硬電纜測(cè)井施工工藝及應(yīng)用效果分析

張炳軍, 周揚(yáng), 孫志忠, 謝剛, 龔光勇, 李金剛

(中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部, 陜西 西安 710201)

0 引 言

隨著長(zhǎng)慶油氣田勘探開發(fā)的需要及水平井鉆井技術(shù)的迅速提高,開展水平井測(cè)井新工藝技術(shù)研究[1]、提高水平井測(cè)井時(shí)效成為面臨的主要問題。鉆桿(油管)輸送測(cè)井雖然工藝成熟,但是需要鉆井隊(duì)配合,井眼占用時(shí)間較長(zhǎng)。試驗(yàn)使用的撓性油管輸送測(cè)井工藝成本高[2],施工繁瑣;爬行器施工成功率及安全性較低,風(fēng)險(xiǎn)較大,均未能形成規(guī)模應(yīng)用。硬電纜測(cè)井技術(shù)具有低成本、高安全性、高時(shí)效的特點(diǎn),自2003年在俄羅斯首次成功應(yīng)用,俄羅斯秋明工業(yè)地球物理公司約有30%的井中測(cè)量使用這項(xiàng)技術(shù)(其中帶壓施工的約占8%)[3],并且可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和用戶需要加工不同規(guī)格的電纜及硬電纜連接總成。為實(shí)現(xiàn)硬電纜的水平井和大斜度測(cè)井,俄羅斯巴什石油地球科研生產(chǎn)股份公司還配套開發(fā)了大滾筒、大馬力、高強(qiáng)度底盤的測(cè)井絞車[4]。2012年中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部首次引進(jìn)硬電纜,在測(cè)井工藝及配套技術(shù)上進(jìn)行了一系列創(chuàng)新,形成了系列化硬電纜測(cè)井技術(shù),應(yīng)用效果顯著,為硬電纜測(cè)井技術(shù)的國產(chǎn)化和推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 硬電纜設(shè)備介紹

硬電纜是俄羅斯石油技術(shù)公司開發(fā)的一種可實(shí)現(xiàn)撓性油管功能,能在裸眼井、大斜度套管井或水平井中輸送測(cè)井儀器完成測(cè)井作業(yè)的電纜設(shè)備[5]。電纜常規(guī)直徑11.8 mm,電纜外鎧裝高強(qiáng)度硬鋼絲(外加高強(qiáng)度鋼絲鎧裝)及工程塑料,其外徑為22～36 mm(見圖1)。從內(nèi)到外分別是普通測(cè)井電纜、工程塑料外皮、加重元件配重體、加固層、外部工程塑料絕緣耐磨層等。電纜有多種直徑和規(guī)格,可以根據(jù)電纜用途、井下儀器重量、井筒流體密度、水平井段長(zhǎng)度等多種工程技術(shù)參數(shù)(見表1),選擇適當(dāng)粗細(xì)的硬電纜。

圖1 硬電纜結(jié)構(gòu)圖

項(xiàng)目 技術(shù)指標(biāo)最高工作溫度/℃120最低工作溫度/℃-20抗斷裂強(qiáng)度/kN≥230空氣中電纜重/(kg·km-1)2433液體中電纜重/(kg·km-1)1048(ρ=1000kg/m3時(shí)，1526kg/km)外徑/mm340±05滑輪直徑/mm≥1000導(dǎo)電纜芯電阻/(Ω·km-1)<255絕緣層電阻/(MΩ·km-1)≥20000最高工作電壓/V660(交流電，頻率50Hz)使用壽命/km4500(電纜經(jīng)過滑輪的長(zhǎng)度)試驗(yàn)電壓/V2500(5min)注：34mm的硬電纜通常要求盤繞在直徑大于1m的滾筒，電纜導(dǎo)向滑輪直徑不得小于1m。否則會(huì)損壞電纜或縮短電纜使用壽命，尤其在低溫施工環(huán)境。

圖2 柔性快速連接魚雷外殼示意圖

2 硬電纜測(cè)井配套技術(shù)

