ОКОНЦОВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО МНОГОЖИЛЬНОГО НАГРЕВАТЕЛЬНОГО КАБЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области нефтедобычи, в частности, к кабельной технике и может быть использована при оборудовании скважин нагревательным кабелем для путевого электропрогрева добываемой вязкой и высоковязкой пластовой жидкости, для ликвидации парафино-гидратных пробок в скважинах, а также для предотвращения замерзания водоводов в опасных участках нефтепромыслового оборудования, в системах закачки воды, транспорте нефти и газа.
Важнейшей эксплуатационной характеристикой нагревательных кабелей, используемых в жестких условиях гидравлического и/или газового давления (например, в условиях нефтедобывающих скважин такие давления достигают величины от 10-20 и более МПа), является полная герметичность концевого участка кабеля за счет выполнения надежного оконцовочного устройства для концевой заделки его токопроводящих жил, соединенных в замкнутую электрическую цепь. Это позволит исключить электрический пробой изоляции кабеля и повысит срок его службы. Учитывая, что стоимость 1 км нагревательного кабеля составляет порядка 70-90 тыс.руб, а работы по его замене связаны с остановкой скважины и демонтажем колонны насосно-компрессорных труб (НКТ), то к качеству оконцовочных устройств для концевой заделки токопроводящих жил концевого участка нагревательного кабеля предъявляются повышенные требования.
Известно оконцовочное устройство многожильного нагревательного кабеля, включающее изоляционный (защитный) слой, сформированный из электроизоляционной ленты, внутри которого размещен конец
нагревательного кабеля, состоящий из соединенных между собой для образования замкнутой электрической цепи зачищенных концов токопроводящих жил (Белоусов И.И. и др. «Производство кабелей и проводов с пластмассовой изоляцией», М.-Л., «Энергия», 1966, с.81-83). Указанное известное оконцовочное устройство (законцовку) получают путем размещения в пресс-форме соединенных между собой (например, путем скрутки) токопроводящих жил, с последующей выпрессовкой изоляционной массы (герметизирующего материала) в полость пресс-формы и охлаждением.
Недостатком указанного известного оконцовочного устройства является его низкая эксплуатационная надежность во внутрискважинных условиях при всестороннем воздействии давлением на него жидкости и/или газа. Это обусловлено тем, что при его изготовлении возможно произвольное смещение скрученных токопроводящих жил концевой части нагревательного кабеля относительно друг друга и пресс-формы, что значительно снижает стойкость изоляции оконцовочного устройства нагревательного кабеля к воздействию агрессивной среды в термобарических условиях скважины, и как следствие, к падению сопротивления изоляции до "нуля".
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по совокупности совпадающих признаков является оконцовочное устройство многожильного нагревательного кабеля, включающее защитный стакан, в полости которого размещен конец нагревательного кабеля, состоящий из жестко соединенных между собой для образования замкнутой электрической цепи зачищенных концов токопроводящих жил, заведенных для цели жесткого соединения и надежного контакта между зачищенными жилами в металлическую гильзу, поверх которой размещены изоляционные термостойкие оболочки и термоусадочная
трубка (Свидетельство РФ на полезную модель №14474, Кл. Н 01 В 7/18, от 2000 г.).
Однако это оконцовочное устройство не лишено недостатков, а именно: оно характеризуется недостаточной эксплуатационной надежностью при использовании во внутрискважинных условиях, особенно при высоком пластовом давлении более 10 МПа. В этих условиях возможно проникновение скважинной жидкости и пузырьков газа по капиллярам между изоляцией и токопроводящими жилами и, как следствие, - нарушение диэлектрических свойств изоляции, электрический пробой и нарушение сплошности изоляции по длине нагревательного кабеля. Это ведет к необходимости замены всего кабеля.
Кроме того, конструкция известного оконцовочного устройства относительно сложна в изготовлении.
Технический результат, достигаемый предлагаемыми вариантами полезной модели заключается в повышении эксплуатационной надежности оконцовочного устройства многожильного нагревательного кабеля в осложненных термобарических условиях нефтедобывающих скважин, в том числе и при давлении более 20 МПа, путем обеспечения надежной герметизации изоляции токопроводящих жил кабеля, соединенных в замкнутую электрическую цепь за счет получения герметизирующего слоя с высокими диэлектрическими свойствами независимо от пространственного положения концевого участка кабеля, а также за счет подачи герметизирующего материала по двум и более каналам.
