ЛИНЕЙНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК E21B36/04 E21B37/00 

Изобретение относится к области нагрева электрического и может быть использовано, в частности, в устройствах для ликвидации парафиногидратных образований в нефтегазовых скважинах и трубопроводах, для подогрева нефтяных и других вязких продуктов в трубопроводах и емкостях с целью их транспортировки и перекачки.

Известен нагревательный кабель, используемый в устройстве для ликвидации и предупреждения парфиногидратообразования в нефтяных скважинах (патент РФ 2023867, МКИ Е 21 В 37/02). Кабель содержит токопроводяющую жилу, два слоя изоляции и размещенную между слоями изоляции токопроводящую нагревательную броню из двух слоев стальных проволок. Жила кабеля и броня электрически соединены накоротко на его концевом участке кабеля. На этом участке (длина его около 1,5 м) электрическое сопротивление брони больше, чем на остальной длине кабеля.

Недостатком известного кабеля является наличие у кабеля участков с различными электрическими сопротивлениями, которые при пропускании тока нагреваются до разных температур. В результате этого происходит ускоренный износ кабеля на стыке указанных участков, а следовательно, и быстрое нарушение его защитного слоя и замыкание, что может привести не только к выходу из строя кабеля, но и вызвать, например, загорание нефти или газа при использовании кабеля в скважинах.

В основу настоящего изобретения положена задача создания линейного нагревательного кабеля, позволяющего концентрировать тепло в непосредственной близости от его наружной поверхности, регламентировать мощность кабеля, а следовательно, и количество тепла, передаваемое кабелем нагреваемому телу.

Поставленная задача решается тем, что линейный нагревательный кабель, включающий по меньшей мере два нагревательных элемента, согласно изобретению с целью повышения теплоотдачи нагревательные элементы располагают на расстоянии не более 2/3 R от наружной поверхности кабеля, где R - радиус кабеля, а отношение электрических сопротивлений нагревательных элементов выбрано в диапазоне от 1,0 до 10,0.

Целесообразно, чтобы по меньшей мере один нагревательный элемент был бы выполнен с переменным по всей его длине электрическим сопротивлением, при этом его противоположные концевые участки имели бы минимальное и максимальное электрические сопротивления. Это дает возможность обеспечить неравномерный нагрев кабеля с учетом изменения температуры нагреваемой среды на ее различных участках.

По меньшей мере один нагревательный элемент может быть выполнен многожильным, при этом кабель становится более гибким и позволяет варьировать мощностью и температурой.

Нагревательные элементы могут быть выполнены из одного и того же материала или из разных материалов, имеющих близкие по значению коэффициенты теплового расширения, что обеспечивает надежность соединения их нижних концов.

Для обеспечения повышения разрывного усилия с целью исключения обрыва кабеля под собственным весом при использовании его в вертикальном положении нагревательный кабель дополнительно содержит по меньшей мере один заключенный в изоляционную оболочку электрически нейтральный трос из стальных жил, при этом нагревательные элементы выполняют из другого материала.

Для простоты изготовления нагревательного кабеля нагревательные элементы могут быть расположены друг относительно друга либо симметрично, либо коаксиально.

Общее электрическое сопротивление нагревательных элементов составляет менее 20 Ом, благодаря чему обеспечивается безопасность работы.

При наличии электрически нейтрального троса нагревательные элементы могут быть спирально навиты на его изоляционную оболочку и изолированы друг от друга, при этом каждый нагревательный элемент может быть выполнен в виде ленты, площадь поперечного сечения которой изменяется от одного ее конца к другому. Это позволяет обеспечить неравномерный прогрев по длине нагревательного кабеля: у одного его конца более высокая мощность тепловыделения, а у другого - ниже.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
- фиг. 1а-1е изображают различные варианты выполнения линейного нагревательного кабеля;
- фиг. 2 - вариант выполнения нагревательного кабеля с нагревательными элементами, спирально навитыми на изоляционную оболочку электрически нейтрального троса.

Нагревательный кабель согласно изобретению содержит по меньшей мере два нагревательных элемента 1 (фиг. 1a-1е), которые заключены в изоляционную оболочку 2 и изолированы друг от друга. Количество нагревательных элементов может быть различным и зависит от мощности нагревательного кабеля, при этом нагревательные элементы 1 могут быть расположены друг относительно другу произвольным образом, как показано, например, на фиг.1b, или симметрично (фиг. 1с), или коаксиально (фиг.1d). Нижние концы нагревательных элементов 1 соединены между собой и изолированы, а отношение электрических сопротивлений нагревательных элементов 1 выбрано в пределах от 1,0 до 10,0, причем общее электрическое сопротивление нагревательных элементов 1 составляет менее 20 Ом. Нагревательные элементы 1 могут быть выполнены из одного и того же материала, например из меди и стали или из разных материалов, имеющих близкие по значению коэффициенты теплового расширения.

По меньшей мере один из нагревательных элементов 1 может быть выполнен многожильным, как показано на фиг.1е. Кроме того, нагревательный кабель может содержать заключенный в изоляционную оболочку 2 электрический нейтральный трос 3 из стальных жил, обеспечивающий исключение обрыва кабеля под собственным весом при использовании его в вертикальном положении. Нагревательные элементы 1 при этом выполняют из другого материала, например меди.

На фиг. 2 представлен вариант выполнения нагревательного кабеля с двумя изолированными друг от друга электрически нейтральными тросами 5, заключенными в изоляционную оболочку 6, на которую спирально навиты два изолированных друг от друга нагревательных элемента 7.

