НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H05B3/56 

Изобретение относится к области нефтяной промышленности, в частности к нагревательным электрическим кабелям, и может быть использовано для путевого электропрогрева высоковязкой нефтегазовой смеси в глубоких и сверхглубоких фонтанирующих скважинах, скважинах, оборудованных штанговыми насосными установками, погружными электронасосами и при других любых насосных способах эксплуатации с целью снижения вязкости скважинной жидкости, а также ликвидации парафиногидратных пробок в скважинах с высоким газовым фактором, предотвращения образования асфальтеносмолопарафиновых отложений на скважинном оборудовании и т.п.

Известен нагревательный кабель, предназначенный для путевого электропрогрева высоковязкой нефтегазовой смеси в скважине, включающий изолированные токопроводящие жилы, поверх которых уложены последовательно формообразующая изоляционная оболочка, подушка под броню и броня. Токопроводящие жилы одними своими концами подключены к источнику питания. Другие концы токопроводящих жил соединены между собой для образования замкнутой электрической цепи с помощью металлической гильзы. Такое соединение изолируется, для чего поверх укладывается формообразующая изоляционная оболочка, подушка под броню и броня (см. свидетельство на полезную модель 14474, кл. Н 01 В 7/18, 23.03.2000).

Нагревательный кабель размещают в скважине, крепят хомутами к наружной поверхности насосно-компрессорных труб (НКТ) при спуске колонны НКТ в скважину.

Недостатком известного нагревательного кабеля является невозможность обеспечить надежную изоляцию (герметизацию) кабеля в месте соединения концов токопроводящих жил между собой, что снижает эксплуатационную надежность нагревательного кабеля при работе в агрессивной среде.

Это объясняется тем, что герметизация места соединения токопроводящих жил ведется с использованием изоляционных материалов с разными физико-химическими свойствами, с ненормированной адгезией между изоляцией и материалом токопроводящей жилы, между общей изоляцией и изоляцией токопроводящей жилы, что ведет к образованию каналов для проникновения скважинной жидкости и газа к металлическим токопроводящим жилам. Как следствие - механическое разрушение изоляции, нарушение ее диэлектрических свойств, электрохимическая коррозия токопроводящих жил, и, следовательно, электрический пробой и выход из строя нагревательного кабеля.

Кроме того, наличие сосредоточенного переходного сопротивления в месте соединения n концов токопроводящих жил создает в этой зоне температурное поле, значительно превосходящее температурное поле токопроводящих жил вне места их соединения. Как следствие - перегрев и нарушение целостности нагревательного кабеля.

Еще одним недостатком известного нагревательного кабеля является невозможность регулирования тепловой мощности рассеяния в процессе эксплуатации. Это ограничивает возможности использования нагревательного кабеля.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эксплуатационной надежности нагревательного кабеля, обеспечение возможности регулирования тепловой мощности рассеивания при путевом электропрогреве и расширение при этом номенклатуры нагревательных кабелей.

Для достижения этого технического результата в нагревательном кабеле, содержащем по меньшей мере одну изолированную токопроводящую жилу, предлагается каждую изолированную токопроводящую жилу выполнить изогнутой с образованием по меньшей мере одной петли, ветви сформированной петли от места перегиба направить в одну сторону, при этом ветви петли выполнить соприкасающимися между собой или разнесенными друг относительно друга.

Ветви петли токопроводящей жилы могут соприкасаться по винтовой линии. Скрученными по винтовой линии может быть одна и/или обе ветви петли. Шаг скрутки по винтовой линии может быть выполнен постоянным и/или переменным.

В нагревательном кабеле изолированные токопроводящие жилы могут быть выполнены равными и/или неравными по длине. Ветви в петле могут быть выполнены равными или неравными по длине.

С целью улучшения теплопередачи, на токопроводящие жилы уложена общая защитная оболочка, например броня.

Токопроводящая жила может быть выполнена однопроволочной или многопроволочной. Токопроводящая жила может быть выполнена из проводящего материала с разной проводимостью, при этом сечение токопроводящей жилы может быть выполнено или круглым, или овальным, или прямоугольным, или квадратным, или треугольным.

