СИЛОВЫЕ КАБЕЛИ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
POWER CABLES FOR ELECTRIC CENTRIFUGAL PUMP

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к силовому кабелю для систем электрического центробежного насоса (ЭЦН).
Системы ЭЦН содержат как скважинные, так и поверхностные компоненты. Скважинные компоненты системы ЭЦН включают в себя: двигатель, защитные устройства, секции насоса, заборный части насоса, силовые кабели, оборудование для транспортировки и хранения газа и скважинные датчики. Поверхностные компоненты включают в себя: оборудование для управления насосом, такое как частотно–регулируемый привод (ЧРП) и блок электропитания, который подключается к двигателю насоса системы с помощью бронезащитных кабелей.
Во многих вариантах применения в промысловых условиях системы ЭЦН обеспечивают ряд эксплуатационных преимуществ. Указанные насосы могут быть выполнены из высококачественных устойчивых к коррозии металлических сплавов для применения в скважинных средах с флюидами, обладающими высоким газовым фактором (ГФ), высокими температурами и флюидами, содержащими агрессивные кислые газы. Однако при работе ЭЦН необходимо учитывать ряд эксплуатационных проблем. Несмотря на то, что системы ЭЦН могут быть выполнены из специальных износостойких металлических сплавов и усовершенствованных материалов и конфигурации опорных подшипников, время работы ЭЦН может быть значительно сокращено в средах с высоким содержанием песка и твердых частиц.
Как правило, типичная система ЭЦН содержит электрический центробежный насос (ЭЦН), который должен быть расположен в забое скважины на глубине нескольких километров и соединен с системой трубопроводов для передачи добываемого флюида (нефти) на поверхность. Двигатель ЭЦН представляет собой трехфазный двигатель переменного тока, электропитание которого осуществляется посредством кабеля, подключенного к системе электропитания и регулирования на поверхности скважины.
Как сообщается по ссылке: http://petrowiki.org/Electrical_submersible_pumps, силовые кабели ЭЦН представляют собой специально сконструированные трехфазные силовые кабели, разработанные специально для скважинных сред. Конструкция кабеля должна иметь небольшой диаметр, должна быть защищенной от механического воздействия и не подверженной износу вследствие физического и электрического воздействия из–за агрессивных сред в скважине. Кабели могут иметь либо круглую, либо плоскую конфигурацию, будучи выполненными с использованием нескольких различных изоляционных материалов и металлических бронированных материалов для различных агрессивных сред в скважине. Как правило, ожидаемый срок службы данных кабелей составляет не более 3 лет.
Силовые кабели ЭЦН обычно передают ток переменного напряжения до 200 А или более, в зависимости от требований к электропитанию ЭЦН.
объединены друг с другом посредством намотки наружного слоя
Патент № US 2012/0093667 относится к силовым кабелям, используемым для передачи электроэнергии на электрические центробежные насосы (ЭЦН), в частности, к силовому кабелю, подходящему для установки в средах, в которых температура постоянно находится в диапазоне около 500 градусов по Фаренгейту (260 градусов по Цельсию). Упомянутый в этой заявке силовой кабель имеет три токопроводящих жилы и изоляцию, содержащую по меньшей мере два изолирующих слоя, выполненных из одинакового или различного материала, например полиимида или фторполимера. Защитная оболочка расположена поверх изолированной жилы и может быть изготовлена из металлического материала, такого как нержавеющая сталь или монель. Изолированные и защищенные оболочкой жилы , который может быть изготовлен из металлического или неметаллического материала.
Патент № US 2007/0046115 относится к силовому кабелю для подачи питания на двигатель насоса электрических центробежных насосов в сборе. Питающая линия состоит из двух секций: кабеля двигателя и силового кабеля. Кабель двигателя имеет такую конфигурацию, что каждая изолированная жила расположена внутри отдельной металлической непроницаемой трубки, выполненной из неэлектромагнитного материала, такого как монель или нержавеющая сталь. Предпочтительно каждая жила имеет по меньшей мере два слоя изоляции, по меньшей мере один из которых выдерживает высокие температуры. Трубки находятся в оболочке металлической брони.
Патент WO 2015/077207 относится к кабелю для скважинного оборудования. Например, плоский кабель ЭЦН, рассчитанный на напряжение около 5 кВ, может содержать медную(ые) жилу(ы), маслостойкую и термостойкую резиновую ЭПДМ (этиленпропилендиеновый мономер) изоляцию, барьерный слой (например, свинец и/или фторполимер), слой оболочки (например, маслостойкий ЭПДМ или бутадиенакрилнитрильный каучук) и броню (например, оцинкованную или нержавеющую сталь или сплавы, которые содержат никель и медь, например сплавы монель).
