一種新型無(wú)桿泵投撈式電纜研制與應(yīng)用

謝建勇，石 彥，陳新志，王惠清，魯林懋，胡有峰

(中國(guó)石油新疆油田分公司 準(zhǔn)東采油廠，新疆 阜康 831511)

隨著水平井、定向井的數(shù)量不斷增加，有桿采油系統(tǒng)管桿偏磨問(wèn)題日益嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)外致力于發(fā)展電潛離心泵、電潛螺桿泵等一系列無(wú)桿泵技術(shù)[1]。

無(wú)桿采油技術(shù)主要由井下電機(jī)、抽油泵(包括往復(fù)泵、螺桿泵、離心泵等)、地面供電控制系統(tǒng)3部分組成，通過(guò)潛油電纜將地面電源輸送給井下電機(jī)，帶動(dòng)泵工作。大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，無(wú)桿舉升技術(shù)有效提高了系統(tǒng)效率，降低了能耗，從根本上解決了管桿偏磨問(wèn)題，適應(yīng)性更加廣泛，現(xiàn)場(chǎng)管理方便, 運(yùn)行費(fèi)用低，降低了安全和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)[2-11]。但無(wú)桿泵舉升技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在動(dòng)力電纜易損壞的缺點(diǎn)。無(wú)桿采油設(shè)備入井前，需要先將電纜與井下電機(jī)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(guò)程中，不可避免地會(huì)與套管發(fā)生碰撞摩擦，造成電纜損傷和故障，增加重復(fù)作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，再加上生產(chǎn)過(guò)程中油管的蠕動(dòng),進(jìn)一步加劇電纜的磨損,導(dǎo)致電纜易損壞。在修井過(guò)程中，提出的電纜損壞概率在50%以上，使得作業(yè)成本大幅升高[12-14]。即便采用各種改進(jìn)方法，例如增加卡子的使用數(shù)量和提高固定質(zhì)量，可實(shí)現(xiàn)油管扶正和電纜保護(hù)作用。但在減少電纜磨損概率的同時(shí)，增加了修井工序，導(dǎo)致施工時(shí)間延長(zhǎng)，效率降低[15]。

筆者依托中國(guó)石油天然氣股份有限公司重大科技項(xiàng)目，聯(lián)合攻關(guān)開(kāi)發(fā)了投撈式電纜，改變電纜的下入方式，即從油管中下入，實(shí)現(xiàn)井下對(duì)接，修井作業(yè)時(shí)先撈出電纜再提出其他管柱結(jié)構(gòu)，從而解決了電纜磕碰易損的問(wèn)題。

1 投撈式電纜技術(shù)及特點(diǎn)

1.1 下入方式

傳統(tǒng)潛油電泵電纜下入方式中,電纜處在油套環(huán)空中。按照準(zhǔn)東油田常用油套管結(jié)構(gòu)組合,油套環(huán)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(jī)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(guò)增大套管或者縮小油管的方法來(lái)增加環(huán)空間隙尺寸很有限。

表1 準(zhǔn)東油田油套管組合參數(shù) mm

典型的油套管結(jié)構(gòu)如圖1所示。常用油管內(nèi)徑62 mm(或76 mm)，相比油套環(huán)空電纜自由活動(dòng)空間很大，如果將動(dòng)力電纜從油管中下入、提出，會(huì)很大程度地避免電纜損壞的風(fēng)險(xiǎn)。其下入方式為：下泵作業(yè)時(shí)先將井下所有機(jī)具隨油管一起下入到指定位置，然后將動(dòng)力電纜從油管中下入；起泵作業(yè)時(shí)先將動(dòng)力電纜從油管中提出，然后再將井下機(jī)具隨油管提出。這樣既保護(hù)了電纜，同時(shí)大幅縮短了作業(yè)時(shí)間。

圖1 油套管結(jié)構(gòu)

1.2 結(jié)構(gòu)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(guò)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(jī)對(duì)接后，將動(dòng)力通過(guò)電纜從地面?zhèn)鬟f到井下潛油電機(jī)。電機(jī)位于電潛螺桿泵頂端，帶動(dòng)螺桿泵旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)舉升。井下舉升管柱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 投撈式電纜無(wú)桿泵舉升管柱

1.2.1 承重電纜

傳統(tǒng)的潛油電泵電纜綁縛在油管外壁上，其受力由油管分擔(dān)，因而電纜本身不具備承重能力[17]，抗拉伸能力較弱?，F(xiàn)從油管下入，電纜要在井口懸掛承重，需對(duì)原來(lái)的電纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以提高承重和抗拉強(qiáng)度。

