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Elektrisches Energiekabel, insbesondere Versorgungskabel für Bohrlochaggregate
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehradriges elektrisches Energiekabel,
insbesondere Versorgungskabel für Bohrlochaggregate, beispielsweise für Bohrlochpumpen,
bei dem die nebeneinanderliegenden oder gebündelten Adern jede für sich durch eine
geschlossene metallische Umhüllung geschützt sind.
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Für die Durchführung von Erdöl- oder Erdgasbohrungen werden Antriebselemente
verwendet, die in 3000 m Tiefe und mehr eingesetzt werden. Diese Antriebselemente,
insbesondere Pumpen, werden von der Erdoberfläche her mit elektrischer Energie versorgt.
Zu diesem Zweck werden elektrische Kabel erforderlich, die ganz spezielle Forderungen
zu erfüllen haben. Berücksichtigt werden müssen einmal die in diesen Tiefen herrschenden
Druckverhältnisse, die eine entsprechend druckfeste Ausführung des Kabels verlangen,
daneben sind zu berücksichtigen aber auch Erdtemperaturen, die in der Größenordnung
von 1200 C und mehr zuzüglich der von den Antriebselementen in Form von Verlustwärme
selbst erzeugten Temperaturen liegen.
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Als weitere Voraussetzung für ein Funktionieren der Kabel während
einer längeren Betriebszeit ist eine weitgehende Unempfindlichkeit gegen im Bohrloch
oder -schacht vorhandene aggressive Medien, wie beispielsweise aggressive Gase oder
auch Meerwasser, wenn die Bohrungen im Meeresgrund durchgeführt werden müssen.
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Bei bisher durchgeführten Bohrungen werden bereits Kabel verwendet,
die zur Übertragung von Speisespannungen von 3 kV dienen und aus drei z. B. nebeneinanderliegenden
Phasenleitern bestehen. Über einer elektrischen Isolierung, z. B.
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aus einem Polyäthylen im Verschnitt mit Polypropylen oder ähnlichem
ist beispielsweise ein Bleimantel als geschlossene Hülle aufgebracht. Darüber befindet
sich ein weitgehend zugfestes Gewebe und über drei so aufgebauten nebeneinander
angeordneten Adern ist dann ein gewickelter Eisenmantel aufgebracht. Abgesehen von
dem durch den Bleimantel bedingten hohen Gewicht der Anordnung und der wenig mechanisch
widerstandsfähigen Isolierung für die angesprochenen Probleme entspricht die geforderte
Zugfestigkeit nicht den gestellten Anforderungen.
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Eine andere bekannte Möglichkeit ist die, über drei miteinander verseilte
Adern eine gemeinsame metallische Hülle aufzubringen. Nachteilig ist hier, daß durch
den verhältnismäßig großen Außendurchmesser der Hülle die geforderten Drücke von
340 bar und mehr nicht mehr aufgefangen werden können und zum andern durch die im
Querschnitt verhältnismäßig große Hülle ein unkontrollierter Druckkanal zur Oberfläche
entsteht, so daß beim Hochziehen des Kabels, etwa weil Reparaturen an den Antriebselementen
anfallen oder auch die Bohrlöcher gewechselt werden, Explosionsgefahr besteht.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein mehradriges
elektrisches Energiekabel zu schaffen, das hinsichtlich der zu beherrschenden Drücke,
beispielsweise in einem Bohrloch, widerstandsfähig genug ist, aber auch für eine
längere Betriebszeit soweit temperaturbeständig ist, daß Ausfälle der Antriebselemente
nicht zu erwarten sind.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Umhüllung
aus mindestens einem zum Rohr geformten, längsnahtverschweißten und anschließend
gewellten Metallband dünner Wandstärke besteht und das Verhältnis von Rohrinnendurchmesser
(di) zu Wandstärke (s)10 bis 60, vorzugsweise 18 bis 35, beträgt.
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Auf diese Weise wird das druckfeste Element im Kabel in die einzelnen
Adern verlegt, und gleichzeitig wird, wenn überhaupt, ein nur unwesentlicher geschlossener
Kanal zur Erdoberfläche gebildet. Die Umhüllung für die einzelnen Adern ist gasdicht,
sie ist druckfest und auch zur Abschirmung erhöhter Temperaturen geeignet, zumal
der mit Wellen versehene Mantel Längenausdehnungen mehr als übliche Anordnungen
ohne Beschädigung mitmachen kann. Die Verringerung des Eigengewichtes gegenüber
bekannten Anordnungen führt zu geringeren Zugbeanspruchungen bei der Montage
und
im Betriebszustand, zudem werden durch die erhöhte Flexibilität die Montage sowie
Reparaturarbeiten wesentlich erleichtert.
