Гибкое витое изделие для транспортировки жидких и газообразных составляющих и исследования нефтяных и газовых скважин

Полезная модель относится к кабельной промышленности, к производству витых проволочных изделий.
В области разработки скважин различного назначения широко используют кабели разнообразных типов и назначений, выполняющих задачу информационного канала связи, грузонесущую и транспортирующую роль.
При транспортировании жидких и газообразных сред одним из главных требований, предъявляемых к изделию, является герметичность и прочность всей конструкции кабеля по всей его длине и сечению. Нарушение герметичности конструкции приводит к выходу изделия из строя. Кроме того, изделие должно обладать устойчивостью против кручения. При невыполнении этого требования возникают дополнительные внутренние силы, приводящие к повороту изделия во время эксплуатации, к появлению волнистости, выходу проволоки из повива. В этом случае требуется ремонт изделия, либо снятие его с эксплуатации.
Известен кабель - шланг, содержащий трубу, поверх которой уложена проволочная спираль, два повива брони, причем во внутреннем слое располагаются изолированные электрические жилы (А.С. СССР №1387049 Н01В 7/18 04.06.1986 г.).
Отличительной особенностью данного кабеля является наличие проволочной спирали на трубе, что приводит к большим контактным напряжениям в местах касания спирали с трубой при транспортировании жидких и газообразных составляющих, и это несомненно является главным условием появления трещин, разрывов на изделии и, как следствие, выхода кабеля из строя. Кроме того, использование двух повивов брони с плотным расположением проволок в каждом повиве является причиной значительного превышения крутящего момента наружного слоя над крутящим моментом внутреннего повива и, как следствие, приводит к вращению кабеля, выходу проволок из слоя, нарушению целостности кабеля, к снижению работоспособности всего изделия.
Известен кабель - гибкая протяжная труба, состоящая из пластмассовой трубы, брони из металлической проволоки и токопроводящих жил, отличающаяся тем, что применяемая труба имеет дополнительную полимерную оболочку, армированную синтетическим или 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 РФ на полезную модель №44782 кл. 7F 16/900, опубликовано 27.03.2005 г.).
Недостатком кабеля является то, что в полезной модели не определены условия изготовления его с нулевым крутящим моментом, по этой причине резко повышается вероятность появления «фонарей», выхода проволоки из слоя и, как следствие, уменьшение срока службы кабеля.
Известен кабель - гибкое витое изделие для исследования нефтяных и газовых скважин, и транспортировки жидких и газообразных сред, содержащее пластмассовую трубу, два противоположно свитых повива из стальной проволоки и наружное полимерное покрытие (Патент РФ на полезную модель №80268 МПК Н018 7/00, 2006 г.).
Отличительной чертой данного кабеля является то, что труба имеет отверстие, занимающее от 20 до 80% от общей площади трубы, внутренний слой брони образован повивом из плотно уложенных проволок с количеством, 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 слоя брони, заполняет впадины внутреннего слоя, имеет толщину, равную 1÷3,0 мм. По данному кабелю можно дать следующую информацию.
Навивка круглой проволоки на пластмассовую трубу является не совсем удачным решением, так как в местах касания проволок с трубой возникают большие контактные напряжения, которые ведут к появлению трещин, разрывов на изделии и, как следствие, к преждевременному снятию кабеля с эксплуатации. Кроме того, применение одной наружной полимерной оболочки на кабеле недостаточно для успешного и длительного использования кабеля в промышленных условиях, потому что внешняя оболочка защищает кабель от внешнего воздействия, но недостаточно оберегает изделие от разрыва и трещин от воздействия внутреннего давления, обеспечивающего продвижение реагентов по трубе.
Исполнение изделия только с двумя слоями брони обеспечивает успешную эксплуатацию при небольших величинах внутреннего давления и поэтому ограничивает использование его в других промышленных условиях, где требуется транспортирование сред 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 №2315223 от 13.04.2006 г.). Принят за прототип.
По данному кабелю можно дать следующие замечания.
При производстве кабеля по данному патенту 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. Принимая во внимание то, что металлическая лента имеет высокую жесткость, а трубная заготовка находится в малопрочном состоянии, при образовании арматуры возникнут большие деформационные нагрузки, которые могут привести к разрушению конструкции трубы или нарушению ее формы и, как следствие, к большим производственным потерям.
Кроме того, использование сплошного слоя полимерного материала для образования стенки трубы предполагает применение только одной экструзионной операции при внесении полимера в трубную заготовку с арматурными элементами, это условие уменьшает толщину стенок готового изделия и таким образом ограничивает применение данного изделия в более тяжелых условиях эксплуатации, когда требуется проталкивать продукцию в трубе на большие расстояния и в больших объемах.
