плуатируемые в составе УЭЦН и некоторые кабели, применяемые в технологии борьбы с осложнениями при добыче нефти.

8.2. Силовые кабели для кабельных линий УЭЦН, применяемые в 50—70-х годах

Силовые кабели, разработанные и изготовляемые отечественны­ ми предприятиями кабельной отрасли для кабельных линий УЭЦН с начала 50-х годов, имели резиновую изоляцию и резиновую оболочку, дополнительные защитные покрытия, накладываемые по общей обо­ лочке или на оболочку жилы. Кабели, прокладываемые по длине НКТ, имели круглую форму, а кабели-удлинители — плоские. Круглые ка­ бели имели сечение от 3x6 до 3x95 мм2 и кабельные линии комплекто­ вались плоским кабелем, сечение жил которого принималось на одну ступень меньше. Основной круглый кабель 3x16 мм2 комплектовался плоским сечением 3x10 мм2 и т.д.

Традиционная конструкция кабеля имела герметизированную семипроволочную жилу правильной скрутки (1+6), на которую на­ кладывалась резиновая изоляция толщиной 1,4—2,0 мм. Поверх об­ щей скрутки изолированных токопроводящих жил круглого кабеля накладывалась шланговая нефтегазостойкая резиновая оболочка. Защита шланговой оболочки от повреждений при бронировании и эксплуатации, а также от действия нефти длительное время осу­ ществлялась двухслойной обмоткой из маслостойкой лакоткане­ вой ленты и оплетки из хлопчатобумажной пряжи, пропитываемой противогнилостным составом. Так как оплетка самая малопроиз­ водительная операция в технологии рассматриваемых кабелей, в дальнейшем ее заменили обмоткой из соответствующих материалов

— прорезиненная тканевая лента.

Круглый питающий кабель соединялся с погружным электро­ двигателем при помощи отрезка плоского (длиной 10—15 м). У пос­ леднего токопроводящие жилы имели индивидуальные оболочки из резины либо общую оболочку (рис. 8.1). Основные конструктивные параметры кабелей в резине — круглого (КРБК), плоского (КРБП) представлены в табл. 8.1 и 8.2 соответственно. Для защиты кабелей от механических повреждений накладывается броня из профилирован­ ной стальной оцинкованной ленты толщиной 0,5 мм, шириной 10 мм (КРБК), 20 мм (КРБП). Вышеуказанные кабели разработаны ТашНИКИ совместно с заводом «Ташкенткабель» и были предназначены

По мере увеличения глубин, с которых производилась откачка не­ фти установками ЭЦН, увеличивается требуемая мощность устано­ вок, что вызывает необходимость повышения рабочего напряжения. Возникла необходимость в разработке кабелей на напряжение 1500 и 2300 В (КРБК) и 1200 и 2100 В (КРБП), способных работать в среде пластовой многофазной жидкости, насыщенной нефтяными газами, давлением до 200 кг/см2 и температурой до +95 °С.

До 70-х годов единственным материалом для изоляции и оболочек силовых кабелей, применяемых в кабельных линиях УЭЦН, являлась резина, обладающая достаточной температуростойкостью, стойкос­ тью к продавливанию, хорошей гибкостью и т.д. Однако наряду с этим используемые кабели с резиновой изоляцией и оболочками при­ менительно к условиям эксплуатации обладали крупным недостатком

— низкой нефтегазостойкостью. Данный фактор являлся причиной частого выхода из строя кабеля после первого подъема его из скважин, особенно в условиях эксплуатации с повышенным газовым фактором (до 180 и более м3/т нефти).

