Способ введения кабеля внутрь ферромагнитной трубы и устройство для его осуществления

Изобретение относится к приспособлениям для протягивания, в частности, нагревательных и геофизических кабелей внутрь ферромагнитной трубы, в которую ограничен доступ извне. Описывается способ и устройство для введения кабеля внутрь ферромагнитной трубы, включающий размещение кабеля вблизи точки доступа в трубу, соединение его с тяговым механизмом, выполненным с возможностью продольного перемещения внутри трубы, и вывод кабеля через второй конец трубы, размещение кабеля вблизи точки доступа в трубу производится на барабане, снабженном кольцевым токосъемником для передачи электроэнергии от источника питания к кабелю, вводимому внутрь ферромагнитной трубы, после соединения вводимого кабеля с тяговым механизмом подают напряжение от источника питания на вводимый кабель через кольцевой токосъемник, установленный на барабане, при этом в качестве тягового механизма используют индуктор цилиндрического линейного асинхронного двигателя, статором для которого служит ферромагнитная труба, в которую вводят кабель. Изобретение обеспечивает повышение надежности введения кабеля в трубы в условиях загрязненных отложениями протяженных трубопроводов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретения относятся к приспособлениям для протягивания кабелей, в частности нагревательных и геофизических, внутрь ферромагнитной трубы, в которую ограничен доступ извне. Преимущественно, но не исключительно, изобретение относится к подаче нагревательных кабелей в уже существующие подземные системы труб - трубопроводы промысловых систем сбора нефти и газа, эксплуатация которых осложнена асфальтеносмолопарафинистыми отложениями (АСПО) на внутренних стенках труб, с целью предотвращения АСПО.

В настоящее время в нефтепромысловой практике широко используется введение нагревательных кабелей в вертикальные насосно-компрессорные трубы (НКТ) нефтяных скважин для их прогрева. В случае вертикальных скважин кабель вводится в НКТ под действием собственного веса, однако данный способ не годится для введения кабеля внутрь горизонтального или полого расположенных труб.

Из уровня техники известны два вида объектов техники, которые предназначены для введения кабеля внутрь трубы: с помощью толкателей и с помощью тяговых механизмов. Предлагаемый способ и устройство относятся ко второму виду.

Известен Способ введения кабеля внутрь трубы (Патент Германии №4038156), согласно которому вводимый кабель подсоединяют к тяговой пробке, установленной в трубе, и пневматически воздействуют сжатым воздухом на эту пробку, которая, продвигаясь по трубе, протягивает кабель.

Недостатком указанного известного способа является сложность технологии ввиду необходимости использования множества различного оборудования, а также его неэффективность при наличии на внутренних стенках трубы различных отложений, например, парафина.

Учитывая, что предлагаемый способ реализуется с помощью самоходного тягового механизма, то наиболее близким аналогом к нему является Способ введения кабеля в трубу, в том числе, и в ферромагнитную, описанный в Патенте РФ №2475909. Согласно известному способу производят размещение кабеля вблизи точки доступа в трубу, соединяют его с тяговым механизмом, выполненным с возможностью осевого перемещения внутри трубы, и производят вывод кабеля через второй конец трубы на приемное устройство, причем используемый тяговый механизм содержит установленный враспор на внутренней поверхности линейный привод возвратно-поступательного движения, подвижные части которого снабжены распорными элементами, обеспечивающими одностороннее сцепление с внутренней поверхностью, при этом распорные элементы каждой из подвижных частей выполнены в виде симметрично расположенных относительно продольной оси линейного привода возвратно-поступательного движения не менее двух наклоненных к ней распорных звеньев, внутренние концы которых шарнирно соединены с подвижными частями линейного привода возвратно-поступательного движения, а наружные - с ползунами, подпружиненными на прижатие к внутренней поверхности.

Недостатками указанного известного способа является недостаточная эффективность по протягиванию кабеля в условиях загрязненного трубопровода, например, парафиноотложениями, т.к. эти отложения оказывают тормозящую силу, часто превышающую тяговое усилие.

