"Каротажник", №11 (164) 2007год

К вопросу о механических характеристиках грузонесущих геофизических бронированных кабелей.

 

А.А. Семенцов  (ООО «Пермгеокабель»)

А.В. Шумилов  ОАО («Пермнефтегеофизика»)

 

Информация, приведенная ниже, базируется на положениях РД «Техническое описание и инструкция по эксплуатации грузонесущих геофизических бронированных кабелей» Москва 1998г. и результатах полученных в процессе работы на установки по обтяжке геофизического кабеля на нашем предприятии и подбора режимов работы на установке.

 

            К механическим характеристикам грузонесущего кабеля относят следующее:

  • разрывное усилие,
  • модули продольной упругости и поперечной деформации,
  • остаточное удлинение,
  • допустимый диапазон изгиба кабеля,
  • допустимая максимальная скорость его движения (ускорение перемещения),
  • допустимые механические усилия обжатия кабеля, в том числе в сальниковых уплотнителях,
    • maxрадиальное давление (для токопроводящей жилы).

           

Часть этих характеристик зависит от таких факторов как, качества материалов применяемых для изготовления кабеля, например это марка стали и свойства проволоки применяемой для изготовления брони кабеля, ее маркировочная группа и т.д. Не менее важная зависимость имеется и от способа наложения брони, типа бронировочных станков и технологических особенностей изготовления кабеля, а так же методики подготовки к вводу в эксплуатацию кабеля, то есть от режимов стабилизации и технических и технологических особенностей самой установки по обтяжке (стабилизации) кабеля.

 

            Прочность геофизического кабеля к приложенной продольной нагрузке (разрывное усилие) характеризуется несколькими показателями наиболее важные из которых (в редакции РД стр.8.):

 

  • Тч - разрывное усилиепри чистом растяжении (номинальное разрывное усилие), то есть растяжение с закрепленными от проворота концами, что соответствует прочности нового кабеля.
  • Тс– разрывное усилие при свободном растяжении, то есть при условии, когда кабель имеет возможность, свободно вращаясь раскручиваться и уравновешивать вращающие моменты всех повивов  брони.
  • Тскв. – натяжение кабеля на устье скважины при его подъеме.

Тскв=α[bН(1-о/к )+G],

                  Где:     b- вес единицы длины кабеля;

                                    α- коэффициент превышения натяжения, составляющий 1,2 ÷ 1,4;

                                    Н- глубина скважины;                   

                                   оик-   удельный вес скважинной жидкости и кабеля;

  • вес прибора или груза.

 

При работах на скважинах с устройствами, которые регистрируют натяжение кабеля, измеряемой величиной являетсяТскв.Системы измерения натяжения кабеля могут быть реализованы в разных вариантах, по этому есть смысл рассмотреть некоторые особенности измерения  Тскв.

Геофизический кабель опускается в скважину при помощи специальных роликов, подвесного и направляющего или только через один направляющий ролик.  В таких системах нагрузка присутствует на самом кабеле и на оси ролика. Распределение сил видно на  рис.1. где показаны усилия, приложенные к оси ролика, а на рис.2. приведено распределение нагрузок на кабеле.  Заштрихованные участки на рис.1. показывают сектор, на котором происходит контакт кабеля и ролика и в результате возникает усилие которое передается на оси ролика. Усилие на оси ролика Томеняется от 0 до двух Тскв. в зависимости от угла охвата - α°кабелем ролика при изменении α°от 0 до 180°.  По этому, если Тскв. измеряется через нагрузку на ось ролика, то необходимо учитывать это при калибровке регистратора натяжения и при работе с ним на скважине. Эта информация важна и при оценке запаса прочности самой оси ролика.

Рис.1.

 

На кабель, находящийся в ручье ролика блок-баланса рис.2. действуют силы растяжения, направленные по касательной к окружности ролика и силы сжатия направленные по радиусу к оси ролика в точке касания. По мере изгиба кабеля на подвесном ролике, происходит перераспределение сил растяжения и сил сжатия кабеля в ручье ролика.НатяжениеТскв. действует вдоль оси кабеля, и в крайних точках контакта кабель-ролик направлено всегда в сторону схода кабеля с ролика. При этом в зоне охвата - α°интегральная характеристика нагрузки на кабель пропорциональна Тскв.  Во всех точках касания кабеля и подвесного ролика силы растяжения Тр.и силы сжатия Тсж.на кабель перераспределяется согласно рис.2. В случае угла охвата α°= 180°точке «А»  усилие растяжения кабеля Тр. стремится к нулю, а усилие сжатия кабеля Тсж. стремится к Тскв.. В точке  «В»  усилие растяжения Тр. стремится к Тскв., а усилие сжатия кабеля Тсж. стремится к нулю.

