注采一體化電纜高溫試驗(yàn)方法及可行性研究

路宇翔，楊 璐，杜丹陽(yáng)，李令喜

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)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?zé)岵膳e升工藝同樣選擇電潛離心泵，且僅需進(jìn)行一次管柱作業(yè)，降低完井、修井費(fèi)用成本，減少修井過(guò)程的溫度損失，提高注氣效果。此工藝中，潛油電泵機(jī)組下入到井下后開(kāi)始注氣，因此在蒸汽吞吐的過(guò)程中潛油電泵機(jī)組始終處于井下套管內(nèi)，所以潛油動(dòng)力電纜既需要耐溫等級(jí)不低于海上油田高溫?zé)岵膳e升技術(shù)的環(huán)境溫度峰值（370 ℃），同時(shí)還需能夠適應(yīng)從注氣轉(zhuǎn)換至燜井長(zhǎng)的時(shí)間高溫環(huán)境到放噴生產(chǎn)時(shí)溫度降低所產(chǎn)生的溫度變化，并能夠保證良好的電氣性能，以便將地面動(dòng)力傳輸?shù)骄聺撚碗姳脵C(jī)組。

高溫壓力試驗(yàn)是電線電纜較為常見(jiàn)的檢驗(yàn)項(xiàng)目之一，溫度降低時(shí)能否恢復(fù)的能力，用于考核電線電纜絕緣材料在高溫狀態(tài)下的抗壓性能[2]。本文設(shè)計(jì)了注采一體化用潛油動(dòng)力電纜的試驗(yàn)方法，模擬海上油田高溫?zé)岵森h(huán)境，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的電纜進(jìn)行多次對(duì)比論證試驗(yàn)，總結(jié)其物理性質(zhì)、耐溫性能及高低溫交變下電氣性能的變化規(guī)律，論證了電纜在高溫?zé)岵膳e升技術(shù)中的可行性，確定最終方案，對(duì)完善注采一體化高溫?zé)岵膳e升技術(shù)至關(guān)重要。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備及試驗(yàn)方法

1.1 高溫烘箱準(zhǔn)備

本次測(cè)試的潛油動(dòng)力電纜耐溫等級(jí)為370 ℃，為滿(mǎn)足試驗(yàn)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(huán)境溫度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電纜的電氣性能狀態(tài)，需要對(duì)高溫烘箱進(jìn)行改造。在高溫烘箱的側(cè)面開(kāi)孔，使樣件的一端裸露于空氣中，便于使用檢測(cè)設(shè)備對(duì)試驗(yàn)樣件進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。本次樣件外徑為Φ9.5 mm，烘箱開(kāi)孔孔徑應(yīng)略大于樣件外徑，開(kāi)孔數(shù)量可視試驗(yàn)樣件數(shù)量而定（圖1）。

圖1 試驗(yàn)裝置

GB/T 2951.31—2008《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法 第31部分：聚氯乙烯混合料專(zhuān)用試驗(yàn)方法 高溫壓力試驗(yàn)—抗開(kāi)裂試驗(yàn)》規(guī)定“試驗(yàn)設(shè)備和試樣在烘箱中不應(yīng)振動(dòng)”。本次試驗(yàn)過(guò)程中選用自然通風(fēng)的空氣烘箱，確保試驗(yàn)周?chē)h(huán)境沒(méi)有其他的振動(dòng)設(shè)施。同時(shí)加裝固定裝置固定樣件，以避免進(jìn)行檢測(cè)操作時(shí)人為造成樣件抖動(dòng)或偏移接觸箱體等因素而帶來(lái)的數(shù)據(jù)偏差。固定裝置應(yīng)配備防振墊片，進(jìn)一步減少試驗(yàn)過(guò)程中振動(dòng)對(duì)樣件及測(cè)試數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，確保試驗(yàn)的精確性。固定裝置間距及兩側(cè)與箱體距離保持相同，使樣件的模擬環(huán)境及溫度保持一致性。

1.2 樣件準(zhǔn)備

注采一體化用潛油動(dòng)力電纜結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次為銅導(dǎo)體、絕緣層、內(nèi)護(hù)套層、外護(hù)套層，成品電纜為3 根并排成纜。本次試驗(yàn)截取單根作為樣件，選用的絕緣層為耐溫等級(jí)370 ℃的聚酰亞胺-F46 薄膜，內(nèi)護(hù)套層分別為乙烯基硅橡膠、陶瓷硅橡膠，外護(hù)套層為316L 不銹鋼的2 種電纜進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。每種電纜各截取2 段，截取長(zhǎng)度500 mm。每段樣件使用割刀去除兩端的不銹鋼外護(hù)套層，長(zhǎng)度100 mm，然后使用電工刀剝?nèi)ソ^緣層及內(nèi)護(hù)套層，長(zhǎng)度20 mm，留作檢測(cè)使用[3]，具體尺寸如圖2 所示。

圖2 樣件結(jié)構(gòu)

