潛油電泵井下電纜擊穿原因分析

李凌宇，魏舒，柳海嘯，張寶青，李亦白

(1.中海石油(中國)有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300459；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

在中國石油開采領(lǐng)域，潛油電泵是其中不可或缺的重要采油設(shè)備。隨著潛油電泵技術(shù)的不斷發(fā)展，其在中國油田開采中的作用日益突出。眾所周知，井下環(huán)境不僅潮濕，而且存在嚴(yán)重的腐蝕問題，隨著潛油電泵工作年限的增加，與其連接的井下電纜的擊穿問題發(fā)生概率將會(huì)顯著提升，一旦出現(xiàn)擊穿問題，則會(huì)對(duì)潛油電泵的工作安全性造成直接影響。因此，為了解決潛油電泵井下電纜擊穿問題，除了要嚴(yán)格要求井下電纜的絕緣性外，還應(yīng)對(duì)擊穿問題發(fā)生原因進(jìn)行深入分析，從而降低擊穿問題發(fā)生概率，對(duì)提升井下開采安全與效率具有重要作用。

1 潛油電泵井下電纜的作用

在潛油電泵工作前，工作人員需要將井下電纜與潛油電泵進(jìn)行連接，井下電纜不僅可以為潛油電泵提供持續(xù)的電能，而且還可以與地面上的電氣控制柜進(jìn)行連接，從而完成電氣信號(hào)的傳輸工作，保證潛油電泵可以正常在井下工作。但是，在油田開采作業(yè)中，井下的環(huán)境十分復(fù)雜，隨著開采作業(yè)的進(jìn)行，井下溫度會(huì)持續(xù)上升，加之油氣資源本身存在的腐蝕性，井下電纜的工作條件相當(dāng)惡劣。因此，為了增強(qiáng)井下電纜的抗腐蝕、耐高溫能力，需要對(duì)井下電纜予以嚴(yán)格要求，保證其工作質(zhì)量符合井下工作的需要。

2 潛油電泵井下電纜的結(jié)構(gòu)

通常來說，潛油電泵需要在油井內(nèi)部工作，為了更好地保護(hù)井下電纜，井下電纜需要放置在油井套管當(dāng)中。由于油管與套管之間的空間有限，為了使井下電纜可以在套管中妥善安放，需要在制造井下電纜時(shí)，對(duì)其規(guī)格尺寸以及形狀進(jìn)行嚴(yán)格限制。一般來說，扁形與圓形是潛油電泵井下電纜最常見的形式。如果套管直徑在140 mm左右，則可將扁形井下電纜放置在套管中，從而解決井下電纜與套管之間間隙比較小的問題。此外，對(duì)于圓形井下電纜而言，其大多應(yīng)用在不適用扁形電纜的場合。在井下電纜結(jié)構(gòu)中，其由許多部分構(gòu)成，例如，導(dǎo)體、絕緣保護(hù)層以及護(hù)套保護(hù)層等均是井下電纜結(jié)構(gòu)中不可或缺的部件。電纜中負(fù)責(zé)電力資源傳輸?shù)牟糠譃閷?dǎo)體，其由無氧銅桿通過拉伸作用制成。為了防止聚丙烯與銅導(dǎo)線之間出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，在制作井下電纜過程中，需要采用鍍錫處理方式，使導(dǎo)體與聚丙烯材料之間形成隔離作用[1]。根據(jù)井下電纜使用場合的區(qū)別，絞線可選用多股或單股形式。研究表明，井下電纜的耐高溫性能好壞，與絕緣保護(hù)層的材料以及制造方式有很大關(guān)系。絕緣保護(hù)層大多由高分子材料制造，而與其他材料相比，高分子材料擁有更加穩(wěn)定的物理與化學(xué)特性。聚丙烯以及三元乙丙橡膠是最常見的高分子材料，并且可以承受很高的環(huán)境溫度，屬于潛油電泵電纜材質(zhì)最佳的選擇之一。與此同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了進(jìn)一步強(qiáng)化潛油電泵井下電纜的絕緣特性，除了可以將絕緣層厚度從標(biāo)準(zhǔn)的1.9 mm增加到2.3 mm外，還可將粘結(jié)劑涂抹在絕緣層與導(dǎo)體之間，使絕緣材料與導(dǎo)體之間形成良好的剝離作用，防止電纜中進(jìn)入井中氣體，增強(qiáng)絕緣效果，有助于延長井下電纜的使用壽命，降低電纜腐蝕程度，給予潛油電泵更好的保護(hù)作用[2]。

