Руководство по кабелям УЭЦН (ESP) и удлинителям MLE: IEEE 1018/1019

Кратко: насосная колонна нефтяной скважины сочетает основной силовой кабель на 3 kV – 5 kV с плоским кабелем высотой от 8.5 mm до 12.2 mm — кабелем-удлинителем токоввода двигателя УЭЦН (MLE) на узле токоввода погружного электродвигателя. Проверьте, требуется ли для вашей скважины IEEE Std 1018 (1017.2-2021) с изоляцией из EPR-резины или IEEE Std 1019 (1017.3-2021) с жилами из полипропилена (PP). Учитывайте скважинный нагрев, который повышает сопротивление меди на 55.02% при росте температуры с 20 °C до 160 °C согласно IEC 60228, и проверяйте газобарьерные слои перед заказом.

Установка электроцентробежного насоса (ESP / УЭЦН) объединяет основной скважинный силовой кабель, промысловые сростки и удлинитель токоввода двигателя (MLE). Узел подключения двигателя работает в условиях более узкого межтрубного зазора, более высокой рабочей температуры и более агрессивной химической среды, чем кабель на насосно-компрессорных трубах (НКТ) выше него. Подбирайте всю кабельную линию по проверенным параметрам скважины и оборудования, а не по одной обобщённой высокотемпературной маркировке.

Сравнение конструкций кабелей

Базовый стандарт

• Удлинитель токоввода MLE (MLE-TF / MLE-PB): IEEE 1018 / 1019 (1017.2 / 1017.3), API RP 11S5
• Плоский кабель ESP (ESP-FLAT): IEEE 1018 / 1019 (1017.2 / 1017.3), API RP 11S6
• Круглый кабель ESP (ESP-RND): IEEE 1018 / 1019 (1017.2 / 1017.3), API RP 11S6
• Погружной насосный кабель ЧРП (Sub-VFD): DIN VDE 0250-812, EN 50525-2-21, AD8

Зона скважины

• Удлинитель токоввода MLE (MLE-TF / MLE-PB): Нижние 15–45 м вдоль насоса, гидрозащиты и узла токоввода двигателя
• Плоский кабель ESP (ESP-FLAT): Малогабаритные или наклонно-направленные скважины с малым зазором в обсадной колонне
• Круглый кабель ESP (ESP-RND): Основная вертикальная или слабонаклонная колонна НКТ
• Погружной насосный кабель ЧРП (Sub-VFD): Шахтные стволы, водосборные колодцы и глубокие тоннельные зумпфы

Номинальное напряжение

• Удлинитель токоввода MLE (MLE-TF / MLE-PB): 3 kV, 4 kV и 5 kV (испытание постоянным током от 25 kV до 35 kV)
• Плоский кабель ESP (ESP-FLAT): 3 kV, 4 kV и 5 kV (трёхфазный фидер ЧРП)
• Круглый кабель ESP (ESP-RND): 3 kV, 4 kV и 5 kV (симметричный трёхфазный фидер)
• Погружной насосный кабель ЧРП (Sub-VFD): Силовая часть 0.6/1 kV плюс экранированные пары 300/500 V

Сечение медных жил

• Удлинитель токоввода MLE (MLE-TF / MLE-PB): От #8 AWG до #4 AWG, однопроволочная нелужёная, лужёная или посеребрённая медь
• Плоский кабель ESP (ESP-FLAT): От #6 AWG до #1/0 AWG, однопроволочная или уплотнённая медь
• Круглый кабель ESP (ESP-RND): От #6 AWG до #1/0 AWG, однопроволочная или уплотнённая медь
• Погружной насосный кабель ЧРП (Sub-VFD): От 2.5 mm² до 120 mm² Class 5 плюс 2x(2x1.0/1.5)C

Барьерный слой

• Удлинитель токоввода MLE (MLE-TF / MLE-PB): Полиимидно-фторопластовая лента (Polyimide-FEP) плюс EPDM и бесшовная свинцовая оболочка
• Плоский кабель ESP (ESP-FLAT): PP (+96 °C) или EPDM / свинец (+204 °C)
• Круглый кабель ESP (ESP-RND): PP/NBR (+96 °C) or EPDM (+204 °C)
• Погружной насосный кабель ЧРП (Sub-VFD): Жилы с изоляцией из EPR-резины 3GI3 плюс наружная оболочка из полихлоропрена (PCP)

