Способ изготовления грузонесущего геофизического армированного кабеля с гидроканалом Российский патент 2024 года по МПК F16L11/04 F16L11/14 

Изобретение относится к промышленному мелкосерийному либо серийному производству и может быть использовано в кабельной промышленности для изготовления продукта и дальнейшего его использования в нефтегазовой отрасли.

Известен способ изготовления гибкой грузонесущей полимерной трубы (патент на полезную модель № 2315223 от 13.04.2006.). Недостатком данного способа является низкий предел рабочих температур получаемого изделия, что не позволяет использовать его в условиях с применением рабочих жидкостей с высоким температурным фактором.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ изготовления гибкой протяжной трубы (патент на полезную модель № 44782 от 18.06.2004), включающий образование концентрическими слоями материалов и выполнение полимерной оболочки, армированной стальной проволокой. Недостатком данной полезной модели является отсутствие этапа введения поперечных армирующих элементов, определяющих радиальную прочность изделия и многослойную структуру стенок трубы, что приводит к их расслоению.

Технической задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.

Техническим результатом проведённых работ является разработка способа изготовления грузонесущего геофизического армированного кабеля с гидроканалом со связанными слоями с применением дополнительного слоя полимерного материала с высокими механическими свойствами и повышенной рабочей температурой, имеющего достаточную протяжённость для проведения внутрискважинных операций.

Технический результат достигается путём создания конструкции со связанными слоями из полимерных материалов с различными характеристиками, внутри которых под определённым углом к оси трубы расположены поперечные и продольные армирующие токопроводящие элементы, имеющие форму спирали.

Способ изготовления грузонесущего геофизического армированного кабеля с гидроканалом осуществляют следующим образом.

При получении материалов, необходимых в процессе производства ГПТ, проходит операция входного контроля согласно нормативной документации, разработанной предприятием изготовителем ГПТ. Либо по нормативной документации, по которой изготовлен данный материал (ТУ, ГОСТ, ОСТ). После заключения контрольного органа предприятия о соответствии, требуемые материалы передаются в производство по изготовлению грузонесущего геофизического армированного кабеля с гидроканалом.

При производстве работ по изготовлению основы гидроканала-лайнера применяется метод экструзии. При изготовлении применяется экструзионная линия, состоящая из основных узлов: основной экструдер, два соэкструдера, экструзионная головка, вакуумная ванна, две ванны охлаждения, тянущее устройство, приёмное устройство. Для производства требуется экструзионная линия, в составе которой имеется не менее трёх экструдеров и специальная многослойная экструзионная головка для формирования пятислойного (многослойного) монолитного гидроканала-лайнера.

Основной экструдер – это основная часть линии.

Основные элементы линии это – экструдеры, которые используются для расплавления и преобразования сырья в трубу, и экструзионнная головка в которой устанавливается рабочий инструмент, дорн и матрица, определяющие геометрические параметры и форму трубы. Другие элементы включают системы охлаждения, различные устройства для контроля процесса производства, а также системы намотки и укладки трубы. Линии по производству полиэтиленовых труб используются в различных отраслях промышленности. В зависимости от применения, трубы могут иметь различный диаметр, толщину и структуру стенки, а также другие характеристики.

Существуют различные виды линий по производству труб, включая линии для выпуска однослойных труб и многослойных труб. Однослойные трубы используются для транспортировки жидкостей и газов в бытовых условиях. Многослойные трубы же, имеют более сложную конструкцию и используются в более требовательных условиях, например, для транспортировки горячей воды или других сред. Благодаря применению линии с многослойной экструзионной головкой обеспечивается возможность использования материалов с разными характеристиками и параметрами. Расположение слоёв в теле гидроканала-лайнера расположены в следующей пропорциональной зависимости: первый слой ПНД не менее 30+/- 5% от толщины стенки гидроканала-лайнера, второй слой агдезив (клеевая основа) не более 5+/-2% от толщины стенки гидроканала-лайнера, третий слой ПБТ не менее 15 +/- 7% от толщины стенки гидроканала-лайнера, четвертый слой агдезив (клеевая основа) не более 5 +/- 2% от толщины стенки гидроканала-лайнера, пятый слой ПНД не менее 45 +/-5% от толщины стенки гидроканала-лайнера.