Рис.2.

 

Эпюры распределения сил растяжения Тр.и сил сжатия Тсж.на кабель в зоне контакта кабеля и направляющего ролика для варианта  α°= 180°градусов и для варианта  α°= 90°показаны на рис.3. Суммарная нагрузка Тсж. пропорциональна  Тскв.×Sinα°,а суммарная нагрузка Тр.пропорциональна   Тскв.×Cosα°.

                             

Рис. 3.

                                  

 

Исходя из вышесказанного, объясняется требование, изложенное в РД по запасу прочности крепления направляющего ролика, которое должно не менее чем в 3 раза, и подвесного ролика – не менее чем в 4 раза превышать разрывное усилие кабеля (стр.39.РД.).  Это составляет полутора кратный и двух кратный запас прочности крепления роликов относительно показаний Тч., при углах охвата  α°=90°и α°= 180°соответственно.

 

Каротажные кабели после изготовления должны быть подвергнуты стабилизации для достижения оптимального значения коэффициента остаточного относительного удлинения.

Остаточные удлинения нового кабеля довольно велики, это объясняется технологическими особенностями при изготовлении кабеля.  При растяжении кабеля проволоки брони вытягиваются, выравниваются напряжения в проволоках, ликвидируются зазоры между ними, уменьшается диаметр кабеля, в результате происходит удлинение кабеля, которое может достигать нескольких метров (до10м.) на километр длины и зависит от марки кабеля.   

Для окончательной подготовки кабеля к работе в скважинах необходимо уравновесить вращающие моменты внутренней и внешней брони (то есть раскрутить кабель). В условиях завода организовать свободное растяжение кабеля (с незакрепленными концами) очень сложно, по этому на заводе изготовителе кабель подвергается стабилизации по показателю Тч.

 

Стабилизация кабеля по показателю Тс., когда он имеет возможность свободного кручения, происходит по причине его геометрии, поскольку повивы брони имеют разный диаметр проволок, количество их в повивах разное, повивы брони находятся на разных расстояниях от центра кабеля и как следствие крутящие моменты от каждого слоя брони не равны и не уравновешены. По этой причине для достижения полной (окончательной) стабилизации кабеля необходимо осуществить 2-3 спуско-подъема кабеля в глубокой скважине, которая имеет вертикальный ствол. Зависимость раскручивания кабеля от числа спуско-подъемных операций довольно сложна и зависит от очень многих факторов. На практике кручение кабеля присутствует при любых спуско-подъемных операциях вне зависимости от срока эксплуатации кабеля и общего числа спуско-подъемных операций, поскольку в каждой скважине  имеются свои уникальные условия.

 

Соотношение Тчс - является показателем определяющим максимально допустимые нагрузки растяжения кабеля при его эксплуатации и составляет 60% отТч., согласно РД, которое может быть определено точно в условиях завода изготовителя на разрывной машине и является критерием для маркировки кабеля.

 

 

Организациям, эксплуатирующим геофизический кабель, напоминаем о необходимости ввода в эксплуатацию геофизического кабеля согласно действующего РД и обращаем внимание на  следующее:

- до пробега 10 000м новый кабель необходимо эксплуатировать при легких нагрузках и скоростях перемещения 3000-4000 м/ч. (стр.38 РД), не допуская при этом больших ускорений и резких торможений,

- в период стабилизации желательно в процессе спуска кабеля в вертикальную скважину через 500-600м. периодически останавливаться и немного приподнимать кабель, давая возможность выровняться  вращающим  моментам  в повивах брони,

- во избежание образования жуков, «фонарей», петель - натяжение кабеля во время его спуска в скважину должно быть в пределах 0,5Тскв(стр.40 РД),

- во избежание образования ударных нагрузок на броню кабеля при подходе к забою скорость движения кабеля должна быть снижена до 350 м/ч (стр.40 РД),

- максимальные натяжения при эксплуатации геофизических кабелей не должны превышать 60% от  Тч ( маркировки указанной для данного типа кабеля),(стр.9 РД),

- обтяжка кабеля считается законченной после того, как расхождение, в глубинах зарегистрированное по магнитным меткам на кабеле не будет превышать величин, регламентированных «Технической инструкцией по проведению ГИС», то есть   величины остаточного удлинения 0,03% (стр.8 РД),

- не допускать применение нового кабеля при тяжелых режимах эксплуатации (перфораторные, взрывные работы, работа в сальниках особенно при больших давлениях обжатия, работа в скважинах с предельными углами наклона и т.д.),(стр.38РД).

