-
-
Energiekabel zur Versorgung von Bohrlochaggregaten
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehradriges elektrisches Energiekabel
zur Versorgung von Bohrlochaggregaten, beispielsweise Pumpen.
-
Für die Durchführung von Erdõl- oder Erdgasbohrungen werden Antriebselemente
verwendet, die in mehreren 1000 m Tiefe eingesetzt werden. Diese Antriebselemente,
insbesondere Pumpen oder auch Meßsonden, werden von der Erdoberfläche her mit elektrischer
Energie versorgt. Zur Energieversorgung sind wiederum elektrische Kabel erforderlich,
die in diesem Fall ganz spezielle Forderungen zu erfüllen haben. Berücksichtigt
werden müssen einmal die in diesen Tiefen herrschenden Drücke, die eine entsprechende
druckfeste Ausführung des Kabels verlangen. Daneben sind aber auch Temperaturen
zu berücksichtigen, die in der Größenordnung von 1200 C und mehr zuzüglich der von
den Antriebselementen in Form von Verlustwärme selbst erzeugten Temperaturen liegen.
Weitere Voraussetzung für ein Funktionieren solcher Kabel während einer längeren
Betriebszeit ist eine weitgehende Unempfindlichkeit gegen im Bohrloch oder Bohrschacht
vorhandene aggressive Medien, wie beispielsweise aggressive Gase oder auch Meerwasser,
wenn Bohrungen im Meeresgrund durchgeführt werden müssen.
-
Bei bisher durchgeführten Bohrungen wurden bereits Kabel verwendet,
die zur übertragung von Speisespannungen von 3 kV und mehr dienen, und aus drei
z. B. nebeneinander liegenden Phasenleitern bestehen. Ober einer elektrischen Isolierung,
z. B. aus Polyethylen 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 liegenden Adern ist
schließlich ein gewickelter Eisenmantel angeordnet. Abgesehen von dem durch den
Bleimantel bedingten hohen Gewicht der Anordnung und der mechanisch wenig widerstandsfähigen
Isolierung für die aufgezeigten Probleme entspricht die geforderte Zugfestigkeit
nicht den gestellten Anforderungen.
-
Andere im Einsatz befindliche mehradrige Spezialausführungen sogenannter
Bohrlochkabel sind oft geeignet, auch den in großen Tiefen auftretenden hohen Drücken
und Temperaturen zu widerstehen. Sie sind auch weitgehend beständig gegen umgebendes
Salzwasser, Öle oder Gase. Als entscheidender Nachteil ist jedoch zu nennen, daß
diese gasdichten und druckfesten Ausführungen z. B. zu steif und für den auf Bohrloch-Plattformen
vorhandenen Raum nicht flexibel genug sind. Bei anderen Ausführungen, die nicht
gasdicht sind, muß damit gerechnet werden, daß unter dem Einfluß der hohen Außendrücke
im Laufe der Zeit genügend Gase in die Hohlräume dieser Versorgungskabel eindiffundieren
oder bei Beschädigungen auf anderem Wege in das Innere des Kabels gelangen. Werden
solche Kabel dann bei Störungen aus großen Tiefen kurzfristig an die Oberfläche
gezogen, so dehnt sich das im Kabel unter hohem Druck eingeschlossene Gas stark
aus, das Kabel wird aufgebläht und ggf. der Mantel und die Bewehrung aufgerissen.
Das Kabel und die zugehörige Pumpe oder Sonde hängen dann im Förderrohr fest, und
das Entfernen dieser Störstelle ist mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein mehradriges, elektrisches
Energiekabel zu schaffen, das hinsichtlich der zu beherrschenden Drücke widerstandsfähig
genug ist, aber auch für eine längere Betriebszeit soweit temperaturbeständig, daß
Ausfälle der Antriebselemente zumindest über eine längere Betriebszeit nicht zu
erwarten sind.
-
biese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die einzelnen
energieführenden Adern des Kabels konzentrisch zueinander angeordnet sind.