Указанный технический результат обеспечивается предлагаемым оконцовочным устройством многожильного нагревательного кабеля, включающим защитный стакан, в полости, которого размещен конец нагревательного кабеля, состоящий из соединенных между собой для
образования замкнутой электрической цепи зачищенных от изоляционного слоя концов токопроводящих жил, при этом по первому варианту новым является то, что в полости защитного стакана дополнительно установлен экран со сквозными отверстиями, часть из которых предназначена для пропускания через них токопроводящих жил нагревательного кабеля, а другая часть отверстий является свободной, при этом полость защитного стакана, в которой размещен конец нагревательного кабеля, состоящий из соединенных между собой для образования замкнутой электрической цепи зачищенных от изоляционного слоя концов токопроводящих жил, заполнена герметизирующим материалом, который размещен в указанной полости защитного стакана через свободные отверстия экрана, а по второму варианту новым является то, что в стенке защитного стакана выполнено отверстие, снабженное перекрывающим элементом, а в полости защитного стакана дополнительно установлен экран со сквозными отверстиями, часть из которых предназначена для пропускания через них токопроводящих жил нагревательного кабеля, а другая часть отверстий является свободной, выполненной с возможностью перекрытия, при этом полость защитного стакана, в которой размещен конец нагревательного кабеля, состоящий из соединенных между собой для образования замкнутой электрической цепи зачищенных от изоляционного слоя концов токопроводящих жил, заполнена герметизирующим материалом, который размещен в указанной полости защитного стакана через свободные отверстия экрана и/или через отверстие в стенке защитного стакана.
В оконцовочном устройстве по обоим вариантам экран со сквозными отверстиями установлен в полости защитного стакана со смещением к его открытому торцу, а отверстия в экране выполнены с возможностью их перекрытия, например, посредством заглушки или поворотной пластины.
В оконцовочном устройстве по обоим вариантам зачищенные от изоляционного слоя концы токопроводящих жил жестко соединены между собой посредством медной или стальной гильзы, или медной или стальной пластины, или посредством гильзы или пластины из сверхпроводимого материала, поверх которой размещен изоляционный материал с подклеивающим слоем, в частности, на хлопчатобумажной основе.
Экран в обоих вариантах преимущественно выполнен из металлического и/или диэлектрического материала, а диаметр части отверстий экрана, предназначенных для пропускания через них токопроводящих жил нагревательного кабеля, равен диаметру незачищенной от изоляционного слоя токопроводящей жилы.
В качестве герметизирующего материала, используют многокомпонентный компаунд.
В оконцовочном устройстве по обоим вариантам защитный стакан и/или экран соединены разъемно или неразъемно с общей изоляционной оболочкой и/или броней нагревательного кабеля, при этом разъемное соединение защитного стакана и/или экрана с общей изоляционной оболочкой и/или броней нагревательного кабеля выполнено в виде металлического кожуха конусной формы, одним концом соединенным с защитным стаканом и/или с экраном, а другим концом - с оболочкой или с броней, а неразъемное соединение защитного стакана и/или экрана с общей изоляционной оболочкой и/или броней нагревательного кабеля выполнено, например, в виде кожуха из твердеющего герметизирующего материала.
По обоим вариантам защитный стакан в поперечном сечении выполнен в виде круга, или квадрата, или прямоугольника, или эллипса, или выпукло-вогнутого эллипса, а дно защитного стакана выполнено съемным, при этом отверстие стенки защитного стакана снабжено резьбой, а перекрывающий элемент для него выполнен в виде стержня с ответной резьбой на наружной поверхности, а с другого торца
выполнена петля для присоединения оконцовочного устройства к протектору.
Указанный технический результат достигается за счет следующего.
Благодаря тому, что в полости защитного стакана установлен экран и при этом в преимущественном варианте другой конец защитного стакана и/или экрана герметично соединены с общей изоляционной оболочкой и/или с броней нагревательного кабеля, достигаются условия для надежной герметизации не только токопроводящих жил нагревательного кабеля, но и всего концевого участка нагревательного кабеля. И как следствие, исключается проникновение агрессивной среды между изоляцией и жилами кабеля, а значит - попадание жидкости и/или газа к зачищенным от изоляционного слоя токопроводящим жилами.
Перекрытие полости защитного стакана поперечным экраном с отверстиями, часть из которых предназначена для пропускания через них токопроводящих жил кабеля, позволяет разместить зачищенные и незачищенные от изоляционного слоя токопроводящие жилы свободного конца кабеля по разные стороны экрана. При этом между ними обеспечивается достаточный зазор и удаленность как друг от друга, так и от стенок защитного стакана для цели полного охвата токопроводящих жил герметизирующим материалом, что позволяет надежно изолировать наиболее уязвимый для пробоя участок нагревательного кабеля, состоящий из соединенных между собой защищенных от изоляционного слоя токопроводящих жил.
Благодаря тому, что часть отверстий в экране остается свободной, обеспечивается возможность размещения герметизирующего материала в полости защитного стакана путем заливки или окунания.
Выполнение по второму варианту как свободных отверстий в экране, так и отверстий в стенке защитного стакана, выполненных с возможностью перекрытия, обеспечивает наряду с возможностью размещения герметизирующего материала в полости защитного стакана
через любые указанные отверстия, еще и возможность заполнения этой полости при различном положении этого защитного стакана в зависимости от существующего технологического оборудования, а также одновременно или с прерыванием подачи герметизирующего материала как в отверстия экрана, так и в отверстие в стенке защитного стакана.
