Обзор номенклатуры кабелей для питания электроустановок электроцентробежных насосов



Эксплуатация нефтяных скважин с помощью электропогружных центробежных насосов (ЭЦН) широко распространена на нефтяных промыслах Российской Федерации. При больших отборах жидкости из скважины установки ЭЦН наиболее экономичны и наименее трудоемки при обслуживании, по сравнению с компрессорной добычей и подъемом жидкости насосами других типов.

В Российской Федерации установками ЭЦН оснащено более 35 % всех нефтяных скважин и добывается более 65 % всей нефти. [4]

Но УЭЦН нужно как-то запитать, поэтому данная статья посвящается обзору номенклатуры кабелей питания: назначение, конструкция и применяемые материалы.

Назначение силовых кабелей для УЭНЦ

Силовой кабель УЭЦН передает необходимую поверхностную мощность на насос. Как правило, он закреплён или прикреплен к эксплуатационной трубе снизу устья скважины к УЭЦН, поскольку он не рассчитан на собственный вес. Это специально разработанный трехфазный силовой кабель, разработанный для скважинных условий. Ниже приведён пример кодировки марок подобных кабелей на примере КБТ-232-С ELF -3Х16 4кВ (кабель бронированный термостойкий марки CELF с тремя жилами номинальным сечением 16 номинальным напряжением 4кВ и длительно допустимой температурой нагрева жил 232 ℃) [1].

Кабель	К
Бронированный (Оцинкованная лента)	Б
Бронированный (монель)	Бм
Бронированный (коррозийностойкая нержавеющая лента	Бк
Термостойкий	Т
Cu (медь), EDPM (резина), Lead (свинец), Flat (плоский)	CELF
Количество жил и сечение в	3х16
Номинальное напряжение	4 кВ

Основная конструкция силового кабеля для УЭЦН

Типы кабелей

Рис. 1. Основные тип форм силовых кабелей: плоская (слева) и круглая (справа)

В основном кабель имеет 2 типа: плоский и круглый. На рисунке 1 представлены примеры схем наиболее распространённых конструкций:

Рассмотрим типы подробнее:

1) Плоская конструкция

Типичные конструкции и геометрии плоского силового кабеля УЭЦН показаны на рисунке 2. Он состоит из трех изолированных проводников, проложенных параллельно броне, обернутой вокруг них, обеспечивая более низкий профиль при зазоре между внутренним диаметром корпуса и рабочим диаметром. Наружный диаметр трубки ограничен. Плоский кабель не подходит для сдерживания сил распухания от нефти или декомпрессии газа из-за небольших промежутков между отдельными проводниками. Если изоляция или оболочка расширяется на плоском кабеле, она деформирует броню, изгибая ее вдоль своей длинной оси и позволяя проводникам залазить друг на друга. Расширение изоляции и оболочки могут привести к расщеплению изоляции, что может привести к электрическому пробою. Плоские кабели, из-за своей конфигурации параллельных проводников, имеют дисбаланс по напряжению и дисбаланс току. Обычно это не учитывается при длине менее 3 км, если только скважина не очень горячая и не превышает температурные пределы насоса [2].

2) Круглая конструкция

Круглый кабель превосходит плоский кабель, потому что он обеспечивает большую защиту проводников. Его типичная конструкция и геометрия показаны на рисунке 3. Круглый кабель обеспечивает превосходную герметичность сердечника кабеля, что позволяет ему лучше противостоять декомпрессии и силам разбухания от нефти без повреждений. Поскольку давление естественно распределяется в круглой форме, а пространство между изоляцией и внутренней частью брони кабеля заполнено материалом оболочки, кабельная броня ограничивает и предотвращает любое расширение изоляции из-за разбухания от нефти или расширения газовой декомпрессии. Круглый кабель также естественно сбалансирован по сопротивлению из-за равноудаленного расстояния между проводниками. Следовательно, нет проблем с дисбалансом напряжением или тока, влияющих на насос [2].

Рис. 2. Строение плоского типа: а) обычный тип изоляционной защиты; б)ленты и косы; в) в капсуле

Рис. 3. Строение круглого типа

Основные элементы кабеля

Рассмотрим основные составляющие силовых кабелей:

1. Проводящая часть

Представляет собой чаще всего медные провода, которые могут иметь либо одну сплошную конфигурацию, либо несколько меньших жил. Единая жила предлагают больше преимуществ, чем их многожильный аналог. Она меньше по размеру, её легче чистить и соединять, они не адсорбируют газы, имеют более гладкую поверхность для изоляции, что снижает электрические напряжения, и они дешевле. В свою очередь многожильный кабель обеспечивает большую механическую гибкость, но обычно это не считается основным преимуществом. Кроме того, если пустоты в кабеле не заполнены, газы могут свободнее перемещаться вверх или вниз по нему [3].

Если используется медный проводник, то он обычно лужен или покрыт сплавом олово/свинец, когда изолирован полипропиленом. В определенных условиях скважин прямой контакт между медью и полипропиленом может вызвать в изоляции «отравление медью», что снижает ее электрическую прочность и ухудшает ее физические свойства. Изоляция из синтетического каучука не реагирует с медью, поэтому подавляющее большинство всех кабелей УЭЦН с резиновой изоляцией изготовлены из простых медных проводников.