3 潛油電泵井下電纜擊穿原因

潛油電泵井下電纜擊穿問題的出現(xiàn)，與其老化、磨損有直接關(guān)聯(lián)。研究表明，化學(xué)因素、溫度因素 以及機(jī)械因素是引發(fā)擊穿問題的直接原因。

3.1 化學(xué)因素

在潛油電泵工作過程中，井下電纜隨著使用時(shí)間的增加，其絕緣層會(huì)因?yàn)榛瘜W(xué)因素作用而出現(xiàn)一系列問題，具體為：(1)在井下作業(yè)期間，由于其自身質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致腐蝕程度加劇，從而對(duì)絕緣層造成破壞；(2)于井下作業(yè)的壓力比較大，隨著溫度的不斷變化，將會(huì)使絕緣層的腐蝕程度不斷加劇，使得絕緣層出現(xiàn)程度不等的損壞；(3)井下氣體的腐蝕性比較強(qiáng)烈，如果絕緣層外部出現(xiàn)損壞，將會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)腐蝕氣體進(jìn)入導(dǎo)體與絕緣層之間的空隙，加快絕緣層的腐蝕速度。

3.2 溫度因素

在油田開采階段，隨著開采活動(dòng)的繼續(xù)，井下溫度會(huì)保持高溫狀態(tài)，最高可接近130 ℃左右，井下電纜絕緣層在此高溫環(huán)境下，將會(huì)加快老化速度，影響絕緣效果。當(dāng)前，絕緣層材料大多以聚丙烯為主，確保在75 ℃條件下電纜可以正常使用。如果井下溫度大于75 ℃，隨著使用時(shí)間的增加，則會(huì)導(dǎo)致開裂問題在絕緣層表面出現(xiàn)，影響絕緣層的絕緣效果。在啟動(dòng)潛油電泵瞬間，電纜中的電流會(huì)處于峰值狀態(tài)，并且最大值可能是潛油電泵額定電流的六倍左右。如果啟停潛油電泵比較頻繁，同樣也會(huì)加劇絕緣層的老化速度，引發(fā)擊穿問題[3]。此外，在使用潛油電泵時(shí)，油井的負(fù)載會(huì)處于動(dòng)態(tài)變化的區(qū)間，在此情況下，絕緣層的疲勞程度會(huì)進(jìn)一步加劇，從而會(huì)損壞絕緣層的整體性，最終導(dǎo)致絕緣層的絕緣效果無法充分發(fā)揮，為擊穿問題出現(xiàn)埋下隱患。

3.3 機(jī)械因素

在運(yùn)輸井下電纜時(shí)，由于存在外部作用力的作用，井下電纜本體結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)程度的損壞，從而使得絕緣層的作用得不到發(fā)揮，甚至?xí)l(fā)失效問題。此外，在安裝潛油電泵時(shí)，由于安裝人員的疏忽，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)械損傷在井下電纜結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)，為井下電纜后期安全使用埋下隱患。最后，在潛油電泵工作期間，其會(huì)出現(xiàn)程度不等的振動(dòng)現(xiàn)象，在振動(dòng)作用的影響下，井下電纜同樣會(huì)出現(xiàn)機(jī)械損傷問題，從而會(huì)誘發(fā)擊穿問題。

