本公开总体涉及用于地下井的人工举升系统，并且更具体地涉及利用承重动力电缆对电驱动的人工举升系统进行无钻机部署。

背景技术：

人工举升系统部署在一些采出烃的井筒中，以提供将流体输送到地面的人工举升。典型为液体的流体由液态烃和水组成。当安装时，典型的人工举升系统在采油管的管柱底部处悬挂在井筒中。除了包括泵之外，人工举升系统还可以包括以电为动力的电动机以及密封部分。泵通常是离心泵或正排量泵中的一种。作为替代方案，人工举升系统可以包括螺杆泵、湿气压缩机或其它已知的人工举升系统。

当人工举升系统出故障时，使用修井机拉出油管，并更换掉出故障的人工举升系统。修井机的成本很高，尤其是在海上。还有，钻机的等待时间可长达6至12个月，导致采出显著延期。正在开发允许利用动力电缆将人工举升系统无钻机部署在采油管内的技术。当人工举升系统出故障时，可以拉出人工举升系统，而将采油管留在原位。

一些现有的人工举升系统采用反螺旋线材缠绕的动力电缆；然而，这种电缆每英尺重量超过5磅。这种重量的电缆将成为问题，并且部署钻井将需要相当大的空间来处理动力电缆。另外，由于反螺旋线材中的缝隙，针对这种电缆进行的密封对井控设备提出挑战。这种电缆的接合将造成电缆太大并且接合是一个耗时的过程。

技术实现要素：

本文公开的实施例描述了用于动力电缆的系统和方法，所述动力电缆具有足够的强度来保持其自身重量、支撑设备的重量并且另外处理过度拉动。当动力电缆暴露于地下井的井筒的流体和气体时，动力电缆可以维持动力电缆的电气完整性。动力电缆足够坚固以便在运行和拉动期间不会被安装设备损坏、能够抵抗支撑部件的腐蚀损坏并且能够保护电导体免受井筒的恶劣化学环境的影响。

在本公开的实施例中，一种用于为人工举升系统提供动力的方法包括提供至少两根导体，每根导体均为使绝缘材料包围所述导体的被绝缘导体。用复合纤维护套包围所述至少两根导体，以形成动力电缆，所述复合纤维护套是所述动力电缆的最外部件并具有基本平滑的外表面。将所述动力电缆连接至所述人工举升系统，使得所述人工举升系统的负载传递到所述动力电缆的所述复合纤维护套上。

在替代实施例中，可以在用所述复合纤维护套包围所述至少两根导体之前，用填充材料包住所述至少两根导体。用所述复合纤维护套包围所述至少两根导体的步骤可以包括：将所述复合纤维护套直接施加到所述填充材料上。所述复合纤维护套可以是柔性部件，所述方法可以进一步包括：将所述动力电缆从线轴上展开以将所述人工举升系统降低到井筒中。所述动力电缆可以支撑在20,000lbf(磅力)至40,000lbf范围内的所述人工举升系统的负载。

在其它替代实施例中，用所述复合纤维护套包围所述至少两根导体的步骤包括：用包含与聚合材料组合的合成纤维的所述复合纤维护套包围所述至少两根导体，或者作为替代方案，所述复合纤维护套可以包含如下材料：所述材料选自由碳纤维、凯夫拉(Kevlar^TM)、维克特拉(Vectran^TM)、树脂、环氧树脂、聚醚醚酮及它们的组合所构成的组。

在本公开的另一实施例中，一种用于为人工举升系统提供动力以从地下井采出流体的方法，所述方法包括：提供至少两根导体，每根导体均为使绝缘材料包围所述导体的被绝缘导体。可以用复合纤维护套包围所述至少两根导体，以形成动力电缆，所述复合纤维护套是所述动力电缆的最外部件并具有基本平滑的外表面。可以将所述动力电缆连接至所述人工举升系统，使得所述人工举升系统的负载传递到所述动力电缆的所述复合纤维护套上。可以用所述动力电缆将所述人工举升系统降低到井筒中。用所述动力电缆给所述人工举升系统激励，以协助将所述地下井内的流体采出到地面。

