車載一體化火驅點火裝置研制與應用

王海濤，周漢鵬，曹 元，但永軍，高 亮

(新疆油田公司 工程技術公司，新疆 克拉瑪依 834000)①

車載一體化火驅點火裝置研制與應用

王海濤，周漢鵬，曹 元，但永軍，高 亮

(新疆油田公司 工程技術公司，新疆 克拉瑪依 834000)①

稠油火驅開發成功的關鍵是油層點火。為了實現經濟、高效、安全的工業化點火要求，研制了車載一體化火驅點火裝置。應用該裝置可方便、快捷、安全地進行電熱點火器的帶壓提下作業及點火作業過程的控制。經現場試驗，證明了新工藝及裝備的可行性與可靠性。

火驅采油；電熱點火；稠油；連續油管；帶壓作業

火驅采油技術既節能環保、又可大幅度提高采收率，越來越受到重視，已成為轉變稠油開發方式的一項重要技術。十二五期間“火燒油層開發技術先導試驗”就是國家級重大科技攻關示范項目，以后仍將是稠油開采的核心開發技術。新疆油田經過前期的先導試驗攻克了火驅采油的諸多技術難題，現已進入工業化開發階段。為確保工業化經濟高效開發，對部分核心技術進行了進一步的攻關和研究，車載一體化火驅點火裝置的研制是多個研究項目中的關鍵項目之一。先導試驗期間因為沒有專業的點火裝備，采用普通油管掛載電點火器并同步將電纜捆綁在油管外壁的方法進行點火設施的入井作業，這種工藝方法點燃油層后點火器及電纜無法從井筒內提出，不能重復使用，且現場捆綁電纜作業工藝復雜、作業時間長，導致點火作業成本高、效率低等問題。針對上述問題，研制了車載一體化油田火驅點火裝置及相適應的作業工藝。經現場試驗，證明了新工藝及裝備的可行性與可靠性，有效解決了以往工藝成本高、工藝復雜等缺點，降低了火驅生產運行成本，滿足火驅工藝工業化應用經濟、高效的要求。

1 工作原理

整套裝置主要包括運載底盤車、電纜滾筒、連續管電纜、電纜注入頭、防噴裝置、電熱點火器及點火控制系統等幾個部分，如圖1所示。除點火控制系統外，其余構件全部組裝在底盤車上，由底盤車搬遷運移。注入頭和鵝頸架鉸接在井架頂部，由液壓油缸調整其與井架的相對位置，以快速完成運輸及作業的工位轉換。連續管電纜纏繞在滾筒上，其固定端通過電纜滑環與點火控制柜相連，其自由端穿過電纜注入頭及防噴盒進入防噴管，通過專用工具——可調式卡瓦連接器與電點火器相連。非工作狀態時，井架放 倒，注入頭平躺在井架里(圖1虛線所示)，連好電纜的點火器預置在防噴管里，整個防噴裝置固定在井架里。工作時，車輛開到井口合適位置，調整好車輛與井口的距離，升起井架到設定角度；注入頭在液壓油缸的推動下外擺至豎直狀態，防噴裝置懸掛在電纜末端，位于井口正上方；啟動注入頭，驅動電纜，電纜帶動防噴裝置上下移動，使其坐在井口上，連接井口與防噴裝置；打開井口主控閥，控制注入頭將電纜及點火器下到井中預定深度。啟動地面注氣系統，通過井口向井中油管與電纜形成的環形空間注入壓縮空氣，啟動點火控制系統給點火器通電，點火器在油管內對注入空氣進行加熱，加熱后的空氣進入油層，高溫空氣與油層原油發生反應，并燃燒。根據溫度監測結果調整注氣量和點火器功率，使空氣流量和溫度滿足點火工藝要求。待點火完成后，控制注入頭將點火器提至防噴管里，關閉井口主控閥，拆卸防噴管，收井架至水平狀態，結束作業。整個過程完全是帶壓作業，點火設施也可多次重復利用；現場作業不需要其它輔助作業設備，輔助作業量少、時間短，作業工藝簡單可靠，滿足經濟、高效的工業化應用要求。

