-
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Flachkabel, dessen Adern gemeinsam von einer äußeren, im wesentlichen druckfesten, im Querschnitt starren Ummantelung umgeben sind, wobei zwischen den Adern eine als Stützteil ausgebildete Zwickelfüllung vorgesehen ist, welche die Adern voneinander auf Abstand hält und mit konkav geformten Seitenflächen an diesen anliegt, wobei das Stützteil druckfest und steif sowie mit einer Vielzahl von normal zur Ebene der Adern im Abstand voneinander angeordneten Schlitzen ausgebildet ist.
-
Elektrische Kabel, die zur Führung von elektrischer Energie zu tauchfähigen Pumpen bei Ölbohrlöchern verwendbar sind, müssen in der Lage sein, extrem widrigen Umgebungsbedingungen standzuhalten und darin zufriedenstellend zu arbeiten, wobei diese Umgebungsbedingungen durch Hitze und/ oder mechanische Beanspruchungen gegeben sind.
-
Die Umgebungstemperaturen in Ölbohrlöchern sind oft hoch und die I²R-Verluste des Kabels selbst addieren sich zur Umgebungshitze.
-
Es ist bekannt, daß die Betriebslebensdauer eines Kabels in umgekehrtem Verhältnis steht zur Temperatur, in der dieses Kabel verwendet wird. Daher ist es wichtig, Hitze von dem Kabel fernzuhalten, während es sich in diesen extremen Betriebsbedingungen befindet.
-
Derartige Kabel werden darüber hinaus in verschiedener Weise auch mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Es ist üblich, die Kabel an das Gehäuse einer elektrischen Tauchpumpe oder an Ölbohrlochrohre unter Zuhilfenahme von Bändern oder Strapsen zu befestigen, wodurch die Kabel zusammengedrückt werden können, wodurch die Wirksamkeit der Isolierung und die Festigkeit des Kabels ernsthaft herabgesetzt werden kann. Die Kabel können auch während des Installierens Schlagbeschädigungen ausgesetzt werden sowie während und nach der Installation hohen Druckkräften, insbesondere wenn das Kabel in solche Bohrlöcher eingesetzt wird, die keine vollkommen geraden Bohrungen aufweisen.
-
Es ist daher üblich, derartige Kabel mit einer äußeren Metallbewehrung zu umgeben und die einzelnen Leiter mit Schichten zu umgeben, deren Material so gewählt wird, daß die Festigkeitscharakteristika des Kabels hoch sind; derartige Maßnahmen sind jedoch oft nicht ausreichend, um einen notwendigen Schutz sicherzustellen.
-
Ein zusätzliches Problem ergibt sich aus den Drücken im Bohrloch, welche Hunderte kp/cm2 betragen können, denen das Kabel ausgesetzt ist. Dabei kommt es typischerweise zu dem Phänomen, daß die Isolierung einer Ader in einem Kabel Mikroporen aufweist, in welche über einen gewissen Zeitabschnitt hinweg bei diesen hohen Drücken Gas eingepreßt wird. Wenn dann anschließend das Kabel schnell aus der Bohrung herausgezogen wird, verbleibt keine ausreichende Zeit für den in den Poren sich befindenden Druck, sich abzubauen. Als Ergebnis dieser Dekomprimierung neigt die Isolierung dazu, wie ein Ballon nach außen auszubeulen und zu zerplatzen, wodurch das Kabel geschwächt oder unbrauchbar ist.
-
In der nicht vorveröffentlichten DE-OS 32 29 257 ist ein Kabelaufbau beschrieben, der insbesondere für den Gebrauch in solchen extremen Umgebungsbedingungen geeignet ist. Der Aufbau schützt das Kabel gegen nach innen gerichtete Druckkräfte und sieht Maßnahmen vor für den Wärmeabfluß von dem Kabel weg, was insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen ein wichtiges Merkmal darstellt und zwar aus Gründen, die dort beschrieben worden sind; desweiteren ist eine Widerstandsfähigkeit gegen die Dekompressionsexpansion der Isolierung vorgesehen.
-
Dieser Schutzaufbau des Kabels weist ein oder mehrere langgestreckte druckfeste Teile auf, die in dem Kabel parallel und neben einer oder mehreren Adern verlaufen.