1) 電纜形狀由扁形改為圓形結(jié)構(gòu)，導(dǎo)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(shí)有利于減少機(jī)械傷害，適用于各種井身軌跡。

2) 導(dǎo)體采用潛油電泵電纜無(wú)氧實(shí)芯銅導(dǎo)體，絞合標(biāo)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(fù)合絕緣層，具有高彈性，可以提高電纜抗拉性能。

4) 護(hù)套層采用丁晴復(fù)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(qiáng)度特種鋼絲鎧裝，提高抗拉力，同時(shí)具有機(jī)械防護(hù)功能，有效避免磕碰損傷。

改進(jìn)后的特殊非標(biāo)鋼絲鎧裝承重電纜，由三芯實(shí)芯銅導(dǎo)體、F46復(fù)合絕緣護(hù)套、內(nèi)外特種鋼絲鎧裝、丁晴復(fù)合物護(hù)套組成，承重能力大幅提升。整體拉斷力可以達(dá)到150 kN以上。20 ℃時(shí)導(dǎo)體直流電阻降為1.83 Ω/km，運(yùn)行時(shí)可降低電損耗，有利于電機(jī)的啟動(dòng)。電纜改進(jìn)前后性能對(duì)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(nèi)外2個(gè)腔室，外腔室為過(guò)油通道，可以隔絕井液，防止泥沙等異物進(jìn)入到內(nèi)腔室；內(nèi)腔室為密封腔，采用重油高壓密封，腔體內(nèi)的密封油能自動(dòng)補(bǔ)充，避免井液侵入造成無(wú)法絕緣的問(wèn)題。插座三相導(dǎo)體通過(guò)引接電纜與潛油驅(qū)動(dòng)機(jī)組連接在一起，和油管一同先下入到設(shè)計(jì)位置。插頭和承重電纜連接，設(shè)計(jì)有導(dǎo)向器和定位軌道，從油管內(nèi)部緩慢投入，插座上設(shè)有導(dǎo)向鍵，通過(guò)適當(dāng)配重加壓，插頭與插座在井下通過(guò)筆尖導(dǎo)向在內(nèi)腔室完成對(duì)接、密封和鎖位。特殊的內(nèi)外雙層保護(hù)裝置保證了對(duì)接后的有效密封和可靠絕緣。

表2 電纜改進(jìn)前后性能對(duì)比

圖3 插接頭示意

通過(guò)對(duì)插接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次改進(jìn)，不斷提高耐電壓等級(jí)和耐壓強(qiáng)度, 目前達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如表3。插接頭密封穩(wěn)定，既能實(shí)現(xiàn)成功對(duì)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(fā)。腹痛是其典型的臨床癥狀，而單純性闌尾炎則表現(xiàn)為持續(xù)性或陣發(fā)性的鈍痛或脹痛，甚至波及雙側(cè)下腹部或中下腹，給患者的生活造成嚴(yán)重影響[7-9]。祖國(guó)醫(yī)學(xué)認(rèn)為闌尾炎多因飲食不節(jié)、寒溫不適、憂思抑郁等因素所導(dǎo)致的腸道功能紊亂，同時(shí)伴隨氣血不和、傳化不利等癥狀。臨床主張行手術(shù)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(dá)到活血化瘀、清熱解毒的功效，并可增加其機(jī)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(shí)現(xiàn)安全懸掛。采用專門的穿越電纜轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，施工更加方便。電纜井口懸掛密封結(jié)構(gòu)如圖4。

表3 插接頭性能指標(biāo)

圖4 電纜井口懸掛密封結(jié)構(gòu)示意

1.3 配套

投撈式電纜可以替代現(xiàn)有的潛油電泵電纜，用于無(wú)桿泵的動(dòng)力傳輸，與潛油螺桿泵、潛油往復(fù)泵等多種井下泵組合。在實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸?shù)耐瑫r(shí)，采用動(dòng)力載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，通過(guò)井下安裝永置式壓力計(jì)、溫度計(jì)等，可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的監(jiān)測(cè)，節(jié)省了生產(chǎn)中的測(cè)試費(fèi)用。地面實(shí)時(shí)讀取井下壓力監(jiān)測(cè)資料，可以準(zhǔn)確掌握油井動(dòng)液面，避免井下螺桿泵因供液不足導(dǎo)致燒泵。根據(jù)壓力變化調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，精確控制泵的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無(wú)桿泵井下閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)智能化管理。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截止2020-07，新疆油田準(zhǔn)東采油廠在37口井上開(kāi)展了無(wú)桿泵(電潛螺桿泵)投撈電纜舉升試驗(yàn),試驗(yàn)井為頁(yè)巖油生產(chǎn)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(guī)格，最大下泵深度2 500 m，排量1～50 m3/d，稠油試驗(yàn)井最高黏度為50 ℃地面原油黏度13 000 mPa·s。根據(jù)不同的產(chǎn)液量確定電潛螺桿泵泵型。目前油井均生產(chǎn)正常，累計(jì)投撈對(duì)接56次，電纜投撈對(duì)接成功率達(dá)到100%，單井試驗(yàn)對(duì)接次數(shù)最高達(dá)到9次無(wú)損壞，在反復(fù)對(duì)接的情況下，重復(fù)使用的電纜密封絕緣依然可靠。管柱結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 投撈式電纜試驗(yàn)管柱示意

