Гибкое витое изделие для подъёма и транспортировки жидких и газообразных составляющих в нефтегазовой промышленности

Полезная модель относится к нефтегазовой отрасли и может быть использована для подъема продукции из скважин и дальнейшего ее транспортирования при выполнении работ, связанных с исследованием и ремонтом скважин.
В практике разработки нефтяных и газовых месторождений широко применяют кабели различных конструкций, выполняющих задачу информационного канала связи, а также грузонесущую проталкивающую и транспортирующую роли. При выполнении этих задач одним из основных требований, предъявляемых к кабелю является герметичность и прочность пластмассовой трубы. Потеря герметичности трубы приводит к выходу изделия из эксплуатации. Кроме того, изделие должно обладать устойчивостью против кручения кабеля. При невыполнении этого требования возникают дополнительные внутренние силы, приводящие к повороту кабеля во время работы, к появлению волнистости трубы, выходу проволоки из повива.
Известно техническое решение в виде устройства для связи, обработки скважины (Патент на полезную модель №36702 от 10.10.2002 г), включающее кабель, содержащий одну полую трубу, расположенную в оплетке. Недостатком этой полезной модели является отсутствие металлических грузонесущих элементов в предлагаемом устройстве, которые необходимы для обеспечения требуемой осевой прочности при проведении проталкивающей и транспортирующей задач.
Известен кабель - гибкая протяжная труба, имеющая в основе пластмассовую трубу, нанесенную на нее броню из металлической проволоки и токопроводящие жилы, отличающаяся тем, что применяемая труба имеет дополнительную полимерную оболочку, армированную химическим волокном или металлической круглой проволокой, поверх которой накладывается двухповивная грузонесущая броня из стальной проволоки диаметром 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 на полезную модель №44782 кл. 7F16/9/00, опубликовано 27.03.2005 г.).
Недостатком данного 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 на полезную модель №80268 МПК Н018 7/00, 2006 г. 0.1.).
Отличительной чертой данного изделия является то, что труба имеет отверстие, занимающее от 20 до 80% площади от общей площади трубы, внутренний слой брони образован повивом из плотно уложенных проволок в количестве, 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 повива брони, заполняет впадины внутреннего слоя, имеет толщину, равную 1÷3,0 мм. По данному изделию можно сообщить следующее.
Наложение круглой проволоки на пластмассовую трубу является не особенно удачным решением, так как в местах касания проволок с трубой возникают большие контактные напряжения, ведущие к появлению трещин, разрывов на трубе и, как следствие, к преждевременному выходу изделия из строя. Кроме того, исполнение кабеля только с двумя повивами брони обеспечивает успешную эксплуатацию при небольших величинах внутреннего давления и таким образом ограничивает применения, где требуется транспортирование химических материалов на дальние расстояния и в больших объемах.
Известно изобретение - гибкая грузонесущая полимерная труба, отличающаяся тем, что стенки трубы выполнены из сплошного слоя полимерного материала, внутри которого размещены армирующие элементы в виде металлической ленты, уложенные под углом 70÷85° к оси трубы и армирующие элементы в виде двух противоположных повивов металлических проволок, имеющих угол повива к оси трубы 15÷30° (Патент РФ на изобретение за №2315223 от 13.04.2006 г.), принят за прототип.
По данному кабелю - полимерной трубе можно дать следующую информацию.
В данном кабеле не используется готовая пластмассовая труба, а применяется трубная заготовка с очень тонкими стенками, на которую навиваются армирующие элементы из металлической ленты, а затем экструзией наносится полимерный материал. Учитывая, что металлическая лента имеет высокую жесткость, при нанесении ее на трубную заготовку, она будет испытывать большие деформационные нагрузки, которые могут привести к разрушению конструкции трубы и, как следствие, к большим производственным потерям. Кроме того, нанесение металлических армирующих элементов на слабую заготовку потребует снижения рабочей нагрузки при формировании спирали, а это приведет к получению искаженной конструкции трубы и к снижению качества готового изделия.
Неиспользование готовой пластмассовой трубы при производстве гибких грузонесущих полимерных труб уменьшает толщину стенок готового изделия и таким образом ограничивает применение их в более тяжелых условиях эксплуатации, когда требуется проталкивать продукцию в трубе на большие расстояния и в больших объемах.
При нанесении металлической ленты на трубную заготовку обязательным условием является наличие зазора между витками для осуществления сварки слоев полимерного материала, а это резко снижает прочность готового изделия от воздействия внутренних силовых факторов, возникающих при транспортировании продукции внутри трубы. В этом случае расчет допустимых силовых условий применения грузонесущей полимерной трубы должен осуществляться из данных физико-механических свойств полимерного материала, хотя используется для армирования металлическая лента, имеющая значительно более высокие чем полимер физико-механические свойства.