-
Ein solcher Aufbau hat den Vorteil, daß das gesamte Kabel gleichmäßig
über den Umfang der Druckbelastung in einem Bohrloch ausgesetzt ist. Hohlräume,
die sich etwa durch die Verseilung von Adern ergeben, und in die von außen Gase
unter Druck eindiffundieren könnten, sind nicht oder in nur unwesentlichem Maße
vorhanden. Die Gefahr eines Aufplatzens von Bewehrung und Mantel beim Herausziehen
des Kabels aus dem Bohrloch ist daher äußerst gering. Außerdem sind solche Kabel
flexibler als entsprechende bekannte gas- oder druckdichte Ausführungen.
-
Dies gilt insbesondere für den Fall, daß, wie in Weiterführung der
Erfindung vorgesehen, über einem ersten zentrischen Leiter dessen Isolierung und
darüber die konzentrische Drahtlage des zweiten Leiters mit einer anschließenden
Isolierschicht aufgebracht ist und sich oberhalb der konzentrischen Isolierschicht
des zweiten Leiters die konzentrische Drahtlage des dritten Leiters befindet. Ein
solcher durchgehender kompakter Aufbau der Kabelseele führt zu einer gleichmäßigen
übertragung der von außen angreifenden mechanischen Kräfte und läßt gasaufnehmende
Hohlräume in der Kabelseele von vornherein nicht zu.
-
Vorteilhaft ist es in Weiterführung der Erfindung auch, wenn die unisolierten
konzentrischen Drähte des zweiten und dritten Leiters mit unterschiedlicher Schlagrichtung
und/oder Schlaglänge aufgebracht sind. Damit ist es möglich, die aufgeseilten Lagen
der Leiterdrähte in den einzelnen Lagen so aufeinander abzustimmen, daß drallfreie
oder zumindest drallarme Leiterelemente geschaffen werden.
-
Wie bereits ausgeführt, kommt es bei den beanspruchten Energiekabeln
für die Versorgung von Bohrlochaggregaten auch auf eine möglichst hohe Zugfestigkeit
an. Diese kann nach einem weiteren Erfindungsgedanken noch dadurch erhöht werden,
daß in den Schichtenaufbau zusätzliche Zugorgane eingebracht werden. Im einfachsten
Fall kann dies dadurch erreicht werden, daß in den zentrischen Leiter gleichzeitig
Tragorgane eingebaut werden. Diese Tragorgane, hochfeste metallische Drähte oder
auch solche
auf Kunststoffbasis, können im Zentrum als erste Lage
über einem elastischen, zusammendrückbaren Kern angeordnet sein, der gleichzeitig
zur Längsabdichtung des inneren Leiters dient. Die Elastizität des Kernelementes
bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß die Gefahr eines Zerreißens vermindert
ist.
-
Für die konzentrischen Lagen der Leiter kommt es darauf an, daß sie
in Längsrichtung abgedichtet sind, gleichzeitig aber auch mit der umgebenden Isolierung
mechanisch fest so weit verbunden sind, daß eine gleichmäßige Kraftübertragung von
innen nach außen oder von außen nach innen möglich ist. Erreicht wird dies beispielsweise
dadurch, daß die Drähte der konzentrischen Leiter und/oder die des zentrischen Leiters
in einem gummielastischen Material eingebettet sind. Dieses Material kann durch
Extrusion aufgebracht werden oder auch in Form einer Bandbewicklung, auf jeden Fall
aus einem unvulkanisierten gummielastischen Material, das aber z. B. bei der Vulkanisation
oder Vernetzung der Außenhülle ebenfalls mitvernetzt oder vulkanisiert werden kann.
-
Damit die Kraftübertragung gleichmaßig erfolgt, hat es sich in Weiterführung
der Erfindung weiterhin als zweckmäßig erwiesen, vor dem Einbetten die einzelnen
Drähte mit einem Haftvermittler zu versehen. Dies kann eine Schicht aus einem klebenden
Material sein, geeignet ist aber beispielsweise auch eine metallische Beschichtung,
bei Kupferdrähten z. B. aus einer Kupfer-Zink-Legierung, die als dünne Schicht galvanisch
aufzubringen ist. Auch eine Messingbeschichtung ist für die Zwecke der Erfindung
geeignet.
-
Aus dem gleichen Material wie das für die Abdichtung der Leiter vorgesehene
besteht zweckmäßig auch die Isolierung. Dadurch ist es möglich, einen innigen Verbund
zwischen der die Abdichtung besorgenden Schicht und der Isolierung zu erreichen.