Следует также отметить, что при образовании арматуры из металлической ленты, 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 изделия и расширение области применения кабеля в промышленных условиях исследования горизонтальных и вертикальных нефтяных и газовых скважин, когда требуется транспортировать ингредиенты на большие расстояния и больших объемах.
Указанная задача достигается тем, что гибкое витое изделие, содержащее пластмассовую трубу, нанесенные на нее один или два разнонаправленных повива из металлической оплетки вместе образующих рукав высокого давления, согласно полезной модели оно снабжено дополнительной полимерной оболочкой, содержащей три повива из стальной оцинкованной проволоки, причем первые два повива свиты вплотную друг к другу, имеют разное направление свивки и зазоры между соседними проволоками в каждом повиве, определяемые из соотношения:
Δ=(0÷15) δ, где
Δ - размер зазора;
δ - диаметр проволоки;
(0÷15) - коэффициент соотношения;
третий повив расположен на периферии полимерной оболочки и свит тоже с зазорами между соседними проволоками, определяемыми из соотношения:
Δ=(2÷15) δ, где
Δ - размер зазора;
δ - диаметр проволоки;
(2÷15) - коэффициент соотношения;
причем углы навивки проволок каждого повива в отдельности должны находиться по отношению к оси изделия в пределах 20÷40°,
кроме того, между парой повивов из стальной оцинкованной проволоки и третьим повивом из стальной оцинкованной проволоки расположены равномерно по кругу на одинаковом расстоянии друг от друга изолированные токопроводящие жилы, которые навиты на промежуточное изделие с углом наклона к оси кабеля, равным 20÷50°.
Основой для разработки новой конструкции полезной модели является гибкое витое изделие - рукав высокого давления, выпускаемое по технической документации: «Рукава резиновые и рукава в сборе компактные гидравлического типа с внутренней проволочной оплеткой». Технические условия DIN EN 857.
Данная конструкция состоит из пластмассовой трубы и одного или двух повивов металлической оплетки и используется для транспортировки жидких и газообразных составляющих на короткие расстояния. В качестве металлической оплетки может быть использована металлическая лента повышенной прочности. Для расширения области применения данного изделия рукав высокого давления снабжен дополнительной полимерной оболочкой, состоящей из двух частей: промежуточной полимерной оболочки и наружной полимерной оболочки, в каждой из которых содержатся повивы из стальной оцинкованной проволоки: во внутреннем - два повива, в наружной - один повив.
Сущность полезной модели поясняется фигурой 1, где представлена конструкция изделия, состоящая из следующих элементов: рукав высокого давления - 1, первый повив брони из проволоки - 2, второй повив брони из проволоки - 3, изолированная токопроводящая жила - 4, промежуточная полимерная оболочка - 5, третий повив брони из проволоки - 6, наружная полимерная оболочка - 7. На фигуре 2 изображена конструкция рукава высокого давления, включающая в себя: пластмассовую трубу - 8, первый повив из ленты - 9, второй повив из ленты - 10.
Особенность конструкции гибкого витого изделия состоит в том, что первый и второй повивы из стальной проволоки свиты в плотном состоянии и плотно навиты на повивы из металлической ленты, рукава высокого давления, в прототипе каждый повив находится в своем пластмассовом поле и они не соединены между собой, что ведет к потерям физико-механических свойств кабеля в целом.
Для подтверждения этого показателя были проведены эксперименты по оценке потерь свойств кабеля свитого в плотном состоянии и кабеля свитого в разрозненном состоянии. Были изготовлены кабели двух типов:
1 тип
Конструкция: 1 токопроводящая жила (ТПЖ) + 6 пр. + 12 пр. + наружная полимерная оболочка.
Диаметр ТПЖ - 1,5 мм;
Диаметр проволок первого повива - 1,5 мм;
Диаметр проволок второго повива - 1,5 мм;
Толщина наружной полимерной оболочки - 1,0 мм;
Диаметр кабеля - 9,5 мм.
2 тип
Конструкция: 1 ТПЖ + 6 пр. + внутренняя полимерная оболочка + 12 пр. + наружная полимерная оболочка.
Диаметр ТПЖ - 1,5 мм;
Диаметр проволок первого повива - 1,5 мм;
Толщина внутренней полимерной оболочки - 0,5 мм;
Диаметр проволок второго повива - 1,5 мм;
Толщина наружной полимерной оболочки - 0,5 мм;
Диаметр кабеля - 9,5 мм.
