潜油电泵井下电缆击穿原因分析

李凌宇，魏舒，柳海啸，张宝青，李亦白

(1.中海石油(中国)有限公司蓬勃作业公司，天津 300459；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459)

0 引言

在中国石油开采领域，潜油电泵是其中不可或缺的重要采油设备。随着潜油电泵技术的不断发展，其在中国油田开采中的作用日益突出。众所周知，井下环境不仅潮湿，而且存在严重的腐蚀问题，随着潜油电泵工作年限的增加，与其连接的井下电缆的击穿问题发生概率将会显著提升，一旦出现击穿问题，则会对潜油电泵的工作安全性造成直接影响。因此，为了解决潜油电泵井下电缆击穿问题，除了要严格要求井下电缆的绝缘性外，还应对击穿问题发生原因进行深入分析，从而降低击穿问题发生概率，对提升井下开采安全与效率具有重要作用。

1 潜油电泵井下电缆的作用

在潜油电泵工作前，工作人员需要将井下电缆与潜油电泵进行连接，井下电缆不仅可以为潜油电泵提供持续的电能，而且还可以与地面上的电气控制柜进行连接，从而完成电气信号的传输工作，保证潜油电泵可以正常在井下工作。但是，在油田开采作业中，井下的环境十分复杂，随着开采作业的进行，井下温度会持续上升，加之油气资源本身存在的腐蚀性，井下电缆的工作条件相当恶劣。因此，为了增强井下电缆的抗腐蚀、耐高温能力，需要对井下电缆予以严格要求，保证其工作质量符合井下工作的需要。

2 潜油电泵井下电缆的结构

通常来说，潜油电泵需要在油井内部工作，为了更好地保护井下电缆，井下电缆需要放置在油井套管当中。由于油管与套管之间的空间有限，为了使井下电缆可以在套管中妥善安放，需要在制造井下电缆时，对其规格尺寸以及形状进行严格限制。一般来说，扁形与圆形是潜油电泵井下电缆最常见的形式。如果套管直径在140 mm左右，则可将扁形井下电缆放置在套管中，从而解决井下电缆与套管之间间隙比较小的问题。此外，对于圆形井下电缆而言，其大多应用在不适用扁形电缆的场合。在井下电缆结构中，其由许多部分构成，例如，导体、绝缘保护层以及护套保护层等均是井下电缆结构中不可或缺的部件。电缆中负责电力资源传输的部分为导体，其由无氧铜杆通过拉伸作用制成。为了防止聚丙烯与铜导线之间出现化学反应，在制作井下电缆过程中，需要采用镀锡处理方式，使导体与聚丙烯材料之间形成隔离作用[1]。根据井下电缆使用场合的区别，绞线可选用多股或单股形式。研究表明，井下电缆的耐高温性能好坏，与绝缘保护层的材料以及制造方式有很大关系。绝缘保护层大多由高分子材料制造，而与其他材料相比，高分子材料拥有更加稳定的物理与化学特性。聚丙烯以及三元乙丙橡胶是最常见的高分子材料，并且可以承受很高的环境温度，属于潜油电泵电缆材质最佳的选择之一。与此同时，随着科学技术的不断发展，为了进一步强化潜油电泵井下电缆的绝缘特性，除了可以将绝缘层厚度从标准的1.9 mm增加到2.3 mm外，还可将粘结剂涂抹在绝缘层与导体之间，使绝缘材料与导体之间形成良好的剥离作用，防止电缆中进入井中气体，增强绝缘效果，有助于延长井下电缆的使用寿命，降低电缆腐蚀程度，给予潜油电泵更好的保护作用[2]。

3 潜油电泵井下电缆击穿原因

潜油电泵井下电缆击穿问题的出现，与其老化、磨损有直接关联。研究表明，化学因素、温度因素 以及机械因素是引发击穿问题的直接原因。

3.1 化学因素

在潜油电泵工作过程中，井下电缆随着使用时间的增加，其绝缘层会因为化学因素作用而出现一系列问题，具体为：(1)在井下作业期间，由于其自身质量不达标，导致腐蚀程度加剧，从而对绝缘层造成破坏；(2)于井下作业的压力比较大，随着温度的不断变化，将会使绝缘层的腐蚀程度不断加剧，使得绝缘层出现程度不等的损坏；(3)井下气体的腐蚀性比较强烈，如果绝缘层外部出现损坏，将会导致强腐蚀气体进入导体与绝缘层之间的空隙，加快绝缘层的腐蚀速度。

