BR112012028242B1

BR112012028242B1 - cabo de energia para uso em uma aparelhagem de perfurar e par conectado de cabos de energia

Info

Publication number: BR112012028242B1
Application number: BR112012028242-5A
Authority: BR
Inventors: Matthew Bodziony; Walter Constantine; Damian Billeaudeau; Almir Fonseca Menezes
Original assignee: Draka Holding N.V.
Priority date: 2010-05-03
Filing date: 2011-05-03
Publication date: 2020-12-22
Also published as: WO2011140034A3; WO2011140034A2; EP2567386A2; DK2567386T3; WO2011140034A4; BR112012028242A2; EP2567386B1

Abstract

CABO DE FORÇA TOP-DRIVE. Trata-se de um cabo adequado para fornecer energia para uma montagem topdrive da aparelhagem de perfurar. Em uma típica modalidade, o cabo de força inclui (i) uma pluralidade de condutores de alta condutividade, (ii) uma blindagem eletromagnética, (iii) dos revestimentos protetores, e (iv) uma camada de reforço de fibras de aramida trançadas entre os revestimentos protetores.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA AO PEDIDO DE PRIORIDADE

[001] Este pedido internacional reivindica, pelo presente, o benefício do Pedido de Patente U.S. NO 61/330.723 para um Top-Drive Power Cable depositado em 3 de maio de 2010), o qual é incorporado ao presente por meio de referência em sua totalidade.

CAMPO DA INVENÇÃO

[002] A presente invenção refere-se a um cabo top-drive, que é particularmente útil nas disposições de perfuração de petróleo.

ANTECEDENTES

[003] A montagem top-drive em aparelhagens de perfurar baseadas em terra e em alto mar fornece a força rotacional necessária para perfurar um furo de poço. Tipicamente, diversos cabos fornecem força aos motores na montagem top-drive.

[004] Nos projetos convencionais, estes cabos de energia são posicionados dentro de mangueiras de borracha com diâmetro grande com cada cabo de energia tipicamente sendo preso a uma mangueira de borracha com um epóxi flexível. Cada mangueira de borracha pode ser presa a um cabo de aço, que fornece suporte aos cabos de energia. As mangueiras de borracha protegem os cabos de energia contra condições rigorosas experimentadas durante as operações de perfuração. De fato, as mangueiras de borracha são usadas para proteger os cabos de energia, porque as camisas do cabo convencionais não fornecem proteção mecânica suficiente.

[005] As mangueiras de borracha (e os cabos de energia) tipicamente são suspensas de uma posição aproximadamente na metade do caminho na aparelhagem de perfurar em uma malha de serviço. A malha de serviço fornece a folga do cabo, desse modo, permitindo que a montagem top-drive se alterna verticalmente (isto é, mova para cima e para baixo a aparelhagem de perfurar).

[006] Devido ao fato de cada cabo de energia nos projetos convencionais serem presos em uma mangueira de borracha (por exemplo, com um epóxi) que se alterna verticalmente correspondendo ao movimento da montagem top- drive, é importante que o cabo de energia seja projetado para as operações de flexionamento contínuas. Um cabo dotado de flexibilidade insuficiente (por exemplo, não projetado para o flexionamento contínuo) pode sofrer de fadiga indesejável e eventualmente quebrar.

[007] Ademais, os problemas podem surgir se cada cabo de energia não for centralizado em sua mangueira de borracha na malha de serviço. Um cabo de energia que não é centralizado terá um raio de laço diferente daquele da mangueira de borracha. Sempre que o cabo de energia curvar durante a operação (por exemplo, causado pela alternância vertical da montagem topdrive), ocorrem as tensões no cabo de energia. Assim, se um cabo de energia não for centralizado na mangueira de borracha, ele irá experimentar a tensão não uniforme, que pode levar à falha prematura do cabo.

[008] Um outro problema dos projetos convencionais é que o cabo de energia pode se tornar torcido por causa da alternância contínua da montagem top-drive.