1—底盤車；2—電纜滾筒；3—排管器；4—連續管電纜；5—鵝頸架；6—鵝頸翻轉油缸；7—注入頭掛軸；8—井架；9—電纜注入頭；10—注入頭水平油缸；11—井架舉升油缸；12—防噴裝置；13—點火井口；14—液壓站；15—操控臺。

2 主要零部件

2.1 連續管電纜

連續管電纜是一種金屬鎧裝的復合電纜，其截面形狀如圖2。主要由不銹鋼外鎧、耐高溫絕緣橡膠、動力電纜線、信號線及化纖填充物等組成。這種電纜綜合了連續油管和電纜的功能，故稱之為連續管電纜，應用特殊焊接技術及整體拉拔工藝制作而成。電纜的外鎧為不銹鋼材料，其物理性能接近CT80連續油管的性能，故可將電纜當連續油管使用；電纜外鎧的另一個重要功能是保護其內部的電纜和絕緣材料。絕緣橡膠和化纖填充物都是用來保證各相動力線之間及動力線與外鎧之間的絕緣性能的。動力電纜給點火器供電，信號線用來傳輸溫度信號，二者集成一根電纜，為了解決強弱電混輸相互干擾問題，信號線外面設計有屏蔽層。金屬鎧裝復合連續管電纜兼具連續油管和電纜功能，實現并簡化了帶壓提、下點火器作業工藝；將動力線和信號線復合成一根電纜，簡化了井口和井下管柱結構。

1—不銹鋼外鎧；2—耐高溫橡膠；3—動力電纜；4—填充物；5—信號線。

2.2 電熱點火器

電熱點火器是電點火技術的核心工具，結構如圖3所示，主要由發熱電纜、不銹鋼保護套、測溫熱電偶、電纜連接器、螺紋接頭等組成。發熱電纜主要由銅護套、導電線芯和礦物絕緣(MI)材料構成，采用整體拉拔工藝制作而成，作為點火器發熱體，具有功率密度大、工作溫度高等特點，是電點火器的核心元件。在不銹鋼保護套上設計有蜂窩眼透氣孔，便于保護套內外空氣的對流。保護套內上、下兩端(俗稱冷、熱端)設置有測溫熱電偶，以監測空氣加熱前后的溫度。螺紋接頭可實現點火器與卡瓦連接器的連接，接頭內孔注有絕緣膠，凝固后的膠體可使接頭體成為實心元件，從而保證點火器與卡瓦連接器形成密閉的接線空間。

1—星接尾端；2—不銹鋼保護套；3—測溫熱電偶；4—絕緣膠；5—電源引線；6—熱電偶引線；7—螺紋接頭；8—引線封杯；9—MI冷電纜；10—冷熱電纜接頭；11—芯棒；12—MI發熱電纜；13—導向頭。

2.3 可調式卡瓦連接器

可調式卡瓦連接器是連接電纜與點火器的專用工具，其結構如圖4。主要包括上接頭、卡瓦座、卡瓦、中接頭、下接頭、密封圈、O形圈等。具有如下功能：①能實現連續管電纜與點火器的物理連接；②能將電纜與點火器的接線空間密封起來；③便于電纜與點火器的接線操作；④是便于安裝與拆卸。可調式卡瓦連接器中接頭以上部分的功能是實現電纜與連接器的物理連接，下接頭的功能是實現點火器與連接器的物理連接；下接頭與電纜、點火器形成密閉空間，保證電纜與點火器的接線空間不會浸入油水等污物。所有零件的內徑均大于電纜外徑，這樣在壓緊卡瓦之前，整個部件可在電纜上自由滑動，便于接線操作，因此稱其為可調式卡瓦連接器。接線及安裝過程如下：將所有零件按圖示順序依次套在電纜末端，并露出電纜；計算好電纜與點火器的距離，連接電纜與點火器的所有動力線及信號線并做好絕緣；先連接下接頭與點火器、壓緊密封圈，再用上接頭和中接頭壓緊卡瓦，使卡瓦抱死電纜；再擰緊所有防松螺母。這樣就完成了電纜與點火器的連接、接線與密封。

