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新型電潛泵電纜適用于高含硫作業環境(三)

新型電潛泵電纜適用于高含硫作業環境(三)

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。

負載測試

測試目的

金屬夾套電纜設計在于將傳統電潛泵電纜安裝在夾套內,再對金屬夾套進行焊接固定,焊接工藝在可靠環境下完成以確保焊接質量。電潛泵電纜在焊接前送入夾套內。焊接完成后,夾套與電纜間通過過盈配合固定。負載測試用于確定電纜與夾套間最佳的過盈量,以保證作業過程中兩個部件之間的支持。

測試準備與程序

將幾十英尺長的金屬夾套拉伸至不同直徑,以實現夾套與電纜間不同的過盈量。然后在電纜有負載的情況下對夾套施加約束力,直到其開始移動。多次重復此過程以得出固位力。

測試結果

最終找出最佳的固位力500磅/英尺。這樣就能為電潛泵電纜提高足夠的約束力,同時又不會對其施加多余的應力。

彎折循環/疲勞測試

測試目的

金屬夾套電纜設計,能夠通過使用改裝的連續油管設備來對電潛泵進行安裝。

安裝期間,電纜一直受到低周疲勞的影響,與連續油管類似。彎曲/疲勞測試可用于確定電纜的失效機理以及使用壽命—計劃將電纜重復利用。

測試準備與程序

鎳鉻鐵825管材的兩根8英尺長試樣設置好進行測試,獲得疲勞壽命的基線數據。然后將試樣放置于36in彎曲成型半徑的彎曲裝置內;其它試樣與縱向焊縫走向一致。全部試樣均加載500psi內部壓力。全部試樣均折彎直至失效,失效定義為內部壓力泄除。

測試結果

彎折疲勞測試得出,在測試環境下,電纜平均疲勞壽命為557個周期,也就意味著超過275次安裝和回收。當出現橫紋形小孔時,兩個試樣均失效,均是始于外徑,通過疲勞而擴張。

疲勞測試中測量的外徑與公稱值接近。檢測到的橢圓變形與鼓脹極低—橢圓變形為0.1%~0.4%;鼓脹為0.001”至0.009”。值得注意的是,上述結果顯示,由于825合金管材的低循環疲勞引發了尺寸的改變,在測試環境下,未超過連續油管作業能夠接受的最大值。

通過觀察測試結果發現,部分固體導體與絕緣皮被替代,這可能是由于測試中電纜被彎折,導致其內部移動而造成的。

未發生小孔相關的金屬材料異常。但觀察到更多的外部以及內部疲勞開裂,對于疲勞測試來說,這是正常情況,一旦達到最大疲勞壽命,就會在多個部分發生疲勞開裂。

電氣完整性與電纜熱生長測試

測試目的

井下溫度遠高于金屬夾套電纜制造時的溫度。電氣測試設計用于驗證電纜在上述高溫下的電氣性能,電纜的熱循環同時用于驗證系統的熱生長。

測試準備與程序

準備一根長8英尺的電纜式樣,測試更高溫度下的電氣性能。試樣內每根導線之間以及導線與地面之間都用萬用表進行電阻測試,然后加溫至30℉,測試重復5次后比較結果。熱循環后檢測是否發生變化,然后針對電纜的單個部件進行詳細檢查。

備好一個10in試樣,用于熱生長試驗,進而測量電纜與導線在50℉、150℉與300℉下的增長。

測試結果

更高溫度下電氣性能測試的結果確認,導線之間以及導體與地面之間的電阻均無下降,全部測試中,電阻均超過11京歐。對鎧裝、彈性電纜皮與導線絕緣進行詳細分析,未觀察到任何損傷。

熱生長測試結果確認,熱生長在材料熱脹預期系數(CoE)內。825合金參考數據測量得到,CoE在-6.5%~0.6%之間。

剪切測試

測試目的

現場安裝或回收時,如果發生井控事故,則必須立刻激活防噴器,以避免烴類物質泄漏。在上述情況下,應使用防噴器切割電纜。進行剪切測試的目的在于,確保防噴器能夠按照設計完成剪切。

測試準備與程序

剪切閘板/密封防噴器閘板上部充滿水。將一段金屬夾套電纜試樣安裝在BOP內。激活剪切閘板用于切斷電纜,記錄切斷需要的力和時間。切斷時間要短,以盡量降低烴類的泄漏。電纜割斷后,對防噴器試壓,包括200~300psi的低壓測試與15,000psi的高壓測試。

測試結果

防噴器剪切閘板的激活快速切斷了電纜,在30秒內干凈地將電纜切為兩段。后續的水壓測試在150psi與15,000psi下都取得了成功。對剪切閥板與電纜的檢查發現,切割很整潔,且剪切閘板無損壞。

結論

嚴格的評價與測試程序,最終成功開發出新型電潛泵,其不但能夠用于高含硫環境,電潛泵本身的安裝與作業效率也得到了提升。相比于傳統鉆機安裝的電潛泵系統,金屬夾套電纜系統改善了安裝與回收的安全性,降低了作業風險。

研究發現,一種激光焊接非退火的825合金能夠滿足抗硫和抗氯化物的標準。金屬夾套電纜可同時滿足物理和電器要求,包括電纜的支撐力與抓力、彎折疲勞、電纜剪切與電氣連續性及電阻。

低含硫環境下,相對低成本材料測試失敗,將繼續尋找并測試新材料。目前正在研發一種替代材料,收集測試參數,去模擬非極端井下工況,希望能夠找到滿足所需機械強度和抗腐蝕性能要求的低價電纜材料。

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