ESP kabels

In dit blog vertellen we je over de toepassing en de constructie van ESP kabels. Deze kabels zijn namelijk specifiek ontwikkeld voor de voeding en bediening van de motoren van ‘Electrical Submersible Pumps’. Met deze pompsystemen wordt olie naar de oppervlakte gepompt. Dus voordat we de kabel voor je gaan ontleden duiken we eerst honderden meters onder de grond.

Electrical Submersible Pumps

Bij het aanslaan van een oliebron komt door de druk de olie naar het aardoppervlak. Na verloop van tijd neemt de druk af naarmate er olie wordt gewonnen. Door gebruik te maken van ‘Electrical Sunmersible Pumps’ houdt men de toevoer van olie op gang.

Naar schatting worden wereldwijd bij olievelden zo’n 150.000 tot 200.000 ESP pompsystemen gebruikt. Dit systeem bestaat uit verschillende onderdelen die met elkaar in serie staan en worden aangedreven door de ESP motor. Hoe dit werkt lichten we kort toe met de rechter afbeelding.

De schacht is onderaan geperforeerd zodat de aardolie er in kan lopen om vervolgens naar boven gepompt te worden. Onderaan het ESP systeem zit (1) een monitorings-tool met sensoren om onder andere de druk en de temperatuur te meten. Deze data worden via de (6) ESP kabel naar boven verzonden. De (2) submersible motor is een tweetakt, drie fase inductiemotor die het gehele ESP systeem aandrijft. Boven de motor zitten de zogeheten (3) motorprotectors. Het is de verbinding tussen de motor en de rest van het systeem en houdt vloeistoffen en gassen vanuit de bron buiten. Hier bevindt zich ook het motorolie reservoir dat uitzetten en inkrimpen van de olie reguleert.

Vanuit de bron komt niet alleen aardolie, ook gassen komen mee naar boven. Deze gassen worden door de (4) gas separator gescheiden van de olie. In de (5) pump housing bevindt zich dan werkelijk de pomp die de olie naar het aardoppervlak doorpompt. Het hele systeem wordt gevoed door de (6) ESP power cable. Dit is van het oppervlak tot aan het pompsysteem de ronde uitvoering van de kabel. De platte uitvoering van de ESP kabel loopt verder langs het pompsysteem naar de motor omdat ruimte hier beperkt is.

Om je nog wat extra beeld te geven hoe een electrical sumbmersile pump werkt hebben we hier een kort filmpje. Je ziet hierin ook goed de aansluiting van een platte ESP kabel op de motor.

ESP kabels van Incore Cables

Wij kunnen je zowel platte als ronde ESP kabels aanbieden. Hier vind je ook direct de datasheets van deze kabels. Voor meer informatie en vragen, neem dat contact met ons op.

• Datasheet – Platte ESP kabel met galvanized steel armour
• Datasheet – Platte ESP kabel met stainless steel armour
• Datasheet – Ronde ESP kabel met galvanized steel armour
• Datasheet – Ronde ESP kabel met stainless steel armour

De ESP kabels

Zoals gezegd zijn de ESP kabels specifiek ontworpen voor de voeding en besturing van systemen voor het winnen van aardolie. Deze drie-fase stroomkabel heeft twee uitvoeringen; rond en plat. De veschillen tussen deze uitvoeringen hebben meer te maken met de mechanische aspecten dan met de constructie van de kabel. De gebruikte materialen zijn namelijk hetzelfde. We duiken nu in de constuctie van de kabel en werken van binnen naar buiten. We trappen af met de geleiders van de ESP kabels.

De geleiders van ESP Kabels

De geleiders vervullen de hoofdfunctie van ESP kabels, namelijk vermogensdistributie. Bij ESP kabels wordt gebruik gemaakt van koperen geleiders. Dit kan een klasse 1 of klasse 2 geleider zijn. Klasse 1 houdt in dat het een solide geleider is. Een klasse 2 geleider bestaat uit 7 gebundelde kleinere geleiderdraden. Het voordeel van een klasse 2 geleider is dat deze flexibeler is en een kleinere buigradius heeft dan een klasse 1 geleider.

De solide klasse 1 geleiders bieden in het geval van ESP kabels meer voordelen, en worden daarom vaker toegepast. De geleiders zijn dunner, makkelijker te strippen en ze zijn goedkoper. Tussen de geleiderdraden van een klasse 2, hoe klein dan ook, blijft nog altijd ruimte. Hierdoor is het mogelijk dat gassen zich onder hoge druk via de geleiders kunnen verplaatsen. Bij een solide geleider is dit niet mogelijk. Het egale oppervlakte van de solide geleider sluit beter aan op de isolatie waardoor ook hier geen gassen kunnen lekken.

Wanneer de isolatie van polypropyleen is gemaakt, dan zijn de koperen geleiders bij ESP kabels vertind. In bepaalde omgevingen leidt direct contact tussen koper en polypropyleen tot ‘kopervergiftiging’ van de isolatie. Hierdoor verliest de isolatie waarde en verzwakken meer fysische eigenschappen. Syntetische rubbers reageren niet met koper, men kan dan bij dit isolatiemateriaal gebruik maken van normaal, niet vertind, koper.

Isolatie van de ESP Kabels

De isolatie van ESP Kabels beschermt de hoofdfunctie, het lekken van stroom/vermogen. In bovenstaande zijn de twee types van basis isolatie al genoemd. Polypropyleen (PP) is in de regel kostenefficienter en is een steviger materiaal dan syntetische rubbers. ‘Ethyleen-Propyleen-Dieen-Monomeer’ (EPDM) is een groep van syntetische rubbers die veel worden gebruikt als isolatie. Een voordeel van dit materiaal is dat het beter bestand is tegen hogere temperaturen. PP kan gebruikt worden tot een temperatuur van ca. 100˚C. Hoogwaardige EPDM’s zijn bestand tegen een conductor temperatuur van ca. 230˚C.

