НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ НА ОСНОВЕ СКИН-ЭФФЕКТА, НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ НАГРЕВА
HEATING CABLE BASED ON SKIN EFFECT, HEATING DEVICE AND METHOD OF HEATING

Изобретение относится к индукционно-резистивным нагревательным устройствам на основе скин-эффекта и может быть использовано в устройствах для предупреждения формирования парафиногидратных образований в нефтегазовых скважинах и трубопроводах, а также для подогрева вязких продуктов в трубопроводах и емкостях с целью их транспортировки и перекачки.
Из уровня техники известен нагревательный кабель на основе скин-эффекта для обогрева нефтегазовых скважин и окружающих их формаций, содержащий центральный проводник, внутренний изоляционный слой и расположенный коаксиально поверх них ферромагнитный внешний проводник (см. патент RU 2531292, опубл. 20.10.2014). В известном кабеле внутренний изоляционный слой выполнен из неорганической керамики, а внешний проводник имеет толщину стенки не менее трех толщин скин-слоя на рабочей частоте напряжения питания. Недостатками известного кабеля являются толстостенный грузонесущий внешний проводник, не защищенный от внешней агрессивной среды, со значительным радиусом изгиба (обусловленным толстыми стенками и прессованной минеральной изоляцией) и отсутствие конструкционных возможностей по регулировке выделяемой мощности вдоль продольной оси кабеля. Как следствие, для спуска/подъема кабеля в скважину требуется весьма дорогостоящее колтюбинговое оборудование, а отсутствие продольной регулировки выделяемой мощности ведет к повышенным затратам электроэнергии.
Из указанного источника известно также нагревательное устройство, состоящее из отрезка такого нагревательного кабеля и источника переменного тока, а также способ нагрева, заключающийся в использовании указанного нагревательного устройства. Эти технические решения имеют те же недостатки.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик за счет уменьшения энергозатрат и температуры нагрева, возможности уменьшения толщины стенки трубы и связанного с этим повышения гибкости нагревательного кабеля.
В части нагревательного кабеля поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в предлагаемом кабеле на основе скин-эффекта, содержащем центральный проводник, внутренний изоляционный слой и расположенный коаксиально поверх них ферромагнитный внешний проводник, внутренний изоляционный слой выполнен из полимерного материала, а внешний проводник выполнен в виде гофрированной ферромагнитной стальной трубы с толщиной стенки менее трех толщин скин-слоя на рабочей частоте напряжения питания. Внешний проводник предпочтительно снабжен слоем из неферромагнитного проводника высокой проводимости, выполненным с возможностью изменения поперечного сечения вдоль продольной оси кабеля и расположенным между гофрированной ферромагнитной стальной трубой и внутренним изоляционным слоем. Указанный слой может быть выполнен в виде оплетки из неизолированных проводников с высокой проводимостью. Внешний проводник также предпочтительно снабжен внешней оплеткой из ферромагнитной стальной проволоки, расположенной поверх гофрированной трубы. Центральный проводник может быть выполнен из одного или, по меньшей мере, двух спирально свитых неферромагнитных проводников с высокой проводимостью или в виде грузонесущего элемента, спирально обвитого, по меньшей мере, двумя неферромагнитными проводниками с высокой проводимостью. Поверх внешнего проводника предпочтительно расположена внешняя полимерная оболочка.
В части нагревательного устройства поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что предлагаемое нагревательное устройство состоит из отрезка вышеописанного нагревательного кабеля и двухфазного источника переменного тока, в котором первый выход источника переменного тока подключен к проксимальному концу центрального проводника, а второй - к проксимальному концу внешнего проводника, причем на дистальном конце указанного отрезка кабеля центральный и внешний проводники замкнуты между собой. Слой из неферромагнитного проводника с высокой проводимостью и внешняя оплетка из ферромагнитной стальной проволоки, которыми может быть снабжен внешний проводник нагревательного кабеля, на проксимальном и дистальном концах отрезка кабеля замкнуты с гофрированной ферромагнитной стальной трубой. Источник переменного тока предпочтительно выполнен с возможностью регулирования его частоты и выходного напряжения питания.
В части способа нагрева поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что предлагаемый способ заключается в осуществлении нагрева с использованием скин-эффекта во внешнем проводнике нагревательного кабеля путем подачи тока от промышленной электросети на вход источника переменного тока вышеописанного нагревательного устройства. После подачи тока от промышленной электросети предпочтительно регулируют частоту и выходное напряжение питания источника переменного тока.
На фиг. 1 представлен предлагаемый нагревательный кабель;
на фиг. 2 - центральный проводник в виде грузонесущего элемента, спирально обвитого шестью неферромагнитными проводниками с высокой проводимостью;
на фиг. 3 - схема подключения кабеля к источнику переменного тока.