8.3. Силовые кабели с изоляцией из термопластичного полиэтилена

Со 2-й половины 60-х годов дальнейшие направления в разработ­ ках и совершенствовании конструкций кабелей для УЭЦН определя­ лись поиском и применением в кабелях изоляционных материалов, обладающих более высокой нефтегазостойкостью при приемлемых термомеханических характеристиках. Разработчики при создании ка­ белей нового поколения учитывали наличие различных материалов, изготавливаемых отечественной химической промышленностью на указанный период, и обратились к пластмассам, в частности, к по-

лиэтилену низкого давления (высокой плотности). Поскольку ряд свойств полиэтилена зависит от плотности, данный материал в нор­ мативной документации на кабели, применяемой в настоящее время в публикациях отдельных разработчиков и исследователей, в реклам­ ных материалах характеризуют не по способу полимеризации (при высоком или низком давлении), а по плотности.

Увеличение плотности полиэтилена от 0,918 до 0,960 г/см3 сопро­ вождается возрастанием твердости, температуры формоустойчивости, уменьшением растворимости, прозрачности [99], снижением набу­ хания в нефтепродуктах. Полиэтилен высокой плотности вследствие лучшей, чем у полиэтилена низкой плотности, теплостойкости обла­ дает лучшей термомеханической характеристикой: при одинаковых температурах, механических нагрузках и прочих равных условиях он имеет меньшие деформации.

Недостатки полиэтилена высокой плотности проявляются в его меньшей, чем у полиэтилена низкой плотности, технологичности, бо­ лее высоком температурном коэффициенте сопротивления изоляции при работе в жидкой среде (в частности, воде), и поэтому использова­ ние его в качестве изоляции ряда кабелей считается нецелесообразным. Единственное неоспоримое преимущество полиэтилена высокой плот­ ности — более высокая (~ на 20°С) температура формоустойчивости в сравнении с полиэтиленом низкой плотности [99]. При использовании первого для изоляции кабелей и проводов допустимая температура на­ грева жилы в кабельном изделии при его эксплуатации принята 90°С.

Результаты исследования различных характеристик изоляционно­ го материала при плотности от 0,92 до 0,96 г/см3, свидетельствующие о возможности применения полиэтилена высокой плотности в кабелях для электропитания погружных электродвигателей, легли в основу раз­ работки данных кабелей на заводе «Ташкенткабель» в 1967—1968 гг. [99]. При проведении промысловых испытаний кабелей с двухслойной изо­ ляцией общей толщиной 3,0 мм в средах с высоким газовым фактором было подтверждено их более высокое качество в сравнении с изделия­ ми, имеющими резиновую изоляцию и оболочку. Срок службы кабеля в составе УЭЦН увеличился в 5—8 раз при более высоких не толькотехни­ ческих, но и экономических показателях — кабели с изоляцией из поли­ этилена высокой плотности были значительно дешевле кабелей КРБК.

В 70-х годах производство кабелей марок КПБК, КПБП было осво­ ено на Подольском кабельном заводе, и до конца 80-х годов указанные

два предприятия являлись основными изготовителями кабелей для УЭЦН. Значительные объемы кабеля с полиэтиленовой изоляцией, изготовляемые по нормативной документации нашей страны в 80-х годах, поставлялись по импорту из Югославии. На начало 90-х годов ощущался дефицит в кабелях для УЭЦН, и в указанное десятилетие их производство было освоено на ряде предприятий кабельной отрасли: «Сибкабель», «Камкабель», «Кавказкабель», «Уралкабель». Созданы новые предприятия: ЗАО «Росскат», в системе ОАО «Татнефть» и АНК «Башнефть». Производственные мощности указанных предприятий по кабелям для УЭЦН составляют около 70 тыс. км в год. Предприятия «Камкабель», «Подольсккабель», «Сибкабель», «Кавказкабель» имеют возможность выпуска более 10 тыс. км кабеля в год по каждому изгото­ вителю. Потребность нефтедобывающих компаний в новых кабелях на напряжение 3300 В на конец прошлого века составляла около 40 тыс. км в год; в 2002 г. — примерно 35 тыс. км. На начало 2003 г. было запла­ нировано производство кабелей для кабельных линий УЭЦН на пред­ приятии «Иркутсккабель» при объемах выпуска до 4,5 тыс. км в год.

