Измерение температуры в кабеле для питания нефтепогружного насоса
В статье приведены результаты испытания электрооптического кабеля в составе плоского электрического кабеля питания нефтепогружных насосов и оптического микрокабеля, предназначенного для измерения распределения температуры по длине электрического кабеля с помощью измерителя рамановского рассеивания.
Измерение температуры в кабеле для питания нефтепогружного насоса
СМИРНОВ Ю.В., к.т.н., зам. директора ООО «НПП СТАРЛИНК»
ЛЮФТ А.Ф., зам. директора ООО «РОССКАТ»
Малай В.А., Ген. директор ООО «НПП СТАРЛИНК»
В настоящее время для питания погружных насосов, перекачивающих скважную нефтяную жидкость, широко распространены плоские высоковольтные силовые трехфазные электрические кабели (ПЭК), типа КПБВ, выпускаемые по ГОСТ Р 51777–2001.
В основе конструкции таких кабелей лежат три изолированные жилы и ленточная броня из коррозионно-стойкой оцинкованной ленты. При мощностях до 30 кВт наиболее широко используются кабели с рабочей температурой до 110 ◦С. Функционирования каждого единичного нефтяного насоса вместе с системой управления работой насосом, автоматизировано и сопровождается непрерывным контролем в реальном времени. Такие системы получили название Интеллектуальная скважина. Понятно, что эксплуатирующие организации заинтересованы в эффективном управлении системы, что прежде всего определяется продуманной и грамотной системой измерения основных параметров, необходимых для управления автоматикой (А).
В современных системах ее построение, в частности, может быть основано на измерениях фазовых токов ПЭК [1] с помощью индуктивных датчиков, совместимых с конструкцией ПЭК. Данные о токах, протекающих по отдельным фазам, поступают в блок управления с различных глубин скважин непосредственно по изолированным жилам. Дополнительная информация поступает от точечных датчиков давления и температуры скважной жидкости, установленных в районе погружного двигателя.
Однако опыт эксплуатации электрических кабелей показал, что на практике имеет место выход из строя электрических кабелей, происходящий в основном в районе муфты подключения кабеля к двигателю.
В последние годы кабельщики РОССКАТА и сервисные фирмы, отвечающие за соединение и подключение двигателей с насосами к кабелю, пришли к необходимости повысить требования к температурной стойкости нижней глубинной части кабеля. Указанное косвенно связано с предположением, что причиной выхода из строя может быть внутренний нагрев ПЭК под бронированной оболочкой.
Такое предположение вполне естественно, поскольку при больших токах, протекающих под бронированной оболочкой кабеля, выделение джоулева тепла может не компенсироваться оттоком тепла за счет теплопередачи и его отводом протекающей жидкости. Во всяком случае, это требует проверки прямым экспериментом.
Проведение исследований распределения температуры по длине ПЭК
Целью нашей работы, результаты которой изложены ниже, было проведение исследований распределения температуры по длине ПЭК.
Для этой цели нами предложена следующая модернизация ПЭК. Рис 1.
Изготовлена следующая конструкция электрооптического кабеля (ЭОК).
Под ленточную броню в естественной выемке между поверхностями изолированных жил уложен малогабаритный бронированный оптический кабель (ОК). При диаметре по изоляции электрических жил около 9 мм оптический кабель марки СЛ-ОКМБ производства ООО «НПП Старлинк» с наружным диаметром 3,4 практически вписался в естественном пазу. Нетканая полимерная лента занимает свободное пространство внутри под ленточной броней.
На рис 1а: (Электрооптический кабель)
- Изолированные жилы.
- Бронированный оптический кабель.
- Ленточная броня.
- Нетканая лента.
На рис 1б: (Оптический кабель типа СЛ-ОКМБ)
3 — оптические волокна, 5 — прядь из стальных канатных преформированных проволок, 6 — оболочка из фторопласта 4 — МБ.
Бронированный микрокабель СЛ-ОКМБ
Оптическое многомодовое волокно фирмы Корнинг диаметром 245 мкм уложено внутри гибкой стальной бронированной трубки выполненной из проволок каната ГОСТ 3069. Наружный диаметр по броне 2,9 мм. Оболочка из фторопласта -3,4 мм выполнена для защиты от химически агрессивных компонентов скважной жидкости.