針對(duì)硬電纜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),借鑒國外硬電纜的測(cè)井配套技術(shù),以降低成本、提高測(cè)井時(shí)效為原則,通過研究配套硬電纜測(cè)井系統(tǒng),形成基于硬電纜的測(cè)井配套技術(shù)。前期進(jìn)行的主要研究:①普通測(cè)井電纜滾筒硬電纜纏繞技術(shù);②直徑為11.8 mm的常規(guī)電纜與直徑為24、34 mm的硬電纜不同長(zhǎng)度組合;③硬電纜使用壽命以及與油氣井深度、測(cè)量段長(zhǎng)度的關(guān)系;④槽徑可變自適應(yīng)天地滑輪,該天地滑輪可用于直徑為11.8 mm常規(guī)電纜和直徑為24、34 mm的硬電纜;⑤直徑為24、34 mm的硬電纜與直徑為11.8 mm的常規(guī)電纜智能深度丈量技術(shù);⑥常規(guī)電纜、硬電纜的軟硬接頭連接技術(shù);⑦硬電纜在大斜度和水平套管井中輸送能力以及與電纜配重的關(guān)系;⑧硬電纜測(cè)井安全配套技術(shù)(張力短節(jié)、弱點(diǎn)設(shè)置、打撈工具)。

2.1 軟硬電纜連接

常規(guī)電纜(Φ11.8 mm)與硬電纜(Φ24～34 mm)通過連接裝置進(jìn)行連接,該連接裝置既要保證常規(guī)電纜與硬電纜在滾筒上有序纏繞,也要保障2種電纜的電氣性能不受影響。經(jīng)過研究發(fā)明了柔性快速連接魚雷,其外殼采用高強(qiáng)度鋼材制成“T”型軟體結(jié)構(gòu)(見圖2)。

圖3 自適應(yīng)馬丁代克結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 智能馬丁代克深度記錄設(shè)備

硬電纜與常規(guī)電纜的直徑不同,為實(shí)現(xiàn)2種直徑電纜計(jì)量深度的統(tǒng)一,改進(jìn)了原有馬丁代克結(jié)構(gòu),將原有馬丁代克的丈量機(jī)構(gòu)加大,壓緊機(jī)構(gòu)的范圍變寬,并在底部設(shè)計(jì)硬電纜定向裝置,可同時(shí)滿足2種電纜使用;排纜器的限纜立柱間隙可以調(diào)節(jié),限纜立柱上部的橫桿改為帶凹槽的輪子,使其同時(shí)具有輔助拉力功能,以利硬電纜收回滾筒時(shí)能纏繞整齊,形成了自適應(yīng)馬丁代克(見圖3)。

2.3 深度記錄

常規(guī)注磁設(shè)備雖然可以對(duì)硬電纜進(jìn)行記號(hào)標(biāo)記,但由于硬電纜硬度與重量較大,電纜標(biāo)定時(shí)懸掛的磁定位器和加重塊使硬電纜不能順利通過,標(biāo)注磁記號(hào)難度較大。因此,硬電纜不使用磁性記號(hào)標(biāo)注深度,而用伽馬曲線校驗(yàn)、標(biāo)注深度。電纜下放、上提時(shí)都以馬丁代克傳輸?shù)纳疃葹閰⒖?曲線深度以伽馬與完井曲線校對(duì)、標(biāo)注。

2.4 雙槽天地滑輪

直徑為1 m的雙槽天地滑輪,既保證24、34 mm直徑硬電纜的通過,又保證常規(guī)電纜的順利通過(見圖4)。

圖4 雙槽天地滑輪結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 硬電纜配重

為保證硬電纜能將儀器順利送到目的層,需要對(duì)其進(jìn)行配重。在大斜度井段找到其受力平衡點(diǎn),設(shè)計(jì)不同尺寸的加重桿,使用時(shí)加大直井段部分的電纜重量,推動(dòng)井下儀在大斜度井段繼續(xù)前行,直至到達(dá)目的層位。

2.6 硬電纜打撈

測(cè)井過程中如果發(fā)生落井事故,硬電纜打撈技術(shù)不同于常規(guī)電纜。硬電纜外層是較厚的橡膠層,如果用常規(guī)打撈工具,只能抓住硬電纜的外皮,受力上提過程容易拉脫硬電纜的橡膠層,導(dǎo)致電纜損傷,打撈失敗。重新設(shè)計(jì)鉗制部位,使打撈筒能夠抓住橡膠層下的電纜鋼絲。此外,還設(shè)計(jì)專用T型井口電纜卡,在緊急情況時(shí)卡住硬電纜,避免電纜落井事故。

2.7 軟硬電纜纏繞和裝載

(1) 電纜裝載。長(zhǎng)慶油田水平井的水平段長(zhǎng)度通常為800～1 000 m,甚至更長(zhǎng),適合把1 500 m硬電纜裝載同一臺(tái)車上使用。但是,硬電纜對(duì)滾筒寬度和高度的要求,無法在現(xiàn)有車輛上直接安裝。設(shè)計(jì)的方案是用Φ11.8 mm常規(guī)電纜在現(xiàn)有絞車滾筒0.55 m軸徑上纏繞1 735 m,使軸徑為0.8 m,再接著纏繞硬電纜,可以纏繞698 m。

