NO833377L - Elektrisk kabel - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en kabel for anvendelse ved ekstreme omgivelser og nærmere bestemt en flat kabel for tilførsel av elektrisk energi til nedsenkede oljebrønn-pumper.

Elektriske kabler som er anvendt for tilførsel av elektrisk energi til neddykkede oljebrønnpumper må kunne virke tilfredsstillende og holde ut under ekstreme forhold med hensyn til varme og mekanisk spenning. Omgivelsestempera-turen ved oljebrønner er ofte høy og I 2R-tapene i selve kabelen tillegges den omgivende varmen. Levetiden til en kabel er kjnet å være invers i forhold til temperaturen ved hvilken den drives. Det er således viktig å kunne fjerne varme fra kabelen mens den er i disse ekstreme driftsomgivel-sene.

Slike kabler er underlagt mekaniske spenninger på flere måter. Det er vanlig praksis å feste kablene til huset på den elektriske neddykkede pumpen eller oljebrønnrøret ved hjelp av bånd eller stropper som kan klemme kablene og derved nedsette i en alvorlig grad virkningen av isolasjonen og styrken til kabelen. Kablene kan også bli underlagt støt-ødeleggelse i løpet av installasjonen og høye kompresjons-belastninger i løpet av og etter installasjonen spesielt når kabelen blir ført inn i brønnene som ikke har noen fullsten-dig rette boringer.

Det er derfor vanlig å utføre slike, kabler med ytre metallarmeringer og omhylle de enkelte lederne i et materi-als jikt valgt for å øke kabelens styrke, men slike tiltak er noen ganger ikke tilstrekkelige for å tilveiebringe den nød-vendige beskyttelsen.

Et ytterligere problem oppstår som et resultat av trykkene ned i hullet, som kan være hundrevis av kg pr. cm 2, som kabelen er underlagt. Isolasjonen som omgir lederne i en kabel inneholder vanligvis mikroporer, inn i hvilke gass blir presset ved disse høye trykkene over en tidsperiode.

Når kabelen blir trykket heller hurtig ut fra brønnen er der ikke tilstrekkelig tid for utluftning av trykket i porene. Som følge av denne dekompresjonen har isolasjonen tendens til å ekspandere utover som en ballong og kan sprekke, som svekker kabelen eller gjør den ubrukelig deretter.

I US-PS 291 125 er der beskrevet en kabelposisjon som er spesielt egnet for anvendelse ved slike ekstreme omgivelse-betingelser. Konstruksjonen beskytter kabelen mot innover-rettede kompresjonskrefter og tilveiebringer spredning av varme fra kabelen som er et viktig trekk ved operasjonen i omgivelser med høye temperaturer, av grunner som beskrevet der, såvel som motstandsevne mot dekomprimerende utvidelse av isolasjonen.

Som beskrevet i nevnte US-PS 291 125 har den kabelbeskyttende konstruksjonen en eller flere langstrakte kraftmotstående elementer som strekker seg parallelt og tilliggende en isolert leder som innbefatter kabelen. Elementene er stive i tverrsnittet for å motstå komprimerende krefter som ellers ville bli opptatt av kabellederne. For anvendelsen kreves at kabelen må utsettes for bøyer med lang radius ved drift, den langstrakte understøttelsen kan bli formet med en rekke med avstand anbragte spalter som strekker seg perpendikulært fra ene kanten av elementet inn i dets legeme for å redusere tverrsnittsstivheten til elementet i de spaltede områdene for således ål tilveiebringe fleksibilitet i under-støttelsen av bøyningen med stor radius om deres lengdeakser.

Som beskrevet i US-PS 390 308 kan det ved visse anvendelser være foretrukket at den elektrisk isolerende armeringen på kabellederen ikke er i direkte kontakt med spalteåpningen. Dette er på grunn av at spalteåpningene ved understøttelseselementet kan tillate svært korrosivt materiale og få tilgang til mantelsammensetningen ved innstrømning gjennom spaltene. Hjørnet dannet av spaltene kan dessuten skjære inn i eller gni av underliggende kabelmantel ved gjentatte bøyninger av kabelen.