Процесс изготовления основы осуществляют следующим образом.

На данной операции происходит загрузка сыпучих материалов (например, полиэтилена низкого давления ПНД, полипропилена ПП или полибутилентерефталата ПБТ) в приёмные устройства (бункер) экструдера. При воздействии температуры (от 135°С до 260°С) и давления, нагнетаемого парой гильза-шнек в экструдере, сыпучий материал переходит в пластичное состояние (расплав). В экструзионной голове расплав при прохождении через рабочий инструмент (дорн и матрица) формируется в гидроканал-лайнер с требуемыми конструктивными параметрами внешнего и внутреннего диаметра, а также толщины стенки. Далее полученный гидроканал-лайнер попадает в калибратор вакуумной ванны, где под воздействием вакуума и температуры не более 25°С охлаждающей жидкости происходит полное формирование наружного диаметра, внутреннего диаметра и толщины стенки гидроканала-лайнера. Далее заготовка основы в виде гидроканала-лайнера проходит три ванны охлаждения первая с температурой не более 25°С, второй ванны не более 40°С, третьей ванны не более 23°С, в которых происходит охлаждение изделия до температуры окружающей среды. После ванн охлаждения заготовка проходит через тянущее устройство, которое производит постоянное линейное перемещении гидроканала-лайнера от экструзионной группы до приёмного устройство с заданной скоростью, которая варьируется от 1 до 10 м/мин и усилием протяжки. После тянущего устройства заготовка попадает на приёмное устройство, в котором размещён приёмный барабан. Приёмное устройство производит намотку гидроканала-лайнера на приёмный барабан для равномерного послойного размещения на технологическом барабане.

Далее осуществляют нанесение поперечного армирующего слоя методом скрутки.

Скрутка - это процесс объединения отдельных элементов (проволок, жил, лент, групп пучков), при котором каждый из них располагается по винтовой линии вокруг центральных (одного или нескольких) элементов. Каждый периферийный элемент скрутки в пространстве образует спираль. Основная цель скрутки – придать изделию устойчивую конструкцию и гибкость, а также обеспечить возможность передачи сигнала. Скрутку осуществляют в результате сочетания двух движений: прямолинейного (поступательного) и вращательного. При этом вращение может производиться как по часовой стрелке, так и против нее. О направлении скрутки судят по расположению витков элементов в скрученном изделии. Скрутка называется левой, когда каждый элемент скрутки, если смотреть на него по направлению оси, идет справа-вверх-налево, и правой при траектории элемента слева-вверх-направо. Скрутку осуществляют на крутильных машинах.

Для нанесения поперечного армирующего слоя используются тангенсальные и центральные лентообомоточные машины. При данной операции осуществляют нанесение ленты (стальной либо полимерной) с небольшим шагом 5-15 мм.

На данной технологической операции происходит укладка армирующего элемента на гидроканал-лайнер с заданными параметрами шага. На данной операции происходит совмещение поступательного движение гидроканала-лайнера и вращательного движения оборудования, в которое загружен армирующий элемент.

С отдающего устройства линии для нанесения поперечного армирующего слоя заготовка проходит через узел скрутки. В узле скрутки происходит нанесение армирующего элемента (например, металлической ленты) с заданным шагом. Линейное перемещение задаётся тянущим устройством, которое обеспечивает постоянное перемещение заготовки, а обмотка (укладка) армирующего элемента производится вращательным движением лентообмотчика вокруг оси гидроканала-лайнера. После прохождения через тянущее устройство, гидроканал-лайнер попадает на приёмное устройство, где с происходит намотка на приёмный технологический барабан с заданным усилием и шагом раскладки для равномерного, послойного размещения на технологическом барабане.

На следующем этапе осуществляют нанесение продольного армирующего слоя c проводящими элементами в виде токопроводящих жил, проволоки, лент либо оптического волокна.