1—上接頭；2—防松螺母；3—卡瓦座；4—卡瓦；5—中接頭；6—下接頭；7—密封圈；8—O形圈。

2.4 防噴裝置

防噴裝置是實現帶壓提、下點火器的關鍵部件，其結構如圖5所示，主要包括頂部的防噴盒、底部的連接法蘭及中間的防噴管和球形由壬。整套裝置通過底部法蘭安裝在井口上，頂部為自由端。安裝時先將防噴盒與防噴管拆開，連續管電纜自由端從防噴盒頂部穿入，用卡瓦連接器連接電纜與點火器，再裝好防噴管。行車時，整套裝置固定在井架里，作業時將井架升起至外傾，防噴裝置在自重的作用下懸吊在井口上方，因卡瓦連接器的外徑比防噴盒的通徑大，所以裝置不會墜落。球形由壬允許其兩個由壬頭有8°的夾角，設置該由壬的目的是在注入頭中心與井口沒有完全對中的情況下，通過由壬頭兩端的防噴管形成夾角進行微調，以減小現場對中井口的難度。防噴盒上還設置有注脂機構，通過該機構可向電纜與密封盤根之間注入潤滑密封脂，形成密封脂膜，既潤滑了電纜又增強了密封的可靠性。

圖5 防噴裝置

2.5 電纜注入頭

電纜注入頭是本設備的核心部件，如圖6所示。該電纜注入頭采用了目前連續管作業機普遍采用的鏈式結構，所謂鏈式結構是指將油管夾持機構通過鏈條銷軸安裝在鏈條上，夾緊機構夾緊兩排鏈條從而夾緊油管，鏈輪驅動鏈條上下運動，鏈條帶動油管上下運動。

在深入分析國外鏈式注入頭的結構原理之后，根據本裝置的總體方案特點和要求設計了結構獨特的注入頭(如圖6)，注入頭主要包括內外機架、鏈傳動機構、鏈條夾緊及張緊機構、油管夾持機構、馬達減速機及載荷檢測機構等部件。其動力傳動路徑為：馬達減速機→聯軸器→鏈輪軸→鏈輪。這種傳動方式的特點是馬達和減速器做成了一體，傳動結構簡潔，制造難度不大。采用這種結構的前提是裝置的功率較小，馬達可選用低速大扭矩馬達，減速器的速比低(本裝置速比為5)、外形小，才能將二者做成一體。在大功率場合，通常采用高速馬達，多級行星齒輪減速器，馬達和減速器分別位于鏈輪的兩側，如圖7所示。馬達輸出軸通過空心鏈輪軸將動力傳至減速器，減速器輸出軸再驅動鏈輪軸。這種結構的傳動環節多、結構復雜，制造安裝精度高。本設備針對淺層稠油而設計，因油層淺，注入頭載荷輕，屬于小功率場合，所以選擇了一體化馬達減速機和相應的結構型式，從而降低了制造難度和成本。

1—從動鏈輪；2—外機架；3—主動鏈輪；4—夾持塊；5—滾子鏈；6—聯軸器；7—馬達減速機；8—夾緊板；9—夾緊油缸；10—鏈條張緊油缸；11—從動輪軸承盒；12—輪輻式測力計。

1—行星齒輪減速箱；2—花鍵；3—驅動鏈輪軸；4—主軸；5—液力剎車；6—液壓馬達；7—O形密封圈；8—承托架；9—箱體；10—環形支座；11—圓柱滾子軸承；12—密封油封。

2.6 液控系統

液壓控制系統結構如圖8所示，其4個控制模塊既相互獨立，又相互關聯。其工作原理是由電動機帶動2個油泵，提供動力油給泵源控制模塊。通過泵源控制模塊分壓后，分別給注入頭速度方向控制模塊、電纜卷筒速度方向控制模塊、注入頭夾緊張緊控制模塊及輔助裝置控制模塊提供動力源，再由操作者通過在控制臺上的調速閥、減壓閥、換向閥等，遠距離控制驅動電纜卷筒馬達、排管器馬達、注入頭馬達、注入頭夾緊張緊機構及其它輔助機構等。同時可觀察各種壓力參數。

