測井用大管徑連續油管電纜注入裝置研制

2019-01-29 09:16:46，，，，

石油礦場機械 2019年1期

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(中石油江漢機械研究所有限公司，武漢 430023)

隨著水平井技術的快速發展和日臻成熟，越來越多的水平井投入生產。水平井技術可以有效地提高油田勘探開發的綜合效益，降低石油鉆井的綜合成本，提高采收率[1-2]。但是，其特殊井身結構給井下作業帶來諸多難題，一些常規測井技術難以應用，迫切需要一種高效率、低成本的水平井測井作業工藝和裝備。

連續油管無接箍、可彎曲、等外徑，可以方便地進入水平段，并為水平井的測井作業提供有效的技術手段。連續油管測井技術是以連續油管為基礎，內裝傳輸電纜，將連續油管的剛度與電纜遙測技術有機地結合在一起的一種新型測井技術[3-5]。該技術完成了井下測井儀器水平井段中長距離輸送，在短距離螺旋式扭曲管段中成功穿越；實現了整個井段的連續、快速電測。

目前，國內針對將電纜穿入連續油管方面的研究不少，主要集中在小管徑連續油管中穿電纜。但是，在直徑為66.68mm(2英寸)的大管徑連續油管內穿電纜比較少，并缺乏有效的方法、可靠的設備和相關的工藝。管徑越大，電纜在其內活動空間大，易纏繞；液體流量控制要求更精細。為此，研究了一種電纜穿入連續油管的方法，解決了大管徑連續油管穿電纜的難題。

1 總體方案

1.1 工作原理

目前，主要有4種方式將電纜穿入連續油管[6]。

1) 在垂直井內懸掛連續油管，依靠電纜的自重將電纜穿入進去。

2) 將連續油管鋪直放在地面上，電纜尾部連接一個牽引頭，通過水泵將電纜泵入到連續油管內。

3) 在生產制造連續油管時，將電纜預埋至連續油管鋼帶中，再將鋼帶焊制成連續油管。

4) 當連續油管纏繞在滾筒上時，利用水動力牽引電纜，配合電纜注入裝置將電纜穿入連續油管內。

其中，水動力牽引電纜(即電纜注入)是最有效的方法，設備占地面積小，使用靈活，適用于工廠、井場空地等小空間環境，避免倒換連續油管。筆者據此研制了水動力電纜注入裝置，原理是利用電纜注入裝置中的纏繞盤，將電纜從電纜滾筒中拉出。電纜注入裝置端配有記錄裝置，用以記錄電纜的移動長度和速度。電纜密封系統用于密封進入電纜轉盤裝置的電纜，保證電纜轉盤裝置內部為高壓空間，便于泵入的液體能夠帶動電纜隨流體移動。當流體速度足夠大時，電纜在連續油管中可以上下升降波動，流體的粘性切向力可以拖動電纜，并推動其穿過連續油管。

1.2 主要參數

研制一套電纜注入裝置，能實現內部高壓動密封，并配有旋轉的纏繞盤，纏繞電纜，同時提供足夠的拉力來克服電纜密封頭的密封阻力。其工作壓力達到35 MPa，電纜纏繞速度>30 m/min，實現在66.68 mm(2英寸)大管徑連續油管中，穿入8 mm鎧裝電纜，長度達3 500 m。

1.3 結構與性能特點

為保證電纜注入裝置能夠滿足大管徑連續油管穿電纜的使用要求，在吸收國內外同種類型產品的經驗的基礎上，解決了該產品使用過程中的缺點與不足，并形成了以下自有特點和關鍵技術：

1) 自主研發的電纜注入裝置，采用液壓馬達直接驅動，易于拆卸和安裝。動密封壓力達到35 MPa以上，滿足泵入壓力要求。

2) 獨特的轉盤設計，可保證電纜整齊纏繞。轉盤表面進行滲碳處理，可提供纏繞電纜足夠的摩擦力，也可提高自身的耐磨性。

3) 電纜專用的記錄裝置，可準確記錄電纜移動的速度與長度，兩側豎直的可調節的導向桿，可防止電纜在記數過程中隨意跳動。

4) 自主研發的電纜密封系統，采用電纜擠壓密封+注脂密封雙層配合，實現電纜動態密封，確保電纜注入裝置內為高壓空間。

5) 液壓動力控制裝置可分別為電纜軟管滾筒、電纜注入裝置馬達提供動力。其流量按比例分配，確保電纜注入裝置拖動電纜軟管滾筒轉動，防止電纜打結或松散。

2 主要部件與特點

電纜注入裝置主要由電纜轉盤裝置、電纜密封系統、電纜記錄裝置、液壓動力控制裝置、電纜纏繞滾筒組成。電纜轉盤裝置可纏繞電纜，纏繞力克服電纜密封的摩擦力，并組成獨立的高壓密封空間；電纜密封系統實現電纜進入電纜轉盤裝置內的動密封；電纜記錄裝置記錄電纜移動速度與長度；液壓動力控制裝置提供整套注入系統的動力與控制；電纜滾筒用于收放電纜。

2.1 電纜轉盤裝置

電纜轉盤裝置為高壓密封容器，可以承受泵入的液體壓力。同時，其內部依靠馬達的轉動，帶動轉盤纏繞電纜，將電纜拉出電纜密封系統。電纜轉盤裝置如圖1所示。

圖1 電纜轉盤裝置

電纜從該裝置上側一個切向進口進入，通過轉動圓盤，將電纜纏繞其上。轉動圓盤外側配有內側帶螺旋槽的圓柱筒，保證纏繞電纜的整齊，圓柱筒通過螺栓固定在外部殼體上，無需轉動。液壓馬達驅動傳動軸轉動，從而帶動轉動圓盤轉動。蓋體與殼體之間采用密封圈密封。傳動軸、襯套、蓋體三者之間也配有密封圈，保證該裝置內部能承受高壓。電纜經過轉動圓盤纏繞，克服電纜密封頭的阻力。