К числу основных разработчиков и исследователей по новым ти­ пам кабелей, применению новых материалов, нового технологичес­ кого оборудования, усовершенствования технологий за прошлое де­ сятилетие и на начало нового века по кабелям для УЭЦН следует от­ нести «Камкабель», «Подольсккабель», «Кавказкабель», «Сибкабель» и ОАО «ВНИИКП». На конец 90-х годов объемы применения кабелей марок КПБК, КПБП составляли около 90% от общего количества но­ вого кабеля различных типов, применяемого на промыслах. Сведения по основным конструктивным параметрам кабелей и их масс пред­ ставлены в табл.8.3; схематические разрезы даны на рис. 8.2.

Отсутствие в номенклатуре выпуска отечественных изготовителей более теплостойких кабелей с лучшими термомеханическими харак­ теристиками изоляции в сравнении с кабелями марок КПБК, КПБП, специальных малогабаритных кабелей-удлинителей, высокая стои­ мость импортных кабелей привело к повсеместному использованию в 70—80-х годах на нефтепромыслах России кабелей с изоляцией и оболочкой из полиэтилена высокой плотности. Эксплуатационные возможности кабелей подобного типа ограничены теплостойкостью и морозостойкостью применяемых в них материалов. Это, в свою оче­ редь, неизбежно должно было привести к относительному снижению эксплуатационной надежности данных кабелей. Технические условия

Рис.8.2. Схематические чертежи поперечного сечения кабелей с пластмассовой изоля­ цией отечественного производства для УЭЦН:

а» кабели марок КПБК-90, КПпБК-100, КЛпБК-110, КПпБК-120, КПвБК-120, КП©ПпБК'120; б) кабели марок КПБП-90, КЛпБП-100, КПпБП-110, КПпБП-120, Й£ППлБП'120, КПвБП-120 и КЛвПпБП-120; в) кабель марки КЛОБП-90; г) кабель марки КПпБПу-100; д) кабели марок КлПпБК-120 и КтПпБК-120; е) кабели марок &лЛяБГЫ20 и КтПпБП-120; 1-токопроводящая жила, 2-первый слой изоляции, 3- Iоткрой слой изоляции, 4-подушка, 5-броня, 6-подслой изоляции

ТУ16-505.129-82 на кабели марок КПБК и КПБП устанавливали средний срок службы кабелей не менее 5,5 лет. Отраслевые докумен­ ты нефтяной промышленности регламентируют сроки амортизации нефтегазового оборудования по кабелям для УЭЦН. Он должен быть

ния изоляции, увеличение токов утечки). Анализ эксплуатационных показателей кабелей марок КПБК и КПБП показывает следующее:

—снижение долговечности кабелей происходит в основном из-за образования в полиэтиленовой изоляции микротрещин и набухания изоляции, приводящих к ухудшению ее электрических характеристик;

—образование микротрещин в изоляции и их набухание связаны, прежде всего, с тепловыми перегрузками изоляции, возникающими при токовых перегрузках и превышениях температуры окружающей среды. Для повышения долговечности кабелей данного типа необхо­ димо установить температуру нагрева жил кабелей не более 90°С. Опыт эксплуатации отечественных УЭЦН, для кабельных линий в которых применялись данные кабели, и сравнительный анализ допустимых токов нагрузки кабелей марок КПБК, КПБП и кабелей зарубежных фирм REDA (США), Philips Cable (Канада) и других изготовителей показывают, что кабели с изоляцией из термопластичного полиэти­ лена нередко эксплуатировались в режимах тепловых перегрузок. Величины токов нагрузки кабелей по ТУ 16-505.129-82 значительно завышены (в 2 и более раз) [14]. До 2001 г. не имелось публикаций разработчиков о порядке расчета допустимых токов нагрузки кабелей, входящих в состав установки электроприводного центробежного на­ соса для добычи нефти;

—развитие процесса образования микротрещин в изоляции уско­ ряется под воздействием газа скважинной жидкости;

—при приложении к изоляции кабелей сосредоточенных механи­ ческих нагрузок, а также при изгибах и хранении кабелей при отрица­ тельных температурах микротрещины перерастают в макротрещины.