Были проведены испытания по определению удлинения кабелей.
Первый кабель имел относительное удлинение равное - 7%, второй кабель - 14%.
Испытания подтвердили преимущество кабелей, свитых в плотном состоянии, перед кабелями, имеющими прослойки полимерного материала между повивами. Это объясняется тем, что при нагружении кабеля, проволоки начинают смещаться, менять свое положение, воспринимают нагрузку разрозненно, не одновременно и увеличивают удлинение, а кабели, в которых проволоки имея твердую основу, опираясь друг на друга, воспринимают нагрузку одновременно, агрегатно, имеют удлинение меньшей величины.
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 стальной оцинкованной проволоки и образовать промежуточную полимерную оболочку. Кроме того, зазор позволяет получить нулевой результирующий крутящий момент всех трех повивов из стальной оцинкованной проволоки и таким образом создать благоприятные условия для работы кабеля в промышленных условиях. Такой кабель ведет себя спокойно, не поворачивается вокруг своей оси, не делает петель, таким образом, обеспечивает нахождение проволок в своих первоначально запланированных местах и не дает поводов на отрицательную эксплуатацию.
В этом случае уравнение некрутимости кабеля имеет вид:
1
2
3
ΣM-ΣМ+ΣМ=0, где
1
3
ΣM÷ΣМ - суммы крутящих моментов составляющих проволок первого, второго и третьего повивов.
Использование рукава высокого давления, в котором применена в качестве оплетки металлическая лента для производства новой конструкции полезной модели позволяет получить весьма высокий положительный эффект за счет того, что лента навита на пластмассовую трубу без зазоров между соседними витками, в то время как в прототипе эти зазоры должны быть обязательными, так как они используются для сварки соседних слоев полимера. Отсутствие зазоров между соседними витками ленты в повиве позволяет резко повысить прочность и герметичность изделия от действия внутреннего давления при транспортировке жидких и газообразных составляющих на дальние расстояния. Для подтверждения этого тезиса были проведены эксперименты по определению герметичности и прочности гибкого витого изделия от действия внутреннего давления двух типов:
1 тип
Гибкое витое изделие, состоящее из пластмассовой трубы и нанесенной на нее металлической ленты вплотную друг к другу без зазоров между соседними витками.
2 тип
Гибкое витое изделие, состоящее из пластмассовой трубы и нанесенной на нее металлической ленты с зазорами между соседними витками, равными 3÷4 мм.
Образцы были подвергнуты испытаниям по нагнетанию жидкости внутрь трубы с заделанным концевым отверстием. Результаты испытаний следующие:
- гибкое витое изделие без зазора выдержало 4 МПа;
- гибкое витое изделие с зазорами выдержало 2 МПа.
При этих результатах нарушилась герметичность трубы и давление в трубе не стало повышаться. Эти испытания подтверждают повышенные качества гибкого витого изделия с применением рукавов высокого давления и повивов из металлической ленты без зазоров между соседними витками в сравнении с прототипом, в котором применены повивы из металлической ленты с зазорами между соседними витками.
Токопроводящие жилы должны располагаться между парой повивов из стальной оцинкованной проволоки и третьим повивом из стальной оцинкованной проволоки равномерно по концентрическому кольцу на одинаковом расстоянии друг от друга, одинаковом расстоянии каждой токопроводящей жилы от центра изделия под углом 20÷50° к оси кабеля.
Эти требования обеспечивают повышенное качество гибкого витого изделия по следующим направлениям:
- высокая точность образования круга гибкого витого изделия без признаков наличия эллипса;
- повышенная точность изготовления кабеля по размеру диаметра, получаем меньший разбег диаметра готового изделия по длине изделия;
- сохранность токопроводящей жилы без ее обрыва в течение всего срока эксплуатации гибкого витого изделия.
Указанные отличия позволяют увеличить прочность и герметичность кабеля и, таким образом, гарантировать бесперебойную длительную работоспособность полезной модели. Этих требований в прототипе нет, поэтому отсутствует и возможность получения указанных положительных качеств в период эксплуатации. Стальная оцинкованная проволока всех трех повивов, каждого в отдельности, должна иметь угол наклона к оси кабеля равным 20+40°. Повышенный угол наклона позволяет увеличить площадь контакта проволок первого повива с повивом из металлической ленты, а также со вторым повивом из стальной оцинкованной проволоки, а это значит уменьшаются контактные напряжения и образование обрывов от этих напряжений в указанных местах и в целом повышается срок службы предлагаемой полезной модели.