Предлагаемый нагревательный кабель на основе скин-эффекта состоит из центрального проводника 1, внутреннего изоляционного слоя 2 из теплостойкого полимерного материала, расположенного коаксиально поверх них композитного внешнего проводника и внешней полимерной оболочки 3.
Центральный проводник 1 может быть выполнен из одного, двух или более неферромагнитных проводников 1′ с высокой проводимостью. Для увеличения грузонесущей способности кабеля неферромагнитные проводники 1′ могут быть спирально обвиты вокруг центрального грузонесущего элемента 1″. Выбор материала для неферромагнитных проводников 1′, их количество, сечение, а также выбор материала для центрального грузонесущего элемента 1″ целиком основываются на условиях, в которых будет эксплуатироваться кабель. Материалом неферромагнитных проводников 1′, в частности, может быть медь или алюминий. Центральный грузонесущий элемент 1″, неферромагнитный, может быть выполнен, в частности, из стали, полимерных или композитных волокон, а его конструкция может быть выполнена, в частности, в виде проволоки, троса, трубки, жгута и т.п. Выбор большого сечения неферромагнитных проводников 1′, большой угол намотки α и присутствие грузонесущего элемента 1″ существенно увеличивают грузонесущие возможности кабеля. Кроме того, большие воздушные пустоты, образованные проводниками 1′ большого сечения, расположенные под углом α к продольной оси кабеля и, соответственно, к грузонесущему элементу 1″, многократно усиливают взаимное сцепление указанных элементов кабеля и изоляционного слоя 2, что исключает проскальзывание элементов конструкции кабеля относительно друг друга при его вертикальной установке и креплении в одной верхней точке. Грузонесущая способность кабеля в этом случае определятся не только использованием грузонесущего элемента 1″, но и конструктивными особенностями каждого элемента конструкции кабеля в отдельности.
Материалом для изготовления внутреннего изоляционного слоя 2 может служить любой полимер, обеспечивающий достаточное сопротивление изоляции при работе с напряжениями питания кабеля и теплостойкость в рабочем диапазоне температур. Под нижней границей рабочего диапазона температур понимается минимально возможная температура монтажа заявленного нагревательного кабеля, а верхнюю границу определяет максимально допустимая температура на его поверхности. В частности, для обогрева нефтегазовых скважин возможно использование сшитого любым известным способом полиэтилена. Более широкий диапазон рабочих температур может обеспечить использование фторполимеров.
Дополнительная внешняя полимерная оболочка 3 выполнена из теплостойких и химически устойчивых к условиям внешней среды полимеров, что повышает герметичность кабеля, защищает от коррозии и доводит его электро- и взрывобезопасность до категории IIA по ГОСТ Р51330.9-99. В зависимости от возможных условий эксплуатации материалом для внешней оболочки 3 может служить, в частности, один из маслобензостойких сополимеров полипропилена или фторполимер.
Внешний проводник может быть выполнен композитным в виде гофрированной ферромагнитной стальной трубы 4 с дополнительными компонентами. А именно: второй компонент - слой 5 из неизолированного неферромагнитного проводника с высокой проводимостью, и третий компонент - оплетка 6 из ферромагнитной стальной проволоки. В зависимости от требуемых характеристик внешний проводник может быть выполнен однокомпонентным (только в виде трубы 4), двухкомпонентным (труба 4 со слоем 5), так и трехкомпонентным (труба 4 со слоем 5 и оплеткой 6).
Общепринято использовать при конструировании скин-систем толщину ферромагнитного внешнего проводника, большую или равную трем толщинам скин-слоя, определяемого как уменьшение плотности магнитного потока в е раз в поперечном срезе ферромагнитного проводника. Как показывает практика, в этом случае потенциал напряжения на поверхности ферромагнитного проводника будет настолько низок, что внешний проводник не принято даже изолировать. Однако в этом случае серьезно страдают вес и гибкость кабеля.
г
Согласно изобретению в качестве основного компонента внешнего проводника предлагается использовать гофрированную трубу 4 из ферромагнитной стали. Толщина стенки указанной трубы 4 в предлагаемом кабеле меньше трех толщин скин-слоя на рабочей частоте напряжения питания и определяется совокупностью накладываемых электрических и механических ограничений. Параметры гофра определяют механическую прочность трубы и увеличение площади теплопередачи. Коэффициент гофрирования К
где h - высота гофра, t - шаг гофра;
составляет от 1,15 до 1,5 и определяет реальное увеличение площади теплопередачи.