EPDM wordt samengesteld uit wel meer dan 20 verschillende materialen. Zo kunnen er versschillende EPDM’s gemaakt worden met specifieke eigenschappen voor verschillende toepassingen. EPDM isolatie voor voedingskabels die bovengronds worden gebruikt is niet geschikt voor ESP kabels die ondergronds worden gebruikt bij het winnen van olie. De samengestelde EPDM voor ESP kabels is een stug materiaal en zet nog minder uit wanneer het in aanraking komt met olie.

Isolatie beschermende lagen

De aders van ESP kabels hebben, zeker in het geval van EPDM, een aanvullende beschermende laag tegen olie. Syntetisch rubber zet namelijk uit wanneer het in aanraking komt met olie. Er zijn totaal drie verschillende vormen van beschermende lagen. In onderstaande benoemen we ze van goed naar best als het gaat om de aanvullende bescherming van de aders tegen olie.

Tapes en vlechtwerk

Per geïsoleerde geleider wordt er polyvinylfluoride (PVF) tape aangebracht. Dit is een thermoplastische fluorhoudend polymeer. Het nadeel van een tape is dat het altijd een overlap heeft waardoor de mogelijkheid bestaat dat olie of gas er tussen kan kruipen. Vaak wordt er een overlap van 50% toegepast om de kans hierop te verkleinen. Er kan gekozen worden voor een nylon of polyester vlechtwerk voor extra pressie op de tape. Hierdoor ontstaat wel de kans gasmigratie door het vlechtwerk.

Geëxtrudeerde barrière

Een betere manier van bescherming is een gehele afsluiting door middel van een hittebestendig plastic over de isolatie heen. Deze laag wordt in het productieproces door extrusie aangebracht. Het voordeel hiervan is dat er minder kans op migratie is van gas of olie. Een extra voordeel van deze vorm is dat het de werking van de isolatie versterkt en er nihil spanningsverlies zal zijn. Plus verhoogt het de chemische weerstand van de kabel. Geëxtrudeerde barrières zijn gemaakt van fluorpolymeren, zoals Polyvinylideenfluoride (PVDF, tot 160˚C) en gefluoreerde ethyleen propyleen (FEP, tot 400˚C)

Loden mantel

In de boorputten waar sprake is van een grote hoeveelheid van waterstofsulfidegas (zwavelwaterstof) is de kans aanzienlijk dat de hoofdfunctie wordt bedreigd door aantasting van de koperen geleiders. Om dit te voorkomen wordt er een dun laagje lood over de isolatie geëxtrudeerd. Voor PP isolatie verhoogt deze dunne loden mantel de maximale gebruikstemperatuur. Wil je meer weten over kabels met een loden mantel, en alternatieven voor het gif in lood, lees dan ons blog Voor –en nadelen van kabels met een loden mantel.

Binnenmantel

De binnenmantel is eigenlijk meer een vulmantel die opvolgende functies beter bedient door de samenslag van aders (ook weer in een bundel) weer egaliseerd tot rond. De binnenmantel vult de gehele ruimte tussen de geïsoleerde geleiders en de buiten mantel. Materialen die hier voor gebruikt worden zijn nitril en EDPM rubber. Nitril is bestand tegen temperaturen tot 138˚C en erg goed bestand tegen olie. Zoals eerder gezegd is EPDM dat minder, in aanraking met olie zal EPDM zwellen. Het wordt gebruikt vanwege het feit dat het beter bestand is tegen hogere temperaturen tot 205˚C.

Buitenmantel / Armour

De primaire functie van de metalen buitenmantel is de kabel, het binnenwerk, te beschermen tegen mechanische belasting van buitenaf. Bij de ronde uitvoering van de ESP kabels biedt het extra stevigheid en zorgt het voor compressie bij het eventueel uitzetten van de kabel. De buitenmantel is in de regel gemaakt van gegalvaniseerd staal. Dit kan gebruikt worden in boorputten waar de kans op corrosie licht tot matig is. De dikte van de buitenmantel kan variëren, hoe dikker des te beter het bestand is tegen mechanische schade en corrosie. Voor omgevingen waar het risico op corrosie hoger is kan men gebruik maken van andere soorten staal zoals RVS.

Ronde vs Platte ESP kabels

Zoals eerder gemeld, en wat goed te zien was in het filmpje, wordt de platte ESP kabel gebruikt langs het ESP systeem. Hier is de ruimte beperkt en een ronde kabel is natuurlijk dikker. Bij een platte kabel liggen de geleiders parallel aan elkaar. Een platte kabel heeft minder flexibiliteit in de platte as van de kabel. De gebruikte materialen kunnen gaan zwellen als er olie naar binnen lekt. Bij een platte kabel zal de armering eerder kunnen vervormen dan bij een ronde. Hierdoor zou een ronde uitvoering theoretisch minder snel openstaan voor indringing van olie of gas dan bij een platte gearmeerde kabel.

Bij ronde ESP Kabels is dit risico kleiner. Verhoogde druk door zwellen wordt beter opgevangen door een ronde vorm. Plus is de binnenmantel dikker en bestaat uit één geheel. Bij een platte uitvoering komt het voor dat de binnenmantel per geleider wordt aangebracht.