Den kabelbeskyttende konstruksjonen i US-PS 390 308 er fremstilt av en sammensatt konstruksjon som anvender et langstrakt kraftmotstående element av god termisk ledeevne anbragt tilliggende den isolerende lederarmeringen. Dette element innbefatter et kanalelement av U-tverrsnittsform. En glatt bøybar f6ring kan være anbragt i kanalen som vender mot isolasjonen til tilliggende ledere for å brooverbygge spaltene i elementet og derved beskytte den underliggende isolasjonen fra avgnidning av spaltekantene i løpet av bøy-ningen av kanalelementet.

Den ytre mantelen eller armeringen, f6ringene og kanalelementene tjener alle til å beskytte lederisolasjonen og følgelig kabelen fra ødeleggelse bevirket av kompresjonskrefter, støt og dekomprimerende ekspansjon.

Supplementerende motstandsevne mot kompresjonskrefter kan bli tilveiebragt ved hjelp av en kabelkonstruksjon i samsvar med US-PS 429 530 og 429 781 .

For visse anvendelser og spesielt egnede oljebrønn-anvendelser må kabelen være i stand til å kunne bli innført aksialt og trykket gjennom et åpent rom dannet mellom den indre sirkulære veggen til brønnf6ringen og den ytre overflaten til oljebrønnrøret, elektriske nedsenkede pumpehus eller andre konstruksjoner som kabelen er festet til.

Kabelen er montert på den ytre overflaten til en sentrifugalpumpe og strekker seg utover for pumpehuset som derved da gir en potensiell hindring for en riktig tilpas-ning i oljebrønnhuset. Jo tykkere kabelen er i tverrsnitt jo mindre tverrsnittdimensjon må dessuten pumpen ha for at begge skal passe inn i et oljebrønnhus av gitt tverrsnitt-størrelse. Elektrisk drevne sentrifugalpumper har imidlertid mer virkningsgrad ved større diametere og det er således foretrukket at tverrsnittstykkelsen til den tilhørende kabel må bli gjort så liten som mulig slik at brukeren kan anvende den mest virkningsfulle pumpen. Siden disse konstruksjonene er i alminnelighet sylindriske er det åpne mellomrommet mellom dem i det vesentlige ringformet i tverrsnitt, som blir definert av to i hovedsaken sirkulære overflater med forskjellig radius.

Som nevnt ovenfor er kabelen for disse anvendelsene underlagt svært høye temperaturer og trykk, store kompresjonskrefter i brønnen og støt i løpet av installasjonen fra f.eks. hammere eller andre verktøy. Det er følgelig ønskelig å anvende kabelen beskrevet i tidligere nevnte patentsøk-nader og det er dessuten ønskelig å minimalisere virkningen av tykkelsen på kabelen og således muligheten for at kabelen vil sitte fast eller ligge an mot brønnhuset i løpet av inn-føringen eller uttrekningen av utstyret som kabelen er festet til.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er den armerte kabelen formet med et bueformet tverrsnitt som passer med buen på overflaten på hvilken den er montert. Dette reduserer effek-tivt tykkelsen på kabelen ved tilpasningen og tar maksimal fordel av det ringformede mellomrommet tilgjengelig mellom veggen til brønnen og den sylindriske konstruksjonen deri.

Et formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en forbedret elektrisk kabel som har form av et tverrsnitt som passer det sirkulære tverrsnittet til en boring i hvilken kabelen blir anvendt.

Et annet formål for oppfinnelsen er å tilveiebringe en armert elektrisk kabel av bueformet tverrsnitt som er spesielt egnet for anvendelse ved oljebrønner.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en armert elektrisk kabelkonstruksjon av bueformet tverrsnitt formet for oljebrønnanvendelse med innretning som kan motstå forskjellige ødeleggende krefter påmøtt ved denne anvendelsen.

Andre fordeler ved foreliggende oppfinnelse skal be-skrives nærmere i det påfølgende med henvisning til medfølg-ende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et delvis perspektivriss av en kabel-lengde konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse og en del av et hus eller annen konstruksjon av generell sylindrisk form, til hvilken kabelen er festet, idet kabelens ytre er vist med en ytre beskyttende mantel fjernet. Fig. 2 et enderiss av kabelen tatt langs snittlinjen 2-2 på fig. 1 med den underliggende konstruksjonen vist på fig. 1 fjernet. Fig. 3 viser et enderiss av et forbedret kraftmotstående element for beskyttelse av isolasjonen på de

enkelte lederne til kabelen.

