Y管柱潜油电泵机组引接电缆保护器改进

杜丹阳，马绪鹏，王凤桐，李令喜，甄东芳

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)

Y管柱潜油电泵机组引接电缆保护器改进

杜丹阳，马绪鹏，王凤桐，李令喜，甄东芳

(中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452)

现有Y管柱引接电缆保护器在油田作业时存在引接电缆无法安装的问题，且一种型号的引接电缆保护器只能对应固定的机组缩颈尺寸及引接电缆，导致其种类繁多，作业准备时间较长。通过对潜油电泵机组各部分连接角度组合的分析，优化结构，将原有电缆槽的宽度增加至53mm，使得引接电缆有15°的旋转空间，确保引接电缆的正确安装；将原有引接电缆保护器的铰接结构改为销轴-圆弧滑道结构，使3种型号的引接电缆保护器涵盖机组缩颈为56～90mm；通过在电缆槽增加可调节装置，使新型引接电缆保护器实现了对AWG4#、AWG5#、AWG6#引接电缆的通用性。新型引接电缆保护器已在海上油田成功应用300多井次，取得良好效果。

潜油电泵机组；引接电缆保护器；可调式；Y型管柱

我国海上油田85%的机采井采用潜油电泵[1]，其电力传输主要是通过平台电网、地面电气控制设备，经潜油动力电缆及潜油电机引接电缆传输至潜油电机完成的[2]。由于潜油引接电缆在井下几百米甚至3000～4000 m处工作，因此需要使用电缆保护器将其固定在油管或电泵机组上，避免起下井过程中与套管壁发生剐蹭，造成引接电缆损伤。随着油田Y管柱生产井增多，引接电缆保护器在满足最大投影尺寸小于生产套管有限作业空间及结构强度两方面需求下，又要实现对引接电缆有效紧固的作业需求。现有Y管柱引接电缆保护器由于设计中存在缺陷，油田作业过程中多次出现引接电缆无法进入保护器电缆槽，导致下井过程中引接电缆挤伤、小扁头开裂等现象，进而导致引接电缆电气绝缘性能降低甚至电泵机组故障，给油田生产带来巨大损失[3-4]；同时，现有的引接电缆保护器一种型号只能对应一种机组缩颈尺寸及引接电缆尺寸，导致现有保护器型号多达30多种，增加了出海作业准备时间及库存压力。

1 现有Y管柱安装引接电缆保护器问题及分析

1.1 引接电缆保护器电缆槽与引接电缆无法有效配合

Y型管柱电泵机组连接过程中，先将泵出口接头与上端油管短节螺纹连接，然后将电机、保护器、分离器、离心泵依次法兰连接，最后将泵出口接头与离心泵通过法兰连接，如图1所示。

图1 Y型管柱电泵机组示意

由于电泵机组各部分法兰连接螺栓数量不一致(如表1)，连接完成后，电机头部引接电缆安装位置将会与电机及旁通油管中心连线形成一个角度A，而引接电缆保护器中引接电缆槽的中心线与电机及旁通油管中心连线为固定角度B，当∠A与∠B差距超过3°时，引接电缆将无法进入保护器电缆槽中(只针对电机-保护器)，如图2所示。

图2 引接电缆安装示意

针对这种情况，通常会依次旋转泵以下机组、保护器以下机组一定角度，最终使得电机旋转一定角度，使得引接电缆与保护器电缆槽配合。以目前常用的国产114系列和138系列电泵机组为例，通过调节机组各部分连接法兰位置，机组径向可调节最小角度分别为15°和25.7°，而影响角A与角B差值的最大角度为其一半，即约为7.5°和13°。机组各部分通过调整法兰连接位置而改变的径向角度分析如表1。

以机组配置规格I为例，当∠A-∠B的差值为17°时，首先顺时针(从井口往下看)旋转保护器及电机60°(即顺延保护器上接头一个螺栓孔)，然后逆时针(从井口往下看)旋转泵及泵以下机组45°(即顺延泵出口接头一个螺栓孔)，此时∠A-∠B=2°，引接电缆可以与保护器的电缆槽配合。当∠A-∠B的差值为21°时，按照此种方式调节后，∠A-∠B的差值为6°，引接电缆仍无法与保护器的电缆槽配合。如果借助外力，强行将引接电缆安入引接电缆保护器电缆槽中，将会导致引接电缆与电极头连接位置密封失效或是引接电缆头开裂，导致机组绝缘失效，造成机组故障[5-7]。

