浅析潜油电泵井下电缆击穿原因

李晶

（大庆油田力神泵业有限公司，黑龙江 大庆 163000）

潜油电泵采油技术是对于高产油井进行采油的主要技术之一，于20世纪60、70年代引入并进行大范围推广，当前已作为主要的人工举升采油设备。潜油电泵配套的井下电缆是潜油电泵机组系统中关键的构成单元，可以把地面之上的电能传送到井下的潜油电机之中，目前在重点的油井以及海上油井中多应用国外进口的电缆。而潜油电泵机组电缆是多处于井下高温、高压力以及易腐蚀的条件下工作，对于井下电缆的绝缘性能有着很高的要求。当前从潜油电泵的故障分析中来看，由于井下电缆击穿而造成的故障超过了70%，必须要对潜油电泵电缆击穿问题进行全面系统的分析，查找出具体原因，减小对检泵作业的工作频率。

1 潜油井下电泵电缆作用

潜油电泵井下电缆可以给潜油电泵机组提供电能，井下电缆的下部可以与利用引接电缆和潜油电机进行连接。地面上的电缆可以与电气控制柜进行连接，也可以通过该电缆把潜油电泵的配套传感器信号上传到地面之上。由于油井的环境较为恶劣，井内的温度较高，伴随着很大的压力，石油、天然气以及酸碱条件都具有很强的腐蚀性能，与地面上应用的普通电缆进行比较来看，其必须具备耐高温以及压力的能力，可以承受住油井内液体的腐蚀，方可以保持较好的电气绝缘稳定性、机械特性，潜油电泵井下电缆是一类科技含量较高的特殊电缆种类。

2 潜油电泵井下电缆结构

由于潜油电泵井下电缆下放到油井内部，会受到油井套管尺寸大小、套管和油管之间的空间影响，所以潜油电缆的制造尺寸被严格限定在一定区间内。潜油电泵的电缆形状为圆形和扁形，潜油电泵井下扁形电缆主要应用在油井套管和油管之间的间隙不大的条件下，适用于直径为不大于139.77毫米的套管。圆形的潜油电泵井下电缆适用于不可以利用扁形电缆的场合。电缆内部的构成由导体、绝缘保护层、护套保护层以及铠装层构成，电缆的导体是由长度较大的无氧铜杆拉伸制造形成的导线，用来传输电能，采用聚丙烯材料绝缘的电缆导体表面必须进行镀锡处理，避免铜和聚丙烯之间产生化学反应，绞线可采用单股或者多股形式。绝缘保护层直接影响着电缆的绝缘特性以及可以承受的温度情况，是由高分子材料加工制造而成。具备较好的介电特性，化学性质和物理性质较为稳定，利用材料大多为聚丙烯、三元乙丙橡胶，耐受温度在150℃以上的潜油电泵电缆材质应用聚酰亚胺-氟46复合薄膜乙橡胶组合而成的绝缘材料，工作电压在3千伏的井下电缆的绝缘层标准的厚度可达到1.9mm，而额定工作电压在6千伏的电缆的绝缘标准厚度为2.3mm。为了有效提高潜油电泵电缆的电气绝缘特性，乙丙橡胶电缆的导体与绝缘层之间应该涂上黏结剂，让导体与绝缘材料之间不能实现完全的剥离，可以避免油井内的气体在电缆内游动。护套保护层可以给绝缘层进行很好的保护，其质量的优劣直接影响着潜油电泵电缆的使用期限，必须要具备较好的密封能力，可防止油井内腐蚀物质对电缆内部的腐蚀。铠装保护层可以承受纵向的拉力，在电缆安装和拆卸过程中提供保护。

3 绝缘老化以及损坏的原因

（1）化学原因。化学原因可以划分为以下几种，其一，在对潜油电泵电缆进行生产过程中，电缆本身就存在着缺陷。其二，在温度以及压力值都较高、易腐蚀的油井条件下，油井内的液体对电缆的绝缘性能破坏。其三，油井内液体中的气体，比如硫化氢等会对电缆的绝缘性进行破坏，气体会进入到电缆绝缘保护层和线芯，加速了电缆绝缘的老化。其四，潜油电泵的长期应用过程中，绝缘材料会不断的老化。