По описанию, данная операция полностью соответствует операции поперечного армирования. Отличием является то, что в данном случае используется крутильное оборудование другого типа. Скрутку осуществляют на крутильных машинах фонарного и жёсткорамного типа. Необходимость использования вращательного движения обусловливает ограниченную скорость процесса скрутки по сравнению с современными процессами, основанными только на прямолинейном поступательном движении заготовки-изделия (например, экструдировании) и, следовательно, не дает возможности резкого увеличения производительности крутильных машин, желательного для интенсификации всего кабельного производства. Жесткорамные машины представляют собой вариант клетьевых крутильных машин, не имеющих отдающего устройства, так как заготовка на катушках устанавливается непосредственно в крутильные клети, что значительно упрощает технологию. В крутильной части отдающие катушки с проволокой располагаются в три и более ряда, как можно ближе к оси вращения, это позволяет увеличить частоту вращения до 180-350 об/мин. В отличие от поперечного армирующего слоя, продольный армирующий слой укладывается в два слоя с шагом 110-200±40 мм для первого слоя-повива с количеством армирующих элементов от 10 до 36 штук и с шагом 150-250±40 мм для второго слоя-повива с количеством армирующих элементов от 15 до 36 штук. Скрутку осуществляют последовательно в двух противоположных направлениях и противоположно направленный к отношению поперечного повива.

На последнем этапе осуществляют нанесение основной наружной оболочки с использованием экструзионной линии. Экструзионная линия представляют собой комплекс оборудования, предназначенный для переработки полимерного сырья (гранул) в однородный расплав и придания ему формы путем продавливания через экструзионную головку и специальный экструзионный инструмент (дорн и матрица), сечение которого соответствует конфигурации готового изделия с образованием связанных слоев полимерной основы гидроканала-лайнера, слоев армирующих элементов и слоя ПНД за счет проникновения материала ПНД через слои сетки армирующих элементов вплоть до полимерной основы гидроканала-лайнера.

Технологическая операция производится на экструзионной линии в состав которой входит: экструдер (либо группа экструдеров), ванны охлаждения (не мене 3х), тянущее устройство, приёмное устройство, отдающее устройство, а также устройство подогрева заготовки.

На данной технологической операции материал ПНД в виде гранул загружается в приёмный бункер экструдера, в котором при воздействии температуры (от 175°С до 250°С) и давления, нагнетаемого парой гильза-шнек в экструдере, сыпучий материал переходит в пластичное состояние (расплав). В экструзионной головке расплав, при прохождении через рабочий инструмент (дорн и матрица) формируется на теле заготовки необходимый наружный диаметр, а также необходимая адгезия внутреннего и наружного слоя. После изделие попадает в ванны охлаждения, в которых поддерживается требуемая температура охлаждающей жидкости (первая ванна не более 65°С, вторая ванна не более 45°С и третья ванна не более 23°С), благодаря чему происходит плавное, ступенчатое охлаждение нанесённого материала.

Далее изделие попадает в тянущее устройство, которое задаёт постоянное прямолинейное перемещение изделия через экструзионню голову. После изделие направляется на приёмное устройство, где наматывается на приёмный барабан для равномерного, послойного размещения на барабане.

При нанесении наружного слоя полимера на заготовку, требуется выдержать следующие основные, заданные изначально параметры: диаметр изделия, целостность оболочки, адгезия наружного слоя с внутренним гидроканалом-лайнером.

Кроме того, при производстве осуществляется межоперационный контроль изделия согласно внутреннего регламента предприятия изготовителя.

Пример практической реализации.

По данному способу был изготовлен образец кабеля, КГГГ 25/44ОМ4, с применением следующих материалов: полимеры ПЭ100 в качестве материала основы лайнера и наружного слоя и ПБТ в качестве материала дополнительного слоя с улучшенными механическими свойствами, лента стальная для поперечного армирующего слоя, проволока стальная высокоуглеродистая в качестве продольного слоя армирующих элементов, модуль оптический с четырьмя волокнами в качестве проводника сигналов для подключения внутрискважинного оборудования.

