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新型電潛泵電纜適用于高含硫作業環境(二)

新型電潛泵電纜適用于高含硫作業環境(二)

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。

材料遴選

三種材料依據機械性能、有限元分析結果、疲勞測試、分層涂層法及成條形能力結果選出。選用的合金必須滿足屈服強度要求,以實現對電纜與電潛泵管柱的支撐。他們必須同時具備出色的抗硫能力。

非標準美國防腐工程師協會

合金材料經測試選出,然而并不是標準美國防腐工程師協會材料,因為焊接過程未進行退火。而這正是進行大量、昂貴認證測試的主因。生產電纜的工藝包括,將一開始的帶材慢慢成型至管狀,再把鎧裝電纜裝入尚未焊接的管狀金屬內,再進行焊接。

硫化氫測試

硫化氫測試有助于選出下一步進行機械與電氣測試的潛在材料。測試步驟如下。

測試目的

硫化氫測試的目的在于評價不同防腐合金測試樣品在未退火激光焊接條件下的腐蝕情況。焊接樣為縱向焊縫,用于代表管狀斜焊成品的焊接形式。由于最終的成本一定是“焊接”和“冷加工”的狀態,因此未進行退火處理地硫化氫應力腐蝕開裂是個需要注意的問題。

由于最終成品一定要為“焊接狀態”以及“冷加工”,其中一個顧慮在于未進行退火處理的硫化氫應力腐蝕開裂。腐蝕測試用于評價不同合金材料,以確保依據井內工況選擇合適等級的材料。

測試準備與程序

硫化氫測試選擇的合金為:UNS N08825(825)— 鎳合金, UNS S32205(2205)—UNS S34565(4565)—雙相不銹鋼以及UNS S34565(4565)奧氏體不銹鋼。掛片樣品模仿實際未退火條件,包括縱向與橫向兩種焊縫。然后通過彎曲樣品,對其加載比情況更大的應力。

測試掛片焊接完成后,被彎曲繞在心軸上,再鉆孔,安裝螺栓,對其施加應力。鈦合金螺栓按照計算好的應力上緊,加載應力大于實際工況水平。然而用生膠帶包裹鈦合金螺栓與測試掛片的接觸點,以避免在螺栓與掛片間發生電解腐蝕。測試前獲取了金屬母材與焊縫部分的的顯微硬度值,三次掛片厚度測試前均進行了此項工作。

四種不同的反應釜—測試容器—設置完成用作掛片測試。其中三個反應釜內硫化氫含量分別為1%、5%和15%,用作2205與4565合金的30天測試;第四個反應釜硫化氫含量15%,計劃用作825合金的90天測試。四個反應釜的其他測試參數一致:150,000mg/l的氯,5%的CO2,300psi的壓力與275℉(135℃)的溫度。因為對825合金通過所有測試最有信心,所以選擇對其進行90天測試。825測試樣由U型樣片與包括縱向與斜焊的管材。每種合金的三種樣品都裝入各個反應釜測試容器內,以提供多個測試點的確認。

在測試完成后,拆除測試樣片,進行測試后的評價。測試后的評價包括外觀檢查與著色探傷,最后進行顯微檢驗,對比金屬母體與焊縫測試前后的顯微硬度值。

測試結果

實驗室報告稱,全部2205試樣上均能通過目測觀察到裂紋。該合金的全部9個試樣(1%、5%和15%硫化氫濃度各三個)返回進行進一步檢測。檢測評價指出裂縫發生在焊縫區域,但在顯微檢驗中卻未發現焊接缺陷,且在不同反應釜內的樣品中,裂縫出現的頻率與深度并沒有太大差異。

實驗室報告稱,其它合金的測試結果也很相似,全部4565U型彎曲試樣外觀檢測均能觀察到裂縫。該合金的全部9個試樣(1%、5%和15%硫化氫濃度各三個)返回進行進一步檢測。檢測評價指出裂縫發生在金屬母體上。在不同反應釜內的樣品中裂縫出現的頻率與深度并沒有太大差異。

根據實驗室報告,全部825U型彎曲試樣與825管狀試樣通過染色滲透檢測與外觀檢測均未發現裂縫”

依據反應釜內的測試,初步認定825合金能夠用于15%硫化氫濃度的環境。其它兩類合金2205和4565,根據測試結果顯示不適合該工況。

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