連續(xù)油管電纜安裝系統(tǒng)的開發(fā)

楊社民 編譯

（中國(guó)石油集團(tuán)東南亞管道有限公司，北京100028）

連續(xù)油管電纜安裝系統(tǒng)的開發(fā)

楊社民 編譯

（中國(guó)石油集團(tuán)東南亞管道有限公司，北京100028）

開發(fā)出了一個(gè)可以纏繞在卷筒上的連續(xù)油管內(nèi)注入、注出電力電纜安裝系統(tǒng)。介紹了該安裝系統(tǒng)的油田需求、開發(fā)此系統(tǒng)所用理論、該安裝系統(tǒng)的各部分裝置以及應(yīng)用案例。該電纜安裝系統(tǒng)工作壓力為51.72 MPa（7 500 psi），與以前的安裝方法相比，大大降低了電纜安裝成本，完全滿足在較長(zhǎng)連續(xù)油管內(nèi)安裝電纜的需求。

連續(xù)油管；電纜；安裝系統(tǒng)；開發(fā)

1 概 述

20世紀(jì)80年代中期，帶電纜連續(xù)油管首次用于測(cè)井。由于連續(xù)油管是油田現(xiàn)場(chǎng)水平井測(cè)井作業(yè)唯一實(shí)用的工具，所以一開始就倍受青睞。然而，由于作業(yè)成本較高，使連續(xù)油管測(cè)井作業(yè)發(fā)展停滯。主要原因是：①在連續(xù)油管內(nèi)部和連續(xù)油管達(dá)到壽命極限時(shí)，安裝在連續(xù)油管內(nèi)部的電纜注出時(shí)的成本非常高；②沒有開發(fā)出用于連續(xù)油管測(cè)井作業(yè)的專用工具，測(cè)井作業(yè)時(shí)通常需要連續(xù)油管作業(yè)和測(cè)井作業(yè)兩家公司。

目前已成功開發(fā)出在連續(xù)管內(nèi)安裝電纜所需的裝備與工具，并應(yīng)用于連續(xù)油管測(cè)井作業(yè)和鉆井作業(yè)。本研究重點(diǎn)介紹連續(xù)油管電纜安裝系統(tǒng)。

過去連續(xù)油管內(nèi)安裝電纜通常采用3種方法：①將電纜穿入懸掛在井里的連續(xù)油管，將連續(xù)油管從井里起出、盤卷；②連續(xù)油管水平鋪開，將電纜注射、穿過連續(xù)油管；③在制造過程中，將一根較細(xì)的牽引鋼繩置入連續(xù)油管，然后將連續(xù)油管水平鋪開，用牽引鋼繩將電纜拖入連續(xù)油管。

這些安裝方法的成本高，每次安裝費(fèi)都在15 000～25 000美元。若連續(xù)管在服役過程中出現(xiàn)問題，就必須取出電纜，進(jìn)行修復(fù)后重新安裝。

目前，研發(fā)出了可將電纜注入纏繞在滾筒上的連續(xù)油管的系統(tǒng)。此安裝方法大大降低了安裝成本，較常規(guī)的安裝方法，該方法更具優(yōu)勢(shì)。

2 連續(xù)油管電纜安裝系統(tǒng)

2.1 將電纜注入、注出連續(xù)油管

在過去幾年，服務(wù)公司已經(jīng)能夠?qū)㈦娎|注出連續(xù)油管。將泵連接到帶有電纜的連續(xù)油管一端，將水注入連續(xù)油管，不斷增加流速，直至電纜移動(dòng)，直到電纜從連續(xù)油管的另一端穿出。通常，電纜運(yùn)動(dòng)沒有規(guī)律性，也不可整齊地纏回電纜盤。

由于絞盤效應(yīng)，開始有人認(rèn)為在連續(xù)管內(nèi)注水不會(huì)使電纜移動(dòng)。然而，由于水的湍流消除了電纜與連續(xù)油管之間的摩擦，使電纜在連續(xù)油管內(nèi)振動(dòng)或飄動(dòng)，消除了絞盤效應(yīng)。通過電纜的液體粘性剪切張力給電纜施加一個(gè)軸向力，使電纜順著水流的方向移動(dòng)。

