 2 ввинчивается через осевой канал втулки 3 в муфту 1 нижней НКТ 2.
Над устьем скважины после свинчивания НКТ 2 погружной кабель 9 прокладывается в канале 8, дополнительно второй защищаемый погружной кабель 12, при его наличии, во втором кабельном канале 11 устройства защиты погружного кабеля и стягивается с НКТ 2 на входе в первый кабельный канал 8 и на выходе из первого кабельного канала 8 хомутами 16, в виде гибких металлических ремней, которые применяются в настоящее время для крепления погружного кабеля к НКТ. Подвеска НКТ с одним или двумя кабелями и устройствами их защиты спускается в скважину на глубину, определяемую свинчиванием очередной насосно-компрессорной трубы над устьем скважины. При спуске погружной кабель и дополнительно второй погружной кабель, при его наличии, защищены от контакта со стенками и стыками эксплуатационной колонны и, следовательно, защищены от механических повреждений.
Во время работы колонны НКТ и во время СПО исключено перемещение устройства вдоль оси НКТ поскольку муфта 1 совместно с втулкой 3 и скобой 4 препятствует этому перемещению. Таким образом, уложенные в каналах 8 и 11 между направляющими пластинами (ребрами) 5 и 10 устройства и закрепленные на НКТ 2 хомутами 16 погружной кабель 9 и дополнительно второй погружной кабель 12 не испытывают со стороны устройства и со стороны эксплуатационной колонны никаких нагрузок и не подвергаются деформации, а благодаря тому, что в верхней и нижней частях устройства установлены крепежные элементы 13, 14 в виде скобы или пластины, обеспечивается жесткая фиксация устройства и защищаемых кабелей 9, 12 к колонне НКТ 2. Крепежные элементы 13, 14 выполнены по форме, повторяющей наружную поверхность НКТ 2. При затяжке стальным хомутом 16 через кабель 9, 12 образуется жесткое соединение кабеля 9, 12 к крепежным элементам 13, 14, а крепежных элементов 13, 14к НКТ 2.
Технико-экономическая эффективность заключается в сокращении расходов на материал при изготовлении устройств защиты погружного кабеля, увеличении рабочего ресурса погружного кабеля за счет исключения вращений вдоль оси НКТ, уменьшения вибраций при работе глубинно-насосного оборудования, исключения люфтов, увеличения межочистного периода (МОП) и межремонтного (МРП) скважин, возможности изготовления устройств защиты погружного кабеля для различных типоразмеров НКТ, например 73, 89, 102, 114 мм. Промысловые испытания устройств защиты погружногокабеля, проведенные на скважинах Ванкорского месторождения ЗАО «Ванкорнефть», показали, что заявляемые устройства обеспечивают надежную защиту кабелей и труб в скважинах, при одновременном спуске или подъеме нагревательного и питающего кабелей.
Источники информации:
1. Патент RU на ПМ 62645, Е21В 17/10, 2007 г.
2. Патент RU 2355867, Е21В 17/10, 2009