DE2853100A1 - Elektrisches energiekabel, insbesondere versorgungskabel fuer bohrlochaggregate - Google Patents

Description

• Elektrisches Energiekabel, insbesondere Versorgungskabel für Bohrlochaggregate
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehradriges elektrisches Energiekabel, insbesondere Versorgungskabel für Bohrlochaggregate, beispielsweise für Bohrlochpumpen, bei dem die nebeneinanderliegenden oder gebündelten Adern jede für sich durch eine geschlossene metallische Umhüllung geschützt sind.
• Für die Durchführung von Erdöl- oder Erdgasbohrungen werden Antriebselemente verwendet, die in 3000 m Tiefe und mehr eingesetzt werden. Diese Antriebselemente, insbesondere Pumpen, werden von der Erdoberfläche her mit elektrischer Energie versorgt. Zu diesem Zweck werden elektrische Kabel erforderlich, die ganz spezielle Forderungen zu erfüllen haben. Berücksichtigt werden müssen einmal die in diesen Tiefen herrschenden Druckverhältnisse, die eine entsprechend druckfeste Ausführung des Kabels verlangen, daneben sind zu berücksichtigen aber auch Erdtemperaturen, die in der Größenordnung von 1200 C und mehr zuzüglich der von den Antriebselementen in Form von Verlustwärme selbst erzeugten Temperaturen liegen.
• Als weitere Voraussetzung für ein Funktionieren der Kabel während einer längeren Betriebszeit ist eine weitgehende Unempfindlichkeit gegen im Bohrloch oder -schacht vorhandene aggressive Medien, wie beispielsweise aggressive Gase oder auch Meerwasser, wenn die Bohrungen im Meeresgrund durchgeführt werden müssen.
• Bei bisher durchgeführten Bohrungen werden bereits Kabel verwendet, die zur Übertragung von Speisespannungen von 3 kV dienen und aus drei z. B. nebeneinanderliegenden Phasenleitern bestehen. Über einer elektrischen Isolierung, z. B.
• aus einem Polyäthylen 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 angeordneten Adern ist dann ein gewickelter Eisenmantel aufgebracht. Abgesehen von dem durch den Bleimantel bedingten hohen Gewicht der Anordnung und der wenig mechanisch widerstandsfähigen Isolierung für die angesprochenen Probleme entspricht die geforderte Zugfestigkeit nicht den gestellten Anforderungen.
• Eine andere bekannte Möglichkeit ist die, über drei miteinander verseilte Adern eine gemeinsame metallische Hülle aufzubringen. Nachteilig ist hier, daß durch den verhältnismäßig großen Außendurchmesser der Hülle die geforderten Drücke von 340 bar und mehr nicht mehr aufgefangen werden können und zum andern durch die im Querschnitt verhältnismäßig große Hülle ein unkontrollierter Druckkanal zur Oberfläche entsteht, so daß beim Hochziehen des Kabels, etwa weil Reparaturen an den Antriebselementen anfallen oder auch die Bohrlöcher gewechselt werden, Explosionsgefahr besteht.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein mehradriges elektrisches Energiekabel zu schaffen, das hinsichtlich der zu beherrschenden Drücke, beispielsweise in einem Bohrloch, widerstandsfähig genug ist, aber auch für eine längere Betriebszeit soweit temperaturbeständig ist, daß Ausfälle der Antriebselemente nicht zu erwarten sind.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Umhüllung aus mindestens einem zum Rohr geformten, längsnahtverschweißten und anschließend gewellten Metallband dünner Wandstärke besteht und das Verhältnis von Rohrinnendurchmesser (di) zu Wandstärke (s)10 bis 60, vorzugsweise 18 bis 35, beträgt.
