TW201333988A - 電動潛水泵電纜 - Google Patents

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Jeanne Driebeek
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Abstract

本發明提供一種用於油井內之電動潛水泵(ESP)電纜，其包含至少二導電體、一環繞該至少二導電體之每一者的第一氟聚合物層、一外部金屬護甲，其中環繞該至少二導電體之每一者的該第一氟聚合物層係含有至少一氟聚合物，該氟聚合物係選自ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物。

Description

電動潛水泵電纜
本發明係關於與用於油井內的潛水泵配合使用的電纜，特別係關於可抵抗硫化氫氣體、高溫暴露、濕電樹形成及快速氣體減壓之電纜。
本發明係關於電動潛水泵電纜(通常稱為ESP電纜)，其係用以對油井內潛水泵之井內電動馬達進行供電。潛水泵對於從井內抽送大量的生產流體提供了一種具有經濟效益的方法，這些井通常有數千公尺深，且通常處於高溫及高壓環境下。在這些井內發現的生產流體通常含有大量的溶解氣體，例如甲烷、二氧化碳及硫化氫。用以對這類泵進行供電的電纜必須經過特殊設計，以承受暴露於這些氣體以及減壓的損害效應，其中減壓係發生於井內壓力快速降低，例如把潛水泵及電纜拉到表面進行維護時，或是在例如井噴期間所發生的突發的爆炸性減壓時。
US5414217(發明人為Neuroth及Wallace)揭示一種電動潛水泵電纜，其中與導電體直接接觸的絕緣材料為聚丙烯、聚乙烯、乙烯/丙烯二烯單體三元聚合物(EPDM)、交聯聚乙烯(XLPE)或矽氧橡膠。絕緣層係由一低滲透層所環繞。此低滲透層之厚度為0.004至0.010吋，且含有氟碳聚合物、PEEK或聚醯亞胺。低滲透層係由一鉛帶層所環繞。多個此類鉛帶包覆之導體被嵌入一彈性體護套內，而此護套被包覆於外部金屬護甲內。
US2010/0147505(美國專利第8,113,273號，發明人為Manke等人)揭示一種電動潛水泵電纜，其中與導電體接觸的絕緣材料為聚醯亞胺膠帶。一第二絕緣層係位於聚醯亞胺膠帶之上，此第二層為氟聚合物。一保護鞘係設置於該絕緣層之上，此鞘含有不銹鋼、MONEL®、碳鋼或鉛。由此形成的絕緣經包覆導體被帶狀護甲包裹在一起，其中帶狀護甲含有金屬或非金屬材料。
US5426264(發明人為Livingston、Neuroth及Korte)揭示一種電動潛水泵電纜，其具有一XLPE絕緣層環繞著銅導體，其中並未使用鉛層。然而，XLPE無法有效保護抵抗硫化氫，因此需使用一額外層進行保護，其為阻障層。此阻障層含有氟聚合物或非氟聚合物。在XLPE絕緣層與阻障層之間需使用一黏合中間層來避免在快速氣體減壓期間於絕緣層與阻障層之間形成氣囊，此等氣囊會造成阻障層破裂。多個絕緣的黏合層、阻障層總成被嵌入橡膠保護層內，之後用金屬護甲帶進行包覆。
在經濟效益缺點上，此等電動潛水泵電纜具有一或多個問題，包括製造麻煩、成本過高、剛性過大、重量過重、尺寸過大及/或無法同時承受存在高溫油井環境內的H2S以及減壓。就H2S侵入纜線以及纜線減壓的問題而言，低分子量氣體(如H2S)會滲透到井內纜線的絕緣層中，直到絕緣材料之分子間空間內溶解氣體的壓力與井內流體中氣體的壓力達到平衡為止。於發生減壓時，纜線外的壓力會降低，使絕緣材料內的溶解氣體膨脹而於較低壓力下重新建立平衡。
纜線內壓力變化的速率取決於許多變數，例如絕緣材料的儲藏特性以及減壓之速率，例如取決於將纜線由井內拉出的速率。壓力的快速降低將輕易破壞電纜絕緣，換言之，絕緣層對減壓敏感。當壓力降低時，溶解氣體會膨脹以重新建立平衡，正如同打開汽水瓶時壓力會被釋放一樣。若壓力變化夠快，減壓敏感性會造成絕緣層內產生氣泡，因而導致絕緣材料內的微小撕裂。在某些情形下，減壓的劇烈性甚至會造成絕緣材料內發生孔洞「爆裂」，使得纜線失去電性作用。由聚醯亞胺、交聯聚乙烯、聚丙烯及EPDM製成的絕緣材料無法防止導電體受H2S侵害並提供減壓不敏感性，以於減壓後維持絕緣特性的完整度。
需要一種電動潛水泵之耐高溫電纜，其更可抵抗侵蝕性井氣體且比傳統的覆鉛纜線更輕薄、特別抗疲乏、容易製造、維修或接合，具有高經濟效益且不易於減壓期間受到內部氣體壓力影響而破裂。