[009] Os condutores no cabo de energia também podem causar a torção indesejável. Além da mangueira, os condutores no cabo de energia suportam parcialmente o peso do cabo de energia. Estes elementos, no entanto, se alongam em diferentes taxas, fazendo com que os condutores se tornem o mecanismo de apoio primário do cabo de energia. Isso, sucessivamente, pode levar ao fato de que o cabo de energia se toma torcido. Os cabos de energia que empregam um único condutor são particularmente suscetíveis a tal torção. Esta torção causa tensões adicionais no cabo de energia e eventualmente falha prematura.

[010] Dessa maneira, existe uma necessidade por um cabo de energia top-drive aperfeiçoado que (i) resista à rotação do cabo e (ii) não precise ser posicionado em uma mangueira de borracha.

SUMÁRIO

[011] Dessa maneira, em um aspecto, a presente invenção abrange um cabo de energia top-drive dotado de um ou mais condutores de alta condutividade isolados. A blindagem eletromagnética tipicamente envolve os condutores de alta condutividade. Um primeiro revestimento polimérico e um segundo revestimento polimérico circundam a blindagem eletromagnética. Uma camada de reforço de fibras de aramida trançadas é posicionada entre o primeiro e o segundo revestimentos poliméricos. Tipicamente, a camada de reforço tem uma força de ruptura de pelo menos cerca de 44,4 kN (4535,93 (10.000 Ibf)) (força-libra) (por exemplo, cerca de 66,7 kN (15.000 Ibf ou mais).

[012] Em um outro aspecto, a presente invenção abrange um método de fornecer força para uma montagem top- drive em uma aparelhagem de perfurar. Em particular, um cabo de energia top-drive conecta a montagem topdrive a uma fonte de energia.

[013] O sumário ilustrativo anterior, assim como outros objetivos exemplificativos elou vantagens da invenção, e a maneira na qual os mesmos são alcançados, são adicionalmente explicados na descrição detalhada a seguir e seus desenhos em anexo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[014] A Figura 1 retrata esquematicamente uma vista em seção transversal de um cabo de energia top-drive de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[015] A Figura 2 retrata esquematicamente uma vista em seção transversal de um par de cabos de energia top- drive conectado de acordo com uma outra modalidade da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[016] Em um aspecto, a presente invenção abrange um cabo de energia top-drive aperfeiçoado. Neste sentido, a Figura 1 retrata um cabo de energia top-drive exemplificativo de acordo com a presente invenção.

[017] O cabo de energia 10 inclui um ou mais condutores de alta condutividade 11. Em uma modalidade, o cabo de energia 10 pode incluir condutores de alta condutividade 1 1 de diferentes tamanhos. Os condutores de diâmetro maior 11a podem ser usados como condutores de força e os condutores de diâmetro menor 11b podem ser usados como condutores de ligação à terra. Por exemplo, os condutores de diâmetro maior 11a podem ser cerca de 650 kcmil em tamanho (isto é, que tem uma área em seção transversal de cerca de 650.000 milésimos circulares de polegada), assim, tendo um diâmetro de cerca de 20,5 milímetros. Os condutores com menores diâmetros 11b podem ter 2/0 AWG (Bitola de Fios Americana) em tamanho (isto é, tem uma área em seção transversal de 133.000 milésimos circulares de polegada), assim, tendo um diâmetro de cerca de 9,3 milímetros. Tipicamente, os condutores de alta condutividade 11 são o cobre, apesar de outros metais de alta condutividade (por exemplo, alumínio, prata ou ouro) ou ligas metálicas podem ser empregadas como uma alternativa para o cobre.

[018] Não obstante o precedente, aqueles de habilidade comum na técnica irão observar que o tamanho dos condutores de alta condutividade irá depender da capacidade de conduzir corrente desejada do cabo de energia 10. De fato, devido ao fato de a capacidade de conduzir corrente do cabo de energia 10 depender da área em seção transversal dos condutores de alta condutividade, maiores exigências de capacidade de conduzir corrente tipicamente exigem condutores de alta condutividade com maior diâmetro.

