测井用大管径连续油管电缆注入装置研制

2019-01-29，，，，

石油矿场机械 2019年1期

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(中石油江汉机械研究所有限公司，武汉 430023)

随着水平井技术的快速发展和日臻成熟，越来越多的水平井投入生产。水平井技术可以有效地提高油田勘探开发的综合效益，降低石油钻井的综合成本，提高采收率[1-2]。但是，其特殊井身结构给井下作业带来诸多难题，一些常规测井技术难以应用，迫切需要一种高效率、低成本的水平井测井作业工艺和装备。

连续油管无接箍、可弯曲、等外径，可以方便地进入水平段，并为水平井的测井作业提供有效的技术手段。连续油管测井技术是以连续油管为基础，内装传输电缆，将连续油管的刚度与电缆遥测技术有机地结合在一起的一种新型测井技术[3-5]。该技术完成了井下测井仪器水平井段中长距离输送，在短距离螺旋式扭曲管段中成功穿越；实现了整个井段的连续、快速电测。

目前，国内针对将电缆穿入连续油管方面的研究不少，主要集中在小管径连续油管中穿电缆。但是，在直径为66.68mm(2英寸)的大管径连续油管内穿电缆比较少，并缺乏有效的方法、可靠的设备和相关的工艺。管径越大，电缆在其内活动空间大，易缠绕；液体流量控制要求更精细。为此，研究了一种电缆穿入连续油管的方法，解决了大管径连续油管穿电缆的难题。

1 总体方案

1.1 工作原理

目前，主要有4种方式将电缆穿入连续油管[6]。

1) 在垂直井内悬挂连续油管，依靠电缆的自重将电缆穿入进去。

2) 将连续油管铺直放在地面上，电缆尾部连接一个牵引头，通过水泵将电缆泵入到连续油管内。

3) 在生产制造连续油管时，将电缆预埋至连续油管钢带中，再将钢带焊制成连续油管。

4) 当连续油管缠绕在滚筒上时，利用水动力牵引电缆，配合电缆注入装置将电缆穿入连续油管内。

其中，水动力牵引电缆(即电缆注入)是最有效的方法，设备占地面积小，使用灵活，适用于工厂、井场空地等小空间环境，避免倒换连续油管。笔者据此研制了水动力电缆注入装置，原理是利用电缆注入装置中的缠绕盘，将电缆从电缆滚筒中拉出。电缆注入装置端配有记录装置，用以记录电缆的移动长度和速度。电缆密封系统用于密封进入电缆转盘装置的电缆，保证电缆转盘装置内部为高压空间，便于泵入的液体能够带动电缆随流体移动。当流体速度足够大时，电缆在连续油管中可以上下升降波动，流体的粘性切向力可以拖动电缆，并推动其穿过连续油管。

1.2 主要参数

研制一套电缆注入装置，能实现内部高压动密封，并配有旋转的缠绕盘，缠绕电缆，同时提供足够的拉力来克服电缆密封头的密封阻力。其工作压力达到35 MPa，电缆缠绕速度>30 m/min，实现在66.68 mm(2英寸)大管径连续油管中，穿入8 mm铠装电缆，长度达3 500 m。

1.3 结构与性能特点

为保证电缆注入装置能够满足大管径连续油管穿电缆的使用要求，在吸收国内外同种类型产品的经验的基础上，解决了该产品使用过程中的缺点与不足，并形成了以下自有特点和关键技术：

1) 自主研发的电缆注入装置，采用液压马达直接驱动，易于拆卸和安装。动密封压力达到35 MPa以上，满足泵入压力要求。

2) 独特的转盘设计，可保证电缆整齐缠绕。转盘表面进行渗碳处理，可提供缠绕电缆足够的摩擦力，也可提高自身的耐磨性。

3) 电缆专用的记录装置，可准确记录电缆移动的速度与长度，两侧竖直的可调节的导向杆，可防止电缆在记数过程中随意跳动。

4) 自主研发的电缆密封系统，采用电缆挤压密封+注脂密封双层配合，实现电缆动态密封，确保电缆注入装置内为高压空间。

5) 液压动力控制装置可分别为电缆软管滚筒、电缆注入装置马达提供动力。其流量按比例分配，确保电缆注入装置拖动电缆软管滚筒转动，防止电缆打结或松散。

2 主要部件与特点

电缆注入装置主要由电缆转盘装置、电缆密封系统、电缆记录装置、液压动力控制装置、电缆缠绕滚筒组成。电缆转盘装置可缠绕电缆，缠绕力克服电缆密封的摩擦力，并组成独立的高压密封空间；电缆密封系统实现电缆进入电缆转盘装置内的动密封；电缆记录装置记录电缆移动速度与长度；液压动力控制装置提供整套注入系统的动力与控制；电缆滚筒用于收放电缆。

2.1 电缆转盘装置

电缆转盘装置为高压密封容器，可以承受泵入的液体压力。同时，其内部依靠马达的转动，带动转盘缠绕电缆，将电缆拉出电缆密封系统。电缆转盘装置如图1所示。

图1 电缆转盘装置

电缆从该装置上侧一个切向进口进入，通过转动圆盘，将电缆缠绕其上。转动圆盘外侧配有内侧带螺旋槽的圆柱筒，保证缠绕电缆的整齐，圆柱筒通过螺栓固定在外部壳体上，无需转动。液压马达驱动传动轴转动，从而带动转动圆盘转动。盖体与壳体之间采用密封圈密封。传动轴、衬套、盖体三者之间也配有密封圈，保证该装置内部能承受高压。电缆经过转动圆盘缠绕，克服电缆密封头的阻力。

