Плоский трехфазный нагревательный кабель

Полезная модель относится к нефтяной промышленности и может быть использована в нефтегазодобывающих скважинах для электропрогрева колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) и жидкости с целью снижения вязкости добываемой жидкости и предотвращения отложений асфальтосмолопарафинистых веществ (АСПВ) на стенках НКТ нефтяных скважин.
Существенным недостатком известных нагревательных кабелей (далее - НК) для электропрогрева нефтяных скважин, является то, что возможности изготовления токопроводящих жил (ТПЖ) такого кабеля ограничивались тремя металлами - медь, сталь, алюминий. Однако использование алюминиевых ТПЖ в составе кабельных линий в скважине характерезуется недостаточной механической прочностью и неремонтопригодностью. Нагревательные кабели с медными ТПЖ имеют низкие омические сопротивления, а нагревательные кабели со стальными ТПЖ, напротив, имеют высокие омические сопротивления. В связи с этим, при большом разнообразии параметров нефтяных скважин, для обеспечения нужного температурного режима в первом случае требуются большие токи при низких напряжениях питания, во втором случае - большие напряжения при относительно малых токах.
Известны нагревательные кабели (НК), предназначенные для подогрева НКТ с целью предупреждения отложений АСПВ и гидратов на стенках НКТ, описание которых дано в научно-технических и патентных источниках [1, 2].
В конструкции известного плоского НК [1] все ТПЖ выполнены из стальной проволоки. Указанный кабель содержит три параллельно уложенные токопроводящие жилы, каждая из которых покрыта термоизоляционной диэлектрической оболочкой и выполнена однопроволочной, подушку под броню и общую броню. Подушка под броню и броня уложены на изолированные ТПЖ с образованием либо плоских параллельных теплопередающих поверхностей, либо выпукло-вогнутых теплопередающих поверхностей. Диэлектрическая оболочка каждой токопроводящей жилы выполнена двухслойной. Поверх второго слоя уложена обмотка из термостойкого полотна, а токопроводящие жилы расположены с равным удалением от упомянутых плоских или выпукло-вогнутых теплопередающих поверхностей в пределах технологической погрешности изготовления кабеля, не превышающей 5% расстояния между указанными поверхностями. Недостатком данного НК являются большие сопротивления стальных ТПЖ и необходимость питания НК высокими напряжениями (более 1000 вольт) для необходимого прогрева нефтяных скважин, что существенно снижает надежность электрической изоляции и безопасность эксплуатации НК.
Также известны нагревательные кабели [2], в которых ТПЖ выполнены из медной проволоки. Такой НК содержит общую броню с подушкой под эту броню, параллельно расположенные внутри брони термоизолированные токопроводящие нагревательные жилы, а также уложенные параллельно нагревательным жилам в пространствах между ними и общей броней заполняющие жилы. Упомянутые подушка под броню и броня уложены на указанные нагревательные и заполняющие жилы с образованием либо плоских параллельных теплопередающих поверхностей, либо выпукло-вогнутых теплопередающих поверхностей, либо цилиндрической теплопередающей поверхности. Недостатком данных известных НК являются малые сопротивления медных ТПЖ и необходимость питания НК низкими напряжениями (не более 380 вольт) при номинальных сечениях медных проводов ТПЖ (10-16 кв.мм.), что ограничивает мощность НК, необходимую для достаточного прогрева нефтяных скважин.
Из нефтепромысловой практики известно, что другим крупным недостатком известных плоских трехфазных нагревательных кабелей является низкая надежность вследствие перегрева средних ТПЖ и деформации ее изоляционных оболочек, обусловленных худшим отводом тепла от средней ТПЖ, по сравнению с отводом тепла от боковых ТПЖ.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является плоский трехфазный нагревательный кабель [3], защищенный полезной моделью. Нагревательный кабель данной конструкции устраняет первый из отмеченных выше недостатков, повышает надежность эксплуатации в промысловых условиях, так как существенно расширяет диапазон выбора электрических сопротивлений НК на 1 п.м. длины кабеля, что обеспечивает возможность оптимального подбора НК в соответствии с техническими параметрами нефтяных скважин. Данный нагревательный кабель содержит изолированные термостойкой оболочкой ТПЖ, каждая из которых выполнена многопроволочной и уложенные поверх ТПЖ подушку под броню и броню. При этом ТПЖ с одного конца свободны для подключения к источнику питания, а на нижнем конце свободные ТПЖ соединены между собой в звезду и изолированы для образования замкнутой электрической сети. Нагревательный кабель выполнен плоским или плоским с выпукло-вогнутыми поверхностями. По меньшей мере, одна из ТПЖ кабеля выполнена путем скрутки проволок из материалов с разным удельным сопротивлением, при этом соотношение числа проволок из материала с меньшим удельным сопротивлением и числа проволок из материала с большим удельным сопротивлением во всех ТПЖ выбрано одинаковым, в частности, по меньшей мере, одна ТПЖ выполнена сталемедной из одной стальной центральной проволоки и шести одинаковых по диаметру боковых стальных и медных проволок. На ТПЖ наложено два слоя изоляции из композиции блоксополимера пропилена с этиленом, устойчивого к воздействию повышенной температуры и ионов меди, или маслостойкого силаносшиваемого полиэтилена.