Технической задачей создания полезной модели является повышение герметичности и прочности пластмассовой трубы и расширение областей применения кабеля в промышленных условиях исследования горизонтальных и вертикальных нефтяных и газовых скважин.
Указанная задача достигается тем, что гибкое витое изделие, содержащее пластмассовую трубу, нанесенные на нее два разнонаправленных повива из металлической ленты, два разнонаправленных повива из круглой металлической проволоки свитых с зазорами, внутреннюю полимерную оболочку, содержащую изолированные токопроводящие жилы, наружную полимерную оболочку, армированную круглой металлической проволокой и согласно полезной модели повивы из металлической ленты и круглой металлической проволоки плотно навиты друг на друга, образуют металлический каркас, скрепляющий воедино все элементы повивов с помощью залитого вовнутрь изделия расплавленного полимерного материала по всему сечению и длине изделия и образующего таким образом «замок», обеспечивающий надежное сопротивление повороту трубы во время эксплуатации и внутреннему давлению изнутри трубы при транспортировке жидких и газообразных составляющих, при этом повивы из металлической ленты, круглой металлической проволоки и изолированной токопроводящей жилы должны быть свиты под углом к оси изделия соответственно равными 80÷88°, 10÷25° и 10÷20°, причем касание повивов из металлической ленты между собой носит плоскостной характер, а касание повива из металлической ленты и повива из круглой металлической проволоки, а также повивов из круглой металлической проволоки между собой носит линейный характер, кроме того зазоры между проволоками в каждом повиве в отдельности определяются из соотношения:
А=(2÷10) δ,
где Δ - зазор между проволоками в повиве;
δ - диаметр проволоки;
(2÷10) - коэффициенты соотношения.
Сущность полезной модели поясняется фигурой 1, где представлена конструкция изделия, состоящая из следующих элементов: пластмассовая труба - 1, первый повив из ленты - 2, второй повив из ленты - 3, первый повив брони из проволоки - 4, второй повив брони из проволоки - 5, токопроводящая жила - 6, внутренняя полимерная оболочка - 7, третий повив брони из проволоки - 8, наружная полимерная оболочка - 9.
Особенность конструкции витого изделия состоит в том, что повивы из металлической ленты и круглой металлической проволоки свиты в плотном состоянии друг к другу и образуют таким образом металлический каркас, который воспринимает нагрузки агрегатно, совместно всеми повивами одновременно, а заполнение всех свободных участков внутри повива расплавленным полимерным материалом скрепляет повивы в единую конструкцию и позволяет резко повысить физико-механические свойства изделия в целом.
В прототипе каждый повив находится в своем пластмассовом поле и они не соединены между собой, что ведет к потерям физико-механических показателей кабеля в целом. Для подтверждения этого тезиса были проведены эксперименты по оценке потерь механических свойств кабеля свитого в плотном состоянии всех повивов и кабеля свитого в разрозненном состоянии, когда каждый повив находится в своей пластмассовой среде.
Были изготовлены кабели двух типов.
1 тип.
Конструкция: 1 тпж + 6 пр. + 12 пр. + наружная полимерная оболочка.
Диаметр ТПЖ - 1,2 мм.
Диаметр проволок первого повива - 1,0 мм.
Диаметр проволок второго повива - 1,0 мм.
Толщина наружной полимерной оболочки - 1,0 мм.
Диаметр кабеля - 7,2 мм.
2 тип.
Конструкция: 1 тпж + 6 пр. + внутренняя полимерная оболочка + 12 пр. + наружная полимерная оболочка.
Диаметр ТПЖ - 1,2 мм.
Диаметр проволок первого повива - 1,0 мм.
Толщина внутренней полимерной оболочки - 0,5 мм.
Диаметр проволок второго повива - 1,0 мм.
Толщина наружной полимерной оболочки - 0,5 мм.
Диаметр кабеля - 7,2 мм.
Суммарное разрывное усилие всех проволок обоих типов составило равным:
Р=S⋅σ⋅n,
где Р - суммарное разрывное усилие, Н;
2
S - площадь сечения одной проволоки, 0,785 мм;
σ - временное сопротивление разрыву, 1800 Мпа;
n - количество проволок в кабеле, 18 шт.
Подставляя данные в формулу получим:
Р=0,785⋅1800⋅18=25434 Н
Испытания кабелей обоих типов на разрыв показали следующие результаты:
кабель первого типа - 22890 Н;
кабель второго типа - 20347 Н.
Таким образом, потери разрывного усилия для первого типа составили -10%, а для второго типа -20%.
Испытания подтвердили преимущества кабеля, свитого в плотном состоянии всех повивов проволок, перед кабелем, имеющим прослойки полимерного материала между повивами.