(2) 電纜驅(qū)動(dòng)裝置。施工要求井口安裝的電纜驅(qū)動(dòng)裝置(或稱電纜注入裝置)具備3個(gè)功能:①將電纜從滾筒上拉至井口;②從井口向井內(nèi)推送電纜;③在井口對(duì)電纜起扶正作用。電纜驅(qū)動(dòng)裝置通過螺栓與井口法蘭盤固定。電纜驅(qū)動(dòng)裝置由電機(jī)經(jīng)過變速箱減速,帶動(dòng)傳輸方向與井筒軸線平行的驅(qū)動(dòng)履帶運(yùn)動(dòng),2條履帶相對(duì)硬電纜有一定壓力,保證履帶與電纜之間推送電纜下井所需摩擦力。驅(qū)動(dòng)速度360～1 000 m/h,驅(qū)動(dòng)力≥300 kg即可,超載時(shí)打滑。

(3) 輔助拉力器。由于電纜很硬,若井口方向沒有一定拉力,末段電纜不易纏繞到滾筒上,所以,絞車后部要安裝輔助拉力器。輔助拉力器由一對(duì)安裝在軌道內(nèi)的滾輪組成,2個(gè)滾輪之間壓力可調(diào),將電纜夾緊增加拉力,這樣電纜易于纏繞到滾筒上。滾輪可以在垂直于電纜方向的滑軌上往返滑動(dòng),以利于整齊排纜。

(4) 電纜纏繞。2種電纜同在1個(gè)滾筒上纏繞。在原測(cè)井絞車滾筒纏繞Φ11.8 mm的常規(guī)電纜至軸徑為0.8 m時(shí)再纏繞硬電纜。這2種電纜需要連接起來,在電纜緊貼滾筒側(cè)板處截?cái)嗥胀娎|,鉚上錐套通過柔性魚雷與硬電纜連接,接著纏繞硬電纜,直至纏滿。

3 硬電纜測(cè)井技術(shù)方法

3.1 硬電纜測(cè)井基本原理

在大斜度套管井中依靠電纜自重、配重模塊和硬電纜的剛性特點(diǎn),利用硬電纜在垂直井段的自重及其在水平段的剛度,克服儀器和電纜在水平井段與井壁的磨擦阻力,將測(cè)井儀器推送到目的層底部,達(dá)到輸送測(cè)井儀器的目的[1],不需要鉆井隊(duì)配合,可獨(dú)立完成測(cè)井作業(yè)。在油氣水平完井測(cè)井時(shí),用常規(guī)電纜-硬電纜-常規(guī)電纜形成組合電纜,利用常規(guī)濕接頭在電纜的底部進(jìn)行對(duì)接,確保硬電纜介于旁通外與表層套管底部之間,充分利用硬電纜的抗擠壓、與井筒吸附弱的特點(diǎn),輸送鉆桿一次對(duì)接,完成水平完井測(cè)井作業(yè)。

軟-硬-軟3段電纜長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)和取值原則。①滾筒底部:底部Φ11.8 mm電纜起到加大滾筒軸徑和增加電纜總長(zhǎng)度的作用,為保證硬電纜的使用壽命,在盡量為中段硬電纜和前段電纜留有足夠容量前提下,盡量多裝載,以保證足夠的軸徑和總長(zhǎng)度。針對(duì)長(zhǎng)慶油田不同區(qū)塊,一般取1 000～1 500 m,軸徑0.7～0.75 m(Φ22～24 mm)。②中段:為了保證一次對(duì)接能夠測(cè)量盡可能長(zhǎng)的水平段,硬電纜的長(zhǎng)度應(yīng)該大于/等于區(qū)域內(nèi)油井水平段長(zhǎng)度。在保證前2段電纜總長(zhǎng)能滿足油井深度前提下,硬電纜最大長(zhǎng)度只能取1 000～1 200 m(Φ24、22 mm電纜)。③前段:濕接頭最佳對(duì)接位置在井斜40°左右的深度,前段電纜的長(zhǎng)度要根據(jù)區(qū)塊井深參數(shù)決定。

