CN109643868B - 用于潜油电动机的耐气体电缆头系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本文公开一种用于潜油电动机的耐气体电缆头系统和方法。耐气体电缆头系统包括延伸穿过电缆头的包裹铅箔的电动机引线电缆(MLE)；在所述电缆头内部的绝缘体块的套筒，所述套筒包括金镀层和包裹在所述金镀层上的铅箔；以及在所述套筒的所述金镀层与包裹在所述金镀层上的所述铅箔之间形成的铅‑金密封。在井下潜油电动机的电力电缆连接周围形成气体密封的方法包括围绕延伸穿过电缆头的MLE包裹铅箔；继续围绕所述电缆头内部的绝缘块的镀金套筒包裹所述铅箔；用封装剂机械地加固所述铅箔；以及将所述铅箔接合至所述绝缘块的所述金镀层。
Description
技术领域
本文中描述的本发明的实施方案涉及潜油电动机电力电缆连接的领域。更具体地但不作为限制，本发明的一个或多个实施方案实现用于潜油电动机的耐气体电缆头系统和方法。
背景技术
例如天然气、油或水的流体通常位于地下地层中。当井内的压力不足以迫使流体流出井时，必须将流体泵送至地面，以便可以收集、分离、精炼、分送和/或销售流体。潜油电动泵(ESP)应用中通常使用离心泵将井液提升至地面。离心泵通过使经过与固定扩散器配对的旋转叶轮的流体加速而为流体提供能量。旋转轴穿过叶轮的中心毂，并且叶轮接合至所述轴，使得叶轮与所述轴一起旋转。泵下方的电动机转动轴。在ESP组件中，多级离心泵包括在ESP系统中，所述ESP系统包括ESP电动机、密封部分和泵下方的进口，以及泵上方的生产油管。
轴的旋转由位于泵组件上游侧的电动机提供动力，所述电动机通常是两极三相鼠笼式感应电动机。ESP电源位于井口处并通过绝缘的电导体连接至电动机，所述电导体与ESP组件并排向下延伸至井筒中。也称为电动机扁平电缆的电动机引线延伸(MLE)电缆是一种低断面的扁平电缆，所述电缆拼接至主电力电缆的下端，绑在ESP泵和密封室部段的侧面，并具有用于插入或拼接至电动机电连接的阳端子。在与电动机的连接点处，MLE延伸穿过受保护的电连接器，所述电连接器与电动机上的电插座接合。电连接器在本领域中有时被称为“电缆头”，以电连接器内的密封或封装导体命名。传统的电缆头包括耐腐蚀的钢体和在所述钢体内使用的试图密封电连接并使电连接绝缘的弹性体绝缘材料。橡胶、聚丙烯、聚乙烯或聚醚醚酮(PEEK)等弹性体通常用作使电动机的电气连接绝缘的材料。电缆头内的弹性环还可以通过将绝缘材料压靠在传统电缆头内包含的电导体上来提供密封。
出现的问题是，井下ESP组件可能暴露于会损坏电缆头的封装、弹性和密封部件的气体。ESP组件通常用于具有气液比(GLR)高达30％的高气体含量的恶劣地下环境中。在一些地下地层中发现了例如甲烷、硫化氢(H2S)和二氧化碳(CO2)的破坏性气体，并且所述气体会渗透传统电缆头内的封装材料。所述气体导致传统电缆头的绝缘和密封元件减压和分层，从而导致损失其绝缘和密封效果。例如，酸性气体会导致气体减压事件，包括压力密封的损失和电力电缆绝缘的分层，这会导致MLE中的短路。一旦气体在电缆头主体内，气体就会穿透并撞击电缆和电动机导体，甚至会污染机油，从而导致电动机故障并缩短泵的使用寿命。由于电动机组件通常位于地下深处，有时深达数千英尺，因此潜油电动机部件维修或更换起来特别困难。
由于已知铅对于例如H2S和CO2的气体是不可渗透的，因此已经尝试在电缆头壳体内采用铅焊料，目的是将铅焊料密封至MLE电缆的铅护套以及电缆头壳体的内径。使用铅焊料的问题在于铅焊料在377℉左右熔化，低于井下ESP电动机经历的可能高达450℉的工作条件。较高温度的焊料不能解决问题，因为其不能接合至电缆的铅护套，因为铅护套本身熔化并且也终止于电缆头内部。使用铅焊料也需要熟练的艺人来制造电缆头，即使这样，制造缺陷率也很高。
从上面可以明显看出，目前的潜油电动机电缆头连接不适用于ESP电动机经历的气态、高温井下条件。因此，需要一种用于潜油电动机的耐气体电缆头系统和方法。
发明内容
本发明的一个或多个实施方案实现用于潜油电动机的耐气体电缆头系统和方法。
