Результаты опытно-промысловых испытаний погружных кабельных линий из термокоррозионностойкого алюминиевого сплава ТАС в ООО «Газпромнефть-Хантос»

А.А. Шушаков, А.Ф. Галеев (ПАО «Газпром нефть»), Н.М. Катрич, Н.П. Сарапулов, Научно-Технический Центр «Газпром нефти» (ООО «Газпромнефть НТЦ»), А.Г. Сулейманов, И.А. Сашин (ООО «Газпромнефть-Хантос»)

Источник: Журнал «Нефтяное хозяйство»

Более 90 % всей добычи в компании «Газпром нефть» осуществляется механизированным способом с применением установок электроцентробежных насосов (УЭЦН). Одной из главных и в то же время уязвимой составляющей УЭЦН является нефтепогружной кабель на напряжение 3,3 кВ. Стоимость кабельной линии, в зависимости от глубины спуска, составляет около трети стоимости УЭЦН. В нефтедобывающей отрасли из-за нестабильности физико-механических свойств добываемой продукции применяется более дорогой материал — медь. При использовании алюминия потенциально можно значительно сократить операционные затраты на добычу углеводородов.

Компания «ЭЛКА-Кабель» в 2013 г. анонсировала новую линейку кабельной продукции, особенностью которой стало применение запатентованного термокорро-зионностойкого алюминиевого сплава (ТАС) (патент на полезную модель № 118789) для изготовления жил. Сплав ТАС представляет собой термостойкий алюминиевый сплав, модифицированный редкими или редко-земельными металлами: цирконием, скандием, иттрием, церием, лантаном, ванадием, гафнием или их смесями.

Электрическая проводимость алюминия в 1,6 раза меньше, чем меди, при этом стоимость алюминия приблизительно в 4 раза ниже, а за счет меньшей плотности (в 3,3 раза) для получения равного сопротивления по массе его нужно приблизительно в 2 раза меньше.

Применение предложенной продукции возможно только при условии сохранения надежности и характеристик жилы, аналогичных медному материалу по целому спектру механических и физических свойств, таких как прочность, пластичность, коррозионная стойкость, электро- и теплопроводность, термостойкость, коэффициент температурного расширения и др.

Нефтепогружной кабель с изоляцией из блоксополимера пропилена с этиленом изготавливается по ТУ 3542-03б- 109958 63-2012. По данным производителей, кабель с жилами из ТАС не уступает по свойствам кабелю с медной жилой за исключением удельной электрической проводимости материала жил, которую удалось компенсировать переходом на следующий типоразмер жилы — с 16 на 25 мм2. В зависимости от мощности двигателя в «Газпром нефти», как правило, используются кабели двух сечений — 16 и 25 мм2, причем доля первого в целом по компании составляет около 80 %, 12 % из них — с освинцованной термовставкой с медными жилами.

Кабель с алюминиевыми жилами

Примечание. qж, qн — дебит соответственно жидкости и нефти; pпр — давление на приеме УЭЦН, Tпр — температура на приеме УЭЦНГТМ — геолого-технические мероприятия.

С учетом увеличения объема металла для компенсации электропроводности, а также массы изоляции и брони при переходе на следующий типоразмер кабеля стоимость кабеля с жилами ТАС в сравнении с традиционной кабельной продукцией, остается на 30 % ниже. Таким образом при условии внедрения данной продукции на целевом фонде компании потенциально можно сократить затраты на оборудование УЭЦН или услуги по прокату погружного оборудования на 5–7 %.

Подготовка к испытаниям

Для подтверждения заявленных свойств кабельной продукции перед опытно-промысловыми испытаниями (ОПИ) продукция прошла испытания в Центральной лаборатории ОАО «Росскат». С целью определения соответствия изготовленной продукции требованиям ТУ 3542-028-10995863-2011, а также ГОСТ Р 51777- 2001. По заключению лаборатории кабельная продукция соответствует заявленным требованиям.

Потенциально уязвимым участком является сросток алюминиевого кабеля с медным, при стыковках с «удлинителем» или «термовставкой». Одна из причин — электрохимическая коррозия при образовании гальваниче- ской пары на стыке двух металлов. Кроме того, недостатком алюминия как электротехнического материала является образование на его поверхности прочной диэлектрической оксидной пленки, затрудняющей пайку и за счет ухудшения контактного сопротивления вызывающей повышенное нагревание в местах электрических соединений, что в свою очередь снижает надежность электрического контакта и изоляции.

Сростки жил

Для устранения указанных недостатков и определения оптимальных вариантов сростки медной жилы сечением 16 мм с жилой из ТАС в лаборатории ООО НПФ «Битек» был проведен ряд испытаний. В эксперименте участвовали медные гильзы БТ.0008-01, БТ.0009-01 из промышленного алюминия, алюмомедная гильза ГАМ, изготовленные по ТУ 3449-017-59861269-2004. По результатам испытаний совместно с компанией «ЭЛКА- кабель» были разработаны медные луженые гильзы собственной конструкции, а также технологическая инструкция для изготовления сростков кабеля.