4 電纜絕緣被擊穿的過程

在對(duì)擊穿問題進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，潛油電泵井下電纜擊穿問題大多有兩類因素構(gòu)成，即熱擊穿與電擊穿。隨著電纜工作時(shí)間增加，加之井下環(huán)境溫度過高，在過熱以及放電等因素的作用下，電纜絕緣層會(huì)出現(xiàn)程度不等的損壞，引發(fā)擊穿問題。另外，盡管可通過科學(xué)手段控制井下電纜的電壓，但是由于井下工作環(huán)境復(fù)雜，擊穿現(xiàn)象仍然會(huì)頻繁在潛油電泵井下電纜中出現(xiàn)，威脅潛油電泵的正常工作[4]。具體來說：(1)電擊穿。與熱擊穿現(xiàn)象相比，電擊穿現(xiàn)象往往很難被直接發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓瞬時(shí)增加時(shí)容易引發(fā)電擊穿問題。當(dāng)電壓瞬時(shí)升高后，絕緣層的薄弱部位難以承受瞬間的高電壓，并且會(huì)產(chǎn)生無法快速釋放的高溫，在高溫與瞬時(shí)高電壓的作用下，使得井下電纜出現(xiàn)電擊穿現(xiàn)象；(2)熱擊穿。對(duì)于絕大部分的絕緣材料而言，其可以承受的溫度相對(duì)有限，隨著井下電纜工作溫度的不斷變化，當(dāng)溫度達(dá)到一定臨界點(diǎn)后，井下電纜絕緣材料會(huì)在高溫作用下而導(dǎo)致其化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而引發(fā)熱擊穿問題。

5 降低潛油電泵井下電纜擊穿概率的措施

為了降低潛油電泵井下電纜擊穿事故出現(xiàn)的幾率，需要做好以下工作：(1)在存放潛油電泵井下電纜時(shí)，注意不得對(duì)其放置在露天，并要在吊裝、運(yùn)輸過程中對(duì)電纜實(shí)施妥善的保護(hù)措施，防止電纜外部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞問題；(2)在安裝潛油電泵井下電纜時(shí)，安裝人員除了要遵守HSE規(guī)定外，還應(yīng)在安裝前做好充分的準(zhǔn)備工作，了解井下電纜的安放位置與安裝走向，提升井下電纜的安裝效率；(3)在安裝井下電纜時(shí)，采油井口與滑輪應(yīng)放置在一個(gè)平面內(nèi)，在下放電纜過程中注意對(duì)滑輪的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，防止卡滯現(xiàn)象發(fā)生；(4)在下放井下電纜前，組織專人檢查電纜絕緣層是否完好，并對(duì)絕緣性能實(shí)施必要的測試，測試人員應(yīng)對(duì)最終的測試結(jié)果進(jìn)行記錄、存檔，同時(shí)檢查電纜外觀是否完好；(5)在完成潛油電泵的組裝工作后，可根據(jù)套管情況選取合適的井下電纜接頭，并將電纜接頭與潛油電泵連接為一個(gè)整體，安裝人員應(yīng)對(duì)連接位置使用防護(hù)罩進(jìn)行密封處理；(6)安裝人員將潛油電泵下放到油井中，下放時(shí)應(yīng)控制潛油電泵的下放速度，不得速度太快，并在下放時(shí)對(duì)井下電纜實(shí)施必要的保護(hù)，以“輕提慢放”為原則將潛油電泵下放到要求位置，防止電纜在下放時(shí)出現(xiàn)損壞問題[5]；(7)做好絕緣層的監(jiān)測工作，并且井下電纜的規(guī)格應(yīng)滿足潛油電泵的工作需要，防止載荷超出井下電纜的承受區(qū)間；(8)監(jiān)測井下油液的溫度，并以此為基礎(chǔ)選取合適的井下電纜絕緣等級(jí)以及潛油電泵型號(hào)，避免潛油電泵負(fù)荷過大，增加井下電纜的工作負(fù)載；(9)以實(shí)際油井開采需求為基礎(chǔ)，合理調(diào)整地面控制柜的保護(hù)設(shè)定值，不得頻繁啟停潛油電泵，或者不得隨意增加潛油電泵工作負(fù)荷，降低擊穿問題在井下電纜中出現(xiàn)的幾率。

6 結(jié)語

在油田生產(chǎn)過程中，潛油電泵的作用不言而喻。因此，為了保證潛油電泵可以正常工作，除了要選取合適的井下電纜外，還要采取措施降低擊穿問題在井下電纜中出現(xiàn)的幾率，充分落實(shí)各項(xiàng)保護(hù)措施，加強(qiáng)對(duì)井下電纜絕緣層的監(jiān)測力度，以規(guī)范、安全為準(zhǔn)則做好相關(guān)工作，規(guī)范潛油電泵的日常操作，防止擊穿現(xiàn)象出現(xiàn)在潛油電泵井下電纜工作期間，對(duì)促進(jìn)中國油田安全生產(chǎn)具有重要意義。