УНИВЕРСАЛЬНОЕ ОКОНЦОВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО МНОГОЖИЛЬНОГО НАГРЕВАТЕЛЬНОГО КАБЕЛЯ

Полезная модель относится к области нефтедобычи, в частности, к установкам для нагрева нефти и может быть использована при производстве нагревательных кабельных линий, применяемых на скважинах для предотвращения асфальто-смолопарафиновых отложений и потери текучести добываемого флюида.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по назначению является универсальное оконцовочное устройство многожильного кабеля (патент N 43996, МПК H01B 7/18, опубл. 10.02.2005), включающее защитный стакан, в полости которого размещен конец нагревательного кабеля, состоящий из соединенных между собой для образования замкнутой электрической цепи оголенных концов токопроводящих жил, жилы жестко соединены между собой посредством металлической гильзы и образуют замкнутую электрическую цепь, и общего электроизоляционного покрытия, наложенного на эти соединенные концы жил, и установлена герметизирующая перегородка с отверстиями для пропускания через них токопроводящих жил, при этом в стенке защитного стакана выполнено по меньшей мере одно снабженное заглушкой отверстие, предназначенное для размещения в свободной полости защитного стакана материала, со свойствами диэлектрика. Герметизирующая перегородка, ее разъемная часть соединена посредством узла герметизации. С открытого торца защитного стакана вплотную к герметизирующей перегородке дополнительно установлен поджимающе-упорный элемент с отверстием для пропускания через него токопроводящих жил, имеющий резьбовое соединение с защитным стаканом. В дне стакана имеется отверстие с резьбой, снабженное заглушкой - болтом с ответной резьбой. В качестве материала, со свойствами диэлектрика, свободная полость защитного стакана заполнена газообразным и/или жидким веществом с диэлектрическими свойствами.
Недостатком указанного известного устройства является его недостаточная эксплуатационная надежность, обусловленная возможностью перегрева соединенных концов токопроводящих жил, вследствие отсутствия конструктивной возможности по отводу тепла от металлической гильзы и токопроводящих жил. Указанный недостаток может привести к потере электрической изоляции и пробою нагревательного кабеля в зоне оконцовочного устройства.
Кроме того, известное устройство характеризуется некоторой сложностью в конструкции за счет наличия в дне стакана отверстия с резьбой, снабженного заглушкой - болтом с ответной резьбой, через которые может попасть скважинная жидкость во внутреннюю полость стакана, на металлическую гильзу и токопроводящие жилы кабеля. Так как давление в скважинной жидкости всегда больше, чем давление внутри защитного стакана.
Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в повышении эксплуатационной надежности в различных скважинных условиях. Технический результат заключается в исключении попадания скважинной жидкости на токопроводящие жилы при одновременном обеспечении отвода тепла от соединенных концов токопроводящих жил.
Технический результат достигается предлагаемым универсальным оконцовочным устройством многожильного нагревательного кабеля (далее устройством), включающим защитный стакан, в полости которого размещен конец многожильного нагревательного кабеля, состоящий из соединенных между собой для образования замкнутой электрической цепи оголенных концов токопроводящих жил, гильзы, образующей замкнутую электрическую цепь, и общего электроизоляционного покрытия, наложенного на эти соединенные концы жил, и установлен герметизирующий узел, расположенный во внутренней полости защитного стакана, вплотную к герметизирующему узлу дополнительно установлен поджимающе-упорный элемент с отверстиями для пропускания через них токопроводящих жил, в свободной полости защитного стакана размещен материал со свойствами диэлектрика, согласно полезной модели герметизирующий узел выполнен в виде двух упорных шайб и наборного сальникового уплотнения, выполненных с отверстиями для пропускания через них токопроводящих жил, причем отверстия расположены симметрично относительно центральной горизонтальной оси оконцовочного устройства, в качестве поджимающе-упорного элемента использована втулка, а между герметизирующим узлом и втулкой размещен подшипник, наборное сальниковое уплотнение состоит из упругих элементов в количестве не менее трех, на наружной поверхности в нижней части защитного стакана снята фаска под углом 45° и диаметрально расположены лыски, в качестве материала со свойствами диэлектрика в свободной полости защитного стакана использован высокотеплопроводный компаунд, во внутренней полости стакана выполнена расточка под герметизирующий узел, на наружной поверхности втулки вблизи резьбового соединения втулки диаметрально расположены лыски, гильза выполнена из того же материала, что и токопроводящие жилы.
Кроме того, диаметр защитного стакана и втулки d находятся в пределах 30≤d≤45 (мм) причем диаметр защитного стакана равен диаметру втулки.