Контур сформированной из жилы петли может иметь форму дуги, разомкнутого прямоугольника, разомкнутого квадрата, разомкнутого многоугольника, разомкнутого треугольника.

Предложенное конструктивное выполнение нагревательного кабеля позволило получить разнообразие протяженных нагревательных кабелей с разнообразием тепловых характеристик, что обеспечивает использование их для путевого электропрогрева в глубоких и сверхглубоких скважинах при любом способе эксплуатации скважины, при любом составе скважинной жидкости с высокой эффективностью и надежностью.

Благодаря тому, что каждая токопроводящая изолированная жила выполнена изогнутой с образованием по меньшей мере одной петли, ветви которой от места перегиба направлены в одну сторону, появилась возможность выполнить протяженный нагревательный кабель, в котором токопроводящие жилы имеют непрерывную изоляцию от одного конца токопроводящей жилы до другого, такое конструктивное выполнение кабеля позволяет исключить расположение в агрессивной среде на недоступном для оператора месте самого ненадежного узла - места соединения жил и его изоляцию.

При предложенном расположении концов токопроводящих жил появилась возможность расположить их на поверхности и проводить соединение жил (для создания непрерывной электрической цепи) и изоляцию места их соединения в удобном для оператора месте (на поверхности), что создает, во-первых, условия для регулирования тепловой мощности рассеивания в зависимости от требований нагрева, например, переключением схем соединения концов токопроводящих жил; и во-вторых, повышается эксплуатационная надежность нагревательного кабеля, так как в агрессивной среде будет находиться нагревательный элемент (токопроводящие жилы) с изоляцией, непрерывной по всей длине жилы.

Благодаря тому, что ветви петли токопроводящих жил соприкасаются между собой либо разнесены друг относительно друга, появилась возможность расширить номенклатуру нагревательных кабелей, характеризующихся разной тепловой мощностью рассеивания.

Это объясняется следующим.

Соприкосновение ветвей петли по любому варианту (ветви уложены параллельно одна на другой; либо соприкасаются между собой по винтовой линии) приводит к приращению сопротивления токопроводящей жилы за счет эффекта "близости", заключающегося в вытеснении тока от одной поверхности к другой в месте соприкосновения поверхностей. Как следствие - повышается плотность тока и увеличивается тепловая мощность. Величину тепловой мощности можно регулировать шагом скрутки ветвей петли, вариантами выполнения скручивания ветвей петли в одной жиле, ветвей петли одной жилы, относительно ветвей петель в других жилах нагревательного кабеля.

Такое конструктивное выполнение нагревательного кабеля позволит осуществлять приращение электрического сопротивления токопроводящей жилы до требуемых величин на участках разной протяженности в зависимости от поставленной технологической задачи, и в конечном итоге, обеспечить избирательный прогрев участка требуемой протяженности и в заданном месте.

Выполнение токопроводящих жил в нагревательном кабеле разной длины, а также выполнение ветвей в петле разной длины обеспечивает дополнительную возможность расширить номенклатуру нагревательных кабелей за счет ступенчатого распределения тепловой мощности рассеивания по длине кабеля, причем наименьшее значение тепловой мощности будет приходиться на концевой участок кабеля.

С целью улучшения теплопередачи изолированные токопроводящие жилы охвачены снаружи общей защитной оболочкой, например броней.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 изображены варианты одножильного нагревательного кабеля круглого сечения А-А и Б-Б; на фиг.3 и 4 - вариант трехжильного нагревательного кабеля круглого сечения; на фиг.5 - вариант плоского трехжильного нагревательного кабеля.

Нагревательный кабель содержит по меньшей мере одну токопроводящую жилу 1, например, медную и/или стальную.

Каждая токопроводящая жила 1 выполнена с диэлектрической изоляционной оболочкой 2, например, из термопластичного эластомера.

