FR2522438A1 - Cable electrique destine a etre utilise dans des puits de petrole - Google Patents

Abstract

CE CABLE ELECTRIQUE DESTINE A ETRE UTILISE DANS DES PUITS DE PETROLE ET AUTRES ENVIRONNEMENTS AGRESSIFS COMPREND UN OU PLUSIEURS ELEMENTS CONDUCTEURS 12 EN CUIVRE MASSIF OU TORSADE DONT CHACUN EST RECOUVERT TOUT D'ABORD D'UNE COUCHE ISOLANTE 14 EN UN ISOLANT HAUTE TEMPERATURE. LA COUCHE ISOLANTE 14 EST RECOUVERTE D'UNE BARRIERE METALLIQUE FORMEE DE RUBANS OU DE PELLICULES 16, 18 ENROULES HELICOIDALEMENT QUI PEUVENT ETRE REVETUS D'UN ADHESIF. PAR DESSUS LA BARRIERE METALLIQUE 16, 18 EST FORMEE UNE COUCHE SEMI-CONDUCTRICE 20 QUI EST A SON TOUR ENFERMEE DANS UNE GAINE DE PROTECTION 22. LA COUCHE SEMI-CONDUCTRICE ASSURE UN AMORTISSEMENT ET UNE LIAISON ELECTRIQUE ENTRE LA BARRIERE METALLIQUE ET LA GAINE DE PROTECTION.

Description

La présente invention est relative à un ctble électrique destiné à être

utilisé dans un environnement

agressif, par exemple dans un puits de pétrole.

Il existe peu d'environnements plus agressifs pour un câble électrique d'un puits de pétrole Il est

toutefois souvent nécessaire d'utiliser des câbles des-

cendant dans des puits de pétrole pour des appareils

tels que des pompes immergées, des appareils de diagra-

phie et différentes autres fonctions.

Parmi les éléments potentiellement destructeurs auxquels ces ebles sont exposés figurent les gaz et les pressions hydrostatiques qui peuvent dépasser 350 kg/em 2 dans des puits ayant des profondeurs de l'ordre de 3. 000 metres Ces pressions forcent les gaz et les fluides à pénétrer l'isolant du câble, et les cables qui sont

retirés de ces puits présentent souvent des détériora-

tions et des ruptures qui provoquent la défaillance du càble. Lorsque des câbles sont exposés à une telle pénétration des fluides pendant de longues périodes, il en résulte une détérioration des propriétés électriques

de l'isolant Un expédient qui a été utilisé pour remé-

dier partiellement à ces conditions est un isolant à fai-

ble perméabilité Un tel isolant permet aux gaz qui sont rassemblés dans le câble de s'échapper dans l'atmosphère lorsque le câble est retiré de l'environnement à haute

pression du puits de pétrole.

Une autre technique utilisée pour empêcher l'intrusion des gaz et de l'humidité consiste à recouvrir les câbles d'un matériau tel que du plomb Cependant de tels revêtements sont assez facilement rendus fragiles ou autrement détériorés par flexion et manipulation On a

obtenu un certain succès en utilisant un mélange de caout-

chouc nitrile du type à faible coefficient de gonflement et résistant au pétrole en combinaison avec un chemisage métallique Même si des ouvertures se forment dans le chemisage de métal, la combinaison demeure relativement efficace. En plus des problèmes de pénétration des gaz, les fluides que l'on trouve dans les puits et dans les

matériaux de forage qui sont utilisés sont souvent corro-

sifs ou abrasifs à un degré élevé Différents matériaux ont été adoptés pour empêcher la pénétration des fluides dans les cables utilisés dans les puits de pétrole, et ces matériaux s'étendent des techniques classiques

de blindage à une mise sous pression interne pour résis-

ter à cette pénétration des fluides destructeurs prove-

nant du puits Une technique utilisée consiste à enrouler un ruban de métal ou de matière plastique par-dessus la

couche d'isolant, ce ruban enfermant à son tour le con-

ducteur actif Le ruban de métal est ensuite habituelle-

ment recouvert d'un matériau isolant qui est à son tour

protégé par une enveloppe de protection En dépit de l'uti-

lisation d'un tel agencement compliqué et relativement coûteux, la corrosion chimique et électrolytique des éléments métalliques se produit souvent, en particulier lorsqu'un câble est laissé dans un puits pendant des

périodes prolongées Cette corrosion commence habituelle-

ment à la couche externe mais progresse rapidement à

travers le métal pour provoquer le claquage du câble.