• Auf diese Weise wird das druckfeste Element im Kabel in die einzelnen Adern verlegt, und gleichzeitig wird, wenn überhaupt, ein nur unwesentlicher geschlossener Kanal zur Erdoberfläche gebildet. Die Umhüllung für die einzelnen Adern ist gasdicht, sie ist druckfest und auch zur Abschirmung erhöhter Temperaturen geeignet, zumal der mit Wellen versehene Mantel Längenausdehnungen mehr als übliche Anordnungen ohne Beschädigung mitmachen kann. Die Verringerung des Eigengewichtes gegenüber bekannten Anordnungen führt zu geringeren Zugbeanspruchungen bei der Montage und im Betriebszustand, zudem werden durch die erhöhte Flexibilität die Montage sowie Reparaturarbeiten wesentlich erleichtert.
• Besondere Vorteile ergeben sich in Weiterführung der Erfindung noch dann, wenn die Umhüllung aus mindestens zwei zu konzentrischen Rohren geformten, längsnahtverschweißten Metallbändern dünner Wandstärke besteht, die durch eine gemeinsame Wellung in konzentrischer Anordnung einen Mehrfachwellmantel bilden. Auf diese Weise ist es nämlich möglich, die Druckfestigkeit der Umhüllung gegenüber einer Anordnung mit gleicher Wanddicke für ein einziges Rohr weiter heraufzusetzen.
• Zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der gas- und druckdichten Hülle hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens das äußere Rohr an seiner Oberfläche verzinkt ist. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Gewährleistung einer Korrosionsbeständigkeit ist die, das äußerste Rohr aus einem korrosionsbeständigen Material, z. B. auf der Basis Nickel-Kupfer, herzustellen. Auch andere an sich bekannte korrosionsmindernde oder korrosionsverhindernde Materialien, insbesondere für das jeweils äußerste gewellte Rohr, sind selbstverständlich geeignet.
• Die Wellung der geschlossenen metallischen Umhüllung kann beliebig sein, mitunter hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, eine Parallelwellung zu verwenden.
• Das gilt insbesondere dann, wenn durch das Vorhandensein explosiver Gase in der Umgebung des Kabels etwa ein Eindringen und Weiterwandern unterhalb der metallischen Hülle an die Oberfläche vermieden werden muß. Dann dienen die auf der Kabelseele drückenden Wellentäler gleichzeitig zur verbesserten Abdichtung und damit Verhinderung des Weiterwanderns längs der Kabelstrecke.
• Beim Einsatz für die Versorgung von Antriebselementen in großer Tiefe ist es erforderlich, zusätzlich zu der dichten Umhüllung mechanisch hoch zugfeste Elemente im Kabelaufbau vorzusehen. Gegenüber den bei einer Umhüllung mit Blei aus dem hohen Eigengewicht sich ergebenden entsprechend hohen Zugkräften und damit besonderen Maßnahmen, um die auf die Länge wirkenden Zugkräfte auszugleichen, hat es sich in Durchführung der Erfindung als vorteilhaft und ausreichend erwiesen, wenn die gasdichte, flexible Umhüllung der Einzeladern mit ihrem gegenüber Blei verringertem Gewicht jeweils von einer Bewehrung aus hochfesten Stahldrähten umgeben sind, über die dann eine allen Adern gemeinsame Bandbewicklung aufgebracht ist. Auch in diesem Fall können die Adern entweder parallel nebeneinander geführt werden, sie können aber auch miteinander verseilt sein.
• Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit der zusätzlichen Bewehrung ist die, über der so aufgebauten Kabelseele einen weiteren äußeren Stahlwellmantel aufzubringen, der z. B. oberflächlich galvanisch verzinkt ist. Die an sich vorgesehene zugfeste Stahldrahtbewehrung kann noch durch ein über den Adern befindliches Zugseil aus einem hochfesten Material, etwa Kunststoff oder Metall, erhöht werden.
• Um auch die notwendige Temperaturbeständigkeit über eine längere Betriebsdauer sicherzustellen, wird man zweckmäßig die elektrische Isolierung der einzelnen Adern aus einem hochtemperaturbeständigen Isoliermaterial herstellen. Geeignet hierfür sind z. B. solche auf Basis Siliconkautschuk.
