"Каротажник", №3 (168) 2008год

Геофизические грузонесущие кабели и их перспективные конструкции  для осложненных условий работ.

         ООО «Пермгеокабель» на протяжении ряда лет занимается разработкой и изготовлением геофизического кабеля различного назначения, в том числе кабелей в оболочке из полимерных и резиновых материалов, кабелей, в состав грузонесущей части которых входят материалы, составляющие альтернативу стальной оцинкованной проволоке, кабели для борьбы с АСПО и кабели различных конструкций для специальных работ.

         Рассматривая историю появления кабелей в полимерной оболочке необходимо отметить, что первые образцы такого кабеля были изготовлены на Ташкентском кабельном заводе в средине семидесятых годов. Такой кабель успешно прошел испытания в производственных геофизических предприятиях. Однако по ряду причин в  широкое промышленное применение в то время этот кабель не пошел, хотя отдельные кабельные изделия, прототипом  которых он являлся, применяются и сегодня. Кабели в оболочке периодически выпускаются по заказам производственных предприятий, а номенклатура продукции ООО «Пермгеокабель» и сегодня включает несколько марок кабеля в оболочках, полимерной и резиновой.

Появление новых технологий исследования скважин, в том числе исследование горизонтальных скважин, послужило причиной для возврата к применению кабелей в оболочке и стимулом к созданию различных их модификаций и комбинирования с кабелем в проволочной броне. Были изготовлены специальные «кабельные линии», в состав которых входит оригинальная конструкция кабеля в стальной проволочной броне и кабеля в оболочке. Различные участки такой линии, конструкция которых специально рассчитывается для конкретных условий, представлена участками кабеля со сплошной многослойной броней без оболочки, и участками в оболочке с различной конструкцией многослойной брони, где разряжение в броне заполнено полимерным составом. Необходимое соотношение веса различных участков кабеля в утяжеленной и облегченной части «кабельной линии» и его осевая жесткость обеспечивают проталкивание кабеля с геофизическим прибором к забою горизонтальной части ствола скважин и последующим проведением исследований. Первые образцы «кабельных линий» были изготовлены нами совместно с ООО «Нейтрон» и представляли  собой комбинацию участков различных кабелей, как в оболочке, так и без оболочки, собранных в единую систему. Техническая документация, режимы работы оборудования и технологические карты для этих изделий, были составлены в «Пермгеокабель» еще в 2000 году и применены в «кабельных линиях» поставленных геофизическим организациям. Так, например одна из кабельных линий изготовленная в июле 2003 года  до сих пор работает на производстве в организации «Ижгеофизсервис».  

В «кабельной линии» один из участков представляет собой конструкцию кабеля с разряженной двухслойной броней и покрыт полимерной оболочкой, которой заполнены все пустоты в разряженной броне, образующей единую структуру с верхней частью полимерного покрытия. Такая конструкция сегодня предлагается на рынке предприятием «ПсковГеоКабель» и названа кабелем с «армированной оболочкой». Этот кабель представляет собой ни что иное, как часть конструкции, входящей в состав «кабельной линии». Отличие заключается в том, что в качестве основы кабеля в кабельной линии является бронированный кабель, а в кабеле с «армированной оболочкой» лишь одножильный или многожильный изолированный проводник.

Необходимо отметить, что кабель в оболочке с разряженной броней, применяемый на производстве как самостоятельное изделие, зарекомендовал себя с положительной стороны и  позволяет успешно решать целый ряд производственных задач, возникающих перед геофизическими организациями.

 

Основные преимущества таких кабелей на наш взгляд заключаются в следующем:

  • полимерная оболочка служит защитой стальной брони кабеля от воздействия агрессивной среды;
  • конструкция кабеля с гладкой поверхностью позволяет более эффективно применять сальниковые уплотнители;
  • происходит существенное снижение трения скольжения при перемещениях кабеля по стенкам обсаженных и не обсаженных скважин;
  •  кабель в оболочке не вращается вокруг своей оси при спускоподъемных операциях и т.д.

Однако у кабеля имеются свои недостатки и ограничения в использовании:

  • коэффициент относительного удлинения кабеля с «армированной оболочкой» в среднем в 2 ÷ 2.5 раза больше чем у стандартных марок кабеля того же диаметра; а это значит, что при больших нагрузках могут возникнуть проблемы с целостностью токопроводящих жил;
  • поскольку поверхность кабеля выполнена из полимерных материалов, то при работе через уплотнитель сальникового устройства имеются существенные ограничения по скорости перемещения и перепаду давлений из-за образования высокой температуры в зоне трения сальника и поверхностью оболочки кабеля;
  • кабель должен применяться в скважинах, не имеющих острых заусенцев в обсадных трубах и острых кромок в местах соединения обсадных труб, и труб НКТ;
  • для нормальной работы кабеля необходимо герметичное соединение, обеспечивающее его защиту в месте присоединения с кабельным наконечником;
  • при длительном пребывании кабеля в скважинах с агрессивной средой (особенно содержащей сероводород) необходимо иметь способы расчета времени безопасного пребывания кабеля в таких условиях для прогноза безаварийной работы, и т.д.