L'invention a en conséquence principalement pour but de perfectionner les cbles électriques destinés à être utilisés dans les puits de pétrole,

-d'augmenter la résistance des câbles électri-

ques à la pénétration par les gaz; -d'augmenter la résistance à la pénétration de l'humidité dans les cables électriques;

-d'augmenter la résistance des dcbles électri-

ques à la corrosion chimique et électrolytique; -de prolonger la durée de vie et d'améliorer

les performances des cbles utilisés dans les forages.

Suivant l'invention un câble caractéristique destiné à être utilisé dans un puits de pétrole comprend

plusieurs conducteurs principaux, habituellement en cui-

vre massif ou torsadé, chacun de ces conducteurs étant enfermé dans une enveloppe d'un isolant haute-température par-dessus lequel est formée une barrière de métal La

barrière peut consister en un ruban revêtu d'un adhé-

sif et enroulé hélicoidalement par-dessus l'isolant.

On peut utiliser une seule couche d'un ruban enroulé hélicoidalement et se recouvrant lui-même sur 2/3 ou plus de sa largeur En variante on peut utiliser deux de ces rubans enroulés hélicoidalement dans le même sens

ou dans des sens opposés et se recouvrant chacun lui-

mime sur 50 % ou plus de sa largeur Dans certaines applica-

tions on peut utiliser plus de deux rubans Les rubans sont relativement minces et le revêtement d'adhésif est appliqué sur l'une des faces des rubans ou sur les deux. En variante on enroule de minces pellicules de

métal revêtues d'un adhésif dans le sens longitudi-

nal suivant une configuration à recouvrement par-dessus l'isolant Suivant l'adhésif particulier utilisé, le ruban ou la pellicule peut être chauffé à une température

de 14800 ou plus pour réunir les couches en une cou-

che composite multiple.

Par-dessus la barrière de métal ainsi formée

on extrude un mélange de caoutchouc synthétique semi-

conducteur Les trois conducteurs ainsi traités de la façon décrite sont assemblés suivant une configuration soit de section circulaire soit plate qui est ensuite recouverte

d'une gaine externe deprotection Le matériau semi-conduc-

teur disposé sur les conducteurs individuels sert non

seulement d'amortisseur contre la gaine externe de protec-

tion mais sert également à relier électriquement la barriè-

re métallique à la gaine Le contact électrique continu assuré par le mélange semi-conducteur sur toute la longueur du cable sert à empêcher la concentration de courants de

fuite localisés qui pourrait provoquer une corrosion élec-

trolytique et une détérioration du câble en un seul point.

D'autres caractéristiques et avantages de la

présente invention ressortiront de la description donnée

ci-après, prise en référence aux dessins annexes, sur lesquels:

la Fig l montre un cable plat pour pompe, des-

tiné à être utilisé dans un puits de pétrole; et la Fig 2 est une vue à plus grande échelle

d'une partie du câble représenté à la Fig l.

On a représenté à la Fig l un cable caractéris-

tique à trois conducteurs destiné à descendre dans un forage Les trois conducteurs peuvent être identiques et ils comprennent chacun un élément conducteur central 12

qui peut être en cuivre massif ou torsadé L'élément con-

ducteur 12 est de façon caractéristique conçu pour trans-

porter un courant alternatif de trois kilovolts, et le

diamètre du fil doit être de 204 mm ou plus.

Bien que l'on ait représenté un câble plat, comme on le décrira de façon plus détaillée ci-après, le déséquilibre capacitif qui existe habituellement dans les

cables plats classiques est évité suivant l'invention.