Для обеспечения оптимальных рабочих характеристик ЭЦН могут быть установлены внутрискважинные датчики, чтобы непрерывно получать измерения системы в режиме реального времени, такие как давления и температуры на входе и выходе насоса, вибрация и текущая скорость утечки.
Кабели в оболочке в виде трубы (TEC – Tubing Encapsulated Cables) используются для обеспечения как передачи энергии, так и сигналов как от скважинных датчиков и блоков сбора данных на поверхности так и на них. TEC рассчитан на работу в суровых скважинных условиях и может содержать слой(и) полимерной оболочки для защиты. Доступны различные конфигурации ТЕС в зависимости от скважинной среды и области применения.
2
2
Например, TEC, подходящий для работы в суровой среде при температурах вплоть до 300 °C, раскрыт в брошюре Заявителя "Tubing Encapsulated Cable" (2013). Данный TEC содержит медную жилу, последовательно покрытую изоляционным слоем из фторированного этиленпропилена (ФЭП), полипропиленовый наполнитель, трубку из сплава 825 и оболочку из перфторалкоксила. Размер жилы данных кабелей составляет от 18 AWG до 8 AWG (соответствует площади поперечного сечения от 0,52 мм до 8,36 мм), и она, как правило, рассчитана на передачу постоянного тока от 5 мА до 20 мА. Эти кабели могут использоваться в виде отдельного кабеля или могут быть размещены в конструкции плоского корпуса с планарными выводами с другими компонентами, включая оптические волокна, медные сигнальные кабели, линии гидравлического управления и закачки химических реагентов, а также возможными механическими компонентами для повышения устойчивости к раздавливанию и для обеспечения дополнительной прочности при растяжении. В этом случае оболочка в совокупности охватывает все компоненты плоского корпуса с планарными выводами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Существует необходимость в силовом кабеле для работы системы ЭЦН, в частности, для питания двигателя насоса системы, имеющего увеличенный срок службы, например более 5 лет, в суровой среде нисходящей скважины, особенно при температурах более 200°C.
Заявитель заметил, что доступные кабели ЭЦН обычно имеют ограниченный срок службы, порядка нескольких месяцев или, самое большее, нескольких лет, после чего необходимо извлечь всю систему ЭЦН из скважины для замены кабелей. Ввиду этого значительно возрастают материальные затраты и трудозатраты.
Доступные в настоящее время кабели ЭЦН подвержены преждевременному выходу из строя из–за агрессивной химической среды и температуры среды в скважине.
В кабеле ЭЦН защиты от химической коррозии можно достичь путем обеспечения свинцовой оболочки или, в качестве альтернативного варианта, слоя, изготовленного из химически стойких полимеров, таких как фторполимеры, вокруг жил.
Однако при использовании свинца из–за его плохих механических свойств требуется дополнительная механическая защита обычно в виде еще одного слоя спирально намотанной металлической ленты, что увеличивает стоимость и вес кабеля.
Как заметил заявитель, когда защита обеспечивается за счет химически стойких полимеров, их химическая стойкость может уменьшаться в течение срока службы кабеля.
Кроме того, заявитель заметил, что при передаче питания по кабелю, в частности, при переменном токе, для работы двигателя насоса системы в кабеле выделяется тепло из–за эффекта Джоуля (теплового действия тока), потерь через изоляцию и т. д., что приводит к повышению температуры. Удельное термическое сопротивление полимеров вокруг жил препятствует отводу тепла из жил. Вследствие этого внутренняя температура кабеля может опасно возрасти во время работы. Кроме того, некоторые химически стойкие полимеры не обладают электрическими свойствами, подходящими для обеспечения достаточного срока службы при подаваемом напряжении.
Заявитель обнаружил, что увеличения срока службы трехфазного силового кабеля для системы ЭЦН, работающей даже при высокой температуре (более 200°C), можно достичь за счет обеспечения кабеля, в котором изоляция каждой фазовой жилы содержит определенный полимерный слой и расположена внутри сварной металлической трубки, а общий герметизирующий фторполимерный слой окружает три фазы.
