НЕФТЕКАБЕЛЬ

Полезная модель относится к кабельной отрасли промышленности, а именно, к конструкциям кабелей, предназначенных для подачи электрической энергии к электродвигателям установок добычи нефти, водоподъема и перекачки жидкости из шурфов, резервуаров и водоемов на номинальное переменное напряжение до 4 кВ частоты 70 Гц.
Для нефтегазодобывающей промышленности особенно остро стоит вопрос обеспечения надежности нефтепогружных кабелей (НПК) для питания нефтепогружных насосов. Эта проблема стала особенно актуальной в связи с увеличением глубин бурения скважин до 2000-3000 м, что обуславливает воздействие на изоляцию нефтепогружных кабелей повышенных температур (до 200°C) и давлений (более 100 МПа).
Традиционно используемая в изоляции резина не может обеспечить работоспособность и надежность кабеля в таком температурном диапазоне, поэтому для изоляции кабеля для установок погружных электронасосов используются термоэластопласты.
Термоэластопласты (ТЭП) устойчивы в широком интервале температур, не уступают натуральным и синтетическим каучукам, а в некоторых случаях превосходят их. ТЭП показывают хорошее сохранение свойств при эксплуатационных температурах, более высоких, чем допустимые для каучуков.
Термоэластопласты могут обладать следующими заданными свойствами:
- высокой механической прочностью;
- высокой атмосферостойкостью;
- стойкостью к воздействию ультрафиолета, озона и влаги;
- высокой гибкостью и ударной вязкостью в широком диапазоне температур;
- высокой масло- и бензостойкостью, выдающейся химической стойкостью;
- отличными свойствами при низких и высоких температурах;
- высокой износостойкостью;
- стойкостью к ударным и знакопеременным нагрузкам;
- эластичностью;
- долговечностью;
- стойкостью к усталостным деформациям, высоким усталостным сопротивлением;
- небольшой ползучестью;
- низким значением остаточной деформации сжатия;
Кроме того, если с течением времени резино-технические изделия (РТИ) стареют, теряя эластичность и приобретая хрупкость и ломкость, ТЭП, наоборот, сохраняя все свои эластические свойства, приобретают еще большие прочностные показатели. И, наконец, срок годности термоэластопластов, как сырья, так и изделий, значительно больше, чем у резины, а удельный вес ТЭП, по сравнению с резиной, более низкий. К «плюсам» ТЭП можно отнести также возможность проведения операций стыковки, сварки, склейки изделий.
Из предшествующего уровня техники известны следующие аналоги электрических кабелей для установок погружных электронасосов с изоляцией из ТЭП.
Известен кабель электрический по патенту Российской Федерации на полезную модель №61461, МПК H01B 7/00, предназначенный для подачи электрической энергии к погружным электродвигателям установок добычи нефти, водоподъема и перекачки жидкостей из шурфов. Кабель содержит три токопроводящие жилы, два слоя изоляции из композиции блоксополимера (сополимера) пропилена с этиленом. Поверх второго слоя изоляции наложена дополнительная изоляция из лент полиэтилентерефталатной пленки для защиты основной изоляции от непосредственного воздействия скважинной жидкости и газового фактора. Кабель имеет также подушку под общую броню и общую броню из профилированной стальной оцинкованной ленты. Дополнительная изоляция из лент полиэтилентерефталатной пленки обладает повышенной прочностью и стойкостью к химическим воздействиям, позволяет увеличить рабочие температуры и повысить срок службы кабеля. Недостатком является то, что основная изоляция из композиции блоксополимера (сополимера) пропилена с этиленом имеет невысокую стойкость к растрескиванию под напряжением.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является электрический кабель для погружных электронасосов по патенту Российской Федерации на полезную модель №62283, МПК H01B 7/00. Он принят за прототип полезной модели. Кабель по патенту №62283 содержит три скрученные между собой или расположенные параллельно в одной плоскости токопроводящие жилы. На каждую из жил последовательно наложены два изоляционных слоя, выполненных из силанольносшитого полиэтилена низкого давления. Поверх второго изоляционного слоя нанесен защитный слой из фторопластовой пленки и поливинилхлоридная лента (второй защитный слой изоляции), на которую наложена подушка из лент иглопробивного термоскрепленного полотна. Поверх подушки наложена общая броня из стальной оцинкованной ленты. Стойкость к растрескиванию под напряжением в скважинной среде у основной изоляции из силанольносшитого полиэтилена низкого давления в два раза выше, чем у изоляции кабеля по патенту №61461. Изоляция из силанольносшитого полиэтилена низкого давления имеет более высокий уровень устойчивости к высоким температурам. К достоинствам прототипа следует отнести также наличие двух защитных слоев изоляции у токопроводящих жил. Недостатком прототипа является низкая механическая прочность, низкая термостойкость и низкая стойкость к химическим воздействиям второго защитного слоя изоляции, выполненного из поливинилхлоридной ленты. Это отрицательно сказывается на надежности и сроке службы кабеля.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в расширении арсенала технических средств в данной области, а также повышении надежности и срока службы электрического кабеля для установок погружных электронасосов.