La capacité du câable représenté est à peu près la même que celle qui serait obtenue dans un câble à trois conducteurs,

de section circulaire.

Une couche 14 d'un isolant haute-température qui peut être du polypropylène, de l'éthylène-propylène, du caoutchouc, ou autre isolant approprié est appliquée par

extrusion ou autrement sur un élément conducteur caracté-

ristique tel que celui désigné par la référence 12 La couche 14 d'isolant peut avoir une épaisseur de 1,15 à 1,83 mm Comme on l'a indiqué plus haut, un ou plusieurs rubans ou pellicules peuvent être utilisés pour réaliser une barrière métallique appropriée L'agencement préféré

qui est représenté comprend deux rubans 16 et 18 d'alu-

minium, d'acier inoxydable, ou autre métal approprié ayant une épaisseur de 0,10 mm revêtues sur une face ou

de préférence sur les deux faces d'un adhésif Cet adhé-

sif peut être un polymère adhésif ayant une épaisseur

d'environ 0,025 mm Les rubans sont enroulés hélicoidale-

ment par-dessus la couche 14 d'isolant, chaque ruban se recouvrant luimême sur 50 % de sa largeur ou plus la barrière métallique à plusieurs couches formée par les rubans est recouverte d'une couche 20 d'un mélange de

caoutchouc synthétique semi-conducteur tel qu'un caout-

chouc nitrile On peut utiliser d'autres matériaux semi-

conducteurs classiques, mais le caoutchouc nitrile est préféré pour ses propriétés de résistance au pétrole Une gaine 22 de protection est finalement enroulée par-dessus

les trois conducteurs isolés qui sont agencés parallèle-

ment suivant une disposition relative plane pour réaliser suivant le présent exemple une forme plate La gaine peut être constituée d'un enroulement d'une bande profilée en

acier galvanisé ayant une épaisseur d'environ 0,5 mm.

Dans certains cas, la gaine peut être form 6 é de bronze

phosphoreux, d'acier inoxydable ou autre matériau appro-

prié. La couche 20 de caoutchouc semi-conducteur remplit deux fonctions Tout d'abord bien entendu elle assure un amortissement entre la gaine en acier et la barrière en métal En second lieu, en raison de sa nature

semi-conductrice, elle assure un contact électrique conti-

nu entre la gaine en acier et la barrière en métal sur toute la longueur du cable En raison de ce contact électrique continu, on évite la formation de courants de

fuite localisés et, en conséquence,la corrosion électrolyti-

que de se produire en de tels points localisés Cette corrosion est une cause courante de défaillance dans un

cable électrique.

On a mentionné le fait que l'on évite un des-

équilibre capacitif dans des cables plats fabriqués sui-

vant l'invention La géométrie d'un cable plat classique

est la cause du fait qu'un tel câble présente un deséqui-

libre capacitif en raison du fait que la capacité entre

chacun des conducteurs externes et la terre est différen-

te de la capacité du conducteur central à la terre Par ailleurs, avec la construction à barrière métallique suivant l'invention, la capacité est à peu près la même

entre chaque conducteur et la terre en raison de la liai-

son entre chacune des barrières et la gaine de protection

grâce à la couche de caoutchouc semi-conducteur On con-

fère ainsi a un cable plat les mêmes caractéristiques

d'équilibre que celles des cables de section circu-

laire, ce qui est important lorsque, comme cela est sou-

vent le cas, l'espace disponible pour recevoir des c'àbles

dans un puits de pétrole est précieux.

La corrosion chimique qui constitue également

un problème prédominant dans les câbles pour puits de pétro-

le, est inhibée par l'utilisation de couches alternées

d'un métal et d'un polymère.