表1 114及138系列电泵机组各部分法兰连接对应关系

表1(续)

1.2 机组缩颈尺寸问题

由于电泵机组系列、厂家等原因，同一系列机组缩颈外径尺寸存在差异，如表2所示。例如，540系列潜油泵，国内某厂家潜油泵缩颈尺寸为89.7 mm，而国外某厂家潜油泵缩颈则为82.8 mm。现有引接电缆保护器，为将引接电缆紧固，针对每一种缩颈尺寸均设计一种引接电缆保护器，导致现有引接电缆保护器型号繁多，增加出海作业准备时间与难度，同时增加库存压力。

1.3 引接电缆外形尺寸问题

海上油田常用引接电缆型号为AWG4#、AWG5#、AWG6#，3种型号的引接电缆的外形尺寸如表3。由表3可以看出，3种型号引接电缆的宽度与厚度均存在差值，如AWG4#引接电缆，宽度最大差值为7.12 mm，厚度最大差值为2.4 mm。现有的引接电缆保护器，一种型号只能适用一种外形尺寸的引接电缆，增加了引接电缆保护器的种类。

表2 不同系列机组缩颈外径尺寸

表3 潜油电泵机组用引接电缆尺寸

2 引接电缆保护器设计优化

2.1 整体结构

Y管柱用引接电缆保护器主要由上卡环、下卡环、圆柱销、紧固螺栓等构成。KT90型号引接电缆保护器结构如图3。上、下卡环通过圆柱销铰接连接，并由紧固螺栓紧固；二者形成的左侧环形空间与机组缩颈配合，右侧环形空间与旁通管配合，2个环形空间的中心距常用Y接头型号Y216设计为106.2 mm；上卡环开有引接电缆槽，同时为避免此处强度较低，上卡环外侧增加加强筋，提高其强度；上、下卡环对应位置开有11 mm×11 mm管线槽，底角进行圆弧过渡，可允许6.35 mm(1/4英寸)、9.525 mm(3/8英寸)及11 mm×11 mm 3种外形结构的管线通过。

a 整体结构

b 加强筋

c 三维图1

d 三维图2

2.2 针对AWG4#、AWG5#、AWG6#3种规格引接电缆通用化优化改进

针对引接电缆的通用性，新设计的引接电缆保护器需要解决2个问题：

1) 引接电缆保护器电缆槽要适用3种型号的引接电缆，并确保引接电缆于电缆槽中有至少12.5°的活动空间，确保引接电缆能顺利进入电缆槽。

2) AWG4#、AWG5#、AWG6#3种型号的引接电缆由于厚度存在较大差异，新设计的引接电缆保护器要确保引接电缆的紧固，避免引接电缆出现松动。

2.2.1 电缆槽结构设计

引接电缆安装过程中，为确保作业方便，图2中∠B应大于20°(角度再减小时引接电缆进入机组和油管间夹角内，不方便作业安装操作)；同时，为降低电缆与套管壁接触的风险，∠B应小于60°。

为确保引接电缆能顺利进入引接电缆保护器的电缆槽，引接电缆于电缆槽中应至少有12.5°的活动空间。AWG4#、AWG5#、AWG6#3种规格的引接电缆中，AWG4#引接电缆的外形尺寸最大(GB/T 16750—2008中要求最大尺寸不大于15 mm×37 mm)。新设计的引接电缆保护器的电缆槽应满足AWG4#引接电缆于电缆槽中至少有12.5°的活动空间。

新设计的引接电缆保护器的电缆槽如图4所示。将现有AWG4#引接电缆保护器电缆槽的宽度由37 mm增加到53 mm，同时确保AWG4#引接电缆于电缆槽中有15°的活动空间；且电缆槽底角进行圆弧过渡，以适应引接电缆在槽内的旋转。