描述了一种用于潜油电动机的耐气体电缆头系统和方法。耐气体电缆头系统的说明性实施方案包括：用于潜油电动机电力电缆的电动机引线延伸(MLE)的电缆头，所述电缆头包括位于绝缘体块上方的电缆头空腔，所述绝缘体块镀金并包括延伸至所述空腔中的镀金套筒；所述MLE延伸穿过所述电缆头空腔和所述绝缘体块的所述镀金套筒；在所述电缆头空腔内部的铅封，所述铅封抵抗酸性气体并包括：围绕所述绝缘体块的所述镀金套筒以及围绕所述电缆头空腔内部的所述MLE包裹的铅箔；所述铅箔接合至所述绝缘体块的所述镀金套筒上的金镀层；以及围绕包裹铅箔的MLE的所述电缆头空腔内的封装剂；其中所述铅封阻止所述酸性气体渗透至所述绝缘体块中。在一些实施方案中，所述电缆头空腔由耦合在电缆头帽下方的电缆头基部形成，并且所述电缆头基部包括第二金镀层。在某些实施方案中，所述耐气体电缆头系统还包括围绕所述电缆头基部的内径固定的铅垫圈，所述铅垫圈接合至所述绝缘体块上的所述金镀层和所述电缆头基部上的所述第二金镀层。在一些实施方案中，所述铅垫圈位于所述绝缘体块与第一绝缘体块下方的第二绝缘体块之间。在某些实施方案中，所述铅箔围绕所述MLE从MLE铅护套的终止点上方包裹至所述MLE与所述绝缘体块的交叉点。在一些实施方案中，所述铅箔继续在所述MLE与所述绝缘体块的所述交叉点下方围绕所述绝缘体块的所述套筒包裹。在某些实施方案中，所述铅箔的多个层形成所述铅封。在一些实施方案中，所述铅箔围绕MLE铅护套、MLE绝缘或其组合中的一个包裹。在某些实施方案中，所述MLE包括：内部铜导体；围绕所述内部铜导体的绝缘层；围绕所述绝缘层的挤压铅护套，所述挤压铅护套终止于所述电缆头空腔内部；以及围绕所述挤压铅护套的护甲，所述护甲在所述挤压铅护套的终端上方终止于所述电缆头空腔内部。在一些实施方案中，所述铅箔围绕所述挤压铅护套包裹，然后继续围绕所述绝缘体块的所述镀金套筒包裹。在某些实施方案中，所述铅箔围绕所述绝缘层包裹，然后继续围绕所述绝缘体块的所述镀金套筒包裹。
在井下潜油电动机的电力电缆连接周围形成气体密封的方法的说明性实施方案包括围绕延伸穿过电缆头的电动机引线电缆包裹铅箔；继续围绕所述电缆头内部的绝缘块的套筒外径包裹所述铅箔，所述电动机引线电缆延伸穿过所述绝缘块的所述套筒；用封装剂机械地加固铅箔包裹物，所述封装剂将所述铅箔围绕所述电缆头内部的所述电动机引线电缆固定就位；将电缆头主体和所述电缆头主体内部的所述绝缘块镀金；以及将所述铅箔接合至所述绝缘块的金镀层。在一些实施方案中，所述方法还包括利用包裹并封装的电动机引线电缆为所述井下潜油电动机供电，以在包括酸性气体的井中操作所述井下潜油电动机。在一些实施方案中，所述井在所述井下潜油电动机的操作期间达到450℉的温度，并且所述气体密封在450℉的温度下保持对所述酸性气体的抵抗性。在某些实施方案中，所述方法还包括围绕所述铅箔包裹物拉伸聚四氟乙烯(PTFE)拼接带。在一些实施方案中，围绕所述电动机引线电缆的绝缘层包裹所述铅箔。在某些实施方案中，所述绝缘块包括耐腐蚀钢，并且将所述绝缘块镀金还包括用14K金薄层覆盖所述绝缘块。在一些实施方案中，围绕所述电动机引线电缆包裹所述铅箔包括围绕所述电动机引线电缆卷绕半英寸宽和0.030英寸厚的铅箔带。
耐气体电缆头系统的说明性实施方案包括电缆头，所述电缆头将电动机引线延伸(MLE)耦合至潜油电动机，所述电缆头包括：中空镀金基部；中空帽，所述中空帽耦合在所述镀金基部上方；绝缘体块，所述绝缘体块包括金镀层和至少一个镀金护套，所述绝缘体块在所述镀金中空基部内部；以及所述MLE包括至少一个MLE相，所述MLE相延伸穿过所述中空帽的空腔并穿过所述镀金绝缘体块的至少一个镀金套筒，所述MLE包括终止于所述中空帽内部的铅护套；铅箔，所述铅箔围绕所述至少一个MLE相中的每一个的外表面的一部分包裹，包裹铅箔的部分在所述铅护套的终端与所述镀金套筒的MLE相入口之间延伸；所述铅箔包裹物继续围绕所述镀金护套；以及封装剂，所述封装剂填充所述中空帽的所述空腔并且可加固地围绕所述至少一个MLE相的所述包裹铅箔的部分。在一些实施方案中，所述至少一个MLE相中的每一个包括：铜导体；围绕所述铜导体的绝缘层；以及围绕所述绝缘层的挤压铅护套；其中所述铅箔围绕所述绝缘层、所述挤压铅护套或其组合中的一个包裹。