ГИБКОЕ ВИТОЕ ИЗДЕЛИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН И ТРАНСПОРТИРОВКИ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ

Полезная модель относится к кабельной промышленности, к производству витых проволочных изделий. В практике разработки нефтяных и газовых месторождений широко применяют кабели различных конструкций, выполняющих задачу информационного канала связи, грузонесущую, проталкивающую и транспортирующую роль.
При транспортировании жидких и газообразных составляющих, одним из основных требований, предъявляемых к изделию является герметичность и прочность пластмассовой трубы. Нарушение герметичности трубы 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, к появлению волнистости, выходу проволоки из повива.
Известен кабель - шланг, содержащий трубу, поверх которой уложена стальная спираль, два повива брони, причем во внутреннем повиве располагаются изолированные электрические жилы (А.С. СССР №1387049, H01В 7/18 04.06.86 г.).
Отличительной особенностью данного кабеля является наличие спирали на трубе, что приводит к большим контактным напряжениям в местах касания спирали с трубой при транспортировании химических реагентов внутри трубы, а это несомненно является причиной появления трещин, разрывов на трубе и, как следствие, выхода кабеля из строя.
Кроме того, использование двух повивов брони с плотным укладыванием проволок в каждом слое без зазоров приводит к значительному превышению крутящего момента наружного слоя над крутящим моментом внутреннего слоя брони и, как следствие, к повороту кабеля, выходу проволок из повивов, нарушению целостности изделия, к снижению эксплуатационного срока службы.
Известен грузонесущий геофизический кабель, содержащий токопроводящую жилу, изоляцию и броню, отличающийся тем, что токопроводящая жила выполнена в виде трубки, обеспечивающей гидродинамический канал связи из полимерного материала с токопроводящей оплеткой, взаимодействующей с токопроводящей жидкостью, находящейся в трубке (патент на полезную модель РФ №35035, 7 H01В 7/00, F16L 11/00 2003 г.). Причем броня выполнена из металлической проволоки или ленты, располагаемой однослойным или многослойным повивом, или встречным повивом по многозаходной винтовой линии на поверхности кабеля.
Недостатками данного изделия является большая трудоемкость изготовления кабеля, а также совмещение канала для подачи химического реагента и токопроводящей жилы в виде оплетки, что увеличивает вероятность выхода из строя всего кабеля.
Известен кабель - гибкая протяжная труба, имеющая в основе пластмассовую трубу, броню из металлической проволоки и токопроводящие жилы, отличающаяся тем, что применяемая труба имеет дополнительную полимерную оболочку, армированную химическим волокном 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 7 F16L 9/00, опубликовано 27.03.2005 г.). Принят за прототип.
Недостаток изделия - сложность нанесения на пластмассовую трубу дополнительной полимерной оболочки с одновременным армированием ее волокном или проволокой, удорожание кабеля из-за дополнительной операции. Кроме того, 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.
С кручением кабеля резко возрастают внутренние напряжения в материале трубы, ведущие к появлению трещин, разрывов и, как следствие, к потере герметичности и прочности и снижению производительности труда всего изделия.
Техническим результатом создания полезной модели является:
- повышение устойчивости изделия против кручения;
- повышение герметичности и прочности пластмассовой трубы;
- упрощение процесса производства изделия;
- увеличение срока эксплуатации готового продукта.
Получение указанных результатов достигается тем, что в данном изобретении, содержащем пластмассовую трубу, два противоположно свитых повива из стальной проволоки и наружное полимерное покрытие, труба имеет отверстие, занимающее от 20 до 80% площади 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 15-50°, а полимерное покрытие, проникая через зазоры наружного слоя брони, заполняет винтовые впадины внутреннего слоя, имеет толщину, равную 1,0-1,3 мм.
Сущность изобретения поясняется фигурой, где представлена конструкция изделия, состоящая из 4 элементов:
1 - пластмассовая труба;
2 - внутренний слой брони;
3 - наружный слой брони;
4 - наружное полимерное покрытие
Использование во внутреннем повиве брони плотного слоя проволок без зазоров с числом проволок, равным 15-100 штук и углом свивки 8-20° позволяет получить слой с большой площадью контакта с пластмассовой трубой и, таким образом, предохранить трубу от высоких контактных давлений в местах касания проволок с трубой и обеспечить продлжительный срок эксплуатации.
