геофизический коаксиальный кабель

Формула изобретения

Геофизический коаксиальный кабель, содержащий изолированные друг от друга центральную токоведущую жилу, выполненную из повивов медной проволоки, токоведущую медную оплетку и двухповивную проволочную броню, центральная токоведущая жила выполнена с площадью поперечного сечения не менее 1,5 мм² и равной по величине площади поперечного сечения токоведущей медной оплетки, при этом соотношение размеров кабеля выражается формулой



где R₁ - радиус центральной токоведущей жилы, задаваемый с учетом требуемой величины передаваемой мощности и заданной величины наружного диаметра;

R₂ - внутренний радиус токоведущей медной оплетки;

R₃ - наружный радиус токоведущей медной оплетки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к кабельной технике и может быть использовано для проведения работ и исследований в нефтяных и газовых скважинах.

Известна конструкция каротажного кабеля, содержащая изолированные друг от друга центральную токоведущую жилу и токоведущую медную оплетку, концентрично наложенную на жилу оболочку из изоляционного материала, при этом соотношение между толщиной оболочки и изоляции равно 5-8. Диаметр центральной токоведущей жилы равен 1,7 мм, наружный диаметр кабеля составляет 8,8 мм (см. авторское свидетельство СССР 551707, МПК² Н 01 B 7/00, опубл. 25.03.77 г., б. 11).

Перечисленные особенности конструкции кабеля не позволяют использовать его в качестве силового. Площадь поперечного сечения центральной токоведущей жилы кабеля мала, что определяет его низкую пропускную способность.

Наиболее близким аналогом является геофизический коаксиальный кабель КРК-2, содержащий изолированные друг от друга центральную токоведущую жилу, выполненную из повивов медной проволоки, токоведущую медную оплетку и двухповивную проволочную броню.

Центральная токоведущая жила кабеля скручена из семи медных проволок, диаметр которых равен 0,35 мм, по системе 1+6. Фактическая площадь сечения жилы равна 0,673 мм². Наружный диаметр кабеля составляет 10 мм. Описанный кабель является сигнальным и может пропустить высокочастотный ток, равный 20-100 мА (см. Л. А.Горбенко, "Каротажные кабели и их эксплуатация", изд. "Недра", М., 1978, с.28).

Недостаток известного кабеля заключается в низкой пропускной способности и невозможности использования его в качестве силового из-за невозможности передачи по кабелю требуемой электрической мощности, что объясняется малой величиной площади поперечного сечения токоведущей центральной жилы. Простое увеличение величины радиуса поперечного сечения центральной жилы (исходя только из необходимого значения плотности пропускаемого тока) не обеспечит нормальную работоспособность кабеля в качестве силового, т.к. приведет к уменьшению толщины изоляционных слоев, снижению электрической прочности кабеля и выходу его из строя.

В основу изобретения положена задача создания конструкции геофизического коаксиального силового кабеля с высокой пропускной способностью при габаритах, допускающих его использование в нефтяных и газовых скважинах, обеспечивая нормальную работоспособность и электрическую прочность кабеля.

Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет передачи больших мощностей без нагрева брони кабеля при приемлемом для работы в скважине наружном диаметре.

Технический результат достигается тем, что в геофизическом коаксиальном кабеле, содержащем изолированные друг от друга центральную токоведущую жилу, выполненную из повивов медной проволоки, токоведущую медную оплетку и двухповивную проволочную броню, центральная токоведущая жила выполнена с площадью поперечного сечения не менее 1,5 мм² и равной по величине площади поперечного сечения токоведущей оплетки, при этом соотношение размеров кабеля выражается формулой



где R₁ - радиус центральной токоведущей жилы, задаваемый с учетом требуемой величины передаваемой мощности и заданной величины наружного диаметра;

R₂ - внутренний радиус токоведущей оплетки,

R₃ - наружный радиус токоведущей оплетки.

Поскольку в условиях заданной величины наружного диаметра кабеля площадь поперечного сечения центральной токоведущей жилы составляет не менее 1,5 мм² и равна по величине площади поперечного сечения токоведущей медной оплетки, при этом соотношение размеров кабеля выражается заявляемой формулой, то при задаваемой величине R₁ значения внутреннего R₂ и наружного R₃ радиусов токоведущей медной оплетки определяют исходя из системы уравнений



Выполнение центральной токоведущей жилы с площадью поперечного сечения не менее 1,5 мм² дает возможность использовать геофизический коаксиальный кабель в качестве силового за счет обеспечения передачи большей электрической мощности.

Определенные из заявленных условий значения внутреннего и наружного радиусов токоведущей оплетки обеспечивают возможность изготовления геофизического коаксиального силового кабеля, способного передавать большие электрические мощности при минимально необходимых толщинах изоляционных слоев и габаритах, не превышающих заданную величину наружного диаметра кабеля, допускающую его использование в нефтяных и газовых скважинах с сохранением нормальной работоспособности и электрической прочности кабеля.

Изоляционные слои между центральной токоведущей жилой и токоведущей медной оплеткой и между токоведущей медной оплеткой и двухповивной проволочной броней, при заявляемом соотношении радиусов центральной токоведущей жилы и токоведущей медной оплетки, имеют достаточную для обеспечения электрической прочности толщину.