Также из уровня техники известно Самодвижущееся устройство для протягивания троса в каналах при прокладке в них кабеля (Авт. св-во СССР №110999), выполненное в виде двух взаимно подвижных коаксиальных отрезков труб, снабженных попеременно упирающимися в стенки канала поворотными лапками и совершающих шаговое поступательное движение под действием попеременно натягиваемых управляющих тросов, причем устройство в передней его части снабжено трубчатым наконечником, выполненным с возможностью придания поворота указанных лапок и утапливания их в пазы.

Однако указанное устройство имеет небольшое тяговое усилие, которое не позволит протаскивать даже геофизический кабель (а он имеет значительно меньшую массу по сравнению с нагревательным кабелем) в трубу. Устройство также не эффективно при загрязненных внутренних стенках труб, например, парафином.

Наиболее близким к предлагаемому по изобретению Устройству для введения кабеля внутрь ферромагнитной трубы является Транспортное средство для перемещения по внутренним поверхностям (Патент РФ №2475909), содержащее установленный враспор на внутренней поверхности линейный привод возвратно-поступательного движения, подвижные части которого снабжены распорными элементами, обеспечивающими одностороннее сцепление с внутренней поверхностью, при этом распорные элементы каждой из подвижных частей выполнены в виде симметрично расположенных относительно продольной оси линейного привода возвратно-поступательного движения не менее двух наклоненных к ней распорных звеньев, внутренние концы которых шарнирно соединены с подвижными частями линейного привода возвратно-поступательного движения, а наружные - с ползунами, подпружиненными на прижатие к внутренней поверхности.

Однако и это указанное известное устройство имеет недостатки, а именно:

- низкая эксплуатационная надежность, вследствие сложности конструкции и наличия множества механически и шарнирно соединенных узлов и деталей;

- недостаточная эффективность по протягиванию кабеля в условиях загрязненного трубопровода, например, парафиноотложениями, т.к. при этом будет снижаться тяговое усилие устройства, ввиду снижения сцепления распорных элементов со стенками трубы.

Единым техническим результатом, который обеспечивается заявляемой группой изобретений, является повышение надежности и эффективности по введению кабеля в трубы, в том числе, в условиях загрязненных отложениями протяженных трубопроводов, за счет повышения тягового усилия индуктора и за счет снижения вязкости или даже расплавления загрязнений горячим индуктором, особенно, при торможении.

Указанный технический результат достигается предлагаемым способом введения кабеля внутрь ферромагнитной трубы, включающим размещение кабеля вблизи точки доступа в трубу, соединение его с тяговым механизмом, выполненным с возможностью продольного перемещения внутри трубы, и вывод кабеля через второй конец трубы, при этом новым является то, что размещение кабеля вблизи точки доступа в трубу производится на барабане, снабженном кольцевым токосъемником для передачи электроэнергии от источника питания к кабелю, вводимому внутрь ферромагнитной трубы, после соединения вводимого кабеля с тяговым механизмом подают напряжение от источника питания на вводимый кабель через кольцевой токосъемник, установленный на барабане, при этом в качестве тягового механизма используют индуктор цилиндрического линейного асинхронного двигателя, статором для которого служит ферромагнитная труба, в которую вводят кабель, причем индуктор содержит тонкостенный неферромагнитный корпус, внутри которого последовательно установлены на магнитном сердечнике катушки трехфазных обмоток поочередно с зубцами магнитопровода, при этом одни концы фазных обмоток индуктора соединены друг с другом и изолированы, а другие концы соединены с вводимым кабелем, торцы корпуса индуктора снабжены фланцами, на каждом из которых со стороны корпуса индуктора установлен скользящий центратор, включающий кольцевую обойму с несквозными радиальными отверстиями, в которых установлены тела качения - шарики, и вставки, предохраняющие шарики от выпадения, при этом шарики установлены с возможностью точечного соприкосновения со стенками ферромагнитной трубы.

В преимущественном варианте способа в качестве вводимого кабеля используют геофизический или нагревательный кабель.

