электрический кабель

Формула изобретения

Электрический кабель для питания электродвигателей погружных электронасосов, содержащий изолированные токопроводящие жилы и оболочку из термоэластопласта, расположенную на каждой жиле и/или на всех вместе, отличающийся тем, что изоляция жил выполнена из бескислородно-радиационно-модифицированного через оболочку из термоэластопласта полиэтилена высокой плотности.

Описание изобретения к патенту

Электрический кабель относится к кабельной технике и может быть использован для питания погружных электросистем, преимущественно электродвигателей погружных нефтенасосов.

На работоспособность кабелей электродвигателей погружных нефтенасосов влияют скважинные и другие факторы:

- проникновение газа под давлением во внутренний объем изоляции, уменьшение плотности изоляции приводит к росту токов утечки - уменьшению диэлектрических свойств изоляции;

- подъем УЭЦН при присутствии газа в изоляции, уменьшение плотности изоляции, радиальные микроразрывы (микротрещины) изоляции при несоответствующих скоростях подъема УЭЦН приводят к росту токов утечки - уменьшению диэлектрических свойств изоляции;

- присутствие горячей воды более 80°С и внедрение ее в изоляцию приводит к соединению гидроксильной группы (ОН) с молекулярной структурой изоляции, приводит к уменьшению диэлектрических свойств изоляции - росту токов утечки;

- вымывание ингредиентов из изоляции (специальных добавок, увеличивающих срок эксплуатации кабеля) приводит к уменьшению диэлектрических свойств изоляции - росту токов утечки;

- внедрение маслянистых жидкостей не диэлектрического характера под давлением в изоляцию приводит к уменьшению плотности изоляционного материала, росту токов утечки;

- внедрение маслянистых жидкостей под давлением в изоляцию, в закрытом объеме под бронепокровом, приводит к сдавливанию средней жилы и утонению ее боковых стенок, результатом этого эффекта является появление продольных трещин по бокам средней жилы и росту токов утечки;

- внедрение химических веществ в объем изоляции, таких как NaCl, H₂S углеводородных соединений и других, приводит к химическому соединению с молекулярной структурой изоляции и росту токов утечки;

- высокое давление отрицательно влияет на работу изоляции.

(Я.З.Месенжник «Кабели для нефтегазовой промышленности», Ташкент, издательство «Фан», 1972, стр.28, 29).

Известен «Электрический кабель» по патенту RU № 2109359 С1, 6 Н01В 7/18, от 1997.01.22, опубл. 1998.04.20. Электрический кабель содержит три расположенных параллельно в одной плоскости токопроводящие жилы, каждая из которых имеет двухслойную изоляцию из композиции на основе полиэтилена высокой плотности, подушку под броню в виде положенной поверх жил прорезиненной невулканизованной ткани, общую броню из стальной профилированной ленты, а также дополнительный элемент изоляции, выполненный по меньшей мере из двух фторопластовых лент, наложенных с перекрытием 30-50% на внутренний слой изоляции.

Из-за того что поверх второго слоя изоляции расположены фторопластовые ленты, между ними остаются воздушные включения, которые способствуют электрическому пробою изоляции. Такая конструкция предназначена для работы в диапазоне температур 90-110°С, скважинной жидкости и не более, так как полиэтиленовая изоляция, при значениях температуры выше этих, потеряет диэлектрические свойства.

Наиболее близкой по технической сущности является конструкция кабеля с изоляцией из радиационно-модифицированного полиэтилена высокой плотности (РМ ПЭВП), изготавливаемого Подольским кабельным заводом (Г.П.Макиенко «Кабели и провода, применяемые в нефтегазовой индустрии», Пермь-2004, стр.128, 129, рис.3,6, прил.1), где изоляцию жил для увеличения температурной стойкости обрабатывают на ускорителях электронов в присутствии воздуха.

При проведении НИОКР исследовано поведение сопротивления изоляции из РМ ПЭВП в жидкой среде при изменении температуры. Работы показали, что облучение ПЭ высокой плотности в присутствии воздуха приводит к глубокой окислительной деструкции, которая, в свою очередь, сопровождается повышением гидрофильности изоляции и, следовательно, интенсификацией процесса диффузии жидкости в изоляцию. Это способствует резкому увеличению проводимости изоляции (уменьшению сопротивления изоляции) с ростом температуры. Данный фактор ограничивает применение радиационно-модифицированного ПЭВП (полиэтилен высокой плотности) в качестве двухслойной изоляции.

Исследована зависимость сопротивления изоляции из разных материалов и температуры на образцах с двухслойной облученной изоляцией из полиэтилена высокой плотности (Г.П.Макиенко «Кабели и провода, применяемые в нефтегазовой индустрии», Пермь-2004, стр.129, рис.3.6, прил.1).