本發明提供一種用於油井內之電動潛水泵(ESP)電纜，其包含至少二導電體、一第一氟聚合物層環繞該至少二導電體之每一者、一外部金屬護甲，或由前述元件所組成或實質上由前述元件所組成，其中環繞該至少二導電體之每一者的該第一氟聚合物層包含至少一氟聚合物，或該第一氟聚合物層係實質上由至少一氟聚合物所組成或係由至少一氟聚合物所組成，該氟聚合物係選自ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基共聚 物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物。該外部金屬護甲可於處理時有效保護纜線並於油井內使用時維持其完整性，即提供井內高壓條件下所需之碎裂抗性。該氟聚合物層環繞各導電體並限制導體暴露於低分子量氣體(包括H2S，即使變成充滿H2S)以及其他小分子氣體(如甲烷)。儘管如此，氟聚合物層係對減壓不敏感，換言之該層並不會膨脹，誠如減壓並未造成氟聚合物層發生內部撕裂及形成氣泡。該層維持其原始厚度。有鑑於氟聚合物層之厚度通常為至少15密耳(0.38 mm)至多1.5或2 mm，前述現象是非常令人出乎意料的。
氟聚合物層於承受快速減壓上之絕緣功效使電纜之截面得以變得更小，因而降低其重量與油井內所佔空間。此重量減輕的優點係由非鉛之外部金屬護甲而更為增進。於油井內使用長度很長的電纜(例如長度為3000公尺或更長)時，此重量的減輕是非常顯著的。本發明之電纜已可達到超過50%的重量減輕。
以下為用於本發明之前述電動潛水泵電纜之較佳特徵，其可於纜線內單獨使用或以任何方式組合使用。
若根據ISO 12086進行量測，該至少一氟聚合物具有一0.5 g/10 min至10 g/10 min之熔融流動指數；若根據ASTM D 2176進行量測，該第一氟聚合物層之氟聚合物具有一超過10000次循環之應力破裂阻抗，較佳至少20000次循環；該第一氟聚合物層與各導電體直接接觸，因此使此第一氟聚合物層成為導體的主要絕緣； 該第一氟聚合物層與各導電體直接接觸，且較佳與該外部金屬護甲直接接觸；該第一氟聚合物層具有一第二氟聚合物層圍繞該第一氟聚合物層；該第二氟聚合物層的氟聚合物包含與該第一氟聚合物所包含者相同之氟聚合物；該第一及第二氟聚合物層彼此直接接觸；及/或一額外填料層係插設於該第一氟聚合物層與該外部金屬護甲之間。若纜線中存在該第二氟聚合物層，該填料層係插設於該第二氟聚合物層與該外部護甲之間。較佳係存在該額外填料層，以提供該第一氟聚合物層之保護(若由其本身)及該第二氟聚合物層之保護(若兩個氟聚合物層均存在)，避免與外部金屬護甲直接接觸而受損。
在一進一步實施例中，本發明提供一種用於油井內之電動潛水泵(ESP)電纜，其包含至少二導電體、一第一氟聚合物層環繞該至少二導電體之每一者、一第二氟聚合物層環繞該第一氟聚合物層以及一外部金屬護甲，或由前述元件所組成或實質上由前述元件所組成，其中環繞該至少二導電體之每一者的該第一氟聚合物層包含至少一氟聚合物或實質上係由至少一氟聚合物所組成或係由至少一氟聚合物所組成，該氟聚合物係選自ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物；且再者其中環繞該第一氟聚合物層的該第二氟聚合物層包含至少一氟聚合物或實質上係由至少一氟聚合物所組 成或係由至少一氟聚合物所組成，該氟聚合物係選自ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物。
前述各較佳態樣均可應用於本實施例。在這方面，關於熔融流動指數與應力破裂阻抗之較佳態樣皆適用於兩個氟聚合物層。第一氟聚合物層與導電體間直接接觸的較佳態樣適用於存在纜線中的兩氟聚合物層的本實施例。同樣較佳的是該第二氟聚合物層與該第一氟聚合物層直接接觸。若該第一氟聚合物層無法與該外部金屬護甲直接接觸，則該第二氟聚合物層可具有此直接接觸。在此又一實施例中，該額外填料層係插設於該第二氟聚合物層與該外部金屬護甲之間。該第一與第二氟聚合物層所含有之此等氟聚合物在各層中較佳係相同者。
於圖1a中，一導電體10係由一圓形第一氟聚合物層12所環繞。