Волоконно-оптический кабель данной конструкции обладает высокой стойкостью к поперечным раздавливающим нагрузкам, которые декларированы и на самом деле имеют место. Достоинством этой конструкции ОК также является высокая гибкость, что дает ему эксплуатационную устойчивость, необходимую при бронировании кабеля.
Мы внимательно проследили поведение ОК при бронировании и перемотках в условиях кабельного производства и подготовки при подключении ЭОК к насосу. Целостность волокна сохранена, также как и исходное затухание ОВ.На рис 2. приводим практическую картинку расположения нижнего конца оптического бронированного кабеля освобожденного для подключения к измерительной аппаратуре.
Как видно, бухта оптического кабеля нужной длины легко укрепляется сбоку или внутри животика огромного барабана и не мешает в полевых условия погружению насоса и подключения к аппаратуре после установки.
- Представленный кабель длиной около 2450 м привезен на скважину.
- Общая длина электрического кабеля составила — 2450 м.
- С верхнего конца электрического кабеля имел место дополнительный отрезок оптического кабеля, выделенный специально для измерений при изготовлении электрооптического кабеля. Его длина около 70 м
- Нижний конец оптического кабеля вмонтирован непосредственно в электрическую муфту.
Далее проведены следующие измерения в процессе опускания насоса в скважину. Кратко методика проведения испытаний (из прилагающегося к статье Протокола)
Измерения распределения температуры по длине проведены с помощью рамановского измерителя обратного рассеивания ИТОВ -1.
Для проведения измерений к верхнему концу кабеля подваривалась измерительная катушка длиной около 1850 м., которая далее в процессе испытаний была заменена на короткий конец с оптическим разъемом и оптической муфтой, соединенной с основной длиной оптического кабеля — датчика
Фиксировались кривые обратного рассеивания и температурные кривые. В том числе температура в отдельных точках на кривых.
При проведении испытаний измерения проводились в отдельные характерные промежутки времени после характерных этапов:
- Перед спуском;
- В начале спуска;
- В середине спуска;
- После окончания спуска перед подключением питания двигателя;
- В начале подключения с характерными режимами питания.
- Через ночь утром в 7ч. 20.09, когда насос проработал ночь при стабильном питании в еще недогруженном режиме.
В процессе измерений параллельно были измерены сопутствующие параметры, обычно контролирующиеся при запуске насоса скважины.
Характерным параметром являлся температура в скважине, измеренная на датчике, помещенном в двигателе, информация о которой передается по электрическому кабелю.
Погрешность измерения температуры используемой системы не превышает +\- 2 °С.
В результате проведенных испытаний (подробно см. прилагающийся к статье протокол). Отмечено, что измерение распределения затухания по длине оптического кабеля на Стоксовской и Антистоксовской компонентах обратного рассеивания следует связывать с изменением температуры
Нами подробно изучены температурные характеристики — распределения затухания по длине внутри под броней электрооптического кабеля на всех указанных выше этапах спуска и выхода на режим работы скважины
Выводы:
Установлено, что:
По мере опускания двигателя температура внизу в скважине повышается;
После опускания температура внизу на уровне двигателя при неработающей скважине около 60 oС;
После включения двигателя температура внизу медленно, но верно повышается и, в конце концов, достигает 140 oС.
Этот подъем температуры следует считать однозначным и естественным.
Ввиду относительно короткого времени измерений, конечно, не следует считать процесс установления температуры для данной скважины окончательным. Но, тем не менее, он имеет свои характерные черты.
Ниже полностью приведен Протокол испытания электрооптического кабеля.
Литература:
- Flat power cable US Patent № 2011/0011617 A1 Int. Cl H01B 7/08. Приоритет от Jan. 11, 2008 г.
- Кабель для установок погружных насосов. РФ. Патент на полезную модель № 74004. Приоритет от 29.01.2008 г.
- Мокански. Силовой кабель высокого напряжения со встроенным волоконно-оптическим модулем. Кабельная техника 2009 г. № 2 (315) стр 14–163.
- ГОСТ Р 51777–2001. Кабели для установок погружных насосов.
Поделиться:
