Грузонесущий геофизический кабель с армированной полимерной оболочкой и способ его применения
Изобретение относится к области геофизических исследований и может быть использовано для работ на кабеле в нефтяных и газовых скважинах. Целью изобретения является получение конструкции кабеля, близкой по удельной массе и сравнимой по стоимости с серийно выпускаемыми геофизическими кабелями, но имеющими надежную защиту проволок брони от агрессивной скважинной жидкости. Грузонесущий геофизический кабель с армированной полимерной оболочкой содержит одну или несколько электроизолированных токопроводящих жил, имеющий не менее двух повивов брони из стальной проволоки, допускающий наличие промежуточных оболочек и наружную оболочку из полимерного материала, при этом наружная оболочка армирована сеткой из стальной проволоки с размерами ячейки в продольном и поперечном измерении, равном 1-10 диаметрам проволоки. Броня кабеля и/или армирующего элемента полимерного заполнителя при наличии внешней оболочки может быть изготовлена из стальной проволоки без цинкового покрытия. В качестве армирующего материала применены полипропиленовые, полиамидные или СВМ нити. Воздушные зазоры между проволоками брони и/или армирующими элементами оболочки заполнены самовулканизующимся герметиком, например, тиоколовым или силиконовым. Способ исследования скважин, в т.ч. с большим содержанием сероводорода и высоким устьевым давлением, включает спуск на кабеле геофизических приборов и оборудования, при этом спускоподъемные операции проводят с использованием геофизического кабеля с армированной полимерной оболочкой. Технология проведения работ на скважинах с предложенными конструкциями кабеля идентична технологии применения серийных геофизических кабелей, но при этом обеспечивается выполнение работ в сероводородных скважинах и скважинах с высоким устьевым давлением при минимальных затратах. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области геофизических исследований и может быть использовано для работ на кабеле в нефтяных и газовых скважинах.
Известны серийно выпускаемые грузонесущие геофизические кабели для каротажа, свабирования, перфорации нефтяных и газовых скважин, имеющие конструкцию из 1-7 электроизолированных токопроводящих жил и два или четыре повива брони из стальной оцинкованной проволоки, каждый из которых имеет направление, противоположное предыдущему, в соответствии с ОСТ153-39.1-005-00.
Известны специальные кабели для работ в скважинах с агрессивной, в основном сероводород и кислоты, средой, броня которых изготовлена из специальных сплавов сталей. Недостатком подобной конструкции кабеля является его чрезвычайно высокая стоимость, в 15-20 раз превышающая стоимость серийного кабеля.
Известны также кабели для агрессивных сред, имеющие наружную оболочку из полимерных материалов. При таком исполнении кабеля возможно сползание оболочки из-за недостаточного сцепления полимерного материала с проволоками брони, особенно при спускоподъемных операциях через сальниковое устройство под действием скважинного давления.
Наиболее близким по конструкции является кабель, описанный в патенте №2209450 от 14.01.2002. Этот кабель состоит из трех и более изолированных токоведущих жил, покрытых двумя или тремя парами слоев брони с противоположно направленными повивами проволок в каждой паре, причем в верхнем слое брони проволоки могут быть уложены с уменьшением до 50% плотности укладки проволок в слое, а промежутки между проволоками заполнены полимерным материалом. Недостатком этого исполнения кабеля является его большой наружный диаметр и соответственно массогабариты, связанные прежде всего с целевым назначением кабеля для исследования горизонтальных и горизонтально-направленных скважин.
Целью предлагаемого изобретения является получение конструкции кабеля, близкой по удельной массе и сравнимой по стоимости с серийно выпускаемыми геофизическими кабелями, но имеющими надежную защиту проволок брони от агрессивной скважинной жидкости, возможность работы через сальниковые устройства при высоком устьевом давлении скважины, а также предотвращение выноса скважинной жидкости и газа проволоками брони при подъеме кабеля на поверхность.
