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

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.

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

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.