Fig. 1 viser en utførelsesform av en kabel 10 konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse som er spesielt egnet for anvendelse ved oljebrønnanvendelser. For disse anvendelsene må kabelen kunne bli aksialt innført og trukket ut gjennom et.åpent mellomrom dannet mellom den indre sirkulære veggen til brønnf6ringen og den ytre overflaten til brønnrøret, elektriske neddykkede pumpehus eller andre konstruksjoner som kabelen er festet til. Siden disse konstruksjonene i alminnelighet har bueformede overflater og nærmere bestemt sylindriske overflater er det åpne mellomrommet hovedsakelig ringformet i tverrsnitt på grunn av at det er definert av to hovedsakelig konsentriske, sylindriske overflater med forskjellig diameter./

Som nevnt ovenfor er kabelen for denne anvendelsen underlagt svært høye temperaturer og trykk og svært strenge kompresjonskrefter i brønnen og støt i løpet av installasjonen fra f.eks. hammere eller andre verktøy.

Kabelen 10 innbefatter en metallbeskyttende mantel

11 som omgir og omhyller flere enkeltvis isolerte, med avstand anordnede ledninger eller ledere 12, 13 og 14. For å tilveiebringe kabelen med et lett bueformet tverrsnitt nød-vendig for anbringelse i det ringformede mellomrommet mellom brønnf6ringen og konstruksjonen 30 som kabelen er forbundet med stropper til. Lederne er anordnet slik at deres sentrale akser ligger i et bueformet plan parallelt med planet for den sylindriske overflaten til konstruksjonen 30 som ligger under kabelen. På fig. 1 er kun en del av konstruksjonen 30 vist, idet det skal bemerkes at i dens helhet kunne konstruksjonen være det ytre huset av en oljebrønnpumpe eller den elektriske motoren for å drive pumpen, et sylindrisk oljerør som leder fra pumpen til overflaten, eller enhver annen konstruksjon som har en hovedsakelig sylindrisk overflate på hvilken kabelen skal bli montert.

Mantelen 11 er fortrinnsvis dannet av et stålbånd 11 av et Z-tverrsnitt som er viklet om lederne 12, 13 og 14 i en overlappende skruelinjeform for å danne en sammenlåsende armeringskappe. De sideliggende lederne er av betydelige lengder etter behov, det skal bemerkes at kun en svært kort lengde av kabelen er vist på fig. 1. Lederne 12, 13 og 14

er hver dekket av ett eller flere lag med elektrisk isolasjon, idet to slike lag er vist og henvist til ved henvisnings-tallene henhv. 15, 16 og 17.

Det skal bemerkes at den anvendte isolasjonen ved disse lederne er fortrinnsvis ett eller flere lag av kjemiske sperresjikt og/eller elektriske isolerende materialer. Ved en omgivelse slik som en oljebrønn vil en pumpekabel normalt innbefatte isolasjon som er et system av lag av isolasjons-materialer av forskjellige typer for tilveiebringelse av de ønskede elektriske dielektriske egenskapene såvel som mot-standsevnen mot forskjellige kjemiske reaksjoner som fore-kommer med akselerert aktivitet i disse høye temperaturene og trykkområdene og at disse isolasjonsmaterialene kan bli forsterket med, eller på annen måte mekanisk beskyttet av flettede og/eller bånd sammensatt av metall eller andre egnede materialer. Disse isolasjons- og mekaniske transport-systemene er i seg selv ikke en del av foreliggende oppfinnelse og er konvensjonelle og følgelig vil de ikke bli beskrevet nærmere her.

De isolerte lederne er hver anbragt med avstand i sideretningen fra hverandre langt nok for å tilveiebringe et sidemellomrom mellom hvilke vil være anordnet et kraftmotstandsdyktig element 20. Hvert av disse elementene 20 er også langstrakte og strekker seg parallelt med lederne. Elementene 20 er fremstilt av materiale som hovedsakelig er stivt i tverrsnitt og som er utvalgt med gode termiske ledende egen-skaper, dvs. termiske ledeevner som er ved de minste større enn de termiske ledeevner til lederisolasjonen. Fiberfylte karbonsammensetninger er egnet for dette formålet og gir også god kompresjonsmotstandsevne. Metaller slik som stål eller aluminium er også egnet for dette .formålet, som også metall-fylte polymeriske materialer og kan være ekstruderte termo-plastmaterialer, slik som nylon.