[019] Cada condutor 11a e 11b podem ser individualmente isolados. Por exemplo, cada condutor pode ser isolado com uma poliolefina quimicamente reticulada (por exemplo, que tem uma espessura entre cerca de um milímetro e três milímetros). Alternativamente e por meio de exemplo, os condutores podem ser isolados com silicone, um polímero termofixo, polietileno reticulado, borracha de propileno etileno isenta de halogênio, elou uma poliolefina reticulada isenta de halogênio com baixo teor de emissão de fumaça.

[020] O cabo de energia 10 pode incluir a blindagem eletromagnética. Conforme retratado na Figura 1 e por meio de exemplo, uma camada de fita polimérica/metálica 13 (por exemplo, fita de alumínio/poliéster) pode circundar os condutores de alta condutividade 11. Tipicamente, a fita polimérica/metálica tem duas subcamadas: (i) uma camada polimérica (por exemplo, uma camada de poliéster) e (ii) uma camada metálica (por exemplo, uma camada de alumínio ou outro metal altamente condutivo). Em uma modalidade, uma camada de blindagem trançada 14 pode ser posicionada entre uma primeira camada de uma fita de alumínio/poliéster 13 e uma segunda camada de uma fita de alumínio/poliéster 15, desse modo, formando a blindagem eletromagnética. Tipicamente, a subcamada metálica de cada fita é posicionada adjacente à camada de blindagem trançada 14 e, mais tipicamente, em contato com ela. Tipicamente, a camada de blindagem trançada 14 é formada de uma trança de cobre estanhado. Alternativamente, a camada de blindagem 14 não é trançada, mas pode se formar a partir de uma porção de cobre estanhado (por exemplo, uma pluralidade de fios de cobre estanhado embrulhados de maneira helicoidal ao redor do cabo). Dito isso, outros materiais, como o cobre, alumínio ou bronze podem ser usados para formar a camada de blindagem 14. Por exemplo, em uma modalidade alternativa, a blindagem eletromagnética pode incluir uma camada de blindagem de cobre trançada posicionada entre duas camadas de fita de cobre/poliéster.

[021] Em uma modalidade em particular, os fios usados para formar a camada de blindagem trançada 14 podem ter 30 AWG em tamanho (por exemplo, com um diâmetro de cerca de 0,26 milímetro). Dito isso, outros tamanhos de fios estão dentro do escopo da presente invenção. A camada de blindagem trançada 14 tipicamente fornece cobertura (isto é, até o ponto no qual o material subjacente é ocultado) entre cerca de 60 por cento e 95 por cento e, em combinação com as camadas de fita 13 e 15, fornece a blindagem eletromagnética eficaz.

[022] Uma camada de fita de borracha/tecido 16 pode circundar a blindagem eletromagnética (por exemplo, circundando a segunda camada de fita de alumínio/poliéster 15). Alternativamente, uma camada de couraça (por exemplo, formada de bronze trançado) pode circundar a blindagem eletromagnética.

[023] O cabo de energia 10 inclui um ou mais revestimentos poliméricos que envolvem os condutores de alta condutividade. Em uma modalidade conforme retratado na Figura 1, o cabo de energia 10 inclui um primeiro revestimento polimérico 17 e um segundo revestimento polimérico 19, tipicamente envolvendo uma camada de reforço 18. Cada revestimento polimérico pode ter uma espessura entre cerca de três milímetros e quatro milímetros. Os revestimentos poliméricos 17 e 19 são tipicamente formados de material que é resistente aos fluidos de perfuração, como a "lama" usada nas operações de perfuração. Tipicamente, os revestimentos poliméricos 17 e 19 são formados de um material polimérico baseado em éster, livre de halogênio e com baixa emissão de fumaça (LSZH). Por meio de exemplo, os revestimentos poliméricos 17 e 19 podem ser formados de uma poliolefina reticulada ou de borracha nitrílica.

[024] Conforme notado, uma camada de reforço 18, tipicamente formada de fibras de aramida trançadas, pode ser posicionada entre o primeiro revestimento polimérico 17 e o segundo revestimento polimérico 19. A camada de reforço 18 suporta (por exemplo, fornece resistência mecânica para) o cabo de energia 10 quando está instalado (por exemplo, suspenso em uma aparelhagem de perfurar). Neste sentido, a camada de reforço 18 tipicamente tem uma força de ruptura de pelo menos cerca de 44,4 kN (4535,93 (10.000 Ibf)) (força-libra) (por exemplo, cerca de 88,9 kN (9071 ,84 (20.000 Ibf)) ou mais). O cabo de energia pode ser preso a uma aparelhagem de perfurar ao aplicar uma pega (por exemplo, uma pega de fundo de cesta) sobre o segundo revestimento polimérico 19.

[025] Tipicamente, as fibras de aramida trançadas fornecem cobertura (por exemplo, cobertura entre cerca de 25 por cento e 75 por cento, mais tipicamente entre cerca de 40 por cento e 60 por cento, como cerca de 50 por cento). O segundo revestimento polimérico 19 é tipicamente extrudado sobre a trança de aramida para que uma parte do segundo revestimento polimérico 19 preencha a lacuna na trança de aramida, desse modo, integrando o segundo revestimento polimérico 19 e a camada de reforço 18.

[026] A trança de aramida tipicamente se forma de uma pluralidade de pernas de aramida planas. Por exemplo, a trança de aramida pode incluir 48, 36, 32 ou 24 pernas de aramida planas. Por meio de exemplo, cada perna de aramida plana pode ter uma espessura de cerca de 0,10 cm (0,04 polegadas) (isto é, cerca de um milímetro) e uma largura de cerca de 0,34 cm (0,135 polegadas) (isto é, cerca de 3,4 milímetros). Dependendo do tamanho do cabo de energia 10 e sua resistência desejada, as pernas de aramida de outros tamanhos podem ser empregadas. Para facilitar a formação de uma perna plana, as fibras de aramida podem ser impregnadas com uma resina.

[027] A resina reduz a fricção entre as pernas de aramida e ajuda a garantir que as pernas de aramida sejam uniformes em tamanho e formato. As pernas de aramida planas exemplificativas (por exemplo, PHILLYSTRAN TM 49) estão disponíveis pela Phillystran, Inc. (Montgomeryville, PA).

[028] Tipicamente, a trança de aramida emprega um ângulo de trança (isto é, o ângulo agudo medido do eixo geométrico da trança até uma perna de trançar) entre cerca de 15 graus e 45 graus. Mais tipicamente, o ângulo de trança é entre cerca de 20 graus e 30 graus, como entre cerca de 24 graus e 27 graus.

[029] O projeto da camada de reforço 18 garante que ela forneça resistência suficiente ao cabo de energia 10 e ajude a impedir a rotação ou torção do cabo de energia 10 durante o uso. Em outras palavras, a camada de reforço 18 fornece a compensação de torque ao cabo de energia 10.

[030] O cabo de energia 10 pode conter enchimentos resistentes ao fogo e não higroscópicos 12. Os materiais exemplificativos que podem ser usados como enchimentos incluem fibras de vidro elou polipropileno.

[031] O cabo de energia 10 tipicamente tem um peso de cerca de 18,45 kg/m (12,4 Ibs/ft) (libras por pé). Além do mais, nas típicas modalidades, o cabo de energia 10 tem uma classificação de tensão de pelo menos cerca de 2.000 volts, um diâmetro de curvamento mínimo de cerca de 1,8m (seis pés), uma força de ruptura -de cerca de pelo menos 88,9 kN (9071,84 (20.000 Ibf)), e uma carga de trabalho máxima de pelo menos cerca de 3.000 Ibs.

