異型鋼絲鎧裝電纜研發及在水井測調中的應用

柴德民,李修文,鄭同斌,季昌蕓,姜再鵬

(1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司油藏動態監測中心,山東東營257000;2.山東希爾電纜有限公司,山東濟南250000)

0 引 言

油田注水井測調技術的發展大體經歷了2個階段,第1階段主要應用鋼絲攜帶浮子流量計或存儲式電子流量計進行測試,由于鋼絲較細且表面圓滑,在高壓注水測試時易于密封和起下,污水易于控制,不溢流、不刺漏;第2階段主要是近幾年逐漸發展成為主流配水工藝的測調一體化技術,該技術需要應用小直徑鎧裝電纜攜帶直讀式流量計和水嘴調節臂邊測邊調,大大提高了測調效率和配水準確率[1-2]。不同類型的鎧裝電纜在水井一體化測調過程中,在防止污水溢流污染環境以及管控生產安全方面差別較大,為此進行了密封環保型異型鋼絲鎧裝電纜的研發,通過對比研究和現場使用,印證了異型鋼絲鎧裝電纜獨特的優勢。

1 異型鋼絲鎧裝電纜研發的技術背景

常規鎧裝電纜采取內外兩層圓鋼絲進行鎧裝,鋼絲之間存在較大間隙(見圖1)。相鄰鎧裝層鋼絲之間的摩擦面積非常小,當鋼絲受外界壓力時,兩側的鋼絲存在向中間擠壓的趨勢,則中間被擠壓的鋼絲就會受力凸出于原有鎧裝層的整體結構,導致鎧裝層被破壞,電纜的承載力下降。同時,出現“跳絲”、“鼓包”后的電纜在起下過程中會遇阻、遇卡,容易出現卡滯或斷纜生產事故[3]。

圖1 常規鎧裝電纜截面示意圖

另外,常規鎧裝電纜外鎧與密封盤根摩擦較大,加之鋼絲較細易被磨損,抗腐蝕性也差。這種客觀特性使得常規電纜在高壓注水條件下進行測調很難達到密封,高壓密封性能差,導致污水外溢,造成環境污染。環境污染不僅賠付高、環保壓力大、風險高,且根據中華人民共和國最高人民法院和最高人民檢察院的司法解釋,嚴重環境污染事件將面臨嚴肅的法律責任追究[4]。

為此,研發應用了鋼管電纜,其外鎧一般為304不銹鋼材質,抗腐蝕性好,表面光滑,高壓密封性能好(見圖2)[5]。這雖然解決了電纜起下過程中的高壓密封問題,但是該電纜由不銹鋼皮包裹絕緣單芯后焊接制成,焊縫長,鋼管的密封性一旦受損,電纜絕緣無法得到保障。在使用中曾發生多次電纜進水現象,對正常測調進度造成較大影響;而且由于其硬度大,韌性差,易折損,易疲勞受損,一旦斷脫,很難進行打撈,只能利用作業機取出,大大增加了作業成本,造成較大的經濟損失。由于每盤鋼管電纜應用井次少,價格高,所以性價比不高。實際上鋼管電纜主要應用于固定式井下監測,并不太適用于長時間的反復起下測試井作業。

圖2 鋼管電纜截面示意圖

因此,在一體化測調工藝技術的應用中,如何既能發揮技術優勢又能控制污水溢流造成的環境污染成為一個急需解決的關鍵問題。在此形勢下,研制了環保型異型鋼絲鎧裝電纜[6],并在水井測調實踐中取得了較好的應用效果。

2 異型鋼絲鎧裝電纜工藝控制與技術特性

2.1 異型鋼絲拉制與成纜工藝

如圖3所示,將電纜外鎧鋼絲結構設計為扇環形,用特殊的拉絲工藝拉制而成。這種異型鋼絲填充了傳統圓形外鎧鋼絲間的縫隙,增加了外鎧鋼絲的摩擦面積,提高電纜整體耐磨性能;內外鎧裝層之間涂覆防腐密封脂,同時使用耐腐蝕高分子聚合薄膜進行包裹,使內外鎧裝層間形成密閉結構并且提高了內鎧鋼絲的耐腐蝕性;扇環形鋼絲間接觸面積大,形成拱橋自鎖結構,相比傳統圓形鋼絲間的點/線接觸,更加有效地杜絕了外鎧鋼絲“跳絲”、“鼓包”等現象的發生。異型鋼絲鎧裝電纜外鎧單根鋼絲的這種扇環形結構,使得成纜后整個電纜結構較常規鎧裝電纜更為緊實,外表面更圓滑,電纜截面為圓形,與鋼管電纜相當,與密封盤根的配合更加嚴密,通過調節密封盤根的緊密度,大大減少盤根的摩擦,可有效控制污水的外溢(見圖4)。

圖3 異型鋼絲鎧裝電纜截面示意圖

圖4 異型鋼絲鎧裝電纜與密封盤根配合示意圖

2.2 異型鋼絲鎧裝電纜技術特性

異型鋼絲鎧裝電纜目前外徑主要有單芯的Φ3.2、Φ3.5、Φ4.7、Φ5.6、Φ8.0 mm及三芯Φ5.6、Φ8.0 mm等型號,異型鋼絲鎧裝電纜與常規鎧裝電纜主要性能對比見表1。其主要技術特性分4個方面介紹。