В то время как в прототипе не указано требование по плотной укладке проволок, поэтому возможен вариант использования зазоров, а это ведет к увеличению давления на трубу и снижению срока службы. Для повышения устойчивости изделия против кручения, внутренний слой брони покрывается наружным повивом брони, число проволок которого и угол свивки определяются условием, при котором крутящие моменты повивов обоих слоев должны быть примерно равными.
Сделаем обозначение на фигуре.
M1 - крутящий момент от проволоки внутреннего повива;
М2 - крутящий момент от проволоки наружного повива брони.
Уравнение некрутимости изделия имеет вид:
Усилие S, действующее на проволоку и создающий момент определяется по формуле:
где Q - сила, возникающая по оси проволоки в результате действия рабочей нагрузки, действующей по оси изделия;
α - угол свивки проволок.
Суммарные моменты, действующие в слоях в общем виде определяются количеством ni проволок в слое, средним радиусом ri слоя i, усилием si, действующим на проволоку слоя i и создающим момент, т.е.
После решения формулы (1) относительно числа проволок наружного слоя брони изделия получаем:
С учетом равенства сил Q формула принимает вид
Зная угол свивки и число проволок внутреннего слоя брони и задаваясь углом свивки наружного слоя брони можно определить число проволок этого слоя, обеспечивающее крутящий момент, равный крутящему моменту внутреннего слоя, что повышает устойчивость против кручения изделия в целом в период эксплуатации и увеличивает срок службы.
Для примера сделаем расчет числа проволок для трубы диаметром 9,0 мм и проволоки диаметром 1,4 мм.
Путем простого расчета, число проволок во внутреннем плотноуложенном слое будет равно делению длины окружности, на которой располагаются проволоки, на диаметр проволоки. При угле свивки равном 13° число проволок составит 24. Определим количество проволок в наружном повиве брони при углах свивки внутреннего слоя 13° и наружного слоя 45° по формуле (5):
n2=6
Таким образом, чтобы получить примерно одинаковые крутящие моменты повивов брони, необходимо заложить во внутреннем повиве 24 проволоки, а в наружном - 6 проволок и использовать углы свивки, равные 13° и 45°.
В прототипе же не используется принцип подбора углов свивки и числа проволок, чтобы обеспечить равенство крутящих моментов обоих повивов брони.
Использование трубы с отверстием, занимающим от 20 до 80% от общей площади трубы, обеспечивает свободное продвижение реагентов к месту исследования и гарантирует достаточную прочность трубы при прохождении изделия через блоки и барабан подъемного механизма. Применение полимерного покрытия толщиной от 1,0 до 3,0 мм, заполнение зазоров наружного слоя брони и винтовых впадин внутреннего слоя обеспечивает необходимую прочность и длительную эксплуатацию изделия в промышленных условиях без нарушения целостности полимерного покрытия.
Изобретение на полезную модель реализовано на опытном образце следующей конструкции:
- диаметр изделия по наружному слою брони
- 14,6 мм
- диаметр трубы
- 9,0 мм
- диаметр отверстия трубы
- 3,5 мм
- диаметр проволоки внутреннего слоя
- 1,4 мм
- диаметр проволоки наружного слоя
- 1,4 мм
- число проволок внутреннего слоя
- 24 шт.
- число проволок наружного слоя
- 6 шт.
- угол свивки внутреннего слоя
- 13°
- угол свивки наружного слоя
- 45°
Труба, изготовленная из полиэтилена, имеет отверстие диаметром 3,5 мм, подвергается покрытию стальной проволокой диаметром 1,4 мм с углом свивки 13°, что обеспечивает шаг свивки равный 89 мм, при этом на трубу наносится 24 проволоки. После чего внутренний слой брони покрывается наружным повивом проволок в количестве 6 штук в противоположном направлении и шагом свивки 52 мм, обеспечивающий угол свивки 45°. При таких параметрах гарантируется равенство крутящих моментов обоих повивов брони.
Опытный образец изделия был испытан на кручение на опытной установке при следующих условиях.
Изделие подвешивалось вертикально по высоте 5 метров, к нему подвешивался груз весом 50 кг и определялся угол закручивания. Изделие повернулось на 0,5 оборота, что подтверждает высокую сопротивляемость изделия к кручению.
Опытное изделие прошло опытно-промышленные испытания и получило положительную оценку потребителя.