一種新型無桿泵投撈式電纜研制與應用

謝建勇，石 彥，陳新志，王惠清，魯林懋，胡有峰

(中國石油新疆油田分公司 準東采油廠，新疆 阜康 831511)

隨著水平井、定向井的數量不斷增加，有桿采油系統管桿偏磨問題日益嚴重，國內外致力于發展電潛離心泵、電潛螺桿泵等一系列無桿泵技術[1]。

無桿采油技術主要由井下電機、抽油泵(包括往復泵、螺桿泵、離心泵等)、地面供電控制系統3部分組成，通過潛油電纜將地面電源輸送給井下電機，帶動泵工作。大量現場試驗表明，無桿舉升技術有效提高了系統效率，降低了能耗，從根本上解決了管桿偏磨問題，適應性更加廣泛，現場管理方便, 運行費用低，降低了安全和環保風險[2-11]。但無桿泵舉升技術在實際應用中存在動力電纜易損壞的缺點。無桿采油設備入井前，需要先將電纜與井下電機連接好，采用固定卡子把電纜綁卡在油管外壁上，隨油管一起入井，在提下管過程中，不可避免地會與套管發生碰撞摩擦，造成電纜損傷和故障，增加重復作業的風險，再加上生產過程中油管的蠕動,進一步加劇電纜的磨損,導致電纜易損壞。在修井過程中，提出的電纜損壞概率在50%以上，使得作業成本大幅升高[12-14]。即便采用各種改進方法，例如增加卡子的使用數量和提高固定質量，可實現油管扶正和電纜保護作用。但在減少電纜磨損概率的同時，增加了修井工序，導致施工時間延長，效率降低[15]。

筆者依托中國石油天然氣股份有限公司重大科技項目，聯合攻關開發了投撈式電纜，改變電纜的下入方式，即從油管中下入，實現井下對接，修井作業時先撈出電纜再提出其他管柱結構，從而解決了電纜磕碰易損的問題。

1 投撈式電纜技術及特點

1.1 下入方式

傳統潛油電泵電纜下入方式中,電纜處在油套環空中。按照準東油田常用油套管結構組合,油套環空最小間距為17.63 mm或24.56 mm，如表1所示[16]。使用的井下泵機組最大外徑114 mm，電纜使用扁形，外形尺寸約為10.0 mm×28.0 mm。在如此狹小的空間中，尤其是斜井中,想避免電纜磕碰磨損的難度很大，通過增大套管或者縮小油管的方法來增加環空間隙尺寸很有限。

表1 準東油田油套管組合參數 mm

典型的油套管結構如圖1所示。常用油管內徑62 mm(或76 mm)，相比油套環空電纜自由活動空間很大，如果將動力電纜從油管中下入、提出，會很大程度地避免電纜損壞的風險。其下入方式為：下泵作業時先將井下所有機具隨油管一起下入到指定位置，然后將動力電纜從油管中下入；起泵作業時先將動力電纜從油管中提出，然后再將井下機具隨油管提出。這樣既保護了電纜，同時大幅縮短了作業時間。

圖1 油套管結構

1.2 結構組成

投撈式電纜由鋼絲鎧裝承重電纜、電纜插接頭組件、井口電纜懸掛密封裝置3部分組成。承重電纜一端通過井口懸掛密封裝置與地面控制柜連接，一端連接電纜插接頭組件，與井下潛油電機對接后，將動力通過電纜從地面傳遞到井下潛油電機。電機位于電潛螺桿泵頂端，帶動螺桿泵旋轉運動，實現舉升。井下舉升管柱結構如圖2所示。

圖2 投撈式電纜無桿泵舉升管柱

1.2.1 承重電纜

傳統的潛油電泵電纜綁縛在油管外壁上，其受力由油管分擔，因而電纜本身不具備承重能力[17]，抗拉伸能力較弱。現從油管下入，電纜要在井口懸掛承重，需對原來的電纜結構進行改進，以提高承重和抗拉強度。