在替代实施例中，可以在用所述复合纤维护套包围所述至少两根导体之前，用填充材料包住所述至少两根导体，并且用所述复合纤维护套包围所述至少两根导体的步骤可以包括：将所述复合纤维护套直接施加到所述填充材料上。所述复合纤维护套可以是柔性部件，并且用所述动力电缆将所述人工举升系统降低到所述井筒中的步骤可以包括将所述动力电缆从线轴上展开。可以将所述人工举升系统支撑在所述井筒内，使得所述复合纤维护套支撑20,000lbf至40,000lbf范围内的所述人工举升系统的负载。可以用所述动力电缆从所述井筒中取回所述人工举升系统。

在本公开的另一替代实施例中，一种用于为人工举升系统提供动力的系统，所述系统包括：动力电缆，其具有至少两根导体，每根导体均为使绝缘材料包围所述导体的被绝缘导体。填充材料包住所述至少两根导体。复合纤维护套包围所述填充材料，所述复合纤维护套是所述动力电缆的最外部件并具有基本平滑的外表面。

在替代实施例中，所述连接部件可以将所述动力电缆的端部固定至所述人工举升系统。所述连接部件可以定向成将所述人工举升系统的负载传递至所述动力电缆的所述复合纤维护套。所述复合纤维护套可以是柔性部件，所述柔性部件能操作用于在从线轴上展开时保持所述复合纤维护套的完整性。所述复合纤维护套可以包含与聚合材料组合的合成纤维。所述复合纤维护套可以可选地包含如下材料：所述材料为碳纤维、Kevlar^TM、Vectran^TM、树脂、环氧树脂、聚醚醚酮及它们的组合。所述复合纤维护套的外径可以在0.5英寸到2.5英寸的范围内。所述动力电缆可以具有在20,000lbf至40,000lbf范围内的负载容量。所述至少两根导体的数量可以不大于三根导体。

附图说明

为了能够详细地理解且获得本公开实施例的上述特征、方面和优点以及将变得显而易见的其它特征、方面和优点的方式，可以通过参考在形成本说明书一部分的附图中示出的本公开的实施例，对上面简要概述的本公开进行更具体的描述。然而，需要注意的是，附图仅示出了本公开的优选实施例，因此，不应认为是对本公开范围的限制，因为本公开可以准许其它同等有效的实施例。

图1是根据本公开实施例的具有人工举升系统和动力电缆的地下井的示意性剖视图。

图2是根据本公开实施例的动力电缆的示意性横截面图。

具体实施方式

现在将在下文中参考示出本公开实施例的附图更全面地描述本公开的实施例。然而，本公开的系统和方法可以以许多不同的形式来实现，并且不应该被解释为限于本文阐述的所示实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开充分和完整，并且将本公开的范围完全传达给本领域技术人员。相同的附图标记始终表示相同的元件，并且如果使用的话，上撇号注释表示替代实施例或位置中的类似元件。

在以下讨论中，阐述了多个具体细节以提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开的实施例。另外，在大多数情况下，省略了关于钻井、储层测试、完井等细节，因为这种细节对于获得对本公开的完整理解被认为不是必要的，并且被认为是在相关领域技术人员的技能范围内。

参见图1，地下井10包括井筒12。人工举升系统14位于井筒12内。图1的人工举升系统14可以例如为电潜泵(ESP)系统，并且在最下端包括电动机16，用于驱动位于上部的泵18。电动机16可以例如为AC或DC感应电动机或永磁电动机。电动机16与泵18之间设有密封部分20，用于使人工举升系统14内的压力与井筒12的压力均衡。流体F示出为从与井筒12相邻的地层22进入井筒12。流体F流到在泵18的外壳中所形成的入口24。流体F在泵18内被加压，并且在出口26处从人工举升系统14中排出并进入井筒12或采出管柱(未示出)中。然后流体向上行进到位于地面30的井口28。封隔器32可以在入口24与出口26之间围绕人工举升系统14密封。

