一种新型无杆泵投捞式电缆研制与应用

2021-03-26谢建勇陈新志王惠清鲁林懋胡有峰

石油矿场机械 2021年2期

谢建勇，石彦，陈新志，王惠清，鲁林懋，胡有峰

(中国石油新疆油田分公司准东采油厂，新疆阜康 831511)

随着水平井、定向井的数量不断增加，有杆采油系统管杆偏磨问题日益严重，国内外致力于发展电潜离心泵、电潜螺杆泵等一系列无杆泵技术[1]。

无杆采油技术主要由井下电机、抽油泵(包括往复泵、螺杆泵、离心泵等)、地面供电控制系统3部分组成，通过潜油电缆将地面电源输送给井下电机，带动泵工作。大量现场试验表明，无杆举升技术有效提高了系统效率，降低了能耗，从根本上解决了管杆偏磨问题，适应性更加广泛，现场管理方便, 运行费用低，降低了安全和环保风险[2-11]。但无杆泵举升技术在实际应用中存在动力电缆易损坏的缺点。无杆采油设备入井前，需要先将电缆与井下电机连接好，采用固定卡子把电缆绑卡在油管外壁上，随油管一起入井，在提下管过程中，不可避免地会与套管发生碰撞摩擦，造成电缆损伤和故障，增加重复作业的风险，再加上生产过程中油管的蠕动,进一步加剧电缆的磨损,导致电缆易损坏。在修井过程中，提出的电缆损坏概率在50%以上，使得作业成本大幅升高[12-14]。即便采用各种改进方法，例如增加卡子的使用数量和提高固定质量，可实现油管扶正和电缆保护作用。但在减少电缆磨损概率的同时，增加了修井工序，导致施工时间延长，效率降低[15]。

笔者依托中国石油天然气股份有限公司重大科技项目，联合攻关开发了投捞式电缆，改变电缆的下入方式，即从油管中下入，实现井下对接，修井作业时先捞出电缆再提出其他管柱结构，从而解决了电缆磕碰易损的问题。

1 投捞式电缆技术及特点

1.1 下入方式

传统潜油电泵电缆下入方式中,电缆处在油套环空中。按照准东油田常用油套管结构组合,油套环空最小间距为17.63 mm或24.56 mm，如表1所示[16]。使用的井下泵机组最大外径114 mm，电缆使用扁形，外形尺寸约为10.0 mm×28.0 mm。在如此狭小的空间中，尤其是斜井中,想避免电缆磕碰磨损的难度很大，通过增大套管或者缩小油管的方法来增加环空间隙尺寸很有限。

表1 准东油田油套管组合参数 mm

典型的油套管结构如图1所示。常用油管内径62 mm(或76 mm)，相比油套环空电缆自由活动空间很大，如果将动力电缆从油管中下入、提出，会很大程度地避免电缆损坏的风险。其下入方式为：下泵作业时先将井下所有机具随油管一起下入到指定位置，然后将动力电缆从油管中下入；起泵作业时先将动力电缆从油管中提出，然后再将井下机具随油管提出。这样既保护了电缆，同时大幅缩短了作业时间。

图1 油套管结构

1.2 结构组成

投捞式电缆由钢丝铠装承重电缆、电缆插接头组件、井口电缆悬挂密封装置3部分组成。承重电缆一端通过井口悬挂密封装置与地面控制柜连接，一端连接电缆插接头组件，与井下潜油电机对接后，将动力通过电缆从地面传递到井下潜油电机。电机位于电潜螺杆泵顶端，带动螺杆泵旋转运动，实现举升。井下举升管柱结构如图2所示。

图2 投捞式电缆无杆泵举升管柱

1.2.1 承重电缆

传统的潜油电泵电缆绑缚在油管外壁上，其受力由油管分担，因而电缆本身不具备承重能力[17]，抗拉伸能力较弱。现从油管下入，电缆要在井口悬挂承重，需对原来的电缆结构进行改进，以提高承重和抗拉强度。

1) 电缆形状由扁形改为圆形结构，导体截面积3×10 mm2，外径21.2 mm，由于油管中空间较大，采用圆形电缆下入时有利于减少机械伤害，适用于各种井身轨迹。

2) 导体采用潜油电泵电缆无氧实芯铜导体，绞合标称3.57 mm。

3) 绝缘层改用6.0 mm聚酰亚胺薄膜和特种氟塑料复合绝缘层，具有高弹性，可以提高电缆抗拉性能。

4) 护套层采用丁晴复合橡胶，具有更好的密封、耐压、耐腐蚀等性能。

5) 铠装层由一层0.5 mm镀锌钢带改为双层2.0 mm高强度特种钢丝铠装，提高抗拉力，同时具有机械防护功能，有效避免磕碰损伤。

改进后的特殊非标钢丝铠装承重电缆，由三芯实芯铜导体、F46复合绝缘护套、内外特种钢丝铠装、丁晴复合物护套组成，承重能力大幅提升。整体拉断力可以达到150 kN以上。20 ℃时导体直流电阻降为1.83 Ω/km，运行时可降低电损耗，有利于电机的启动。电缆改进前后性能对比如表2所示。