於圖1b中，該導電體10係由一方形第一氟聚合物層14所環繞。
於圖2a中，一束三條導電體10各被一分離的圓形第一氟聚合物層13所環繞。
於圖2b中，一束三條導電體10係被一連續的矩形第一氟聚合物層16所環繞。在此實施例中，該第一層氟聚合物16為環繞各導體10的單一層。
於圖3a中，三條導電體10各由一分離的圓形第一氟聚合物層13及一矩形的連續第二氟聚合物層18所環繞。
於圖3b中，三條導電體10各由一連續的矩形第一氟聚合物層16及一連續的第二氟聚合物層18所環繞。
較佳的是，該第一與第二氟聚合物層的合併厚度形成導電體上的主要絕緣，也就是提供絕緣之必要介電效應所需的絕緣厚度。若只存在該第一氟聚合物層，如圖1a及1b與圖2a與2b，則此單一層的厚度將可提供該必要介電效應。因此，舉例而言，圖1a中層12的厚度將得等同於圖3之層13及18之合併厚度方可提供相同的介電效應。
於圖4a中，一束三條導電體10係由一分離的圓形第一氟聚合物層13及一矩形的連續第二氟聚合物層18、一填料層24及一金屬護甲26所環繞。
於圖4b中，一束三條導電體10，即各導體，係由一分離的圓形第一氟聚合物層13及一分離的圓形連續第二氟聚合物層17、一填料層24及一金屬護甲26所環繞。
於圖5a中，三條導電體10的每一者係由一分離的圓形第一氟聚合物層13及一分離的圓形連續第二氟聚合物層17所環繞。在此實施例中，一填料層31及一金屬護甲30各自環繞該束三條絕緣之導電體10。於此實施例中，該填料層為包裹該等絕緣之導體10的單一層而具有單一性。填料層與金屬護甲連結了該等絕緣之導體間的未占據空間。
於圖5b中，三條導電體10的每一者係由一分離的圓形第一氟聚合物層13及一分離的圓形連續第二氟聚合物層17所環繞。在此實施例中，一分離的填料層32環繞該等絕緣之導體10之每一者，且一金屬護甲30環繞該束三條絕緣之導電體10並連結經填充之絕緣之導體10之間的未占據空間。
於圖5a及5b中，金屬護甲30係為一螺旋纏繞之S形連鎖金屬帶，其於控制張力下施用至下方的單一性填料層(圖5a)及分離填料層(圖5b)如圖所示，氟聚合物層對於導電體之環繞涉及將導體嵌入於該第一氟聚合物層中及將該第一氟聚合物層嵌入於該第二氟聚合物層中。於圖3b之實施例中，該第一氟聚合物層係完全套設於該第二氟聚合物層中。若圖3a中絕緣之導體10/13係被分離，前述情形也會相同。於圖3a所示的實施例中，除了在相鄰之絕緣導體10/13之間的接觸線外，此套設為完全套設。在圖4b中的填料層24與絕緣之導體10/13/17之間也存在相同的關係。然而，圖3a的第二層18與圖4b的填料層24分別環繞其絕緣之導體10/13及10/13/17。
為本發明之目的，用語「直接接觸」代表兩部件之間的接觸點或面實質上不含任何中介材料。該第一層氟聚合物與該導電體之直接接觸使得該層成為電纜之主要絕緣，若不存在第二氟聚合物層。該第二氟聚合物層(若存在)與該第一氟聚合物層之直接接觸使得這兩層之組合成為電纜之主要絕緣。
為本發明之目的，「乙烯四氟乙烯共聚物」為記載於ASTM D 3159中的聚合物。
為本發明之目的，「全氟烷氧基共聚物」為記載於ASTM D 3307中的聚合物。
為本發明之目的，「氟化乙烯丙烯共聚物」為記載於ASTM D 2116中的聚合物。
根據本發明之用於油井內之電動潛水泵(ESP)電纜包含至少二導電體、一第一氟聚合物層環繞該至少二導電體之每一者、一外部金屬護甲，其中環繞該至少二導電體之每一者的該第一氟聚合物層包含至少一氟聚合物，該氟聚合物係選自ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物。
本發明之導電體可選自任一種可導通電流的材料。較佳的是，該導電體可選自金屬，例如銀、銅、鋁、鋼、錫、鐵、鉛及其合金。更佳的是，該材料為銅或鋁，最佳為銅及其合金。
該等導電體可各自以固體形式存在，例如以抽製線形式存在，亦稱為實心或單股線，或以絞合形式存在，例如絞合線或編絞線。較佳的是，該等導電體以抽製線形式存在。
根據本發明之用於油井內之電動潛水泵(ESP)電纜的導電體係與環繞各導電體之一第一氟聚合物層絕緣。
環繞該等導電體的該第一氟聚合物層必須抗破裂，以使纜線可以被安裝及移除數次而該層均不會破裂或變脆，即使是在低溫下。此外，該第一氟聚合物層較 佳應可承受至少或超過200℃的溫度一段長時間，換言之，其較佳具有至少或超過200℃的使用溫度。