Однако данная известная конструкция нагревательного кабеля не обеспечивает защиту средней ТПЖ от перегрева и деформации, что существенно снижает надежность нагревательного кабеля, особенно при эксплуатации в глубоких скважинах с повышенными внутритрубными давлениями жидкости.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью, заключается в повышении надежности эксплуатации нагревательного кабеля путем предотвращения перегрева и деформации средней ТПЖ.
Указанный технический результат обеспечивается предлагаемым плоским трехфазным нагревательным кабелем, содержащим изолированные термостойкой оболочкой токопроводящие жилы (ТПЖ), уложенные параллельно друг другу в виде средней и двух боковых ТПЖ, каждая из которых выполнена многопроволочной, при этом, ТПЖ с одного конца свободны для подключения к источнику питания, а на нижнем конце свободные ТПЖ соединены между собой в звезду и изолированы для образования замкнутой электрической сети, ТПЖ кабеля выполнены путем скрутки проволок из материалов с разным удельным сопротивлением, на ТПЖ размещены два слоя изоляции, выполненные из композиции блоксополимера пропилена с этиленом, устойчивого к воздействию повышенной температуры и ионов меди, поверх уложенных параллельно ТПЖ наложена подушка под броню, а поверх подушки наложена броня из профилированной стальной оцинкованной ленты, подушка под броню выполнена в виде обмотки лентой из нетканого или термоскрепленного полотна, отличающийся тем, что средняя ТПЖ выполнена с меньшим омическим сопротивлением, чем омические сопротивления боковых ТПЖ.
При выполнении ТПЖ из скрученных между собой проволок с большим и меньшим омическим сопротивлением, отношение числа проволок с меньшим омическим сопротивлением к числу проволок с большим омическим сопротивлением в средней ТПЖ больше, чем отношение числа соответствующих проволок в боковых ТПЖ, при условии равного количества проволок во всех ТПЖ.
В качестве проволок с меньшим омическим сопротивлением используют медные или алюминиевые проволоки, а в качестве проволок с большим омическим сопротивлением используют стальные проволоки.
Средняя и боковые ТПЖ по всей длине нагревательного кабеля разделены зазорами, заполненными прокладками из синтетического диэлектрического материала, например, жгутами или лентами из арамидного волокна.
Указанный технический результат обеспечивается за счет следующего.
Благодаря тому, что в предлагаемом НК средняя ТПЖ выполнена с меньшим омическим сопротивлением, чем омические сопротивления боковых ТПЖ, обеспечивается меньшее тепловыделение в средней ТПЖ и, как следствие, предотвращение перегрева и деформации средней ТПЖ, что позволяет повысить эксплуатационную надежность нагревательного кабеля. Эта конструктивная особенность может быть обеспечена, например, выполнением ТПЖ из скрученных между собой проволок с большим и меньшим омическим сопротивлением, причем соотношение числа проволок с меньшим омическим сопротивлением к числу проволок с большим омическим сопротивлением в средней ТПЖ должно быть больше, чем соотношение соответствующих проволок в боковых ТПЖ, при условии равного количества проволок во всех ТПЖ. В качестве проволок с меньшим омическим сопротивлением можно использовать, например, медные или алюминиевые проволоки, а в качестве проволок с большим омическим сопротивлением можно использовать, например, стальные проволоки.
Благодаря тому, что средняя и боковые ТПЖ по всей длине нагревательного кабеля разделены зазорами, заполненными прокладками из синтетического диэлектрического материала, в качестве которых, например, можно использовать жгуты или ленты из арамидного волокна, предотвращается деформация средней ТПЖ, усиливается электрическая изоляция ТПЖ и механическая прочность НК, и, как следствие, повышается надежность нагревательной кабельной линии.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен предлагаемый нагревательный кабель в разрезе.