Опытно-промысловые испытания

В конце 2013 г. начаты полномасштабные испытания кабеля ТАС в ООО «Газпромнефть-Хантос» в объеме 27 км. ОПИ проводились совместно с сервисными компаниями «СК Борец», «Новомет-Сервис», «Бейкер Хьюз Б.В.». Срок их проведения— не менее 1 года безотказной эксплуатации.

В качестве граничных условий эксплуатации подконтрольного оборудования были определены следующие критерии оценки эффективности ОПИ:

— соответствие оборудования заявленным характеристикам;

— отсутствие отказов в течение срока ОПИ, связанных с браком или конструкционными недоработками;

— ремонтопригодность кабеля.

Скважины-кандидаты подбирались на Приобском месторождении из малодебитного фонда, где эксплуатиру- ется оборудование с низким к.п.д.; с глубиной более 2500 м; с осложненным и нестабильным притоком флюида к забою скважин и высокой пластовой температурой.

Различные гильзы для соединения кабельных жил

Итоги опытно-промысловых испытаний

Компоновки, в составе которых эксплуатировался кабель ТАС, были спущены в 11 скважин (в одну из них — повторно после отбраковки и ремонта). На 14.10.15 г. в работе находились четыре установки с максимальной наработкой 677 сут и средней наработкой 639 сут. Из семи остановленных установок три остановлены для проведения геолого-технических мероприятий, а четыре отказали по причине R-0 (сопротивление изоляции равно 0) (см. таблицу).

В связи с тем, что в компании принят целевой ориентир показателя надежности 730 сут, анализировались все отказы и остановки, которые происходили после установленного в программе ОПИ срока.

Рассмотрим отказы подробнее для определения основных причин, приведших к выходу УЭЦН из строя.

Скв. 5 (R-0). Наработка на отказ — 493 сут. Причиной отказа стал прогар сростка кабеля между удлинителем и кабелем ТАС. Данная компоновка спускалась без термовставки, освинцованного кабеля, рассчитанного на температуру 230 °С. В процессе эксплуатации на термодатчике погружного электродвигателя (ПЭД) была зафиксирована максимальная температура 120 °С. С учетом того, что сам ЭЦН является узлом с самым низким к.п.д. и в нем происходит дополнительный нагрев, кабель ТАС, включая сросток с удлинителем, мог нагреться до сверхдопустимых температур. Субъективно главной причиной отказа можно считать перегрев установки либо брак монтажа сростка.

Скв. 6 (R-0). Наработка на отказ — 245 сут. Подконтрольная установка отработала менее установленного в программе ОПИ срока. Как и предыдущая, она спускалась без термовставки. Причиной отказа стал прогар сростка кабеля между удлинителем и кабелем ТАС. В процессе эксплуатации на термодатчике ПЭД была зафиксирована максимальная температура 120 °С. Субъективно главной причиной отказа можно считать перегрев установки либо брак монтажа сростка.

Скв. 7 (R-0). Наработка на отказ — 157 сут. Причиной отказа стал прогар сростка кабеля между термовставкой и кабелем ТАС. При комиссионном демонтаже выявлены следы перегрева погружного электродвигателя и плавление свинцовой оболочки удлинителя, что в свою очередь косвенно свидетельствует о перегреве кабельной линии ТАС сверхнормативных температур. Субъективно главной причиной отказа можно считать перегрев установки либо брак монтажа сростка.

Скв. 8 (R-0). Наработка на отказ — 122 сут. Причиной отказа стало снижение изоляции ПЭД до нуля. Причины отказа подконтрольного кабеля не выявлены.

После демонтажа и отбраковки кабельных линий из скв. 8 и 11 остатки ТАС повторно были спущены в скв. 12, в которой установка отработала 133 сут и была извлечена по причине проведения ГТМ.

По итогам испытаний средняя отбраковка составила около 61 % (без учета повторного спуска кабеля — 55 %), что несколько больше среднего значения для традиционно применяемого оборудования. Следует отметить, что скважины-кандидаты подбирались на осложненном фонде. Также по результатам расследования по ряду скважин были выявлены факты значительного перегрева оборудования: выплавление всех термоиндикоторов ПЭД до температуры 180 °С, плавление свинцовой оболочки удлинителя, следы перегрева деталей двигателя.

Таким образом, можно сделать однозначный вывод о перспективности использования данной технологии в нефтедобывающей отрасли. По итогам ОПИ технология была признана успешной, однако решение о ее полномасштабном внедрении в компании в настоящее время не принято из-за ряда вышеописанных недостатков, которые требуют дальнейших доработок. На научно-техническом совете Блока разведки и добычи ПАО «Газпром нефть» с учетом потенциального эффекта от внедрения данной технологии рекомендовано:

— продолжить подконтрольную эксплуатацию кабеля, находящегося в эксплуатации;

— расширить испытания в объеме не менее первоначальной партии;

— пересмотреть технологию сростка кабеля ТАС с медной жилой:

— включить плавкие термоиндикаторы в состав строительной длины для определения граничных условий применения кабеля с жилами из ТАС .

Возврат к списку