• Wesentlich für den Erfindungsgedanken ist, daß,um die in einem Bohrloch oder Schacht in 1000und mehr Metern herrschenden Drücke auszuhalten, der äußere Durchmesser des Kabels möglichst gering sein sollte und daher die druckfesten Elemente unmittelbar in die Adern mit einbezogen werden. Bei Wahl des beanspruchten Verhältnisses von Rohrdurchmesser (lichte Weite) zu Wandstärke ist es möglich, trotz verhältnismäßig dünnwandiger Umhüllungen den geforderten Druckbeanspruchungen zu genügen. Bei Wahl z. B. zweier konzentrischer Mäntel wird dann eine Druckbelastung erreicht, die sich mit einem in den äußeren Abmessungen gleich großen, aber z. B.
• doppelt so dicken Metallmantel, z. B. der bekannten Bleiausführung, nicht erreichen lassen.
• Das nach der Erfindung aufgebaute Kabel ist problemlos verlegbar, es kann ohne Schwierigkeiten in die vorhandenen Schächte oder Bohrlöcher eingeführt und verlegt werden und ist den dort herrschenden Forderungen hinsichtlich Druckfestigkeit, Temperaturbeständigkeit und Dichtigkeit gewachsen.
• Die Erfindung sei anhand des in der Fig. 1 als Ausführungsbeispiel dargestellten dreiadrigen Bohrlochkabels näher erläutert. In der Fig. 2 ist in einem Diagramm schematisch der Druckverlauf in Abhängigkeit vom Verhältnis di/s dargestellt.
• Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, besteht das Kabel aus den drei elektrischen Leitern 1, die von einer Isolierung 2 aus einem hoch temperaturbeständigen Material z. B. auf Basis Siliconkautschuk, umgeben sind. Darüber ist, gegebenenfalls nach Aufbringen einer nicht dargestellten Polsterschicht, z. B. aus einer Bebänderung, der geschlossene Metallwellmantel 3 aufgebracht. Dieser Wellmantel 3 besteht z. B.
• aus einem zum Rohr geformten dünnwandigen Stahlblech, z. 13. 0,6 mm stark, das zum Rohr geformt, an den Kanten verschweißt und dann gewellt worden ist. Der Seelen- durchmesser oder die lichte Weite des Wellrohres (di) beträgt z. B. 13 mm.
• Die drei Adern sind von der äußeren Bewehrung aus einzelnen Stahldrähten 4 umgeben, die beispielsweise zweilagig und mit Gegenschlag aufgebracht sind.
• Gehalten werden die drei Adern schließlich von der Bandbewicklung 5, z. B.
• aus einem korrosionsbeständigen Metall. Auch die Stahldrähte, die für die notwendige Zugfestigkeit sorgen, sind zweckmäßig ebenso verzinkt, wie z. B.
• jeweils die äußere Oberfläche des Wellmantels 3.
• Der Mantel 3 kann aber, abweichend von einer Stahl ausführung, auch aus einer Legierung aus Nickel-Kupfer bestehen, wie sie z. B. unter der Handelsbezeichnung Monel bekannt ist. Für einen weiteren Schutz nach außen können die drei so vorbereiteten und gehaltenen Adern schließlich mit einer Jutebespinnung oder anderem polsternden Material umgeben sein, wobei dann als letzter äußerer mechanischer Schutz noch ein Wellmantel z. B. aufgebracht sein kann. Dieser ist dann ebenfalls wieder korrosionsgeschützt, beispielsweise durch einen äußeren Kunststoffmantel.
• Besteht abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Umhüllung aus einem Mehrfachwellmantel, dann ist es zweckmäßig, zumindest jeweils den äußeren Mantel korrosionsgeschützt auszuführen, beispielsweise durch einen Oberflächenschutz in Form einer Verzinnung oder dadurch, daß der äußerste Wellmantel aus einem gegen Korrosion beständigen Material besteht.