Кроме того, втулка выполнена удлиненной не менее 150 мм.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет следующего.
Гильза для соединения токопроводящих жил выполнена из того же металла, что и сами токопроводящие жилы, для исключения возникновения электрохимических реакций при протекании электрического тока по жилам и гильзе, и возможного дополнительного нагрева участка, в котором происходит соединение указанных токопроводящих жил. Поверх гильзы размещено общее электроизоляционное покрытие в виде термостойких оболочек и термоусадочной трубки.
Предлагаемое устройство содержит две упорные шайбы с размещением между ними наборного сальникового уплотнения, состоящего из наборных элементов не менее трех, размещенных в полости защитного стакана вплотную друг к другу, отверстия в которых выполнены соосно, благодаря чему обеспечивается дополнительная защита полости защитного стакана от внешнего воздействия скважинной жидкости.
Для исключения возможного проворота упорной шайбы и повреждения токопроводящих жил многожильного нагревательного кабеля в процессе сборки резьбового соединения втулки, например, металлической, и защитного стакана устройство снабжено подшипником, стоящим между втулкой и упорной шайбой. Упорная шайба прилегает к подшипнику, вторая упорная шайба упирается в расточку - меньший диаметр внутренней полости защитного стакана. В прототипе имеется один упорно-поджимающий элемент и герметизирующий узел в виде герметизирующей перегородки, выполненной разборной. В прототипе в результате сжимающего усилия и воздействия высоких температур, возникающих вследствие нагрева токопроводящих жил, герметизирующая перегородка деформируется и может сместиться вдоль стакана с образованием зазоров между изолированными токопроводящими жилами и герметизирующей перегородкой, а также между стенками защитного стакана и герметизирующей перегородкой. В результате образования зазоров в прототипе скважинная жидкость проникает внутрь защитного стакана на оголенные токопроводящие жилы.
В предлагаемой полезной модели перекрытие полости защитного стакана упорными шайбами и сальниковым уплотнением с отверстиями, предназначенными для пропускания через них токопроводящих жил кабеля, позволяет разместить зачищенные и незачищенные от изоляционного слоя токопроводящие жилы свободного конца кабеля по разные стороны упорных шайб. При этом между ними обеспечивается достаточный зазор и удаленность как друг от друга, так и от стенок защитного стакана для цели полного охвата токопроводящих жил компаундом, что позволяет надежно изолировать наиболее уязвимый для пробоя участок нагревательного кабеля, состоящий из соединенных между собой защищенных от изоляционного слоя токопроводящих жил и отвести избыточное количество тепла. Выполнение количества отверстий в упорных шайбах и сальниковом уплотнении, соответствующим количеству токопроводящих жил многожильного нагревательного кабеля, позволит исключить возможные дополнительные каналы для проникновения скважинной жидкости к зоне соединения токопроводящих жил.
Выполнение диаметра отверстий в упорных шайбах и сальниковом уплотнении, соответствующих, например, диаметру незачищенной от изоляционного слоя токопроводящей жилы, то есть для свободного прохода незачищенных от изоляционного слоя токопроводящих жил позволяет дополнительно изолировать наиболее уязвимый для пробоя участок многожильного нагревательного кабеля путем плотной посадки незачищенных жил в отверстия сальникового уплотнения.
В случае применения многожильного нагревательного кабеля используется теплопроводящий компаунд для герметизации. Выбор в качестве высокотеплопроводного компаунда, которым заполняется полость защитного стакана, двухкомпонентного компаунда марки НОМАКОН К, обусловлен тем, что его теплопроводность составляет 0,8-2,0 Вт/(м∗К), что в 4-10 раз превышает теплопроводность широко используемых компаундов на основе эпоксидных смол (например, теплопроводность компаунда Этал-370 составляет 0,17-0,19 Вт/(м∗К) (см. ТУ РБ 100009933.004-2001). Кроме того, указанный компаунд НОМАКОН К имеет высокую проникающую способность и хорошую адгезию к металлическим сплавам. Малые значения усадки и высокая эластичность компаунда после полимеризации гарантируют сохранность токопроводящих жил нагревательного кабеля. Благодаря этому обеспечивается отвод тепла от соединенных концов токопроводящих жил, что позволит продлить срок безаварийной службы многожильного нагревательного кабеля, т.к. при этом гарантированно снизится вероятность пробоя, исключается попадание скважинной жидкости на токопроводящие жилы, значит - повысится эксплуатационная надежность заявляемого устройства.