在一些实施方案中，聚四氟乙烯(PTFE)带围绕所述铅箔包裹物包裹。在某些实施方案中，所述潜油电动机在地下地层中的井下，并且所述MLE耦合至在所述MLE与所述地下地层的地面处的电源之间延伸的电力电缆。在一些实施方案中，所述套筒的所述金镀层接合至所述铅箔。在某些实施方案中，所述绝缘体块是耐腐蚀钢，并且所述金镀层镀在所述耐腐蚀钢上。在一些实施方案中，所述封装剂包括铅焊料、环氧树脂、高温陶瓷或其组合中的一种，并提供机械完整性以将所述铅箔围绕所述至少一个MLE相保持就位。在某些实施方案中，所述耐气体电缆头系统还包括铅垫圈，所述铅垫圈在所述绝缘体块下方围绕所述镀金中空基部的内径延伸，所述铅垫圈接合至所述中空基部的所述金镀层和所述绝缘体块的所述金镀层。在一些实施方案中，所述铅垫圈夹在所述绝缘体块与位于所述绝缘体块下方的第二绝缘体块之间。在某些实施方案中，铅箔层围绕所述至少一个MLE相中的每一个重叠。在一些实施方案中，所述铅箔是至少99％纯铅。在某些实施方案中，所述潜油电动机是可操作地耦合至多级离心泵的两极三相鼠笼式感应电动机。
耐气体电缆头系统的说明性实施方案包括延伸穿过电缆头的包裹铅箔的电动机引线电缆；在所述电缆头内部的绝缘体块的套筒，所述套筒包括金镀层和包裹在所述金镀层上的铅箔；以及在所述套筒的所述金镀层与包裹在所述金镀层上的所述铅箔之间形成的铅-金密封。在一些实施方案中，所述耐气体电缆头系统还包括围绕所述电缆头内部的所述绝缘体块的镀金壳体，以及固定至所述镀金壳体的内径并且定位在所述绝缘体块下方并与所述绝缘体块相邻的铅垫圈。
在其它实施方案中，来自特定实施方案的特征可以与来自其它实施方案的特征组合。例如，来自一个实施方案的特征可以与来自任一其它实施方案的特征组合。在其它实施方案中，可以将附加特征添加至本文中描述的特定实施方案中。
附图说明
得益于以下详细描述并参考附图，本发明的优点对于本领域技术人员而言将变得显而易见，在附图中：
图1是采用说明性实施方案的电缆头的潜油电动泵(ESP)组件的透视图。
图2是说明性实施方案的电缆头的透视图。
图3是说明性实施方案的电缆头的横截面图。
图3A是图3的电缆头的放大视图。
图3B是说明性实施方案的电缆头的横截面图。
图4是延伸穿过说明性实施方案的绝缘块的说明性实施方案的电动机引线延伸(MLE)的透视图。
图5是说明性实施方案的电缆头的透视横截面图。
图6是说明性实施方案的电缆头的横截面图。
尽管本发明易于进行各种修改和替代形式，但是其特定实施方案在附图中以实例的方式示出并且可以在本文中详细描述。附图可能不按比例绘制。然而，应理解，本文中描述的和附图中示出的实施方案并不意图将本发明限制于所公开的特定形式，相反，本发明意图涵盖落入由所附权利要求限定的本发明的范围内的所有修改、等同物和替代物。
具体实施方式
描述了一种用于潜油电动机的耐气体电缆头系统和方法。在以下示例性描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的实施方案的更透彻理解。然而，对于普通技术人员显而易见的是，可以在不结合本文中描述的具体细节的所有方面的情况下实践本发明。在其它情况下，没有详细描述本领域普通技术人员公知的具体特征、数量或测量，以免模糊本发明。读者应注意，尽管本文中阐述了本发明的实例，但权利要求和任何等同物的全部范围限定了本发明的范围和界限。
如在本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数指示物，除非上下文另外明确说明。因此，例如，对相的提及用包括一个或多个相。
如在本说明书和所附权利要求中所使用的，“耦合”是指一个或多个对象或部件之间的直接连接或间接连接(例如，至少一个中间连接)。短语“直接附接”表示对象或部件之间的直接连接。
如在本说明书和所附权利要求中所使用的，“上方”是指井下井朝向井表面的方向，而不管井是竖直的、水平的还是延伸穿过半径。
如在本说明书和所附权利要求中所使用的，“下方”是指井下井中远离井表面的方向，而不管井是竖直的、水平的还是延伸穿过半径。