Mens kabelen vist på tegningen har tre ledere, er

det klart at de kunne inneholde et forskjellig antall og at

antall kraft-motstandselementer 20 vanligvis vil være mindre enn antall ledere.

I og med at elementet 20 er heller stivt og motstands-dyktig mot kompresjon i retning av kompresjonskreftene til-ført i retningene hovedsakelig perpendikulært på hovedplanet til kabelen 10, kan en større grad av fleksibilitet bli krevd, som kan tillate kabelen å bli utsatt for bøyninger med lang radius, som er nødvendig når det installeres ved et service-sted.

Denne større fleksibiliteten blir fortrinnsvis tilveiebragt, når definert, av flere langsgående med avstand anordnede spalter 22 som strekker seg innover, eller nedover, som vist på figurene, fra den øvre overflaten 26 til hvert element 2 0 og som avsluttes tilnærmet midt eller nærmere gjennom elementet 20. Spalten 22 er hovedsakelig jevnt anbragt med avstand fra hverandre i lengderetningen av elementet 20. I lengderetningen anbragt med avstand mellom spaltene 20 er spalter 2 3 som strekker seg innover og oppover inn i legemet til elementet 20 fra dens nedre overflate 27. Spaltene 2 3 er også hovedsakelig anbragt med jevn avstand fra hverandre i lengderetningen og ligger tilnærmet midt mellom spaltene 21. Spaltene 21, 22 strekker seg innover i veks-lende mønster fra den øvre og nedre overflaten 26 og 27, \ henhv., og tillater stor fleksibilitet i elementet 20. Når isolert i en kabel, vil den resulterende konstruksjonen bli lik den på fig. 1.

Som fagmannen på området vet kan elementene 20 bli dannet ved ekstrudering, støping eller andre prosesser fulgt av kutting, dersom større fleksibilitet er nødvendig for å danne spaltene spesielt i elementene som blir ekstrudert. Hvert av elementene 20 har øvre og nedre overflater som er hovedsakelig flate, slik at de passer med den øvre og nedre hovedsakelig parallelle indre og ytre sidedelen henhv. 24A

og 24B til mantelen 11, og lengdekanten til elementene 20

kan være halvsirkulære for å passe mer tett opp til formene av de motstående perifere overflatene til isolasjonen på tilliggende isolerte ledere. De fire hjørnene 28 til elementene

20 er lett avrundet som ved skråkanting, slik at hjørnene 28 ikke brytes av når kabelen blir bøyd i et lett bueformet tverrsnitt. Klemmende krefter påført det ytre av kabelen vil møte elementene 20 og ødeleggelse av kabelen ved slike krefter vil derfor bli forhindret eller i det minste gjort til et minimum. Komponentens indre av kabelmantelen kan alternativt ha enhver av formene beskrevet ved ovennevnte patentsøknader. For å danne den ønskede, lett bueformede formen, er kabelen 10 fremstilt til å begynne med flat og påfølgende trykket gjennom formingsmatriser av egnet kurve som bøyer armeringskappen på tvers i en kurve som er hovedsakelig den samme som den til konstruksjonen 30 mot hvilken kabelen skal bli montert. På grunn av at armeringen er fremstilt av metall, forblir armeringskappen i den ønskede kurveformen ved fjerning fra formingsmatrisen.

Radiusen R til den indre buen som definerer den innerste overflaten til sidedelen 24A av armeringen 11 er hovedsakelig lik den radiale avstanden fra senterlinjen til den ytre sylindriske overflatedelen av den underliggende bæreflaten 30. Radiusen R^til den ytre sidedelen 24B er fortrinnsvis fremstilt lik radiusen R til den indre sidedelen 24A pluss den radiale tykkelsen T for kabelen. Størrelsen T er bestemt av den ytre diameteren til de isolerte lederne pluss den totale radiale tykkelsen på to sidedeler 24A og 24B. For å tillate en ikke sperret anbringelse av kabelen i bore-hullet mens festet til den underliggende konstruksjon 30, skulle radiusen R^være mindre enn radiusen av den indre veggen av den rørformede oljebrønnf6ringen. I slike tilfeller skulle størrelsen T på kabelen være mindre enn den radiale størrel-sen på det ringformede mellomrommet mellom underliggende konstruksjon og den indre veggen til brønnf6ringen.