Это позволяет выбирать изоляционные материалы на основании термостойкости и электрических свойств, в то время как защита от химических веществ, а также механическая защита достигаются благодаря сварной металлической трубке, окруженной герметизирующим фторполимерным слоем.
Следовательно, настоящее изобретение включает в себя трехфазный силовой кабель насоса для нисходящей скважины, содержащий три силовых жилы, каждая из которых снабжена по меньшей мере одним экструдированным полимерным изолирующим слоем, изготовленным из изолирующего полимера, выбранного из сополимера этилена или фторполимера; металлическую трубку расположенную радиально снаружи изолирующего слоя; и экструдированный герметизирующий слой, заключающий в себе три силовых жилы и выполненный из фторполимера.
В дальнейшем каждая питающая жила, окруженная по меньшей мере одним изолирующим слоем, будет называться «изолированной жилой».
В дальнейшем каждая изолированная жила, окруженная металлической трубкой, будет называться «сердечником кабеля».
Силовые кабели по настоящему изобретению, в частности, подходят для питания систем электрического центробежного насоса (ЭЦН), более конкретно, двигателя системы ЭЦН.
Силовые кабели по настоящему изобретению особенно подходят для передачи переменного тока.
Силовые кабели по настоящему изобретению могут иметь круглое или плоское поперечное сечение. В случае круглого поперечного сечения три сердечника кабеля предпочтительно скручены вместе. В случае плоского поперечного сечения три сердечника кабеля предпочтительно имеют взаимную плоскую конфигурацию (параллельную и лежащую в общей плоскости).
2
2
В силовых кабелях по настоящему изобретению каждая из силовых жил может иметь размер по меньшей мере 6 AWG (13,3 мм); предпочтительно каждая из силовых жил может иметь размер вплоть до 2/0 AWG (67,4 мм).
Каждая силовая жила может быть изготовлена из меди или алюминия в виде многожильных проводов или монолитного стержня.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, изолирующий сополимер этилена представляет собой сополимер этиленпропилен–диенового мономера (ЭПДМ). Такие варианты осуществления изобретения могут быть предпочтительными, например, когда для кабеля требуется более высокое номинальное напряжение.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, изолирующий фторполимер представляет собой перфторэфир, такой как перфторалкоксиалкан (ПФА). В других вариантах осуществления изобретения изолирующий фторполимер представляет собой фторполимер высокой степени чистоты, размер частиц примесей в котором составляет менее 40 мкм.
В одном варианте осуществления изобретения кабель содержит два изолирующих слоя, далее называемые внутренним и наружным экструдированными изолирующими слоями. Двухслойная изолирующая система может использоваться, когда известно, что в изолирующем(их) материале(ах) содержатся или предположительно содержатся примеси; наличие двух слоев сводит к минимуму распределение загрязнений в определенном поперечном сечении.
Каждый отдельный или внутренний изолирующий слой кабеля может быть экструдирован вокруг и находясь в непосредственном контакте с соответствующей питающей жилой.
Внутренний и наружный экструдированные изолирующие слои кабелей по настоящему изобретению могут быть выполнены из разных изолирующих полимеров или из одного и того же изолирующего полимера.
В одном варианте осуществления изобретения изолирующий(е) полимер(ы) является(ются) соэкструдированным(и). Соэкструзия изоляционного(ых) полимера(ов) может улучшить адгезию между внутренним и наружным изоляционными слоями.

В некоторых вариантах осуществления изобретения каждая металлическая трубка кабеля выполнена из сплава никеля, железа и хрома, такого как стабилизированный титаном аустенитный сплав никеля, железа и хрома, необязательно с добавлением молибдена и меди. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения металлическая трубка может быть изготовлена из сплава Incoloy, предпочтительно Incoloy 825.
В некоторых вариантах осуществления изобретения каждая металлическая трубка кабеля расположена вокруг изолированного проводника, предпочтительно в непосредственном контакте с изолирующим слоем (в случае однослойной изоляции) или с наружным изолирующим слоем (в случае двухслойной изоляции).
В некоторых вариантах реализации изобретения толщина стенки каждой металлической трубки кабеля составляет от 0,5 до 2,5 мм.
Металлические трубки предпочтительно обеспечиваются в кабеле в соответствии со следующим технологическим процессом. Холоднокатаная полоса металла формируется в трубчатую конфигурацию вокруг изолированной жилы и приваривается продольно–шовной сваркой, например дуговой сваркой вольфрамовым электродом в среде защитного газа. Трубка сваривается шовной сваркой с наружным диаметром, большим, чем у изолированной жилы, чтобы защитить последнюю от нагревания, вызванного сваркой, а затем подвергается холодной вытяжке до конечного размера при контакте с изоляционным слоем изолированной жилы.