Для достижения поставленной цели предлагается следующая конструкция кабеля.
Грузонесущий геофизический кабель с армированной полимерной оболочкой, содержащий одну или несколько электроизолированных токопроводящих жил, имеющий не менее двух повивов брони из стальной проволоки, допускающий наличие промежуточных оболочек и наружную оболочку из полимерного материала, при этом наружная оболочка армирована сеткой из стальной проволоки с размерами ячейки Lxy в продольном и поперечном измерении, равном 1-10 диаметрам проволоки.
Выбор конкретной конструкции армированной кабельной оболочки и размеров ячейки, образуемой стальной проволокой, определяется рядом эксплутационных факторов, к каковым относятся: удельный вес кабеля, глубина его спуска, требуемое разрывное усилие. Так, традиционно применяемые грузонесущие бронированные кабели, изготовляемые в соответствии с ОСТ 153-39.1-005-00, имеют проволочную броню, выполненную из стальной оцинкованной проволоки, уложенной в два разнонаправленных повива. Основные механические свойства кабеля определяются в основном применяемой проволочной броней: количеством проволок, их диаметром и геометрией расположения проволок в повивах. Эксплуатационные характеристики каждого повива обеспечиваются следующими величинами:
- Разрывное усилие кабеля Nk по каждому повиву составит:
Nк=n·d/cos(α)·δ/1000, (кН),
где n - количество проволок в повиве,
d - диаметр проволоки в повиве, мм,
cos(α) - косинус угла наклона проволоки повива к осевой линии кабеля,
δ - разрывное усилие отдельной проволоки, Н/мм2.
- Коэффициент заполнения Кз повива проволокой определяется следующим выражением:
Кз=n·d/cos(α)/(π·(D+d)),
где n - количество проволок в повиве,
d - диаметр проволоки в повиве, мм,
cos(α) - косинус угла наклона проволоки повива к осевой линии кабеля,
D - внутренний диаметр повива, мм.
- Удельный вес проволочной брони кабеля Ру по каждому повиву составит:
Ру=ρ·n·π·d2/(4·cos(α)), (кг/км),
где ρ - удельная плотность материала проволок брони, кг/см3,
n - количество проволок в повиве,
d - диаметр проволоки в повиве, мм,
cos(α) - косинус угла наклона проволоки повива к осевой линии кабеля.
Размеры ячейки Lxy, образуемые проволоками брони, приблизительно можно выразить через коэффициент заполнения Кз следующим образом: Lxy≈1/Кз-1.
Параметр Lxy является безразмерным и характеризует отношение видимого и фактического измеряемого зазора между проволоками к диаметру проволоки и более удобен для представления общей картины получаемой проволочной сетки в процессе изготовления кабеля. Коэффициент заполнения Кз повива проволокой используется в основном при проектировании кабельной конструкции и технологических расчетов.
На основании приведенных соотношений можно сравнить эксплуатационные характеристики традиционно применяемого трехжильного кабеля КГ3×0,75-60-150 и кабеля, аналогичного по электрическим параметрам кабелю, с полимерно-стальной оболочкой КГ3×0,75-35-150-ОА.
Кабель КГ3×0,75-60-150 имеет следующие характеристики: диаметр - 10,2 мм, удельный вес - 432 кг/км (из них проволоки брони 350 кг/км), разрывное усилие - 75 кН, коэффициент заполнения Кз=0,97-0,99. При спуске кабеля на глубину 6000 м с геофизическим прибором весом 100 кг нагрузка на геофизическую лебедку на поверхности с учетом выталкивающей силы скважинной жидкости составит 2100 кг, что составляет 28% от разрывной нагрузки кабеля и только 4,7% от полезного спускаемого груза (геофизического прибора).