於本申請案中，用語「使用溫度」係指於ISO 2578中所記載20000 h之使用溫度。
環繞該等導電體之該第一氟聚合物層的氟聚合物較佳具有超過10000次循環或從10000次循環至30000次循環的應力破裂阻抗，較佳超過20000或30000次循環或從20000或30000次循環至100000次循環，其量測方法係根據ASTM D 2176，使用一Tinius Olsen MIT撓曲測試裝置進行並將負載設定為2.5 lbs.，且測試樣本具有0.2±0.01 mm之厚度。此等應力破裂結果通常稱為MIT撓曲壽命。電纜於油井內的使用並不會經歷這麼多的撓曲循環，然而經發現長MIT撓曲壽命可造成電纜內的無破裂絕緣。很明顯的，溫度/壓力環境，包括溫度及壓力之波動，會對纜線絕緣產生透過絕緣破壞而顯現其等的條件，如同MIT撓曲壽命測試中所發生者。
較佳的是，根據本發明之該第一氟聚合物層的氟聚合物為熔融流動指數0.5 g/10 min至10 g/10 min的氟聚合物(根據ISO 12086進行量測)，更佳為1 g/10 min至6 g/10 min。本測試中使用的熔融溫度及重量(對於熔融聚合物)之條件會取決於所測試之氟聚合物，且載明於例如特定氟聚合物之ASTM測試程序。如分別載明於ASTM D 2116及ASTM D 3307中針對氟化乙烯/丙烯共聚物及全氟烷氧基共聚物者，其測試溫度為372℃及重量為5 kg。經發現，當熔融流動指數從6 g/10 min開 始增加時，電纜內纜線絕緣的破裂阻抗會開始減少。在波動可被調控的程度上，這會限制電纜於特徵在於較溫和之溫度與壓力波動的油井之利用性。較佳的是氟聚合物之熔融流動指數不大於10 g/10 min，以使絕緣及電纜可於油井內使用時維持完整性。
氟聚合物具有熔融流動指數代表著它們是可熔融流動的。較佳的是它們也可熔融加工，而可熔融壓出於導電體四周或於環繞該第一氟聚合物層之該第二氟聚合物層四周，以形成堅韌層(針對氟聚合物之上述應力破裂阻抗)。
針對應力破裂阻抗與熔融流動指數的這些較佳態樣適用於下述各氟聚合物。
適合的氟聚合物可選自ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物，更佳係選自PFA(全氟烷氧基共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物。
氟聚合物ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)一般為乙烯及四氟乙烯之共聚物。於本發明之電動潛水泵電纜中，環繞該等導體之ETFE可選自包含15重量百分比至25重量百分比之乙烯及75重量百分比至85重量百分比之四氟乙烯的ETFE，更佳為包含15重量百分比至20重量百分比之乙烯及80重量百分比至85重量百分比之四氟乙烯的ETFE，以該ETFE之總重量計。
氟聚合物PFA(全氟烷氧基共聚物)一般為四氟乙烯及全氟烷基乙烯基醚(例如全氟丙基乙烯基醚、全氟乙基乙烯基醚或全氟甲基乙烯基醚)之共聚物。於本發 明之電動潛水泵電纜中，環繞該等導體之PFA可選自包含90重量百分比至98或99重量百分比之四氟乙烯及1或2重量百分比至10重量百分比之全氟丙基乙烯基醚、全氟乙基乙烯基醚或全氟甲基乙烯基醚之PFA，更佳為包含92重量百分比至97重量百分比之四氟乙烯及3重量百分比至8重量百分比之全氟丙基乙烯基醚、全氟乙基乙烯基醚或全氟甲基乙烯基醚之PFA，全部以該PFA之總重量計。
氟聚合物FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)一般為四氟乙烯與六氟丙烯之共聚物。於本發明之電動潛水泵電纜中，環繞該等導體之FEP可選自包含87重量百分比至94重量百分比之四氟乙烯及6重量百分比至13重量百分比之六氟丙烯的FEP，更佳為包含88重量百分比至90重量百分比之四氟乙烯及10重量百分比至12重量百分比之六氟丙烯的FEP，皆以該FEP之總重量計。更佳的是，環繞該等導體之FEP可選自更包含不超過2重量百分比或0.01重量百分比至2重量百分比之有別於四氟乙烯或六氟丙烯之額外氟單體的FEP，以該共聚物之總重量計。
