車載一體化火驅(qū)點火裝置研制與應(yīng)用

王海濤，周漢鵬，曹 元，但永軍，高 亮

(新疆油田公司 工程技術(shù)公司，新疆 克拉瑪依 834000)①

車載一體化火驅(qū)點火裝置研制與應(yīng)用

王海濤，周漢鵬，曹 元，但永軍，高 亮

(新疆油田公司 工程技術(shù)公司，新疆 克拉瑪依 834000)①

稠油火驅(qū)開發(fā)成功的關(guān)鍵是油層點火。為了實現(xiàn)經(jīng)濟、高效、安全的工業(yè)化點火要求，研制了車載一體化火驅(qū)點火裝置。應(yīng)用該裝置可方便、快捷、安全地進行電熱點火器的帶壓提下作業(yè)及點火作業(yè)過程的控制。經(jīng)現(xiàn)場試驗，證明了新工藝及裝備的可行性與可靠性。

火驅(qū)采油；電熱點火；稠油；連續(xù)油管；帶壓作業(yè)

火驅(qū)采油技術(shù)既節(jié)能環(huán)保、又可大幅度提高采收率，越來越受到重視，已成為轉(zhuǎn)變稠油開發(fā)方式的一項重要技術(shù)。十二五期間“火燒油層開發(fā)技術(shù)先導試驗”就是國家級重大科技攻關(guān)示范項目，以后仍將是稠油開采的核心開發(fā)技術(shù)。新疆油田經(jīng)過前期的先導試驗攻克了火驅(qū)采油的諸多技術(shù)難題，現(xiàn)已進入工業(yè)化開發(fā)階段。為確保工業(yè)化經(jīng)濟高效開發(fā)，對部分核心技術(shù)進行了進一步的攻關(guān)和研究，車載一體化火驅(qū)點火裝置的研制是多個研究項目中的關(guān)鍵項目之一。先導試驗期間因為沒有專業(yè)的點火裝備，采用普通油管掛載電點火器并同步將電纜捆綁在油管外壁的方法進行點火設(shè)施的入井作業(yè)，這種工藝方法點燃油層后點火器及電纜無法從井筒內(nèi)提出，不能重復使用，且現(xiàn)場捆綁電纜作業(yè)工藝復雜、作業(yè)時間長，導致點火作業(yè)成本高、效率低等問題。針對上述問題，研制了車載一體化油田火驅(qū)點火裝置及相適應(yīng)的作業(yè)工藝。經(jīng)現(xiàn)場試驗，證明了新工藝及裝備的可行性與可靠性，有效解決了以往工藝成本高、工藝復雜等缺點，降低了火驅(qū)生產(chǎn)運行成本，滿足火驅(qū)工藝工業(yè)化應(yīng)用經(jīng)濟、高效的要求。

