淺析潛油電泵井下電纜擊穿原因

李晶

（大慶油田力神泵業有限公司，黑龍江 大慶 163000）

潛油電泵采油技術是對于高產油井進行采油的主要技術之一，于20世紀60、70年代引入并進行大范圍推廣，當前已作為主要的人工舉升采油設備。潛油電泵配套的井下電纜是潛油電泵機組系統中關鍵的構成單元，可以把地面之上的電能傳送到井下的潛油電機之中，目前在重點的油井以及海上油井中多應用國外進口的電纜。而潛油電泵機組電纜是多處于井下高溫、高壓力以及易腐蝕的條件下工作，對于井下電纜的絕緣性能有著很高的要求。當前從潛油電泵的故障分析中來看，由于井下電纜擊穿而造成的故障超過了70%，必須要對潛油電泵電纜擊穿問題進行全面系統的分析，查找出具體原因，減小對檢泵作業的工作頻率。

1 潛油井下電泵電纜作用

潛油電泵井下電纜可以給潛油電泵機組提供電能，井下電纜的下部可以與利用引接電纜和潛油電機進行連接。地面上的電纜可以與電氣控制柜進行連接，也可以通過該電纜把潛油電泵的配套傳感器信號上傳到地面之上。由于油井的環境較為惡劣，井內的溫度較高，伴隨著很大的壓力，石油、天然氣以及酸堿條件都具有很強的腐蝕性能，與地面上應用的普通電纜進行比較來看，其必須具備耐高溫以及壓力的能力，可以承受住油井內液體的腐蝕，方可以保持較好的電氣絕緣穩定性、機械特性，潛油電泵井下電纜是一類科技含量較高的特殊電纜種類。

2 潛油電泵井下電纜結構

由于潛油電泵井下電纜下放到油井內部，會受到油井套管尺寸大小、套管和油管之間的空間影響，所以潛油電纜的制造尺寸被嚴格限定在一定區間內。潛油電泵的電纜形狀為圓形和扁形，潛油電泵井下扁形電纜主要應用在油井套管和油管之間的間隙不大的條件下，適用于直徑為不大于139.77毫米的套管。圓形的潛油電泵井下電纜適用于不可以利用扁形電纜的場合。電纜內部的構成由導體、絕緣保護層、護套保護層以及鎧裝層構成，電纜的導體是由長度較大的無氧銅桿拉伸制造形成的導線，用來傳輸電能，采用聚丙烯材料絕緣的電纜導體表面必須進行鍍錫處理，避免銅和聚丙烯之間產生化學反應，絞線可采用單股或者多股形式。絕緣保護層直接影響著電纜的絕緣特性以及可以承受的溫度情況，是由高分子材料加工制造而成。具備較好的介電特性，化學性質和物理性質較為穩定，利用材料大多為聚丙烯、三元乙丙橡膠，耐受溫度在150℃以上的潛油電泵電纜材質應用聚酰亞胺-氟46復合薄膜乙橡膠組合而成的絕緣材料，工作電壓在3千伏的井下電纜的絕緣層標準的厚度可達到1.9mm，而額定工作電壓在6千伏的電纜的絕緣標準厚度為2.3mm。為了有效提高潛油電泵電纜的電氣絕緣特性，乙丙橡膠電纜的導體與絕緣層之間應該涂上黏結劑，讓導體與絕緣材料之間不能實現完全的剝離，可以避免油井內的氣體在電纜內游動。護套保護層可以給絕緣層進行很好的保護，其質量的優劣直接影響著潛油電泵電纜的使用期限，必須要具備較好的密封能力，可防止油井內腐蝕物質對電纜內部的腐蝕。鎧裝保護層可以承受縱向的拉力，在電纜安裝和拆卸過程中提供保護。

3 絕緣老化以及損壞的原因

（1）化學原因。化學原因可以劃分為以下幾種，其一，在對潛油電泵電纜進行生產過程中，電纜本身就存在著缺陷。其二，在溫度以及壓力值都較高、易腐蝕的油井條件下，油井內的液體對電纜的絕緣性能破壞。其三，油井內液體中的氣體，比如硫化氫等會對電纜的絕緣性進行破壞，氣體會進入到電纜絕緣保護層和線芯，加速了電纜絕緣的老化。其四，潛油電泵的長期應用過程中，絕緣材料會不斷的老化。

（2）溫度的原因。潛油電泵電纜的工作環境溫度很高，一般都在90～130℃范圍內，油井內的溫度是影響電纜絕緣性能以及老化的主要因素，當前，如果電纜采用的絕緣材料為聚丙烯，則可以承受的溫度不會大于75攝氏度，在高溫的條件下會使電纜的絕緣層不斷開裂，從而產生老化現象，還會讓電纜的線芯產生偏移，引發局部發電問題。在油井的正常生產過程中，潛油電泵井機組啟動的瞬時電流會達到額定電流的4～6倍，較高頻率的啟停機組會加速絕緣層的老化。而電泵內部砂質、泥土以及結垢物質會使電機的負載增大。地下油氣儲層的油液供應不足，使機組運行過程中產生的熱能無法得到釋放，在溫度、壓力都較高的狀況下，油井的液體以及氣體會進一步對電纜進行腐蝕，使絕緣老化的速率變快。油井在生產過程中，負載情況的改變以及冷卻介質具備的溫度的變化，會使絕緣介質產生彈性疲勞以及纖維組織斷裂，導致絕緣材料的老化。而井下電纜每個部位的膨脹系數以及導熱系數都存在著有效差異，當油井溫度產生改變時，絕緣材料之間、絕緣材料與導體之間的結合部位會產生很大的應力，從而使電纜的絕緣性能變差。

（3）機械原因。在對潛油電泵井下電纜進行運輸和施工過程中，會存在著擠壓、碰撞和變曲問題，如果處理不好則會使絕緣層受到破壞，比如，在井下電纜和井口部位產生碰撞、井下電纜卡具緊固程度過大會使鉛皮產生形變，各類機械損壞都會給電纜埋下隱患。潛油電泵在油井內進行采油作業時，電纜會經受著機械負載、機組的振動作用之下也會造成不同程度的破壞。在外部施加的機械作用力以及電動力的情況下，會使電纜的絕緣材料產生裂紋，從而影響著電纜的絕緣性能。

（4）電氣原因。對潛油電泵機組進行頻繁的啟停或者過載，機組的運行電流會急劇變大，電纜絕緣材料在長時間的過載，承受著較大的過電壓和電流會使絕緣加速老化。

4 電纜絕緣被擊穿的過程

潛油電泵井下電纜絕緣被擊穿的原因主要歸為兩類，也就是電擊穿以及熱擊穿，而從系統來看，電纜絕緣層出現破壞的歸因為過熱、放電以及過電壓。當前，隨著科學技術的不斷進步，對過電壓現象進行了有效的限制，較長時間在工作電壓條件下，會對潛油電泵電纜的絕緣性能產生較大的破壞，而在實際應用過程中，電纜的擊穿主要是在工作電壓的情況下產生的。

（1）電擊穿。電擊穿問題比較隱蔽，是由于短時的高電壓而引發的，瞬時高電壓可以對固體絕緣性能較為薄弱部位產生電擊穿，產生了貫穿性的狹窄通道，該運行通道內部會分離出一些碳顆粒。通道被擊穿必備的能量和吸收的能量都不是很大，局部產生的溫度升高還沒及時進行散放，跟被擊穿之前進行比較來看，從外觀上是沒有任何區別的。

（2）熱擊穿。潛油電泵井下電纜的熱擊穿會伴隨著熱傳遞，絕緣材料承受較大的熱量情況下，其化學性質會產生很大的變化，而產生的損壞是較大范圍的，嚴重的會使整體絕緣材料受到破壞。

5 減少電纜擊穿的措施

不應該對潛油電泵電纜進行露天的保存，在對其進行吊裝、運輸時要采取保護措施，防止對電纜進行磕碰，在潛油電泵機組安裝作業過程中應該嚴格遵守HSE中規定的內容。在電纜下井作業之前的準備時期，可以把電纜安置于合理的位置，確定電纜的走向是正確的，天滑輪、采油井口應該處于同一平面內，可以保證電纜在下放過程中不存在卡滯的現象。在對電纜下放前應該再次對絕緣情況進行測試，可以測量絕緣電阻值，對電纜外觀進行檢查。當潛油電泵機組在地面組裝完成之后，可以把小扁電纜接頭和潛油電機引接部件進行電氣連接和密封。潛油電泵機組外部的小扁電纜必須要加設保護罩。潛油電泵井下電纜會跟著電泵機組和油管一起下入到油井之中，應該保證電纜的滾筒運行速度和油管的下放度達到一致。在下放作業時應該要對電纜進行保護，對油管進行起下作業時要達到輕提慢放的要求，按著操作規程進行作業，防止由于人為因素對電纜造成損壞，在下放過程中應對井下電纜的絕緣情況進行監測。還應該科學合理地選擇井下電纜，防止電纜的負載超出可以承受的范圍。對油井內油液溫度進行測量，從而確定出井下電纜的絕緣等級。對于地下油氣儲層的油液供給情況進行監視，選取出合理的電泵型號參數，防止出現油液供應不足的現象，導致電泵機組的運行溫度過高，避免對電纜的絕緣性能造成破壞。根據油井的實際生產情況，對地面控制柜的保護設定值進行調整，防止頻繁地啟停機組和超負荷運行。

6 結語

綜上所述，潛油電泵井下電纜故障直接影響著電泵機組的運行時間，對電纜被擊穿現象進行分析，制定出應對措施十分必要。應該將電纜和電泵機組的選型作為出發點，在對油井的溫度和供液情況了解的條件下再確定電纜的絕緣等級，在施工作業過程采取相關的保護措施，避免對電纜保護層進行破壞。在油井正常生產時，對機組的運行管理應該達到規范化，可以有效地避免井下電纜出現擊穿現象。