Готовый кабель обладал следующими параметрами: внутренний диаметр 25+/-1 мм, наружный диаметр 44+2/-1мм. Испытания готового образца показали, что разрывное усилие составило140 кН, максимальная допустимая температура 90°С, максимальное рабочее давление при температуре 90°С составляет 20Мпа, что соответствует заявленному техническому результату.

Изобретение относится к кабельной промышленности, в частности к изготовлению грузонесущего геофизического армированного кабеля с гидроканалом для дальнейшего его использования в нефтегазовой отрасли. Способ включает формирование в многослойном экструдере гидроканала-лайнера с дополнительным слоем из полибутилентерефталата (ПБТ) и требуемыми параметрами внутреннего диаметра и толщины стенки. Затем гидроканал-лайнер проходит три ванны охлаждения, первая с температурой не более 25°С, вторая ванна - не более 40°С, третья ванна - не более 23°С, в которых происходит охлаждение изделия до температуры окружающей среды. После ванн охлаждения гидроканал-лайнер проходит через тянущее устройство, которое производит постоянное линейное перемещение от экструзионной группы до приёмного устройства с заданной скоростью от 1 до 10 м/мин и усилием протяжки до 500 кг. После тянущего устройства заготовка попадает на приёмное устройство для равномерного послойного размещения заготовки на технологическом барабане. Далее наносят поперечный армирующий слой в виде ленты с небольшим шагом 5-15 мм методом скрутки. Осуществляют нанесение продольного армирующего проводящего сигнал слоя последовательно в двух противоположных направлениях в два слоя с шагом 110-200±40 мм для первого слоя повива с количеством армирующих элементов от 10 до 36 штук и с шагом 150-250±40 мм для второго слоя повива с количеством армирующих элементов от 15 до 36 штук. Осуществляют нанесение основной наружной оболочки из полиэтилена низкого давления (ПНД) с использованием экструзионной линии с образованием связанных слоев полимерной основы гидроканала-лайнера, слоев армирующих элементов и слоя ПНД за счет проникновения материала ПНД через слои сетки армирующих элементов, вплоть до полимерной основы. Изобретение обеспечивает повышение радиальной прочности кабеля, снижение расслоения многослойной структуры стенок, возможность применение рабочих жидкостей с высоким температурным фактором при проведении внутрискважинных операций.

Способ изготовления грузонесущего геофизического армированного кабеля с гидроканалом, включающий процесс изготовления гидроканала-лайнера, для осуществления которого загружают сыпучие полимерные материалы в приёмные устройства многослойного экструдера, где сыпучий материал переходит в пластичное состояние и при прохождении через рабочий инструмент формируется гидроканал-лайнер с дополнительным слоем из полибутилентерефталата (ПБТ) и требуемыми параметрами наружного диаметра, внутреннего диаметра и толщины стенки, затем гидроканал-лайнер проходит три ванны охлаждения, первая с температурой не более 25°С, вторая ванна - не более 40°С, третья ванна - не более 23°С, в которых происходит охлаждение изделия до температуры окружающей среды, после ванн охлаждения заготовка проходит через тянущее устройство, которое производит постоянное линейное перемещение гидроканала-лайнера от экструзионной группы до приёмного устройства с заданной скоростью, которая варьируется от 1 до 10 м/мин, и усилием протяжки до 500 кг, после тянущего устройства заготовка попадает на приёмное устройство, в котором размещён приёмный технологический барабан для равномерного послойного размещения заготовки на барабане; далее осуществляют нанесение поперечного армирующего слоя в виде ленты с небольшим шагом 5-15 мм методом скрутки; далее осуществляют нанесение продольного армирующего проводящего сигнал слоя последовательно в двух противоположных направлениях в два слоя с шагом 110-200±40 мм для первого слоя повива с количеством армирующих элементов от 10 до 36 штук и с шагом 150-250±40 мм для второго слоя повива с количеством армирующих элементов от 15 до 36 штук; осуществляют нанесение основной наружной оболочки из полиэтилена низкого давления (ПНД) с использованием экструзионной линии с образованием связанных слоев полимерной основы гидроканала-лайнера, слоев армирующих элементов и слоя ПНД за счет проникновения материала ПНД через слои сетки армирующих элементов, вплоть до полимерной основы.