該第一層氟聚合物所含有的氟聚合物較佳為一全氟聚合物，即除了端基以外在氟聚合物鏈之碳原子上的所有單價取代基均為氟原子的氟聚合物。PFA與FEP分別為使用溫度為260℃及205℃之全氟聚合物。
環繞該等導電體之該第一氟聚合物層之厚度可為0.1 mm至2 mm，較佳為0.5 mm至1.5 mm或1 mm至 2 mm。通常該第一聚合物層之厚度為至少0.38 mm且至多最大厚度為1.5 mm或2 mm。
環繞該等導電體之該第一氟聚合物層可具有圓形、卵形、矩形、方形或其他複雜外形。若第一氟聚合物層為非圓形，前述層厚度適用於該層的最薄厚度。
較佳的是，環繞該等導電體之該第一氟聚合物層具有圓形或矩形形狀，且較佳具有圓形形狀。
該第一氟聚合物層的前述厚度及截面形狀適用於包含前述各氟聚合物之該等層。
各導電體可具有圓形截面及截面表面為例如13.3 mm2或16 mm2。較佳的是該等導電體可具有之截面表面為6 mm2至20 mm2且更佳為10 mm2至20 mm2。此等導電體及其上述結構可搭配使用該第一氟聚合物層所含有之任一種前述氟聚合物。
於本發明之電動潛水泵電纜中，該等導電體被一第一氟聚合物層所環繞，其可為連續或不連續者。
若該第一氟聚合物層為連續者，各導體由相同的單數單件式第一氟聚合物層所環繞，即各導體共用相同氟聚合物護套或鞘作為絕緣。
若該第一氟聚合物層為不連續者，各導體分別由一分離的第一氟聚合物層所環繞，即各導體具有分離的氟聚合物護套或鞘作為絕緣。
較佳的是，該第一氟聚合物層為不連續者，且各導體具有一分離的氟聚合物護套或鞘作為絕緣。
環繞該等導電體之該第一氟聚合物層較佳係使用已知方法(例如壓力熔融壓出或管件熔融壓出)施用至導電體。
該第一氟聚合物層較佳係與該等導電體直接接觸，因而形成電纜的主要絕緣，且較佳係與導電體及外部金屬護甲直接接觸。
於第一層絕緣材料間與該等絕緣材料及導電體間的關係可搭配使用該第一氟聚合物層所含有之任一種前述氟聚合物。
欲形成本發明之電動潛水泵電纜，由一第一層氟聚合物(針對前述任一種氟聚合物)所環繞的至少二導電體被結合成一束並裝設於一外部金屬護甲內。
此束可具有一多邊形形狀，例如在該束是由三條導電體所組成的情形中，三條導電體彼此間隔120°角，且三條導電體形成一等邊三角形的角。該束也可具有扁平形狀，其中至少兩條導電體分別於一平面中並列設置。
較佳的是該束具有扁平形狀。
本發明電動潛水泵電纜的外部金屬護甲通常為金屬或金屬合金，且需要保護該電動潛水泵電纜以防止摩擦、機械衝擊、擊穿及壓縮(壓碎)。此保護係由以這些導體之殼體的形式環繞該絕緣之導體及具有所需強度的金屬(包括金屬合金)而達成，取決於所使用的特定金屬、其形狀與厚度。適用於金屬護甲的金屬可選自鋼、CrMo鋼、鋁、銅、黃銅、碳鋼、不銹鋼及/或MONEL®。該外部金屬護甲較佳係不含鉛，即無鉛。
該外部金屬護甲較佳係由一螺旋纏繞並連鎖成為至少二導電體周邊的封閉式柱體之連續金屬帶所形成，各導電體由至少一氟聚合物層所絕緣。較佳的是，金屬護甲(包括護甲為金屬帶的情形)之厚度為至少10密耳(0.25 mm)。
根據本發明之電動潛水泵電纜較佳係包含一額外填料層作為電纜內的一額外層，其插設於該第一氟聚合物層與該外部金屬護甲之間，且可包含玻璃、石棉或岩棉纖維、高分子材料、編絞或編織金屬布及其組合。較佳的是，該額外填料層為高分子填料層。較佳的是該填料層環繞該第一氟聚合物層。
可用於額外高分子填料層之合適高分子材料可選自聚酯、聚醯胺、芳香族聚醯胺、氟聚合物、聚烯烴及/或其組合。
較佳的是，額外高分子填料層可選自使用溫度至少200℃且具有優異化學抗性之聚合物，以承受油井內遭遇的條件，例如侵蝕性及高壓氣體(如H2S及CO2)及超過200℃的溫度。
額外高分子填料層較佳係以聚酯、聚醯胺、芳香族聚醯胺、氟聚合物、聚烯烴及/或其組合的編織或不織布形式存在，且較佳係以包裹該第一氟聚合物層之不織布形式存在，例如熔噴聚烯烴、PTFE車削帶或閃紡烯烴不織布。其它可組成前述填料層的填充材料也可用於這些織物形式。
此額外填料層(例如高分子填料層)係作為緩衝而包覆下方的電纜組件，並使氟聚合物層在熱膨脹期間 (當纜線被油井內的熱油加熱時)膨脹到一定程度，而不會從金屬護甲內部施加過多破壞壓力至氟聚合物層，特別是當護甲為纏繞金屬帶時。因此，用以形成填料層的材料係為例如前述的布料形式，藉此該填料層為可壓縮者。因此，填料層較佳並非為固體填料，其利用固體材料(例如固體聚合物)填充該第一氟聚合物層與外部護甲之間的空間。由該填料層環繞的該第一氟聚合物層及由此絕緣之導體使得此層在所有橫斷方向上均可壓縮，例如相對於圖4a及4b所示纜線橫截面的上、下及側方。