-
Die Teile sind im Querschnitt fest oder starr, um Druckkräften zu widerstehen, die andernfalls von den Adern aufgenommen werden müßten. Für Anwendungen, die es erforderlich machen, daß das Kabel beim Einsatz einem Biegeradius ausgesetzt ist, kann der langgestreckte Träger mit einer Reihe von Schlitzen versehen sein, die voneinander einen Abstand aufweisen und sich von einem Rand des Teils senkrecht in den Körper hineinerstrecken, um die Querschnittsstarrheit des Teils in den geschlitzten Bereichen zu reduzieren, um eine Biegsamkeit zu ermöglichen, durch welche die Biegung um die Längsachse erleichtert wird.
-
Wie in der nicht vorveröffentlichten DE-OS 33 22 103 beschrieben worden ist, kann es für bestimmte Anwendungsbereiche vorgesehen werden, daß die elektrisch isolierende Lage auf dem Kabelleiter sich nicht in direktem Kontakt mit der Schlitzöffnung befindet. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Schlitzöffnungen in dem Trägerteil es hochkorsiven Materialien ermöglicht, in den Aufbau der Umhüllung einzudringen, indem es durch die Schlitze einfließt. Zusätzlich können die von den Schlitzen geformten Ecken in die untenliegende Kabelumhüllung einschneiden oder diese infolge der wiederholten Biegungen abschaben.
-
Der Schutzaufbau des Kabels in der genannten Anmeldung besteht aus einem Kompositaufbau, bei dem ein langgestrecktes druckfestes Teil mit guten thermischen Leiteigenschaften neben der Isolierlage des Leiters vorgesehen ist. Dieses Teil ist kanalförmig mit einer im Querschnitt U-förmigen Ausbildung versehen.
-
In dem Kanal ist eine glatte biegsame Einlage eingelegt, die der Isolierung der benachbarten Ader zugewandt ist, um die Schlitze in dem Teil zu überbrücken und dabei die darunterliegende Isolierung vor einem Abrieb durch die Schlitzkanten während des Biegens des Kanalteils zu schützen.
-
Aus der DE-PS 10 20 074 ist ein elektrisches Ölkabel mit zwei nebeneinanderliegenden Adern bekannt, in dem mit den Adern zusammenwirkende Abstützungen vorgesehen sind, um ein membranartiges Bewegen der metallenen Ummantelung des Kabels zu verhindern. Das Kabel weist eine im Querschnitt im wesentlichen ovale Form auf, und ist daher nicht geeignet sich beispielsweise außen an einem Rohr anzulegen.
-
Darüber hinaus ist dieses Kabel nicht in der Lage, von außen wirkende hohe Drücke aufzunehmen, da die in dem Kabel angeordneten Abstützungen unmittelbar auf den Adern aufliegen und einen von außen auf sie einwirkenden Druck auf die Isolierung der Adern weitergeben würden.
-
Bei bestimmten Anwendungsgebieten, und insbesondere um für Verwendungen bei Ölbohrlöchern geeignet zu sein, muß das Kabel axial durch einen offenen Spalt zwischen der inneren kreisförmigen Wandung des Bohrlochgehäuses und der Außenfläche der Bohrlochrohre, des Gehäuses der elektrischen Tauchpumpe oder anderen Aufbauten, an welche das Kabel befestigt ist, einschiebbar und herausziehbar sein.
-
Üblicherweise ist das Kabel an der Außenfläche einer Zentrifugalpumpe befestigt, und erstreckt sich daher außen am Pumpengehäuse; es stellt somit eine potentielle Störung für ein sauberes Einpassen in das Gehäuse der Ölbohrung dar.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kabel der genannten Gattung bei einfachem und kostengünstigen Aufbau zu schaffen, das einen möglichst geringen Platzbedarf bei der Verwendung in engen Bohrlöchern beansprucht.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die starre Ummantelung an den beiden im wesentlichen flachen Seitenbereichen im Querschnitt gleichsinnig bogenförmig gekrümmt ist.