Dies trägt zu einer weiteren Verbesserung des Kabels hinsichtlich der zu übertragenden
Zugspannungen und des kompakten hohlraumfreien Aufbaus bei.
-
Über dem in radialer Richtung letzten konzentrischen Leiter ist eine
Bewehrung der gemeinsamen Aderumhüllung vorgesehen. Diese kann beispielsweise aus
einer oder mehr Lagen eines Profildrahtes eines Geflechtes oder dergl.
-
bestehen. Der äußere Mantel, der sich über dieser Bewehrung befindet,
kann vorteilhaft zweischichtig aufgebaut sein. Die Schicht oder die Schichten werden
unter hohem Druck aufgebracht und anschließend ebenfalls unter Druck vulkanisiert,
so daß der innere Aufbau weiter zusarrn.1engedrückt und Hohlräume beseitigt werden.
Die Zweischichtigkeit des Aufbaus dient einer weiteren Abschottung der inneren Seele
gegen äußere, insbesondere durch Öle oder Gase verursachte schädIiche Einflüsse.
Mitunter kann es vorteilhaft sein, zu diesem Zweck zwischen den beiden Schichten
auch eine Metallfolie oder metallkaschierte Kunststoffolien anzuordnen, die längseinlaufend
oder in gewickelter Form aufgebracht sind. Auch hierbei wird man zweckmäßig Materialien
verwenden, ggf. unter Zuhilfenahme von Haftvermittlern, die für einen innigen Verbund
der aneinandergrenzenden Schichten sorgen.
-
Die Erfindung sei anhand des in der Fig. dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
-
Im Innern des aus verseilten Einzeldrähten bestehenden zentrischen
Leiters 1 befindet sich ein zusätzliches Tragseil 2 in Form eines Stahlseiles oder
ein extrudierter Profilstrang. Zwischen dem Tragseil 2 und den aufgeseilten Leiterelementen
1 kann sich ein Band aus einem unvulkanisierten Elastomer befinden, zweckmäßig aus
dem gleichen Material wie das der Leitorisolierung 3. Dieses Band kann sich ebenso
oberhalb des zweiten konzentrischen Leiters 4 bzw. des dritten Leiters 5 befinden.
Da das Material des Bandes nach oder während des Aufbringens der Drähte sich in
deren Zwischenraum eindrückt, ist eine ausreichende Längsabdichtung sichergestellt.
Die Einzeldrähte der Leiter 1, 4 und 5 sind in ihren Schlaglängen bzw. Schlagrichtungen
so aufeinander abgestimmt, daß ein nahezu ausgeglichenes Drehmoment bei wechselnder
Schlagrichtung erricí;lG ist. Je nach gefordertem Leiterquerschnitt kann der Leiter
selbst auch abweichend von dem in der Fig. dargestellten Ausführungsbeispiel aus
mehreren Drahtlagen bestehen. Die Schlaglänge bzw. Schlagrichtung z. B. zweier Lagen
ist dann zweckmäßig gleich gewählt, wobei zwischen den Lagen wiederurn ein dichtende;
Band aus einem gummielastischen Material, beispielsweise unvulkanisiertem Kautschuk,
aneordnot sein Ecann. Dieses Band besteht z.'c1räi( aus C gleichen Werkstoff wie
die jeweilige Isolierung 3, 5 und 7, so dan, das zwischen den Drähten hindurchtretende
Dichtmaterial mit octen der Isolierung eir?
innige Verbindung eingeht.
-
Die kraftschlüssige Verbindung zwischen isolierung, Dichtmaterial
und Leiterelemente kann weiter verbessert werden, wenn letztere mit einer haftvermittelnden
Schicht versehen sind. Dies kann ein geeigneter Kleber sein, man kann aber auch
so vorgehen, daß die Drähte, die beispielsweise aus Kupfer bestehen, eine galvanische
Beschichtung erfahren. Dies kann beispielsweise im Falle von Kupfer ein dünner Messingauftrag
sein.