Высота или наружный диаметр (OD)

• Удлинитель токоввода MLE (MLE-TF / MLE-PB): Высота от 8.5 mm до 12.2 mm (10.8 x 27.9 mm для #6)
• Плоский кабель ESP (ESP-FLAT): Высота от 10.9 mm до 16.5 mm (12.7 x 33.0 mm для #4)
• Круглый кабель ESP (ESP-RND): Наружный диаметр (OD) от 22.5 mm до 36.5 mm (26.9 mm для #4)
• Погружной насосный кабель ЧРП (Sub-VFD): Наружный диаметр (OD) 35.8 mm для 3x35+3G6+2x(2x1.5)C

Макс. температура

• Удлинитель токоввода MLE (MLE-TF / MLE-PB): +204 °C (400 °F) to +232 °C (450 °F)
• Плоский кабель ESP (ESP-FLAT): От +96 °C (PP) до +204 °C (EPDM / свинец)
• Круглый кабель ESP (ESP-RND): +96 °C (PP/NBR) up to +204 °C (EPDM)
• Погружной насосный кабель ЧРП (Sub-VFD): +90 °C на жиле (макс. температура воды +70 °C)

Уточните ссылку на стандарт IEEE перед заказом

Основной силовой кабель установки электроцентробежного насоса (ESP) представляет собой трёхфазный бронированный скважинный фидер, закрепляемый поясами на колонне НКТ для подачи напряжения от 3 kV до 5 kV к нижнему сростку. Кабель-удлинитель токоввода двигателя (MLE) — это тонкий плоский трёхжильный кабель (высотой от 8.5 mm до 12.2 mm), проходящий вдоль насоса и гидрозащиты в узел токоввода погружного двигателя.

IEEE Std 1018 распространяется на кабели ESP с изоляцией из резины EPR и EPDM. IEEE Std 1019 распространяется на кабели ESP с изоляцией из полипропилена (PP). Эти два номера стандартов ни в коем случае нельзя путать в заказах. В качестве их действующих редакций IEEE указывает IEEE Std 1017.2-2021 и IEEE Std 1017.3-2021. Проверяйте точную редакцию в договоре и соответствующую ей конструкцию кабеля.

Ни старый номер стандарта, ни название полимера сами по себе не задают единый температурный предел для любого кабеля. Срок службы при нагреве зависит от рецептуры изоляции жил, барьерных лент, оболочки, брони, сечения жил и состава скважинного флюида. Например, наши Плоский силовой кабель ESP и Круглый силовой кабель ESP рассчитаны на +96 °C в исполнениях из полипропилена (PP) по IEEE 1019. В исполнениях из EPDM по IEEE 1018 (ESP-FLAT 4kV #4 EPDM) они работают при температуре до +204 °C. Всегда используйте подтверждённый испытаниями производителя номинал для конкретной конструкции.

IEEE Std 1018

• Действующая редакция: IEEE Std 1017.2-2021
• Тип полимера изоляции: Резина EPR или EPDM
• Типовой температурный диапазон: От +140 °C до +204 °C (+232 °C со свинцовой оболочкой)
• Основное применение в скважинах: Высокотемпературные скважины, скважины с высоким газовым фактором, парогравитационные скважины (SAGD) и удлинители MLE

IEEE Std 1019

• Действующая редакция: IEEE Std 1017.3-2021
• Тип полимера изоляции: Полипропилен (PP) с нитрильным каучуком (NBR)
• Типовой температурный диапазон: +96 °C (205 °F) to +107 °C (225 °F)
• Основное применение в скважинах: Холодные и умеренно тёплые нефтяные и рассольные скважины с низким содержанием сероводорода

API RP 11S5 / 11S6

• Действующая редакция: Действующее промысловое руководство API
• Тип полимера изоляции: Жилы с изоляцией как из EPR/EPDM, так и из PP
• Типовой температурный диапазон: В соответствии с классом кабеля и температурой скважины
• Основное применение в скважинах: Клямсы крепления к НКТ, сростки токоввода и высоковольтные испытания на устье

Основной кабель и удлинитель токоввода двигателя

Основной кабель прокладывается вдоль колонны НКТ от устьевой подвески до сростка над насосом. Удлинитель MLE соединяет этот сросток с узлом токоввода двигателя рядом со ступенями насоса. Плоский профиль экономит радиальное пространство в стволе скважины. Тем не менее вся компоновка — включая литые протекторы, клямсы, сросток и узел токоввода — должна свободно проходить через самое узкое место обсадной колонны при спуске.