將電纜注人到纏繞在滾筒上的連續(xù)油管更加困難。在流體注入時(shí)，盡管電纜與流體以相同的方向移動(dòng)，但電纜必須和泵從同一端進(jìn)入連續(xù)油管內(nèi)（如圖1所示）。線纜壓力控制頭被稱作密封箱，在電纜進(jìn)入被泵注入的高壓液體時(shí)，用來將電纜周圍密封起來，然而，巨大的力被用來將電纜推進(jìn)以頂住這個(gè)壓力。前面提及的粘性剪切張力不足于抵消這個(gè)力，此力等于壓力乘以電纜的橫截面積。密封箱外邊的裝置用來壓緊電纜，但大部分電纜被這種大的壓縮力壓壞。因此，需要一個(gè)裝置能夠在密封箱內(nèi)運(yùn)作，并使電纜通過密封箱。此裝置被稱作“電纜注入器”。

圖1 電纜注入連續(xù)油管過程示意圖

人們發(fā)現(xiàn)電纜注入器可以反向使用，如圖2所示。這樣可以防止前面提到的電纜無規(guī)律運(yùn)動(dòng)，并使電纜在被抽出時(shí)可以順利纏到卷筒上。

圖2 電纜注出連續(xù)油管過程示意圖

2.2 電纜注入器

電纜注入器是成功通過泵送方法進(jìn)行電纜注入和注出的關(guān)鍵，能夠牽引電纜通過密封箱。幾種不同類型電纜注入器構(gòu)想如圖3所示。

圖3 電纜注入器構(gòu)想示意圖

2.2.1 輥式注入器

第一個(gè)構(gòu)想包括在壓力箱內(nèi)采用一些電動(dòng)輥牽引電纜通過密封箱。此裝置有兩大隱患：一是如果電纜在連續(xù)管內(nèi)停止向前移動(dòng)，輥輪將繼續(xù)向前推動(dòng)電纜，使電纜受壓，并有可能導(dǎo)致電纜損壞；二是輥輪必須壓緊電纜，但輥輪與電纜的接觸面積較小，如果接觸力過大有可能損壞電纜。

2.2.2 流量管注入器

此構(gòu)想包括配備一根長(zhǎng)流量管的電纜注入器，電纜隨著流體通過流量管將電纜注入連續(xù)油管。電纜上的壓降及粘性剪切力能夠產(chǎn)生將電纜牽引進(jìn)密封箱的軸向力。該方法的隱患是如果電纜在卷筒上的連續(xù)管內(nèi)停止向前移動(dòng)，那么電纜將會(huì)受壓。一家公司采用此構(gòu)想成功開發(fā)出了電纜注入器。

2.2.3 封閉式線纜卷筒

另一個(gè)構(gòu)想是將整個(gè)線纜卷筒封閉在一個(gè)高壓箱內(nèi)，將電纜送出此箱內(nèi)并直接送入連續(xù)油管。這將省掉了密封箱及電纜注入器。然而，它將需要一個(gè)很大、很重且價(jià)格昂貴的壓力箱。但是，在這種壓力容器內(nèi)電纜注出的控制較為困難。

2.2.4 制動(dòng)注入器

有人提出建立一個(gè)像沖程運(yùn)動(dòng)裝置的電纜注入器。它將抓住電纜，并握住電纜向前移動(dòng)到一定距離后，裝置放開電纜返回，然后再次重復(fù)此行程。但是，當(dāng)電纜停止移動(dòng)時(shí)，電纜會(huì)受壓。

2.2.5 牽引式注入器

該裝置采用牽引器裝置來牽引電纜，非常像連續(xù)油管注入器的注入頭移動(dòng)連續(xù)油管。此牽引器位于壓力箱內(nèi)，將負(fù)荷分散到整個(gè)牽引器的長(zhǎng)度，從而解決了電纜局部負(fù)荷過大的問題。但是，當(dāng)電纜不移動(dòng)時(shí)，需要控制牽引式注入器以免壓壞電纜。

2.2.6 絞盤注入器

該裝置將電纜在壓力箱內(nèi)被數(shù)次纏繞到電動(dòng)輪或絞盤上，纏著電纜的旋轉(zhuǎn)輪會(huì)將張力倍增，在旋轉(zhuǎn)相同方向，若小的張力在電纜的一端拉住電纜，那么將會(huì)在電纜的相反端產(chǎn)生更大的張力。由于該裝置是自控的，因此絞盤不會(huì)使電纜受壓。

2.3 絞盤注入器設(shè)計(jì)

由旋轉(zhuǎn)輪或絞盤產(chǎn)生的張力放大被稱為“絞盤效應(yīng)”。絞盤放大是電纜和旋轉(zhuǎn)輪之間的摩擦，以及電纜纏繞旋轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)角度的作用。如果電纜纏繞旋轉(zhuǎn)輪2次，將有720°的旋轉(zhuǎn)。

