注采一體化電纜高溫試驗方法及可行性研究

路宇翔，楊 璐，杜丹陽，李令喜

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

0 引言

海上油田稠油熱采的舉升工藝通常采用電潛離心泵舉升方式[1]，注采一體化高溫熱采舉升工藝同樣選擇電潛離心泵，且僅需進行一次管柱作業，降低完井、修井費用成本，減少修井過程的溫度損失，提高注氣效果。此工藝中，潛油電泵機組下入到井下后開始注氣，因此在蒸汽吞吐的過程中潛油電泵機組始終處于井下套管內，所以潛油動力電纜既需要耐溫等級不低于海上油田高溫熱采舉升技術的環境溫度峰值（370 ℃），同時還需能夠適應從注氣轉換至燜井長的時間高溫環境到放噴生產時溫度降低所產生的溫度變化，并能夠保證良好的電氣性能，以便將地面動力傳輸到井下潛油電泵機組。

高溫壓力試驗是電線電纜較為常見的檢驗項目之一，溫度降低時能否恢復的能力，用于考核電線電纜絕緣材料在高溫狀態下的抗壓性能[2]。本文設計了注采一體化用潛油動力電纜的試驗方法，模擬海上油田高溫熱采環境，通過對設計的電纜進行多次對比論證試驗，總結其物理性質、耐溫性能及高低溫交變下電氣性能的變化規律，論證了電纜在高溫熱采舉升技術中的可行性，確定最終方案，對完善注采一體化高溫熱采舉升技術至關重要。

1 試驗準備及試驗方法

1.1 高溫烘箱準備

本次測試的潛油動力電纜耐溫等級為370 ℃，為滿足試驗條件，選用的高溫烘箱工作溫度范圍為0～500 ℃。為模擬海上油井環境溫度，實時監測電纜的電氣性能狀態，需要對高溫烘箱進行改造。在高溫烘箱的側面開孔，使樣件的一端裸露于空氣中，便于使用檢測設備對試驗樣件進行實時檢測。本次樣件外徑為Φ9.5 mm，烘箱開孔孔徑應略大于樣件外徑，開孔數量可視試驗樣件數量而定（圖1）。

圖1 試驗裝置

GB/T 2951.31—2008《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法 第31部分：聚氯乙烯混合料專用試驗方法 高溫壓力試驗—抗開裂試驗》規定“試驗設備和試樣在烘箱中不應振動”。本次試驗過程中選用自然通風的空氣烘箱，確保試驗周圍環境沒有其他的振動設施。同時加裝固定裝置固定樣件，以避免進行檢測操作時人為造成樣件抖動或偏移接觸箱體等因素而帶來的數據偏差。固定裝置應配備防振墊片，進一步減少試驗過程中振動對樣件及測試數據產生的影響，確保試驗的精確性。固定裝置間距及兩側與箱體距離保持相同，使樣件的模擬環境及溫度保持一致性。

1.2 樣件準備

注采一體化用潛油動力電纜結構從內到外依次為銅導體、絕緣層、內護套層、外護套層，成品電纜為3 根并排成纜。本次試驗截取單根作為樣件，選用的絕緣層為耐溫等級370 ℃的聚酰亞胺-F46 薄膜，內護套層分別為乙烯基硅橡膠、陶瓷硅橡膠，外護套層為316L 不銹鋼的2 種電纜進行試驗對比。每種電纜各截取2 段，截取長度500 mm。每段樣件使用割刀去除兩端的不銹鋼外護套層，長度100 mm，然后使用電工刀剝去絕緣層及內護套層，長度20 mm，留作檢測使用[3]，具體尺寸如圖2 所示。

圖2 樣件結構

分別對樣件進行標記，內護套層為乙烯基硅橡膠的樣件標記為A、B，內護套層為陶瓷硅橡膠的樣件標記為C、D。

1.3 試驗方法

（1）常溫環境下，使用兆歐表測量每個樣件的絕緣值，使用交流耐壓檢測儀對每個樣件進行耐壓測試，確保其電氣性能良好，測量過程中，人體任何部位不得直接接觸樣件。使用游標卡尺測量每個樣件內護套層的直徑。記錄測量的相關數據。