Фото: Tim Evanson / Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0. Кадрировано и масштабировано относительно оригинала.

Для наглядности сравним каталожные размеры. Переход с круглого кабеля ESP-RND 4kV #4 EPDM (наружный диаметр 26.9 mm OD) на плоский ESP-FLAT 4kV #4 EPDM (12.7 x 33.0 mm) уменьшает радиальную высоту на 52.8% (выигрыш по зазору 14.2 mm) согласно IEEE Std 1018. На нижнем участке насосной компоновки длиной от 15 м до 45 м наши удлинители MLE-PB 5kV #6 Lead/Monel (10.8 x 27.9 mm) и исполнения #8 AWG (высота 8.5 mm) проходят через кольцевые зазоры от 10 mm до 14 mm без механического защемления.

При выборе пары из основного кабеля и удлинителя MLE проверьте четыре группы скважинных данных.

• Размеры обсадной колонны и НКТ. Проверьте внутренний диаметр (ID) обсадной колонны, диаметр шаблона, наружный диаметр (OD) муфт НКТ, наружный диаметр (OD) корпуса насоса, сужения ствола и спусковые зазоры. Подробный расчёт зазоров приведён в нашем материале «Руководство по зазорам плоских и круглых кабелей УЭЦН (ESP).
• Температурный профиль флюида и жил. Проверьте геотермический градиент по глубине, скорость потока жидкости вдоль корпуса двигателя, омический нагрев меди под нагрузкой и рабочий ток полной нагрузки.
• Забойное давление и состав газа. Проверьте забойное давление (до 35 MPa / 5,000 psi), содержание кислых газов (H2S и CO2), состав пластовой воды, ингибиторы солеотложения и скорость сброса давления.
• Параметры привода и электрические ограничения. Проверьте класс напряжения (3 kV, 4 kV или 5 kV), форму выходного напряжения ЧРП, длину линии, пусковой ток и минимальное напряжение на зажимах двигателя.

Газовые барьеры и броня требуют квалификационной проверки

Экструдированный свинцовый (Pb) газовый барьер — это бесшовная металлическая оболочка поверх каждой изолированной фазной жилы (серии MLE-PB и ESP-FLAT Lead), предотвращающая проникновение сероводорода (H2S), углекислого газа (CO2) и водяного пара в основную изоляцию.

Сорбция газа и быстрая декомпрессия могут разрушить чувствительные полимерные системы при расширении растворённого газа во время остановов скважины. Металлические барьеры и армирующие повивы входят в состав квалифицированной конструкции, однако сами по себе названия материалов не гарантируют стойкости. На живучесть в скважине влияют сплошность барьера, промысловые сростки, разделка в узле токоввода, повреждения при изгибе и термоциклирование. В нашем материале «Руководство по взрывной декомпрессии и миграции газа в кабелях УЭЦН (ESP)» подробно рассмотрены предельные скорости сброса давления и выпуск газа на устье.

Выбирайте наружную профилированную стальную ленточную броню (толщиной от 0.51 mm до 0.86 mm) с учётом механических нагрузок при спуске и коррозионной активности скважинного флюида.

1. Броня из оцинкованной стали. Обеспечивает экономичную защиту от раздавливания в бессернистых нефтяных и слабоминерализованных водяных скважинах при умеренных температурах.
2. Броня из нержавеющей стали AISI 316L. Устойчива к высокому содержанию CO2 и минерализованным пластовым водам, где цинковое покрытие быстро разрушается.
3. Броня из сплава Monel 400 (никель-медный сплав). Защищает удлинители MLE-PB и кабели ESP для кислых сред при высокой концентрации H2S, рассолах и забойной температуре от +204 °C до +232 °C.