Также в преимущественном варианте способа после вывода геофизического кабеля через второй конец трубы, его подсоединяют к автовымотке или лебедке, а к его концу, находящемуся у точки доступа в трубу, присоединяют нагревательный кабель, и с использованием геофизического кабеля, а также автовымотки или лебедки вводят нагревательный кабель в ферромагнитную трубу.

Указанный технический результат достигается также предлагаемым устройством введения кабеля внутрь ферромагнитной трубы, включающим тяговый механизм, выполненный с возможностью продольного перемещения вдоль трубы и соединения с протягиваемым кабелем, новым является то, что при этом в качестве тягового механизма используют индуктор цилиндрического линейного асинхронного двигателя, статором для которого служит ферромагнитная труба, в которую вводят кабель, причем индуктор содержит тонкостенный неферромагнитный корпус, внутри которого последовательно установлены на магнитном сердечнике катушки трехфазных обмоток поочередно с зубцами магнитопровода, при этом одни концы фазных обмоток индуктора соединены друг с другом и изолированы, а другие концы соединены с вводимым кабелем, торцы корпуса индуктора снабжены фланцами, на каждом из которых со стороны корпуса индуктора установлен скользящий центратор, включающий кольцевую обойму с несквозными радиальными отверстиями, в которых установлены тела качения - шарики, и вставки, предохраняющие шарики от выпадения, при этом шарики установлены с возможностью точечного соприкосновения со стенками ферромагнитной трубы.

А в преимущественном варианте устройства оно содержит несколько индукторов в сцепке друг с другом на гибкой связке.

Достижение поставленного технического результата обеспечивается за счет совокупности и последовательности реализуемых операций способа, а также за счет предложенной компоновки конструктивных узлов устройства и их взаимосвязи.

Указанный единый технический результат обеспечивается за счет следующего.

Благодаря оснащению барабана с протягиваемым кабелем кольцевым токосъемником, обеспечивается непрерывное электропитание подвижного тягового механизма от источника питания.

Благодаря использованию в качестве тягового механизма индуктора цилиндрического линейного асинхронного двигателя, размещенного внутри ферромагнитной трубы (трубопровода), обеспечивается продольное перемещение внутри ферромагнитной трубы, как самого индуктора, так и соединенного с ним кабеля, по которому осуществляется непрерывное питание кабеля трехфазным током.

Использование в качестве тягового механизма индуктора линейного цилиндрического асинхронного двигателя повышает эффективность процесса протягивания кабеля за счет:

- упрощения и повышения надежности конструкции, вследствие того, что перемещение индуктора в ферромагнитной трубе происходит прямым силовым воздействием бегущего электромагнитного поля, создаваемого индуктором на ферромагнитную трубу, при этом, так как труба остается неподвижной, - перемещается индуктор;

- авторегулирования тянущего усилия, так как при торможении индуктора тяговое усилие увеличивается в соответствии с механической характеристикой асинхронных электродвигателей (линейный цилиндрический асинхронный электродвигатель является разновидностью асинхронных двигателей);

- существенного снижения сил трения в загрязненном отложениями трубопроводе, вследствие расплавления загрязнений, например, парафина или гидратов, разогревающимся при торможении индуктором;

- существенного снижения сил трения, вследствие встроенных в предлагаемое устройство скользящих центраторов.

Конструкция индуктора в принципе является традиционной, например, описанной в Авт. св-ве СССР №792509 или в Авт. св-ве СССР №503340: он содержит тонкостенный неферромагнитный корпус, внутри которого последовательно установлены на магнитном сердечнике катушки трехфазных обмоток поочередно с зубцами магнитопровода. Трехфазные обмотки индуктора с одной стороны соединены в «звезду» и изолированы, а с другой стороны выведены из корпуса индуктора через токоввод и подсоединены к источнику питания через вводимый кабель. Физика действия и явлений входящих в состав индуктора элементов заключается в том, что трехфазный ток, проходящий по катушкам, создает бегущее электромагнитное поле, которое взаимодействует со стенками ферромагнитной трубы, выполняющей роль статора, и за счет этого взаимодействия возникают продольные силы, которые приводят к продольному осевому перемещению индуктора по отношению к трубе. За счет воздействия этих продольных сил индуктор будет протягивать кабель в трубу.

