车载一体化火驱点火装置研制与应用

王海涛，周汉鹏，曹 元，但永军，高 亮

(新疆油田公司 工程技术公司，新疆 克拉玛依 834000)①

车载一体化火驱点火装置研制与应用

王海涛，周汉鹏，曹 元，但永军，高 亮

(新疆油田公司 工程技术公司，新疆 克拉玛依 834000)①

稠油火驱开发成功的关键是油层点火。为了实现经济、高效、安全的工业化点火要求，研制了车载一体化火驱点火装置。应用该装置可方便、快捷、安全地进行电热点火器的带压提下作业及点火作业过程的控制。经现场试验，证明了新工艺及装备的可行性与可靠性。

火驱采油；电热点火；稠油；连续油管；带压作业

火驱采油技术既节能环保、又可大幅度提高采收率，越来越受到重视，已成为转变稠油开发方式的一项重要技术。十二五期间“火烧油层开发技术先导试验”就是国家级重大科技攻关示范项目，以后仍将是稠油开采的核心开发技术。新疆油田经过前期的先导试验攻克了火驱采油的诸多技术难题，现已进入工业化开发阶段。为确保工业化经济高效开发，对部分核心技术进行了进一步的攻关和研究，车载一体化火驱点火装置的研制是多个研究项目中的关键项目之一。先导试验期间因为没有专业的点火装备，采用普通油管挂载电点火器并同步将电缆捆绑在油管外壁的方法进行点火设施的入井作业，这种工艺方法点燃油层后点火器及电缆无法从井筒内提出，不能重复使用，且现场捆绑电缆作业工艺复杂、作业时间长，导致点火作业成本高、效率低等问题。针对上述问题，研制了车载一体化油田火驱点火装置及相适应的作业工艺。经现场试验，证明了新工艺及装备的可行性与可靠性，有效解决了以往工艺成本高、工艺复杂等缺点，降低了火驱生产运行成本，满足火驱工艺工业化应用经济、高效的要求。

1 工作原理

整套装置主要包括运载底盘车、电缆滚筒、连续管电缆、电缆注入头、防喷装置、电热点火器及点火控制系统等几个部分，如图1所示。除点火控制系统外，其余构件全部组装在底盘车上，由底盘车搬迁运移。注入头和鹅颈架铰接在井架顶部，由液压油缸调整其与井架的相对位置，以快速完成运输及作业的工位转换。连续管电缆缠绕在滚筒上，其固定端通过电缆滑环与点火控制柜相连，其自由端穿过电缆注入头及防喷盒进入防喷管，通过专用工具——可调式卡瓦连接器与电点火器相连。非工作状态时，井架放 倒，注入头平躺在井架里(图1虚线所示)，连好电缆的点火器预置在防喷管里，整个防喷装置固定在井架里。工作时，车辆开到井口合适位置，调整好车辆与井口的距离，升起井架到设定角度；注入头在液压油缸的推动下外摆至竖直状态，防喷装置悬挂在电缆末端，位于井口正上方；启动注入头，驱动电缆，电缆带动防喷装置上下移动，使其坐在井口上，连接井口与防喷装置；打开井口主控阀，控制注入头将电缆及点火器下到井中预定深度。启动地面注气系统，通过井口向井中油管与电缆形成的环形空间注入压缩空气，启动点火控制系统给点火器通电，点火器在油管内对注入空气进行加热，加热后的空气进入油层，高温空气与油层原油发生反应，并燃烧。根据温度监测结果调整注气量和点火器功率，使空气流量和温度满足点火工艺要求。待点火完成后，控制注入头将点火器提至防喷管里，关闭井口主控阀，拆卸防喷管，收井架至水平状态，结束作业。整个过程完全是带压作业，点火设施也可多次重复利用；现场作业不需要其它辅助作业设备，辅助作业量少、时间短，作业工艺简单可靠，满足经济、高效的工业化应用要求。

1—底盘车；2—电缆滚筒；3—排管器；4—连续管电缆；5—鹅颈架；6—鹅颈翻转油缸；7—注入头挂轴；8—井架；9—电缆注入头；10—注入头水平油缸；11—井架举升油缸；12—防喷装置；13—点火井口；14—液压站；15—操控台。

2 主要零部件

2.1 连续管电缆

连续管电缆是一种金属铠装的复合电缆，其截面形状如图2。主要由不锈钢外铠、耐高温绝缘橡胶、动力电缆线、信号线及化纤填充物等组成。这种电缆综合了连续油管和电缆的功能，故称之为连续管电缆，应用特殊焊接技术及整体拉拔工艺制作而成。电缆的外铠为不锈钢材料，其物理性能接近CT80连续油管的性能，故可将电缆当连续油管使用；电缆外铠的另一个重要功能是保护其内部的电缆和绝缘材料。绝缘橡胶和化纤填充物都是用来保证各相动力线之间及动力线与外铠之间的绝缘性能的。动力电缆给点火器供电，信号线用来传输温度信号，二者集成一根电缆，为了解决强弱电混输相互干扰问题，信号线外面设计有屏蔽层。金属铠装复合连续管电缆兼具连续油管和电缆功能，实现并简化了带压提、下点火器作业工艺；将动力线和信号线复合成一根电缆，简化了井口和井下管柱结构。