Внормативной документации на указанные кабели предельная отри­ цательная температура воздуха для спуско-подъемных и перемоточ­ ных операций до 2002 г. была принята минус 40 °С;

—электрические характеристики кабеля (сопротивление изоля­ ции, электрическая прочность) снижаются по длине кабеля от устья до забоя. Монтаж кабельных линий на скважинах производится без применения протекторов, защищающих кабель в местах прокладки на муфтах НКТ от механических повреждений. Исследования причин электрического пробоя кабелей на «ровном месте» после демонтажа на месторождениях показывают, что в отдельных случаях кабель пов­ реждается на расстояниях, кратных длине НКТ, между муфтами труб либо в местах установки металлических поясов («клямс»).

На 90-е годы приходится основной объем выполненных работ по разработке, исследованиям, промысловым испытаниям, освоению серийного выпуска на различных предприятиях России кабелей для УЭЦН с изоляцией из полипропилена, блоксополимеров пропиле­ на с этиленом. Это кабели типа КПпБК-120, КПпБП-120 и других модификаций, при эксплуатации которых допустимая температура нагрева жил до 120 °С. Применение кабелей нового поколения, обла­ дающих лучшими термомеханическими характеристиками и эксплу­ атационными показателями, при сравнимости цен кабелей КПБП-90

иКПпБП-120 привело к снижению объемов использования кабелей с изоляцией из термопластичного полиэтилена. В 2002 году на нефтеп­ ромыслах России использовалось около 20% кабелей марки КПБК90, КПБП-90 от общего объема всех типов новых кабелей для УЭЦН

ипросматривается дальнейшее снижение их применяемости.

По мнению отдельных разработчиков, исследователей и изгото­ вителей кабелей для УЭЦН, объемы работ, выполненных по усовер­ шенствованию конструкций, технологии изготовления и др. по ка­ белям типа КПБК-90, КПБП-90, на данный момент можно считать достаточными и более перспективными являются подобные работы по кабелям на класс нагревостойкости 120°С и выше.

8.4.Кабели с полипропиленовой изоляцией

икомпозицией на его основе

Вконце 80-х годов Томским научно-исследовательским кабельным институтом совместно с предприятиями «Камкабель», «Сибкабель», «Иркутсккабель» проводились работы по применению полипропи­ ленов для изоляции силовых кабелей на напряжение 1 кВ. Получены положительные результаты и были начаты работы по разработке, ис­ следованиям, освоению производства кабелей на напряжение 3,3 кВ

для кабельных линий УЭЦН [90].

Исследованы: композиции материалов на основе полипропилена МПП 15-16, сополимера пропилена с этиленом марки СПЭ 22015-16, содержащего до 10% этиленовых звеньев; сравнительные характерис­ тики изоляции серийно выпускаемых кабелей КПБП, КПБК и созда­ ваемых кабелей типа КППБП, КППБК (маркировка на начало 90-х годов) с изоляцией на основе сополимера пропилена с этиленом [165]. Испытания материалов выполнены стандартными методами, а также по методикам, разработанным с учетом воздействия раздавливающих

нагрузок при п о д е н н ы х температуре и давлении агрессивной среды

— пластовой жиДкости>содержащей нефть, воду с растворенными в ней солями и газами. Физико-механические испытания проводились по ГОСТ 11262-80 на образцах типа 1, вырубленных из прессован­ ных пластин изоляционного материала, и на образцах в виде трубо­ чек, снятых с жил кабелей согласно ГОСТ 25018-81. Холодостойкость определялась по ГОСТ 5960-72; электрическая прочность — по ГОСТ 6433.3-71; электрическое сопротивление изоляции — по ГОСТ 334576; термопластическая деформация — по методике НЦИЯ 245-87М. В табл. 8.5 приведены показатели технологичности, электрические, физико-механические характеристики материалов в исходном состо­ янии и после теплового старения в воздушной среде при 125°С.