Это объясняется тем, что при нагружении кабеля проволоки начинают двигаться, менять свое положение, воспринимают нагрузку разрозненно, не единовременно и теряют прочность в целом, а кабели, в которых проволоки имея твердую основу, опираясь друг на друга, воспринимают нагрузку одновременно, агрегатно и имеют повышенные данные по разрыву.
Кроме того, повив из металлической ленты, плотно покрывая всю поверхность трубы лентой, не образовывая никаких зазоров между витками ленты, не создает возможностей для продавливания стенки трубы между витками повив ленты, а наложение второго повива ленты на первый повив по плоскости без зазоров между витками обеспечивает надежный контакт и крепкое сцепление этих повивов между собой, создает «замок», препятствующий повороту трубы во время эксплуатации и обеспечивает надежное сопротивление внутреннему давлению, возникающему во время транспортирования жидких и газообразных составляющих.
Конструирование кабеля без зазоров в повивах из металлической ленты позволяет производить проверочные расчеты на допустимое использование эксплуатационных нагрузок, исходя из данных физико-механических свойств металла ленты, которые по своему уровню на несколько порядков превышают данные физико-механических свойств полимерного материала и таким образом позволяют создать полезную модель с высокой прочностью и герметичностью и, как следствие, значительно расширить области применения таких кабелей.
Важное значение на качество витого изделия имеет характер касания повивов между собой, так как от этого зависит величина контактных напряжений между проволоками, а они в свою очередь определяют срок службы изделия в целом.
Касание повивов из металлической ленты между собой носит плоскостной характер и контактные напряжения сведены к минимуму. Касание повива из металлической ленты и повива из круглой металлической проволоки носит линейный характер, контактные напряжения увеличены, но не носят критического характера.
Для определения характера касания повивов из круглой металлической проволоки рассмотрим фигуру №2, где показана схема касания проволок первого повива 4 и проволок второго повива 5 с внутренней стороны, где ясно видно прерывистое линейное касание этих проволок. Место встречи этих проволок - 10 заштриховано.
Таким образом, в предполагаемой полезной модели присутствует только плоскостное и линейное касание проволок, что положительно влияет на срок службы витого изделия.
Металлическая лента на трубе располагается по спирали винтовой линии с определенным шагом. На фигуре 3 показано поперечное сечение трубы с нанесенным на нее повивом металлической ленты.
Развернем на плоскость винтовую осевую линию металлической ленты на расстоянии одного шага свивки. Получим прямоугольник ОВС, в котором катет ОВ равен πd - длине окружности свивки металлической ленты, а катет ОС равен t - шагу свивки, угол ОСВ равен α, углу свивки первого повива металлической ленты, который вычисляется по формуле:
,
где α - угол свивки (навивки) металлической ленты;
t - шаг свивки, равен ширине металлической ленты, 3,2 мм;
d - наружный диаметр трубы, 20 мм.
Как видно из формулы, угол свивки (навивки) металлической ленты на трубу зависит от ширины ленты и диаметра трубы.
Примем для анализа различные варианты изготовления кабеля размерами, показанными в таблице.
Как видно из приведенных данных, угол свивки (навивки) металлической ленты на пластмассовую трубу при нулевом зазоре между витками ленты при разных вариантах размеров трубки и ленты колеблется в небольших пределах, близких к 90°, а именно, от 86° до 88°12', примем для практического применения величины, равные 80°÷88°.
Для круглой металлической проволоки и токопроводящей жилы разброс угла свивки (навивки) принимаем исходя из практики равными соответственно: 10°÷25° и 10°÷20°.
Расположение токопроводящей жилы в виде спирали позволяет избежать обрывов токопроводящей жилы во время эксплуатации и действия растягивающей нагрузки, а это путь увеличения срока эксплуатации всего изделия в целом.
Зазор между проволоками в каждом повиве круглой металлической проволоки создается для прохождения расплавленного полимерного материала до металлической ленты, при этом необходимо заполнить пустоты двух повивов из проволоки и образовать внутреннюю полимерную оболочку.
Чтобы выполнить эту задачу нужно сократить время прохождения расплава до металлической ленты. Рассуждая можно утверждать, чем больше диаметр проволок, тем больше требуется количество полимерного материала для заполнения пустот вокруг этой проволоки, тем вероятнее всего требуется скоростной путь прохождения расплава полимерного материала, а это можно сделать только с помощью увеличения размера зазора между проволоками в каждом повиве. Здесь напрашивается зависимость, чем больше диаметр проволоки, тем больше должен быть зазор, то есть появляется соотношение:
Δ=(2÷10) δ,
где Δ - зазор между проволоками в повиве;
δ - диаметр проволоки;
(2÷10) - коэффициенты соотношения.