Снабжение корпуса индуктора фланцами обусловлено необходимостью герметизации обмоток индуктора.

При движении индуктора вдоль трубы помимо продольных сил, возникают и радиальные силы, которые могут привести к «залипанию» индуктора к стенкам трубы. Для исключения этого явления на каждом указанном фланце со стороны корпуса индуктора устанавливают скользящий центратор, включающий кольцевую обойму с несквозными радиальными отверстиями, в которых установлены тела качения - шарики, и вставки, предохраняющие шарики от выпадения, при этом шарики установлены с возможностью точечного соприкосновения со стенками ферромагнитной трубы. При этом указанные шарики выполняют двойную функцию: во-первых, обеспечивают устранение «залипания» корпуса индуктора к стенке ферромагнитной трубы, и во-вторых, являются средством скольжения корпуса индуктора вдоль ферромагнитной трубы. Что позволяет снизить трение, а значит, увеличить тяговое усилие заявляемого устройства. Отложения, например, парафина или асфальтеносмолопарафиновых веществ, которые могут быть на стенках трубы, вплоть до пробок, преодолеваются индуктором, т.к. во-первых, индуктор во время работы имеет нагрев, который увеличивается при торможении, а во-вторых, протягиваемый кабель, находящийся под напряжением, также нагревается и способствует расплавлению указанных отложений.

Для увеличения тягового усилия и для беспрепятственного прохождения предлагаемого устройства в искривленных участках ферромагнитной трубы, предлагается делать гибкую сцепку из нескольких коротких индукторов.

Таким образом, заявляемый способ, реализуемый с помощью предлагаемого устройства, обеспечивает высокие тяговые усилия при протаскивании кабеля в трубу, даже при наличии в ней отложений; позволяет производить успешно эти операции, в том числе, и в подземных трубах, и реализуется с помощью простого устройства.

При реализации предлагаемого способа выполняют следующие операции в нижеуказанной последовательности:

- при наличии подземной трубы производят откапывание ее входного и выходного участков;

- на входном и выходном участках подземной ферромагнитной трубы устанавливают пологие соответственно входной и выходной патрубки, при необходимости, с сальниковыми уплотнениями,

- размещают недалеко от входного участка подземной трубы источник питания и барабан, с намотанным на него кабелем (это может быть нагревательный кабель, например, марки КНМПпБП, или геофизический кабель, например, марки КГЛ); при этом барабан снабжен разъемами со скользящими контактами (кольцевым токосъемником),

- один конец кабеля, намотанного на барабан через кольцевой токосъемник, соединяют с источником питания, а второй конец кабеля подсоединяют к индуктору, входящему в состав предлагаемого устройства, для чего кабель вводят в токоввод индуктора, где соединяют его токопроводящие жилы с обмотками катушек индуктора;

- индуктор вводят в торец входного ферромагнитного патрубка ферромагнитной трубы,

- от источника питания подают трехфазное напряжение по кабелю на обмотки индуктора;

- за счет созданного этими обмотками бегущего электромагнитного поля, которое вначале взаимодействует со стенками ферромагнитного патрубка, а затем со стенками ферромагнитной трубы, выполняющей роль статора, возникают продольные силы, которые приводят к продольному осевому перемещению (скольжению по стенкам трубы за счет выступающих шариков скользящего центратора) индуктора по трубе с обеспечением протягивания кабеля в трубу;

- после достижения индуктором выходного участка трубы (выходного ферромагнитного патрубка), снимают напряжение на кабеле, отсоединяют от него индуктор,

- токопроводящие жилы конца протянутого кабеля у выходного участка соединяют друг с другом, например, в «звезду», и изолируют, а тот конец кабеля, который остался у входного участка трубы, подключают к источнику питания для того, чтобы кабель выполнял свою функцию нагрева;

