1. Упругое удлинение кабеля при механической стаби- лизации-вытяжке можно несколько уменьшить из-за уве личения модуля упругости кабеля. Стабилизация-вытяжка при нагревании брони до температуры, соответствующей термостойкости изоляции (термомеханическая стабилизация), может дополнительно увеличить модуль упругости благо даря увеличению контактных нагрузок, сближению осевых линий проволок и дальнейшему уплотнению изоляционной и защитной оболочек кабеля, сопровождающемуся увели чением шагов наложения брони.
2. Применение изоляционного материала с повышенной по сравнению с резиной жесткостью (облученный полиэти лен, фторлон-40Ш и др.) и термомеханическая стабилиза ция увеличивают эксплуатационную надежность и срок службы каротажных кабелей с медными токопроводящими жилами. Однако эксплуатационная надежность и долговеч ность этих кабелей при прочих равных условиях будет, ви димо, значительно меньшей, чем у каротажных кабелей с упругоудлиняющимися (в том числе стале-медными) жила ми, а излом в месте присоединения к прибору—значительно более вероятным, чем у стале-медных жил.
3. Температура стабилизации должна находиться в диа пазоне температур эластической деформации данного изо ляционного материала (при использовании облученного по лиэтилена — при температуре рекомбинации свободных ра дикалов 120—140°С), растягивающие усилия должны соответ ствовать заданной величине остаточного удлинения и тем пературе стабилизации.
При выборе режима термомеханической стабилизации должны быть учтены влияние температуры и длительности ее приложения на надмолекулярную структуру материала изоляции, а также необходимость снижения напряжений сжатия в жиле до минимума.
4.Термомеханическая стабилизация приводит к остаточ ному удлинению кабеля из-за уменьшения (или исключе ния) зазоров между проволоками брони. Ввиду того, что кабель получает остаточные удлинения от нагрузки и умень шения зазоров между проволоками брони в процессе пред варительной термомеханической стабилизации, отпадает необходимость проведения „тренировочных вояжей“ кабеля
вскважине до получения им остаточных удлинений.
5.Термомеханическая стабилизация может дать значи тельное увеличение эксплуатационной надежности каротаж ного кабеля при условии, что стальные проволоки его грузонесущего элемента перед наложением получают предва рительную деформацию, близкую к 100%.
Ь'. Агрегатная прочность кабеля возрастает при равно мерном нагружении каждой проволоки брони.
Реализация комплекса предъявляемых требований обес печивается при бронировании каротажных кабелей на бронировочных машинах фирмы „Le Material de Cablerie“, на которых осуществляются контроль натяжения каждой про волоки, 100%-ная предварительная деформация их, возмож ность подкрутки многожильного кабеля при превышении диаметра (для исключения зазоров между проволоками брони). Термомеханическая стабилизация кабеля после бро нирования производится на делангаторе этой же фирмы. Машина предназначена для стабилизации бронированных кабелей с максимальным наружным диаметром 15 мм. Ста билизируемый кабель отматывается с отдатчика с постоян ной скоростью при помощи 1-го (задающего) кабестана, проходит на оборотный шкив и далее поступает на 2-й (приемный), с него—на приемное устройство. Во время прохождения с 1-го на 2-й кабестан кабель подвергается одинаковой растягивающей нагрузке и нагреванию. Во вре мя стабилизации предусмотрен непрерывный контроль уро
вня изоляции между жилами |
и между |
жилами и броней, |
а также контроль целостности жил. |
колес с желобами |
Задающий кабестан состоит |
из двух |
диаметром 1500 мм\ каждое из них снабжено кольцами и набегающими щетками для прохождения тока и устранения повреждений шарикоподшипников. Приемный кабестан состоит также из 2-х колес с желобами и установлен на той же раме, что и задающий. Колеса приводятся во вра щение одновременно. Нагрев брони осуществляется пода чей на нее низкого напряжения. В зависимости от типа кабеля, сопротивления его брони и температуры, до кото рой его нужно нагреть, подаваемое на броню напряжение можно регулировать от 3 до 48 в.
Опыт показывает, что кабели с предварительной дефор мацией брони и термостабилизацией после бронирования не дают остаточных удлинений уже после первых 1—2 спус ков в скважину.
Г л а в а IV
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА КАБЕЛЕЙ С ИЗМЕНЯЮЩИМИСЯ ПО ДЛИНЕ ПАРАМЕТРАМИ
§ 1. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДАВЛЕНИЯ НА КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КАБЕЛЯ.