On a représenté de façon détaillée à la Fig 2 la façon d'enrouler les rubans 16 et 18 Les deux rubans

sont enroulés hélicoidalement en sens opposés sur la cou-

che 14 d'isolant et chaque ruban se recouvre lui-même sur % de sa largeur L' adhésif peut être l'un quelconque de plusieurs adhésits polymères disponibles et lorsque les rubans ou les pellicules ont été incorporés au càble, celui-ci es; chauffé jusqu'à une température suffisamment élevée pour astreindre l'agent liant à réunir les rubans

ou les pellicules en une seule barrière composite métalli-

que Bien que l'épaisseur actuellement préférée du ruban de métal ou de la pellicule soit d'environ 0,1 mm, on a obtenu les performances les plus élevées du cable avec des métaux tels que de l'aluminium et de l'acier inoxydable

dans des épaisseurs de 0,025 mm à 0,20 mm.

En variante, au lieu des rubans de métal enrou-

lés hélicoidalement, on peut enrouler des pellicules con-

tinues de métal à recouvrement, longitudinalement, sur la couche isolante Ces pellicules doivent avoir la même épaisseur que les rubans et doivent également comporter des couches analogues de liaison d'un polymère adhésif

sur l'une de leurs faces ou les deux.

Les propriétés considérablement améliorées du câble suivant l'invention ont été démontrées par des essais Un câble classique fabriqué avec une isolation analogue présente lorsqu'il est essayé sous une tension

alternative de 3 k V les durées de vie caractéristiquessui-

vantesdans l'eau à 9000: 376 heures, 598 heures, b 64 heures, 975 heures Le même cible lorsqu'il est réalisé avec la barrière de métal et les matériaux liants suivant l'invention présente une durée de vie sous tension à 900 C dans l'eau supérieure à 6 000 heures Bien que l'on ait décrit plus particulièrement un câble à trois conducteurs en raison du fait qu'il est évidemment approprié pour une alimentation en énergie triphasée, l'invention est bien entendu applicable d'une façon générale indépendamment du nombre de conducteurs nécessaires dans un câble destiné

à être utilisé dans un puits de pétrole.

REVUNDICATIONS

1 Cable électrique destiné à être utilisé dans un environnement agressif, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison un conducteur électrique ( 12), une enveloppe ( 14) relativement épaisse en un matériau isolant de faible perméabilité entourant ledit conduc- teur électrique ( 12), une barrière métallique ( 16, 18) relativement mince entourant ledit isolant, une couche ( 20) d'un isolant semi-conducteur entourant la barrière

métallique et une gaine externe ( 22) de protection entou-

rant ladite couche ( 20) a'isolant semi-conducteur.

2 Cable électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite barrière métallique ( 16, 18) est constituée par au moins une couche de métal,

cette couche étant revêtue d'un adhésif.

3 Câble électrique suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite barrière métallique ( 16, 18) est constituée par deux couches de métal réunies

ensemble par un adhésif.

4 Câble électrique suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites couches de métal ( 16, 18) sont constituées par deux longueurs d'un ruban enroulé hélicoidalement en sens opposés autour dudit isolant

( 14) de faible perméabilité-

O Cble électrique suivant la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites couches ( 16, 18) de métal sont constituées par plusieurs longueurs continues d'une pellicule enroulée longitudinalement à recouvrement autour

dudit isolant ce faible perméabilité.

6 Câble électrique suivant la revendication 3,

' caractérisé en ce que ledit adhésif est un polymère.

7 Câble électrique suivant la revendication 4, caractérisé en ce que chacune desdites longueurs de ruban ( 16, 18) a une épaisseur d'environ 0, 025 à 0,20 mm, ledit

revêtement adhésif ayant une épaisseur d'environ 0,025 mnm.

8 Câble électrique suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit isolant semi-conducteur ( 14) est suffisamment épais pour assurer un amortissement

entre ladite barrière métallique ( 16, 18) et ladite gai-

ne externe ( 22)de protection et assure une liaison élec-

trique entre ladite barrière métallique et ladite gaine

externe de protection.

9 O able électrique suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs conducteurs électriques ( 12) disposés suivant une configuration à plat, lesdits conducteurs étant entourés d'une seule

gaine externe ( 22) de protection.