УЗЕЛ ГЕРМЕТИЧНОГО КАБЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ СКВАЖИННОГО ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БУРОВЫМ УСТРОЙСТВОМ
UNIT OF TIGHT CABLE CONNECTION OF THE WELLING EQUIPMENT OF THE DRILLING DEVICE CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано для коммутации электрических цепей скважинного оборудования при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин.
Из уровня техники известен кабельный питающий ввод, входящий в кабельную систему подачи электроэнергии для глубинного насосного или нагревательного оборудования, раскрытую в патенте на изобретение Великобритании GB2504184, 2012 г. Известный кабельный питающий ввод содержит коннектор, компоновку, включающую корпус, содержащий герметичный порт, переводную втулку, выступ, эластомер, окончание, втулку, закрепленную на окончании, а также проводник, соединяющий выходное окончание компоновки с ответной частью системы подачи электроэнергии.
Кабельный питающий ввод является герметичным и работает под давлением некоррозионной жидкости до 70 МПа при помощи различных уплотнительных элементов.
Недостатком питающего кабельного ввода является сложная конструкция компоновки, которая вызвана необходимостью электрического соединения проводника с двумя окончаниями кабеля. Наличие нескольких уплотнительных цилиндрических эластомеров и колец приводит к увеличению риска выхода из строя всей компоновки при отказе одного из уплотнительных элементов. Другим недостатком является необходимость периодической проверки компоновки на предмет течи. Помимо этого, необходимость герметизации нескольких уплотнительных элементов конструкции кабельного ввода приводит к большим размерам конструкции компоновки и невозможности использовать ее в устройствах кабельного ввода с малыми размерами.
Из уровня техники известно кабельное соединение, предназначенное для передачи электрического и информационного сигнала между устройствами, используемыми при добыче углеводородов, и находящееся под давлением жидкости, раскрытое в патенте на изобретение Великобритании WO2017133950, 2017 г. Известное соединение содержит уплотнительный вход, соединитель, компоновку соединителя, молдинг, в который устанавлен кабель в уплотнительном входе, обжим, соединительное звено, штифт и уплотнитель, препятствующий попаданию в корпус уплотнительного входа жидкости.
Недостатком кабельного соединения является то, что в присутствии значительных вибраций уплотнителем и молдингом не обеспечивается достаточная изоляция электрического проводника, в результате чего обжим и соединительное звено могут выйти из строя, пропадет электроинформационный контакт и, следовательно, утратится связь с глубинным оборудованием.
Из уровня техники известен электрический кабельный соединитель для компоновки электроцентробежного насоса, раскрытый в патентах на изобретение Японии JPS 59110896, 1982 г. (патент США US 4626721, 1986 г.). Кабельный соединитель включает корпус, резиновый герметик, соединительный узел, кожух соединителя, который наполнен смолой и терминалы, к которым подключены электроды кабеля.
Недостатком известного изобретения является низкий срок службы электрического соединения, связанный с тем, что при эксплуатации электроцентробежного насоса кабель подвергается динамическим ударным нагрузкам, которые не могут быть полностью погашены резиновым герметиком, уплотняющим кабель внутри корпуса. В результате этого кабель может перемещаться внутри герметика и деформировать электрические проводники внутри него, которые жестко закреплены в кожухе соединителя с помощью твердой смолы.
Из уровня техники известен уплотнительный наконечник, который используется при гравитационном дренировании пласта с закачкой пара для изоляции кабеля, соединенного с оборудованием на забое скважины, раскрытый в патенте на изобретение Канады СА 2964602, 2017 г. Наконечник содержит резиновый корпус, включающий уплотнительные лопасти и цилиндрическое отверстие, в которое устанавливается кабель, прочно закрепляется при установке уплотнителя в глубинно-насосное оборудование и не пропускает скважинную продукцию.
Недостатком известного изобретения является низкий срок службы резинового корпуса, который подвержен влиянию значительных давлений и температуры, что может привести к быстрому износу корпуса и разгерметизации электрического соединения.
Из уровня техники известны герметичные кабельные соединители по патентам на изобретение Российской Федерации №№2305182, 2322717, 2351759, 2634923, по патентам на полезную модель №№42703, 164466, 101205, 46889, 167847.
Из уровня техники известен герметичный кабельный ввод, входящий в изолятор автономного прибора акустического каротажа, раскрытый в патенте на изобретение РФ №2609440, 2017 г. Герметичный кабельный ввод относится к категории электрических соединителей, работающих под высоким давлением, и обеспечивает герметизацию переходных головок.
