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沙特阿美&斯倫貝謝通力合作 ESP壽命倍增不是夢?。ㄉ希?/a>

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在高含H2S和高溫高壓油田,電潛泵的平均運行壽命普遍短于3年。研究表明,約有50%的ESP故障是由封隔器與電機間一段電纜的輸電問題引起的。本文介紹了一個旨在開發一套RPDS系統的項目,試圖將ESP壽命延長到10年。

來自 | SPE
編譯 | 白小明

研究背景介紹

電潛泵(ESP)井下設備的電氣連接可靠性是一個非常重要的課題?,F有記錄表明,海上油田約有50%的電氣故障與封隔器以下ESP的電氣連接有關,其中包括電機擴展引線(The Motor Lead Extension,簡稱MLE),如圖1所示。ESP的惡劣工況通常定義為井下H2S濃度高于5%以及CO2濃度高于5%。在這種條件下,腐蝕情況的發生將會影響設備壽命。但是,根據流體分壓、井底溫度和井生產歷史(基于先前的早期腐蝕記錄)的不同,腐蝕的速度及擴散程度也會有所不同。

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圖1 ESP故障類型

為了解決這一問題,沙特阿美、斯倫貝謝等幾家公司發起了一個聯合研究項目,旨在開發可靠的電力輸送系統(Reliable Power Delivery System,簡稱RPDS),延長惡劣環境下ESP的運行壽命。

RPDS系統描述

相比于常規的MLE配置,RPDS可以提高系統的可靠性。RPDS系統最大的特點是所有主要連接均采用現場可測試的金屬-金屬連接,這就大大減少了高H2S及氣體快速減壓可能引發的潛在故障。本次研究的范圍包括電機前端(以滿足新引線連接器的使用要求)、金屬封裝電纜、封隔器下部的拼接接頭、封隔器適配器和穿越器和ESP電纜連接器的改進。

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圖2 RPDS系統示意圖

新接頭是在經現場驗證的水下技術的基礎上設計的,改進后能夠適應功率要求和結構限制。電機前端配有三個單相接線,電機前端接口與金屬封裝的MLE均采用金屬-金屬密封。采用特殊的絕緣體和電機繞組壓接裝置改進電機的端接,以方便連接單獨的引線。電機前端集成了測試端口,以便在現場組裝過程中可以采用簡單的壓力測試工具來驗證金屬-金屬密封是否正確對接。

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圖3 針對RPDS設計的電機前端

電機引線連接器在加工過程中,引入了一個電子束焊接(Electron Beam Welded,簡稱EBW)的絕緣接觸柱總成,這樣主殼體就無需彈性密封。接觸柱被加工成整體鑄造的聚醚醚酮樹脂(PEEK)總成,其中含有一個金屬環,這個金屬環可以優化電場和最小化應力,也可以幫助最終的EBW過程更容易地進行。連接器本體采用金屬圓錐面密封,可以插入到電機前端的加工剖面內。密封面采用O型密封圈,以便在組裝過程中進行壓力測試。

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圖4 電機引線

引線背面采用雙錐形型砧套圈和壓縮環,與封裝電纜形成金屬-金屬密封。對承留環(retaining ring)施加扭矩使其壓緊套圈,從而實現使用預設扭矩值設置型砧的目的。壓縮環具有內、外O型密封圈,可以進行金屬-金屬密封測試。

全新的MLE的三相線均可采用金屬封裝,且可單獨連接到電機前端。電能通過AWG#4實心導體傳輸,用PEEK材料絕緣,并由含氟聚合物花鍵護套保護。用INCONEL?管(625或825合金,顏色為橙色)替代傳統的護套引線,可以幫助電纜免受快速減壓效應的影響,還能較好地耐H2S腐蝕。

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圖5 金屬-金屬密封/測試端口

圖6中,每個絕緣導體均單獨采用金屬封裝,并且用低糙度的蒙乃爾合金護套將導體套在一起,方便現場操作和組裝。

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圖6 金屬封裝電纜

為了方便系統在現場組裝,封隔器下部采用了“拼接”接頭,該接頭是現場唯一需要端接的組件,在連接電纜的金屬-金屬密封方面,它與電機引線采用了相同的技術,具有相同的特點。無需灌注或充填環氧樹脂,即可在連接器和金屬封裝電纜兩端形成金屬-金屬密封,組裝期間可以進行壓力測試。

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圖7 拼接連接

封隔器穿越器的設計使之可以兼容不同廠家的封隔器,其中的偏心適配器總成可以避免連接在封隔器之上的第一根短節或油管的干擾。穿越器的底部與金屬封裝導體連接,可在庫房提前組裝,并在“拼接”接頭端接、連通及測試后,與“拼接”接頭、封隔器一起運送到現場。穿越器與電機引線具有相同的特征,采用同樣的密封理念。

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圖8 封隔器穿越器

穿越器的上部與ESP電源電纜連接。盡管連接器的這一側只浸沒在完井液中,并不會與鉆井液接觸,但保險起見,連接封隔器穿越器的連接器接口還是采用了金屬-金屬密封。

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圖9 ESP電源電纜連接器

ESP電源電纜連接器采用了水下干連接技術,連接到封隔器穿越器上,該連接器采用了全新的電纜密封和端接套筒,能夠滿足AWG#2主電纜的連接要求。項目實施過程中,研制出了一些特定的組裝工具,并且針對端接和測試編寫了詳細的在現場和基地組裝和操作的步驟。

組件分級測試–金屬封裝MLE

封裝電纜冷彎測試

該測試用于模擬在井場組裝期間,成品的電機引線在滑輪上的彎曲情況。在某些地區,作業溫度可能會低至-40℃,因此先將測試樣品在-40℃的溫度下儲存24小時以上,再進行彎曲測試。測試電纜繞16”的心軸進行5次彎曲試驗,心軸直徑超過42”滑輪的一半,該測試卷軸能夠安裝在冰柜內。即使采用了16”心軸進行測試,但推薦的最小彎曲直徑仍為42”。測試結果顯示,電纜沒有因冷彎而出現損壞,電氣性能也沒有受損,測試合格。

封裝加速高溫老化測試

該測試用來模擬產品在未來10年預期壽命內的材料老化情況,其中,最高溫度為176℃。在216℃的溫度下,按5天、10天、20天、40天和80天的作業時間來進行加速老化測試。阿倫尼斯模型(Arrhenius model)表明,每升高10℃,產品壽命就縮短一半。因此,如果在176℃下預期壽命為10年,則在216℃下預期壽命將降至0.625年(228天)。每進行一組測試,將老化時間加倍,然后將結果繪制在對數坐標上,擬合出最佳的老化曲線,如圖10。

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圖10 加速老化測試

然后將該老化曲線外推至10年,可根據操作電壓得到運行壽命概率。最終結果將是設備在各種工作電壓下工作10年的概率百分比。如下表所示,當工作電壓等于或小于8kV時,運行壽命超過10年的概率為99.99%。

表1 10年運行壽命概率VS工作電壓
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本期是石油圈主要介紹了RPDS系統及其研究背景和進行的各種組分分級測試,下期石油圈將繼續為大家帶來沙特阿美&斯倫貝謝通力合作 ESP壽命倍增不是夢?。ㄏ拢?/a>,其中將主要介紹RPDS系統所進行的工廠系統集成測試和現場試驗,敬請期待!

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白礬
石油圈認證作者
畢業于中國石油大學(華東),油氣井工程碩士,長期聚焦國內外石油行業前沿技術裝備信息,具有數十萬字技術文獻翻譯經驗。
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