絞盤放大系數(shù)可用公式（1）表示

式中：Toutput—放大后電纜受到的張力；

Tinput—放大前電纜受到的張力；

β—纏繞圈數(shù)×2π；

μ—電纜和選轉(zhuǎn)輪之間的摩擦系數(shù)。

鋼和鋼之間的摩擦系數(shù)為0.15～0.2。利用公式（1）計(jì)算的放大系數(shù)見表1。如果轉(zhuǎn)輪上涂有潤(rùn)滑脂，摩擦系數(shù)將較小，放大系數(shù)也隨之減小。

表1 絞盤放大系數(shù)計(jì)算結(jié)果

絞盤的優(yōu)點(diǎn)在于自我控制。若電纜因故停在連續(xù)油管中，這將使電纜在連續(xù)油管滾筒入口處沒有張力，致使絞盤不產(chǎn)生輸出張力，絞盤不能推動(dòng)松弛的電纜并且由于沒有壓力而損壞電纜。

然而，絞盤需要足夠的初張力來產(chǎn)生所需的輸出張力以便牽引電纜通過密封箱。電纜上的粘性剪切張力有可能不夠大以產(chǎn)生所需的初張力。

要產(chǎn)生一定的初張力，需要通過泵注入的流體流量被分流并通過2個(gè)入口進(jìn)入系統(tǒng)，如圖4所示。在2個(gè)入口間安裝節(jié)流孔，其間壓差由阻流器控制，此系統(tǒng)稱作預(yù)緊器，為絞盤放大提供必要的張力。

圖4 電纜注入器結(jié)構(gòu)示意圖

圖5給出了幾種不同類型的絞盤電纜注入器設(shè)計(jì)方案，均采用絞盤來移動(dòng)電纜。

圖5 絞盤電纜注入器設(shè)計(jì)概念

2.3.1 帶大型動(dòng)態(tài)密封的單輪

此概念包括在單輪外邊緣裝上大型（直徑508 mm）高壓動(dòng)態(tài)密封，被密封在一個(gè)壓力腔內(nèi)。這個(gè)構(gòu)想稱為最初設(shè)計(jì)，因?yàn)樗赡苁亲钊菀籽b卸，并在現(xiàn)場(chǎng)容易使用。然而，它在壓力1.38 MPa（200 psi）以上時(shí)會(huì)停止旋轉(zhuǎn)，因?yàn)槊慨?dāng)加壓時(shí)，動(dòng)態(tài)密封就會(huì)鎖定。

2.3.2 壓力箱內(nèi)雙輪結(jié)構(gòu)

此構(gòu)想是將兩個(gè)旋轉(zhuǎn)輪裝在一個(gè)壓力箱內(nèi)，這些轉(zhuǎn)輪帶有電纜凹槽，這在單輪設(shè)計(jì)中無法實(shí)現(xiàn)。通過兩個(gè)旋轉(zhuǎn)輪，電纜不會(huì)像單輪設(shè)計(jì)那樣在一個(gè)轉(zhuǎn)輪上滑。此構(gòu)想由于其成本高而被放棄。

2.3.3 往復(fù)管

該構(gòu)想是一個(gè)纏繞幾圈的管道，管道可以是連續(xù)油管，它將繞著一個(gè)軸進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電纜通過此管進(jìn)入連續(xù)油管，當(dāng)管子和電纜運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，電纜被一起牽引運(yùn)動(dòng)；當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，電纜將在管內(nèi)保持靜止。在這種方式下，電纜將被 “停留”在滾筒里。此概念被否定是由于電纜將需在零星運(yùn)動(dòng)下移動(dòng)，而不是在恒速下運(yùn)動(dòng)。

2.3.4 壓力箱內(nèi)的轉(zhuǎn)輪

此構(gòu)想是將一個(gè)單輪完全裝入壓力箱內(nèi)。當(dāng)前面所述的第一個(gè)構(gòu)想在進(jìn)行大型動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)時(shí)，該構(gòu)想已經(jīng)被采用并應(yīng)用在最終的產(chǎn)品中。

2.4 電纜注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電纜注入系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)的工作壓力為51.7 MPa（7 500 psi）， 如圖6所示。

圖6 電纜注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2.5 電纜卷纜機(jī)