如在本说明书和所附权利要求中所使用的，“绝缘体块”或“绝缘块”可互换地指电缆头壳体内部的块，例如电缆头基部，所述块围绕电缆头内部的电连接。虽然传统上“绝缘体块”或“绝缘块”将由绝缘材料制成，例如橡胶或聚醚醚酮(PEEK)，但是说明性实施方案不限于此，并且包括由耐腐蚀钢或另一种没有绝缘性能的类似材料制成的绝缘体块或绝缘块。
为了便于描述，本文中描述的说明性实施方案是关于在井下油井或气井中操作的潜油电动泵(ESP)组件来描述的。然而，说明性实施方案的电缆头系统可以应用于暴露于破坏性气体并且具有例如插入式、拼接式或带式的电动机电连接的任何电动机。例如，说明性实施方案的电缆头可应用于轴流泵、径流泵、混流泵、水平表面泵和/或涡轮再生型泵中的潜油电动机。
说明性实施方案可以提供一种电缆头电连接器，所述电缆头电连接器阻止井下油井和气井中存在的破坏性气体，特别是酸性气体、二氧化碳和甲烷渗透，并且可以防止气体损坏电缆头内的电连接。说明性实施方案可以提供铅封，所述铅封在气体环境(例如高达30％的气液比)和高达450℉的温度下保持其机械加固、绝缘和密封能力。说明性实施方案可以防止气体穿透和攻击电力电缆的电动机引线延伸(MLE)和电缆头内部的电动机导体，可以防止弹性体减压和分层，并且可以防止电缆头的封装材料变形。说明性实施方案可以提供密封的电缆头连接，尽管具有高气体含量，例如2％至30％气液比(GLR)或更高，和/或高操作温度，例如450℉或约450℉。说明性实施方案的铅封可以用于新的电缆头实施方案中，或者先前使用的电缆头可以用说明性实施方案的一个或多个特征进行改型，从而提高潜油电动机的效率和运行寿命。
说明性实施方案的电缆头可以用铅箔密封延伸穿过电缆头的电动机引线延伸(MLE)。铅箔可以继续从电缆的铅护套至电缆头的上绝缘体的不透水屏障，而不需要“封装的”铅焊料。铅箔可以围绕电缆头内部的MLE电缆的挤压铅包裹，并且继续围绕MLE电缆绝缘和/或向下到达上绝缘体块。绝缘体块可以是镀金的并且包括套筒，套筒在MLE至绝缘体块的插入点处围绕MLE电缆延伸。铅箔包裹物可以从围绕镀金套筒的MLE电缆相周围继续，并且在围绕套筒的金镀层与铅箔之间可以形成金-铅密封。可以在铅箔上应用PTFE拼接带以提供箔的向内压缩并允许铅与金之间的扩散接合。电缆头基部的内径以及上绝缘体的外径可以是进行镀金，以提供与铅箔和/或铅垫圈的金-铅接合。铅焊料、环氧树脂、橡胶、高温可灌封陶瓷、高温热塑性焊料或任何其它可灌封的封装剂可以填充包裹的MLE电缆和电缆头基部和帽和/或电缆头壳体之间的电缆头空腔，这可以机械地加固铅箔以抵抗铅箔的低箍强度。上绝缘体可以由耐腐蚀钢制成并镀金，而不是由例如PEEK的塑料制成。将金属用于上绝缘体可以降低有害气体迁移通过说明性实施方案的电缆头的能力。铅垫圈可以放置在上绝缘体块下方，在上绝缘块与下绝缘块之间，并且还可以接合至镀金的电缆头基部和/或镀金的绝缘块。
图1是具有说明性实施方案的耐气体电缆头的潜油电动泵(ESP)组件的说明性实施方案。ESP组件100可以位于在地面105下方的井中的井下。井可以例如是几百或几千英尺深。ESP组件100可以是竖直的、水平的，或者可以是弯曲的、折弯的和/或成角度的，这取决于井的方向。井可以是油井、水井和/或含有例如天然气的其它烃和/或另一产液的井。地下地层110还可能含有破坏性气体，例如H2S、甲烷和/或CO2，所述气体可以构成由泵提升的流体的高达30％或更多。ESP组件100可以通过井套管115与地下地层110分离。在示例性实施方案中，套管115的直径可以是大约7英寸。产液可以通过套管穿孔(未示出)进入井套管115。套管穿孔可以在ESP进口150的上方或下方。