1—不锈钢外铠；2—耐高温橡胶；3—动力电缆；4—填充物；5—信号线。

2.2 电热点火器

电热点火器是电点火技术的核心工具，结构如图3所示，主要由发热电缆、不锈钢保护套、测温热电偶、电缆连接器、螺纹接头等组成。发热电缆主要由铜护套、导电线芯和矿物绝缘(MI)材料构成，采用整体拉拔工艺制作而成，作为点火器发热体，具有功率密度大、工作温度高等特点，是电点火器的核心元件。在不锈钢保护套上设计有蜂窝眼透气孔，便于保护套内外空气的对流。保护套内上、下两端(俗称冷、热端)设置有测温热电偶，以监测空气加热前后的温度。螺纹接头可实现点火器与卡瓦连接器的连接，接头内孔注有绝缘胶，凝固后的胶体可使接头体成为实心元件，从而保证点火器与卡瓦连接器形成密闭的接线空间。

1—星接尾端；2—不锈钢保护套；3—测温热电偶；4—绝缘胶；5—电源引线；6—热电偶引线；7—螺纹接头；8—引线封杯；9—MI冷电缆；10—冷热电缆接头；11—芯棒；12—MI发热电缆；13—导向头。

2.3 可调式卡瓦连接器

可调式卡瓦连接器是连接电缆与点火器的专用工具，其结构如图4。主要包括上接头、卡瓦座、卡瓦、中接头、下接头、密封圈、O形圈等。具有如下功能：①能实现连续管电缆与点火器的物理连接；②能将电缆与点火器的接线空间密封起来；③便于电缆与点火器的接线操作；④是便于安装与拆卸。可调式卡瓦连接器中接头以上部分的功能是实现电缆与连接器的物理连接，下接头的功能是实现点火器与连接器的物理连接；下接头与电缆、点火器形成密闭空间，保证电缆与点火器的接线空间不会浸入油水等污物。所有零件的内径均大于电缆外径，这样在压紧卡瓦之前，整个部件可在电缆上自由滑动，便于接线操作，因此称其为可调式卡瓦连接器。接线及安装过程如下：将所有零件按图示顺序依次套在电缆末端，并露出电缆；计算好电缆与点火器的距离，连接电缆与点火器的所有动力线及信号线并做好绝缘；先连接下接头与点火器、压紧密封圈，再用上接头和中接头压紧卡瓦，使卡瓦抱死电缆；再拧紧所有防松螺母。这样就完成了电缆与点火器的连接、接线与密封。

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

2.4 防喷装置

防喷装置是实现带压提、下点火器的关键部件，其结构如图5所示，主要包括顶部的防喷盒、底部的连接法兰及中间的防喷管和球形由壬。整套装置通过底部法兰安装在井口上，顶部为自由端。安装时先将防喷盒与防喷管拆开，连续管电缆自由端从防喷盒顶部穿入，用卡瓦连接器连接电缆与点火器，再装好防喷管。行车时，整套装置固定在井架里，作业时将井架升起至外倾，防喷装置在自重的作用下悬吊在井口上方，因卡瓦连接器的外径比防喷盒的通径大，所以装置不会坠落。球形由壬允许其两个由壬头有8°的夹角，设置该由壬的目的是在注入头中心与井口没有完全对中的情况下，通过由壬头两端的防喷管形成夹角进行微调，以减小现场对中井口的难度。防喷盒上还设置有注脂机构，通过该机构可向电缆与密封盘根之间注入润滑密封脂，形成密封脂膜，既润滑了电缆又增强了密封的可靠性。

图5 防喷装置

2.5 电缆注入头

电缆注入头是本设备的核心部件，如图6所示。该电缆注入头采用了目前连续管作业机普遍采用的链式结构，所谓链式结构是指将油管夹持机构通过链条销轴安装在链条上，夹紧机构夹紧两排链条从而夹紧油管，链轮驱动链条上下运动，链条带动油管上下运动。