-
Für die erfindungsgemäßen Versorgungskabel wird man wegen der geforderten
hohen Flexibilität und Elastizität eine Isolierung aus einem geeigneten Elastomeren,
beispielsweise aus Butyl-Kautschuk oder auch aus einem thermoplastischen Kautschuk,
verwenden. In jedem Fall soll bei der Herstellung des Kabels die jeweilige Isolierschicht
mit hohem Druck auf die jeweilige Leiterlage aufgebracht sein, um so eine möglichst
kompakte und hohlraumfreie Kabelseele zu erreichen.
-
Reicht das dichtende Material, z. B. ein gewickeltes Band unterhalb
der Leiterlage, nicht aus, die Abdichtung zwischen den einzelnen Drähten zu gewährleisten,
dann ist es vorteilhaft, auch oberhalb der Drahtlage die dichtende Lage noch einmal
vorzusehen, so daß also auch von oben her ein Eingriff zwischen die Drähte möglich
ist. Wird kein Band verwendet, sondern soll die Dichtung durch eine Masse-Extrusion
oberhalb der jeweiligen Leiterlage vorgenommen werden, dann kann es zweckmäßig sein,
die Drahtiage mit einem Geflecht oder Gewebe aus einem hochfesten Kunststoffmaterial
zu umgeben, das einerseits für eine weitere Kompaktierung der darunter liegenden
Schichten sorgt, andererseits durch seine Gitterstruktur ein Hindurchtreten der
Masse in die Zwischenräume zwischen den einlernen Drähten gestattet. Diese rJewicklung
aus einem Gewebe oder Gerlecht kann auch in Längsrichtung aufgebracUt sein, wobei.
auch klebrige Ausführungen dieses Geflechts vorteilhaft verwendet werden können.
Die hohe Festigkeit dieser Platerialien, die an sich-bekannt sind, ermöglicht es,
daß diese Zwischenlagen gleichzeitig mit zur Zugspannungsübertragung, d. h.
-
als Tragorgane herangezogen werden können. Zudem erhöhen sie, im Schichten-
aufbau
des Kabels fest eingebettet, die Biegewechselfestigkeit des Kab2:s, so daß auch
hierdurch mit einer Verlängerung der Betriebsdauer der mechanisch hoch beanspruchten
Kabel gerechnet werden kann.
-
Oberhalb der Isolierung 7 für den Leiter 5 kann dann unmittelbar oder
über einer polsternden Zwischenlage die nicht dargestellte Bewehrung des Kabels
vorgesehen sein. Diese kann in bekannter Weise aus einer Umseilung aus Stahidrähten
bestehen, die auch profiliert sein können, um eine weitgehend geschlossene Lage
zu erreichen. Darüber befindet sich dann ein isolierender Außenmantel aus einem
mechanisch hochwertigen Kunststoff, beispielsweise auch in flammenhemmender Ausführung.
-
Der nach der Erfindung gewählte konzentrische Aufbau des Kabels und
die Wahl der lviaterialien für die Isolierung und Zwischenschichten führt zu einem
kompakten Aufbau mit gleichmäßiger Druckbelastung. Mantel und Isolierung führen
- unter Druck aufgebracht - zu einer stark verdichteten Seele, die ein Eindringen
von Wasser, Öl und Gasen zumindest erschwert.
-
Bestehen die isolierenden Schichten 3, 6 und 7 aus einem vulkanisierbaren
Kautschuk, und werden für die dichtenden Bänder oder Schichten ebenfalls vulkanisierbare
klassen verwendet, dann werden diese Materialien nach der abschließenden Vulkanis(ltion
der isolierenden Schichten miteinander verklebt oder verschweißt.
-
Wie im Ausführungsbeispiel angegeben, ist innerhalb des zentrischen
Leiters 1 ein Tragorgan 2 vorgesehen. Dieses Tragorgan kann selbstverständlich auch
in anderer Form in den konzentrischen Lagen der nächsten Leiter angeordnet sein.
Die bereits erwähnten Gittergewebe können eingesetzt werden, es ist aber auch möglich,
zusätzliche zugfeste Fäden oder Drähte mit in den Verseilverband der konzentrischen
Schichten selbst aufzunenmen.
-
Dabei ist ggf. zu berücksichtigen, daß man bei Wechselspannungsübertragung,
d. h. aus elektrischen Gründen, für die Zugorgane auf nicht magnetische t4etalle,
wie Stahl oder Bronze, oder überhaupt auf Kunststoffe übergeht.
Leerseite