           

           

Установка для обтяжки (стабилизации) кабеля, работающая на нашем предприятии, предназначена для предварительного воздействия на кабель при помощи растягивающего усилия Р(которое возникает при подвешивании на кабель груза). На установке имеется возможность измерения количественных показателей удлинения, времени воздействия нагрузки и ее дозирования в процессе обтяжки кабеля. Установка спроектирована и изготовлена для работы в стационарных условиях. Схема установки для обтяжки геофизического кабеля представлена на Рис.4.

 

Схема установки для обтяжки кабеля.

   

Рис.4.

 

Конструкция установки возникла после изучения технических решений на аналогичных установках родственных производств и особенностей их работы. Нами принят механический способ воздействия на кабель, при чистом растяжении, то есть растяжение с закрепленными от поворота концами (по показателю Тч.). Конструкция установки позволяет воздействовать дозированной нагрузкой Рна кабель расположенный между двумя колесными тягами. В процессе перемотки кабеля с отдатчика на приемник на него воздействует нагрузка, в течение времени  прохождения кабеля  между тягами. Изменяя скорость движения кабеля можно регулировать время нахождения кабеля под нагрузкой.  А в зависимости от величины приложенной нагрузки Р можно выбирать темп и количество операций по перемотке кабеля для достижения заданного значения остаточного удлинения.На рис.5. показаны графики зависимости остаточного удлинения от времени приложения нагрузки, шифр кривых соответствует величине дозированной нагрузки.

 

 Зависимость остаточного удлинения от времени воздействия и величины нагрузки.

Рис.5.

 

            Из рис.5. следует, что для достижения одинаковой величины остаточного удлинения, например 50%  для различных  нагрузок растяжения Р,требуется разное время воздействия нагрузки.  Причем, чем ближе к maxзначениям величины стабилизации, тем больше эта разница.

Принимая во внимание, что в первый момент времени приложения нагрузки Рна кабель он подвержен наибольшим деформациям, то по нашему мнению стремиться к минимальному времени обтяжки нецелесообразно. По этой причине мы предлагаем комбинированную схему приложения нагрузок, увеличивая нагрузку Рпо мере уменьшения удлинения кабеля.

 

            Качество и темп прохождения обтяжки кабеля до заданной величины зависит от многих факторов, например, таких как:

 

- первоначально заданной величине нагрузки на кабель и дозирования ее по мере прохождения

   процесса обтяжки в каждом цикле перемотки кабеля;

            - времени воздействия нагрузки на единицу длины кабеля;

- количества поворотных роликов и их положения в установке при движении кабеля под

  нагрузкой;

- диаметров роликов, формы ручьев роликов и т.д.

 

            В результате работ проведенных нами на установке по обтяжке кабеля, был принят режим работы установки, позволяющий оптимизировать затраты времени работы с кабелем для его обтяжки и достижения заданной величины остаточного удлинения рис.6.

 

Оптимальный режим обтяжки.

   

Рис.6.

 

Конструкция установки позволяет стабилизировать всю строительную длину кабеля полностью и имеет элементы «ноу-хау» защищенные патентом. На установке имеется возможность задавать любые нагрузки растяжения кабеля для конкретной марки (согласно его маркировки), то есть в любом диапазоне нагрузок разрешенных в РД «Техническое описание и инструкция по эксплуатации грузонесущих геофизических бронированных кабелей».

 Производительность установки позволяет подготовить к работе весь выпускаемый нами кабель и охватить всю  номенклатуру продукции для ее дальнейшей эксплуатации. Потребителям достаточно осуществить минимальные действия для подготовки кабеля к работе, путем 2-3 кратного спуско-подъема  в глубоких вертикальных скважинах, для выравнивания крутящих моментов в повивах брони (раскручивание кабеля) после чего кабель становится полностью готов к эксплуатации.

 

При поставке геофизического кабеля потребителям продукции нами предоставляется информация о величине нагрузки, при которой происходила обтяжка,  удлинение кабеля, произошедшее при этом, для того, чтобы иметь представление о достигнутой величине коэффициента остаточного относительного удлинения. Вышеприведенная информация позволяет потребителям нашей продукции получить дополнительные знания о механических характеристиках применяемых кабелей и сделать правильную оценку способности кабелей воспринимать воздействие сил, действующих на кабель при работах на скважинах и принимать нагрузки растяжения.  В качестве иллюстрации к вышесказанному на фото 1, 2 и 3 представлена грузовая стойка с различной величиной нагрузки на кабель в 3 тонны , 5 тонн и 10 тонн соответственно.

 

Положения данного сообщения служат для информирования потребителей кабельной продукции, достижению более полного взаимопонимания с предприятиями, и не исключает применения наработанных на Ваших предприятиях методов и опыта работ с кабельной продукцией, а так же иных способов ввода кабеля в эксплуатацию.

Фото 1.

Фото 2.

Фото3.