人工举升系统14利用动力电缆34悬挂在井筒12内。动力电缆34是从井口28延伸到人工举升系统14的细长部件。参见图2，动力电缆34包括至少两根导体36。导体36可以用于将电力传输到人工举升系统14。

导体36可以是铜、铝或用于传输电力的其它已知材料。导体36可以是实心线材或绞合线材。在某些实施例中，导体36是实心的，使得导体36与绞合导体36相比更致密、准许更可靠的接合操作并且更好地防止气体迁移。导体36的尺寸可以例如为AWG#1、2、4或6，这取决于应用。导体36可以是圆形的，如图所示，或者可以是使动力电缆34的尺寸优化的其它形状。

在某些实施例中有两根导体36，并且在替代实施例中有三根导体36。利用两根导体36，可以将直流电流传输至人工举升系统14，以驱动DC电动机。在另一种构造中，可以部署井下电子设备以将DC转换成AV，并且可以使用三相AC电动机为人工举升系统14提供动力。当动力电缆34中包括三根导体36时，可以将三相AC直接供应至人工举升系统14的电动机。除了包括导体36之外，动力电缆34还可以包括用于数据传输的电线或光纤光缆的附加通信电缆，或者可以包括用于流体注入的导管(未示出)。

导体36是由绝缘材料38包围的被绝缘导体。绝缘材料38防止导体36之间的短路和电流泄漏。绝缘材料38必须能够承受井筒12中的高操作温度、不会因烃而膨胀并且能够抵抗游离气体迁移到导体36的主体中。常用的绝缘材料包括聚丙烯、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)和丁腈橡胶。聚丙烯是一种热塑性材料，并且可以在高达大约200F(华氏度)的温度下使用。EPDM是一种热固性塑料材料，其可以在400F以上的操作温度下使用。可以在绝缘材料38上面施加补充保护层(未示出)。保护层的类型可以包括带、编织物、挤出阻挡层、激光焊接金属管以及本领域已知的其它类型。

在某些实施例中，导体36可以被填充材料40包住。在替代实施例中，不使用填充材料40。填充材料40可以保护导体36和绝缘材料38免受机械损坏，并且可以填充导体36之间的空间。填充材料可以例如为丁腈橡胶、乙烯丙烯二烯单体(EPDM)或其它已知的填充材料。

导体36被作为动力电缆34的最外部件的复合纤维护套42包围。复合纤维护套42具有基本平滑的外表面。在该上下文中，术语基本平滑意味着它是足够连续的表面以向井控设备提供密封表面。例如，剥离器(stripper)可以围绕复合纤维护套42的外表面密封，用于流体容纳。基本平滑表面可以是圆形的，并且坚固到足以允许用连续油管注入头的操作。防喷器(BOP)可以用于剪切闸板(shear ram)、密封闸板(seal ram)和半封闸板(pipe ram)，以确保在各种压力条件下的良好完整性。复合纤维护套42可以有效地保护整个动力电缆34免受油和减压膨胀的影响。复合纤维护套42将直接施加在填充材料38上，并且在没有填充材料的实施例中直接施加在导体36的绝缘材料上。

用于复合纤维护套42的纤维材料的选择将取决于井下环境中的操作温度。纤维材料的重量将小于一些现有系统的诸如反螺旋线材或铠装线材等的承载线材部件的重量。作为实例，碳纤维是由直径约5μm至10μm且主要由碳原子组成的纤维所构成的材料。为了生产碳纤维，使碳原子以或多或少平行于纤维长轴排列的晶体结合在一起，因为该晶体排列使纤维具有高的强度体积比(使其相对于尺寸而言得到增强)。碳纤维具有期望的特性，如高刚度、高拉伸强度、低重量、高耐化学性、高温耐受性和低的热膨胀性。