Данная задача достигается за счет того, что бронированный с подушкой под броню электрический кабель для установок погружных электронасосов, состоит из трех медных, скрученных между собой или уложенных в одной плоскости изолированных токопроводящих жил, каждая из которых находится в двухслойной изоляции, причем первый слой изоляции выполнен из химически сшитого полиэтилена, а второй слой изоляции выполнен из стирольного термоэластопласта на основе полиамидов, либо из стирольного термоэластопопласта на основе полиолефинов, либо из композиции блоксополимера пропилена с этиленом стойкого к воздействию ионов меди.
Скрутка жил произведена с заполнителями из блоксополимера пропилена с этиленом или резины, поверх скрученных или параллельно уложенных в одной плоскости изолированных жил кабеля продольно проложена маркировочная лента, подушка под броню выполнена в виде обмотки с перекрытием не менее 40% лентами из нетканого полотна или ткани прорезиненной невулканизированной, а броня выполнена из профилированной стальной оцинкованной или коррозионностойкой ленты и наложена «в замок» - на круглых кабелях, с перекрытием не менее 40% - на плоских кабелях.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение стойкости к воздействию смены температур от минус 60°C до длительно допустимой температуры нагрева жил (от 130°C до 180°C), механической прочности и стойкости к химическим воздействиям заявляемой полезной модели за счет сочетания свойств химически сшитого полиэтилена в первом слое изоляции со свойствами термоэластопласта во втором слое изоляции.
Технический результат и решение поставленной задачи достигаются следующим образом.
Первый слой изоляции делают из химически сшитого полиэтилена. Химически сшитый полиэтилен имеет сетчатую структуру, что значительно расширяет возможности его применения по сравнению с другими полимерными материалами, не имеющими сетчатой структуры. Температура эксплуатации изоляции из обычного полиэтилена не более 40°C, кроме того «несшитые» термопласты чувствительны к медленному распространению трещин - процессу, возникающему в результате действия внешних нагрузок, приводящих к развитию в материале изоляции усталостных напряжений. Сшитый полиэтилен гасит возникающие внутренние напряжения и полностью блокирует образование трещин. Кроме того, сшитый полиэтилен характеризуется следующими свойствами:
- устойчивость к коррозии;
- термоустойчивость и устойчивость к высокому давлению;
- высокая ударная вязкость и прочность, даже при низких температурах до -50°C (выдерживает несколько циклов замораживания и оттаивания теплоносителя без потери свойств);
- память формы, стабильность формы;
- устойчивость к механическому износу и старению при повышенной температуре;
- гибкость;
- низкая теплопроводность;
- высокая прочность на истирание и разрез;
- высокая устойчивость к воздействию химических веществ;
- высокая усталостная прочность даже при повышенной температуре (до +110°C);
- стабильность формы и трещиноустойчивость;
- высокая ударопрочность и ударная вязкость при температурах ниже -50°C;
- оптимальное соотношение гибкости и прочности.