УСЛОВИЯ ОДНОРОДНОСТИ КАРОТАЖНОГО КАБЕЛЯ
Вопрос о влиянии температурно-барического нагружения на конструкционные материалы представляет большой теоре тический и практический интерес. Между тем по этому во просу существуют противоречивые мнения. В частности, это относится к материалам, применяемым в качестве изоляции каротажных кабелей. Так, некоторые авторы [18] предпо лагают, что погруженный в скважину каротажный кабель является однородной линией, т. е ., по существу, пренебре гают влиянием температурно-барического нагружения на материалы. Другие [143] полагают, что первичные параме тры, в частности электропроводность о изоляции и сопротив ление жилы г», при работе в скважинах с изменяющимися по стволу температурой и давлением среды мало изменяются лишь для бронированных каротажных кабелей, в связи с чем считают возможным рассматривать их как однородную линию связи. В работе [12] предполагается, что электропроводность изоляции в рабочем диапазоне температур (и давлений) пренебрежимо мала. В работе [47] при рассмотрении тем пературных возможностей изоляционных материалов, в час тности, фторлона-40Ш, указывается, что наличие в сква жинах гидростатического давления несколько снижает его температурный предел, т. е. что гидростатическое давление однозначно отрицательно сказывается на электрофизических характеристиках изоляционных материалов (имеется в виду в основном электропроводность о). В монографии [62] указа но, что давление, действующее в нижней части скважины, уменьшает электропроводность изоляции в 1,5 — 2 раза, т. е. действует только один механизм электропроводности диэлек триков под давлением.
С другой стороны, в [104, 114] приводятся данные о су ществовании двух механизмов электропроводности полиме
рной изоляции под давлением (электропроводность ее под
давлением может как увеличиваться, так |
и |
уменьшаться) |
и дан вывод расчетных формул. |
В [45] |
при |
рассмотрении |
распределения тока и напряжения |
вдоль кабеля, поі ружей |
ного в скважину, учитывается в общей форме неравномер ность температуры по длине скважины, предложены эмпири ческие формулы для расчета температурной зависимости проводимости изоляции резиновых пластин, резиновой изоля ции кабелей и входной проводимости кабеля; влияние дав ления на электрофизические характеристики (первичные и вторичные) кабелей конкретно не рассмотрено, возможно изза отсутствия необходимых экспериментальных данных. В [48], хотя и оговаривается неоднородность погруженного в скважину кабеля, влияние давления математически не учи тывается ни водной формуле, а влияние температуры учиты
вается только при расчете суммарного значения |
сопротив |
ления изоляции (Ииз); вывод этой формулы ранее |
приведен |
в [104]. |
|
Рассмотрим более подробно этот сложный и принци пиально важный вопрос. Поскольку наиболее чувствительна к действию температур и давлений полимерная изоляция каротажных и других погружаемых в скважины кабелей, основное внимание уделим поведению твердых полимерных диэлектриков при их раздельном и совместном темпера турно-барическом нагружении. Вместе с тем, в указан ных работах рассматривается кабель в целом, поэтому не обходимо попутно хотя бы коротко осветить вопрос „одно родности“ каротажного кабеля при нахождении его в скважине с изменяющимися по стволу температурой и давлением среды, а также о влиянии давления на гж.
Об однородности каротажного кабеля как линии связи можно говорить только в двух случаях: 1) когда кабель находится на поверхности и 2) когда он погружен в сква жину с одинаковыми по длине температурой и давлением среды.
В принципе об однородности кабеля в первом случае можно говорить только при условии полной стабильности его характеристических размеров, электрических и физико
механических свойств по длине, а |
во |
втором |
случае — |
только при рассмотрении ограниченных |
по |
длине |
участков, |
и то условно. Даже в исключительных случаях, когда тем пература на устье скважины незначительно отличается от призабойной и ее изменением по стволу можно пренебречь, гидростатическое давление линейно увеличивается с глуби ной. Однако при работе в газовых скважинах, видимо, кабель можно считать практически однородной системой, так как
вследствие малой плотности газа его давление на забое по абсолютной величине невелико.