Не выбирайте Monel, нержавеющую или оцинкованную сталь вслепую без анализа состава скважинного флюида и температурного режима. Бригады КРС также должны защищать кабель от защемления и истирания об обсадную колонну (устанавливая по 2–3 клямсы на каждую трубу НКТ). Выводы двигателя и узел токоввода никогда не должны служить точками подвеса кабеля.

Расчётный пример сопротивления меди и падения напряжения

Использование каталожного сопротивления при 20 °C для глубокой скважины занижает падение напряжения более чем на треть. Исключительно для иллюстрации примем R20 = 0.815 Ω/km (каталожное значение нашего кабеля ESP-RND 4kV #4 EPDM составляет 0.863 Ω/km, а MLE-PB 5kV #6 Lead/Monel — 1.320 Ω/km) при равномерной температуре жилы 160 °C. При температурном коэффициенте alpha = 0.00393 на °C получаем RT = R20 x [1 + alpha x (T - 20)] = 1.263413 Ω/km, то есть рост сопротивления на 55.02% согласно ASTM B33. Это демонстрационные исходные данные, а не фиксированные параметры для каждого сечения AWG.

RT = R20 x [1 + 0.00393 x (T - 20)]
R160 = 0.815 x [1 + 0.00393 x (160 - 20)] = 0.815 x 1.5502 = 1.263413 Ω/km
Delta_V (20 C)  = 1.73205 x 45 A x 2.4 km x 0.815000 Ω/km = 152.46 V
Delta_V (160 C) = 1.73205 x 45 A x 2.4 km x 1.263413 Ω/km = 236.34 V

Для условной симметричной трёхфазной линии при токе 45 A и длине 2.4 km (при коэффициенте мощности, равном единице, и без учёта индуктивного сопротивления) падение напряжения близко к sqrt(3) x I x L x R. Падение возрастает со 152.46 V при сопротивлении для 20 °C до 236.34 V при 160 °C — температурная прибавка составляет 55.02% согласно IEC 60228. В реальной скважине температура распределена по глубине неравномерно. Всегда учитывайте поверхностный эффект на переменном токе, реактивное сопротивление плоской или круглой конструкции, коэффициент мощности, пусковой бросок тока и потери от гармоник ЧРП. Не выбирайте отпайки наземного трансформатора только по этому упрощённому примеру.

20 °C (база 68 °F)

• Температурный коэффициент: 1.0000x базовый
• Пример R_T (R20 = 0.815 Ω/km): 0.8150 Ω/km
• MLE-PB #6 R_T (R20 = 1.320 Ω/km): 1.3200 Ω/km
• Трёхфазное падение (2.4 km, 45 A): 152.46 V (базовый отсчёт)

100 °C (212 °F PP)

• Температурный коэффициент: коэффициент 1.3144x
• Пример R_T (R20 = 0.815 Ω/km): 1.0712 Ω/km
• MLE-PB #6 R_T (R20 = 1.320 Ω/km): 1.7350 Ω/km
• Трёхфазное падение (2.4 km, 45 A): 200.39 V (прирост +47.93 V)

160 °C (320 °F EPDM)

• Температурный коэффициент: коэффициент 1.5502x
• Пример R_T (R20 = 0.815 Ω/km): 1.263413 Ω/km
• MLE-PB #6 R_T (R20 = 1.320 Ω/km): 2.0463 Ω/km
• Трёхфазное падение (2.4 km, 45 A): 236.34 V (прирост +83.88 V)

204 °C (400 °F HT)

• Температурный коэффициент: коэффициент 1.7231x
• Пример R_T (R20 = 0.815 Ω/km): 1.4043 Ω/km
• MLE-PB #6 R_T (R20 = 1.320 Ω/km): 2.2745 Ω/km
• Трёхфазное падение (2.4 km, 45 A): 262.70 V (прирост +110.24 V)

232 °C (450 °F MLE)

• Температурный коэффициент: коэффициент 1.8332x
• Пример R_T (R20 = 0.815 Ω/km): 1.4940 Ω/km
• MLE-PB #6 R_T (R20 = 1.320 Ω/km): 2.4198 Ω/km
• Трёхфазное падение (2.4 km, 45 A): 279.48 V (прирост +127.02 V)

Кабели для водоотлива — отдельная категория применения

Кабель постоянного погружения класса AD8 для водоотлива — это гибкий силовой или комбинированный кабель мониторинга в резиновой оболочке (DIN VDE 0250-812 / 0250-813), рассчитанный на длительное пребывание в воде на глубине до 500 m (50 bar) при температуре до +70 °C.