試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)所用電纜的扭矩足以損壞電纜注入器的入口，需要通過旋轉(zhuǎn)電纜卷筒以消除此扭矩。圖6所示電纜卷纜機(jī)允許電纜卷筒繞著垂直軸方向旋轉(zhuǎn)，在電纜盤上方一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的槽輪，電纜通過可旋轉(zhuǎn)槽輪后，經(jīng)過一個(gè)與密封箱中心平行的定滑輪穿入注入器對(duì)中。

2.6 電纜注入器撬

電纜注入器撬最左邊的裝置是一個(gè)機(jī)械計(jì)數(shù)器以測(cè)量所安裝電纜的長(zhǎng)度。經(jīng)過計(jì)數(shù)器后，電纜進(jìn)入密封箱。此密封箱用注脂系統(tǒng)防止井筒（眼）流體的滲漏。由于電纜上的油脂大大降低了摩擦系數(shù)，從而也降低了絞盤的效率（見表1），因此不再使用注脂系統(tǒng)。取而代之，允許少量的水在流管中流動(dòng)并返回到儲(chǔ)罐內(nèi)。

密封箱附加在電纜注入器上（見圖4）。電纜進(jìn)入注入器時(shí)從左上角沿切線纏繞到卷軸上，環(huán)繞轉(zhuǎn)輪5次后從右上角沿轉(zhuǎn)輪切線方向出密封箱。當(dāng)電纜通過轉(zhuǎn)輪的表面時(shí)，靜止的、帶線槽的“定子”導(dǎo)入電纜，以避免電纜在注入器內(nèi)無序纏繞。

2.7 預(yù)緊器

電纜從注入器出來進(jìn)入預(yù)緊器。在預(yù)緊器中電纜通過帶有內(nèi)徑比電纜直徑稍微大一些的節(jié)流管。在節(jié)流孔上游入口和下游入口間，采用阻流器控制水的入口流量，從而控制通過節(jié)流孔的流體壓降。此壓降對(duì)節(jié)流孔和電纜注入器之間的電纜產(chǎn)生一定的張力，使電纜注入器輸入張力放大。

2.8 連續(xù)油管滾筒

電纜從預(yù)緊器出來后，電纜和水流進(jìn)入滾筒上的連續(xù)油管。當(dāng)流速足夠高時(shí)可使電纜在連續(xù)油管內(nèi)波動(dòng)，電纜表面的剪切摩擦力使電纜通過連續(xù)油管向前移動(dòng)。

2.9 速度測(cè)量

采用電子儀器測(cè)量電纜及轉(zhuǎn)輪外的速度，這兩種速度在安裝時(shí)應(yīng)該相同，雖然曾經(jīng)運(yùn)行速度超過67m/min，但通常的安裝速度約為40m/min。

2.10 儲(chǔ)罐

注入電纜時(shí)通常需要采用超大功率連續(xù)泵入1～2 h，被注入的水會(huì)產(chǎn)生巨大的熱能，致使溫度上升，因此，需要配置一個(gè)大型儲(chǔ)罐避免水過熱（沸騰）。

3 結(jié) 語

開發(fā)的連續(xù)油管內(nèi)注入、注出電纜的安裝系統(tǒng)，可大大降低電纜安裝成本。目前，已有3套安裝系統(tǒng)投入使用，數(shù)套系統(tǒng)正在計(jì)劃中。目前，正在開發(fā)工作壓力為69 MPa（10 000 psi）的安裝系統(tǒng)以滿足在較長(zhǎng)連續(xù)油管內(nèi)安裝電纜的需求。

譯自：NEWMAN K R,HAVER N A,STONE L R,et al.Development of a Coiled Tubing Cable Installation System[C]//Presentation at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition.SPE,30679,1995.

Development of a Coiled Tubing Cable Installation System

Edited and Translated by YANG Shemin
（CNPC South-East Asia Pipeline Co.,Ltd.,Beijing 100028,China）

A system has been developed which installs and de-installs an electric wireline cable in Coiled Tubing（CT） while the CT is still on the reel.This paper discuss the need for such a system,the theory used to develop this system,the various concepts considered,the system that was developed and test installation cases.The working pressure of this cable installation system is 51.72 MPa（7 500 psi）.This cable installation system reduces the cost of a cable installation significantly compared with previous installation methods,and can fully meet the requiremetns of installation cable in long coiled tubing.

coiled tubing；cable；installation system；development

TE93

B

1001－3938（2015）10-0065-04

楊社民 （1963—），男，現(xiàn)在中國(guó)石油東南亞管道有限公司工作。

2015-08-20

羅 剛