-
Durch diese Maßnahme legt sich das erfindungsgemäße Ölkabel an die äußere Form der Ölförderleitung an und beansprucht somit lediglich einen zusätzlichen radialen Raum, der der Kabeldicke entspricht. Ein Abstehen seitlicher Kabelränder wird somit verhindert, so daß sich andere Gerätschaften oder Betriebsteile nicht an den abstehenden Kanten verfangen können. Die Abmessungen des Bohrlochs können somit auf ein Mindestmaß reduziert werden.
-
Vorteilhafterweise kann die gemeinsame Ebene der Adern ebenfalls gleichsinnig zur Ummantelung gekrümmt sein.
-
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
-
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teilschnitts eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen Kabels, wobei ein Teil eines Gehäuses oder anderen Aufbau, im wesentlichen zylindrischer Form, dargestellt ist, an welchem das Kabel üblicherweise befestigt ist, wobei das Ende des Kabels mit entfernter äußerer Schutzumhüllung dargestellt ist,
-
Fig. 2 eine Ansicht eines Schnitts durch das Kabel entlang der Schnittlinie 2-2 in Fig. 1, wobei der in Fig. 1 dargestellte darunterliegende Aufbau entfernt ist, und
-
Fig. 3 eine Ansicht auf das Ende eines verbesserten druckfesten Teils zum Schutz der Isolierung an den einzelnen Leitern des Kabels.
-
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Kabel 10 dargestellt, das insbesondere für die Verwendung in Ölbohrlöchern geeignet ist. Für derartige Anwendungsgebiete muß das Kabel axial in einen offenen Spalt, der von der Innenwandung der Ölbohrlochabstützung und der Außenfläche der Bohrlochrohre, des Gehäuses einer elektrischen Tauchpumpe oder einem anderen Aufbau, an dem das Kabel befestigt ist, einsteckbar und herausziehbar sein. Da derartige Aufbauten 30 üblicherweise eine gekrümmte Oberfläche, insbesondere eine zylindrische Oberfläche aufweisen, ist der offene Spalt im wesentlichen im Querschnitt ringförmig, da er von zwei im wesentlichen konzentrischen zylindrischen Flächen unterschiedlichen Durchmessers gebildet wird.
-
Das Kabel weist eine metallene Schutzumhüllung 11 auf, welche eine Vielzahl von einzeln im Abstand voneinander angeordneten Adern oder Drähte 12, 13 oder 14 umschließt. Um dem Kabel eine bogenförmige Querschnittskonfiguration zu verleihen, wie sie für das Anordnen in dem ringförmigen Spalt zwischen der Bohrungsabstützung und dem Aufbau 30, an welchem das Kabel befestigt ist, erforderlich ist, sind die Adern so angeordnet, daß ihre Mittelachse in einer gekrümmten Ebene parallel zur Ebene der zylindrischen Oberfläche des Aufbaus 30 verläuft, der sich unter dem Kabel erstreckt. In Fig. 1 ist lediglich ein Teil des Aufbaus 30 dargestellt, und es versteht sich, daß der Aufbau in seiner Gesamtheit Teil des Außengehäuses einer Ölbohrlochpumpe oder eines elektrischen Motors zum Antrieb der Pumpe, ein zylindrisches Ölbohrlochrohr, das von der Pumpe zur Oberfläche führt, oder ein anderer Aufbau sein kann, der im wesentlichen eine zylindrische Oberfläche besitzt, auf welche das Kabel zu befestigen ist.
-
Die Schutzumhüllung 11 wird üblicherweise von einem Stahlband gebildet, das im Querschnitt eine Z-Form aufweist und in einander überlappenden schraubenförmigen Wicklungen um die Adern 12, 13 und 14 herumgeführt ist, um eine miteinander verankerte Bewehrungsschicht zu bilden.
-
Die Adern 12, 13 und 14 weisen jeweils eine oder mehrere elektrische Isolierlagen auf; zwei solcher Lagen sind dargestellt und mit den Bezugsziffern 15, 16 und 17 bezeichnet.