分別對(duì)樣件進(jìn)行標(biāo)記，內(nèi)護(hù)套層為乙烯基硅橡膠的樣件標(biāo)記為A、B，內(nèi)護(hù)套層為陶瓷硅橡膠的樣件標(biāo)記為C、D。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）常溫環(huán)境下，使用兆歐表測(cè)量每個(gè)樣件的絕緣值，使用交流耐壓檢測(cè)儀對(duì)每個(gè)樣件進(jìn)行耐壓測(cè)試，確保其電氣性能良好，測(cè)量過(guò)程中，人體任何部位不得直接接觸樣件。使用游標(biāo)卡尺測(cè)量每個(gè)樣件內(nèi)護(hù)套層的直徑。記錄測(cè)量的相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）將樣件放置于高溫烘箱中，確保一端剝?nèi)ソ^緣層及內(nèi)護(hù)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(hù)套層，不能接觸到內(nèi)護(hù)套層和導(dǎo)體。另一端不能與箱體接觸（圖3）。

圖3 固定狀態(tài)示意

（3）啟動(dòng)高溫烘箱，緩慢加熱至90 ℃，即常規(guī)井下的環(huán)境溫度，模擬海上油田下入機(jī)組至注氣前的場(chǎng)景。保持溫度1 h 后，測(cè)量樣件的絕緣值并記錄數(shù)據(jù)。

（4）加熱至204 ℃，即常用電纜的最高耐溫等級(jí)，以便與常用電纜進(jìn)行對(duì)比，保持溫度1 h 后，測(cè)量樣件絕緣值并記錄數(shù)據(jù)。

（5）升溫加熱至210 ℃后，每升高10 ℃進(jìn)行一次檢測(cè)，直至溫度到達(dá)370 ℃。檢測(cè)時(shí)間為到達(dá)設(shè)定的溫度后，保持溫度1 h 后方可進(jìn)行檢測(cè)，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

（6）取出樣件B、D，立即測(cè)量其置于高溫烘箱內(nèi)一端的內(nèi)護(hù)套層直徑，并進(jìn)行耐壓測(cè)試。

（7）海上油田燜井時(shí)間約20 d，本次采用168 h保持370 ℃，每24 h 測(cè)量一次絕緣值，然后關(guān)閉高溫烘箱，使溫度緩慢降低，模擬海上油田放噴過(guò)程。待溫度降至常溫后取出樣件A、C，進(jìn)行絕緣值、耐壓測(cè)試，并測(cè)量其置于高溫烘箱內(nèi)一端的內(nèi)護(hù)套層直徑。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在到達(dá)370 ℃后，立即取出樣件B、D，樣件B 的內(nèi)護(hù)套層彈性依然良好，樣件D 的內(nèi)護(hù)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(nèi)護(hù)套層彈性依然良好，樣件C 的內(nèi)護(hù)套層沿軸向出現(xiàn)一條明顯的裂痕，將其外護(hù)套層去除，發(fā)現(xiàn)有外護(hù)套層包裹的內(nèi)護(hù)套層部分無(wú)裂痕，但同樣彈性減弱，變得脆硬。測(cè)量的內(nèi)護(hù)套層直徑見(jiàn)表1。

表1 內(nèi)護(hù)套層直徑

從表1 可知，兩種材料內(nèi)護(hù)套層受熱后均會(huì)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(hù)套層的包裹下，均能保證形態(tài)完整。

耐壓測(cè)試參照GB/T 16750—2015《潛油電泵機(jī)組》，要求50 Hz 交流耐壓試驗(yàn)5 min 不擊穿，試驗(yàn)電壓為9 kV。測(cè)試情況見(jiàn)表2。

表2 9 kV 耐壓測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)量的絕緣值，繪制絕緣值與溫度的關(guān)系曲線，及絕緣值與時(shí)間的關(guān)系曲線（圖4、圖5）。

圖4 絕緣值—溫度關(guān)系

圖5 絕緣值—時(shí)間關(guān)系

3 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，絕緣層選用聚酰亞胺-F46 薄膜，能夠滿(mǎn)足耐溫及電氣性能的要求，內(nèi)護(hù)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(wěn)定；內(nèi)護(hù)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(cè)試擊穿，絕緣性能隨溫度升高時(shí)間加長(zhǎng)略有降低，但滿(mǎn)足絕緣性能的要求，且隨溫度降低能夠恢復(fù)絕緣性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了注采一體化用潛油動(dòng)力電纜的試驗(yàn)方法，模擬海上油田高溫?zé)岵森h(huán)境，通過(guò)對(duì)注采一體化用潛油動(dòng)力電纜進(jìn)行多次對(duì)比試驗(yàn)，論證其在高溫?zé)岵膳e升技術(shù)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(nèi)護(hù)套層為乙烯基硅橡膠的潛油電纜滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及使用要求，具備在高溫?zé)岵膳e升技術(shù)中的應(yīng)用條件，為完善蒸汽吞吐注采一體化舉升技術(shù)提供了一種可行性方案。