В некоторых вариантах осуществления изобретения экструдированный герметизирующий слой может быть изготовлен из перфторэфира, такого как перфторалкоксиалкан (ПФА).
Кабель по настоящему изобретению подходит для работы при температуре вплоть до 230°С или выше, с переменным током, превышающим 100 А, например от 100 А до 300 А, при напряжении от 4 кВ до 10 кВ.
Для целей настоящего описания и прилагаемой формулы изобретения для описания элементов и компонентов по настоящему изобретению используются слова в единственном числе. Это делается только для удобства и предоставления общего смысла настоящего изобретения. Настоящее описание и формулу изобретения следует воспринимать как включающие одно или по меньшей мере одно, и форма единственного числа также включает форму множественного числа, если не очевидно, что подразумевается иное.
Для целей настоящего описания и прилагаемой формулы изобретения, если не указано иное, все числа, выражающие величины, количества, проценты и т.д., следует понимать как во всех случаях определяемые термином «около» или «примерно». Кроме того, все диапазоны включают любую комбинацию раскрытых максимальных и минимальных точек и включают любые промежуточные диапазоны, которые могут быть или могут не быть конкретно перечислены в настоящем документе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Дополнительные характеристики будут очевидны из подробного описания, приведенного ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы, в которых:
на фиг. 1 проиллюстрирована система ЭЦН, содержащая кабель по настоящему изобретению;
на фиг. 2 проиллюстрирован вид в поперечном сечении варианта осуществления кабеля по настоящему изобретению;
на фиг. 3 проиллюстрирован вид в поперечном сечении другого варианта осуществления кабеля по настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 проиллюстрирован пример конструкции системы ЭЦН, при этом показана скважина, содержащая обсадную колонну 11 с предусмотренными в ней насосно–компрессорной колонной 13 и системой 10 ЭЦН.
Система 10 ЭЦН содержит электрический центробежный насос (ЭЦН) 15 (также известный как скважинный насос, СН), прикрепленный к нижнему концу насосно–компрессорной колонны 13. ЭЦН 15 функционально соединен с двигателем 17, необязательно через защитное устройство 19, которое предотвращает попадание скважинных флюидов в двигатель 17. Двигатель 17, как правило, представляет собой трехфазный двигатель переменного тока, выполненный с возможностью работы с напряжениями, обычно находящимися в диапазоне от около 3 до около 5 кВ, однако системы ЭЦН могут работать при более высоких напряжениях, например в зависимости от глубины скважины и/или высоких температур, как объяснено ниже.
Питание на двигатель 17 подается из системы электропитания и регулирования (ESRS; electric supply and regulation system) 16 (на поверхности) через силовой кабель 12. Для ограничения перемещения кабеля в скважине и, при необходимости, поддержки его веса кабель 12 может прикрепляться к насосно–компрессорной колонне 13 с помощью крепежных элементов 14 в виде полос, зажимов или тому подобного. ESRS 16 должна обеспечивать более высокое напряжение, чем требуется двигателю 17, для компенсации падения напряжения в силовом кабеле, который может быть значительным в установках на больших глубинах (например, глубже 1,5 км), для которых требуются длинные силовые кабели.
2
На фиг. 2 проиллюстрирован силовой кабель 20 переменного тока, имеющий плоский кабель, содержащий три силовых жилы 21. Каждая жила 21 выполнена в виде монолитного медного стержня. Жила 20 представляет собой провод калибра 6 AWG (13,3 мм), номинальный наружный диаметр которого составляет 4,12 мм. Такой кабель рассчитан на напряжение 5 кВ.
Каждая силовая жила 21 окружена и находится в непосредственном контакте с внутренним изолирующим слоем 22, изготовленным из ПФА высокой степени чистоты. Толщина стенки внутреннего изолирующего слоя 22 составляет 0,51 мм.
Внутренний изолирующий слой 22 окружен и находится в непосредственном контакте с наружным изолирующим слоем 23, изготовленным из ПФА высокой степени чистоты. Толщина стенки наружного изолирующего слоя 23 составляет 1,45 мм.
Внутренний и наружный изолирующие слои 22, 23 рассчитаны на температуру вплоть до 250°C.