Таким образом, свободный конец нагревательного кабеля, токопроводящие жилы которого соединены между собой с образованием замкнутой электрической цепи, согласно предлагаемому оконцовочному устройству, имеет несколько ступеней защиты от всестороннего воздействия жидкости и/или газа, что обеспечивает высокую степень герметичности изоляции этого свободного конца даже в осложненных термобарических условиях нефтедобывающих скважин, а значит, гарантирует высокую эксплуатационную надежность всего нагревательного кабеля, что особенно важно при его монтаже непосредственно у скважины.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид оконцовочного устройства многожильного нагревательного кабеля, по второму варианту, а на фиг.2 - разрез А-А оконцовочного устройства по первому и второму варианту.
Оконцовочное устройство, согласно предлагаемой полезной модели, состоит из защитного стакана 1, установленного в его полости поперечного экрана 2 с отверстиями, часть из которых 3, 4, 5 предназначены для пропускания через них зачищенных от изоляционного слоя токопроводящих жил 6 и незачищенных от изоляционного слоя токопроводящих жил 7 нагревательного кабеля 8. Другая часть отверстий 9, 10 остается свободной, но при этом выполненной с возможностью перекрытия, например, посредством заглушки или поворотной пластины. Диаметр отверстий 3, 4, 5 равен диаметру одной незачищенной от изоляционного слоя токопроводящей жилы 7 (т.е. с изоляцией) в
нагревательном, кабеле 8. Незачищенные от изоляционного слоя токопроводящие жилы 7, освобожденные от общей изоляционной оболочки 11 и брони 12, введены во внутреннюю полость защитного стакана 1 через отверстии 3, 4, 5 поперечного экрана 2, где их зачищенные концы 6 жестко соединены между собой посредством металлической гильзы 13, например, медной, и образуют замкнутую электрическую цепь. При этом полость защитного стакана 1 заполнена полимерным герметизирующим материалом 14, например, двухкомпонентным компаундом, размещенным в указанной полости через свободные отверстия 9 и 10 экрана 2 (по первому варианту) или через свободные отверстия 9 и 10 экрана 2 и/или отверстие 15, выполненное в стенке защитного стакана 1 (по второму варианту). Каждое свободное отверстие 3 и 4 в экране 2 и отверстие 15 в защитном стакане 1 снабжено, например, заглушкой. В преимущественном варианте выполнения отверстие 15 снабжено резьбой, а заглушка 16 выполнена в виде стержня с ответной резьбой на наружной поверхности.
Для обеспечения дополнительной ступени защиты конца нагревательного кабеля 8, состоящего из соединенных между собой для образования замкнутой электрической цепи зачищенных концов токопроводящих жил 6, защитный стакан 1 и/или экран 2 соединены разъемно (посредством металлического кожуха 17 конусной формы) или неразъемно (посредством затвердевшего полимерного герметизирующего материала) с общей изоляционной оболочкой 11 и/или броней 12 нагревательного кабеля 8.
Предлагаемое оконцовочное устройство выполняется при монтаже нагревательного кабеля непосредственно у скважины или на кабельном участке. После определения необходимой длины кабеля производят концевую заделку его свободного конца путем выполнения оконцовочного устройства по вышеприведенной схеме по первому или по второму варианту. После затвердевания герметизирующего материала перед
спуском кабеля в скважину производят наземные испытания изготовленного оконцовочного устройства на специальном стенде, на котором моделируют скважинные условия, а именно: наличие агрессивной пластовой среды, температура +30-100°С, давление 20-23 МПа. Время испытаний составляет 18 часов.
В случае отсутствия после испытаний электрического пробоя нагревательного кабеля, кабель спускают в скважину путем крепления хомутами к наружной поверхности насосно-компрессорных труб. После спуска в скважину всего нагревательного кабеля второй свободный конец кабеля подключают к источнику питания.
Оконцовочное устройство многожильного нагревательного кабеля по предлагаемой полезной модели было выполнено на трехжильном нагревательном кабеле марки КН-3х5,5. Оно было испытано в следующих условиях:
- агрессивная среда - модель пластовой воды с минерализацией согласно ГОСТ - 9.905 и РД 39-0147276-359;
- температура - +50°С;
- давление в испытательной камере - 20 МПа;
- время выдержки - 24 часа.
Результаты испытаний - изоляция не нарушена, электрического пробоя нет.
Таким образом предлагаемое оконцовочное устройство многожильного нагревательного кабеля обеспечивает эффективную герметизацию соединения в замкнутую электрическую цепь токопроводящих жил кабеля, а значит - высокую эксплуатационную надежность работы нагревательного кабеля даже в жестких скважинных условиях при повышенном давлении.