Такие свойства сшитого полиэтилена обеспечивают кабелю для погружных электронасосов надежность в эксплуатации, механическую прочность и термостойкость.
Второй слой изоляции предлагаемого кабеля выполняют в зависимости от длительно допустимой температуры нагрева жил. Если длительно допустимая температура нагрева жил 180°C, второй слой изоляции выполняют из стирольного термоэластопласта на основе полиамидов. Термопластичные эластомеры, полученные путем смешения полиамида "твердого сегмента" и блок-сополимера на основе полиэфира "мягкого сегмента. Основными преимуществами этой группы материалов являются широкий диапазон рабочих температур, широкий диапазон твердости по Шору A. Содержание стирольных блоков в термоэластопластах (30, 40 или 50% по массе) определяет их деформационно-прочностные характеристики. С увеличением содержания жестких блоков модуль упругости и прочность возрастают, а относительное удлинение при разрыве уменьшается. Полимерная система, используемая для изоляции и оболочки кабеля получила название ТЕФАБЛОК ТО (TEFABLOC TO). Полимерная система ТЕФАБЛОК содержит в себе кристаллические полимеры, эластомеры и парафиновые масла. Наличие стирольных эластомеров в материале обеспечивает эластичность и пластичность при низких температурах. Твердые полиамидные блоки выполняют функцию термопластической жесткой фазы, обеспечивают твердость и химическую стойкость. Типы ТЕФАБЛОК′а с повышенной твердостью (65 по Шору D и больше) обладают стойкостью к маслам и топливным материалам.
Если длительно допустимая температура нагрева жил 150°C, второй слой изоляции выполняют из стирольного термоэластопласта на основе полиолефинов TEFABLOC TOCA, где вместо полиамидных жестких блоков используют кристаллические полимеры - полиолефины, которые также обеспечивают твердость и химическую стойкость, хотя и уступают полиамидным блокам по верхнему пределу теплостойкости и твердости (56 по Шору D). Стирольные термоэластопласты на основе полиолефинов обладают весьма ценным комплексом свойств: исключительно высокие диэлектрические характеристики в широком интервале температур, химическая стойкость, значительная теплостойкость, прочность, небольшой удельный вес и т.д.
Если длительно допустимая температура нагрева жил 130°C, второй слой изоляции выполняют из композиции блоксополимера пропилена с этиленом, стойкого к воздействию ионов меди. Блоксополимерные кабели превосходят полиэтиленовые по верхнему пределу температуры эксплуатации и стойкостью к растрескиванию. Они имеют: высокую ударную прочность (при низких температурах) и высокую эластичность; повышенную долговременную термическую стабильность; стойкость к термоокислительному разрушению при эксплуатации изделии из него и находят применение при изготовлении изоляции водо- и нефтепогружных, геофизических, сейсмических кабелей. Блок-сополимер обладает следующими свойствами:
Климатическая и химическая стойкость: при высоких температурах - к щелочам, кислотам, растворам солей, растительным и минеральным маслам; при комнатной температуре - к органическим растворителям; БС имеет низкое влагопоглощение. Благодаря этим свойствам, все изделия из данного материала могут долго находиться в жидких агрессивных средах.
Температурный режим: шах температура - до ста сорока градусов, температура плавления - сто семьдесят градусов. Блок-сополимер морозостоек.
Механические свойства: блок-сополимер обладает значительной ударопрочностью, пониженными твердостью и жесткостью, повышенной износостойкостью.
На Фиг. 1 изображено поперечное сечение электрического кабеля для погружных электронасосов в круглом и плоском варианте.
Кабель для установок для погружных электронасосов состоит из трех медных токопроводящих жил - 1; первого слоя изоляции из химически сшитого полиэтилена - 2; второго слоя изоляции из ТЭП - 3; подушки под броню - 4; брони - 5.
Конструкции кабеля для установок погружных электронасосов успешно опробованы в условиях производства.