På grunn av tverrsnittsformen til kabelen 10 er bueformet, forblir avstanden mellom den ytre sidedel 24B til kabelen 10 og dens underliggende sylindriske bæreflate i virkeligheten konstant. Var kabelen rett i tverrsnitt ville den være tangensial i forhold til den underliggende sylin driske overflaten som bevirker at dens kanter strekker seg ytterligere inn i det tilgjengelige ringformede mellomrommet. Kantene ville da være mest sannsynlig motliggende eller hindret av en motsatt indre vegg ved brønnforingen.

Evnen til foreliggende kabel å følge tett ved dens underliggende bærende overflate er spesielt viktig når kabelen skal bli anvendt for å føre elektrisk strøm til sentrifugalpumper drevet direkte av elektriske motorer som har elektriske ledninger til hvilke kabellederne er forbundet. For denne anvendelsen hvor de tillatelige sidetoleransene mellom radialt på avstand anbragte hus til pumpen og brønnen ofte er minimale på grunn av virkningsgraden er det foretrukket at pumpediameteren er så stor som mulig. Kabelen 10 gir således den fordelen at det er mulig å anvende en større og mer virkningsfull neddykket pumpe.

Mens forskjellige fordelaktige utførelsesformer er blitt valgt for å vise oppfinnelsen er det klart at for fagmannen på området er utallige endringer og modifikasjoner mulig innenfor oppfinnelsens ramme.

Claims (10)

1. Elektrisk kabelkonstruksjon, karakterisert ved at den innbefatter flere stive, isolerte ledere med hovedsakelig parallelle langsgående akser, idet de isolerte lederne er anbragt med avstand i sideretningen fra hverandre; en mantel som dekker lederne, idet mantelen er langstrakt i tverrsnitt og innbefatter motsatte kantdeler og motsatte sidedeler, idet sidedelene til mantelen har et bueformet tverrsnitt.

2. Kabel ifølge krav 1, karakterisert ved at senteret til lederne er anbragt i et bueformet plan og at sidedelene til mantelen mellom lederne er i plan hovedsakelig parallelle med bueplanet.

3. Kabel ifølge krav 2, karakterisert ved at et lag med elektriske isolasjonsdekk er hver og en av lederne, idet lagene ble anbragt med avstand fra hverandre i en retning parallelt med bueplanet.

4. Kabel ifølge krav 3, karakterisert ved at mantelen er dannet av metallomhylninger.

5. Kabel ifølge krav 4, karakterisert ved at det innbefatter dessuten i det minste ett stivt, kraftmotstandsdyktig element inne i mantelen og mellom og parallelt med avstandsanbragte isolerte ledere, idet elementene strekker seg over det indre av mantelen og hovedsakelig fra dens ene side til den andre.

6. Kabel ifølge krav 5, karakterisert ved at i det minste en av de kraftmotstandsdyktige elementene er fremstilt av et stivt materiale.

7. Kabel ifølge krav 6, karakterisert ved at minst et av de kraftmotstandsdyktige elementene er fremstilt av metall.

8. Kabel ifølge krav 5, karakterisert ved at lederne er i et side-ved-side-forhold med dens sentrale akser liggende i det bueformede planet, idet det derved dannes en kabel som har to bueformede og hovedsakelig parallelle motsatte sider.

9. Kabel ifølge krav 4, karakterisert ved at i det minste et av de kraftmotstandsdyktige elementene er et hovedsakelig kontinuerlig stivt legeme som har hovedsakelig flate øvre og nedre flater tilliggende motsatte sider av mantelen.

10. Kabel ifølge krav 9, karakterisert ved at elementet innbefatter flere langsgående med avstand anbragte spalter som strekker seg innover vekselvis fra den øvre og nedre overflaten og avsluttes tett mot det bueformede planet som inneholder sentralaksene til lederne.