Для кабеля с двухслойной изоляцией из радиационно-модифицированного полиэтилена сопротивление изоляции начинает резко падать с ростом температуры и при 102°С составляет менее 50 МОм/км, вместо более 2500 МОм/км, требование ГОСТ Р 51777-2001 г. (Новиков Д.В. Разработка и исследование теплостойких кабелей для погружных нефтенасосов. Афтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1999 г.).

В случае облучения электронами в присутствии кислорода часть энергии излучения затрачивается на окисление. Скорость деструкции полимера под влиянием кислорода увеличивается, а скорость сшивания уменьшается.

Радиационное окисление поверхности и объема полиэтилена, существенно ухудшающие электрофизические и механические характеристики изоляции, заметно влияет не только на такую структурно-чувствительную характеристику, как tg (приводит к его возрастанию), но и на другие электрофизические характеристики, что особенно проявляется при повышении температуры. Температурные коэффициенты диэлектрической проницаемости ТК и удельного сопротивления изоляции ТК v при облучении на воздухе выше, чем при облучении в инертной среде. В этих случаях существенно различаются так же абсолютные значения и v (см. рис.29 б, табл.21) (стр.211, прил.2) («Кабели для газовой промышленности» Я.З. Месенжник, издательство ФАН-Узбекской ССР, Ташкент, 1972 г.). Резкое снижение сопротивления изоляции образцов с радиационно-окисленной изоляцией наблюдается и при длительной (примерно 420 ч) работе в воде при атмосферном давлении под напряжением 250 и 500 В переменного тока промышленной частоты. При этом основное снижение сопротивления изоляции происходит за первые 80 часов выдержки («Кабели для газовой промышленности» Я.З.Месенжник, издательство ФАН-Узбекской ССР, Ташкент, 1972 г., стр.213, прил.2).

В помещениях, где производится обработка изоляции электронным облучением, создать бескислородную среду в объеме более 18 м³ с большим количеством технологических проемов требует серьезных технических решений и капиталовложений (Г.П.Макиенко «Кабели и провода, применяемые в нефтегазовой индустрии», стр.127, прил.1).

Задачей предлагаемого технического решения является существенное улучшение электрофизических и механических характеристик изоляции, в том числе и при скоростных подъемах кабеля после длительного пребывания в скважине, увеличение срока службы при эксплуатации кабеля на глубинах до 3000 метров с температурой пластовой жидкости от 80 до 210°С.

Поставленную задачу решают за счет того, что электрический кабель для питания электродвигателей погружных электронасосов содержит изолированные токопроводящие жилы и оболочку из термоэластопласта, расположенную на каждой жиле и/или на всех вместе, при этом изоляция жил выполнена из бескислородно-радиационно-модифицированного полиэтилена высокой плотности через оболочку из термоэластопласта.

Расположение оболочки из термоэластопласта на каждой жиле и/или на всех вместе позволяет провести бескислородное радиационное модифицирование полиэтилена высокой плотности, поскольку после покрытия термоэластопластом изоляции токопроводящих жил доступ воздуха к изоляции исключен.

Такая конструкция кабеля с защищенной и обработанной изоляцией жил создает условие для получения изделия с более высоким качеством диэлектрических свойств изоляции, в том числе и по токам утечки, поскольку не ухудшает своих диэлектрических свойств от времени, обработанная через оболочку из других материалов продолжает снижать свои диэлектрические свойства со временем.

Совокупность признаков нова и, кроме известного из уровня техники повышения теплостойкости кабеля, приводит к новому техническому результату, выявленному при эксплуатации, существенному улучшению электрофизических характеристик изоляции (см. таблицу).

При эксплуатации предлагаемой конструкции кабеля был выявлен новый, неизвестный ранее технический результат. Токи утечки бескислородно-модифицированного через оболочку из термоэластопласта кабеля в десятки раз меньше, чем у кабеля, обработанного в воздушной среде, и в несколько раз меньше, чем у кабеля бескислородно-радиационно-модифицированного через оболочку из других материалов, что подтверждается протоколом.

На фиг.1 изображен кабель с дополнительной оболочкой, расположенной на каждой жиле, а на фиг.2 - общая оболочка, расположенная на всех жилах сразу.

На фиг.1 и 2 - токопроводящие жилы 1, изоляция жилы 2, оболочка на каждую жилу или оболочка жил 3, общая оболочка из термоэластопласта 4, подушка из термоскрепленного нетканого или иглопроводного технического полотна 5, броня 6.

Кабель выполнен следующим образом: на токопроводящей жиле 1 расположена изоляция жилы 2, выполненная не менее чем из двух слоев полиэтилена высокой плотности, поверх которой, либо на каждой жиле, либо на всех сразу расположена оболочка 4 из химически стойкого термоэластопласта, например из эластоллана.

Такая конструкция кабеля с защищенной от доступа воздуха изоляцией жил создает условие для бескислородного радиационного модифицирования полиэтилена высокой плотности без создания специальных механических устройств и приспособлений.