碳纤维可以与其它材料组合以形成复合材料。当与塑料树脂组合并且缠绕或成型到一起时，该组合形成碳纤维增强聚合物(通常称为碳纤维)，其具有非常高的强度重量比、在高温下是热稳定的、具有高强度和模量、低蠕变和良好的化学稳定性。作为实例，复合纤维护套42可以由碳纤维、Kevlar^TM、Vectran^TM或者与树脂、环氧树脂、聚醚醚酮(PEEK)或其它聚合材料组合而成的其它合成纤维制成。

复合纤维护套42用作强度部件并且比钢轻且坚固。复合纤维护套42的尺寸可以是碳钢的十分之一，拉伸强度是碳钢的2倍至3倍。复合纤维护套42还能抵抗CO2、H2S和其它常见的腐蚀性油田流体。复合纤维护套42可以通过拉挤成型(pultrusion)、过度挤出、带缠绕和烧结或者本领域技术人员已知的其它方法来施加。

复合纤维护套42是动力电缆34的承载部件。复合纤维护套42紧密地包围填充材料40(如果有的话)和导体36，使得填充材料40和导体36的重量传递到复合纤维护套42上。复合纤维护套42紧密地形成为动力电缆34的外层，使得不存在空隙来允许在复合纤维护套42的内径内发生气体圈闭或迁移。作为动力电缆34的最外层，复合纤维护套42没有额外的保护层或强度层。

除了指定的过拉力之外，动力电缆34还将具有足够的负载容量来保持其自身重量加上人工举升系统14的重量。作为实例，动力电缆34的要求负载容量可以在20,000lbf至40,000lbf之间，这取决于具体应用。复合纤维护套42的厚度将基于用来形成复合纤维护套42的材料的选择来确定。动力电缆34的总外径可以例如在0.5英寸到2.5英寸的范围内。提供具有最小外径的动力电缆34将使得通过井筒12采出的流体的流动区域更大。

动力电缆34的端部可以利用连接部件44固定至人工举升系统14。连接部件44将人工举升系统14固定至动力电缆34的复合纤维护套42，使得人工举升系统14的负载传递到动力电缆34的复合纤维护套42上并由复合纤维护套42支撑。由于动力电缆34的设计简单，可以包括两根或三根导体36，所以导体36和复合纤维护套42通过连接部件44与人工举升系统14的连接相对简单且可靠。

在动力电缆34的相反端部，动力电缆34利用电缆悬挂器46悬挂在井口28上。电缆悬挂器46允许动力电缆34和人工举升系统14的重量通过复合纤维护套42传递到井口28上。

动力电缆34可以在地面30处以一定长度存储在可操作尺寸的可运输卷轴48上。作为实例，动力电缆34可以以6000英尺至8,000英尺的长度设置在可运输卷轴48的线轴上。复合纤维护套42是足够柔性的以确保动力电缆可以无脱层无裂缝地卷在常规的可运输卷轴48上，使得当动力电缆34从线轴上展开时保持复合纤维护套42的完整性。随着动力电缆34从可运输卷轴48的线轴上展开，人工举升系统14与动力电缆34一起降低到井筒12中。

在操作的实例中，为了向人工举升系统14提供动力并且为了在无钻机操作中展开和取回人工举升系统14，可以利用动力电缆34，动力电缆34具有本文描述的特征。人工举升系统14连接到动力电缆34并且动力电缆34用于将人工举升系统14降低到井筒12中。可以给人工举升系统14激励以协助将井筒12内的流体从地下地层举升到地面30。人工举升系统14将借助复合纤维护套42悬挂在井口28上，使得复合纤维护套42支撑动力电缆34和人工举升系统14的重量。人工举升系统14可以进一步利用动力电缆34从井筒12中取回。

因此，本文所述的本公开的实施例非常适于实现所提到的目标并获得所提到的目的和优点，以及其中固有的其它目的和优点。虽然出于公开的目的给出了本公开的当前优选实施例，但是在用于实现期望结果的过程的细节中存在许多变化。这些和其它类似的修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且旨在包含在本公开的精神和所附权利要求的范围内。