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新型電潛泵電纜適用于高含硫作業環境(一)

新型電潛泵電纜適用于高含硫作業環境(一)

現今應用的大多數電潛泵都是通過修井鉆機安裝至管柱上,作為管柱的一部分,為電潛泵提供電源的電纜通常扎在管柱上。上述方法自20世紀30年代第一次電潛泵安裝就開始使用了。

來自 | Saudi Aramco
編譯 | 張毅

20世紀70年以來,逐漸發展出了多種不同的安裝方式。采用替代技術的系統包括電纜懸浮電潛泵系統、內部電纜聯系油管部署電潛泵系統,以及臍帶纜系統。然而每個系統卻都有各自的限制,未能被大范圍推廣?,F有技術的應用限制主要來自于對安全的考慮:難以找到能夠承受腐蝕環境的合適材料、井下電氣接頭的不確定性以及安裝與收回的限制。

依據不同系統的應用經驗,沙特阿拉伯對電潛泵設計重新進行了思考,開發一套能夠長時間應用于含硫環境的新型電潛泵系統。這其中,主要的挑戰之一在于設計出緊湊、抗硫的電纜。所用材料必須足夠堅固,能承受銅線以及電潛泵系統的重力,同時還要能夠抵抗高濃度H2S。電纜自身必須緊湊,最大程度地降低兩端壓差。該技術最終還需要簡便到能夠可靠經濟地實現大規模生產。

電纜設計

初步計劃是征集所有潛在的電纜設計方案,通過審核不同設計的可能性來識別出關鍵的技術障礙。正如預期的那樣,通過電纜部署的電潛泵,其最關鍵的部分就是電纜本身,找到能夠用于H2S含量高達15%氣體空間的材料頗具挑戰性。(此外,材料必須足夠堅固,能夠承受電纜本身重量,同時直徑要小,以盡量降低兩端壓差)。H2S能夠滲透過人造橡膠與熱塑塑料,即使H2S不會直接破壞彈性體本身,也會接觸到導電銅線,對其造成損壞。所以,能夠保證在H2S環境下密封導電銅線,就成為了一個關鍵要求。

第二個主要出發點在于電纜的拉伸與支撐性能。由于材料不同的彈性特征,任何電纜的拉伸都將對電潛泵其他部件造成影響。某些材料在拉長后能夠完全恢復,有些則無法做到。所以對這些不同部件與材料的相互作用就要格外注意。由于部署電纜時會利用牽引的方法,因此還要考慮到拉起電潛泵系統時加載的拉力對電纜各個部件的影響。

設計的第三個關鍵點在于電源/支持電纜的終端,必須滿電氣相關要求,同時適用于高溫、高含硫環境,還要能夠承受整體的重量。

綜上考慮,可行性研究設計專注于三種方案:

1.銅芯線(傳統電纜);
2.非銅芯電線;
3.金屬夾套電纜。

基于設計信息與相關要求,金屬夾套電纜最具優勢。H2S無法滲透,且其尺寸與重量都在合理范圍之內,降低了運輸難度。其選用的材料種類更少,也就簡化了關于不同熱差與不同機械力的考慮,同時也使得電器與機械接頭更加直接。

金屬夾套電纜的制造工藝分為幾步。首先將成卷片材切割成300英尺長的帶材。為了達到生產長度要求,利用在線激光將上述帶材斜焊到一起(斜焊整體強度高于對焊)。在焊接過程中,把電纜全部包裹在金屬夾套內,按需將更小的線圈在線焊接成型。斜焊后,將焊縫打磨至帶材同樣厚度。當長度達到一次縱向焊接的要求長度后,便將其纏繞在大直徑線軸上。完成金屬夾套電纜需要,將帶材以及完成的電潛泵電纜穿過成型線,以將帶材纏繞固定在電纜外圍,然后通過特種激光進行連續縱向焊接。最后,成型管收縮(冷縮)包裹電纜完成制造工藝。

與常規連續油管不同,管材焊接后不能退火和冷加工,因為退火所施加的高溫會傷害內部電纜。而關于未退火材料管狀焊接用作高含硫井的信息又非常有限。

井內工況

根據具體區塊和儲藏,安裝電潛泵的井各自具有不同的流體性質。部分井產層水中的Cl-含量格外高。H2S含量0~15%,CO2含量0~10%,水侵10%~50%,井底溫度最高達220℉。不同的材料解決方案為不同區塊各種H2S含量的工況提供具有經濟效益的選擇。樣品在H2S含量1%、5%和15%的工況下分別測試。

測試

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種井內工況。然而,文獻調查行業標準規范(NACE,API等)的審查發現,關于該新材料能找到的測試歷史或者有利用價值的指導信息卻很少。

Ward等人(2014年)探討了選用非標材料測試中的挑戰,同時介紹了樣品建造以及使用中測試方法。

團隊編寫出了一個潛在所需材料的清單,同時設計了模擬現場井內實際工況的資格測試(模擬使用測試)。團隊選出了三種成功幾率最高的材料分別用于1%、5%和15%的H2S含量。鎳合金UNS N06625適用于高含硫、高氯根、高溫環境,但是價格昂貴;所以另外一種鎳合金UNS N08825被選中參與測試。

與UNS N06625類似,N08825可抗多種腐蝕環境,整體抗拉強度低,這一點可能會使電纜總長度受到限制。同時,團隊還選擇并研究了成本更低、抗腐蝕性稍差的材料,包括高性能奧氏體不銹鋼S34565和雙相不銹鋼S32205。S32205成本不到N08825的一半,S34565成本稍高,約為N08825的75%,但是其抗腐蝕性能理論上也更高,同時相較于S32205,S34565提供了中間抗硫級別的選擇。

選拔測試過程分為環境或化學測試、電氣測試以及機械測試。上述測試包括電纜的抗硫測試、負載測試、彎曲/疲勞測試、電氣完整性測試、熱膨脹與抗剪切能力測試。

測試包括提供高含鎳合金—一種超級奧氏體不銹鋼與一種雙相不銹鋼—均為激光焊接未退火合金—用于5% CO2,300℉,以及不同硫化氫含量的環境。測試程序近似于美國防腐工程師協會的測試,其主要目的在于比較超級奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼與高鎳不銹鋼,硫化氫測試完成后進行電氣、電纜熱膨脹與疲勞測試。

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