[032] Espera-se que o cabo de energia 10 aja de acordo com o padrão IEEE 1580, o padrão UL 1309 e o padrão IEC 60092-350, cada um dos quais é incorporado ao presente por meio de referência em sua totalidade.

[033] Além do mais, espera-se que o cabo de energia 10 seja do Tipo DNV e ABS Aprovado e listado em ETL como um cabo marinho de navegação de acordo com os padrões anteriores.

[034] Em um outro aspecto, a presente invenção abrange um par de cabos de energia top-drive conectado. Muito embora a descrição subsequente refira-se a um par conectado de cabos de energia, está dentro do escopo da presente invenção ter mais do que dois cabos de energia conectados juntos (por exemplo, três ou mais cabos de energia conectados).

[035] A Figura 2 retrata um par conectado 25 de dois cabos de energia top-drive 30 e 40. Tipicamente, os cabos de energia 30 e 40 são substancialmente idênticos. Dito isso, está dentro do escopo da presente invenção que os de força 30 e 40 tenham diferentes projetos elou tamanhos.

[036] Os cabos de energia 30 e 40 podem ser conectados com uma pluralidade de bandagens 45 ao longo do comprimento dos cabos de energia 30 e 40. Por exemplo, uma bandagem 45 pode ser posicionada aproximadamente a cada 1,5 metro ao longo do comprimento dos cabos de energia 30 e 40. As bandagens exemplificativas 45 podem ter uma largura entre cerca de 10 e 15 milímetros. Tipicamente, as bandagens são construídas de aço inoxidável, muito embora outros materiais estejam dentro do escopo da presente invenção.

[037] O par conectado 25 pode incluir um cabo central 50 (por exemplo, uma alma de cabo independente (IWRC)) que corre paralela e posicionada entre os cabos de energia 30 e 40. Tipicamente, o cabo central 50 é aço inoxidável e tem uma força de ruptura de pelo menos cerca de 378 kN (85.000 Ibf). Alternativamente, o cabo central 50 pode se formar de aço galvanizado, fibras de aramida, nylon, raiom, poliéster (por exemplo, tereftalato de polietileno Dacron@), elou outros materiais sintéticos. O cabo central 50 pode ser preso ao par conectado 25 usando uma pluralidade de suportes 46 posicionados ao longo do comprimento do cabo central 50. Tipicamente, cada suporte 46 inclui duas metades 46a e 46b que são colocadas ao redor do cabo central 50. Cada suporte pode ter um comprimento entre cerca de 50 milímetros e 200 milímetros. Tipicamente, os suportes adjacentes são separados por um espaço entre cerca de um metro e três metros. Em uma modalidade alternativa, um suporte que se estende ao longo de um comprimento substancial do cabo central 50 pode ser empregado.

[038] Os suportes 46 são presos ao par conectado 25 com as bandagens 45. Além do mais, o cabo central 50 é mecanicamente acoplado (por exemplo, encapsulado) a cada extremidade do par conectado 25. Dessa maneira, o cabo central 50 fornece apoio mecânico e resistência ao torque adicionais ao par conectado 25.

[039] No relatório descritivo elou nas figuras, as típicas modalidades da invenção foram reveladas. A presente invenção não se limita às tais modalidades exemplificativas. O uso do termo "elou" inclui qualquer e todas as combinações de um ou mais dos itens listados associados. As figuras são representações esquemáticas e não são necessariamente desenhadas em escala. A menos que seja notado de modo contrário, os termos específicos foram usados em um sentido genérico e descritivo e não para fins de limitação.