3.2 大斜度固井質(zhì)量測(cè)井技術(shù)方案

在蘇里格區(qū)域的大斜度固井質(zhì)量測(cè)井中,根據(jù)測(cè)算,配套應(yīng)用的硬電纜包含直徑11.8 mm普通電纜3 550 m,硬電纜554 m,總長(zhǎng)4 105 m,可以完成井斜60°～90°不超過300 m的97%的固井質(zhì)量測(cè)井施工,連接方式見圖5;部分超長(zhǎng)段可以使用硬電纜750 m完成施工任務(wù)。

圖5 硬電纜在套管井固井質(zhì)量測(cè)井中的應(yīng)用連接圖

3.3 水平井完井測(cè)井技術(shù)方案

長(zhǎng)慶油田在開發(fā)過程中,油井表層套管下深介于80～200 m之間,水平段長(zhǎng)達(dá)1 000 m,用常規(guī)的濕接頭鉆桿輸送測(cè)井技術(shù),為保障旁通不出表套,測(cè)量水平段為1 000 m的水平井,需要對(duì)接濕接頭7～13次,不但測(cè)井時(shí)效低,多次對(duì)接濕接頭大大增加井下儀器和工具損壞幾率。通過對(duì)長(zhǎng)慶油田各區(qū)塊鉆井設(shè)計(jì)分析,采用軟-硬-軟組合電纜鉆桿輸送濕接頭測(cè)井技術(shù),旁通以下、鉆桿以內(nèi)為常規(guī)電纜,旁通以上、表層套管之外為硬電纜,這樣,可以使旁通出套管,將多次對(duì)接變?yōu)橐淮螌?duì)接測(cè)量水平井,可優(yōu)質(zhì)高效完成水平的完井測(cè)井(見圖6)。

圖6 軟硬電纜完井測(cè)井施工方案示意圖

3.4 硬電纜裝載長(zhǎng)度計(jì)算方法

普遍使用的直徑11.8 mm的5 000～7 000 m的電纜其滾筒直徑為0.55 m,不能滿足硬電纜的纏繞需求。根據(jù)纜長(zhǎng)公式

式中,L纜為硬電纜裝載長(zhǎng)度,m;L筒為滾筒的寬度,m;D沿為繞滿電纜滾筒的直徑,m;D軸為滾筒的軸直徑,m;R纜為硬電纜半徑,m;π為圓周率。

測(cè)量大斜度三樣時(shí),裝備3 600 m的直徑為11.8 mm的常規(guī)電纜,500 m的直徑為34 mm硬電纜能滿足測(cè)井條件。

測(cè)井水平井段完井時(shí),按照電纜總長(zhǎng)滿足施工區(qū)塊井深、硬電纜長(zhǎng)度應(yīng)等于水平段長(zhǎng)度、前段軟電纜長(zhǎng)度等于或略小于儀器自重能到達(dá)的深度的原則配置硬電纜長(zhǎng)度。例如,根據(jù)陜西定邊區(qū)塊油水平井井身結(jié)構(gòu)規(guī)律,將電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成:2 126 m(Φ11.8 mm)+980 m(Φ24 mm)+100 m(Φ11.8 mm),總長(zhǎng)4 106 m。

3.5 硬電纜輸送方式

(1) 直接輸送:井身斜度不大或水平井段較短,儀器和電纜的自身重量足以克服儀器的推進(jìn)阻力的條件下,可以不加外力,直接依靠電纜自身的重力和硬電纜撓性特點(diǎn)將儀器輸送到大斜度或水平井內(nèi)。

(2) 附加外力輸送:理論上如果全部采用硬電纜,可借用井內(nèi)流體加壓泵送、鉆桿傳輸?shù)确绞街苯油苿?dòng)硬電纜和下井儀器,大大增加大斜度或水平井段的測(cè)井儀器輸送距離。

3.6 施工注意事項(xiàng)

(1) 測(cè)井用硬電纜(2.43 kg/m)、天、地滑輪較重,在監(jiān)督、施工方召開的班前會(huì)上必須對(duì)設(shè)備變化后帶來的風(fēng)險(xiǎn)及控制措施進(jìn)行通告,確保措施到位后方可施工。

(2) 施工時(shí)使用小吊鉤起吊儀器,在井口組裝好。不能用硬電纜起吊儀器串,以免縮短硬電纜使用壽命,甚至損壞專用纜頭魚雷。馬籠頭上井臺(tái)時(shí)可用小吊鉤起吊,在游車起升時(shí),帶硬電纜的馬籠頭必須用麻繩拴住,絞車工掌握下放速度確保和游車提升速度一致。

