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新型电潜泵电缆适用于高含硫作业环境(一)

新型电潜泵电缆适用于高含硫作业环境(一)

现今应用的大多数电潜泵都是通过修井钻机安装至管柱上,作为管柱的一部分,为电潜泵提供电源的电缆通常扎在管柱上。上述方法自20世纪30年代第一次电潜泵安装就开始使用了。

来自 | Saudi Aramco
编译 | 张毅

20世纪70年以来,逐渐发展出了多种不同的安装方式。采用替代技术的系统包括电缆悬浮电潜泵系统、内部电缆联系油管部署电潜泵系统,以及脐带缆系统。然而每个系统却都有各自的限制,未能被大范围推广。现有技术的应用限制主要来自于对安全的考虑:难以找到能够承受腐蚀环境的合适材料、井下电气接头的不确定性以及安装与收回的限制。

依据不同系统的应用经验,沙特阿拉伯对电潜泵设计重新进行了思考,开发一套能够长时间应用于含硫环境的新型电潜泵系统。这其中,主要的挑战之一在于设计出紧凑、抗硫的电缆。所用材料必须足够坚固,能承受铜线以及电潜泵系统的重力,同时还要能够抵抗高浓度H2S。电缆自身必须紧凑,最大程度地降低两端压差。该技术最终还需要简便到能够可靠经济地实现大规模生产。

电缆设计

初步计划是征集所有潜在的电缆设计方案,通过审核不同设计的可能性来识别出关键的技术障碍。正如预期的那样,通过电缆部署的电潜泵,其最关键的部分就是电缆本身,找到能够用于H2S含量高达15%气体空间的材料颇具挑战性。(此外,材料必须足够坚固,能够承受电缆本身重量,同时直径要小,以尽量降低两端压差)。H2S能够渗透过人造橡胶与热塑塑料,即使H2S不会直接破坏弹性体本身,也会接触到导电铜线,对其造成损坏。所以,能够保证在H2S环境下密封导电铜线,就成为了一个关键要求。

第二个主要出发点在于电缆的拉伸与支撑性能。由于材料不同的弹性特征,任何电缆的拉伸都将对电潜泵其他部件造成影响。某些材料在拉长后能够完全恢复,有些则无法做到。所以对这些不同部件与材料的相互作用就要格外注意。由于部署电缆时会利用牵引的方法,因此还要考虑到拉起电潜泵系统时加载的拉力对电缆各个部件的影响。

设计的第三个关键点在于电源/支持电缆的终端,必须满电气相关要求,同时适用于高温、高含硫环境,还要能够承受整体的重量。

综上考虑,可行性研究设计专注于三种方案:

1.铜芯线(传统电缆);
2.非铜芯电线;
3.金属夹套电缆。

基于设计信息与相关要求,金属夹套电缆最具优势。H2S无法渗透,且其尺寸与重量都在合理范围之内,降低了运输难度。其选用的材料种类更少,也就简化了关于不同热差与不同机械力的考虑,同时也使得电器与机械接头更加直接。

金属夹套电缆的制造工艺分为几步。首先将成卷片材切割成300英尺长的带材。为了达到生产长度要求,利用在线激光将上述带材斜焊到一起(斜焊整体强度高于对焊)。在焊接过程中,把电缆全部包裹在金属夹套内,按需将更小的线圈在线焊接成型。斜焊后,将焊缝打磨至带材同样厚度。当长度达到一次纵向焊接的要求长度后,便将其缠绕在大直径线轴上。完成金属夹套电缆需要,将带材以及完成的电潜泵电缆穿过成型线,以将带材缠绕固定在电缆外围,然后通过特种激光进行连续纵向焊接。最后,成型管收缩(冷缩)包裹电缆完成制造工艺。

与常规连续油管不同,管材焊接后不能退火和冷加工,因为退火所施加的高温会伤害内部电缆。而关于未退火材料管状焊接用作高含硫井的信息又非常有限。

井内工况

根据具体区块和储藏,安装电潜泵的井各自具有不同的流体性质。部分井产层水中的Cl-含量格外高。H2S含量0~15%,CO2含量0~10%,水侵10%~50%,井底温度最高达220℉。不同的材料解决方案为不同区块各种H2S含量的工况提供具有经济效益的选择。样品在H2S含量1%、5%和15%的工况下分别测试。

测试

首先收集了新型未退火激光焊接合金的信息,包括低含硫到高含硫的各种井内工况。然而,文献调查行业标准规范(NACE,API等)的审查发现,关于该新材料能找到的测试历史或者有利用价值的指导信息却很少。

Ward等人(2014年)探讨了选用非标材料测试中的挑战,同时介绍了样品建造以及使用中测试方法。

团队编写出了一个潜在所需材料的清单,同时设计了模拟现场井内实际工况的资格测试(模拟使用测试)。团队选出了三种成功几率最高的材料分别用于1%、5%和15%的H2S含量。镍合金UNS N06625适用于高含硫、高氯根、高温环境,但是价格昂贵;所以另外一种镍合金UNS N08825被选中参与测试。

与UNS N06625类似,N08825可抗多种腐蚀环境,整体抗拉强度低,这一点可能会使电缆总长度受到限制。同时,团队还选择并研究了成本更低、抗腐蚀性稍差的材料,包括高性能奥氏体不锈钢S34565和双相不锈钢S32205。S32205成本不到N08825的一半,S34565成本稍高,约为N08825的75%,但是其抗腐蚀性能理论上也更高,同时相较于S32205,S34565提供了中间抗硫级别的选择。

选拔测试过程分为环境或化学测试、电气测试以及机械测试。上述测试包括电缆的抗硫测试、负载测试、弯曲/疲劳测试、电气完整性测试、热膨胀与抗剪切能力测试。

测试包括提供高含镍合金—一种超级奥氏体不锈钢与一种双相不锈钢—均为激光焊接未退火合金—用于5% CO2,300℉,以及不同硫化氢含量的环境。测试程序近似于美国防腐工程师协会的测试,其主要目的在于比较超级奥氏体不锈钢、双相不锈钢与高镍不锈钢,硫化氢测试完成后进行电气、电缆热膨胀与疲劳测试。

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