• Die Herstellung eines Doppel- oder Mehrfachwellmantels geschieht beispielsweise so, daß zwei oder mehr dünnwandige Metallbänder längseinlaufend nacheinander zu einem Rohr mit jeweils größerem Durchmesser als das vorhergehende geformt,an den Kanten verschweißt und in der nunmehr konzentrischen Anordnung gemeinsam gewellt werden. Wellentäler und Wellenberge stützen dann bei einer Druckbeanspruchung von außen gegeneinander hinreichend ab, d. h. durch die Mehrschichtigkeit und gleichzeitige Wellung konzentrischer Rohre wird dem herrschenden Außendruck ein erhöhter Widerstand entgegengebracht. Die Flexibilität ist gewährleistet und gleichzeitig sind auch auf größere Längen des Kabels wirkende Zugkräfte, die durch entsprechende zugfeste Elemente wieder kompensiert werden müssen, auf ein Minimum beschränkt.
• Die Fig. 2 zeigt schematisch die Abhängigkeit des Druckes vom Verhältnis Innendurchmesser (di) zur Wandstärke (s). Hieraus ist ersichtlich, daß der von einer geschlossenen Hülle gehaltene Druck mit-wachsendem di/s stark abfällt. Das gilt vor allem, wenn man aus Gründen der Flexibilität und der Herstellunq zu dünnwandigen Rohren übergehen will. Aber auch eine Verringerung des Innendurchmessers bei gleichzeitiger Erhöhung der Wandstärke bringt nicht den erwünschten Erfolg, da wegen der Wandstärkenerhöhung mit einer Verringerbung der Flexibilität gerechnet werden muß und auch die Herstellung einer dichten Hülle schwieriger wird. Vorteilhaft dagegen ist, wenn man dem Erfindungsgedanken folgend das Verhältnis von di/s so wählt, daß es in den beanspruchten Bereichen liegt, wobei eine weitere Erhöhung der Druckbelastbarleit dadurch erreicht werden kann, daß man statt eines einzigen Wellmantels einen Doppelwellmantel mit z. B. gleicher Gesamtwanddicke einsetzt.
• Der Kurvenverlauf a beruht auf dem Werkstoff Stahl für die druckdichte Hülle, einer Nickel-Kupfer-Legierung ist die Kurve b zuzuordnen. Für eine gemischte Mantelausflihrung als Doppelwellmantel kommt der Kurvenverlauf c in Betracht. L e e r s e i t e

Claims (9)

1. Patentansprüche 1. Mehradriges elektrisches Energiekabel, insbesondere Versorgungskabel für Bohrlochaggregate, beispielsweise Pumpen, bei dem die nebeneinanderliegenden oder gebündelten Adern jede für sich durch eine geschlossene, metallische Umhüllung geschützt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus mindestens einem zum Rohr geformten, längsnahtverschweißten Metallband dünner Wandstärke besteht und das Verhältnis von Rohrinnendurchmesser (di) zu Wandstärke (s) 10 bis 60, vorzugsweise 18 bis 35, beträgt.
2. 2. Energiekabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus mindestens zwei zu konzentrischen Rohren geformten, längsnahtverschweißten Metallbändern dünner Wandstärke besteht, die durch eine gemeinsame Wellung in konzentrischer Anordnung einen Mehrfachwellmantel bilden.
3. 3. Energiekabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das äußerste Rohr an seiner Oberfläche verzinkt ist.
4. 4. Energiekabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das äußerste Rohr aus einem korrosionsbeständigen Material, z. B. auf Basis Nickel-Kupfer, besteht.
5. 5. Energiekabel nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrischen Wellmäntel eine Parallelwellung aufweisen.
6. 6. Energiekabel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrischen Wellmäntel über den Einzel adern jeweils von einer Bewehrung aus hochfesten Stahldrähten umgeben sind, über die dann eine allen Adern gemeinsame Bandbewicklung aufgebracht ist.
7. 7. Energiekabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die nebeneinanderliegenden oder gebündelten Adern von einem weiteren Wellmantel umschlossen sind.
8. 8. Energiekabel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der nebeneinanderliegenden oder gebündelten Adern ein oder mehrere Zugseile aus hochfestem Material, Kunststoff oder Metall, angeordnet sind.
9. 9. Energiekabel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Isolierung der einzelnen Adern aus einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff besteht.