Насосный кабель, предназначенный для шахтного или тоннельного водоотлива, не подходит для горячей нефтяной скважины под высоким давлением. И наоборот, нефтепромысловый бронированный кабель ESP с однопроволочными жилами не рассчитан на многократные изгибы или свободный самонесущий подвес в шахтном стволе. Маркировка длительного погружения (например, H07RN8-F с допуском на глубину до 10 m) никогда не означает пригодность для глубины 500 m.

Для шахтных стволов, карьерных водосборников и глубоких водозаборных скважин мы выпускаем две серии гибких насосных кабелей, отличные от нефтепромысловых кабелей ESP.

• Погружной насосный силовой кабель ЧРП с экранированными парами мониторинга (Sub-VFD). Рассчитан на 0.6/1 kV (от 2.5 mm² до 120 mm², 4G или 3+3G) с общим экраном из лужёной медной оплётки (плотность перекрытия не менее 85% по IEC 60228) плюс экранированные пары 2x(2x1.0/1.5)C для датчиков PT100 при работе в режиме AD8 на глубине до 500 m.
• Бронированный погружной насосный кабель среднего напряжения NTSCGERLWÖU. Изготавливается по DIN VDE 0250-813 на напряжение 3.6/6 kV и 6/10 kV (от 25 mm² до 185 mm²). Сочетает жилы с продольной герметизацией от воды (LW) и броню из круглых стальных проволок (R, допустимое тяговое усилие от 30 N/mm² до 50 N/mm²) для глубоких стволов.

Комплект приёмочной документации

План приёмки должен чётко разделять приёмо-сдаточные испытания на каждом барабане (Routine Reel Tests) и квалификационные типовые испытания (Type Qualification Tests, проводимые на образцах в автоклавах высокого давления). Запрашивайте утверждённый габаритный чертёж, электрические и химические номиналы, инструкцию по сросткам, протоколы поштучных испытаний каждого барабана и подтверждение типовых испытаний. Протоколы автоклавной газовой декомпрессии и длительного теплового старения должны указывать конкретный испытанный образец и цикл камеры. Никогда не принимайте сводки типовых испытаний вместо протоколов приёмо-сдаточных испытаний по каждому барабану. Полный чек-лист заказчика приведён в нашем материале «Руководство по испытаниям FAT погружных кабелей AD8 и автоклавным испытаниям.

1. Приёмо-сдаточные испытания барабана

• Испытание или документ: Сопротивление меди постоянному току при 20 °C
• Применяемый стандарт: ASTM B33 / IEC 60228
• Объём проверки и критерий годности: Проверка мостом Кельвина по каждой жиле (макс. 1.320 Ω/km для MLE-PB #6; макс. 0.863 Ω/km для ESP-RND #4)

2. Приёмо-сдаточное испытание на барабане

• Испытание или документ: Высоковольтное испытание постоянным током (DC Hipot)
• Применяемый стандарт: IEEE 1018 / 1019 (1017.2 / 1017.3)
• Объём проверки и критерий годности: От 25 kV до 35 kV DC в течение 5 минут на всех трёх жилах без пробоя

3. Приёмо-сдаточное испытание на барабане

• Испытание или документ: Сопротивление изоляции (IR)
• Применяемый стандарт: IEEE 1018 / 1019, API RP 11S6
• Объём проверки и критерий годности: Проверка мегаомметром на 2,500 V DC до и после высоковольтного испытания постоянным током (HV DC)

4. Приёмо-сдаточное испытание на барабане

• Испытание или документ: Трёхосевой (3-Axis) лазерный контроль профиля
• Применяемый стандарт: Утверждённый габаритный чертёж (GA)
• Объём проверки и критерий годности: Лазерный контроль высоты и ширины плоского профиля (8.5-12.2 mm для MLE) или наружного диаметра OD круглого кабеля (22.5-36.5 mm)