Использование гофрированной поверхности позволяет достичь сразу нескольких существенных результатов. Во-первых, вместе с уменьшенной толщиной стенки трубы 4 и использованием полимерного внутреннего изоляционного слоя 2 возможно получить очень гибкий кабель с минимальным радиусом изгиба 400 мм, что значительно упрощает эксплуатацию. Во-вторых, значительно увеличивается площадь теплоотдачи кабеля (до 50%) и, как следствие, уменьшается температура нагрева его поверхности, а соответственно, и энергозатраты по сравнению с традиционной цилиндрической формой. В-третьих, такая форма позволяет избежать «проскальзывания» элементов конструкции кабеля друг относительно друга при вертикальной закладке (крепление в одной точке) и больших длинах (более 1 км). В-четвертых, грузонесущая способность предлагаемого кабеля может быть увеличена до 2 км собственной длины, а устойчивость к внешнему давлению - до 110 атм.
Слой 5 из неизолированного неферромагнитного проводника с высокой проводимостью расположен между гофрированной трубой 4 и внутренним изоляционным слоем 2. Слой 5 выполнен с возможностью изменения поперечного сечения вдоль продольной оси кабеля, что позволяет изменять эффективное поперечное сечение внешнего проводника на определенном участке и произвольно менять выделяемую мощность, т.е. температуру на поверхности. Электрический ток, протекающий через компоненты внешнего проводника тем больше, чем выше электрическое сопротивление слоя 5. При физическом отсутствии этого слоя его сопротивление условно принимается бесконечным. Регулирование протекающего тока осуществляется путем изменения поперечного сечения слоя 5. Если слой 5 выполнен в виде оплетки, то для этого в процессе производства кабеля в зависимости от поставленной задачи меняется (увеличивается или уменьшается) количество проводников, составляющих оплетку для слоя 5, а также ее плотность. Для увеличения на поверхности кабеля температуры (при постоянном напряжение питания) количество проводников в слое 5 уменьшают, а для уменьшения температуры - увеличивают. Количество и длина участков кабеля с различной плотностью оплетки для слоя 5 могут быть любыми в пределах протяженности кабеля. Для увеличения динамического диапазона регулировки сопротивления шунтирования оплетку для слоя 5 целесообразнее выполнять из большого количества проводников малого сечения. Материалом для изготовления проводников оплетки для слоя 5 может быть, в частности, медь или другой материал с высокой проводимостью. Таким образом, заранее зная температурный профиль (для скважины - геотерма) по линии установки отрезка кабеля и вводя необходимые корректировки этого профиля путем изменения поперечного сечения слоя 5, возможно значительно минимизировать энергозатраты на обогрев объекта и увеличить срок службы кабеля.
Внешняя оплетка 6 может быть выполнена из ферромагнитной стальной проволоки и расположена поверх гофрированной ферромагнитной стальной трубы 4 под внешней оболочкой 3 и, при сохранении гибкости, позволяет устранить электрический потенциал на внешней поверхности внешнего проводника.
Выполненное на основе предлагаемого кабеля нагревательное устройство формируется путем подключения отрезка MN кабеля к двухфазному источнику 7 переменного тока, выполненному с возможностью регулирования его частоты и выходного напряжения питания. Первый выход источника 7 подключают к проксимальному концу М центрального проводника 1, а второй - к проксимальному концу М внешнего проводника (трубы 4). На дистальном конце N указанного отрезка кабеля центральный 1 и внешний проводники замкнуты между собой. Если внешний проводник содержит слой 5 и/или оплетку 6, несмотря на то, что все компоненты имеют надежный электрический контакт между собой на всем протяжении отрезка MN кабеля, они дополнительно замыкаются на проксимальном М и дистальном N концах между собой и с гофрированной ферромагнитной стальной трубой 4.
В соответствии с предлагаемым способом нагрев поверхности отрезка MN кабеля осуществляется после подачи напряжения питания от промышленной электросети на вход источника 7. Любые корректировки функционирования заявленного нагревательного устройства осуществляются регулировкой выходного напряжения питания и/или частоты источника 7, который может управляться любой из известных систем управления и контроля двухфазных источников переменного тока.
За счет описанной конструкции предлагаемый нагревательный кабель обладает:
- повышенной гибкостью - радиус изгиба до 400 мм;
- стойкостью к химическим соединениям, входящим в состав обогреваемой жидкости;
- устойчивостью к внешнему давлению до 110 атм и растягивающему усилию до 15 кН;
- низким энергопотреблением.
Изобретение позволяет упростить эксплуатацию за счет использования стандартного оборудования для спуска/подъема гибкого геофизического кабеля и обладает конструктивными возможностями по регулированию выделяемой мощности на поверхности нагревательного кабеля вдоль его продольной оси в соответствии с температурным профилем (для скважины - геотерма) обогреваемого объекта или потребительскими запросами, используя переменный ток с регулируемой частотой и выходным напряжением.