1) 電纜形狀由扁形改為圓形結構，導體截面積3×10 mm2，外徑21.2 mm，由于油管中空間較大，采用圓形電纜下入時有利于減少機械傷害，適用于各種井身軌跡。

2) 導體采用潛油電泵電纜無氧實芯銅導體，絞合標稱3.57 mm。

3) 絕緣層改用6.0 mm聚酰亞胺薄膜和特種氟塑料復合絕緣層，具有高彈性，可以提高電纜抗拉性能。

4) 護套層采用丁晴復合橡膠，具有更好的密封、耐壓、耐腐蝕等性能。

5) 鎧裝層由一層0.5 mm鍍鋅鋼帶改為雙層2.0 mm高強度特種鋼絲鎧裝，提高抗拉力，同時具有機械防護功能，有效避免磕碰損傷。

改進后的特殊非標鋼絲鎧裝承重電纜，由三芯實芯銅導體、F46復合絕緣護套、內外特種鋼絲鎧裝、丁晴復合物護套組成，承重能力大幅提升。整體拉斷力可以達到150 kN以上。20 ℃時導體直流電阻降為1.83 Ω/km，運行時可降低電損耗，有利于電機的啟動。電纜改進前后性能對比如表2所示。

1.2.2 電纜插接頭組件

插接頭組件由插座和插頭2部分組成，如圖3。插座有內外2個腔室，外腔室為過油通道，可以隔絕井液，防止泥沙等異物進入到內腔室；內腔室為密封腔，采用重油高壓密封，腔體內的密封油能自動補充，避免井液侵入造成無法絕緣的問題。插座三相導體通過引接電纜與潛油驅動機組連接在一起，和油管一同先下入到設計位置。插頭和承重電纜連接，設計有導向器和定位軌道，從油管內部緩慢投入，插座上設有導向鍵，通過適當配重加壓，插頭與插座在井下通過筆尖導向在內腔室完成對接、密封和鎖位。特殊的內外雙層保護裝置保證了對接后的有效密封和可靠絕緣。

表2 電纜改進前后性能對比

圖3 插接頭示意

通過對插接頭結構進行多次改進，不斷提高耐電壓等級和耐壓強度, 目前達到的技術指標如表3。插接頭密封穩定，既能實現成功對接，又能保證井下電氣密封絕緣可靠。

急性闌尾炎是在多種因素下所形成的炎性改變，大多因感染所引發。腹痛是其典型的臨床癥狀，而單純性闌尾炎則表現為持續性或陣發性的鈍痛或脹痛，甚至波及雙側下腹部或中下腹，給患者的生活造成嚴重影響[7-9]。祖國醫學認為闌尾炎多因飲食不節、寒溫不適、憂思抑郁等因素所導致的腸道功能紊亂，同時伴隨氣血不和、傳化不利等癥狀。臨床主張行手術切除已病變的闌尾，輔以穴位按壓及口服中藥湯藥等可大大緩解患者的臨床癥狀，更好達到活血化瘀、清熱解毒的功效，并可增加其機體的免疫能力，利于炎癥的消除[10-12]。

1.2.3 井口電纜懸掛密封裝置

相比潛油電泵電纜的穿越密封，投撈式電纜井口還要起到懸掛承重的作用，特制的電纜懸掛安全卡瓦可實現安全懸掛。采用專門的穿越電纜轉化法蘭及防爆穿線管接頭，只需要在法蘭的電纜出口處做密封，密封結構簡單、可靠，施工更加方便。電纜井口懸掛密封結構如圖4。

表3 插接頭性能指標

圖4 電纜井口懸掛密封結構示意

1.3 配套

投撈式電纜可以替代現有的潛油電泵電纜，用于無桿泵的動力傳輸，與潛油螺桿泵、潛油往復泵等多種井下泵組合。在實現動力傳輸的同時，采用動力載波技術實現信號傳輸，通過井下安裝永置式壓力計、溫度計等，可實現多參數的監測，節省了生產中的測試費用。地面實時讀取井下壓力監測資料，可以準確掌握油井動液面，避免井下螺桿泵因供液不足導致燒泵。根據壓力變化調整生產參數，精確控制泵的運行狀態，實現無桿泵井下閉環控制，實現智能化管理。