- в качестве одного из вариантов предлагаемого способа, возможно протягивание в трубу с помощью заявляемого устройства сначала более легкого геофизического кабеля (его диаметр примерно 6-8 мм и он легче нагревательного кабеля примерно в 10 раз) и в последующем, подсоединив протянутый легкий кабель у выходного участка трубы, например, к лебедке или к автовымотке, а у входного участка трубы - к нагревательному кабелю, можно протащить в трубу нагревательный кабель, подготовленный для протягивания у входного участка трубы и для протягивания которого требуются более значительные тяговые усилия, ввиду его большой массы (диаметр нагревательного кабеля может быть 25 мм).

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, где на фиг. 1 изображена схема расстановки оборудования для введения кабеля внутрь ферромагнитной трубы, на фиг. 2 изображена конструкция индуктора предлагаемого устройства; на фиг. 3 - общий вид скользящего центратора, входящего в конструкцию индуктора.

Предлагаемое устройство, посредством которого реализуется заявляемый способ, содержит индуктор 18 цилиндрического линейного асинхронного двигателя (фиг. 1), статором для которого служит ферромагнитная труба 1, в которую доставляют кабель 2. Индуктор содержит тонкостенный неферромагнитный корпус 3 (фиг. 2), внутри которого установлены на магнитном сердечнике 4 в пазы 5 катушки 6 фазных обмоток, чередующиеся на магнитном сердечнике 4 поочередно с зубцами 7 магнитопровода. Катушки 6 индуктора соединяются в три фазные обмотки, причем с одной стороны они соединяются, например, в «звезду», и изолируются, а с другой стороны соединяются в токовводе 8 с трехжильным кабелем 2 (с его токопроводящими жилами), который предназначен для протягивания в трубу 1. Оба торца корпуса 3 индуктора снабжены фланцами 9 для стягивания гайками 10 набранных катушек 6 и зубцов 7 магнитопровода. Причем на каждом из фланцев 8 со стороны корпуса индуктора установлен скользящий центратор 11 (фиг. 3), включающий кольцевую обойму 12 с несквозными радиальными отверстиями 13, в которых установлены тела качения - шарики 14, и вставки 15, предохраняющие шарики от выпадения. При этом шарики 14 выступают за пределы кольцевой обоймы 12 и установлены с возможностью точечного соприкосновения со стенками ферромагнитной трубы 1.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Один конец трехжильного кабеля 2 на барабане 16 (фиг. 1) соединяют с источником питания 19 через кольцевой токосъемник 17, а второй конец кабеля 2 подсоединяют к индуктору 18, для чего токопроводящие жилы кабеля 2 вводят в токоввод 8 (фиг. 2), где соединяют их с обмотками катушек 6 индуктора. После соединения индуктора 18 с кабелем 2 его вводят в пологий ферромагнитный патрубок 23, который выполнен в виде отвода от ферромагнитной трубы 1. От источника питания 19 (фиг. 1) подают напряжение на трехфазный кабель 2, а значит, и на обмотки индуктора. В общем случае между источником питания 19 и кабелем 2 устанавливают комплектующие: трехфазный трансформатор 20, позволяющий выбирать необходимые напряжения питания, станция управления 21, обеспечивающая контроль введения кабеля внутрь ферромагнитной трубы, клеммная коробка 22 для подключения питания к кабелю на барабане 16 через кольцевой токосъемник 17. За счет созданного обмотками индуктора бегущего электромагнитного поля, происходит взаимодействие индуктора со стенками ферромагнитной трубы 1, выполняющей роль статора (вторичного элемента), возникают продольные силы, обеспечивающие продольное движение индуктора внутри трубы 1. При этом за счет выступающих шариков 14 скользящего центратора 11 обеспечивается существенное снижение радиальных сил и сил трения. После достижения индуктором выходного участка трубы 1, отключают кабель 2 от источника питания 19 и тем самым снимают напряжение на кабеле 2, отсоединяют от кабеля 2 обмотки индуктора 18 и кабель 2 используют по назначению. Если кабель 2 был легким (например, геофизическим), его можно использовать для протяжки более тяжелого кабеля (например, нагревательного). При этом нагревательный кабель устанавливают на барабане вблизи входного патрубка 23 ферромагнитной трубы 1, соединяют хвостовой конец ранее протянутого легкого кабеля 2 с тяжелым (нагревательным) и протаскивают его лебедкой, установленной у выходного патрубка (на чертеже не показано) ферромагнитной трубы 1.