表1 常規鎧裝電纜與異型鋼絲鎧裝電纜主要性能對比表

(1)較高的承載能力。采用特殊工藝拉制而成的外鎧裝層扇環形鋼絲成纜配合結構更加緊密,強度相較于圓鋼絲得到增加,電纜的承載能力相對常規鎧裝電纜有一定程度的提高,同規格電纜最小拉斷力對比見表2。

表2 常規鎧裝電纜與異型鋼絲鎧裝電纜常用型號拉斷力對比表

(2)較好的耐磨性能和密封性能。異型鋼絲鎧裝電纜外表光滑耐磨,形成純圓形結構,降低了與盤根的磨損,提高了與防噴系統間的密封性,可以有效防止井內液體溢流到地面,防止環境污染。同時可有效防止在使用過程中電纜遇阻、遇卡問題的出現。

(3)較好的耐腐蝕性能。外鎧裝層原材料采用特種不銹鋼鎧裝鋼絲或特殊防腐鍍層的高碳鋼鋼絲,內外鎧裝層之間涂覆防腐密封脂,同時使用耐腐蝕高分子聚合薄膜進行包裹,能夠減少液體腐蝕物進入電纜內部的機率,防止電纜內部被腐蝕,保證電纜的抗拉強度,提高電纜的使用壽命。

在實驗室條件下對常規鎧裝電纜與異型鋼絲鎧裝電纜的腐蝕性進行實驗對比。在50 ℃條件下將2種電纜置于稀釋5倍的土酸配置液中3 h,記錄腐蝕速率變化情況,結果顯示異型鋼絲鎧裝電纜腐蝕速率F新=10.15 g/m2·h,常規電纜腐蝕速率F舊=11.20 g/m2·h,表明異型鋼絲鎧裝電纜與常規電纜相比較腐蝕速率要慢。

(4)較好的兼容性能。與常規電纜相配套的馬籠頭、馬丁代克、滑輪、阻流管等的尺寸規格、安裝操作使用方法完全一致,具有良好的現場兼容性。

3 異型鋼絲鎧裝電纜現場應用效果

異型鋼絲鎧裝電纜已在大慶油田、吉林油田、遼河油田、華北油田、勝利油田、中原油田、江蘇油田、新疆油田等得到了廣泛應用,小直徑電纜主要應用于注水井測調,大直徑電纜主要應用于測井、射孔等作業。年使用長度1 500 km以上,年測試井工作量近3萬井次。在現場應用中取得了良好的效果,表現出明顯的優勢。

(1)密封性能良好,防溢流效果明顯。異型鋼絲鎧裝電纜表面平滑緊實,外鎧縫隙大大減小(見表3)。使用普通防噴管系統即可實現較好密封,密封性能較常規鎧裝電纜得到較大改善。在同樣未使用密封脂條件下,溢流水量相較以前使用常規鎧裝電纜約減少90%以上;壓力低的井可以完全控制住不漏水,少數壓力很高的井僅用較小容器收集溢流進行規范處理即可,大大減少了井口溢流污染,對環保風險管控意義重大。

表3 常規鎧裝電纜與異型鋼絲鎧裝電纜外鎧縫隙對比表

(2)摩擦阻力小,提高了施工時效。異型鋼絲鎧裝電纜與盤根、阻流管管壁的接觸方式由常規鎧裝電纜的凸起螺旋式線接觸變為光滑面接觸,摩擦阻力明顯降低,延長了防噴盒的密封盤根使用時間,減少更換頻次,使用常規鎧裝電纜一般3～4個井次更換一次盤根,而使用異型鋼絲鎧裝電纜8～9個井次才更換一次。對于高壓注水井的測調,基本杜絕了施工過程中的溢流問題,不僅減少了污染和安全風險,而且在操作規程及規范標準推薦運行速度下電纜起下更加順暢,提高了施工時效和施工安全性。

(3)抗腐蝕性高、抗拉伸性強,大大延長了使用壽命。根據不同井況,異型鋼絲鎧裝電纜的鎧裝鋼絲采用不銹鋼材質或特殊鍍層高碳鋼材質,使電纜的抗腐蝕、耐磨損性能明顯提高。酸化井應用表明,常規鎧裝電纜在酸化井施工后腐蝕損壞明顯,但是異型鋼絲鎧裝電纜未發現腐蝕損壞現象;而且鋼絲的彈性好、韌性強,不易出現打扭現象,抗折損、抗拉伸,不易出現跳絲、斷絲,外徑磨損率大大降低,有效延長了電纜的使用壽命。

4 結 論

(1)異型鋼絲鎧裝電纜外鎧采用創新性研制的扇環形鋼絲結構,使得電纜鎧裝更加緊密,抗拉強度、韌性得到增加,具有非常明顯的優勢和較強的現場適應性。

(2)異型鋼絲鎧裝電纜的內部結構,在內外鎧之間采用了防腐密封脂和耐腐蝕高分子聚合薄膜進行充填和密封,增強了電纜的耐腐蝕性和緊固性,延長了電纜的使用壽命。

(3)異型鋼絲鎧裝電纜在不影響電纜柔韌性的情況下,其橫截面結構近乎圓形,并且表面平滑緊實,密封性能得到較大提升,大大減少了井口溢流可能導致的環境污染,實現清潔生產。

(4)Φ8.0 mm異型鋼絲鎧裝電纜在射孔作業中得到了較好的推廣,通過進一步對材質進行優化,并提升其電化學腐蝕性能,擴大在高礦化度、高含硫條件下的應用范圍,在實際現場應用中將具有更好的前景。