Кабель КГ3×0,75-35-150-ОА имеет следующие характеристики: диаметр - 11,0 мм, удельный вес - 280 кг/км (из них проволоки брони 170 кг/км), разрывное усилие - 38 кН, коэффициент заполнения Кз=0,4-0,45. При спуске кабеля на глубину 6000 м с геофизическим прибором весом 100 кг нагрузка на геофизическую лебедку на поверхности с учетом выталкивающей силы скважинной жидкости составит 1120 кг, что составляет 29% от разрывной нагрузки кабеля и 9% от полезного спускаемого груза (геофизического прибора).
Таким образом, применение обеих конструкций кабеля обеспечивает более чем трехкратный запас по разрывной прочности, но предлагаемая конструкция кабеля имеет более высокий КПД спускоподъемной операции и более низкие нагрузки на наземную геофизическую аппаратуру - снижение тягового усилия лебедки почти на 1000 кг.
Кроме того, приведенные соотношения, в частности коэффициент заполнения повива проволокой, влияют на следующие эксплутационные и технологические параметры кабеля:
- заполнение зазоров между проволоками брони полимерным материалом увеличивает осевую жесткость кабеля, что приводит к увеличению проталкивающего усилия на геофизический прибор, что особенно важно при работе кабеля в горизонтальных и горизонтально-направленных скважинах. Испытания конструкций кабеля проводились на "Установке для испытаний на осевое сжатие" OOO "Псковгеокабель" в трубе диаметром 150 мм и длиной 6 м сравнением усилий, прикладываемых к кабелю в начале трубы, и усилия, получаемого в конце трубы. Для кабелей традиционной конструкции передача усилия на конец трубы прекращалась после приложения усилия 15÷25 кг. Для аналогичных кабелей с полимерно-стальной оболочкой этот показатель составлял 45÷70 кг.
- Наличие полимерно-стальной оболочки на кабеле играет положительную роль при работе кабеля через сальниковые устройства при высоких устьевых давлениях скважин. Традиционный кабель с круглой проволочной броней имеет межпроволочные зазоры, через которые происходит утечка скважинной жидкости или газа и при давлениях на устье свыше 1 МРа, достичь полной герметизации кабеля путем зажима кабеля в сальниковом устройстве практически не удается. Полимерно-стальная оболочка позволяет предотвратить выбросы скважинного вещества при устьевых давлениях до 15 МРа.
- Предлагаемая полимерно-стальная оболочка осуществляет защиту проволок брони кабеля, являющихся и грузонесущими элементами, от воздействия скважинной жидкости, в которой возможно содержание воды, растворов кислот, щелочей, вызывающих преждевременную коррозию стальной проволоки и выход кабеля из строя.
- Особенно целесообразно применение предлагаемой конструкции кабеля в скважинах с высоким содержанием сероводорода, т.к. в случае применения в этих скважинах кабелей традиционной конструкции наработка кабеля на отказ составляет одну спускоподъемную операцию. Предлагаемые ОСТ 153-39.1-005-00 для работы в сероводородных скважинах кабели с броней из специальной нержавеющей проволоки имеют стоимость в 8÷12 раз выше стоимости кабеля с броней из стальной проволоки.
Коэффициент заполнения Кз или размеры ячейки проволочной сетки имеет важную роль при изготовлении кабеля и ограничиваются технологическими возможностями оборудования и техническими требованиями к кабелю (жесткость, разрывное усилие, вес и пр.). Так, например, при величине размеров ячейки сетки, образуемой повивами проволок, меньше одного диаметра проволоки, заполнение этих зазоров полимерным материалом становится трудноосуществимым, т.к. эта операция проводится на экструзионных линиях и расплав полимера под давлением заполняет промежутки проволок. При малых ячейках проволок происходит преждевременное охлаждение расплава и неполное заполнение зазоров, что в последующем может привести к отслоению оболочки, проникновению газа или жидкости под оболочку и последующему ее повреждению при быстром подъеме из скважины за счет возникающей разницы наружного и внутреннего давлений.