Заявляемый нагревательный кабель включает изолированные термостойкой двухслойной оболочкой 4 две боковые токопроводящие жилы 1 и 3 и среднюю ТПЖ 2, каждая из которых выполнена многопроволочной. Поверх ТПЖ 1, 2, 3 уложены подушка 5 под броню 6, выполненную в виде обмотки лентой из нетканого или термоскрепленного полотна, и броню 6. ТПЖ 1, 2, 3 с верхнего конца свободны для подключения к источнику питания (на чертеже не показан), а на нижнем конце ТПЖ соединены между собой в звезду для образования замкнутой электрической сети (на чертеже не показано). Для большей надежности возможно нижние концы всех ТПЖ, соединенных между собой в изолированную звезду, дополнительно защитить металлической гильзой.
Нагревательный кабель выполнен плоским или плоским с выпукло-вогнутыми поверхностями. ТПЖ кабеля выполнены путем скрутки проволок 7, 8 из материалов с разным удельным сопротивлением, но таким образом, чтобы средняя ТПЖ характеризовалась меньшим омическим сопротивлением, чем омические сопротивления боковых ТПЖ. Например, для выполнения этого условия достаточно, чтобы соотношение числа проволок 7 из материала с меньшим удельным сопротивлением (например, медных) к числу проволок 8 из материала с большим удельным сопротивлением (например, стальных) в средней ТПЖ 2 было выбрано большим, чем в боковых ТПЖ, 1 и 3, при условии равного количества проволок во всех ТПЖ. При этом целесообразно центральную стальную проволоку 9 всех ТПЖ выполнять равной диаметру проволок периферийных для обеспечения технологичности изготовления ТПЖ.
Средняя ТПЖ и боковые ТПЖ по всей длине нагревательного кабеля могут быть разделены зазорами. При этом по всей длине нагревательного кабеля целесообразно проложить прокладки 10 из синтетического диэлектрического материала, например, жгуты или ленты из арамидного волокна. На ТПЖ наложено два слоя изоляции 4 из композиции блоксополимера пропилена с этиленом, устойчивого к воздействию повышенной температуры и ионов меди, или из маслостойкого силаносшиваемого полиэтилена. Причем слои изоляции могут быть отличны по цвету.
Для обеспечения технологичности изготовления НК, ТПЖ, например, при сечении 8 кв. мм выполняются скруткой семи проволок, при сечении 12 кв.мм - скруткой одиннадцати проволок, при сечении 16 кв.мм - скруткой четырнадцати проволок, при этом, для уменьшения омического сопротивления средних ТПЖ по сравнению с омическим сопротивлением боковых ТПЖ при указанных сечениях число стальных проволок в средней ТПЖ устанавливается соответственно при сечении 8 кв. мм - не более трех, при сечении 12 кв.мм - не более пяти, при сечении 16 кв.мм - не более шести, т.е. менее 50% скручиваемых проволок, соответственно с установкой стальных проволок в боковых ТПЖ более 50% скручиваемых проволок.
Опытные испытания НК с приведенными выше техническими характеристиками проведены на стенде и показали отсутствие перегрева средних ТПЖ в жидкой среде при удельных мощностях питания от 30 до 60 ватт на метр. По расчетам, это должно обеспечить повышение рабочего ресурса НК не менее чем в два раза, по сравнению с прототипом.
Опытные партии предлагаемых нагревательных кабелей установлены для эксплуатации на ряде нефтяных скважин НК «ЛУКОЙЛ» и НК «РОСНЕФТЬ» с глубинами отложений парафина от 1000 до 1800 метров и дебитами от 15 до 90 т/сут. При эксплуатации предлагаемый нагревательный кабель расчетной длины, превышающей глубину отложения парафина в трубах, спускается в скважину и крепится хомутами к наружной поверхности НКТ. Верхние концы нагревательного кабеля на поверхности соединяют с источником питания. Нижние концы всех ТПЖ нагревательного кабеля соединены между собой в звезду и защищены металлической гильзой. Устройство такой конструкции готово для работы в качестве нагревателя для путевого прогрева скважинной жидкости, снижения ее вязкости и предотвращения отложений АСПВ и гидратов.
Наблюдение за работой заявляемого НК в течение от одного до двух лет показало экономическую эффективность, выразившуюся в полном предотвращении отложений АСПВ в скважинах и в отсутствии отказов, связанных с потерей изоляции НК, вызванных перегревом средних ТПЖ,
Источники информации:
1. RU 20697, МПК Н01В 7/18, Н05В 3/56.
2. RU 32186, МПК Н01В 7/18.
3. RU 127273, МПК Н05В 3/56.