2.2 電纜密封系統

電纜進入轉盤裝置，需要密封，確保泵的壓力能推動電纜隨流體運動。本方案中電纜密封系統采用注脂方式，通過氣泵泵入高壓高黏度的密封脂來實現動態密封。

如圖2所示。密封頭上有一注脂口和一回脂口，主體內裝有多根阻流管，密封脂在阻流管內流動的摩阻平衡泵入液體的壓力，形成液體之間的密封；另外，阻流管可根據泵入液體壓力情況增減。回脂口上部有電纜密封膠筒，通過給液壓接口供液，推動活塞向下運動，擠壓膠筒，使膠筒變型抱緊電纜，起到動密封的作用。卸載壓力時，彈簧推動活塞復位，膠筒松開電纜。

圖2 電纜密封系統

另外，該裝置上端留有溢流口，膠筒未密封時，回收密封油脂。下端有單向閥，確保注入的油脂與泵入的水之間單向流動。

2.3 電纜記錄裝置

電纜記錄裝置位于電纜密封頭的前端，用于記錄進入連續油管內的電纜長度。電纜記錄裝置主要是通過電纜進入摩擦輪，帶動摩擦輪轉動，將直線運動轉化為圓周轉動。兩側配有導向桿，上摩擦輪采用浮動形式，通過一組彈簧來調節壓緊程度，保證其始終與電纜接觸，達到記錄長度的效果。通過編碼器將信號傳輸到顯示儀表上，進行數據顯示。

2.4 液壓動力控制裝置

液壓動力控制裝置采用連續油管倒管器專用的液壓站，主要為電纜注入裝置的驅動馬達、電纜滾筒上的馬達提供動力。主要性能參數：

電機功率 30 kW

電機轉速 1 470 r/min

電機電壓 380 V

最大輸出流量 90 L/min

系統額定壓力 15 MPa

油箱容積 700 L

由3組獨立的液壓控制回路組成，能夠滿足各個回路壓力和流量的控制，液壓站的最大輸出流量為90 L/min，能滿足電纜注入裝置液壓馬達的要求。

油箱總容積700 L，有2組起吊環。泵組作為一個獨立單元置于油箱側面，它是由30 kW的專用電動機和1個排量為63 mL/r的手動變量柱塞泵直接聯接而成的，其優點為減少噪聲，提高吸油能力，節約空間，檢修、更換方便。

3 性能測試與應用

3.1 電纜注入裝置密封試驗

電纜注入裝置密封試驗如圖3所示。通過密封試驗，電纜注入裝置的靜密封壓力可以達到35 MPa。

圖3 電纜注入裝置密封試驗

進行動密封試驗時，隨著壓力的增加，電纜注入裝置的馬達停止轉動。由于電纜注入裝置為高壓密封設備，試壓過程中無法觀察其內部轉動與馬達轉動情況，需拆開該裝置進行檢查。檢查后發現，軸套與蓋體接觸處有磨損。如圖4所示。

圖4 軸套與蓋體磨損情況

由于電纜注入裝置內部液體的壓力推動軸套抱緊蓋體，馬達轉動時，兩者在接觸面處相互磨損。壓力越大，磨損得越嚴重，最終導致膠合。

后期更改軸承安裝方式，采用推力軸承。軸套與下部的轉盤采用浮動形式，當受到內壓時，軸套與轉盤向上移動，頂住推力軸承，使其提供所需的轉矩。同時保證軸套與蓋體下部轉動面不接觸。設備改造后，其靜動密封達到設計要求，壓力達到35 MPa。

3.2 電纜注入裝置送入試驗

根據電纜注入裝置送入試驗要求，擺放該裝置及其控制部件，如圖5所示。

圖5 電纜注入裝置送入試驗

將電纜經過記錄裝置，阻流管穿入電纜注入裝置內，沿著其內部的螺旋槽盤繞在導引盤內。從電纜注入裝置出口處引出電纜，預留長度8 m左右；連接控制液壓管線；啟動電纜注入裝置馬達，使其克服阻流管的摩擦力，送出電纜。在送電纜處測試送電纜所需拉力，同時控制電纜滾筒，放電纜。回收電纜時，啟動控制滾筒，收回電纜；同時控制電纜注入裝置馬達，使其收回電纜。在該過程中，確保控制滾筒收電纜的速度高于電纜注入裝置馬達速度。

試驗電纜送進長度約為2 000 m。在試驗中，需注意3方面的問題：

1) 電纜注入裝置內導軌盤與轉盤的間隙要求合適。導軌盤中螺旋槽主要是為電纜導向，限制電纜松散。間隙過大，電纜可能掉入電纜注入裝置底部。間隙過小，無法安裝電纜。

2) 電纜鎧裝易變形，易松散。如圖6所示。變形后無法通過阻流管。(電纜外徑8 mm±0.1 mm，阻流管內徑8.2 mm)盤電纜與拉電纜時，需注意電纜鎧裝的旋向。

3) 收回電纜時，需注意控制電纜滾筒盤電纜的速度要大于電纜注入裝置馬達收電纜的速度，確保電纜拉直進入阻流管內，避免電纜在阻流管進入端堆積，抱死轉盤。如圖7所示。