 

Вопрос коррозионной стойкости брони кабеля и работоспособности токопроводящей жилы имеет особенно большое значение при проведении работ в скважинах требующих длительного пребывания кабеля в скважинных условиях, например при работах с предварительным спуском приборов под насос, при работах связанных с проблемой АСПО, и др.

 

Решение проблемы защиты кабеля от агрессивной скважинной среды, и от временного фактора воздействия скважинных условий, достижимо несколькими способами:

  1. Защита кабеля герметичными оболочками, полимерными или резиновыми.
  2. Использование нержавеющей коррозионно-стойкой проволоки для изготовления брони кабеля.
  3. Применение альтернативных коррозионно-стойких материалов для изготовления грузонесущей оболочки кабеля.
  4. Варианты комбинирования различных способов защиты, например конструкция, состоящая из обычной стальной оцинкованной проволоки, промежуточной оболочки, и наружного повива проволок брони из нержавеющей стали, и т.п.

 

 Рассматривая кабель, предназначенный для продолжительных работ в агрессивных средах скважин,  обращаем внимание геофизиков на проблему коррозионной стойкости не только брони кабеля, в каком бы исполнении не был представлен кабель, но и сохранение свойств изоляции токопроводящей жилы в условиях длительного пребывания при высокой температуре, высоком давлении и агрессивной среды.

Так, например, по заказу одной из геофизических компаний был изготовлен кабель марки КГ 1х0,75-29-150-К диаметром 6,4мм с броней из нержавеющей стальной проволоки, для исследования скважин с агрессивной средой. Для изоляции токопроводящей жилы был использован блок-сополимер этилена с пропиленом марки 02-МК. Этого типа изоляции вполне достаточно для работы в скважине где температура достигает 80˚С, а дополнительные условия по изоляции токопроводящей жилы  в заявке не оговаривались.

Поскольку традиционное применение геофизического кабеля предполагает непродолжительное и периодическое время пребывания кабеля в скважинных условиях, то материал изоляции токопроводящей жилы заказывался стандартный, а внимание заказчика было направлено на коррозионную стойкость брони. На самом деле кабель стал эксплуатироваться в режиме длительного пребывания в скважинных условиях, а в этом случае основным критерием его работоспособности становится не только коррозионная стойкость материала брони, но и стойкость материала изоляции к воздействию агрессивной скважинной среды. Кабель эксплуатировался в следующих условиях: давление 300 атм., температура 80˚С, концентрация Н2S около 3÷5% и непрерывное время пребывания в этих условиях по 90÷100 часов. В этих условиях время наработки до отказа составило 400 часов.

Необходимо отметить, что время наработки кабеля до отказа в режиме периодических кратковременных операций по спуско-подъему кабеля, совершенно не сопоставимо со временем, когда кабель постоянно находится в скважине в тех же условиях. У нефтедобывающих предприятий подобная проблема надежности кабелей для питания нефтепогружных насосов (установок УЭЦН) является весьма острой. Во многом это связано с длительным воздействием на кабель агрессивной скважинной среды.  Учитывая, что для изоляции кабелей у нефтяников и геофизиков применяются одни и те же  материалы, а толщина изоляции геофизического кабеля гораздо меньше, чем у кабеля питания нефтепогружных насосов, то и проблемы с геофизическим кабелем возникают гораздо быстрее. При длительном времени нахождении кабеля в скважинных условиях проблема с надежностью изоляции токопроводящей жилы, напрямую связана с материалом изоляции, ее толщиной и коррозионной стойкостью, поэтому дополнительные затраты на изготовление стойкой к воздействию агрессивной среды токопроводящей жилы будут вполне оправданы.

Для подобных случаев изоляция токопроводящей жилы предназначенная для работы в агрессивных условий и длительного нахождения кабеля в скважинных условиях, должен быть специально подобрана из коррозионно-стойких материалов. Весьма перспективны для использования такие материалы как, свинцовая оболочка жилы, изоляция специальной резиной, термопластичные полиуретановые эластомеры фирмы «Elastollan», полиэфир кетоны фирмы «VICTREXPEEK» и др.

Хорошие характеристики по коррозионной стойкости, газопроницаемости, износостойкости, большой температурной диапазон применения и т.д. позволяют говорить о перспективности применения таких материалов для защиты токопроводящей жилы для условий длительного пребывания в агрессивных скважинных условиях. Кроме того, полиэфир кетоны  позволяют расширить рабочий диапазон кабеля до температуры 300÷350 ˚С.

Учитывая пожелания наших партнеров, мы продолжаем совершенствовать конструкции геофизических кабельных изделий, опираясь на новые конструкции кабелей появившихся сегодня на рынке.