在一進一步實施例中，根據本發明用於油井內的電動潛水泵(ESP)電纜包含至少二導電體、一第一氟聚合物層環繞該至少二導電體之每一者、一第二氟聚合物層環繞該第一氟聚合物層以及一外部金屬護甲，其中環繞該至少二導電體之每一者的該第一氟聚合物層包含至少一氟聚合物，該氟聚合物係選自ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物，且其中環繞該第一氟聚合物層之第二氟聚合物層包含至少一氟聚合物，該氟聚合物係選自ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物。
於根據本發明包含至少二導電體之用於油井內的電動潛水泵(ESP)電纜中，兩氟聚合物層之至少一者較佳係被染色或上色，以彼此區分不同的氟聚合物層。根據本發明此實施例，用於油井內的電動潛水泵(ESP)電纜的導電體係由環繞各導電體的一第一及一第二氟聚 合物層所環繞，其中該第二氟聚合物層環繞該第一氟聚合物，而第一氟聚合物本身環繞各導電體。
較佳的是，該第一氟聚合物層與該等導電體及該第二氟聚合物層直接接觸，且該第二聚合物層與該第一氟聚合物層直接接觸。較佳的是該第二氟聚合物層與該外部金屬護甲直接接觸，且更佳與一環繞該第二氟聚合物層且與金屬護甲直接接觸的填料層直接接觸。
電動潛水泵(ESP)電纜的該第一及第二氟聚合物層之適合氟聚合物可獨立選自ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物，更佳係選自PFA(全氟烷氧基共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物，如前所述。
該第一及第二氟聚合物層的氟聚合物較佳應可抗疲勞，以使纜線可以重複彎折而不會破裂或變脆，甚至是在低溫。此外，該第一及第二氟聚合物層的氟聚合物較佳應可長時間承受至少或超過200℃或200至260℃的溫度，甚至是至少或超過260℃。換句話說，它們的使用溫度較佳應超過至少或超過200℃或200至260℃。
較佳的是，根據本發明該第一及第二氟聚合物層的氟聚合物係包含有熔融流動指數為0.5 g/10 min至10 g/10 min(根據ISO 12086進行量測)的氟聚合物，更佳為1 g/10 min至6 g/10 min，如前所述。該第二氟聚合物也包含有如前述該第一氟聚合物層滿足該等應力破裂阻抗參數的氟聚合物。
該第一及第二氟聚合物層的合適氟聚合物可獨立選自ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物，較佳係選自PFA(全氟烷氧基共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物。包含該第一及第二氟聚合物層的氟聚合物較佳並非氟彈性體。FEP、PFA及ETFE均非氟彈性體。
該第一氟聚合物層及該第二氟聚合物層可為相同氟聚合物或不同氟聚合物。
較佳的是，該第一氟聚合物層及該第二氟聚合物層為相同氟聚合物。較佳的是，此等第一及第二層具有相同介電特徵。
此實施例可增進因破裂及/或擊穿形成所造成故障的抗性。此增進的抗性係來自於兩個較薄的氟聚合物層(例如該第一及第二氟聚合物層)之疊合，而不是因為使用了單一的較厚氟聚合物層作為該等導電體的主要絕緣。使用期間於兩氟聚合物層之任一者內形成的破裂或甚至微破裂並不會波及至相鄰層，因而維持了環繞該導電體的介電質、防止導電體受到H2S侵蝕並維持快速氣體減壓不敏感性。由於氟聚合物層形成該等導電體的主要絕緣，快速氣體減壓之不敏感性對於電纜可操作性至為重要。主要絕緣位於兩個彼此不相互黏合的層(第一及第二層氟聚合物)之現象並不會減損氟聚合物層的減壓不敏感性，不論是各別來說或整體來說。
