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沙特阿美&斯伦贝谢通力合作 ESP寿命倍增不是梦!(上)

沙特阿美&斯伦贝谢通力合作 ESP寿命倍增不是梦!(上)

在高含H2S和高温高压油田,电潜泵的平均运行寿命普遍短于3年。研究表明,约有50%的ESP故障是由封隔器与电机间一段电缆的输电问题引起的。本文介绍了一个旨在开发一套RPDS系统的项目,试图将ESP寿命延长到10年。

来自 | SPE
编译 | 白小明

研究背景介绍

电潜泵(ESP)井下设备的电气连接可靠性是一个非常重要的课题。现有记录表明,海上油田约有50%的电气故障与封隔器以下ESP的电气连接有关,其中包括电机扩展引线(The Motor Lead Extension,简称MLE),如图1所示。ESP的恶劣工况通常定义为井下H2S浓度高于5%以及CO2浓度高于5%。在这种条件下,腐蚀情况的发生将会影响设备寿命。但是,根据流体分压、井底温度和井生产历史(基于先前的早期腐蚀记录)的不同,腐蚀的速度及扩散程度也会有所不同。

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图1 ESP故障类型

为了解决这一问题,沙特阿美、斯伦贝谢等几家公司发起了一个联合研究项目,旨在开发可靠的电力输送系统(Reliable Power Delivery System,简称RPDS),延长恶劣环境下ESP的运行寿命。

RPDS系统描述

相比于常规的MLE配置,RPDS可以提高系统的可靠性。RPDS系统最大的特点是所有主要连接均采用现场可测试的金属-金属连接,这就大大减少了高H2S及气体快速减压可能引发的潜在故障。本次研究的范围包括电机前端(以满足新引线连接器的使用要求)、金属封装电缆、封隔器下部的拼接接头、封隔器适配器和穿越器和ESP电缆连接器的改进。

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图2 RPDS系统示意图

新接头是在经现场验证的水下技术的基础上设计的,改进后能够适应功率要求和结构限制。电机前端配有三个单相接线,电机前端接口与金属封装的MLE均采用金属-金属密封。采用特殊的绝缘体和电机绕组压接装置改进电机的端接,以方便连接单独的引线。电机前端集成了测试端口,以便在现场组装过程中可以采用简单的压力测试工具来验证金属-金属密封是否正确对接。

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图3 针对RPDS设计的电机前端

电机引线连接器在加工过程中,引入了一个电子束焊接(Electron Beam Welded,简称EBW)的绝缘接触柱总成,这样主壳体就无需弹性密封。接触柱被加工成整体铸造的聚醚醚酮树脂(PEEK)总成,其中含有一个金属环,这个金属环可以优化电场和最小化应力,也可以帮助最终的EBW过程更容易地进行。连接器本体采用金属圆锥面密封,可以插入到电机前端的加工剖面内。密封面采用O型密封圈,以便在组装过程中进行压力测试。

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图4 电机引线

引线背面采用双锥形型砧套圈和压缩环,与封装电缆形成金属-金属密封。对承留环(retaining ring)施加扭矩使其压紧套圈,从而实现使用预设扭矩值设置型砧的目的。压缩环具有内、外O型密封圈,可以进行金属-金属密封测试。

全新的MLE的三相线均可采用金属封装,且可单独连接到电机前端。电能通过AWG#4实心导体传输,用PEEK材料绝缘,并由含氟聚合物花键护套保护。用INCONEL®管(625或825合金,颜色为橙色)替代传统的护套引线,可以帮助电缆免受快速减压效应的影响,还能较好地耐H2S腐蚀。

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图5 金属-金属密封/测试端口

图6中,每个绝缘导体均单独采用金属封装,并且用低糙度的蒙乃尔合金护套将导体套在一起,方便现场操作和组装。

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图6 金属封装电缆

为了方便系统在现场组装,封隔器下部采用了“拼接”接头,该接头是现场唯一需要端接的组件,在连接电缆的金属-金属密封方面,它与电机引线采用了相同的技术,具有相同的特点。无需灌注或充填环氧树脂,即可在连接器和金属封装电缆两端形成金属-金属密封,组装期间可以进行压力测试。

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图7 拼接连接

封隔器穿越器的设计使之可以兼容不同厂家的封隔器,其中的偏心适配器总成可以避免连接在封隔器之上的第一根短节或油管的干扰。穿越器的底部与金属封装导体连接,可在库房提前组装,并在“拼接”接头端接、连通及测试后,与“拼接”接头、封隔器一起运送到现场。穿越器与电机引线具有相同的特征,采用同样的密封理念。

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图8 封隔器穿越器

穿越器的上部与ESP电源电缆连接。尽管连接器的这一侧只浸没在完井液中,并不会与钻井液接触,但保险起见,连接封隔器穿越器的连接器接口还是采用了金属-金属密封。

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图9 ESP电源电缆连接器

ESP电源电缆连接器采用了水下干连接技术,连接到封隔器穿越器上,该连接器采用了全新的电缆密封和端接套筒,能够满足AWG#2主电缆的连接要求。项目实施过程中,研制出了一些特定的组装工具,并且针对端接和测试编写了详细的在现场和基地组装和操作的步骤。

组件分级测试–金属封装MLE

封装电缆冷弯测试

该测试用于模拟在井场组装期间,成品的电机引线在滑轮上的弯曲情况。在某些地区,作业温度可能会低至-40℃,因此先将测试样品在-40℃的温度下储存24小时以上,再进行弯曲测试。测试电缆绕16”的心轴进行5次弯曲试验,心轴直径超过42”滑轮的一半,该测试卷轴能够安装在冰柜内。即使采用了16”心轴进行测试,但推荐的最小弯曲直径仍为42”。测试结果显示,电缆没有因冷弯而出现损坏,电气性能也没有受损,测试合格。

封装加速高温老化测试

该测试用来模拟产品在未来10年预期寿命内的材料老化情况,其中,最高温度为176℃。在216℃的温度下,按5天、10天、20天、40天和80天的作业时间来进行加速老化测试。阿伦尼斯模型(Arrhenius model)表明,每升高10℃,产品寿命就缩短一半。因此,如果在176℃下预期寿命为10年,则在216℃下预期寿命将降至0.625年(228天)。每进行一组测试,将老化时间加倍,然后将结果绘制在对数坐标上,拟合出最佳的老化曲线,如图10。

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图10 加速老化测试

然后将该老化曲线外推至10年,可根据操作电压得到运行寿命概率。最终结果将是设备在各种工作电压下工作10年的概率百分比。如下表所示,当工作电压等于或小于8kV时,运行寿命超过10年的概率为99.99%。

表1 10年运行寿命概率VS工作电压
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本期是石油圈主要介绍了RPDS系统及其研究背景和进行的各种组分分级测试,下期石油圈将继续为大家带来沙特阿美&斯伦贝谢通力合作 ESP寿命倍增不是梦!(下),其中将主要介绍RPDS系统所进行的工厂系统集成测试和现场试验,敬请期待!

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白矾
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(华东),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。