автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Разработка и исследование теплостойких кабелей для погружных нефтенасосов

ВВЕДЕНИЕ.

1 Теоретические исследования кабелей для электропитания погружных нефтенасосов

1.1 Исследование условий эксплуатации нефтепогружных кабелей в современных нефтескважинах.

1.2 Обзор существующих конструкций нефтепогружных кабелей.

2 Исследование электроизоляционных материалов, применяемых для изготовления нефтепогружных кабелей

2.1 Существующие электроизоляционные материалы для производства нефтепогружных кабелей.

2.2 Экспериментальное исследование сопротивления

2.3 Экспериментальное исследование сопротивления изоляции радиационно-модифицированного полиэтилена высокой плотности с применением

3 Разработка и исследование конструкции кабеля с изоляцией из радиационно-модифицированного изоляции радиационно-модифицированного полиэтилена высокой плотности. оболочки-протектора полиэтилена высокой плотности и оболочкой-протектором для работы при температуре до +120°С для электропитания погружных нефтенасосов

3.1 Разработка конструкции кабеля.

3.2 Особенности технологии изготовления

3.2.1 Технология наложения изоляции.

3.2.2 Технология радиационного модифицирования изоляции.

3.2.3 Технология наложения оболочки.

3.3 Исследование сопротивления изоляции разработанного кабеля.

3.4 Исследование кабеля на эксплуатационную надежность.

4 Расчет длительно-допустимых токовых нагрузок на кабели КППБПТ и КПБП.

5 Минимизация экологического ущерба от применения радиационной технологии обработки изоляции.

5.1 Факторы опасности при проведении радиационных процессов.

5.2 Нерадиационные факторы опасности. Продукты радиолиза воздуха.

5.3 Удаление летучих и газообразных токсичных продуктов радиационно-технологических

Актуальность работы. Современная добыча нефти связана с освоением и эксплуатацией нефтескважин с жесткими условиями многофакторного эксплуатационного воздействия (температура, гидростатическое давление и т.д.). Анализ данных по существующим конструкциям кабелей для нефтепогружных электронасосов показывает, что существует практически пустующая ниша для кабелей с температурой эксплуатации от 90 до 120°С, работоспособных в скважинах с высоким содержанием газов (более 50 м3/т нефти) и высокоагрессивной многофазовой средой. На кабели с данными характеристиками существует устойчивый спрос нефтедобывающих организаций, однако из-за отсутствия таких кабелей, вместо них, эксплуатируются более теплостойкие и дорогостоящие нефтепогружные кабели зарубежного производства.

Для изготовления нефтепогружных кабелей для работы в более жестких условиях эксплуатации необходимо применение новых изоляционных материалов, поддающихся переработке в монолитные оболочки, в основном карбоцеп-ных полимеров - полиэтилена высокой плотности, политетрафторэтилена (фторлонов-4 и -4Д), его сополимеров (Ф-40Ш). Широкое применение в нефтепогружных кабелях известных в настоящее время термостойких материалов ограничено их высокой стоимостью, неудовлетворительными в ряде случаев электрофизическими и физико-механическими характеристиками, а также значительными техническими трудностями при их переработке в изоляцию на больших строительных длинах.

Данные обстоятельства обусловливают актуальность работы, направленной на создание и исследование нефте-погружных кабелей с температурой эксплуатации до 120°С, обладающих высокой нефтегазостойкостью.

Цель работы. Целью данной работы является разработка и внедрение теплостойкого нефтепогружного кабеля для электропитания погружных нефтенасосов. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: исследовать существующие электроизоляционные материалы применяемые для изготовления нефте-погружных кабелей; разработать конструкцию нефтепогружного кабеля для работы при температуре эксплуатации до + 120°С, отработать технологию изготовления разработанного кабеля; провести теоретические и экспериментальные исследования эксплуатационных параметров разработанного кабеля.

Научная новизна. Предложена принципиально новая конструкция нефтепогружного кабеля, не имеющая аналогов: кабель с изоляцией из радиационно-модифицированного полиэтилена высокой плотности и оболочкой-протектором из сополимера пропилена.

В процессе проведения экспериментальных исследований впервые на полиэтилене высокой плотности выявлен и изучен эффект глубокого объемного радиационного окисления при облучении его на воздухе, выражающийся в аномально-резком снижении сопротивления изоляции в жидкой среде при повышенной температуре. Дополнительную научную новизну имеет тот факт, что в случае облучения неполного объема изоляции (т. е. облучение на неполную радиальную толщину) эффект аномально-резкого снижения сопротивления изоляции исчезает.

Практическая ценность. Разработана конструкция неф-тепогружного кабеля для эксплуатации в нефтескважинах с температурой эксплуатационной среды до 120°С и с высоким содержанием газов (более 180 м3/т нефти).

Разработанный кабель может изготавливаться с применением как отечественных, так и зарубежных электроизоляционных материалов.

Исследовано поведение сопротивления изоляции из радиационно-модифицированного полиэтилена высокой плотности в жидкой среде при изменении температуры.

Реализация результатов работы. По результатам работы в ТУ 16 К13-012-92 введены разработанные кабели марок КППБПТ, КППБКТ (извещение К 13.85-99 от 10.06.1999 г.).

Выпущена опытная партия кабелей КППБПТ 3x10, 3x16 мм2, которая была передана для эксплуатационных испытаний на нефтепромыслы.

Результаты этих испытаний (ОАО «Кондпетролеум» и др.) полностью подтвердили теоретические прогнозы, основанные на экспериментальных исследованиях и расчетах.

После получения положительных результатов эксплуатационных испытаний разработанный кабель марки КППБПТ (КППБКТ) запущен в серийное производство.

В настоящее время основными потребителями разработанного кабеля являются: ЦБПО ЭПУ «Лукойл - Лангепас-нефтегаз», ЦБПО ЭПУ «Лукойл - Урайнефтегаз» , АО «Варьеганнефть», АО «Коминефть», АО «Роснефть» , ОАО «Кондпетролеум».

Публикации. По результатам работы опубликовано 8 статей, еще 2 находятся в печати.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, содержащих результаты работы, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем 119 страниц, в том числе 17 таблиц, 18 иллюстраций. Список литературы содержит 34 названия.

ВЫВОДЫ

1. В процессе разработки кабеля установлен и исследован эффект аномального увеличения проводимости изоляции из радиационно-модифицированного ПЭВП в жидкой среде, выявлено резкое снижение сопротивления изоляции с ростом температуры, обусловленное глубоким радиационным окислением объема изоляции при облучении ускоренными электронами на воздухе.

2. Показано, что указанный эффект не проявляется при облучении изоляции на неполную глубину, а также при облучении на полную глубину при применении оболочки-протектора.

3. Разработана конструкция и технология изготовления кабеля с изоляцией из радиационно-модифицированного ПЭВП иоболочкой-протекто-ром из сополимера пропилена для работы при температуре до 120°С и «газовом факторе» до 180 м3/т нефти. Кабель запущен в серийное производство и эксплуатацию. На разработанный кабель существует устойчивый спрос.

4. Показано, что допустимый ток нагрузки разработанного кабеля сечением 3x10 мм2 при температуре 90°С почти вдвое больше, чем у серийного кабеля сечением 3x16 мм2 с изоляцией из ПЭВП, причем стоимость указанного нового кабеля (3x10 мм2) на 16 % ниже, чем у серийного кабеля (3x16 мм2).

1. Месенжник Я.З. Кабели для нефтегазовой промышленности. Ташкент: Фан, 1972.

2. Месенжник Я.З. Некоторые результаты экспериментального и аналитического исследования физических характеристик изоляции кабелей, работающих в высокотермальных скважинах. Ташкент: УзИНТИ, 1967.

3. Бурдынь Т.А., Закс Ю.Б. Химия нефти, газа и пластовых вод. М.: Недра, 1978.

4. Гнедин A.A., Григорьян А.Г., Месенжник Я.З., Мещанов Г.Г., Новиков Д.В., Свалов Г.Г. Состояние разработки и производства кабелей и проводов для нефтегазовой промышленности. //Электротехника. 1997. №6.

5. С ажио Б.И., Лобанов А.М. и др. Электрические свойства полимеров. Л.: «Химия», 1970.

6. Месенжник Я.З. Кандидатская диссертация. Исследование электро- и теплофизических характеристик изоляции геофизических кабелей применительно к их эксплуатационной надежности в скважинах. ИЯФ, АН УзССР, Ташкент, 1966.

7. Watanabe М. et al. Sumimoto El. Techn. Rev., № 8, p. 32-39,1966.

8. Месенжник Я.З., Осягин A.A. Силовые кабельные линии для погружных электросистем. М.: Энергоатомиздат, 1987.

9. Мощная радиационная техника. М.: Атомиздат, 1967.

10. Месенжник Я.З., Финкель Э.Э. Исследование электрического сопротивления изоляции геофизических (каротажных) кабелей. Труды НИИКП, вып. 10, М.: «Энергия», 1966.

11. Месенжник Я.З., Новиков Д.В., Пироговский Р.А. Новые исследования в области создания силовых кабелей повышенной теплостойкости для погружных нефтенасосов// Электротехника. 1997. №6.

12. Григорьян А.Г., Дикерман Д.Н., Пешков И.Б. Производство кабелей и проводов с применением пластмасс и резин. М.: Энергоатомиздат, 1992.

13. Месенжник Я.З. и др. Отчет. Разработка усовершенствованного кабеля дня УЭЦН. М.: ВНИИКП, 1992.

14. Ларичев А.В., Чистов Е.Д. Безопасность в радиационной технологии. М.: Энергоиздат, 1981.

15. Лазарев Н.В. Вредные вещества в промышленности. М.: Госхимиздат, 1971.

16. Goldstein В. D., Mauria М. D., Sevine R. е. a. P-aminobenzoic acid as a Protective Agent in Ozone Toxicyty. Arch. Environmental Health, 1972, v. 24, p. 243-247.

17. Goldstein B. D., Balchum O. J. Effects of ozone on Lipid peroxidation in the red blood cell. Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 1967, № 126, p. 356-360.

18. Thorp С. E. The toxicity of ozone. A Report and Bibliography Industrial medicine and Surgery, 1950, v. 19, № 2, p. 49-51.

19. Козлов В.Ф. Справочник по радиационной безопасности. М.: Энергоатомиздат, 1987.

20. Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений: Справочник. 3-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1982.

21. Муравьева С.И. и др. Санитарно-химический контроль воздуха промышленных предприятий. М.: «Медицина», 1982.

22. Месенжник Я.З., Новиков Д. В., Пироговский Р.А. Технико-зкономические характеристики специальных высоковольтных кабелей нового поколения для электропитания погружных нефтенасосов// Электротехника. 1999. №11.

23. Новиков Д.В. Особенности технологии изготовления специальных кабелей повышенной теплостойкости для электропитания погружных нефтенасосов// Кабели и провода. (В печати).

24. Месенжник Я.З., Новиков Д.В., Пироговский Р.А. Кабели промежуточной теплостойкости для электропитания погружных нефтенасосов// Кабели и провода. 1999. Сентябрь №1 (256).

25. Месенжник Я.З., Новиков Д.В., Пироговский Р.А., Тареев Б.М.

26. Экологические аспекты создания силовых нефтекабелей повышенной нагревостойкости// МКЭЭ-96. II Международная конференция по электромеханике и электротехнологии. Крым. 1996.4.1.

27. Брагинский Р.П., Григорьян А.Г., Месенжник Я.З. Методика определения показателей надежности кабелей для погружных электронасосов с полиэтиленовой изоляцией. МИ 16.КОО-098-88. М.: ВНИИКП, 1988.