-
Wie zu erkennen ist, stellen die bei diesen Adern verwendeten Isolierlagen mehr als lediglich eine aus chemischen Sperr- und/oder elektrisch isolierendem Material bestehende Isolierung dar. Normalerweise weist ein Pumpenkabel in einer Umgebung wie in einem Ölbohrloch eine Isolierung auf, welche aus einem System von Lagen Isoliermaterials unterschiedlichen Typs besteht, um die gewünschten dielektrischen Eigenschaften ebenso wie Widerstandsfähigkeit gegen die verschiedenen chemischen Reaktionen besitzen, welche mit beschleunigter Aktivität bei diesen hohen Temperaturen und Druckbedingungen auftreten; dieses Isolierungsmaterial kann mechanisch durch Netze oder Bänder aus Metall oder anderem geeigneten Material verstärkt werden.
-
Dieses Isolier- und mechanisches Umhüllungssystem an sich ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und wird daher nicht näher beschrieben.
-
Die Adern weisen jeweils seitlich einen Abstand voneinander auf, der groß genug ist, um einen seitlichen Spalt zwischen ihnen zu bilden, der von einem druckfesten Teil 20 ausgefüllt wird. Jedes dieser druckfesten Teile 20 ist länglich ausgebildet und erstreckt sich parallel entlang der Leiter. Die Teile 20 sind aus einem Material hergestellt, das im Querschnitt im wesentlichen starr ist und das gute thermische Leiteigenschaften besitzt, das heißt eine thermische Leitfähigkeit, die zumindest größer ist als diejenige der Leiterisolierung. Für diese Zwecke sind faserverstärkte Carbonkomposite geeignet, die ebenfalls eine gute Druckfestigkeit aufweisen. Metalle wie Stahl oder Aluminium sind ebenfalls zu diesem Zweck geeignet ebenso wie metallverstärkte, härtbare polymerische Materialien, die aus extrodiertem thermoplastischem Material, beispielsweise Nylon, bestehen können.
-
Obwohl in dem dargestellten Kabel drei Adern eingezeichnet sind, versteht es sich, daß eine davon unterschiedliche Anzahl vorgesehen sein kann, wobei die Anzahl der druckfesten Teile 20 in der Regel um eine geringer ist als die Anzahl der Leiter.
-
Insofern, als das Teil 20 ziemlich starr und druckfest ist in Richtung der Druckkräfte, die aus einer Richtung aufgebracht werden, die im wesentlichen senkrecht zur Hauptebene des Kabels 10 verläuft, kann ein größeres Maß an Flexibilität wünschenswert sein, welche es ermöglicht, das Kabel zu biegen, wie es erforderlich ist, wenn es in eine Betriebsposition gebracht wird.
-
Diese größere Flexibilität wird durch eine Vielzahl von Schlitzen 22 bewirkt, die in Längsrichtung einen Abstand voneinander haben und sich, wie es in den Figuren dargestellt ist, von der Oberfläche 26 eines jeden Teils 20 nach innen oder unten erstrecken und annähernd in der Mitte oder etwas darüber hinaus enden. Der Abstand der Schlitze 22 in Längsrichtung des Teils 20 ist im wesentlichen gleichförmig. In Längsrichtung sind in einem Abstand von den Schlitzen 22 weitere Schlitze 23 vorgesehen, die sich von der unteren Fläche 27 nach innen und nach oben in den Körper des Teils 20 hineinerstrecken. Die Schlitze 23 weisen in Längsrichtung des Teils 20 ebenfalls einen gleichmäßigen Abstand auf und liegen annähernd in der Mitte zwischen den Schlitzen 22. Auf diese Weise erstrecken sich die Schlitze 22 und 23 in einem abwechselnden Muster von der Oberfläche 26 und der unteren Fläche 27 jeweils nach innen und gestatten somit eine größere Flexibilität des Teils 20. Wenn es in dem Kabel eingebaut ist, weist der daraus resultierende Aufbau eine ähnliche Erscheinungsform auf wie in Fig. 1 dargestellt.