2.2 电缆密封系统

电缆进入转盘装置，需要密封，确保泵的压力能推动电缆随流体运动。本方案中电缆密封系统采用注脂方式，通过气泵泵入高压高黏度的密封脂来实现动态密封。

如图2所示。密封头上有一注脂口和一回脂口，主体内装有多根阻流管，密封脂在阻流管内流动的摩阻平衡泵入液体的压力，形成液体之间的密封；另外，阻流管可根据泵入液体压力情况增减。回脂口上部有电缆密封胶筒，通过给液压接口供液，推动活塞向下运动，挤压胶筒，使胶筒变型抱紧电缆，起到动密封的作用。卸载压力时，弹簧推动活塞复位，胶筒松开电缆。

图2 电缆密封系统

另外，该装置上端留有溢流口，胶筒未密封时，回收密封油脂。下端有单向阀，确保注入的油脂与泵入的水之间单向流动。

2.3 电缆记录装置

电缆记录装置位于电缆密封头的前端，用于记录进入连续油管内的电缆长度。电缆记录装置主要是通过电缆进入摩擦轮，带动摩擦轮转动，将直线运动转化为圆周转动。两侧配有导向杆，上摩擦轮采用浮动形式，通过一组弹簧来调节压紧程度，保证其始终与电缆接触，达到记录长度的效果。通过编码器将信号传输到显示仪表上，进行数据显示。

2.4 液压动力控制装置

液压动力控制装置采用连续油管倒管器专用的液压站，主要为电缆注入装置的驱动马达、电缆滚筒上的马达提供动力。主要性能参数：

电机功率 30 kW

电机转速 1 470 r/min

电机电压 380 V

最大输出流量 90 L/min

系统额定压力 15 MPa

油箱容积 700 L

由3组独立的液压控制回路组成，能够满足各个回路压力和流量的控制，液压站的最大输出流量为90 L/min，能满足电缆注入装置液压马达的要求。

油箱总容积700 L，有2组起吊环。泵组作为一个独立单元置于油箱侧面，它是由30 kW的专用电动机和1个排量为63 mL/r的手动变量柱塞泵直接联接而成的，其优点为减少噪声，提高吸油能力，节约空间，检修、更换方便。

3 性能测试与应用

3.1 电缆注入装置密封试验

电缆注入装置密封试验如图3所示。通过密封试验，电缆注入装置的静密封压力可以达到35 MPa。

图3 电缆注入装置密封试验

进行动密封试验时，随着压力的增加，电缆注入装置的马达停止转动。由于电缆注入装置为高压密封设备，试压过程中无法观察其内部转动与马达转动情况，需拆开该装置进行检查。检查后发现，轴套与盖体接触处有磨损。如图4所示。

图4 轴套与盖体磨损情况

由于电缆注入装置内部液体的压力推动轴套抱紧盖体，马达转动时，两者在接触面处相互磨损。压力越大，磨损得越严重，最终导致胶合。

后期更改轴承安装方式，采用推力轴承。轴套与下部的转盘采用浮动形式，当受到内压时，轴套与转盘向上移动，顶住推力轴承，使其提供所需的转矩。同时保证轴套与盖体下部转动面不接触。设备改造后，其静动密封达到设计要求，压力达到35 MPa。

3.2 电缆注入装置送入试验

根据电缆注入装置送入试验要求，摆放该装置及其控制部件，如图5所示。

图5 电缆注入装置送入试验

将电缆经过记录装置，阻流管穿入电缆注入装置内，沿着其内部的螺旋槽盘绕在导引盘内。从电缆注入装置出口处引出电缆，预留长度8 m左右；连接控制液压管线；启动电缆注入装置马达，使其克服阻流管的摩擦力，送出电缆。在送电缆处测试送电缆所需拉力，同时控制电缆滚筒，放电缆。回收电缆时，启动控制滚筒，收回电缆；同时控制电缆注入装置马达，使其收回电缆。在该过程中，确保控制滚筒收电缆的速度高于电缆注入装置马达速度。

试验电缆送进长度约为2 000 m。在试验中，需注意3方面的问题：

1) 电缆注入装置内导轨盘与转盘的间隙要求合适。导轨盘中螺旋槽主要是为电缆导向，限制电缆松散。间隙过大，电缆可能掉入电缆注入装置底部。间隙过小，无法安装电缆。

2) 电缆铠装易变形，易松散。如图6所示。变形后无法通过阻流管。(电缆外径8 mm±0.1 mm，阻流管内径8.2 mm)盘电缆与拉电缆时，需注意电缆铠装的旋向。

3) 收回电缆时，需注意控制电缆滚筒盘电缆的速度要大于电缆注入装置马达收电缆的速度，确保电缆拉直进入阻流管内，避免电缆在阻流管进入端堆积，抱死转盘。如图7所示。