2.1 JD9146井試驗(yàn)

2017-07-05，投撈式電纜首次在JD9146井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該井選用電潛螺桿泵為GLB40-42型，設(shè)計(jì)排量3～15 m3/d，泵掛深度1 386 m，電機(jī)功率15 kW。管柱結(jié)構(gòu)自下而上的順序?yàn)椋悍稣?潛油螺桿泵+潛油電機(jī)+電纜插座+油管至井口。入井前所有油管內(nèi)須沖洗干凈無(wú)任何雜物，以免影響電纜的插接。下放電纜前先在地面對(duì)電纜進(jìn)行外觀檢查和絕緣阻值測(cè)試，確保正常后用導(dǎo)向滑輪懸掛固定，與井口中心垂直?？刂葡路潘俣炔怀^(guò)3 m/min，防止電纜插接部分彎曲變形，下到預(yù)定位置后測(cè)試電纜絕緣阻值，確定插接成功后進(jìn)行井口密封，連接控制柜，按操作規(guī)程起抽。

該井試驗(yàn)期間始終保持正常生產(chǎn)，截至2020-07，免修期已達(dá)到了1 100 d以上，目前轉(zhuǎn)速100 r/min，日產(chǎn)液量8.4 m3，平均泵效78.8%。

2.2 改進(jìn)與完善

針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，逐步改進(jìn)和完善了投撈式電纜。

2) 試驗(yàn)初期采用潛油電機(jī)位于螺桿泵頂端的結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是接引電纜距離短，減少電纜損壞風(fēng)險(xiǎn)，缺點(diǎn)是高速電機(jī)與螺桿泵之間通過(guò)減速器連接，減速器輸出軸是承扭薄弱點(diǎn)，是故障發(fā)生的集中點(diǎn)，因而重新優(yōu)化了管柱結(jié)構(gòu)，改用潛油直驅(qū)永磁同步電機(jī)[18]，取消減速器，系統(tǒng)整體承扭能力由330 N·m提高到710 N·m，電機(jī)位于螺桿泵下部，通過(guò)小扁電纜跨接方式實(shí)現(xiàn)電纜投撈，使用常規(guī)螺桿泵結(jié)構(gòu)，應(yīng)用范圍更加廣泛、效果更好。

2.3 效益評(píng)價(jià)

投撈式電纜實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力電纜在油管中獨(dú)立提下作業(yè)，解決了常規(guī)潛油電泵電纜在油套環(huán)空內(nèi)易磕碰損壞的問(wèn)題，與綁縛在油管外壁的下入方式對(duì)比，節(jié)約了大量電纜保護(hù)器輔料，取消了作業(yè)時(shí)安裝拆裝電纜卡子的工作，大幅縮減作業(yè)時(shí)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(fèi)用約12萬(wàn)元，可減少使用電纜卡子150 個(gè)，單井節(jié)約材料費(fèi)用￥5.0萬(wàn)元左右，縮短修井時(shí)間約15 h。外敷電纜由于損壞率高難以重復(fù)利用，5次修井作業(yè)中至少需更換電纜2～3次，而投撈電纜可以反復(fù)使用，大幅降低了后期檢泵作業(yè)的電纜成本。

3 結(jié)論

1) 研制了一種新型的可投撈電纜，改變了常規(guī)動(dòng)力電纜的下入方式，實(shí)現(xiàn)了電纜在油管中獨(dú)立提下作業(yè)，有效解決了電纜入井磕碰損壞問(wèn)題，大幅縮減了作業(yè)時(shí)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(wú)桿泵設(shè)備提供動(dòng)力，插接頭實(shí)現(xiàn)了井下對(duì)接，靈活插拔，可多次重復(fù)使用，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)已重復(fù)對(duì)接9次，無(wú)損壞。

3) 現(xiàn)場(chǎng)使用投撈式電纜與潛油螺桿泵組合，成功應(yīng)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(kāi)發(fā)，解決了抽油機(jī)舉升存在的問(wèn)題。