1 工作原理

整套裝置主要包括運載底盤車、電纜滾筒、連續(xù)管電纜、電纜注入頭、防噴裝置、電熱點火器及點火控制系統(tǒng)等幾個部分，如圖1所示。除點火控制系統(tǒng)外，其余構(gòu)件全部組裝在底盤車上，由底盤車搬遷運移。注入頭和鵝頸架鉸接在井架頂部，由液壓油缸調(diào)整其與井架的相對位置，以快速完成運輸及作業(yè)的工位轉(zhuǎn)換。連續(xù)管電纜纏繞在滾筒上，其固定端通過電纜滑環(huán)與點火控制柜相連，其自由端穿過電纜注入頭及防噴盒進入防噴管，通過專用工具——可調(diào)式卡瓦連接器與電點火器相連。非工作狀態(tài)時，井架放 倒，注入頭平躺在井架里(圖1虛線所示)，連好電纜的點火器預置在防噴管里，整個防噴裝置固定在井架里。工作時，車輛開到井口合適位置，調(diào)整好車輛與井口的距離，升起井架到設(shè)定角度；注入頭在液壓油缸的推動下外擺至豎直狀態(tài)，防噴裝置懸掛在電纜末端，位于井口正上方；啟動注入頭，驅(qū)動電纜，電纜帶動防噴裝置上下移動，使其坐在井口上，連接井口與防噴裝置；打開井口主控閥，控制注入頭將電纜及點火器下到井中預定深度。啟動地面注氣系統(tǒng)，通過井口向井中油管與電纜形成的環(huán)形空間注入壓縮空氣，啟動點火控制系統(tǒng)給點火器通電，點火器在油管內(nèi)對注入空氣進行加熱，加熱后的空氣進入油層，高溫空氣與油層原油發(fā)生反應(yīng)，并燃燒。根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果調(diào)整注氣量和點火器功率，使空氣流量和溫度滿足點火工藝要求。待點火完成后，控制注入頭將點火器提至防噴管里，關(guān)閉井口主控閥，拆卸防噴管，收井架至水平狀態(tài)，結(jié)束作業(yè)。整個過程完全是帶壓作業(yè)，點火設(shè)施也可多次重復利用；現(xiàn)場作業(yè)不需要其它輔助作業(yè)設(shè)備，輔助作業(yè)量少、時間短，作業(yè)工藝簡單可靠，滿足經(jīng)濟、高效的工業(yè)化應(yīng)用要求。

1—底盤車；2—電纜滾筒；3—排管器；4—連續(xù)管電纜；5—鵝頸架；6—鵝頸翻轉(zhuǎn)油缸；7—注入頭掛軸；8—井架；9—電纜注入頭；10—注入頭水平油缸；11—井架舉升油缸；12—防噴裝置；13—點火井口；14—液壓站；15—操控臺。

2 主要零部件

2.1 連續(xù)管電纜

連續(xù)管電纜是一種金屬鎧裝的復合電纜，其截面形狀如圖2。主要由不銹鋼外鎧、耐高溫絕緣橡膠、動力電纜線、信號線及化纖填充物等組成。這種電纜綜合了連續(xù)油管和電纜的功能，故稱之為連續(xù)管電纜，應(yīng)用特殊焊接技術(shù)及整體拉拔工藝制作而成。電纜的外鎧為不銹鋼材料，其物理性能接近CT80連續(xù)油管的性能，故可將電纜當連續(xù)油管使用；電纜外鎧的另一個重要功能是保護其內(nèi)部的電纜和絕緣材料。絕緣橡膠和化纖填充物都是用來保證各相動力線之間及動力線與外鎧之間的絕緣性能的。動力電纜給點火器供電，信號線用來傳輸溫度信號，二者集成一根電纜，為了解決強弱電混輸相互干擾問題，信號線外面設(shè)計有屏蔽層。金屬鎧裝復合連續(xù)管電纜兼具連續(xù)油管和電纜功能，實現(xiàn)并簡化了帶壓提、下點火器作業(yè)工藝；將動力線和信號線復合成一根電纜，簡化了井口和井下管柱結(jié)構(gòu)。

1—不銹鋼外鎧；2—耐高溫橡膠；3—動力電纜；4—填充物；5—信號線。

2.2 電熱點火器

電熱點火器是電點火技術(shù)的核心工具，結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由發(fā)熱電纜、不銹鋼保護套、測溫熱電偶、電纜連接器、螺紋接頭等組成。發(fā)熱電纜主要由銅護套、導電線芯和礦物絕緣(MI)材料構(gòu)成，采用整體拉拔工藝制作而成，作為點火器發(fā)熱體，具有功率密度大、工作溫度高等特點，是電點火器的核心元件。在不銹鋼保護套上設(shè)計有蜂窩眼透氣孔，便于保護套內(nèi)外空氣的對流。保護套內(nèi)上、下兩端(俗稱冷、熱端)設(shè)置有測溫熱電偶，以監(jiān)測空氣加熱前后的溫度。螺紋接頭可實現(xiàn)點火器與卡瓦連接器的連接，接頭內(nèi)孔注有絕緣膠，凝固后的膠體可使接頭體成為實心元件，從而保證點火器與卡瓦連接器形成密閉的接線空間。