Недостатком известного устройства является невозможность использования герметичных кабельных вводов указанного типа в малогабаритных элементах конструкции, где требуется обеспечить бесперебойную работу устройства, например, системы управления буровым устройством, под давлением до 40 МПа, в условиях вибрационных и ударных нагрузок до 30 g. Недостатком также является использование в качестве герметизирующего материала стеклоизолятора или подобных твердых материалов (например, герметичных вводов типа вилок СН-47Б производства АО «Соединитель» (г.Миасс), ООО «СпецСнабГео» (г.Москва) или Greene Tweed & Со (США)), которые являются хрупкими и не обладают достаточными прочностными характеристиками при работе в условиях высоких вибрационных и ударных нагрузок.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является узел герметичного кабельного соединения тайваньской компании AVC Industrial Corp.(http://www.avc-corp.msk.ru/avc1_4.html), состоящий из гайки, шайбы, пустотелого цилиндрического корпуса, эластомера, коронки, и уплотнительной гайки. В цилиндрический пустотелый корпус установлены кабель и электрический проводник и герметично зафиксированы с помощью коронки. Кабельный ввод может использоваться в диапазоне температур от -40 до +100°С, является стойким к соленой воде, слабым кислотам, спирту, маслам, нефтепродуктам и основным растворителям. Данное устройство принято в качестве прототипа.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - пустотелый металлический цилиндрический корпус, эластомер, уплотнительная гайка, герметично зафиксированные внутри корпуса кабель и электрический проводник.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является сложность конструкции, состоящей из шести соединительных элементов, которая не обеспечивает надежную работу устройства, например, системы управления буровым устройством в условиях высоких давлений, вибрационных и ударных нагрузок. Также к недостаткам относятся большие габариты кабельного ввода и то, что кабель и электрический проводник фиксируются с помощью сдавливающей коронки, которая деформирует эластомер. Кроме того, используемый эластомер, изготовленный из вакуумной резины, имеет малую жизнеспособность из-за низкой эластичности и усадки в процессе полимеризации, что приводит к созданию внутренних напряжений в структуре эластомера, быстрому выходу из строя, и, как следствие, разгерметизации электрического соединения.
Из анализа уровня техники выявлено, что на сегодняшний день не существует герметичного кабельного ввода, который бы обеспечивал длительную бесперебойную работу устройства, например, системы управления буровым устройством в условиях высоких давлений, температур, вибрационных и ударных нагрузок.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности работы узла герметичного кабельного соединения в условиях высоких давлений, температур и вибраций, упрощение конструкции и уменьшение ее габаритов.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном узле герметичного кабельного соединения скважинного оборудования системы управления буровым устройством, включающем пустотелый металлический цилиндрический корпус, эластомер, уплотнительную гайку и герметично зафиксированные внутри корпуса кабель и электрический проводник, согласно изобретению кабель и электрический проводник зафиксированы с помощью залитого в корпус эластомера, выполненного из полиуретана с возможностью расширения при полимеризации, при этом на внутреннюю поверхность корпуса и изоляционную оболочку электрического проводника нанесен адгезив.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - кабель и электрический проводник зафиксированы с помощью залитого в корпус эластомера, выполненного из полиуретана с возможностью расширения при полимеризации; на внутреннюю поверхность корпуса и изоляционную оболочку электрического проводника нанесен адгезив.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволят герметично зафиксировать кабель и электрический проводник внутри пустотелого цилиндрического корпуса без использования дополнительных механических средств за счет естественного расширения полиуретана при полимеризации, а также нанесения адгезива на внутреннюю поверхность корпуса и изоляционную оболочку электрического проводника. Благодаря этому достигается заявленный технический результат: повышение надежности работы узла герметичного кабельного соединения в условиях высоких давлений, температур и вибраций, упрощение конструкции и уменьшение ее габаритов.
Узел герметичного кабельного соединения является ответственным приспособлением для подключения электрических проводников через корпус с перепадом давления до 40 МПа, находящихся в условиях вибрационных и ударных нагрузок до 30 g.
В качестве герметизирующего материала предлагается использовать полиуретан, по техническим характеристикам близкий к маркам НИЦ ПУ-5 и СКУ-ПФП-100, обладающий более высоким комплексом физико-механических характеристик, чем другие резины и пластмассы. Наиболее важной характеристикой полиуретана является высокая прочность в комплексе с высокой эластичностью, что позволяет с одной стороны противостоять перепаду давления и вибрационным нагрузкам, а с другой стороны за счет эластичности препятствовать отрыву материала от корпуса и проводников из-за усадки после полимеризации (до 1,5%). Высокая эластичность полиуретана позволяет герметичному кабельному вводу работать в условиях ударных нагрузок и снижает требования к геометрической соосности штепселя и розетки по сравнению со стеклянным изолятором, который обеспечивает стабильную работу под давлением до 100 МПа, однако из-за хрупкости герметизирующего компаунда не выдерживает ударных нагрузок и разрушается.
Известно, что все пластмассы и резины имеют высокую усадку после отверждения. После вулканизации резин усадка изделий составляет от 1,5 до 3%. Эпоксидные смолы имеют минимальную усадку - от 0,3 до 2%. Усадка для ненаполненных марок Полиамид 6, поликапроамид, поликапролактам, капрон, ПА 6 составляет от 0,7 до 2,5%. Усадка для фенолоальдегидных пресс-порошков составляет от 0,4 до 1%.