Условие равенства площадей поперечного сечения токоведущих центральной жилы и токоведущей медной оплетки, а также заявленное соотношение размеров кабеля позволяет обеспечить электрическую прочность кабеля при передаче большей электрической мощности при заданном наружном диаметре кабеля путем достижения оптимальных размеров упомянутых площадей и толщин их изоляционных слоев в ограниченном пространстве кабеля, что допускает его использование в нефтяных и газовых скважинах и расширяет его функциональные возможности за счет использования не только в качестве измерительного (или сигнального), но и в качестве силового.

Заявляемый геофизический коаксиальный кабель представлен на чертеже и содержит следующие элементы:

1 - центральная токоведущая жила;

2 - первый изоляционный слой;

3 - токоведущая медная оплетка;

4 - второй изоляционный слой;

5 - двухповивная проволочная броня.

Центральная токоведущая жила 1 скручена из стренг, состоящих из повивов медных проволок. Следующий за центральной токоведущей жилой 1 первый изоляционный слой 2 выполнен, например, из полиэтилена или полипропилена. Токоведущая оплетка 3, расположенная за первым изоляционным слоем 2, выполнена из мягкой медной проволоки диаметром, например, 0,2 мм. На токоведущую медную оплетку 3 нанесен второй изоляционный слой 4, в качестве которого также использован, например, полиэтилен или полипропилен. За вторым изоляционным слоем 4 расположена двухповивная проволочная броня 5, повивы которой выполнены, например, из стальной проволоки.

Исходя из того, что геофизический коаксиальный кабель рассчитывается для работы, например, при номинальном напряжении до 600 В и переменном токе до 20 А частотой до 20 КГц с плотностью 5 А/мм² и без нагрева, площади сечения центральной токоведущей жилы и токоведущей медной оплетки должны составлять 4 мм² и быть равными между собой.

Используемая в центральной токоведущей жиле 1 проволока диаметром 0,26 мм, при которой коэффициент заполнения для данного типа проволоки равен 0,5083, для заданных условий работы кабеля, определяет величину радиуса поперечного сечения центральной токоведущей жилы 1 (R₁), равную 1,58 мм, при этом площадь ее составит 3,98 мм².

Токоведущая оплетка 3 выполнена из мягкой медной проволоки диаметром 0,2 мм. Коэффициент заполнения для данного типа проволоки равен 0,589. Внутренний радиус (R₂) токоведущей медной оплетки 3, с учетом необходимой толщины изоляционного слоя 2, которая должна быть не менее 0,9 мм, будет равным 2,5 мм.

Зависимость изменения наружного радиуса R₃ токоведущей оплетки 3 от изменения радиуса R₁ центральной токоведущей жилы 1 носит нелинейный характер, при расчете значения R₃ необходимо вносить поправку, учитывающую цилиндрическую геометрию кабеля.

Фактическое значение наружного радиуса (R_3факт) токоведущей оплетки 3 определяется с учетом коэффициентов заполнения и значений радиусов токоведущих центральной жилы 1 и оплетки 3 (R_3факт.=2,9 мм). При этом учитываются минимально необходимая толщина изоляционного слоя 4 и значение заданного радиуса двухповивной проволочной брони 5, равного, например, 3,8 мм. R_3факт.= f(R₁, R₂, К_ц.т.ж., К_оп.),

где К_ц.т.ж. - коэффициент заполнения центральной токоведущей жилы, К_оп. - коэффициент заполнения токоведущей оплетки.

Значение наружного радиуса токоведущей оплетки 3, с учетом поправки на цилиндрическую геометрию кабеля R_3corr=f(R_3факт., R₁), определяется через коэффициенты корреляции, выведенные авторами, и равно 2,75 мм.

Таким образом, при радиусе центральной токоведущей жилы 1, равном R₁= 1,58 мм, значение наружного радиуса токоведущей оплетки может быть выбрано из диапазона 2,75-2,9 мм.

При заданном значении радиуса двухповивной проволочной брони 5, например, 3,8 мм наружный радиус токоведущей медной оплетки 3 (R₃) выбирается равным 2,9 мм. Тогда площадь поперечного сечения токоведущей медной оплетки 3 составит 3,99 мм², т.е. фактически будет равняться площади поперечного сечения центральной токоведущей жилы 1, равной 3,98 мм².

Заданная величина радиуса центральной токоведущей жилы 1 и подобранные величины внутреннего и наружного радиусов токоведущей медной оплетки 3 соответствуют заявляемому соотношению





При этом соблюдается равенство площадей поперечного сечения токоведущих центральной жилы 1 и оплетки 3, что обеспечивает нормальную работоспособность кабеля. Толщина изоляционного слоя 4 при этом составляет 0,9 мм, что является достаточным для обеспечения электрической прочности кабеля (см. Д. С. Бачелис "Электрические кабели, провода и шнуры", справочник, М., 1971).

Таким образом, при соответствии размеров кабеля заявляемому соотношению соблюдается равенство площадей сечения токоведущих центральной жилы и оплетки, обеспечивается работоспособность кабеля, выдерживается необходимая толщина изоляционных слоев, обеспечивающая электрическую прочность кабеля при заданном наружном диаметре двухповивной брони кабеля.

Заявляемая конструкция геофизического коаксиального кабеля позволит обеспечить передачу высокой электрической мощности, что расширяет функциональные возможности кабеля за счет его использования не только в качестве измерительного (или сигнального), но и в качестве силового.