Каждая изолированная токопроводящая жила 1 изогнута с образованием по меньшей мере одной разомкнутой петли 3 с ветвями 4, направленными от места перегиба в одну сторону. Контур сформированной из жилы 1 петли 3 может иметь форму дуги, разомкнутого прямоугольника, разомкнутого квадрата, разомкнутого многоугольника, разомкнутого треугольника. Токопроводящие жилы 1 в кабеле могут быть равными и/или неравными по длине. Ветви 4 сформированной из жилы 1 петли 3 могут быть выполнены равными или неравными по длине. Ветви 4 соприкасаются между собой или разнесены друг относительно друга.

В случае использования нагревательного кабеля для путевого прогрева глубоких и сверхглубоких скважин, скважин, имеющих ступенчатую обсадную колонну, на сформированные в виде петель 3 изолированные токопроводящие жилы 1 укладывают по меньшей мере одну общую защитную оболочку с целью защиты от механических повреждений, от влияния высокого давления, коррозионной среды. Общая защитная оболочка состоит из формообразующей оболочки 5, подушки 6 под броню и брони 7. Формообразующая оболочка 5 выполнена, например, из тепломаслостойкой резины. При этом промежутки между ветвями 4 в формообразующей оболочке 5 заполнены, например, штапелированной стеклянной пряжей 8.

На оболочку 5 уложена подушка 6 под броню 7 из полиэтилентерефталатной ленты, наложенной с положительным перекрытием, являющейся подложкой для внешнего защитного слоя кабеля - брони 7. Броня 7 выполнена, например, из двухповивной стальной оцинкованной проволоки; каждый повив наложен в противоположном направлении.

Токопроводящие жилы 1 кабеля с одного конца подключают к источнику питания (на чертеже не показано). Другие концы токопроводящих жил соединяют на поверхности в схему для обеспечения замкнутой электрической цепи и изолируют.

Для многожильного (в т.ч. двухжильного) нагревательного кабеля возможны следующие схемы включения:
- параллельное соединение токопроводящих жил;
- открытый "треугольник" (для трехфазного источника питания).

Для многожильного нагревательного кабеля с числом жил, кратным трем, возможны еще схемы соединения (для трехфазного источника питания):
- "звезда",
- "треугольник".

Изменяя порядок подключения концов токопроводящих жил 1, достигается многообразие схем включения с разной тепловой мощностью рассеивания, благодаря чему без изменения конструкции самого кабеля можно значительно расширить номенклатуру нагревательных кабелей.

Номенклатура нагревательных кабелей увеличивается также за счет пространственного размещения ветвей 4 разомкнутой петли 3. Ветви 4 могут быть уложены одна на другой, соприкасаясь по всей поверхности токопроводящей жилы 1 (фиг. 1, 3, 5), а могут частично соприкасаться, либо быть разнесены друг относительно друга.

Соприкасаться ветви 4 могут по винтовой линии (фиг.2, 4), причем скрученными по винтовой линии могут быть одна и/или обе ветви 4, по отдельности или обе ветви вместе. При этом шаг скрутки может быть выполнен постоянным и/или переменным по длине нагревательного кабеля.

Токопроводящие жилы 1 могут быть выполнены равной или неравной между собой длины. При неравной длине жил 1 длина образованных петель будет ступенчато отличаться.

Нагревательный кабель может быть выполнен круглого сечения, либо плоским (фиг. 5), либо неправильной объемной формы. Токопроводящие жилы 1 могут быть выполнены однопроволочными и многопроволочными, состоящими из центральной проволоки и симметрично расположенных относительно ее проволок, при этом сечение токопроводящей жилы может быть выполнено или круглым, или овальным, или прямоугольным, или квадратным, или треугольным.

При этом шаг скрутки по длине ветви (ветвей) петли может быть выполнен постоянным, переменным, или постоянным и переменным. Варианты выполнения постоянного и переменного шага скрутки следующие: шаг скрутки по длине одной (обеих) ветви петли может быть выполнен на каком-то участке постоянным, и на последующем - переменным, либо шаг скрутки одной ветви - постоянный, а другой - переменный, либо одна (обе) ветвь петли имеет постоянный (переменный) шаг скрутки, а между собой ветви скручены с переменным (постоянным) шагом скрутки.

Работает нагревательный кабель следующим образом.