（2）温度的原因。潜油电泵电缆的工作环境温度很高，一般都在90～130℃范围内，油井内的温度是影响电缆绝缘性能以及老化的主要因素，当前，如果电缆采用的绝缘材料为聚丙烯，则可以承受的温度不会大于75摄氏度，在高温的条件下会使电缆的绝缘层不断开裂，从而产生老化现象，还会让电缆的线芯产生偏移，引发局部发电问题。在油井的正常生产过程中，潜油电泵井机组启动的瞬时电流会达到额定电流的4～6倍，较高频率的启停机组会加速绝缘层的老化。而电泵内部砂质、泥土以及结垢物质会使电机的负载增大。地下油气储层的油液供应不足，使机组运行过程中产生的热能无法得到释放，在温度、压力都较高的状况下，油井的液体以及气体会进一步对电缆进行腐蚀，使绝缘老化的速率变快。油井在生产过程中，负载情况的改变以及冷却介质具备的温度的变化，会使绝缘介质产生弹性疲劳以及纤维组织断裂，导致绝缘材料的老化。而井下电缆每个部位的膨胀系数以及导热系数都存在着有效差异，当油井温度产生改变时，绝缘材料之间、绝缘材料与导体之间的结合部位会产生很大的应力，从而使电缆的绝缘性能变差。

（3）机械原因。在对潜油电泵井下电缆进行运输和施工过程中，会存在着挤压、碰撞和变曲问题，如果处理不好则会使绝缘层受到破坏，比如，在井下电缆和井口部位产生碰撞、井下电缆卡具紧固程度过大会使铅皮产生形变，各类机械损坏都会给电缆埋下隐患。潜油电泵在油井内进行采油作业时，电缆会经受着机械负载、机组的振动作用之下也会造成不同程度的破坏。在外部施加的机械作用力以及电动力的情况下，会使电缆的绝缘材料产生裂纹，从而影响着电缆的绝缘性能。

（4）电气原因。对潜油电泵机组进行频繁的启停或者过载，机组的运行电流会急剧变大，电缆绝缘材料在长时间的过载，承受着较大的过电压和电流会使绝缘加速老化。

4 电缆绝缘被击穿的过程

潜油电泵井下电缆绝缘被击穿的原因主要归为两类，也就是电击穿以及热击穿，而从系统来看，电缆绝缘层出现破坏的归因为过热、放电以及过电压。当前，随着科学技术的不断进步，对过电压现象进行了有效的限制，较长时间在工作电压条件下，会对潜油电泵电缆的绝缘性能产生较大的破坏，而在实际应用过程中，电缆的击穿主要是在工作电压的情况下产生的。

（1）电击穿。电击穿问题比较隐蔽，是由于短时的高电压而引发的，瞬时高电压可以对固体绝缘性能较为薄弱部位产生电击穿，产生了贯穿性的狭窄通道，该运行通道内部会分离出一些碳颗粒。通道被击穿必备的能量和吸收的能量都不是很大，局部产生的温度升高还没及时进行散放，跟被击穿之前进行比较来看，从外观上是没有任何区别的。

（2）热击穿。潜油电泵井下电缆的热击穿会伴随着热传递，绝缘材料承受较大的热量情况下，其化学性质会产生很大的变化，而产生的损坏是较大范围的，严重的会使整体绝缘材料受到破坏。

5 减少电缆击穿的措施

不应该对潜油电泵电缆进行露天的保存，在对其进行吊装、运输时要采取保护措施，防止对电缆进行磕碰，在潜油电泵机组安装作业过程中应该严格遵守HSE中规定的内容。在电缆下井作业之前的准备时期，可以把电缆安置于合理的位置，确定电缆的走向是正确的，天滑轮、采油井口应该处于同一平面内，可以保证电缆在下放过程中不存在卡滞的现象。在对电缆下放前应该再次对绝缘情况进行测试，可以测量绝缘电阻值，对电缆外观进行检查。当潜油电泵机组在地面组装完成之后，可以把小扁电缆接头和潜油电机引接部件进行电气连接和密封。潜油电泵机组外部的小扁电缆必须要加设保护罩。潜油电泵井下电缆会跟着电泵机组和油管一起下入到油井之中，应该保证电缆的滚筒运行速度和油管的下放度达到一致。在下放作业时应该要对电缆进行保护，对油管进行起下作业时要达到轻提慢放的要求，按着操作规程进行作业，防止由于人为因素对电缆造成损坏，在下放过程中应对井下电缆的绝缘情况进行监测。还应该科学合理地选择井下电缆，防止电缆的负载超出可以承受的范围。对油井内油液温度进行测量，从而确定出井下电缆的绝缘等级。对于地下油气储层的油液供给情况进行监视，选取出合理的电泵型号参数，防止出现油液供应不足的现象，导致电泵机组的运行温度过高，避免对电缆的绝缘性能造成破坏。根据油井的实际生产情况，对地面控制柜的保护设定值进行调整，防止频繁地启停机组和超负荷运行。

6 结语

综上所述，潜油电泵井下电缆故障直接影响着电泵机组的运行时间，对电缆被击穿现象进行分析，制定出应对措施十分必要。应该将电缆和电泵机组的选型作为出发点，在对油井的温度和供液情况了解的条件下再确定电缆的绝缘等级，在施工作业过程采取相关的保护措施，避免对电缆保护层进行破坏。在油井正常生产时，对机组的运行管理应该达到规范化，可以有效地避免井下电缆出现击穿现象。