(3) 軟硬電纜連接魚雷處通過馬丁代克時(shí)必須由專門人員查看,絞車減速慢行通過。必要時(shí)將壓緊輪松開,通過馬丁代克后停車,對(duì)連接魚雷注硅脂,確保其絕緣良好。

(4) 下放過程中若需要停車,一定要緩慢剎車,不可太猛。大于500 m硬電纜和儀器重量達(dá)1.5 t,除去浮力,約有900 kg,急速剎車的慣性易造成軟硬電纜連接處斷裂或硬電纜落井事故。

(5) 硬電纜在下放至60°后緩慢減速至2 000 m/h以下,接近井底100 m時(shí)降至600 m/h,要密切注意絞車張力變化,如果遇阻要隨時(shí)停車;要熟悉掌握整個(gè)施工過程中張力的變化控制。

(6) 起至硬電纜長(zhǎng)度時(shí)要減速,注意觀察,連接的柔性魚雷(其極限彎曲弧度為30°)過天地滑輪、馬丁代克時(shí)要降至600 m/h以下,專人觀察絞車慢速通過。

(7) 停止記錄后,繼續(xù)下放電纜至軟硬連接處,在井口對(duì)連接柔性魚雷注入硅脂,因柔性魚雷中加入了膠套,最大程度地隔離鉆井液(見圖2),避免出現(xiàn)電纜絕緣低的現(xiàn)象發(fā)生。

4 應(yīng)用效果分析

(1) 作業(yè)時(shí)效分析。硬電纜水平井測(cè)井占用井口時(shí)間較常規(guī)電纜測(cè)井大幅縮短,作業(yè)時(shí)效明顯提升。硬電纜測(cè)井在水平井固井質(zhì)量測(cè)井時(shí),無需鉆具推送和濕接頭對(duì)接,施工平均單井用時(shí)約10 h,只占常規(guī)鉆桿輸送濕接頭工藝作業(yè)測(cè)井時(shí)間的1/3。硬電纜測(cè)井技術(shù)在裸眼水平完井測(cè)井對(duì)槍次數(shù)明顯少于常規(guī)纜測(cè),且硬電纜的抗撞擊性能良好,電纜損傷風(fēng)險(xiǎn)小,硬電纜測(cè)井用時(shí)平均為30 h,而區(qū)域鄰井常規(guī)電纜測(cè)井平均為52 h,提高時(shí)效40%。

(2) 氣井大斜度固井質(zhì)量測(cè)井中,采用硬電纜作業(yè)成本僅為鉆具輸送測(cè)井的1/12。按照每年施工120井次計(jì)算,累計(jì)節(jié)約井上作業(yè)時(shí)間1 883 h,節(jié)約作業(yè)成本約660萬余元(統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2)。

(3) 通過撞擊試驗(yàn),硬電纜的抗撞、耐摩擦能力明顯優(yōu)于常規(guī)電纜。通過柔性魚雷等多種配套技術(shù),硬電纜測(cè)井技術(shù)在裸眼井和套管井中均可安全作業(yè),在水平井施工中,夾傷、擠傷電纜事故可減少80%。

(4) 硬電纜只是改變了測(cè)井工藝,測(cè)井儀器未發(fā)生變化,所以測(cè)井質(zhì)量滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[6]。

表2 鉆具輸送測(cè)井與硬電纜測(cè)井作業(yè)成本對(duì)比 (人民幣:萬元)

5 結(jié) 論

(1) 通過配套設(shè)施及其測(cè)井技術(shù)方案的不斷應(yīng)用和發(fā)展,硬電纜測(cè)井技術(shù)適合并滿足了長(zhǎng)慶油氣田氣井大斜度段固井質(zhì)量測(cè)井與油井水平井段完井測(cè)井的生產(chǎn)需求,是一種新的測(cè)井工藝,具有廣闊的應(yīng)用前景。

(2) 通過長(zhǎng)慶油田采用硬電纜工藝測(cè)井原始資料與傳統(tǒng)工藝測(cè)井原始資料對(duì)比,發(fā)現(xiàn)硬電纜測(cè)量大斜度段時(shí),張力及速度更加穩(wěn)定,測(cè)井曲線連續(xù)性好,測(cè)井更加安全可靠。

(3) 硬電纜測(cè)井技術(shù)在大斜度井固井質(zhì)量測(cè)井用時(shí)約為常規(guī)測(cè)井技術(shù)的1/3,水平完井測(cè)井用時(shí)約為常規(guī)測(cè)井技術(shù)的1/2,節(jié)約作業(yè)成本的同時(shí),縮短了建井周期,節(jié)能增效效果明顯。

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