3.2 温度因素

在油田开采阶段，随着开采活动的继续，井下温度会保持高温状态，最高可接近130 ℃左右，井下电缆绝缘层在此高温环境下，将会加快老化速度，影响绝缘效果。当前，绝缘层材料大多以聚丙烯为主，确保在75 ℃条件下电缆可以正常使用。如果井下温度大于75 ℃，随着使用时间的增加，则会导致开裂问题在绝缘层表面出现，影响绝缘层的绝缘效果。在启动潜油电泵瞬间，电缆中的电流会处于峰值状态，并且最大值可能是潜油电泵额定电流的六倍左右。如果启停潜油电泵比较频繁，同样也会加剧绝缘层的老化速度，引发击穿问题[3]。此外，在使用潜油电泵时，油井的负载会处于动态变化的区间，在此情况下，绝缘层的疲劳程度会进一步加剧，从而会损坏绝缘层的整体性，最终导致绝缘层的绝缘效果无法充分发挥，为击穿问题出现埋下隐患。

3.3 机械因素

在运输井下电缆时，由于存在外部作用力的作用，井下电缆本体结构会出现程度的损坏，从而使得绝缘层的作用得不到发挥，甚至会引发失效问题。此外，在安装潜油电泵时，由于安装人员的疏忽，将会导致机械损伤在井下电缆结构中出现，为井下电缆后期安全使用埋下隐患。最后，在潜油电泵工作期间，其会出现程度不等的振动现象，在振动作用的影响下，井下电缆同样会出现机械损伤问题，从而会诱发击穿问题。

4 电缆绝缘被击穿的过程

在对击穿问题进行归类统计后发现，潜油电泵井下电缆击穿问题大多有两类因素构成，即热击穿与电击穿。随着电缆工作时间增加，加之井下环境温度过高，在过热以及放电等因素的作用下，电缆绝缘层会出现程度不等的损坏，引发击穿问题。另外，尽管可通过科学手段控制井下电缆的电压，但是由于井下工作环境复杂，击穿现象仍然会频繁在潜油电泵井下电缆中出现，威胁潜油电泵的正常工作[4]。具体来说：(1)电击穿。与热击穿现象相比，电击穿现象往往很难被直接发现，当电压瞬时增加时容易引发电击穿问题。当电压瞬时升高后，绝缘层的薄弱部位难以承受瞬间的高电压，并且会产生无法快速释放的高温，在高温与瞬时高电压的作用下，使得井下电缆出现电击穿现象；(2)热击穿。对于绝大部分的绝缘材料而言，其可以承受的温度相对有限，随着井下电缆工作温度的不断变化，当温度达到一定临界点后，井下电缆绝缘材料会在高温作用下而导致其化学性质发生改变，从而引发热击穿问题。

5 降低潜油电泵井下电缆击穿概率的措施

为了降低潜油电泵井下电缆击穿事故出现的几率，需要做好以下工作：(1)在存放潜油电泵井下电缆时，注意不得对其放置在露天，并要在吊装、运输过程中对电缆实施妥善的保护措施，防止电缆外部结构出现损坏问题；(2)在安装潜油电泵井下电缆时，安装人员除了要遵守HSE规定外，还应在安装前做好充分的准备工作，了解井下电缆的安放位置与安装走向，提升井下电缆的安装效率；(3)在安装井下电缆时，采油井口与滑轮应放置在一个平面内，在下放电缆过程中注意对滑轮的工作状态进行监测，防止卡滞现象发生；(4)在下放井下电缆前，组织专人检查电缆绝缘层是否完好，并对绝缘性能实施必要的测试，测试人员应对最终的测试结果进行记录、存档，同时检查电缆外观是否完好；(5)在完成潜油电泵的组装工作后，可根据套管情况选取合适的井下电缆接头，并将电缆接头与潜油电泵连接为一个整体，安装人员应对连接位置使用防护罩进行密封处理；(6)安装人员将潜油电泵下放到油井中，下放时应控制潜油电泵的下放速度，不得速度太快，并在下放时对井下电缆实施必要的保护，以“轻提慢放”为原则将潜油电泵下放到要求位置，防止电缆在下放时出现损坏问题[5]；(7)做好绝缘层的监测工作，并且井下电缆的规格应满足潜油电泵的工作需要，防止载荷超出井下电缆的承受区间；(8)监测井下油液的温度，并以此为基础选取合适的井下电缆绝缘等级以及潜油电泵型号，避免潜油电泵负荷过大，增加井下电缆的工作负载；(9)以实际油井开采需求为基础，合理调整地面控制柜的保护设定值，不得频繁启停潜油电泵，或者不得随意增加潜油电泵工作负荷，降低击穿问题在井下电缆中出现的几率。

6 结语

在油田生产过程中，潜油电泵的作用不言而喻。因此，为了保证潜油电泵可以正常工作，除了要选取合适的井下电缆外，还要采取措施降低击穿问题在井下电缆中出现的几率，充分落实各项保护措施，加强对井下电缆绝缘层的监测力度，以规范、安全为准则做好相关工作，规范潜油电泵的日常操作，防止击穿现象出现在潜油电泵井下电缆工作期间，对促进中国油田安全生产具有重要意义。