Физико-механические и физико-химические свойства материалов для изоляции и оболочек кабелей, применяемых в нефтяных скважинах
 
Кабельно-проводниковая продукция и аксессуары

Физико-механические и физико-химические свойства материалов для изоляции и оболочек кабелей, применяемых в нефтяных скважинах

В данной публикации рассмотрены некоторые свойства наиболее перспективных полимерных материалов для изоляции и оболочек кабелей, при меняемых в нефтяных скважинах. Исследовались состав и происхождение образцов.

Таблица №1

№ образца Наименование материала и его обозначение Марка материала Форма образца и его происхождение
1 Полиэтилен высокой плотности (низкого давления), (ПЭВП) 271-274К "Камкабель" внутренний слой (трубка)
2 Полиэтилен высокой плотности (низкого давления), (ПЭВП) наружный слой (трубка)
3 Полиэтилен высокой плотности (низкого давления), (ПЭВП) 271-70К "Камкабель" внутренний слой (трубка)
4 Полиэтилен высокой плотности (низкого давления), (ПЭВП) наружный слой (трубка)
5 Силаносшиваемый полиэтилен высокой плотности, (СПЭВП) катализатор Cat-40 "Камкабель" внутренний слой (трубка)
6 Силаносшиваемый полиэтилен высокой плотности, (СПЭВП) наружный слой (трубка)
7 Радиационно-модифици-рованный полиэтилен   "Подольсккабель" внутренний слой наружный слой
8 Блоксополимер пропилена с этиленом (СЭП)
9 Блоксополимер пропилена с этиленом (СЭП) 0201 5-302 КМ г. Уфа, лопаточка
10 Блоксополимер пропилена с этиленом (СЭП) 02015-301 К г. Уфа, лопаточка
11 Термоэластопласт (ТЭП) 02035-305 К г. Уфа, лопаточка
12 Термоэластопласт (ТЭП), самозатухающий, опытная проба РО-146 г. Уфа, лопаточка
13 Полиэтилен высокой плотности (низкого давления), (ПЭВП) 271-70К После эксплуатации в течение 199 сут (трубки)

образцы материалов, приведенные в таблице 1. Испытания были проведены в ФГУП "НИИПМ", г. Пермь.

Для изготовления образцов 1 -8 изоляция снималась с кабелей. Изоляция наносится экструзией за два раза, поэтому она имеет внутренний и наружный слои. Образцы 9-12 изготовлялись из гранул прессованием в виде лопаточек размером 44x6x1 мм3. Образец 13 эксплуатировался в скважине месторождения "Лангепас" в течение 199 суток.

Для определения темпера тур плавления и начала терми ческого разложения сняты термограммы на дифференциально-сканирующем калориметре ДСК-111 со следующими характеристиками:

  • скорость нагревания 10°С/мин;
  • масса навески 5 мг;
  • температурный интервал 20 -700 °С.

На рис.1 приведен фрагмент термограммы для образца 3 (табл.1). Из термограмм получено, что температура плавления Тпл различных марок полиэтилена 134-136 °С. Значения Тпл СЭП - 169-174 °С и ТЭП - 165-168°С.

рисунок 1

Рис. 1 Термограмма для образца 3

Фрагмент термограммы образца ПЭ 271-70К (внутренняя трубка)

Температура начала термического разложения (Тразл) ПЭ 271-70К составляет 233-238 °С, ПЭ 271-274К - 247-252 °С, силаносшиваемого ПЭ высокой плотности достигает 273-277 °С, СЭП - 241 -263 °С, ТЭП - 260-269 °С.

Температура начала термического окисления в значительной мере связана с количеством и составом стабилизатора и других добавок и не связана только с составом самого материала.

Набухание материалов исследовалось в нефти Усинского месторождения (табл. 2); значение набуха ния определялось как отношение приращения массы образца к его исходной массе.

Следует отметить, что равновесная степень набухания исследованных образцов при 80 и 90 °С дости гается, в основном, в течение первых сут.

Наибольшей стойкостью к набуханию обладают образцы полиэтилена.

Степень набухания СЭП в 2,5-3 раза выше, чем у ПЭВП, СПЭВП и радиационно-модифицированного

Таблица №2 Значения равновесного набухания материалов изоляции

№ п/п Наименование материалов Равновесное набу хание в нефти, %, при температуре
80 °С 90 °С
1 ПЭ 271-274К, "Камкабель", внутренний слой 8,7 9,5
2 ПЭ 271-274К, "Камкабель", наружный слой 9,1 9,8
3 ПЭ 271-70К, "Камкабель", внутренний слой 9,4 10,5
4 ПЭ 271-70К, "Камкабель", наружный слой 9,2 10,4
5 ПЭ силаносшиваемый высокой плотности, внутренний слой 9,2 9,7
6 ПЭ силаносшиваемый высокой плотности, наружный слой 9,8 10,5
7 ПЭ радиационно-модифици-рованный, Подольский завод, внутренний слой 9,1 11,3
8 СЭП, Подольский завод, наружный слой 25,5 26,6
9 СЭП 02015-302К-М, (Бален) г. Уфа, лопаточка 20,3 23,5
10 СЭП 02015-301 К, г. Уфа, лопаточка 32,1 35,3
11 ТЭП 02035-305К, г. Уфа, лопаточка 76,8 81,2
12 ТЭП-146, г. Уфа, лопаточка 61,2 68,0

Механические характеристики несшитых ПЭ, СЭП и сшитых различными способами ПЭ в диапазоне температур эксплуатации нефтекабелей