Для проведения депарафинизации глубоких нефтегазовых скважин с использованием нагревательного кабеля предварительно проводят подготовительные операции: определяют возможную зону парафинообразования, выявляют толщину и протяженность этих зон в скважине, в зависимости от чего определяют длину нагревательного кабеля, его тепловую мощность рассеивания в зависимости от дебита скважины, давления, температуры в скважине, после чего нагревательный кабель требуемого конструктивного выполнения и выбранной схемой включения концов токопроводящих жил спускают в скважину в зону возможного парафинообразования и крепят к наружной поверхности НКТ или опускают во внутреннюю полость НКТ. Другие концы токопроводящих жил нагревательного кабеля подключают к источнику питания и осуществляют его нагрев.

В ходе нагрева возможно проводить регулирования теплового режима нагревательного кабеля путем изменения схемы соединения концов токопроводящих жил.

Нагревательный кабель, имеющий непрерывную изоляцию по всей длине и не имеющий мест соединения токопроводящих жил, находящихся в агрессивной среде, обеспечивает высокую эксплуатационную надежность.

Расширение номенклатуры заявляемого нагревательного кабеля позволяет расширить область его применения.

Конструкция нагревательного кабеля простая и удобная в эксплуатации.

Использование: для путевого электропрогрева высоковязкой нефтегазовой смеси в глубоких и сверхглубоких скважинах при любом способе эксплуатации скважины с целью снижения вязкости, ликвидации и предупреждения образования асфальтеносмолопарафинистых отложений. Техническая задача - повышение эксплуатационной надежности нагревательного кабеля, обеспечение возможности регулирования тепловой мощности рассеивания и расширение при этом его номенклатуры. Нагревательный кабель содержит по меньшей мере одну токопроводящую изолированную жилу, изогнутую с образованием по меньшей мере одной петли. Ветви сформированной петли от места перегиба направлены в одну сторону, при этом они соприкасаются между собой или разнесены относительно друг друга. Соприкасаются они между собой по винтовой линии. Скрученными по винтовой линии может быть одна и/или обе ветви. Шаг скрутки по винтовой линии может быть постоянным и/или переменным. Жилы могут быть равными или неравными по длине. Ветви петли также могут быть равными или неравными по длине. На изолированные жилы может быть уложена общая защитная оболочка. Жилы могут быть выполнены из проводящего материала с разной проводимостью. Контур петли может быть выполнен в форме дуги, разомкнутых прямоугольника, квадрата, многоугольника, треугольника. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Нагревательный кабель, содержащий по меньшей мере одну токопроводящую изолированную жилу, отличающийся тем, что каждая токопроводящая изолированная жила выполнена изогнутой с образованием по меньшей мере одной петли, ветви сформированной петли от места перегиба направлены в одну сторону, при этом ветви петли соприкасаются между собой или разнесены относительно друг друга. 2. Нагревательный кабель по п. 1, отличающийся тем, что ветви петли изолированной токопроводящей жилы соприкасаются между собой по винтовой линии. 3. Нагревательный кабель по п. 2, отличающийся тем, что скрученными по винтовой линии выполнены одна и/или обе ветви петли. 4. Нагревательный кабель по п. 2 или 3, отличающийся тем, что шаг скрутки по винтовой линии выполнен постоянным и/или переменным. 5. Нагревательный кабель по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что токопроводящие изолированные жилы выполнены равными или неравными по длине. 6. Нагревательный кабель по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что ветви в петле выполнены равными или неравными по длине. 7. Нагревательный кабель по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что на токопроводящие жилы уложена общая защитная оболочка. 8. Нагревательный кабель по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что токопроводящая жила выполнена однопроволочной или многопроволочной. 9. Нагревательный кабель по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что токопроводящая жила выполнена из проводящего материала с разной проводимостью. 10. Нагревательный кабель по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что контур петли выполнен в форме дуги, разомкнутого прямоугольника, разомкнутого квадрата, разомкнутого многоугольника, разомкнутого треугольника. 11. Нагревательный кабель по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что сечение токопроводящей жилы выполнено круглым, или овальным, или прямоугольным, или квадратным, или треугольным.