該第一氟聚合物層的厚度適用於形成電纜內主要絕緣的該第一及第二氟聚合物層之複合厚度。較佳的 是，兩層中一者的厚度為另一者的至少20%以內。較佳的是，兩層中一者的厚度與另一者實質上相同，此係考量到在將該等層壓出施用至導電體及將第二層施用至第一層時可能發生的厚度變化。較佳的是，總絕緣厚度為至少0.75 mm，且各氟聚合物層之厚度為至少0.38 mm。一般來說，兩層的合併厚度將不超過1.5或2 mm。在非圓形第二氟聚合物層的情形中，其層厚度適用於該層的最薄厚度。
環繞該等導電體之該第一及第二氟聚合物層可獨立地具有一圓形、卵形、矩形、方形或其他複雜形狀，例如一第一圓形氟聚合物層被一第二矩形氟聚合物層，且它們較佳係具有相同形狀。
較佳的是，環繞該等導電體之該第一及第二氟聚合物層具有圓形或方形形狀，且較佳為圓形形狀。
於本發明之電動潛水泵電纜中，該第一氟聚合物層被一第二氟聚合物層所環繞，其可為連續或不連續者。
若該第一氟聚合物層為連續者，環繞該第一氟聚合物層的該第二氟聚合物層也為一連續氟聚合物層。
若該第一氟聚合物層並非為連續者，即各導體具有一分離的護套或鞘，則環繞該第一氟聚合物層的該第二氟聚合物層可為一連續或不連續氟聚合物層，且較佳並非為連續者，即各導體具有兩個同心分離護套或鞘，換句話說，各別的第一氟聚合物層被一各別的第二氟聚合物所封裝。
環繞該等導電體的該第一及第二氟聚合物層係可使用已知方法(例如壓力熔融壓出或管件熔融壓出)施用至導電體。
該第一及第二氟聚合物層可同時或依序施用至導電體。較佳的是它們同時被施用。
若根據本發明之電動潛水泵電纜包括一第二氟聚合物層，該額外填料層較佳係存在電纜中，插設於該第二氟聚合物層及該外部金屬護甲之間。該填料層可與前述相同，其中該第一氟聚合物層與該填料層直接接觸。於此兩層絕緣之實施例中，該填料層環繞該第二氟聚合物層。該填料層較佳係與該第二氟聚合物層直接接觸。該填料層較佳係也與金屬護甲直接接觸，且較佳也與該第二氟聚合物層直接接觸。
本發明所述用於油井內的電動潛水泵電纜之優點在於其提供一種不需使用鉛層之電纜，因此其具有實質較低的每單位長度之重量及小於傳統電動潛水泵電纜之截面，同時，其提供導電體絕佳的電性絕緣、針對井內氣體提供絕佳的化學抗性及阻障以及絕佳的疲勞(破裂)抗性與使用壽命。
氟聚合物主要絕緣可抵抗快速氣體減壓，不論是存在單一層內或作為具有相同複合厚度的兩層。
實例
將一層(片)0.5 mm厚的PFA進行模擬護甲內之減壓條件的NORSOK M-710減壓測試。此PFA具有之熔融流動指數為5.2 g/10 min及熔融溫度為305-310 ℃。將此層置入固定器內，之後置入加熱至超過200℃的增壓缸內。將增壓缸填入氣體組成物進行增壓至5000 psi(34.5 MPa)，該氣體組成物為90%甲烷及10%二氧化碳。將氣體組成物由增壓缸釋放以達到1000 psi/min(6.9 MPa/min)的壓力減少而進行減壓。當增壓缸內部達到大氣壓力，將PFA層移除並進行檢測。其中並不存在減壓敏感性的證據，即層厚度並未改變，代表在減壓期間並不存在層膨脹，此可由層厚度內不存在撕裂或氣泡得證。放大檢視PFA層之截面可確認此不敏感性。
若使用厚度為1 mm的一層相同PFA重複減壓測試，可獲得相同結果。若將1 mm厚的層用兩層0.5 mm厚的相同PFA替換，可得到相同結果。
若將PFA用一層0.5 mm厚的FEP(其熔融流動指數為5 g/10 min而熔融溫度為255至260℃)取代及一層1 mm厚的相同FEP取代，可獲得相同結果。
這些實例中PFA及FEP的MIT撓曲壽命分別超過20000次循環。
若將此減壓測試以一層1 mm厚的EPDM或交聯聚乙烯進行，該層會於減壓期間發泡，此可由層厚度的不規則增加得證。可於減壓後的該層放大截面觀察到層內的內部氣泡。此測試結果與本領域中當含有這些主要絕緣的電動潛水泵電纜經歷快速氣體減壓時所觀察到的現象相符。
在另一實施例中，根據CEI-EIC 61956標準對氟聚合物層進行濕電樹形成測試，其可確認施加5 kV/mm至浸泡於NaCl溶液的層(模擬在油井深度可能遭遇的 含鹽水之油)共240小時是否會在層表面發生電弧。電弧會導致纜線絕緣之燒穿。前述減壓測試中之PFA及FEP樣本均未形成此電弧，藉此這些氟聚合物通過此CEI-EIC嚴格測試。
