淺析潛油電泵井下電纜擊穿原因

李晶

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163000）

潛油電泵采油技術(shù)是對于高產(chǎn)油井進行采油的主要技術(shù)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(shè)備。潛油電泵配套的井下電纜是潛油電泵機組系統(tǒng)中關(guān)鍵的構(gòu)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(yīng)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(tǒng)的分析，查找出具體原因，減小對檢泵作業(yè)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(huán)境較為惡劣，井內(nèi)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(yīng)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(nèi)液體的腐蝕，方可以保持較好的電氣絕緣穩(wěn)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(jié)構(gòu)

由于潛油電泵井下電纜下放到油井內(nèi)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(qū)間內(nèi)。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(yīng)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(nèi)部的構(gòu)成由導(dǎo)體、絕緣保護層、護套保護層以及鎧裝層構(gòu)成，電纜的導(dǎo)體是由長度較大的無氧銅桿拉伸制造形成的導(dǎo)線，用來傳輸電能，采用聚丙烯材料絕緣的電纜導(dǎo)體表面必須進行鍍錫處理，避免銅和聚丙烯之間產(chǎn)生化學反應(yīng)，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(zhì)和物理性質(zhì)較為穩(wěn)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(zhì)應(yīng)用聚酰亞胺-氟46復(fù)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(dǎo)體與絕緣層之間應(yīng)該涂上黏結(jié)劑，讓導(dǎo)體與絕緣材料之間不能實現(xiàn)完全的剝離，可以避免油井內(nèi)的氣體在電纜內(nèi)游動。護套保護層可以給絕緣層進行很好的保護，其質(zhì)量的優(yōu)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(nèi)腐蝕物質(zhì)對電纜內(nèi)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(chǎn)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(nèi)的液體對電纜的絕緣性能破壞。其三，油井內(nèi)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(yīng)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(huán)境溫度很高，一般都在90～130℃范圍內(nèi)，油井內(nèi)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(chǎn)生老化現(xiàn)象，還會讓電纜的線芯產(chǎn)生偏移，引發(fā)局部發(fā)電問題。在油井的正常生產(chǎn)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(nèi)部砂質(zhì)、泥土以及結(jié)垢物質(zhì)會使電機的負載增大。地下油氣儲層的油液供應(yīng)不足，使機組運行過程中產(chǎn)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(chǎn)過程中，負載情況的改變以及冷卻介質(zhì)具備的溫度的變化，會使絕緣介質(zhì)產(chǎn)生彈性疲勞以及纖維組織斷裂，導(dǎo)致絕緣材料的老化。而井下電纜每個部位的膨脹系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)都存在著有效差異，當油井溫度產(chǎn)生改變時，絕緣材料之間、絕緣材料與導(dǎo)體之間的結(jié)合部位會產(chǎn)生很大的應(yīng)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(chǎn)生碰撞、井下電纜卡具緊固程度過大會使鉛皮產(chǎn)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(nèi)進行采油作業(yè)時，電纜會經(jīng)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(chǎn)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(tǒng)來看，電纜絕緣層出現(xiàn)破壞的歸因為過熱、放電以及過電壓。當前，隨著科學技術(shù)的不斷進步，對過電壓現(xiàn)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(chǎn)生較大的破壞，而在實際應(yīng)用過程中，電纜的擊穿主要是在工作電壓的情況下產(chǎn)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(fā)的，瞬時高電壓可以對固體絕緣性能較為薄弱部位產(chǎn)生電擊穿，產(chǎn)生了貫穿性的狹窄通道，該運行通道內(nèi)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(chǎn)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(qū)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(zhì)會產(chǎn)生很大的變化，而產(chǎn)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(yīng)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(yè)過程中應(yīng)該嚴格遵守HSE中規(guī)定的內(nèi)容。在電纜下井作業(yè)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(yīng)該處于同一平面內(nèi)，可以保證電纜在下放過程中不存在卡滯的現(xiàn)象。在對電纜下放前應(yīng)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(shè)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(yīng)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(yè)時應(yīng)該要對電纜進行保護，對油管進行起下作業(yè)時要達到輕提慢放的要求，按著操作規(guī)程進行作業(yè)，防止由于人為因素對電纜造成損壞，在下放過程中應(yīng)對井下電纜的絕緣情況進行監(jiān)測。還應(yīng)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(nèi)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(jiān)視，選取出合理的電泵型號參數(shù)，防止出現(xiàn)油液供應(yīng)不足的現(xiàn)象，導(dǎo)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(jù)油井的實際生產(chǎn)情況，對地面控制柜的保護設(shè)定值進行調(diào)整，防止頻繁地啟停機組和超負荷運行。

6 結(jié)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(xiàn)象進行分析，制定出應(yīng)對措施十分必要。應(yīng)該將電纜和電泵機組的選型作為出發(fā)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(yè)過程采取相關(guān)的保護措施，避免對電纜保護層進行破壞。在油井正常生產(chǎn)時，對機組的運行管理應(yīng)該達到規(guī)范化，可以有效地避免井下電纜出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。