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新型电潜泵电缆适用于高含硫作业环境(二)

新型电潜泵电缆适用于高含硫作业环境(二)

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。

材料遴选

三种材料依据机械性能、有限元分析结果、疲劳测试、分层涂层法及成条形能力结果选出。选用的合金必须满足屈服强度要求,以实现对电缆与电潜泵管柱的支撑。他们必须同时具备出色的抗硫能力。

非标准美国防腐工程师协会

合金材料经测试选出,然而并不是标准美国防腐工程师协会材料,因为焊接过程未进行退火。而这正是进行大量、昂贵认证测试的主因。生产电缆的工艺包括,将一开始的带材慢慢成型至管状,再把铠装电缆装入尚未焊接的管状金属内,再进行焊接。

硫化氢测试

硫化氢测试有助于选出下一步进行机械与电气测试的潜在材料。测试步骤如下。

测试目的

硫化氢测试的目的在于评价不同防腐合金测试样品在未退火激光焊接条件下的腐蚀情况。焊接样为纵向焊缝,用于代表管状斜焊成品的焊接形式。由于最终的成本一定是“焊接”和“冷加工”的状态,因此未进行退火处理地硫化氢应力腐蚀开裂是个需要注意的问题。

由于最终成品一定要为“焊接状态”以及“冷加工”,其中一个顾虑在于未进行退火处理的硫化氢应力腐蚀开裂。腐蚀测试用于评价不同合金材料,以确保依据井内工况选择合适等级的材料。

测试准备与程序

硫化氢测试选择的合金为:UNS N08825(825)— 镍合金, UNS S32205(2205)—UNS S34565(4565)—双相不锈钢以及UNS S34565(4565)奥氏体不锈钢。挂片样品模仿实际未退火条件,包括纵向与横向两种焊缝。然后通过弯曲样品,对其加载比情况更大的应力。

测试挂片焊接完成后,被弯曲绕在心轴上,再钻孔,安装螺栓,对其施加应力。钛合金螺栓按照计算好的应力上紧,加载应力大于实际工况水平。然而用生胶带包裹钛合金螺栓与测试挂片的接触点,以避免在螺栓与挂片间发生电解腐蚀。测试前获取了金属母材与焊缝部分的的显微硬度值,三次挂片厚度测试前均进行了此项工作。

四种不同的反应釜—测试容器—设置完成用作挂片测试。其中三个反应釜内硫化氢含量分别为1%、5%和15%,用作2205与4565合金的30天测试;第四个反应釜硫化氢含量15%,计划用作825合金的90天测试。四个反应釜的其他测试参数一致:150,000mg/l的氯,5%的CO2,300psi的压力与275℉(135℃)的温度。因为对825合金通过所有测试最有信心,所以选择对其进行90天测试。825测试样由U型样片与包括纵向与斜焊的管材。每种合金的三种样品都装入各个反应釜测试容器内,以提供多个测试点的确认。

在测试完成后,拆除测试样片,进行测试后的评价。测试后的评价包括外观检查与着色探伤,最后进行显微检验,对比金属母体与焊缝测试前后的显微硬度值。

测试结果

实验室报告称,全部2205试样上均能通过目测观察到裂纹。该合金的全部9个试样(1%、5%和15%硫化氢浓度各三个)返回进行进一步检测。检测评价指出裂缝发生在焊缝区域,但在显微检验中却未发现焊接缺陷,且在不同反应釜内的样品中,裂缝出现的频率与深度并没有太大差异。

实验室报告称,其它合金的测试结果也很相似,全部4565U型弯曲试样外观检测均能观察到裂缝。该合金的全部9个试样(1%、5%和15%硫化氢浓度各三个)返回进行进一步检测。检测评价指出裂缝发生在金属母体上。在不同反应釜内的样品中裂缝出现的频率与深度并没有太大差异。

根据实验室报告,全部825U型弯曲试样与825管状试样通过染色渗透检测与外观检测均未发现裂缝”

依据反应釜内的测试,初步认定825合金能够用于15%硫化氢浓度的环境。其它两类合金2205和4565,根据测试结果显示不适合该工况。

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