本發明之扁平電動潛水泵電纜(具有圖5b之組態，除了導體上的絕緣材料為一1 mm厚的單層氟聚合物(前述PFA)，且外部金屬護甲為螺旋纏繞的不銹鋼帶)，相較於相同導電體數目的扁平纜線(各導電體由一較厚的EPDM絕緣材料絕緣且各自包覆於鉛內，並由金屬帶包材綁在一起)，具有改善的電氣及減壓效能。本發明纜線之厚度量測僅有28 mm，相較之下EPDM絕緣纜線寬度則為38 mm，且本發明纜線之重量也較輕(2.5倍)。相較於對比纜線之EPDM絕緣材料與鉛鞘組合，本發明電纜中的氟聚合物絕緣材料提供導電體對於H2S更好的保護。
10‧‧‧導電體
12‧‧‧第一氟聚合物層
13‧‧‧第一氟聚合物層
14‧‧‧第一氟聚合物層
16‧‧‧第一氟聚合物層
17‧‧‧第二氟聚合物層
18‧‧‧第二氟聚合物層
24‧‧‧填料層
26‧‧‧金屬護甲
30‧‧‧金屬護甲
31‧‧‧填料層
32‧‧‧填料層
圖1a以橫截面顯示該第一氟聚合物層於一導電體上形成該主要絕緣之一實施例；圖1b以橫截面顯示該第一氟聚合物層於一導電體上形成該主要絕緣之另一實施例；圖2a以橫截面顯示作為一束複數絕緣導體之圖1a的實施例；圖2b以橫截面顯示複數絕緣導體之另一實施例；圖3a以橫截面顯示由氟聚合物之第一及第二層絕緣之複數導電體的一實施例； 圖3b以橫截面顯示由氟聚合物之第一及第二層絕緣之複數導電體的另一實施例；圖4a以橫截面顯示本發明電動潛水泵電纜的一實施例；圖4b以橫截面顯示本發明電動潛水泵電纜的另一實施例；圖5a以橫截面顯示本發明電動潛水泵電纜的又一實施例；以及圖5b以橫截面顯示本發明電動潛水泵電纜的又一實施例。

Claims (12)

  1. 一種用於油井內之電動潛水泵電纜，包含a.至少二導電體；b.一第一氟聚合物層，環繞該至少二導電體之每一者；c.一外部金屬護甲，其中環繞該至少二導電體之每一者的該第一氟聚合物層包含至少一氟聚合物，該氟聚合物係選自ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物。
  2. 如請求項1所述之用於油井內之電動潛水泵電纜，其中根據ISO 12086進行量測，該至少一氟聚合物具有一0.5 g/10 min至10 g/10 min之熔融流動指數。
  3. 如請求項1所述之用於油井內之電動潛水泵電纜，其中根據ASTM D 2176進行量測，該第一氟聚合物層之氟聚合物具有一超過20000次循環之應力破裂阻抗。
  4. 如請求項1所述之用於油井內之電動潛水泵電纜，其中該第一氟聚合物層與該導電體直接接觸。
  5. 如請求項1所述之用於油井內之電動潛水泵電纜，其中該第一氟聚合物層與該導電體之每一者直接接觸並與該外部金屬護甲直接接觸。
  6. 如請求項1所述之用於油井內之電動潛水泵電纜，其中該第一氟聚合物層具有一環繞該第一氟聚合物層之第二氟聚合物層。
  7. 如請求項6所述之用於油井內之電動潛水泵電纜，其中該第二氟聚合物層之氟聚合物包含與該第一氟聚合物所包含者相同之氟聚合物。
  8. 如請求項6所述之用於油井內之電動潛水泵電纜，其中該第一及第二氟聚合物層彼此直接接觸。
  9. 如請求項1所述之用於油井內之電動潛水泵電纜，其中一額外填料層係插設於該第一氟聚合物層與該外部金屬護甲之間。
  10. 一種用於油井內之電動潛水泵電纜，包含a.至少二導電體；b.一第一氟聚合物層，環繞該至少二導電體之每一者；c.一第二氟聚合物層，環繞該第一氟聚合物層；d.以及一外部金屬護甲，其中環繞該至少二導電體之每一者的該第一氟聚合物層包含至少一氟聚合物，該氟聚合物係選自ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物，且其中環繞該第一氟聚合物層的該第二氟聚合物層包含至少一氟聚合物，該氟聚 合物係選自ETFE(乙烯四氟乙烯共聚物)、PFA(全氟烷氧基共聚物)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)及/或其混合物。
  11. 如請求項10所述之用於油井內之電動潛水泵電纜，其中一額外填料層係插設於該第二氟聚合物層與該外部金屬護甲之間。
  12. 如請求項10所述之用於油井內之電動潛水泵電纜，其中該第一氟聚合物層與該等導電體及該第二氟聚合物層直接接觸，且其中該第二氟聚合物層與該第一氟聚合物層及該外部金屬護甲直接接觸。
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