Claims

1. CABO DE ENERGIA (10, 30, 40) PARA USO EM UMA APARELHAGEM DE PERFURAR, que compreende: um ou mais condutores de alta condutividade (11) isolados; blindagem eletromagnética que envolve os ditos condutores de alta condutividade (11); um primeiro revestimento polimérico (17) em volta da dita blindagem eletromagnética; uma camada de reforço (18) de fibras de aramida trançadas que circunda circunferencialmente o dito primeiro revestimento polimérico (17), caracterizado pela dita camada de reforço (18): (i) definir uma camada de reforço de fibras de aramida trançadas tendo lacunas, (ii) fornecer cobertura entre 40 e 60 por cento e (iii) ter uma força de ruptura de pelo menos cerca de 44,4 kN (10.000 Ibf); e um segundo revestimento polimérico extrudado (19) circundando a dita camada de reforço (18), sendo que o dito segundo revestimento polimérico (19) preenche as lacunas na dita camada de reforço de tranças de aramida para assim integrar o dito segundo revestimento polimérico (19) e a dita camada de reforço (18).

2. CABO DE ENERGIA (10, 30, 40), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender uma camada de couraça (16) posicionada entre a dita blindagem eletromagnética e o dito primeiro revestimento polimérico (17) .

3. CABO DE ENERGIA (10, 30, 40), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender uma camada de fita para tecido/borracha (16) posicionada entre a dita blindagem eletromagnética e o dito primeiro revestimento polimérico (17) .

4. CABO DE ENERGIA (10, 30, 40), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos ditos condutores de alta condutividade (11) compreenderem cobre, ouro, prata e/ou alumínio.

5. CABO DE ENERGIA (10, 30, 40), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dita blindagem eletromagnética compreender: uma primeira camada de fita (13); uma segunda camada de fita (15); e uma camada de blindagem trançada (14) posicionada entre as ditas primeira e segunda camadas de fita.

6. CABO DE ENERGIA (10, 30, 40), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelas ditas primeira e segunda camadas de fita (13, 15) compreenderem fita de alumínio/poliéster; e a dita camada de blindagem trançada (14) compreender cobre estanhado.

7. CABO DE ENERGIA (10, 30, 40), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelas ditas primeira e segunda camadas de fita (13, 15) compreenderem fita de cobre/poliéster e a dita camada de blindagem trançada (14) compreender cobre.

8. CABO DE ENERGIA (10, 30, 40), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada um dos ditos primeiro e segundo revestimentos poliméricos (17, 19) compreenderem um material polimérico com baixa emissão de fumaça e livre de halogênio (LSZH).

9. CABO DE ENERGIA (10, 30, 40), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada um dos ditos primeiro e segundo revestimentos poliméricos (17, 19) compreenderem uma poliolefina reticulada e/ou borracha nitrílica.

10. CABO DE ENERGIA (10, 30, 40), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dita camada de reforço (18) compreender uma pluralidade de perna de aramida planas.

11. CABO DE ENERGIA (10, 30, 40), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dita camada de reforço (18) compreender pernas de aramida planas impregnadas com resina.

12. CABO DE ENERGIA (10, 30, 40), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pela dita camada de reforço (18) empregar um ângulo de trança entre cerca de 20 graus e 30 graus.

13. CABO DE ENERGIA (10, 30,40), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pela dita camada de reforço (18) empregar um ângulo de trança entre cerca de 24 graus e 27 graus.

14. CABO DE ENERGIA (10, 30, 40), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pela dita camada de reforço (18) fornecer cobertura de cerca de 50 por cento.

15. CABO DE ENERGIA (10, 30, 40), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pela dita camada de reforço (18) ter uma força de ruptura de pelo menos cerca de 88,9 kN (20.000 Ibf).

16. PAR CONECTADO (25) DE CABOS DE ENERGIA (30, 40), caracterizado por compreender dois cabos de energia (30, 40), cada um sendo conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11, sendo que os ditos cabos (30, 40) são posicionados substancialmente paralelos entre si; um cabo central (50) posicionado entre e substancialmente paralelo aos ditos cabos de energia (30, 40); e uma pluralidade de bandagens (45) que conecta os ditos cabos de energia e o dito cabo central (50).