2 現場應用

截止2020-07，新疆油田準東采油廠在37口井上開展了無桿泵(電潛螺桿泵)投撈電纜舉升試驗,試驗井為頁巖油生產井和稠油井，包括11口直井、20口定向井和6口水平井。套管尺寸為139.7、177.8 mm兩種規格，最大下泵深度2 500 m，排量1～50 m3/d，稠油試驗井最高黏度為50 ℃地面原油黏度13 000 mPa·s。根據不同的產液量確定電潛螺桿泵泵型。目前油井均生產正常，累計投撈對接56次，電纜投撈對接成功率達到100%，單井試驗對接次數最高達到9次無損壞，在反復對接的情況下，重復使用的電纜密封絕緣依然可靠。管柱結構如圖5所示。

圖5 投撈式電纜試驗管柱示意

2.1 JD9146井試驗

2017-07-05，投撈式電纜首次在JD9146井進行現場試驗。該井選用電潛螺桿泵為GLB40-42型，設計排量3～15 m3/d，泵掛深度1 386 m，電機功率15 kW。管柱結構自下而上的順序為：扶正器+潛油螺桿泵+潛油電機+電纜插座+油管至井口。入井前所有油管內須沖洗干凈無任何雜物，以免影響電纜的插接。下放電纜前先在地面對電纜進行外觀檢查和絕緣阻值測試，確保正常后用導向滑輪懸掛固定，與井口中心垂直。控制下放速度不超過3 m/min，防止電纜插接部分彎曲變形，下到預定位置后測試電纜絕緣阻值，確定插接成功后進行井口密封，連接控制柜，按操作規程起抽。

該井試驗期間始終保持正常生產，截至2020-07，免修期已達到了1 100 d以上，目前轉速100 r/min，日產液量8.4 m3，平均泵效78.8%。

2.2 改進與完善

針對試驗過程中出現的問題，逐步改進和完善了投撈式電纜。

2) 試驗初期采用潛油電機位于螺桿泵頂端的結構，優點是接引電纜距離短，減少電纜損壞風險，缺點是高速電機與螺桿泵之間通過減速器連接，減速器輸出軸是承扭薄弱點，是故障發生的集中點，因而重新優化了管柱結構，改用潛油直驅永磁同步電機[18]，取消減速器，系統整體承扭能力由330 N·m提高到710 N·m，電機位于螺桿泵下部，通過小扁電纜跨接方式實現電纜投撈，使用常規螺桿泵結構，應用范圍更加廣泛、效果更好。

2.3 效益評價

投撈式電纜實現了動力電纜在油管中獨立提下作業，解決了常規潛油電泵電纜在油套環空內易磕碰損壞的問題，與綁縛在油管外壁的下入方式對比，節約了大量電纜保護器輔料，取消了作業時安裝拆裝電纜卡子的工作，大幅縮減作業時間，井口由3人操作改為1人操作，降低了人工和材料成本。以下泵深度1 500 m的油井為例，所需電纜費用約12萬元，可減少使用電纜卡子150 個，單井節約材料費用￥5.0萬元左右，縮短修井時間約15 h。外敷電纜由于損壞率高難以重復利用，5次修井作業中至少需更換電纜2～3次，而投撈電纜可以反復使用，大幅降低了后期檢泵作業的電纜成本。

3 結論

1) 研制了一種新型的可投撈電纜，改變了常規動力電纜的下入方式，實現了電纜在油管中獨立提下作業，有效解決了電纜入井磕碰損壞問題，大幅縮減了作業時間，降低了人工和材料成本。

2) 投撈式電纜可為潛油螺桿泵、潛油柱塞泵、潛油離心泵等多種無桿泵設備提供動力，插接頭實現了井下對接，靈活插拔，可多次重復使用，現場試驗已重復對接9次，無損壞。

3) 現場使用投撈式電纜與潛油螺桿泵組合，成功應用了37井次，電纜投撈成功率100%，下泵深度2 500 m，適合于定向井、水平井、稠油井的開發，解決了抽油機舉升存在的問題。