因本裝置主機的功率較小，所以液壓系統采用了開式系統，采用節流方式調速。節流調速回路具有結構簡單、工作可靠、成本低、使用維護方便等優點。盡管由于節流易引起油液發熱問題，但因大幅節流工況很少使用，且設置有強制冷卻裝置，所以油液發熱問題并不突出。經多次高溫環境下的現場試驗，液壓系統油溫不超過60℃，低于液壓系統溫度上限。事實證明，在小功率場合，采用簡單、可靠、經濟的節流調速方法完全能滿足使用要求。

圖8 液壓控制系統結構

3 試驗應用情況

2015-11，一體化火驅點火裝置在風城油田重力火驅005井組進行了正式點火作業。2015-11-15，油井經蒸汽熱洗、氮氣驅替后，將電點火器帶壓下入到油井預定深度，并注氣、通電、點火。2015-12-15，停止點火，順利將點火器帶壓提出井口，完成了一次完整的點火作業。點火作業參數如圖9所示。根據觀察井及生產井的反饋信息，充分證明已成功將地層原油點燃。作業過程中，點火器帶壓提下順暢，達到重復使用點火器和電纜目標；現場立井架、對井口及提下點火器等操作實現機械化和自動化，單次作業時間不超過12 h；點火器的點火功率隨注氣量的變化而自動調控，加熱性能穩定，測溫及調控正常；整套裝置各項技術性能指標均達到設計要求。

圖9 風城油田FH005井點火作業參數動態曲線

4 結論

1) 自主研發的車載一體化火驅點火裝置能夠滿足新疆油田淺層稠油火驅采油工業化高效開發的要求，解決了以往工藝存在在諸多問題。

2) 以點火電纜和點火器分體設計為前提的設備整體方案及相應的工藝方法，實現了點火作業過程的全程帶壓，使得點火器及點火電纜可重復利用，從而大幅降低了火驅點火的單井作業成本。

3) 以金屬鎧裝復合連續管電纜、礦物絕緣電點火器、可調式卡瓦連接器、液控鏈式電纜注入裝置等關鍵部件的研發為基礎的一體化點火裝置，為火驅點火提供了一種安全、高效的點火工具，是實現火驅采油技術工業化應用的前提，具有廣闊的應用前景。

[1] 劉利，張福興，楊顯志，等.火驅移動式電點火技術研究[J].特種油氣藏，2014，21(6)：130-132.

[2] 余杰，潘竟軍，蔡罡，等.電點火工藝技術在新疆紅淺火驅的應用研究[J].石油機械，2011，39( 7)：19-21.

[3] 寧奎，張弘韜，王富國，等.火驅采油電點火技術的研究與應用[C]//2013油氣田監測與管理聯合大會.西安：2013.

[4] 伍甫生，曹和平，馬衛國，等.小直徑連續管作業設備電液集成控制系統優化[C]//2006年石油裝備學術研討會，2006.

[5] 瞿丹.CTR80復合連續管鉆機注入頭設計與分析[D].成都：西南石油大學，2012.

Development and Application of Vehicle-mounted Integrated Device for Fire Flooding Ignition

WANG Haitao，ZHOU Hanpeng，CAO Yuan，DAN Yongjun，GAO Liang

(Engineering & Technology Company，Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China)

The key to the success of heavy oil fire-flooding is reservoir ignition.In order to realize the economical，efficient and safe industrial ignition requirements，a vehicle-mounted integrated device for fire flooding ignition is developed.The device can carry the electric heater up and down in snubbing service and control the operation process of igniting conveniently，quickly and safely.The field text proved the feasibility and reliability of the new technology and equipment.

fire flooding；electric heat ignition；heavy oil；coiled tubing；snubbing service

1001-3482(2016)12-0074-05

2016-07-15

中國石油天然氣股份有限公司重點先導試驗項目“新疆油田紅淺火驅先導試驗研究”( 2008ZX05012-003)

王海濤 (1984-)，男，黑龍江大慶人，工程師，現從事石油機械設備研究工作。

TE934.5

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.020