图4 引接电缆保护器电缆槽优化示意

2.2.2 紧固结构设计

新设计的引接电缆保护器电缆槽所安装引接电缆的厚度最大为15 mm，即AWG4#引接电缆的最大厚度，如图5所示。

图5 电缆槽结构示意

当AWG5#与AWG6#引接电缆安装时，引接电缆将无法得到有效的紧固，针对此种问题，于电缆槽位置添加紧固装置，如图6所示。当安装AWG5#与AWG6#引接电缆时，通过旋进内六角螺钉，使得与内六角螺钉配合的圆形压板前移，将AWG5#与AWG6#引接电缆紧固，实现新型引接电缆保护器对3种型号引接电缆的通用性。

图6 电缆槽紧固装置

2.3 对不同型号机组缩颈尺寸通用性结构设计

与引接电缆保护器配合的电泵机组缩颈外径为57.2～90 mm。针对该情况，设计3种型号的引接电缆保护器来实现机组缩颈尺寸的通用性，如表4。

表4 三种型号引接电缆保护器使用机组缩颈范围

新设计的引接电缆保护器将原来的铰接结构改为销轴-圆弧滑道结构，上、下卡环通过销轴连接，通过销轴在圆弧滑道内的滑动来实现引接电缆保护器对不同尺寸机组缩颈的配合，同时通过拧紧紧固螺栓将上、下卡环最终固定。如图7所示。

图7 引接电缆保护器销轴-圆弧滑道示意

通过改进，新型引接电缆保护器可实现对不同系列机组及AWG4#、AWG5#、AWG6#3种规格引接电缆的通用性，整体结构如图8。

a 三维图

b 实物

3 现场应用

改进后的引接电缆保护器可实现对不同系列机组缩颈及AWG4#、AWG5#、AWG6#3种规格引接电缆的通用性，已在渤海油田应用300多井次，现场使用效果良好。如图9。

图9 现场安装照片

4 结论

1) 分析了现有Y管柱引接电缆保护器存在的问题。通过结构优化，新型引接电缆保护器实现了机组缩颈及引接电缆的通用性。

2) 通过对电泵作业过程及各种型号机组连接情况分析，造成引接电缆保护器无法安装的主要问题在于泵出口接头与其上油管短节螺纹连接引起的机组径向角度变化。经结构优化，将原有引接电缆保护器电缆槽宽度增加至53 mm，使得引接电缆于电缆槽中有15°的旋转空间，确保引接电缆的正确安装。

3) 将原有引接电缆保护器的铰接结构优化为销轴-圆弧滑道结构，使得3种型号引接电缆保护器适用机组缩颈56～90 mm，满足油田需求。

4) 通过拓宽引接电缆保护器电缆槽宽和增加调节装置，实现新型引接电缆保护器对AWG4#、AWG5#、AWG6#3种规格的引接电缆的通用性。

5) 使用新型引接电缆保护器，减少作业准备时间及库存压力，已成功在海上油田应用300余井次，取得良好效果。

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MLE Protector Improvement of Electric Submersible Pump for Y String

DU Danyang，MA Xupeng，WANG Fengtong，LI Lingxi，ZHEN Dongfang

(EnerTech-drilling & Production Co.，CNOOC，Tianjin 300452，China)

The existing MLE protectors for Y string have a problem that MLE sometimes can't be installed in oilfield operations，and each type of MLE protectors can be used for corresponding ESP neck and MLE，which will lead to a great variety and a long time preparing for operation.To make sure that the MLE can be installed rightly through analyzing connection angles of each part of ESP units and optimize its structure，the width of original cable tray will be increased to 53 mm，which makes MLE with 15° rotating space.Original hinged structure of MLE protector will be changed to pin roll- arc slide structure，and three types of MLE protectors can be suitable for 56～90 mm of unit neck.The generality of new MLE protectors for AWG4#，AWG5#，AWG6#can be realized through increasing the adjustable device in the cable tray.The new MLE protectors have been successfully applied for more than 300 wells in offshore oilfield with good performance.

ESP；MLE protector；adjustable；Y string

1001-3482(2017)04-0069-06

2017-01-19

杜丹阳(1981-)，男，吉林长春人，硕士，主要从事潜油电泵技术研究工作，E-mail：geonitz@163.com。

TE

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.017