5. Типовые квалификационные испытания

• Испытание или документ: Протокол автоклавного испытания на газовую декомпрессию
• Применяемый стандарт: Требования IEEE 1017.2 / 1017.3
• Объём проверки и критерий годности: Лабораторный протокол с указанием газовой смеси (CH4/CO2/H2S), давления (до 35 MPa), температуры (до +232 °C) и скорости сброса давления

Источники и прикладная документация

1. IEEE Power and Energy Society. IEEE Std 1018 Рекомендуемая практика для кабелей погружных электронасосов: изоляция из этиленпропиленовой резины (ныне IEEE 1017.2-2021).
2. IEEE Power and Energy Society. IEEE Std 1019 Рекомендуемая практика для кабелей погружных электронасосов: полипропиленовая изоляция (ныне IEEE 1017.3-2021).
3. Международная электротехническая комиссия (IEC). IEC 60228 Токопроводящие жилы изолированных кабелей.
4. ASTM International. ASTM B33 Стандартная спецификация на лужёную медную проволоку.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В чём разница между кабелями УЭЦН (ESP) по стандартам IEEE 1018 и IEEE 1019?

Стандарт IEEE Std 1018 (ныне IEEE Std 1017.2-2021) распространяется на скважинные кабели УЭЦН (ESP) с резиновой изоляцией из этиленпропиленового каучука (EPR) и EPDM на температуры от +140 °C до +204 °C (+232 °C для удлинителей MLE с изоляцией полиимид-FEP и свинцовой оболочкой). Стандарт IEEE Std 1019 (ныне IEEE Std 1017.3-2021) охватывает кабели ESP с полипропиленовой (PP) изоляцией для скважин с температурой от +96 °C до +107 °C.

Почему колонна УЭЦН (ESP) требует отдельного удлинителя токоввода двигателя (MLE)?

Основной силовой кабель ESP сечением от #6 AWG до #1/0 AWG слишком толстый (от 10.9 mm до 36.5 mm), чтобы пройти в узком зазоре от 10 mm до 14 mm вдоль корпусов насоса и гидрозащиты. Тонкий плоский удлинитель MLE (высотой от 8.5 mm до 12.2 mm с однопроволочными медными жилами от #8 AWG до #4 AWG) свободно проходит нижнюю зону насоса длиной от 15 m до 45 m до кабельного ввода двигателя без раздавливания.

Когда для кабелей ESP или MLE следует выбирать свинцовый газовый барьер и броню из сплава Monel 400?

Выбирайте бесшовную экструдированную свинцовую (Pb) барьерную трубку (MLE-PB или ESP-FLAT Lead), когда забойный сероводород H2S либо CO2 и пар под высоким давлением могут диффундировать в резину, вызывая коррозию меди или вздутия при декомпрессии. Сочетайте свинцовую оболочку с бронёй из сплава Monel 400 или нержавеющей стали 316L, когда рассол и кислый газ разрушают оцинкованную сталь.

Насколько скважинная температура увеличивает падение напряжения в кабеле ESP?

Сопротивление меди постоянному току линейно растёт с нагревом (alpha = 0.00393 на °C). При повышении температуры с 20 °C до 160 °C сопротивление жилы увеличивается с 0.815 Ω/km до 1.263413 Ω/km (коэффициент 1.5502x). Это увеличивает трёхфазное падение напряжения на линии длиной 2.4 km при токе 45 A со 152.46 V до 236.34 V.

Могут ли погружные кабели шахтного водоотлива заменить скважинные кабели нефтяных насосов ESP?

Нет. Погружные кабели для водоотлива шахт и тоннелей, такие как 0.6/1 kV Sub-VFD и 6/10 kV NTSCGERLWÖU (DIN VDE 0250-812 / 0250-813), рассчитаны на погружение в воду по классу AD8 (глубина до 500 m, давление 50 bar, температура воды макс. +70 °C). Они имеют гибкие медные жилы Class 5 и не выдерживают воздействия сырой нефти при температуре от +204 °C до +232 °C и декомпрессии кислого газа.

Обсудить вашу задачу

Отправьте параметры скважины, схему обсадной колонны и требования к испытаниям в TEBAOFLEX через нашу страницу инженерных контактов или в WhatsApp по номеру +86 185 9591 3361. Запросите технический паспорт на соответствующий кабель MLE, плоский или круглый кабель ESP либо погружной насосный кабель AD8 перед размещением заказа.