从下到上，ESP组件可以包括：井下传感器130，所述井下传感器可以检测并向用户界面提供例如电动机速度、内部电动机温度、泵排出压力、井下流速和/或其它操作条件的信息；变速驱动控制器和/或地面105上的数据采集计算机。ESP电动机135可以是感应电动机，例如两极三相鼠笼式感应电动机。电力电缆140可以向ESP电动机135提供电力和/或将数据从井下传感器130载送至地面105。地面105处的ESP柜120可以包含电力电缆140所连接至的电源125。电动机135的下游可以是电动机保护器145、ESP进口150、多级离心ESP泵155和生产油管195。电动机保护器145可用于平衡压力并保持机油与井液分离。ESP进口150可以包括进口端和/或开槽筛，并且用作离心ESP泵155的进口。ESP泵155可以是包括堆叠叶轮和扩散器级的多级离心泵。ESP组件的其它部件也可以包括在ESP组件100中，例如串联电荷泵(未示出)或位于离心ESP泵155与进口150之间的气体分离器(未示出)，和/或气体分离器可以用作泵进口。电动机135、电动机保护器145、ESP进口150和ESP泵155的轴可以连接在一起(即，花键连接)并且通过电动机135的轴旋转。生产油管195可以从ESP泵155的排放口向井口165输送工作流体120。
电力电缆140可以从地面105处的电源125延伸至电动机引线延伸(MLE)175。电缆连接185可以将电力电缆140连接至MLE 175。MLE 175可以将电力电缆140插入、用带子系入、花键链接入或以其它方式电连接至电动机135以向电动机135提供电力。电缆头200可以包围MLE 175与电动机135的头部180之间的电连接。
图2示出了说明性实施方案的耐气体电缆头。电缆头200的壳体可以包括两个中空主体：基部205和帽210。基部205可以使用螺钉260或本领域技术人员已知的另一紧固件连接至底侧上的电动机头部180和基部205的顶侧上的帽210。基部205和帽210可以由耐腐蚀钢和/或例如铬、钼、镍和/或镍-铜合金的另一耐腐蚀材料构成和/或制成。在一些实施方案中，基部205和帽210可以是单体壳体结构，而不是两个部件。转到图3和图3A，电缆头200的帽210和基部205通常可以是中空的并且形成内部电缆头空腔215。帽210可以用弹性环160密封至基部205。如图3A所示，基部205和/或基部205的内径可以包括金镀层350。上绝缘块255也可以包括金镀层350。金镀层350可以是14K金镀层、18K金镀层，或接合至基部205的内径、基部205的整个外表面和/或上绝缘块225的一个或多个外表面的另一类似的薄金覆盖层。如图4所示，基部205可以包括用于螺栓、螺钉或另一类似紧固装置的孔220，以将基部205连接至电动机135的头部180。
返回至图3A，电缆头200可以包括两个绝缘体块：上绝缘块225和下绝缘块230。绝缘块225、230可以用紧固件235保持在一起，用弹性环160密封至基部和/或用封装剂520固定在中空基部205内部(如图6所示)。上绝缘块225和下绝缘块230可以由耐腐蚀钢和/或例如铬、钼、镍和/或镍-铜合金的另一耐腐蚀材料制成，并且可以用金镀层350镀金。金镀层350可以是例如14K金镀层、18K金，或接合至上绝缘块225和/或下绝缘块230的外表面的类似薄金覆盖层。在一些实施方案中，下绝缘块230和/或上绝缘体块205可以由例如橡胶或PEEK的高温热塑性材料制成。在某些实施方案中，仅上绝缘块225而非下绝缘块230可以包括金镀层350。
如从图5中可以最好地看出，上绝缘块225可以包括套筒500，一个套筒500用于MLE175的每个相505。穿过绝缘块225的开口535可形成在每个管状套筒500内部，使得MLE 175的每个相505延伸穿过套筒500、穿过上绝缘块225中的开口535、穿过下绝缘块230，然后连接至电动机135和/或电动机头部180。套筒505的外径可以包括金镀层350。在一些实施方案中，上绝缘块的套筒505的内径和外径都可以包括金镀层350，如图3A所示。在一些实施方案中，套筒可以向上延长并且长约3/4英寸，如图3B所示。
转向图3，MLE 175可以从ESP组件100旁边延伸并穿过电缆头200中的空腔215。靠近仅电缆头215的入口内部和/或在所述入口附近，围绕MLE 175的护甲300可以终止，从而允许相505分离以连接至电动机135。每个MLE 175可以包括用于三相鼠笼式感应电动机135的三个相505。MLE 175和/或MLE 175的每个相505可以包括内部导体305，其中绝缘层310围绕导体305延伸。导体305可以是铜、铝或电力电缆中使用的另一类似导电材料。绝缘层310可以是例如乙烯丙烯二烯单体(EPDM)、橡胶、聚丙烯或聚乙烯。绝缘层310可以至少部分地由挤压铅护套315围绕。在MLE 175在井下延伸ESP组件100的长度时，铅护套315可以保护所述MLE。在一个实例中，在进入套筒500的MLE相505进入之前，铅护套315可以终止于电缆头200的大致中途。如图3所示，铅护套315终止于电缆头200内部的大致中途，此处相505弯曲以连接至上绝缘体225套筒505。在另一实例中，铅护套315可以沿着相505延伸，直到相505到达套筒500，此时铅护套315可以恰好在相505进入套筒500之前终止，如图3B所示。