Таблица 8.5

Как видно из табл. 8.5 , разрушающее напряжение при растяже­ нии СПЭ 22015-16 выше, чем ПЭНД марки 271-70К. Остальные ха­ рактеристики после старения почти не изменились. По стойкости к тепловому старению СПЭ композиции 22015-16 превосходит ПЭНД 271-70К: после 60 суток экспозиции при 125°С образцы из полиэти­ лена потеряли эластичность; образцы на основе полипропилена при этом имели разрушающее напряжение при растяжении 23,9 МПа и относительное удлинение 525%. Стойкость материалов к термоплас­ тической деформации оценивалась по методике, сущность которой заключается в определении деформации образца (в процентах от исходной толщины) под нагрузкой при заданной температуре. На рис. 8.3 показана зависимость термопластической деформации D ма­

степени набухания (по увеличению массы), по прочности при растяже­ нии, холодостойкости и электрическим параметрам после выдержки об­ разцов в течение длительного времени при 95°С в среде, имитирующей по составу пластовую жидкость скважин: 90 частей (по объему) соляро­ вого масла, 10частей воды с добавлением минеральных солей в количес­ тве до 28 г/л. Максимальная степень набухания для всех исследованных материаловдостигается в течение первых суток, в дальнейшем значение этого показателя остается стабильным в течение двух месяцев, при этом степень набухания ПЭНД ниже, чем материалов на основе полипропи­ лена (рис. 8.5). Значение разрушающего напряжения при растяжении образцов СПЭ 22015-16 после 12 мес. выдержки их при 95°С в пластовой жидкости выше, чем образцов ПЭНД 271-70К (табл. 8.6).

Электрическая прочность всех исследуемых материалов практи­ чески не изменяется под воздействием пластовой жидкости: через 2 месяца выдержки в ней она составляет 38 кВ/мм. Электрическое сопротивление изоляции жил снижается примерно на 1—2 порядка после 2—14 суток выдержки, затем стабилизируется и остается доста­ точно высоким при дальнейшей длительной экспозиции (табл. 8.7). Холодостойкость (при изгибе) исследуемых материалов на основе полипропилена и его сополимеров от -45 до -47°С (ПЭНД -70°С), однако после выдержки в пластовой жидкости увеличивается до - 70°С, что имеет большое значение при повторных спусках кабеля в скважину.

Изготовлены опытные партии кабелей для установок ЭЦН с изоля­ цией из композиций на основе полипропилена марок МПП и СПЭ. Ма­ териалы показали хорошую перерабатываемость при наложении изоля­ ции методом экструзии. Образцы жил с изоляцией из СПЭ 22015-16 от опытной партии кабеля КППБК 3x16 мм2 и с изоляцией из ПЭНД от партии серийного кабеля КП БК 3x16 мм2, навитые на стержни диамет­ ром (15±0,5) мм, прошли испытания на надежность в поверхностно-ак-

тинной среде (раствор ОП-Ю с массовой долей 10%) при температурах 70,80 и 95 вС. Результаты испытаний представлены в табл. 8.8.

Таблица 8.7

Из анализа полученных данных следует, что кабели с изоляцией из сополимера пропилена с этиленом характеризуются значительно большей стойкостью к растрескиванию, чем кабели с полиэтилено­ вой изоляцией. Для определения работоспособности и надежности проводились эксплуатационные испытания 43 кабелей с новым ви­ дом изоляции строительной длиной от 1200 до 1600 м в скважинах месторождений НГДУ «Стрежевойнефть» (Томская область). Каждый опытный кабель эксплуатировался во время испытания в качестве

По состоянию на 2000 год кабели силовые с изоляцией обоих сло­ ев из блоксополимера пропилена с этиленом на напряжение 3,3 кВ серийно изготовляли не менее 6 предприятий (кроме «Подольсккабеля») по пяти техническим условиям, утвержденным изготовителя­ ми при наличии согласования и без последнего со ВНИИКП. Кабели с изоляцией обоих слоев из блоксополимера пропилена с этиленом маркировались: КППБП, КППБК. Во втором полугодии 2002 года взамен ТУ отдельных предприятий (кроме АО «Камкабель») утверж­ дены ТУ 16.К71 -293-2002 «Кабели с полипропиленовой изоляцией для установок погружных электронасосов». Сведения по параметрам кабелей, включенных в данные ТУ, приведены в табл. 8.10; схемати­ ческие разрезы кабелей даны на рис. 8.2.