Использование для заполнения свободного пространства втулки компаундом на основе эпоксидной смолы, обусловлено тем, что ее назначение в металлической втулке является механическая фиксация многожильного нагревательного кабеля внутри втулки без необходимости герметизации и без того изолированных токопроводящих жил. Механические свойства эпоксидного компаунда при применении его в металлической втулке удовлетворяют поставленной задаче, кроме того, это существенно удешевляет стоимость конструкции, что позволяет достичь высокого качества устройства без повышения цены.
Выполнение на наружной поверхности защитного стакана и втулки диаметрально расположенных лысок предназначено как для удобства сборки устройства, так и для надежного соединения защитного стакана с втулкой, т.к. наличие лысок обеспечивает большее усилие затяжки сборных элементов: стакана и втулки, предотвращая срыв инструмента со сборных элементов, что повлияет на степень эксплуатационной надежности устройства, т.к. благодаря им производится захват защитного стакана и втулки инструментом, обеспечивающим выполнение резьбового соединения его с металлической втулкой. Без выполнения этих лысок невозможно качественно и надежно соединить защитный стакан с втулкой и обеспечить необходимое усилие для герметизации сальникового уплотнения, что позволяет исключить попадание скважинной жидкости на токопроводящие жилы. По сравнению с прототипом, в котором указанные лыски отсутствуют, в предлагаемом устройстве повышается эксплуатационная надежность в различных скважинных условиях.
Выполнение диаметра защитного стакана и диаметра втулки от 30 до 45 мм обусловлено геометрическими размерами применяемых многожильных нагревательных кабелей, что позволяет свободно расположить устройство в скважине между колонной НКТ и обсадной колонной, кроме того, позволяет поместить устройство внутрь НКТ.
Поскольку оконцовочное устройство располагается на наружной поверхности НКТ внутри обсадной колонны скважины и должно свободно помещаться в зазоре между НКТ и обсадной колонны, то выполнение диаметра оконцовочного устройства от 30 мм до 45 мм обеспечивает необходимый не менее 5 мм технологический запас для спуска оконцовочного устройства смонтированного на многожильном нагревательном кабеле совместно с колонной труб НКТ.
Выполнение втулки удлиненной длиной не менее 150 мм обусловлено тем, чтобы исключить возможные перегибы многожильного нагревательного кабеля в области сальникового уплотнения оконцовочного устройства. В прототипе не уделяется особого внимания способу герметизации неизолированных жил многожильного нагревательного кабеля с помощью сальникового уплотнения, поскольку герметизацию обеспечивает лишь применение термоусаживаемых трубок и многокомпонентного компаунда в месте соединения токопроводящих жил, что в большинстве случаев недостаточно при применении оконцовочного устройства при давлениях выше 5 МПа.
Размещение поверх гильзы общего электроизоляционного покрытия в виде термостойких оболочек и термоусадочной трубки повышает степень изоляции соединенных токопроводящих жил, а, значит, повышает надежность работы.
Сущность полезной модели иллюстрируется на фиг. 1 - изображен общий вид заявляемого оконцовочного устройства многожильного нагревательного кабеля, на фиг. 2 - сечение устройства.
Оконцовочное устройство, согласно предлагаемой полезной модели, состоит из защитного стакана 1 и втулки 2. Указанные узлы разъемно соединены друг с другом посредством резьбы 3 защитного стакана 1 на его внутренней поверхности и посредством резьбы 4 на внешней поверхности втулки 2. В полости 4 защитного стакана 1 размещены изолированные жилы 5 многожильного нагревательного кабеля 6, состоящий из соединенных между собой для образования замкнутой электрической цепи зачищенных от изоляционного слоя концов токопроводящих жил 7, заключенных в общую гильзу 8. Поверх гильзы 8 для усиления изоляционной защиты размещено общее электроизоляционное покрытие 9 в виде термостойких оболочек и термоусадочной трубки. В полости защитного стакана также размещены две упорные шайбы 10 и 11, внутри которых размещено сальниковое уплотнение 12, с соосными симметрично расположенными отверстиями 13 для пропускания через них указанных изолированных жил 5, диаметр каждой из которых равен диаметру незачищенной от изоляционного слоя токопроводящей жилы. Количество отверстий 13 в упорных шайбах 10, 11 и в сальниковом уплотнении 12 соответствует количеству токопроводящих жил 5 многожильного нагревательного кабеля 6. Втулка 2 одним концом соединена с защитным стаканом 1 и подшипником 14, а другим концом - с броней 15 многожильного нагревательного кабеля 6. Подшипник 14 соединен одним концом с упорной шайбой 10, другим с втулкой 2. Полость 4 защитного стакана 1 в зоне размещения концов токопроводящих жил 7 до упорной шайбы 11 заполнена двухкомпонентным компаундом 16 с повышенной теплопроводностью НОМАКОН К. Указанный компаунд выпускается в предприятием НОМАКОН в Белоруссии по ТУ РБ 100009933.004-2001 с изм. 1, 2. Двухкомпонентные компаунды “Номакон К” предназначены для капсулирования электронных и электрических устройств, а также локальной заливки компонентов электронных сборок. Компаунды полимеризуются при комнатной температуре после перемешивания компонентов. Время жизни смешанной композиции - 20-30 мин. Время полимеризации на отлип - 120 мин. Время полной полимеризации - 24 часа. Компаунды имеют высокую проникающую способность и хорошую адгезию к алюминиевым и другим сплавам. Малые значения усадки и высокая эластичность после полимеризации гарантируют сохранность элементной базы и паяных соединений. Толщина заливаемых слоев не ограничена.