Протянутый в трубу (трубопровод) нагревательный кабель одним концом напрямую присоединяют к клеммной коробке 22, токопроводящие жилы другого конца этого кабеля соединяют друг с другом в звезду и изолируют. Для прогрева кабеля 2 на трансформаторе 20 устанавливают необходимое расчетное напряжение.

Протянутые в трубах нагревательные кабели могут быть широко использованы для обеспечения пропускной способности, например, систем сбора нефти, путем предотвращения отложений асфальтеносмолопарафиновых веществ в трубах.

1. Способ введения кабеля внутрь ферромагнитной трубы, включающий размещение кабеля вблизи точки доступа в трубу, соединение его с тяговым механизмом, выполненным с возможностью продольного перемещения внутри трубы, и вывод кабеля через второй конец трубы, отличающийся тем, что размещение кабеля вблизи точки доступа в трубу производится на барабане, снабженном кольцевым токосъемником для передачи электроэнергии от источника питания к кабелю, вводимому внутрь ферромагнитной трубы, после соединения вводимого кабеля с тяговым механизмом подают напряжение от источника питания на вводимый кабель через кольцевой токосъемник, установленный на барабане, при этом в качестве тягового механизма используют индуктор цилиндрического линейного асинхронного двигателя, статором для которого служит ферромагнитная труба, в которую вводят кабель, причем индуктор содержит тонкостенный неферромагнитный корпус, внутри которого последовательно установлены на магнитном сердечнике катушки трехфазных обмоток поочередно с зубцами магнитопровода, при этом одни концы фазных обмоток индуктора соединены с друг с другом и изолированы, а другие концы соединены с вводимым кабелем, торцы корпуса индуктора снабжены фланцами, на каждом из которых со стороны корпуса индуктора установлен скользящий центратор, включающий кольцевую обойму с несквозными радиальными отверстиями, в которых установлены тела качения - шарики, и вставки, предохраняющие шарики от выпадения, при этом шарики установлены с возможностью точечного соприкосновения со стенками ферромагнитной трубы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве вводимого кабеля используют геофизический или нагревательный кабель.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что после вывода геофизического кабеля через второй конец трубы, его подсоединяют к автовымотке или лебедке, а к его концу, находящемуся у точки доступа в трубу, присоединяют нагревательный кабель, и с использованием геофизического кабеля, а также автовымотки или лебедки вводят нагревательный кабель в ферромагнитную трубу.

4. Устройство введения кабеля внутрь ферромагнитной трубы, включающее тяговый механизм, выполненный с возможностью продольного перемещения вдоль трубы и соединения с протягиваемым кабелем, отличающееся тем, что при этом в качестве тягового механизма используют индуктор цилиндрического линейного асинхронного двигателя, статором для которого служит ферромагнитная труба, в которую вводят кабель, причем индуктор содержит тонкостенный неферромагнитный корпус, внутри которого последовательно установлены на магнитном сердечнике катушки трехфазных обмоток поочередно с зубцами магнитопровода, при этом одни концы фазных обмоток индуктора соединены с друг с другом и изолированы, а другие концы соединены с вводимым кабелем, торцы корпуса индуктора снабжены фланцами, на каждом из которых со стороны корпуса индуктора установлен скользящий центратор, включающий кольцевую обойму с несквозными радиальными отверстиями, в которых установлены тела качения - шарики, и вставки, предохраняющие шарики от выпадения, при этом шарики установлены с возможностью точечного соприкосновения со стенками ферромагнитной трубы.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что оно содержит несколько индукторов в сцепке друг с другом на гибкой связке.