2. Изоляция

Существует два основных типа изоляции, используемых в силовом кабеле УЭЦН: полипропилен и синтетический каучук: этилен-пропиленовый сополимер (СКЭП в РФ и EPDM в мире). Полипропилен (ПП) — это изоляция с более низкой работоспособной температурой, а также более прочный материал, чем резина, и, как правило, рентабельнее неё. Номинальная температура изоляции для ПП составляет 96 °C, но она может быть увеличена до 107 °C с добавлением экструдированного защитного слоя из свинца. Выше этих температур всегда требуется резиновая изоляция. СКЭП является предпочтительной изоляцией для кабелей с синтетическим каучука. Состав каучука с более чем двадцатью другими ингредиентами даёт ему слабое набухание от нефти, довольно слабое растяжение. В отличие от этого, СКЭП, разработанный для поверхностного силового кабеля, не подходит для работы в скважине на нефтяных скважинах из-за его чрезмерного разбухания. Большая часть высококачественной изоляции на основе СКЭП рассчитана на температуру проводника до 232 °C

3. Изоляционные защитные слои

Проводники со СКЭП-изоляцией нуждаются в защите от нефтяной среды из-за их разбухания от нефти. Чтобы обеспечить защиту от нефти и контролировать набухание, на изоляцию наносятся различные типы защитных слоев. Начиная с самого низкого уровня защиты до самого высокого, эти уровни рассмотрим далее.

Ленты и косы. Тонкие ленты из поливинилфторида намотаны поверх одиночных проводников со СКЭП-изоляцией. Недостаток ленты состоит в том, что она имеет перекрытия, в нефть может просачиваться. Чтобы сделать ленты более эффективными, можно наматывать ленту с заходом на предыдущий моток. Чтобы добавить дополнительную защиту, на ленту можно надеть оплетки. Распространенными материалами для оплетки являются нейлон и полиэстер, которые имеют пределы температуры в воде около 121 °C. Более дорогие сконструированные волокна могут быть использованы для увеличения этой температуры до 149–205 °C.

Экструдированный барьер. Следующий уровень защиты — это непрерывное выдавливание высокотемпературного пластикового слоя поверх изоляции. Экструдированный барьер не имеет перекрытий, позволяющих маслу контактировать с изоляцией. Кроме того, это увеличивает электрическую прочность системы изоляции. Это также повышает химическую стойкость кабеля, а в газовых скважинах регулирует скорость декомпрессии скважинных газов, которые проникли в изоляцию. Экструдированные барьеры изготавливаются из фторполимеров, таких как поливинилиденфторид (ПВДФ), рассчитанный до 160 °C, и фторированный этиленпропилен (ФЭП), рассчитанный до 205 °C.

Свинцовый барьер. В скважинах, которые имеют повреждающее количество сероводорода, медные проводники могут вступить в реакцию и разрушиться. Чтобы защититься от этого, тонкий слой свинца наносится поверх изоляции. Для ПП-изоляции, провод увеличивает максимальную рабочую температуру кабеля. Для изоляции СКЭП тканевая лента или оплетка помещается поверх провода в качестве вспомогательного средства для производства, чтобы минимизировать искажение провода во время бронирования. Этот шаг не требуется для ПП, потому что это сложнее и экономически не целесообразен. Как правило, свинцовые барьеры изготавливаются в плоских конфигурациях, но могут быть выполнены в круглых конфигурациях для дополнительной прочности и защиты.

4. Оболочка

Оболочка предназначена для защиты изоляции от физических повреждений. Кроме того, в круглых кабелях оболочка заполняет пространство между изолированными проводниками и внутренней частью брони, так что броня может эффективно защищать весь кабель от нефтяного и декомпрессионного набухания. Типичные материалы оболочки включают нитрил и СКЭП каучук. Нитриловая резина имеет рабочую температуру 138 °C и очень устойчива к набуханию от нефти. Как обсуждалось выше, свойства СКЭП каучука могут варьироваться в зависимости от его состава, но он рассчитан до 205 °C, и он набухает в нефти.

5. Броня

Металлическая броня, которая намотана вокруг трех изолированных проводников (плоский кабель) или проводников в оболочке (круглый кабель), основная функция которой обеспечение механической защиты изолированных проводников. На круглом кабеле она имеет дополнительную функцию: обеспечение дополнительной защиты от вздувания нефтью и декомпрессии газа. Броня обычно изготавливается из мягкой оцинкованной стали, которая применима для скважин, без или средней коррозийной средой. Оцинкованная броня обычно выполняется в нескольких слоях, что повышает механическую и антикоррозийную защиту. В более агрессивных средах доступны специальные металлы, такие как нержавеющая сталь и другие сплавы.

Вывод

Силовые кабели имеют множество конструкций. В данной статье были рассмотрены основное строение силовых кабелей для УЭНЦ и основные типы материалов, использующиеся в них. Также были рассмотрен пример кодировки кабелей основных марок и представлена их расшифровка.

Литература:

1. Ковалев А. Ю., Кузнецов Е. М., Аникин В. В. Станции управления электропогружными установками насосной эксплуатации скважин. — Омск: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» (Омск), 2013. — 128 с.
2. Neuroth, D. 2000. ESP Cable Design and Application Fundamentals—Power Cable Design to Operational Success. Paper presented at the 2000 Southwestern Petroleum Short Course Conference, Lubbock, Texas
3. Production Technology https://production-technology.org/esp-cable/
4. ПСКОВГЕОКАБЕЛЬ http://pskovgeokabel.ru/products/1_16/