Свободное пространство втулки 2 до упорной шайбы 10 и подшипника 14 заполнено компаундом 17 на основе эпоксидной смолы, например, марки Этал 370. Компаунд Этал-370 представляет собой низковязкую модифицированную эпоксидную диановую смолу, предназначенную для изготовления покрытий, стеклопластиковых изделий, герметизации и изоляции в электротехнике.
На наружной поверхности защитного стакана 1 и втулки 2 выполнены диаметрально расположенные лыски 18, 19 для захвата указанного стакана 1 и втулки 2 инструментом, обеспечивающим выполнение резьбового соединения его с втулкой. Внутри полости защитного стакана 1 выполнена расточка 20 под герметизирующий узел.
Диаметр защитного стакана 1 и диаметр втулки 2 может составлять от 30 мм до 45 мм для удобства размещения в них многожильного нагревательного кабеля. При этом втулка 2 может быть выполнена удлиненной длиной не менее 150 мм для того, чтобы исключить возможные перегибы многожильного нагревательного кабеля в области сальникового уплотнения оконцовочного устройства.
Предлагаемое оконцовочное устройство выполняется при монтаже кабельной линии непосредственно у скважины или на кабельном участке. После определения необходимой длины кабеля производят монтаж оконцовочного устройства. В предлагаемой конструкции при сборке стакан и многожильный нагревательный кабель фиксируются, а втулка вворачивается в стакан, сжимая герметизирующий узел, что исключает попадание скважинной жидкости через резьбовое соединение на токопроводящие жилы, расположенные внутри стакана, что обеспечивается расположением герметизирующего узла внутри стакана. Завершив сборку оконцовочного устройства и перед спуском кабеля в скважину производят наземные испытания изготовленного оконцовочного устройства на специальном стенде, на котором моделируют скважинные условия, а именно: наличие агрессивной пластовой среды, температура +30…+100°C, давление 25 МПа. Время испытаний составляет 6 часов, при напряжении постоянного тока не менее 5000 В.
В случае отсутствия электрического пробоя кабеля в процессе испытаний в наземных условиях, кабель спускают в скважину путем крепления поясами или протекторами к наружной поверхности насосно-компрессорных труб. После спуска в скважину всего кабеля второй свободный конец подключают к клеммной коробке и станции нагревом кабеля.
Оконцовочное устройство многожильного нагревательного кабеля, входящего в состав нагревательной кабельной линии, по предлагаемой полезной модели было выполнено на трехжильном нагревательном кабеле марки КНаПпБП - 120 3×10 длиной 1750 м., и испытано в скважинных условиях на месторождении ОАО «ЛУКОЙЛ-КОМИ» ТИП «УХТА-НЕФТЕГАЗ» на скв. №422. Параметры скважины: глубина размещения оконцовочного устройства - 1750 м; агрессивная среда - пластовый флюид с обводненностью 20%; пластовое давление - 20 МПа; температура - +90°C;
Результаты испытаний показали, что многожильный нагревательный кабель отработал в указанных условиях 460 суток, изоляция не нарушена, электрического пробоя нет.
Таким образом, предлагаемое оконцовочное устройство многожильного нагревательного кабеля обеспечивает эффективную герметизацию соединения токопроводящих жил многожильного нагревательного кабеля, что исключает попадание скважинной жидкости на токопроводящие жилы при одновременном гарантированном исключении его перегрева, а значит позволяет достичь высокую эксплуатационную надежность работы многожильного нагревательного кабеля в осложненных термобарических условиях. Кроме того, предлагаемое устройство является несложным в изготовлении и является привлекательным по ценовым показателям. Кроме того, обеспечивается исключение перегрева соединенных концов токопроводящих жил путем отвода тепла через компаунд за счет прямой заливки указанного компаунда в полость защитного стакана без использования дополнительных специальных отверстий в стакане, а также упрощение монтажа устройства за счет обеспечения удобного захвата инструментом.