在深入分析国外链式注入头的结构原理之后，根据本装置的总体方案特点和要求设计了结构独特的注入头(如图6)，注入头主要包括内外机架、链传动机构、链条夹紧及张紧机构、油管夹持机构、马达减速机及载荷检测机构等部件。其动力传动路径为：马达减速机→联轴器→链轮轴→链轮。这种传动方式的特点是马达和减速器做成了一体，传动结构简洁，制造难度不大。采用这种结构的前提是装置的功率较小，马达可选用低速大扭矩马达，减速器的速比低(本装置速比为5)、外形小，才能将二者做成一体。在大功率场合，通常采用高速马达，多级行星齿轮减速器，马达和减速器分别位于链轮的两侧，如图7所示。马达输出轴通过空心链轮轴将动力传至减速器，减速器输出轴再驱动链轮轴。这种结构的传动环节多、结构复杂，制造安装精度高。本设备针对浅层稠油而设计，因油层浅，注入头载荷轻，属于小功率场合，所以选择了一体化马达减速机和相应的结构型式，从而降低了制造难度和成本。

1—从动链轮；2—外机架；3—主动链轮；4—夹持块；5—滚子链；6—联轴器；7—马达减速机；8—夹紧板；9—夹紧油缸；10—链条张紧油缸；11—从动轮轴承盒；12—轮辐式测力计。

1—行星齿轮减速箱；2—花键；3—驱动链轮轴；4—主轴；5—液力刹车；6—液压马达；7—O形密封圈；8—承托架；9—箱体；10—环形支座；11—圆柱滚子轴承；12—密封油封。

2.6 液控系统

液压控制系统结构如图8所示，其4个控制模块既相互独立，又相互关联。其工作原理是由电动机带动2个油泵，提供动力油给泵源控制模块。通过泵源控制模块分压后，分别给注入头速度方向控制模块、电缆卷筒速度方向控制模块、注入头夹紧张紧控制模块及辅助装置控制模块提供动力源，再由操作者通过在控制台上的调速阀、减压阀、换向阀等，远距离控制驱动电缆卷筒马达、排管器马达、注入头马达、注入头夹紧张紧机构及其它辅助机构等。同时可观察各种压力参数。

因本装置主机的功率较小，所以液压系统采用了开式系统，采用节流方式调速。节流调速回路具有结构简单、工作可靠、成本低、使用维护方便等优点。尽管由于节流易引起油液发热问题，但因大幅节流工况很少使用，且设置有强制冷却装置，所以油液发热问题并不突出。经多次高温环境下的现场试验，液压系统油温不超过60℃，低于液压系统温度上限。事实证明，在小功率场合，采用简单、可靠、经济的节流调速方法完全能满足使用要求。

图8 液压控制系统结构

3 试验应用情况

2015-11，一体化火驱点火装置在风城油田重力火驱005井组进行了正式点火作业。2015-11-15，油井经蒸汽热洗、氮气驱替后，将电点火器带压下入到油井预定深度，并注气、通电、点火。2015-12-15，停止点火，顺利将点火器带压提出井口，完成了一次完整的点火作业。点火作业参数如图9所示。根据观察井及生产井的反馈信息，充分证明已成功将地层原油点燃。作业过程中，点火器带压提下顺畅，达到重复使用点火器和电缆目标；现场立井架、对井口及提下点火器等操作实现机械化和自动化，单次作业时间不超过12 h；点火器的点火功率随注气量的变化而自动调控，加热性能稳定，测温及调控正常；整套装置各项技术性能指标均达到设计要求。

图9 风城油田FH005井点火作业参数动态曲线

4 结论

1) 自主研发的车载一体化火驱点火装置能够满足新疆油田浅层稠油火驱采油工业化高效开发的要求，解决了以往工艺存在在诸多问题。

2) 以点火电缆和点火器分体设计为前提的设备整体方案及相应的工艺方法，实现了点火作业过程的全程带压，使得点火器及点火电缆可重复利用，从而大幅降低了火驱点火的单井作业成本。

3) 以金属铠装复合连续管电缆、矿物绝缘电点火器、可调式卡瓦连接器、液控链式电缆注入装置等关键部件的研发为基础的一体化点火装置，为火驱点火提供了一种安全、高效的点火工具，是实现火驱采油技术工业化应用的前提，具有广阔的应用前景。

[1] 刘利，张福兴，杨显志，等.火驱移动式电点火技术研究[J].特种油气藏，2014，21(6)：130-132.

[2] 余杰，潘竟军，蔡罡，等.电点火工艺技术在新疆红浅火驱的应用研究[J].石油机械，2011，39( 7)：19-21.

[3] 宁奎，张弘韬，王富国，等.火驱采油电点火技术的研究与应用[C]//2013油气田监测与管理联合大会.西安：2013.

[4] 伍甫生，曹和平，马卫国，等.小直径连续管作业设备电液集成控制系统优化[C]//2006年石油装备学术研讨会，2006.

[5] 瞿丹.CTR80复合连续管钻机注入头设计与分析[D].成都：西南石油大学，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

中国石油天然气股份有限公司重点先导试验项目“新疆油田红浅火驱先导试验研究”( 2008ZX05012-003)

王海涛 (1984-)，男，黑龙江大庆人，工程师，现从事石油机械设备研究工作。

TE934.5

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.020