Именно из-за этого, традиционно, в герметичных кабельных вводах эластомеры в собранном с проводниками виде вставляются в корпус герметизатора и резьбовыми втулками распираются внутри для обеспечения герметичности, что негативно сказывается на рабочих характеристиках полиуретана.
Одним из преимуществ полиуретана являются его изоляционные характеристики. Другим преимуществом является то, что на сегодняшний день разработана технология изготовления полиуретана с возможностью увеличения объема материала в процессе полимеризации и исключения распирания эластичного материала втулками. Увеличение объема в процессе полимеризации позволяет обеспечить надежное соприкосновение полимера с металлическими поверхностями и проводами, и соответственно, герметичность кабельного ввода.
Проявление увеличения объема (разбухания) полиуретана практически не использовалось целенаправленно (это явление фиксировалось как побочный эффект).
Для изготовления предлагаемого узла герметичного кабельного соединения требуется пескоструйная или шарошечная обработка (освежение) поверхности металлического корпуса, нанесение адгезива на внутреннюю поверхность корпуса и на электрический проводник с последующей сушкой. Далее проводится сборка проводника в корпусе без повреждения адгезионного слоя.
На чертеже схематично представлено заявляемое устройство в горизонтальном положении (разрез сбоку).
Узел герметичного кабельного соединения скважинного оборудования системы управления буровым устройством содержит пустотелый цилиндрический металлический корпус 1, на котором закреплены уплотнительные кольца 2-4 и гайка 5, содержащая соединительную резьбу для подключения к камере с атмосферным давлением. С помощью залитого в корпус 1 эластомера 6, в корпус 1 запрессован кабель 7, электрический проводник 8 которого насквозь проходит корпус 1 из камеры, находящейся под давлением жидкости в сухую камеру с атмосферным давлением. Эластомер 6 выполнен из полиуретана с возможностью расширения при полимеризации. На внутреннюю поверхность корпуса 1 и изоляционную оболочку электрического проводника 8 нанесен адгезив. В качестве адгезива могут быть использованы составы CHEMOSIL 597Е, Силбонд 49 СТС, АК 070М. При этом эластомер 6 надежно склеен как с металлическим корпусом 1, так и с кабелем 7 и электрическим проводником 8.
Кольцо 2 может быть изготовлено в соответствии с ГОСТ 18829/ГОСТ 9833-73. Кольцо 3 может быть изготовлено в соответствии с ГОСТ 23825-79. Кольцо 4 может быть изготовлено в соответствии с ГОСТ 9389-75. Эластомер может быть изготовлен из полиуретана ЭП-СКУ-ПТ-74, марка 3.
Узел герметичного кабельного соединения скважинного оборудования системы управления буровым устройством работает следующим образом.
Для гашения вибрационных и ударных нагрузок эластомер 6 не жестко удерживает кабель 7 и электрический проводник 8, запрессованными в корпусе 1 и обеспечивает двухстороннюю передачу электроинформационного сигнала из камеры высокого давления, создаваемого, например, маслом, со стороны эластомера 6 в сухую камеру атмосферного давления, где располагается, например, управляющая электроника системы управления буровым устройством, со стороны уплотнительных колец 2 и 3, которые вместе с кольцами 4 обеспечивают дополнительную герметизацию узла кабельного соединения за счет гайки 5, ввинчивающейся в полость, которую необходимо изолировать от воздействия высоких давлений и температуры.
В результате проведенных работ по испытанию опытного образца конструкции узла герметичного кабельного соединения достигнута прочность в 40 МПа.
Узел герметичного кабельного соединения может использоваться для передачи двухстороннего электрического информационного сигнала между составными элементами скважинного оборудования системы управления буровым устройством, находящихся под давлением до 40 МПа, а также испытывающих вибрационные и ударные нагрузки до 30 g.
Заявляемый узел герметичного кабельного соединения выдерживает длительное динамическое напряженное состояние и обеспечивает бесперебойную работу скважинного оборудования системы управления буровым устройством, в таких средах как: масла, соленая вода, слабые кислоты, спирты, нефтепродукты и основные растворители.
Применение расширяющегося после заливки полиуретана позволяет значительно снизить возможные габариты узла герметичного кабельного соединения по сравнению с изолятором из резины, так как не требуется применение распирающих резину гаек в конструкции кабельного ввода. Помимо этого, конструкция узла упрощается, не содержит соединительных элементов и является неразборной.
По сравнению со стеклянными изоляторами габариты заявляемого узла не отличаются. Однако ввиду высокой прочности и эластичности срок их службы составляет до 8 лет.
Преимущество изобретения состоит в том, что оно позволяет повысить надежность работы узла герметичного кабельного соединения скважинного оборудования системы управления буровым устройством в условиях высоких давлений, температур и вибраций, а также обеспечивает возможность применения конструкции узла герметичного кабельного соединения с малыми габаритами для коммутации электрических цепей скважинного оборудования.