MLE 175的导体305可以延伸穿过套筒500、穿过绝缘体225、230并通过导电销510连接至电连接器515。导电销510可以延伸出电连接器515并通过电动机135的头部中的对应电插座将电流传输至电动机135。
铅封可以保护电缆头200内部的电连接。铅可以通过扩散接合密封至电缆头200的镀金350部件，例如镀金基部205和镀金上绝缘块225。铅箔400可以围绕MLE 175的每个相505包裹。转向图5和图6，铅箔400包裹可以在护甲300的终端下方并且在铅护套315的终端上方沿着MLE 175和/或相505开始。铅箔400可以围绕相505包裹在绝缘层310和/或铅护套315周围，直到相505进入套筒500。在图3B的实例中，铅箔400可以略微高于套筒500，例如在套筒500上方一英寸，和/或在套筒上方延伸足以覆盖相505与套筒500之间的接口。铅箔400可以是约1/2英寸或1英寸宽、0.030英寸厚的箔或带，并且可以24英寸的卷提供。铅箔400可以具有99.98％纯铅和/或至少99％纯铅。少量的铜或锡可以与铅箔400中的铅混合。铅箔400可以类似于绷带包裹的重叠层围绕绝缘层310和/或铅护套315包裹。铅箔400也可以围绕上绝缘块225的套筒500包裹，使得铅箔400以连续层从MLE 175和/或相505延伸至套筒500，相505延伸穿过所述套筒。电缆头200内的金镀层350和铅箔400可以允许在通常容易渗透气体的空间中对例如酸性气体和/或二氧化碳的井下气体进行稳固密封。如图3A和图3B所示，拉伸的聚四氟乙烯(PTFE)拼接带600可以应用于铅箔400上。PTFE带600可以向铅箔400提供向内压缩。向内压缩可以为铅箔400的层彼此接合并且接合至金镀层350和/或绝缘套筒500的金属提供压力。PTFE带600可以应用于所有暴露的铅箔400。
基部205和/或上绝缘块225的部分可以进行镀金350和/或基部205和/或上绝缘块225的整个表面可以进行镀金350。在一些实施方案中，仅基部205的内径和上绝缘块225的外径可以进行镀金，以允许与铅箔400接合。在某些实施方案中，将金镀层350应用于基部205和上绝缘块225的内径和外径可以减少劳动强度且成本较低。可以通过将金或含金材料电镀至基部205、帽215、上绝缘块225和/或下绝缘块230的一个或多个部分的表面上来应用金镀层350。在示例性实施方案中。基部205可以具有厚度为2.5微米的金镀层。
在示例性实施方案中，铅箔400可以是成卷销售的铅箔薄片，并且由99％纯铅制成。在一个实例中，铅卷可以是1英寸宽，包括5mm厚的铅箔400。可以以不同的长度切割铅箔卷，以便控制每个铅箔400区段的面积和形状。其它说明性实施方案可以使用具有不同宽度和不同厚度的铅箔的卷。铅箔400可以在部段重叠的情况下围绕MLE 175包裹。例如，铅箔400区段的两个重叠层可以围绕每个MLE相505，其中每个区段的面积的50％重叠。在其它说明性实施方案中，每个区段的更大或更小面积可以重叠，或者可以应用多于两层的铅箔400。
如图6所示，说明性实施方案的铅封可以包括封装剂520，所述封装剂填充空腔215和/或电缆头200内部的空腔215的至少一部分，并且围绕MLE 175的包裹铅的相505。封装剂520可以填充空腔215内部在MLE 175、铅箔400和/或PTFE带600的外径与帽210和/或基部205的内径之间的空间，直到上绝缘块225的顶部。封装剂520可以与有害气体不发生反应并且可以机械地加固铅箔400以抵抗铅箔400的低箍强度。可以用封装剂520填充空腔215直到浇道孔，这可以防止有害气体渗透电缆头200。封装剂520可以是铅焊料、环氧树脂、橡胶、高温可灌封陶瓷、高温热塑性焊料或与酸性气体和二氧化碳不发生反应的任何其它可灌封封装剂。