1—星接尾端；2—不銹鋼保護套；3—測溫熱電偶；4—絕緣膠；5—電源引線；6—熱電偶引線；7—螺紋接頭；8—引線封杯；9—MI冷電纜；10—冷熱電纜接頭；11—芯棒；12—MI發(fā)熱電纜；13—導向頭。

2.3 可調(diào)式卡瓦連接器

可調(diào)式卡瓦連接器是連接電纜與點火器的專用工具，其結(jié)構(gòu)如圖4。主要包括上接頭、卡瓦座、卡瓦、中接頭、下接頭、密封圈、O形圈等。具有如下功能：①能實現(xiàn)連續(xù)管電纜與點火器的物理連接；②能將電纜與點火器的接線空間密封起來；③便于電纜與點火器的接線操作；④是便于安裝與拆卸?？烧{(diào)式卡瓦連接器中接頭以上部分的功能是實現(xiàn)電纜與連接器的物理連接，下接頭的功能是實現(xiàn)點火器與連接器的物理連接；下接頭與電纜、點火器形成密閉空間，保證電纜與點火器的接線空間不會浸入油水等污物。所有零件的內(nèi)徑均大于電纜外徑，這樣在壓緊卡瓦之前，整個部件可在電纜上自由滑動，便于接線操作，因此稱其為可調(diào)式卡瓦連接器。接線及安裝過程如下：將所有零件按圖示順序依次套在電纜末端，并露出電纜；計算好電纜與點火器的距離，連接電纜與點火器的所有動力線及信號線并做好絕緣；先連接下接頭與點火器、壓緊密封圈，再用上接頭和中接頭壓緊卡瓦，使卡瓦抱死電纜；再擰緊所有防松螺母。這樣就完成了電纜與點火器的連接、接線與密封。

1—上接頭；2—防松螺母；3—卡瓦座；4—卡瓦；5—中接頭；6—下接頭；7—密封圈；8—O形圈。

2.4 防噴裝置

防噴裝置是實現(xiàn)帶壓提、下點火器的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括頂部的防噴盒、底部的連接法蘭及中間的防噴管和球形由壬。整套裝置通過底部法蘭安裝在井口上，頂部為自由端。安裝時先將防噴盒與防噴管拆開，連續(xù)管電纜自由端從防噴盒頂部穿入，用卡瓦連接器連接電纜與點火器，再裝好防噴管。行車時，整套裝置固定在井架里，作業(yè)時將井架升起至外傾，防噴裝置在自重的作用下懸吊在井口上方，因卡瓦連接器的外徑比防噴盒的通徑大，所以裝置不會墜落。球形由壬允許其兩個由壬頭有8°的夾角，設(shè)置該由壬的目的是在注入頭中心與井口沒有完全對中的情況下，通過由壬頭兩端的防噴管形成夾角進行微調(diào)，以減小現(xiàn)場對中井口的難度。防噴盒上還設(shè)置有注脂機構(gòu)，通過該機構(gòu)可向電纜與密封盤根之間注入潤滑密封脂，形成密封脂膜，既潤滑了電纜又增強了密封的可靠性。

圖5 防噴裝置

2.5 電纜注入頭

電纜注入頭是本設(shè)備的核心部件，如圖6所示。該電纜注入頭采用了目前連續(xù)管作業(yè)機普遍采用的鏈式結(jié)構(gòu)，所謂鏈式結(jié)構(gòu)是指將油管夾持機構(gòu)通過鏈條銷軸安裝在鏈條上，夾緊機構(gòu)夾緊兩排鏈條從而夾緊油管，鏈輪驅(qū)動鏈條上下運動，鏈條帶動油管上下運動。