В общем же случае при работе в скважине, где темпе ратура и гидростатическое давление существенно возрастают
с увеличением ее глубины, |
линия (кабель) |
неоднородна и |
ее первичные и вторичные |
параметры могут |
быть опреде |
лены как дифференциальные и-интегральные характеристики. Этот вопрос довольно подробно рассмотрен в работах [104, 114, 127]. Что касается влияния давления на активное (или омическое) сопротивление ТПЖ гж, то с ростом до 2 — 3 тыс. кгс/см2 оно незначительно уменьшается, поскольку удель ное сопротивление меди, а также цинка, олова и золота уменьшается с давлением [66,221.] Это доказано экспери ментами— в первом случае до 3000 кгс/см2 При Т = 20° К, во втором — до 2000 кгс/см2. У наиболее активных метал лов (цезий, литий и др.) при давлениях только более 5000 кгс/см2 сопротивление возрастает вследствие уменьшения амплитуды колебаний атомов около их нормальных положе ний в решетке с сопутствующим уменьшением их попереч ного сечения рассеяния [176]. В связи с изложенным дан ные [60] о том, что с повышением давления с 1 до 300 кгс/см2 при постоянной температуре омическое сопротивление возрастает на 10— 12%, вызывают сомнения. Видимо, здесь имеет место ошибка, обусловленная некорректностью экспериментальной методики. Это доказано при иссле
довании |
образцов жил в |
установке высокого |
давления |
[126]. |
|
|
|
На твердые полимерные диэлектрики, работающие в |
погружаемых в скважины |
электротехнических устройствах |
(изоляция |
каротажных кабелей и др.), одновременно дейст |
вует ряд эксплуатационных |
факторов (сжимающие |
усилия, |
перегибы, температурно-барические нагрузки и т. д.), важ нейшими из которых, по-видимому, являются температура и гидростатическое давление, обычно линейно возрастающие с глубиной скважины. Работоспособность полимерной изо ляции при этих условиях в значительной степени определя ется ее электрофизическими характеристиками, в основном, электропроводностью о, величина которой в кабелях регла ментируется (см. гл. I).
Влияние температуры на электропроводность полимерной изоляции изучено довольно подробно. Согласно современ ным представлениям, свойственная полимерам электропро водность обусловлена в основном остатками мономера, раст ворителя и другими присутствующими в нем примесями, иг рающими роль доноров ионов-носителей (см. гл. Ill . Тем пературная зависимость электропроводности в общем слу
чае нелинейна. С увеличением температуры о увеличивается, чаще всего по экспоненциальному закону.
Барическая зависимость электропроводности диэлектри ков также нелинейна. Так, при комнатной температуре электропроводность трансформаторного масла с ростом дав ления до 200 кгс/см2 уменьшается по экспоненциальному закону [223]. Экспериментально установленная зависимость электропроводности твердых полимерных диэлектриков (фторлоны, радиационно-модифицированные полиэтилены) от сов местного воздействия температуры и давления за редкими исключениями также подчиняется экспоненциальному закону.
Прямое экспериментальное определение барической за висимости электропроводности твердых полимерных диэлек триков при нормальной температуре обычно сопряжено с техническими трудностями, связанными как с сравнительно невысокой чувствительностью обычно применяемых изме
|
|
|
|
рительных |
приборов, так и с тем, что на электропровод |
ность влияют |
противоположные, |
конкурирующие факторы |
— диффузия |
рабочей жидкости в |
полимерный диэлектрик |
и сорбция |
ее диэлектриком и др., повышающие электро |
проводность, — с одной стороны и |
уплотнение диэлектрика, |
являющееся следствием его сжимаемости, а также увеличе ние степени кристалличности, и др., уменьшающие электро проводность, — с другой. В некоторых случаях электро проводность диэлектрика резко возрастает при кратковремен ном пребывании под небольшим гидростатическим давле нием (примерно 300 кгс/см2) или более длительном в воде при атмосферном давлении. Это явление обнаружено [ 109, 112] у радиационно-окисленного полиэтилена и объясняется его сильно повышенной гидрофильностью и сорбционной способностью к воде. Этой же причиной объясняется рез кое увеличение диэлектрических потерь. Действительно, количество поглощенной (при нормальной температуре) поли
мером влаги, согласно уравнению Фрейндлиха |
[23] |
где |
C = h-P", |
( 4 - 1 - 1 ) |
h — коэффициент сорбции (растворимости); |
Р— давление;
п— постоянная.
Унеполярных полимеров п = 1 и закон Фрейндлиха превращается в закон Генри; у полярных (а также, по-ви димому, окисленных) п > 1 . С увеличением температуры h возрастает, а п уменьшается и может стать меньше 1, поэ тому С уменьшается; с ростом давления С увеличивается, причем тем скорее, чем ниже температура. Поэтому, види
мо, и „загазованность“ кабеля, находящегося в скважине с растворенными в буровом растворе углеводородными га зами, может мало отличаться по его длине (в связи с по