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Besondere Vorteile ergeben sich in Weiterführung der Erfindung noch
dann, wenn die Umhüllung aus mindestens zwei zu konzentrischen Rohren geformten,
längsnahtverschweißten Metallbändern dünner Wandstärke besteht, die durch eine gemeinsame
Wellung in konzentrischer Anordnung einen Mehrfachwellmantel bilden. Auf diese Weise
ist es nämlich möglich, die Druckfestigkeit der Umhüllung gegenüber einer Anordnung
mit gleicher Wanddicke für ein einziges Rohr weiter heraufzusetzen.
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Zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der gas- und druckdichten
Hülle hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens das äußere Rohr an seiner
Oberfläche verzinkt ist. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Gewährleistung
einer Korrosionsbeständigkeit ist die, das äußerste Rohr aus einem korrosionsbeständigen
Material, z. B. auf der Basis Nickel-Kupfer, herzustellen. Auch andere an sich bekannte
korrosionsmindernde oder korrosionsverhindernde Materialien, insbesondere für das
jeweils äußerste gewellte Rohr, sind selbstverständlich geeignet.
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Die Wellung der geschlossenen metallischen Umhüllung kann beliebig
sein, mitunter hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, eine Parallelwellung
zu verwenden.
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Das gilt insbesondere dann, wenn durch das Vorhandensein explosiver
Gase in der Umgebung des Kabels etwa ein Eindringen und Weiterwandern unterhalb
der metallischen Hülle an die Oberfläche vermieden werden muß. Dann dienen die auf
der Kabelseele drückenden Wellentäler gleichzeitig zur verbesserten Abdichtung und
damit Verhinderung des Weiterwanderns längs der Kabelstrecke.
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Beim Einsatz für die Versorgung von Antriebselementen in großer Tiefe
ist es erforderlich, zusätzlich zu der dichten Umhüllung mechanisch hoch zugfeste
Elemente im Kabelaufbau vorzusehen. Gegenüber den bei einer Umhüllung mit Blei aus
dem hohen Eigengewicht sich ergebenden entsprechend hohen Zugkräften und damit besonderen
Maßnahmen, um die auf die Länge wirkenden Zugkräfte auszugleichen, hat es sich in
Durchführung der Erfindung als vorteilhaft und ausreichend erwiesen, wenn die gasdichte,
flexible Umhüllung der Einzeladern mit ihrem gegenüber Blei verringertem Gewicht
jeweils von einer Bewehrung aus hochfesten Stahldrähten umgeben sind, über die dann
eine allen Adern gemeinsame Bandbewicklung aufgebracht ist. Auch in diesem Fall
können die Adern entweder parallel nebeneinander geführt werden, sie können aber
auch miteinander verseilt sein.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit der zusätzlichen Bewehrung ist
die, über der so aufgebauten Kabelseele einen weiteren äußeren Stahlwellmantel aufzubringen,
der z. B. oberflächlich galvanisch verzinkt ist. Die an sich vorgesehene zugfeste
Stahldrahtbewehrung kann noch durch ein über den Adern befindliches Zugseil aus
einem hochfesten Material, etwa Kunststoff oder Metall, erhöht werden.
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Um auch die notwendige Temperaturbeständigkeit über eine längere Betriebsdauer
sicherzustellen, wird man zweckmäßig die elektrische Isolierung der einzelnen Adern
aus einem hochtemperaturbeständigen Isoliermaterial herstellen. Geeignet hierfür
sind z. B. solche auf Basis Siliconkautschuk.
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Wesentlich für den Erfindungsgedanken ist, daß,um die in einem Bohrloch
oder Schacht in 1000und mehr Metern herrschenden Drücke auszuhalten, der äußere
Durchmesser des Kabels möglichst gering sein sollte und daher die druckfesten Elemente
unmittelbar in die Adern mit einbezogen werden. Bei Wahl des beanspruchten Verhältnisses
von Rohrdurchmesser (lichte Weite) zu Wandstärke ist es möglich, trotz verhältnismäßig
dünnwandiger Umhüllungen den geforderten Druckbeanspruchungen zu genügen. Bei Wahl
z. B. zweier konzentrischer Mäntel wird dann eine Druckbelastung erreicht, die sich
mit einem in den äußeren Abmessungen gleich großen, aber z. B.
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doppelt so dicken Metallmantel, z. B. der bekannten Bleiausführung,
nicht erreichen lassen.
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Das nach der Erfindung aufgebaute Kabel ist problemlos verlegbar,
es kann ohne Schwierigkeiten in die vorhandenen Schächte oder Bohrlöcher eingeführt
und verlegt werden und ist den dort herrschenden Forderungen hinsichtlich Druckfestigkeit,
Temperaturbeständigkeit und Dichtigkeit gewachsen.
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Die Erfindung sei anhand des in der Fig. 1 als Ausführungsbeispiel
dargestellten dreiadrigen Bohrlochkabels näher erläutert. In der Fig. 2 ist in einem
Diagramm schematisch der Druckverlauf in Abhängigkeit vom Verhältnis di/s dargestellt.