-
Das Teil 20 kann durch Extrusion, Gießen oder mittels eines anderen Prozesses hergestellt werden, wobei, wenn eine größere Flexibilität gewünscht wird, ein anschließendes Einschneiden erfolgen kann, um die Schlitze auszubilden, insbesondere dann, wenn die Teile extrodiert sind. Jedes der Teile 20 besitzt eine obere und eine untere Fläche, die im wesentlichen flach ausgebildet sind, um konform mit dem oberen und unteren, im wesentlichen parallel verlaufenden inneren und äußeren Seitenbereich 24 A und 24 B der Umhüllung 11 ausgebildet zu sein; die längslaufenden Ränder des Teils 20 können eine Halbkreisform aufweisen, um besser der Form der gegenüberliegenden Außenflächen der Isolierung an den anliegenden isolierten Leitern angepaßt zu sein. Die vier Ecken 28 des Teils 20 sind durch Anfasen etwas abgerundet, so daß sie nicht ausbrechen können, wenn das Kabel in eine bogenförmige Querschnittsform gebogen wird. Schläge, die auf das Äußere des Kabels aufgebracht werden, werden von dem Teil 20 aufgefangen, so daß eine Beschädigung durch derartige Kräfte verhindert oder zumindest reduziert wird.
-
Abweichend davon kann das Innere der Komponenten der Kabelumhüllung jede andere Form aufweisen, die in den oben erwähnten Patentanmeldungen offenbart sind.
-
Um die gewünschte bogenförmige oder gekrümmte Form zu erhalten, wird das Kabel 10 zunächst flach hergestellt und anschließend durch Formstempel geeigneter Krümmung hindurchgezogen, wodurch die Bewehrungsschicht in Querrichtung in eine Krümmungsform gebracht wird, die im wesentlichen ähnlich ist derjenigen des Aufbaus 30, an welcher das Kabel angebracht werden soll. Da die Bewehrung aus Metall besteht, bleibt die Umhüllung in der gewünschten gekrümmten Form, wenn sie aus den Formstempeln entfernt wird.
-
Der Radius R des inneren Bogens, der die Innenfläche des Seitenbereichs 24 A der Bewehrung 11 bildet, ist üblicherweise gleich dem radialen Abstand zwischen der Mittellinie und dem äußeren zylindrischen Oberflächenbereich der darunterliegenden Trägerfläche auf dem Aufbau 30.
-
Der Radius R&min; des äußeren Seitenteils 24 B ist üblicherweise gleich dem Radius R des inneren Seitenbereichs 24 A plus der radialen Dicke T des Kabels. Die Abmessung T wird bestimmt durch den Außendurchmesser der Adern plus der radialen Gesamtdicke der beiden Seitenbereiche 24 A und 24 B. Um ein ungehindertes Einsetzen des Kabels in das Bohrloch zu gestatten, während es an dem darunterliegenden Aufbau 30 befestigt ist, sollte der Radius R&min; geringer sein als der Radius der Innenwand der rohrförmigen Bohrlochabstützung. In einem solchen Fall sollte die Abmessung T des Kabels geringer sein als die radiale Abmessung des ringförmigen Spalts zwischen dem Trägeraufbau 30 und der Innenwand der Bohrlochauskleidung oder -abstützung.
-
Da die Querschnittsform des Kabels 10 bogenförmig ist, ist die Entfernung zwischen dem äußeren Seitenbereich 24 B des Kabels und der darunterliegenden zylindrischen Trägerfläche praktisch konstant. Würde sich das Kabel im Querschnitt geradlinig erstrecken, so läge es tangential auf einer darunterliegenden zylindrischen Oberfläche, wodurch die Außenränder sich weiter in den verfügbaren ringförmigen Spalt hineinerstrecken würden. Die Folge daraus wäre, daß diese Ränder eher anstoßen und von den gegenüberliegenden Wänden der Bohrlochabstützung beschädigt würden.
-
Die Möglichkeit, daß das erfindungsgemäße Kabel enganliegend der darunterliegenden Trägerfläche folgt ist insbesondere dann eine wichtige Eigenschaft, wenn das Kabel zur Zuführung von elektrischem Strom zu einer Zentrifugalpumpe dient, die direkt von einem Elektromotor mit elektrischen Anschlüssen angetrieben wird, mit welchen die Leiterkabel verbunden sind.
-
Bei diesem Anwendungsgebiet sind die erlaubten seitlichen Toleranzen zwischen dem Gehäuse der Pumpe und dem Bohrloch oft minimal, da aus Wirkungsgradgründen vorzugsweise eine Pumpe mit größtmöglichem Durchmesser verwendet wird.
-
Daher gibt das Kabel 10 dem Anwender den Vorteil, größere und wirkungsvollere Tauchpumpen zu verwenden.