Величина ячейки сетки Lxy, равная 5÷10 диаметрам проволоки, применяется в случаях, когда необходимо обеспечить повышенное разрывное усилие и/или повышенную осевую жесткость и для их обеспечения сетка формируется не из двух повивов проволоки, а трех или четырех, что приводит к увеличению толщины слоя, необходимого для заполнения полимером.
Возможны также варианты исполнения предлагаемой конструкции кабеля.
Броня кабеля и/или армирующего элемента полимерного заполнителя при наличии внешней оболочки может быть изготовлена из стальной проволоки без цинкового покрытия.
С целью снижения удельного веса кабеля в качестве армирующего материала применены полипропиленовые, полиамидные или СВМ нити.
Воздушные зазоры между проволоками брони и/или армирующими элементами оболочки заполнены самовулканизующимся герметиком, например, тиоколовым или силиконовым.
Армирование наружной оболочки повышает продольную и поперечную прочность полимерного покрытия, а применение проволоки без цинкового покрытия в качестве брони кабеля снижает стоимость материалов. Заполнение герметизирующим материалом воздушных зазоров проволок брони обеспечивает продольную герметизацию кабеля и предотвращает выбросы скважинной жидкости или газа через повивы брони, приводит к увеличению проталкивающего усилия на геофизический прибор, обеспечивает защиту проволок брони кабеля.
Предлагаемая конструкция кабеля позволяет выполнять весь комплекс геофизических работ в скважинах, включая каротаж, свабирование, прострелочно-взрывные работы и пр.
Способ исследования скважин, в т.ч. с большим содержанием сероводорода и высоким устьевым давлением, включает спуск на кабеле геофизических приборов и оборудования, при этом спускоподъемные операции проводят с использованием геофизического кабеля с армированной полимерной оболочкой.
На фиг.1 и 3 приведены конструкции кабеля с полимерной оболочкой, изготовленных по ОСТ 153-39.1-005-00, где 1 - одно- или трехжильный сердечник кабеля соответственно, 2 - двухповивная броня кабеля, 4 - защитная оболочка. На фиг.2 и 4 приведены конструкции аналогичных кабелей, содержащих в составе полимерной оболочки армирующие элементы 4.
Технология проведения работ на скважинах с предложенными конструкциями кабеля идентична технологии применения серийных геофизических кабелей и приведена в "Технической инструкции по проведению геофизических исследований и работ на кабеле в нефтяных и газовых скважинах", Москва, 2001, но при этом обеспечивается выполнение работ в сероводородных скважинах и скважинах с высоким устьевым давлением при минимальных затратах.
1. Грузонесущий геофизический кабель с армированной полимерной оболочкой, содержащий одну или несколько электроизолированных токопроводящих жил, имеющий не менее двух повивов брони из стальной проволоки, допускающий наличие промежуточных оболочек и наружную оболочку из полимерного материала, отличающийся тем, что наружная оболочка армирована сеткой из стальной проволоки с размерами ячейки в продольном и поперечном измерении, равном 1-10 диаметрам проволоки.
2. Кабель по п.1, отличающийся тем, что броня кабеля и/или армирующего элемента полимерного заполнителя изготовлена из стальной проволоки без цинкового покрытия.
3. Кабель по п.1, отличающийся тем, что в качестве армирующего материала применены полипропиленовые, полиамидные или СВМ нити.
4. Кабель по п.1, отличающийся тем, что воздушные зазоры между проволоками брони и/или армирующими элементами оболочки заполнены самовулканизующимся герметиком, например, тиоколовым или силиконовым.
5. Способ исследования скважин, в т.ч. с большим содержанием сероводорода и высоким устьевым давлением, включающий спуск на кабеле геофизических приборов и оборудования, отличающийся тем, что спускоподъемные операции проводят с использованием геофизического кабеля с армированной полимерной оболочкой по любому из пп.1-4.