28. Gnedin А.А., Grigor'yan A.G., Mesenzhnik Ya.Z., Meshchanov G.G., Novikov D.V., and Svalov G.G. Cable and wire for the oil and gas industry// Russian Electrical Engineering. Vol. 68. No. 6, pp. 54-60, 1997.

29. Месенжник Я.З., Попов В.А., Брыков Ю.И. К разработке методики определения допустимых скоростей подъема из скважины кабелей для погружных нефтенасосов// Труды ВНИИКП. М.: 1974.

30. Месенжник Я.З. Докторская диссертация. Разработка общей теории специальных силовых и электрометрических кабелей применительно к их эксплуатации в нефтегазовых скважинах. ТашНИКИ, Ташкент, 1977.

31. РД 16 167-84. ОСТПП. Кабели и провода. Радиационное модифицирование изоляции и оболочки из полимерных материалов.

32. Месенжник Я.З., Новиков Д.В. и др. Специальные электротелеметрические и силовые кабели для нефтяной и газовой промышленности// Кабели и провода. 2000. (в печати).

33. Метод оценки качества облучения распространяется на заготовку всех проводов и кабелей, подлежащих облучению на участке 6.

34. Метод предназначен для определения качества облучения заготовки путем кратковременного перегрева.

35. Испытание изоляции образцов производится в термостате, нагретого выше температуры испытания на 20°С. Место в термостате, на которое будут укладываться образцы на испытание, должно быть выстлано асбестовой прокладкой.

36. Температура и время испытания конкретно для каждого провода и кабеля приведены в таблице 1.

37. Подготовленные образцы уложить в термостат в один слой. Отсчет времени испытания ведется с момента достижения необходимой температуры.

38. По истечении времени выдержки образцы выгружают и охлаждают до комнатной температуры в воде или на воздухе.

39. Охлажденные образцы раскручивают или освобождают от связок и разъединяют.

40. ОКП 35-^gQO 0000 Группа Е-46

41. Г лавши^й нже ы е р АО "li^p/ibCKLaoe ль"1. ЧамовtfZ" // 1993 г.1САВЕЖ -е П0ЖЭТ1ШШ0ДШ ПООВДйЗп* ДМ ШГРУЫЖ ЭЖСГРОНАСОСОЗ, ТЕГШОСЖЖй

42. Технические условия ТУ 16 KI3-0I2-92 Вводятся впервые1. Дата введения 01 II

43. СОГЛАСОВАНО Акт Межведомственной приемочной комиссии от 20 сентября 1991 г1. Си сс<а сср /¿¿¿с>& ®1. В 0Г, /9 ff г.

44. Начальник технического отдела АО " По ¿о ль с кг. а^ е л ь "1. А.А.Михайлов'ISъЗ г.1. T^v.-, Милио.-ро. ССОР i--. .1. Ни. lisseip »Ж ,Ji—\V3uirp Mo1993mi

45. Настоящие технические условия распространяются на кабели теплостойкие, в дальнейшем именуемые "кабели".предназначенные для электропитания погружных электродвигателей, изготавливаемых для ну*д народного хозяйства.

46. Наиболмее рабочее напряжение переменного тока номинальной частотой 50 Гц 3300 В.

47. Вид климатического исполнения УХ/1,категория размещения I по ГОСТ 15150-09.

48. Пример записи условного обозначения кабеля марки КППБПТ с тремя жилами номинальным сечением 16 мм2 при его заказе и в документации другого изделия:

49. Кабель КППБПТ 3x16 ТУ 16 К13-012-92."1 ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

50. Кабели должены соответствовать требованиям настоящих технических условий и изготовляться по технологической документации.12 Марки и размерыI12.1 Кабели изготовляются марок:

51. КШ1БПТ кабель с медными жилами с комбинированной изоляцией из. полиэтилена и сополимера пропилена, бронированный, плоский, теплостойкий;1. КППБКТ то «е, круглый

52. Коды ОКП приведены в приложении А.