铅垫圈525可以包括在上绝缘块205与下绝缘体230之间的基部205内部。铅垫圈525可以接合至上绝缘块205和/或基部205的金镀层，从而在上绝缘体225与基部205和/或电缆头200的壳体之间提供金属密封。铅垫圈525可以是围绕基部205的内径延伸的铅环，其中铅垫圈的顶侧接触上绝缘块205。
说明性实施方案可以提供一种阻止例如CO2或H2S的破坏性气体渗透和/或降低气体渗透电缆头的可能性的电缆头连接。说明性实施方案可以保护MLE的绝缘层310，以及与潜油电动机135一起使用的电缆头电动机连接200内部的MLE的电导体305。铅封可以由围绕MLE 175包裹的铅箔400以及绝缘主体225的套筒500形成。绝缘主体225和/或电缆头壳体205、210的表面可以进行镀金350。铅可以通过扩散接合至金，特别是在例如450℉的高温下，从而形成对破坏性气体的密封，这可以防止气体渗透这些密封空间。邻近上绝缘主体225的底部布置在电缆头壳体内部的铅垫圈525可以在上绝缘主体225与电缆头壳体205之间形成密封。通过实现潜油电动机部件的低安装和/或资金成本，同时防止和/或减少气体引发的对电缆头中的电连接的损坏，说明性实施方案可以应用于现有部件并且可以提供优于传统组件的改进，这可以延长潜油电动机和/或ESP泵的使用寿命。
已经描述了一种用于潜油电动机的耐气体电缆头系统和方法。鉴于本说明书，本发明的各个方面的进一步修改和替代实施方案对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，本说明书仅被解释为说明性的，并且是为了教导本领域技术人员实施本发明的一般方式。应理解，本文所示和所述的本发明的形式将被视为目前优选的实施方案。元件和材料可以代替本文所示和所述的那些，部件和工艺可以颠倒，并且本发明的某些特征可以独立使用，所有这些对于本领域技术人员来说在获得本发明的说明书的益处之后是显而易见的。在不脱离所附权利要求中描述的等同物的范围和限度的情况下，可以对本文描述的元件进行改变。另外，应理解，在某些实施方案中，本文描述的特征可以独立地组合。
Claims (15)
1.一种耐气体电缆头系统，所述系统包括：
用于潜油电动机电力电缆的电动机引线延伸MLE的电缆头，所述电缆头包括位于绝缘体块上方的电缆头空腔，所述绝缘体块进行镀金并包括延伸至所述空腔中的镀金套筒；
所述MLE延伸穿过所述电缆头空腔和所述绝缘体块的所述镀金套筒；
在所述电缆头空腔内部的铅封，所述铅封抵抗酸性气体并包括：
围绕所述绝缘体块的所述镀金套筒以及围绕所述电缆头空腔内部的所述MLE包裹的铅箔；
所述铅箔接合至所述绝缘体块的所述镀金套筒上的金镀层；以及
围绕包裹铅箔的所述MLE的所述电缆头空腔内的封装剂；
其中所述铅封阻止所述酸性气体渗透至所述绝缘体块中。
2.如权利要求1所述的耐气体电缆头系统，其中所述电缆头空腔由耦合在电缆头帽下方的电缆头基部形成，并且所述电缆头基部包括第二金镀层，其中所述耐气体电缆头系统还包括围绕所述电缆头基部的内径固定的铅垫圈，所述铅垫圈接合至所述绝缘体块上的所述金镀层和所述电缆头基部上的所述第二金镀层，所述绝缘体块包括上绝缘块和位于所述上绝缘块下方的下绝缘块，所述铅垫圈位于所述上绝缘块与所述下绝缘块之间。
3.如权利要求1所述的耐气体电缆头系统，其中所述铅箔围绕所述MLE从MLE护套的终止点上方包裹至所述MLE与所述绝缘体块的交叉点，所述铅箔继续在所述MLE与所述绝缘体块的所述交叉点下方围绕所述绝缘体块的所述镀金套筒包裹。
4.如权利要求1所述的耐气体电缆头系统，其中所述铅箔的多个层形成所述铅封，所述铅箔围绕MLE铅护套、MLE绝缘或其组合中的一个包裹。
5.如权利要求1所述的耐气体电缆头系统，其中所述MLE包括：
内部铜导体；
围绕所述内部铜导体的绝缘层；
围绕所述绝缘层的挤压铅护套，所述挤压铅护套终止于所述电缆头空腔内部；以及