Металлические трубки 24 предусмотрены для того, чтобы окружать каждый наружный изолирующий слой 23. Каждая металлическая трубка 24 изготовлена из сплава Incoloy 825. Металлические трубки 24 имеют толщину стенки 0,71 мм и наружный диаметр 9,53 мм. Каждая металлическая трубка 24 может быть окрашена и/или содержать оттиск для идентификации.
Каждая силовая жила 21 с соответствующим внутренним изолирующим слоем 22, наружным изолирующим слоем 23 и металлической трубкой 24 образует сердечник 20а кабеля.
Три сердечника 20а кабеля заключены в герметизирующий слой 25. Герметизирующий слой выполнен из ПФА. Например, наружные размеры герметизирующего слоя 25 составляют 40 мм х 15 мм.
2
На фиг. 3 проиллюстрирован силовой кабель 30 переменного тока, имеющий плоский кабель, содержащий три силовых жилы 31. Каждая жила 30 выполнена в виде монолитного неизолированного медного стержня. Стержень 30 представляет собой провод калибра 6 AWG (13,3 мм), номинальный наружный диаметр которого составляет 4,12 мм. Он может быть пригодным для работы при напряжении 5 кВ.
Каждая силовая жила 31 окружена и находится в непосредственном контакте с одиночным внутренним изолирующим слоем 32, выполненным из ЭПДМ. Например, толщина стенки внутреннего изолирующего слоя 22 составляет 1,96 мм.
Изолирующий слой 32 рассчитан на температуру вплоть до 232°С.

Металлические трубки 34 предусмотрены для одиночного изолирующего слоя 32. Каждая металлическая трубка 34 выполнена из сплава Incoloy 825. Например, толщина стенки металлической трубки 34 составляет 0,71 мм. Каждая металлическая трубка 34 может быть окрашена и/или содержать оттиск для идентификации.
Каждая силовая жила 31 с соответствующим изолирующим слоем 32 и металлической трубкой 34 образует сердечник 30а кабеля.
Три сердечника 30а кабеля заключены в герметизирующий слой 35. Герметизирующий слой выполнен из ПФА. Например, наружные размеры герметизирующего слоя 35 составляют 40 мм х 15 мм.
Испытание на электрический пробой
На двух силовых кабелях 20 переменного тока на фиг. 2 было проведено испытание на электрический пробой при следующих условиях:
Начальное напряжение испытания: 7,8 кВ переменного тока
Шаг повышения напряжения: 3,2 кВ переменного тока
Продолжительность испытания: 5 минут при каждом напряжении испытания
Окончание: Пробой образца
Длина образца: 4,572 м.
Оба кабеля не имели пробоя при напряжении до 33,4 кВ переменного тока, и один из них имел пробой при напряжении выше 39,9 кВ переменного тока.
Испытание на старение
Два силовых кабеля 20 переменного тока на фиг. 2 длиной 12 м были испытаны на механическое напряжение в диэлектрике от воздействия напряжения и термическое напряжение. Кабели подвергали воздействию 5 кВ между жилой и металлической трубкой в течение 120 дней при температуре 200 °С.
Испытание успешно прошли оба кабеля без пробоя. Визуальный осмотр не выявил проблем или признаков механического напряжения в диэлектрике от воздействия напряжения на изоляции, даже цвет самой изоляции был надлежащим.
Механические испытания
Три силовых кабеля 20 переменного тока на фиг. 2 были испытаны в соответствии с ASTM B704 и ASTM B751 при усилии разрыва около 44 кг. Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1
Образец
Предел текучести, тыс. фунтов/кв. дюйм (МПа)
Предел прочности на разрыв (%)
1
128,2 (883,9)
155,9
2
135,2 (932,2)
161,1
3
136,7 (942,5)
162,1
Расчетное внешнее давление разрушения (по данным Американского института нефти, API 5C3) на основании наиболее неблагоприятных вариантов габаритов и минимального предела текучести составляет 10 324 фунта/кв. дюйм (71,2 МПа).
Расчетное внешнее давление разрушения (по API 5C3) на основании номинальных размеров и типичного предела текучести (120 тыс. фунтов/кв. дюйм (827,4 МПа)) составляет 15,258 тыс. фунтов/кв. дюйм (105,2 МПа).
2
В соответствии с наиболее консервативным номинальным значением, давление на испытанные кабели по настоящему изобретению превышает номинальное значение давления 50 Н/мм в 1,4 раза. Как правило, давление может быть превышено в 2,10 раза.