Одной из отличительных особенностей нормативной документа­ ции АО «Камкабель» от разработок АО «Сибкабель» и НД 2002 года является номинальная толщина двухслойной изоляции: в разработках первого — 2,6 мм, второго и других предприятий — 2,8 мм. Опыт 5-6- летнего изготовления и применения на промыслах нескольких тысяч километров кабелей при толщине изоляции 2,6 мм показывает, что подобная толщина является приемлемой для кабелей типа КПпБП120, КПпБК-120. Следует принимать во внимание то, что напряжение погружного электродвигателя не более 2000 В, а не 3,3 кВ, как приня­ то для кабеля силового, и на участке кабельной линии в верхней части

скважины кабель подвергается меньшим раздавливающим усилиям при больших рабочих напряжениях переменного тока частоты 50 Гц.

Анализ объемов ежегодного производства силовых кабелей различ­ ных типов для УЭЦН и их применения нефтедобывающими компани­ ями в части номенклатуры показывает: примерно с 1998 г. и особенно в 2000-2001 гг. увеличивается применение кабеля с изоляцией обоих слоев из блоксополимера пропилена с этиленом. На 2002—2003 годы более по­ ловины нового кабеля, вводимого в эксплуатацию, приходится на данное изделие. На скважинах ООО «ЛУКОЙЛ-Западная Сибирь» с 2000 года вообще не используются кабели с изоляцией из термопластичного поли­ этилена. То же на промыслах ОАО «Сибнефть-Ноябрьскнефтегаз» [90].

Следует отметить, что наиболее успешные положительные результа­ ты при применении кабелей с изоляцией из блоксополимеров в части наработки до первого отказа; общего «срока жизни», в составе УЭЦН; количеству «рейсов» в скважину до списания; решение проблемы мо­ розостойкости и др. получены в ОАО «Сибнефть-Ноябрьскнефтегаз»

[90].Данная нефтяная компания с начала 90-х годов одной из первых

вРоссии применяет и обеспечивает подконтрольную эксплуатацию кабеля типа КПпБП. Несколько десятков кабельных линий по состоя­ нию на 2001 г. находились в эксплуатации с 1994 г. Очередные исследо­ вания кабельных линий после демонтажа на скважинах проведены ле­ том 2001 г. в части определения токов утечки, испытания повышенным напряжением. Получены положительные результаты и продолжалась дальнейшая эксплуатация ряда кабельных линий.

Определяющими причинами преимущественного применения ка­ белей с изоляцией обоих слоев из блоксополимера пропилена с этиле­ ном, по мнению авторов отдельных публикаций, являются:

—хорошие электрические, термомеханические характеристики композиций блоксополимеров пропилена с этиленом для изоляции кабельных изделий [27, 90]; электроизоляционные свойства, хладостойкость такие же, как полиэтилена; плотность 0,9 против 0,955 г/см3; превосходит по нагревостойкости, прочности и стойкости к растрес­ киванию в агрессивных средах;

—обеспечение предприятий кабельной подотрасли данными матери­ алами в Необходимых объемах химическими компаниями России [90];

—для изготовления кабеля используются экструзионные линии, применяемые при выпуске изделий с изоляцией из термопластичного полиэтилена;

Примечание:

1.Пример записи условного обозначения кабеля марки КЛпБК-120 с тремя жилами номинальным сечением 16мм2 при заказе и в документации другого изделия:

Кабель КПпБК-120 3x16 ТУ16. К71-293-2002

2.Расчетнаямассауказана длякабеля сброней, наложеннойсперекрытиемпорядка30%. При большем перекрытии бронимасса кабеля выше значений, указанных в таблице.