围绕所述挤压铅护套的护甲，所述护甲在所述挤压铅护套的终端上方终止于所述电缆头空腔内部，其中所述铅箔围绕所述挤压铅护套和所述绝缘层中的至少一个包裹，并且其中所述铅箔然后继续围绕所述绝缘体块的所述镀金套筒包裹。
6.一种在井下潜油电动机的电力电缆连接周围形成气体密封物的方法，所述方法包括：
围绕延伸穿过电缆头的电动机引线电缆包裹铅箔；
继续围绕所述电缆头内部的绝缘块的套筒外径包裹所述铅箔，所述电动机引线电缆延伸穿过所述绝缘块的所述套筒；
用封装剂机械地加固铅箔包裹物，所述封装剂将所述铅箔围绕所述电缆头内部的所述电动机引线电缆固定就位；
将电缆头主体和所述电缆头主体内部的所述绝缘块镀金；以及
将所述铅箔接合至所述绝缘块的金镀层上。
7.如权利要求6所述的方法，还包括：
利用包裹并封装的所述电动机引线电缆为所述井下潜油电动机供电，以在包括酸性气体的井中操作所述井下潜油电动机，并且其中所述井在所述井下潜油电动机的操作期间达到450℉的温度，并且所述气体密封物在所述450℉温度下对所述酸性气体保持抵抗性；以及
围绕所述铅箔包裹物拉伸聚四氟乙烯PTFE拼接带。
8.如权利要求6所述的方法，其中围绕所述电动机引线电缆的绝缘层包裹所述铅箔，其中所述绝缘块包括耐腐蚀钢，并且将所述绝缘块镀金还包括用14K金薄层覆盖所述绝缘块，以及其中围绕所述电动机引线电缆包裹所述铅箔包括围绕所述电动机引线电缆卷绕半英寸宽和0.030英寸厚的铅箔带。
9.一种耐气体电缆头系统，所述系统包括：
电缆头，所述电缆头将电动机引线延伸MLE耦合至潜油电动机，所述电缆头包括：
中空镀金基部；
中空帽，所述中空帽耦合在所述中空镀金基部上方；
绝缘体块，所述绝缘体块包括金镀层和至少一个镀金套筒，所述绝缘体块在所述中空镀金基部内部；以及
所述MLE包括至少一个MLE相，所述MLE相延伸穿过所述中空帽的空腔并穿过镀金的所述绝缘体块的所述至少一个镀金套筒，所述MLE包括终止于所述中空帽内部的铅护套；
铅箔，所述铅箔围绕所述至少一个MLE相中的每一个的外表面的一部分包裹，包裹铅箔的部分在所述铅护套的终端与所述镀金套筒的MLE相入口之间延伸；
所述铅箔继续围绕所述镀金套筒包裹；以及
封装剂，所述封装剂填充所述中空帽的所述空腔并且可加固地围绕所述至少一个MLE相的所述包裹铅箔的部分。
10.如权利要求9所述的耐气体电缆头系统，其中所述至少一个MLE相中的每一个包括：
铜导体；
围绕所述铜导体的绝缘层；以及
围绕所述绝缘层的挤压铅护套；
其中所述铅箔围绕所述绝缘层、所述挤压铅护套或其组合中的一个包裹，以及其中聚四氟乙烯(PTFE)带围绕铅箔包裹物包裹。
11.如权利要求9所述的耐气体电缆头系统，其中所述潜油电动机在地下地层中的井下，并且所述MLE耦合至在所述MLE与所述地下地层的地面处的电源之间延伸的电力电缆，其中所述镀金套筒的金镀层接合至所述铅箔，其中所述绝缘体块是耐腐蚀钢，并且所述金镀层镀在所述耐腐蚀钢上，以及其中所述封装剂包括铅焊料、环氧树脂、高温陶瓷或其组合中的一种，并提供机械完整性以将所述铅箔围绕所述至少一个MLE相保持就位。
12.如权利要求9所述的耐气体电缆头系统，还包括铅垫圈，所述铅垫圈在所述绝缘体块下方围绕所述中空镀金基部的内径延伸，所述铅垫圈接合至所述中空镀金基部的所述金镀层和所述绝缘体块的所述金镀层，其中所述铅垫圈夹在所述绝缘体块与位于所述绝缘体块下方的第二绝缘体块之间。
13.如权利要求9所述的耐气体电缆头系统，其中铅箔层围绕所述至少一个MLE相中的每一个重叠，其中所述铅箔是至少99％纯铅，以及其中所述潜油电动机是可操作地耦合至多级离心泵的两极三相鼠笼式感应电动机。
14.一种耐气体电缆头系统，所述系统包括：
延伸穿过电缆头的包裹铅箔的电动机引线电缆；
在所述电缆头内部的绝缘体块的套筒，所述套筒包括金镀层和包裹在所述金镀层上的铅箔；以及
在所述套筒的所述金镀层与包裹在所述金镀层上的所述铅箔之间形成的铅-金密封。
15.如权利要求14所述的耐气体电缆头系统，还包括围绕所述电缆头内部的所述绝缘体块的镀金壳体，以及固定到所述镀金壳体的内径并且定位在所述绝缘体块下方并与所述绝缘体块相邻的铅垫圈。
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