Таблица №3

Наименование материала Харак-
терис-
тики
Единица измерения Значения характеристик при температурах, °С
-60 -40 -20 20 50 90 110 120 130
ПЭ несшитый 271-274, "Камакабель" кгс/см2 514 450 404 272 167 85 57 49 4,4
кгс/см2 352 300 305 179 148 74 52 46 2,4
% 14 20 20 22 40 2140 2430 2600 465
% 24 46 52 128 1248 2870 3250 2300 1060
ПЭ радиационно - модифицированный (внутренний слой), Подольский завод кгс/см2 245 220 183 144 98 53,4 31,5 36 15,5
кгс/см2 188 177 155 112 98 53,4 31,5 34 9,1
% 48 50 54 68 2850 2120 1550 500 520
% 147 156 159 824 2850 2120 1550 1070 1350
ПЭ силаносшиваемый высокой плотности кгс/см2 314 281 235 150 100 72 43 26 5,3
кгс/см2 273 236 184 130 96 70 38 23 4,6
% 28 28 30 170 160 1240 890 1260 238
% 72 88 130 1280 890 1590 1010 1380 234
СЭП, (наружный слой) Подольский завод кгс/см2 364 295 220 133 99 58 38    
кгс/см2 364 288 98 90 99 51 -    
% 25 28 29 42 2920 3870 6250    
% 25 34 58 486 2920 4820      

Таблица №4 Механические характеристики блоксополимеров (СЭП) и термоэластопластов (ТЭП) в диапазоне температур эксплуатации нефтекабелей полиэтилена.

Наименование материала Харак-
терис-
тики
Единица измерения Значения характеристик при температурах, °С
-50 20 50 90 110
ТЭП 02035-305К кгс/см2 350 111 56 39 28
кгс/см2 350 111 56 39 28
% 79 423 342 503 427
% 79 423 342 503 427
ТЭП, самозатухающий, опытная проба РО-146 кгс/см2 254 122 78 49 36
кгс/см2 249 122 78 49 36
% 7,8 374 406 692 726
% 121 374 406 692 726
СЭП 0201 5-301 К кгс/см2 544 263 245 123 77
кгс/см2 518 105 245 123 77
% 5,3 10,9 797 940 988
% 7,1 114 797 940 988
СЭП 0201 5-302КМ кгс/см2 58 337 243 192 132
кгс/см2 57 266 243 192 132
% 9,6 28 737 948 879
% 22 59 733 948 879

Степень набухания ТЭП в 6-7 раз выше, чем у ПЭ. Это связано с меньшей долей кристаллической фазы в этих материалах.

Для оценки степени набухания материала изоля ции в реальных условиях были использованы образцы кабеля, подвергнутого эксплуатации в скважине месторождения "Лангепас" в течение 199 сут, и образцы нового кабеля из ПЭ 271-70К. Определялась масса изоляции обоих кабелей на единице длины и по разности этих масс определена степень набухания - 47 %, что значительно больше, чем при лабораторных испытаниях (-10 %).

Механические характеристики образцов на растяжение определялись на двусторонних лопаточках общей длиной 110 мм, длиной рабочей части 44 мм, шириной 6 мм и толщиной 1 мм, а также на образцах трубчатой формы общей длиной 80 мм и длиной ра бочей части 25 мм, снятых с кабелей. Скорость растяжения образцов 100 мм/мин.

Диаграммы нагружений для всех образцов имеют одинаковые характерные участки: начальный участок 1, в конце которого напряжение достигает максимального значения при относительном уд линении ; участок 2 с образованием и распро странением "шейки" (иногда двух) на всю длину рабочей части образца со спадом напряжения на 20-40% от ; участок 3 с небольшим повышением напряжения на 10-20% до значения с удлинением до с последующим разрывом образца.

Результаты исследований механических харак теристик материалов приведены в табл. 3 и 4. Механические характеристики, определенные по образцам-лопаточкам и образцам-трубкам, пример но одинаковые; напряжение и деформация образцов, бывших в эксплуатации, на 10-30 % ниже, чем у новых кабелей.

Из анализа данных, приведенных в табл. 3 и 4, следует, что по морозостойкости сшитые полиэтилены превосходят несшитые, а несшитые ПЭ превосходят блоксополимеры СЭП и ТЭП.

При повышенных температурах наименьшую прочность имеют радиационно-модифицирован-ный ПЭ и ТЭП. Высокими значениями прочности при температурах 90 и 110 °С выделяется блоксополимер СЭП 02015-302 КМ. При повышении температуры до 130 °С наблюдается резкое снижение прочности как несшитого, так и сшитых полиэтиленов.

Из вышеизложенного можно заключить, что по совокупности эксплуатационных характеристик для изготовления изоляции предпочтительным является силаносшиваемый ПЭВП, который сочетает высокую морозостойкость и наилучшую стойкость к воздействию нефти.

В качестве материала как нижнего, так и верхнего слоя изоляции или оболочки можно рекомендовать блоксополимер СЭП 02015-302 КМ, у которого высокая морозостойкость, наибольшая температура начала термоокислительной деструкции и доста точно высокая стойкость к воздействию нефти. Эти свойства сочетаются с высокими механическими характеристиками.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Тернер Р.В. Основные процессы переработки полимеров. - М.: Химия, 1972.
  2. Сополимеры этилена с пропиленом. - Л.: Хи мия, 1965.

Обсудить на форуме

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно