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)生概率將會顯著提升，一旦出現(xiàn)擊穿問題，則會對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，除了要嚴格要求井下電纜的絕緣性外，還應對擊穿問題發(fā)生原因進行深入分析，從而降低擊穿問題發(fā)生概率，對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行連接，從而完成電氣信號的傳輸工作，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)境十分復雜，隨著開采作業(yè)的進行，井下溫度會持續(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惡劣。因此，為了增強井下電纜的抗腐蝕、耐高溫能力，需要對井下電纜予以嚴格要求，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，為了更好地保護井下電纜，井下電纜需要放置在油井套管當中。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，對其規(guī)格尺寸以及形狀進行嚴格限制。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，對于圓形井下電纜而言，其大多應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，導體、絕緣保護層以及護套保護層等均是井下電纜結(jié)構(gòu)中不可或缺的部件。電纜中負責電力資源傳輸?shù)牟糠譃閷w，其由無氧銅桿通過拉伸作用制成。為了防止聚丙烯與銅導線之間出現(xiàn)化學反應，在制作井下電纜過程中，需要采用鍍錫處理方式，使導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，與絕緣保護層的材料以及制造方式有很大關(guān)系。絕緣保護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，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，為了進一步強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準的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體之間，使絕緣材料與導體之間形成良好的剝離作用，防止電纜中進入井中氣體，增強絕緣效果，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，化學因素、溫度因素 以及機械因素是引發(fā)擊穿問題的直接原因。

3.1 化學因素

在潛油電泵工作過程中，井下電纜隨著使用時間的增加，其絕緣層會因為化學因素作用而出現(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)量不達標，導致腐蝕程度加劇，從而對絕緣層造成破壞；(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烈，如果絕緣層外部出現(xiàn)損壞，將會導致強腐蝕氣體進入導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，隨著開采活動的繼續(xù)，井下溫度會保持高溫狀態(tài)，最高可接近130 ℃左右，井下電纜絕緣層在此高溫環(huán)境下，將會加快老化速度，影響絕緣效果。當前，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 ℃，隨著使用時間的增加，則會導致開裂問題在絕緣層表面出現(xiàn)，影響絕緣層的絕緣效果。在啟動潛油電泵瞬間，電纜中的電流會處于峰值狀態(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，油井的負載會處于動態(tài)變化的區(qū)間，在此情況下，絕緣層的疲勞程度會進一步加劇，從而會損壞絕緣層的整體性，最終導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 機械因素

在運輸井下電纜時，由于存在外部作用力的作用，井下電纜本體結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)程度的損壞，從而使得絕緣層的作用得不到發(fā)揮，甚至會引發(fā)失效問題。此外，在安裝潛油電泵時，由于安裝人員的疏忽，將會導致機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，其會出現(xiàn)程度不等的振動現(xiàn)象，在振動作用的影響下，井下電纜同樣會出現(xiàn)機械損傷問題，從而會誘發(fā)擊穿問題。

4 電纜絕緣被擊穿的過程

在對擊穿問題進行歸類統(tǒng)計后發(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，盡管可通過科學手段控制井下電纜的電壓，但是由于井下工作環(huán)境復雜，擊穿現(xiàn)象仍然會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)，當電壓瞬時增加時容易引發(fā)電擊穿問題。當電壓瞬時升高后，絕緣層的薄弱部位難以承受瞬間的高電壓，并且會產(chǎn)生無法快速釋放的高溫，在高溫與瞬時高電壓的作用下，使得井下電纜出現(xiàn)電擊穿現(xiàn)象；(2)熱擊穿。對于絕大部分的絕緣材料而言，其可以承受的溫度相對有限，隨著井下電纜工作溫度的不斷變化，當溫度達到一定臨界點后，井下電纜絕緣材料會在高溫作用下而導致其化學性質(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，注意不得對其放置在露天，并要在吊裝、運輸過程中對電纜實施妥善的保護措施，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，安裝人員除了要遵守HSE規(guī)定外，還應在安裝前做好充分的準備工作，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，采油井口與滑輪應放置在一個平面內(nèi)，在下放電纜過程中注意對滑輪的工作狀態(tài)進行監(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，并對絕緣性能實施必要的測試，測試人員應對最終的測試結(jié)果進行記錄、存檔，同時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整體，安裝人員應對連接位置使用防護罩進行密封處理；(6)安裝人員將潛油電泵下放到油井中，下放時應控制潛油電泵的下放速度，不得速度太快，并在下放時對井下電纜實施必要的保護，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，并以此為基礎選取合適的井下電纜絕緣等級以及潛油電泵型號，避免潛油電泵負荷過大，增加井下電纜的工作負載；(9)以實際油井開采需求為基礎，合理調(diào)整地面控制柜的保護設定值，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，充分落實各項保護措施，加強對井下電纜絕緣層的監(jiān)測力度，以規(guī)范、安全為準則做好相關(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，對促進中國油田安全生產(chǎn)具有重要意義。