在深入分析國外鏈式注入頭的結(jié)構(gòu)原理之后，根據(jù)本裝置的總體方案特點和要求設(shè)計了結(jié)構(gòu)獨特的注入頭(如圖6)，注入頭主要包括內(nèi)外機架、鏈傳動機構(gòu)、鏈條夾緊及張緊機構(gòu)、油管夾持機構(gòu)、馬達減速機及載荷檢測機構(gòu)等部件。其動力傳動路徑為：馬達減速機→聯(lián)軸器→鏈輪軸→鏈輪。這種傳動方式的特點是馬達和減速器做成了一體，傳動結(jié)構(gòu)簡潔，制造難度不大。采用這種結(jié)構(gòu)的前提是裝置的功率較小，馬達可選用低速大扭矩馬達，減速器的速比低(本裝置速比為5)、外形小，才能將二者做成一體。在大功率場合，通常采用高速馬達，多級行星齒輪減速器，馬達和減速器分別位于鏈輪的兩側(cè)，如圖7所示。馬達輸出軸通過空心鏈輪軸將動力傳至減速器，減速器輸出軸再驅(qū)動鏈輪軸。這種結(jié)構(gòu)的傳動環(huán)節(jié)多、結(jié)構(gòu)復雜，制造安裝精度高。本設(shè)備針對淺層稠油而設(shè)計，因油層淺，注入頭載荷輕，屬于小功率場合，所以選擇了一體化馬達減速機和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)型式，從而降低了制造難度和成本。

1—從動鏈輪；2—外機架；3—主動鏈輪；4—夾持塊；5—滾子鏈；6—聯(lián)軸器；7—馬達減速機；8—夾緊板；9—夾緊油缸；10—鏈條張緊油缸；11—從動輪軸承盒；12—輪輻式測力計。

1—行星齒輪減速箱；2—花鍵；3—驅(qū)動鏈輪軸；4—主軸；5—液力剎車；6—液壓馬達；7—O形密封圈；8—承托架；9—箱體；10—環(huán)形支座；11—圓柱滾子軸承；12—密封油封。

2.6 液控系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，其4個控制模塊既相互獨立，又相互關(guān)聯(lián)。其工作原理是由電動機帶動2個油泵，提供動力油給泵源控制模塊。通過泵源控制模塊分壓后，分別給注入頭速度方向控制模塊、電纜卷筒速度方向控制模塊、注入頭夾緊張緊控制模塊及輔助裝置控制模塊提供動力源，再由操作者通過在控制臺上的調(diào)速閥、減壓閥、換向閥等，遠距離控制驅(qū)動電纜卷筒馬達、排管器馬達、注入頭馬達、注入頭夾緊張緊機構(gòu)及其它輔助機構(gòu)等。同時可觀察各種壓力參數(shù)。

因本裝置主機的功率較小，所以液壓系統(tǒng)采用了開式系統(tǒng)，采用節(jié)流方式調(diào)速。節(jié)流調(diào)速回路具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低、使用維護方便等優(yōu)點。盡管由于節(jié)流易引起油液發(fā)熱問題，但因大幅節(jié)流工況很少使用，且設(shè)置有強制冷卻裝置，所以油液發(fā)熱問題并不突出。經(jīng)多次高溫環(huán)境下的現(xiàn)場試驗，液壓系統(tǒng)油溫不超過60℃，低于液壓系統(tǒng)溫度上限。事實證明，在小功率場合，采用簡單、可靠、經(jīng)濟的節(jié)流調(diào)速方法完全能滿足使用要求。