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Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, besteht das Kabel aus den drei elektrischen
Leitern 1, die von einer Isolierung 2 aus einem hoch temperaturbeständigen Material
z. B. auf Basis Siliconkautschuk, umgeben sind. Darüber ist, gegebenenfalls nach
Aufbringen einer nicht dargestellten Polsterschicht, z. B. aus einer Bebänderung,
der geschlossene Metallwellmantel 3 aufgebracht. Dieser Wellmantel 3 besteht z.
B.
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aus einem zum Rohr geformten dünnwandigen Stahlblech, z. 13. 0,6 mm
stark, das zum Rohr geformt, an den Kanten verschweißt und dann gewellt worden ist.
Der Seelen-
durchmesser oder die lichte Weite des Wellrohres (di)
beträgt z. B. 13 mm.
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Die drei Adern sind von der äußeren Bewehrung aus einzelnen Stahldrähten
4 umgeben, die beispielsweise zweilagig und mit Gegenschlag aufgebracht sind.
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Gehalten werden die drei Adern schließlich von der Bandbewicklung
5, z. B.
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aus einem korrosionsbeständigen Metall. Auch die Stahldrähte, die
für die notwendige Zugfestigkeit sorgen, sind zweckmäßig ebenso verzinkt, wie z.
B.
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jeweils die äußere Oberfläche des Wellmantels 3.
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Der Mantel 3 kann aber, abweichend von einer Stahl ausführung, auch
aus einer Legierung aus Nickel-Kupfer bestehen, wie sie z. B. unter der Handelsbezeichnung
Monel bekannt ist. Für einen weiteren Schutz nach außen können die drei so vorbereiteten
und gehaltenen Adern schließlich mit einer Jutebespinnung oder anderem polsternden
Material umgeben sein, wobei dann als letzter äußerer mechanischer Schutz noch ein
Wellmantel z. B. aufgebracht sein kann. Dieser ist dann ebenfalls wieder korrosionsgeschützt,
beispielsweise durch einen äußeren Kunststoffmantel.
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Besteht abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Umhüllung
aus einem Mehrfachwellmantel, dann ist es zweckmäßig, zumindest jeweils den äußeren
Mantel korrosionsgeschützt auszuführen, beispielsweise durch einen Oberflächenschutz
in Form einer Verzinnung oder dadurch, daß der äußerste Wellmantel aus einem gegen
Korrosion beständigen Material besteht.
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Die Herstellung eines Doppel- oder Mehrfachwellmantels geschieht beispielsweise
so, daß zwei oder mehr dünnwandige Metallbänder längseinlaufend nacheinander zu
einem Rohr mit jeweils größerem Durchmesser als das vorhergehende geformt,an den
Kanten verschweißt und in der nunmehr konzentrischen Anordnung gemeinsam gewellt
werden. Wellentäler und Wellenberge stützen dann bei einer Druckbeanspruchung von
außen gegeneinander hinreichend ab, d. h. durch die Mehrschichtigkeit und gleichzeitige
Wellung konzentrischer Rohre wird dem herrschenden Außendruck ein erhöhter Widerstand
entgegengebracht. Die Flexibilität ist gewährleistet und gleichzeitig sind auch
auf größere Längen des Kabels wirkende Zugkräfte, die durch entsprechende zugfeste
Elemente wieder kompensiert werden müssen, auf ein Minimum beschränkt.
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Die Fig. 2 zeigt schematisch die Abhängigkeit des Druckes vom Verhältnis
Innendurchmesser (di) zur Wandstärke (s). Hieraus ist ersichtlich, daß der von einer
geschlossenen Hülle gehaltene Druck mit-wachsendem di/s stark abfällt.
Das
gilt vor allem, wenn man aus Gründen der Flexibilität und der Herstellunq zu dünnwandigen
Rohren übergehen will. Aber auch eine Verringerung des Innendurchmessers bei gleichzeitiger
Erhöhung der Wandstärke bringt nicht den erwünschten Erfolg, da wegen der Wandstärkenerhöhung
mit einer Verringerbung der Flexibilität gerechnet werden muß und auch die Herstellung
einer dichten Hülle schwieriger wird. Vorteilhaft dagegen ist, wenn man dem Erfindungsgedanken
folgend das Verhältnis von di/s so wählt, daß es in den beanspruchten Bereichen
liegt, wobei eine weitere Erhöhung der Druckbelastbarleit dadurch erreicht werden
kann, daß man statt eines einzigen Wellmantels einen Doppelwellmantel mit z. B.
gleicher Gesamtwanddicke einsetzt.
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Der Kurvenverlauf a beruht auf dem Werkstoff Stahl für die druckdichte
Hülle, einer Nickel-Kupfer-Legierung ist die Kurve b zuzuordnen. Für eine gemischte
Mantelausflihrung als Doppelwellmantel kommt der Kurvenverlauf c in Betracht.
L
e e r s e i t e