По меньшей мере один из нагревательных элементов 16 выполняют с переменным по всей его длине электрическим сопротивлением. Один из концов элемента имеет минимальное сопротивление R₁, а другой его конец имеет максимальное сопротивление R₂, причем соотношение сопротивлений составляет 1≤R₁: R₂≤10. Это достигается за счет изменения поперечного сечения нагревательного элемента по его длине и дает возможность обеспечить неравномерный нагрев кабеля с учетом изменения температуры нагреваемой среды. Так, например, при использовании нагревательного кабеля для депарафинизации нефтегазовой скважины концевой участок с минимальным сопротивлением R₁ располагают в самой нижней точке скважины, а концевой участок с максимальным сопротивлением R₂ - в устье скважины.

Рассматривая обобщенно различные конструкции кабеля, следует отметить, что, если в кабеле имеется центральная жила, то она, как правило, изготавливается из стали и служит грузонесущим элементом и не связана электрически с другими жилами. Ближе к периферии кабеля располагают нагревательные элементы с тем, чтобы как можно ближе к поверхности кабеля, а именно нагревательные элементы располагают на расстоянии не более 2/3R от наружной поверхности кабеля, где R - радиус кабеля.

Одним из примеров применения предлагаемого линейного нагревательного кабеля является использование его для ликвидации парафиногидратных образований в нефтегазовых скважинах и трубопроводах. В этом случае свободные концы кабеля подсоединяют к источнику питания, в качестве которого используется, например, однофазный трансформатор с регулируемым напряжением или тиристорный регулятор тока. Нагревательный кабель спускают в скважину на всю глубину зоны возможного парафинообразования.

Мощность нагревательного кабеля должна быть достаточна для нагрева всей добываемой нефти, и попутной воды, и газов до температуры, прерывающей температуру плавления парафина на 5-50^oС, но при этом кабель должен быть нагрет до такой степени, чтобы не допустить расплавления изоляционного материала кабеля с учетом температуры окружающей среды в скважине в нижней части зоны парафинообразования и зоны парафиноотложения, которая может составлять до 1200 м. Эти параметры позволяют выбрать оптимальный режим работы скважины. Так, например, температура плавления парафина близка к 60^oС, температура плавления изоляционной оболочки нагревательного кабеля, например, из фторопласта составляет 110-120^oС, а температура нефтяной смеси с водой на глубине 1200 м от устья скважины (при длине кабеля - 1200 м) равна 60^oС. При выборе температуры нагрева кабеля необходимо исходить из следующих предпосылок: исходная температура нижнего конца кабеля на глубине 1200 м (наихудшие условия работы кабеля) составляет 60^oС, а температура плавления фторопласта равна 110^oС. Чтобы не работать при предельной температуре, выбирают температуру кабеля на 10^oС ниже предельной, то есть 100^oС. Следовательно, необходимо дополнительно повысить температуру кабеля на 40^oС. Верхний конец кабеля на уровне поверхности около устья скважины имеет температуру, равную температуре почвы, например 30^oС, поэтому максимальная температура, которую должен иметь кабель при его нагреве, будет равна 40^oC+30^oC=70^oC.

Использование кабеля с двумя изолированными друг от друга электрически нейтральными тросами 5 (фиг.2), заключенными в изоляционную оболочку 6, на которую спирально навиты два изолированных друг от друга нагревательных элемента 7, позволяет обеспечить неравномерный прогрев скважины по длине: вверху более высокая мощность тепловыделения, а внизу - более низкая.

Линейный нагревательный кабель содержит по меньшей мере два нагревательных элемента, которые расположены на расстоянии не более 2/3R от наружной поверхности кабеля, где R - радиус кабеля. Отношение электрических сопротивлений нагревательных элементов выбрано в диапазоне от 1,0 до 10,0. Общее электрическое сопротивление нагревательных элементов составляет менее 20 Ом. Нагревательные элементы заключены в изолированную оболочку и изолированы друг от друга. Одни концы нагревательных элементов свободны для подключения нагревательного кабеля к источнику питания. Другие концы соединены между собой и изолированы. Концентрируется тепло в непосредственной близости от наружной поверхности, регламентируется мощность кабеля, а следовательно, и количество передаваемого тепла. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Линейный нагревательный кабель, включающий, по меньшей мере, два нагревательных элемента, заключенных в изолированную оболочку и изолированных друг от друга, одни их концы свободны для подключения нагревательного кабеля к источнику питания, другие концы соединены между собой и изолированы, отличающийся тем, что отношение электрических сопротивлений нагревательных элементов выбрано в диапазоне от 1,0 до 10,0, причем общее электрическое сопротивление нагревательных элементов составляет менее 20 Ом, а сами они расположены на расстоянии не более 2/3R от наружной поверхности кабеля, где R - радиус кабеля. 2. Кабель по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один нагревательный элемент выполнен с переменным по всей его длине электрическим сопротивлением, при этом его противоположные концевые участки имеют минимальное и максимальное электрическое сопротивление. 3. Кабель по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один нагревательный элемент выполнен многожильным. 4. Кабель по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что нагревательные элементы выполнены из одного и того же материала. 5. Кабель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что нагревательные элементы выполнены из разных материалов, имеющих близкие по значению коэффициенты теплового расширения. 6. Кабель по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что дополнительно содержит по меньшей мере один заключенный в изоляционную оболочку электрически нейтральный трос из стальных жил, при этом нагревательные элементы выполнены из другого материала. 7. Кабель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что нагревательные элементы расположены друг относительно друга симметрично. 8. Кабель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что нагревательные элементы расположены друг относительно друга коаксиально. 9. Кабель по п.6, отличающийся тем, что нагревательные элементы спирально навиты на изоляционную оболочку нейтрального троса и изолированы друг от друга. 10. Кабель по п.9, отличающийся тем, что каждый нагревательный элемент выполнен в виде ленты, площадь поперечного сечения которой изменяется от одного ее конца к другому.