（2）將樣件放置于高溫烘箱中，確保一端剝去絕緣層及內護套層的部分完全暴露于空氣中，并使用固定裝置固定，與樣件的接觸位置處于樣件中段，即不銹鋼外護套層，不能接觸到內護套層和導體。另一端不能與箱體接觸（圖3）。

圖3 固定狀態示意

（3）啟動高溫烘箱，緩慢加熱至90 ℃，即常規井下的環境溫度，模擬海上油田下入機組至注氣前的場景。保持溫度1 h 后，測量樣件的絕緣值并記錄數據。

（4）加熱至204 ℃，即常用電纜的最高耐溫等級，以便與常用電纜進行對比，保持溫度1 h 后，測量樣件絕緣值并記錄數據。

（5）升溫加熱至210 ℃后，每升高10 ℃進行一次檢測，直至溫度到達370 ℃。檢測時間為到達設定的溫度后，保持溫度1 h 后方可進行檢測，并記錄相關數據。

（6）取出樣件B、D，立即測量其置于高溫烘箱內一端的內護套層直徑，并進行耐壓測試。

（7）海上油田燜井時間約20 d，本次采用168 h保持370 ℃，每24 h 測量一次絕緣值，然后關閉高溫烘箱，使溫度緩慢降低，模擬海上油田放噴過程。待溫度降至常溫后取出樣件A、C，進行絕緣值、耐壓測試，并測量其置于高溫烘箱內一端的內護套層直徑。

2 試驗數據

在到達370 ℃后，立即取出樣件B、D，樣件B 的內護套層彈性依然良好，樣件D 的內護套層彈性減弱，變得脆硬。保持370 ℃溫度168 h 后取出的樣件A、C，樣件A 的內護套層彈性依然良好，樣件C 的內護套層沿軸向出現一條明顯的裂痕，將其外護套層去除，發現有外護套層包裹的內護套層部分無裂痕，但同樣彈性減弱，變得脆硬。測量的內護套層直徑見表1。

表1 內護套層直徑

從表1 可知，兩種材料內護套層受熱后均會有一定程度的膨脹，陶瓷硅橡膠膨脹量略大于乙烯基硅橡膠，但在外護套層的包裹下，均能保證形態完整。

耐壓測試參照GB/T 16750—2015《潛油電泵機組》，要求50 Hz 交流耐壓試驗5 min 不擊穿，試驗電壓為9 kV。測試情況見表2。

表2 9 kV 耐壓測試結果

根據測量的絕緣值，繪制絕緣值與溫度的關系曲線，及絕緣值與時間的關系曲線（圖4、圖5）。

圖4 絕緣值—溫度關系

圖5 絕緣值—時間關系

3 數據分析

通過測試數據可知，絕緣層選用聚酰亞胺-F46 薄膜，能夠滿足耐溫及電氣性能的要求，內護套層為乙烯基硅橡膠的樣件高溫烘烤后彈性良好、耐壓性良好、絕緣性能穩定；內護套層為陶瓷硅橡膠的樣件高溫烘烤后彈性減弱，變得脆硬、易脆裂，耐壓測試擊穿，絕緣性能隨溫度升高時間加長略有降低，但滿足絕緣性能的要求，且隨溫度降低能夠恢復絕緣性能。

4 結束語

本文設計了注采一體化用潛油動力電纜的試驗方法，模擬海上油田高溫熱采環境，通過對注采一體化用潛油動力電纜進行多次對比試驗，論證其在高溫熱采舉升技術中的可行性。確定最終方案的絕緣層選用聚酰亞胺-F46 薄膜、內護套層為乙烯基硅橡膠的潛油電纜滿足設計及使用要求，具備在高溫熱采舉升技術中的應用條件，為完善蒸汽吞吐注采一體化舉升技術提供了一種可行性方案。