圖8 液壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 試驗應(yīng)用情況

2015-11，一體化火驅(qū)點火裝置在風城油田重力火驅(qū)005井組進行了正式點火作業(yè)。2015-11-15，油井經(jīng)蒸汽熱洗、氮氣驅(qū)替后，將電點火器帶壓下入到油井預定深度，并注氣、通電、點火。2015-12-15，停止點火，順利將點火器帶壓提出井口，完成了一次完整的點火作業(yè)。點火作業(yè)參數(shù)如圖9所示。根據(jù)觀察井及生產(chǎn)井的反饋信息，充分證明已成功將地層原油點燃。作業(yè)過程中，點火器帶壓提下順暢，達到重復使用點火器和電纜目標；現(xiàn)場立井架、對井口及提下點火器等操作實現(xiàn)機械化和自動化，單次作業(yè)時間不超過12 h；點火器的點火功率隨注氣量的變化而自動調(diào)控，加熱性能穩(wěn)定，測溫及調(diào)控正常；整套裝置各項技術(shù)性能指標均達到設(shè)計要求。

圖9 風城油田FH005井點火作業(yè)參數(shù)動態(tài)曲線

4 結(jié)論

1) 自主研發(fā)的車載一體化火驅(qū)點火裝置能夠滿足新疆油田淺層稠油火驅(qū)采油工業(yè)化高效開發(fā)的要求，解決了以往工藝存在在諸多問題。

2) 以點火電纜和點火器分體設(shè)計為前提的設(shè)備整體方案及相應(yīng)的工藝方法，實現(xiàn)了點火作業(yè)過程的全程帶壓，使得點火器及點火電纜可重復利用，從而大幅降低了火驅(qū)點火的單井作業(yè)成本。

3) 以金屬鎧裝復合連續(xù)管電纜、礦物絕緣電點火器、可調(diào)式卡瓦連接器、液控鏈式電纜注入裝置等關(guān)鍵部件的研發(fā)為基礎(chǔ)的一體化點火裝置，為火驅(qū)點火提供了一種安全、高效的點火工具，是實現(xiàn)火驅(qū)采油技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的前提，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 劉利，張福興，楊顯志，等.火驅(qū)移動式電點火技術(shù)研究[J].特種油氣藏，2014，21(6)：130-132.

[2] 余杰，潘竟軍，蔡罡，等.電點火工藝技術(shù)在新疆紅淺火驅(qū)的應(yīng)用研究[J].石油機械，2011，39( 7)：19-21.

[3] 寧奎，張弘韜，王富國，等.火驅(qū)采油電點火技術(shù)的研究與應(yīng)用[C]//2013油氣田監(jiān)測與管理聯(lián)合大會.西安：2013.

[4] 伍甫生，曹和平，馬衛(wèi)國，等.小直徑連續(xù)管作業(yè)設(shè)備電液集成控制系統(tǒng)優(yōu)化[C]//2006年石油裝備學術(shù)研討會，2006.

[5] 瞿丹.CTR80復合連續(xù)管鉆機注入頭設(shè)計與分析[D].成都：西南石油大學，2012.

Development and Application of Vehicle-mounted Integrated Device for Fire Flooding Ignition

WANG Haitao，ZHOU Hanpeng，CAO Yuan，DAN Yongjun，GAO Liang

(Engineering & Technology Company，Xinjiang Oilfield Company，Karamay 834000，China)

The key to the success of heavy oil fire-flooding is reservoir ignition.In order to realize the economical，efficient and safe industrial ignition requirements，a vehicle-mounted integrated device for fire flooding ignition is developed.The device can carry the electric heater up and down in snubbing service and control the operation process of igniting conveniently，quickly and safely.The field text proved the feasibility and reliability of the new technology and equipment.

fire flooding；electric heat ignition；heavy oil；coiled tubing；snubbing service

1001-3482(2016)12-0074-05

2016-07-15

中國石油天然氣股份有限公司重點先導試驗項目“新疆油田紅淺火驅(qū)先導試驗研究”( 2008ZX05012-003)

王海濤 (1984-)，男，黑龍江大慶人，工程師，現(xiàn)從事石油機械設(shè)備研究工作。

TE934.5

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.020