Отмечаем, что за последнее время на ООО «Пермгеокабель» было изготовлено и испытано несколько новых образцов кабеля:

- кабель с промежуточной оболочкой между повивами брони позволивший снять воздействие гидростатического давления на оптоволоконный модуль и токопроводящую жилу,

- кабель, состоящий из комбинированного грузонесущего покрытия из стальной проволоки  и базальтового волокна,

-   кабель с грузонесущей оплеткой из альтернативных материалов,

- кабельная линия в полимерной оболочке, нижняя часть которой представлена конструкцией состоящей из разряженной брони с заполнением пустот полимерными материалами,

Мы предлагаем кабельные изделия, сочетающие в себе перспективные идеи, технологии, и материалы, которые помогут расширить области применения грузонесущего геофизического кабеля.

Так, например, для борьбы с АСПО сегодня требуется кабель с низким сопротивлением токопроводящей жилы, несколькими информационными каналами и в минимальных габаритах для работы при избыточном давлении на устье скважин. Для решения задачи предлагается изменить идеологию построения многожильных бронированных кабелей и разделить питающие и информационные каналы. В качестве основы кабеля используется центральная токопроводящая изолированная жила большого сечения (низкого сопротивления), а необходимое количество дополнительных токопроводящих жил размещаются в первом слое брони, между проволоками брони, что позволяет обеспечить грузонесущую и информационную функцию кабелю. Диаметр токопроводящей информационной изолированной жилы совпадает с диаметром проволоки брони. Например, изолированная жила с сечением по меди 0,2 мм2  и толщиной изоляции D 0,35 мм,  имеет диаметр по изоляции Ø 1,3 мм. (Рис.1).

Такое построение обеспечивает оптимальное соотношение разрывной прочности, передаваемой электрической мощности, требуемого числа информационных жил при значительном выигрыше в габаритных размерах кабеля.

Если внутренний слой брони используется, как оплетка для коаксиального кабеля то она изолируется промежуточной оболочкой, а за счет включения в состав оплетки одной или нескольких биметаллических сталемедных проволок, можно задать требуемое электрическое сопротивление. В этом случае получается коаксиальный кабель с min габаритными размерами и maxпрочностными характеристиками (Рис.2).

 

Такая конструкция кабеля позволяет усовершенствовать технологии работ для передачи большой мощности, например, для работы с индукционным скважинным нагревателем, а так же вполне подходит и для кабеля, в центре которого  расположен капилляр для подачи хим. реагентов и др. (Рис.3).

 

      Рис.1.                                              Рис.2.                                               Рис3.

Как отмечалось выше выпускаемый сегодня кабель с «армированной оболочкой» имеет большой коэффициент относительного удлинения, по этому мы предлагаем кабель лишенный этого недостатка. В качестве основы кабеля используется стандартный, стабилизированный кабель с сечением жил 0,35 мм2 марки КГ 3х0,35-38-150 покрытой полимерной оболочкой с каркасом из проволоки Ø 0,5 мм в виде сетки (Рис.4), разрывное усилие такой конструкции равно 50 кН, диаметр кабеля 11 мм..  

Для увеличения диапазона нагрузок применяемых при эксплуатации кабеля в оболочке, предлагается кабель. В качестве основы в нем используется стабилизированный грузонесущий трос, а необходимое число токопроводящих жил (сечением 0.2мм2 - Ø 1.3мм, или сечением 0.35мм2 – Ø 1.5мм.) располагается в первом слое сетки (соответственно диаметр проволоки первого слоя 1.3 и 1,5 мм, а второй слой из проволоки 0,5 мм) и покрываются полимерной оболочки. В первом случае диаметр кабеля составляет 11 мм. при разрывной нагрузке 60 кН, а во втором соответственно 12.3мм и 75 кН (Рис.5).

 

          

     

           Рис.4.                                                   Рис.5.                                Рис.6.

Рассматривая вопросы конструирования  кабелей, и применения новых материалов альтернативных стальной проволоке отметим, что для оптимизации весовых и прочностных характеристик кабеля в оболочке, предлагается часть проволочной брони использовать из материалов, например базальта, стеклоровинга, кевлара и др. (Рис.6).

Рассматривая перспективу применения кабелей из альтернативных материалов, отметим, что одним из преимуществ его является низкий удельный вес (который примерно в 4 раза, ниже традиционно применяемого сегодня провода из стали). Замена материала брони кабеля будет экономически выгодна в процессе его эксплуатации. Эффект экономии возникнет за счет уменьшения веса постоянно перевозимого кабеля на геофизическом подъемнике, на уменьшении усилия при движении кабеля во время спуско-подъемных операций, как за счет более низкого удельного веса кабеля в скважинной жидкости.

Итак, подводя итоги вышесказанному, предлагаем заинтересованным организациям взаимовыгодное сотрудничество, по применению описанных конструкциям кабеля имея в виду, что их использование потребует разработки и применения дополнительного нестандартного оборудования (кабельных головок, лубрикаторов для кабелей в оболочках, учета глубины спуска кабеля не связанное с магнитными метками и др.)