1.2.2 电缆插接头组件

插接头组件由插座和插头2部分组成，如图3。插座有内外2个腔室，外腔室为过油通道，可以隔绝井液，防止泥沙等异物进入到内腔室；内腔室为密封腔，采用重油高压密封，腔体内的密封油能自动补充，避免井液侵入造成无法绝缘的问题。插座三相导体通过引接电缆与潜油驱动机组连接在一起，和油管一同先下入到设计位置。插头和承重电缆连接，设计有导向器和定位轨道，从油管内部缓慢投入，插座上设有导向键，通过适当配重加压，插头与插座在井下通过笔尖导向在内腔室完成对接、密封和锁位。特殊的内外双层保护装置保证了对接后的有效密封和可靠绝缘。

表2 电缆改进前后性能对比

图3 插接头示意

通过对插接头结构进行多次改进，不断提高耐电压等级和耐压强度, 目前达到的技术指标如表3。插接头密封稳定，既能实现成功对接，又能保证井下电气密封绝缘可靠。

急性阑尾炎是在多种因素下所形成的炎性改变，大多因感染所引发。腹痛是其典型的临床症状，而单纯性阑尾炎则表现为持续性或阵发性的钝痛或胀痛，甚至波及双侧下腹部或中下腹，给患者的生活造成严重影响[7-9]。祖国医学认为阑尾炎多因饮食不节、寒温不适、忧思抑郁等因素所导致的肠道功能紊乱，同时伴随气血不和、传化不利等症状。临床主张行手术切除已病变的阑尾，辅以穴位按压及口服中药汤药等可大大缓解患者的临床症状，更好达到活血化瘀、清热解毒的功效，并可增加其机体的免疫能力，利于炎症的消除[10-12]。

1.2.3 井口电缆悬挂密封装置

相比潜油电泵电缆的穿越密封，投捞式电缆井口还要起到悬挂承重的作用，特制的电缆悬挂安全卡瓦可实现安全悬挂。采用专门的穿越电缆转化法兰及防爆穿线管接头，只需要在法兰的电缆出口处做密封，密封结构简单、可靠，施工更加方便。电缆井口悬挂密封结构如图4。

表3 插接头性能指标

图4 电缆井口悬挂密封结构示意

1.3 配套

投捞式电缆可以替代现有的潜油电泵电缆，用于无杆泵的动力传输，与潜油螺杆泵、潜油往复泵等多种井下泵组合。在实现动力传输的同时，采用动力载波技术实现信号传输，通过井下安装永置式压力计、温度计等，可实现多参数的监测，节省了生产中的测试费用。地面实时读取井下压力监测资料，可以准确掌握油井动液面，避免井下螺杆泵因供液不足导致烧泵。根据压力变化调整生产参数，精确控制泵的运行状态，实现无杆泵井下闭环控制，实现智能化管理。

2 现场应用

截止2020-07，新疆油田准东采油厂在37口井上开展了无杆泵(电潜螺杆泵)投捞电缆举升试验,试验井为页岩油生产井和稠油井，包括11口直井、20口定向井和6口水平井。套管尺寸为139.7、177.8 mm两种规格，最大下泵深度2 500 m，排量1～50 m3/d，稠油试验井最高黏度为50 ℃地面原油黏度13 000 mPa·s。根据不同的产液量确定电潜螺杆泵泵型。目前油井均生产正常，累计投捞对接56次，电缆投捞对接成功率达到100%，单井试验对接次数最高达到9次无损坏，在反复对接的情况下，重复使用的电缆密封绝缘依然可靠。管柱结构如图5所示。

图5 投捞式电缆试验管柱示意

2.1 JD9146井试验

2017-07-05，投捞式电缆首次在JD9146井进行现场试验。该井选用电潜螺杆泵为GLB40-42型，设计排量3～15 m3/d，泵挂深度1 386 m，电机功率15 kW。管柱结构自下而上的顺序为：扶正器+潜油螺杆泵+潜油电机+电缆插座+油管至井口。入井前所有油管内须冲洗干净无任何杂物，以免影响电缆的插接。下放电缆前先在地面对电缆进行外观检查和绝缘阻值测试，确保正常后用导向滑轮悬挂固定，与井口中心垂直。控制下放速度不超过3 m/min，防止电缆插接部分弯曲变形，下到预定位置后测试电缆绝缘阻值，确定插接成功后进行井口密封，连接控制柜，按操作规程起抽。

该井试验期间始终保持正常生产，截至2020-07，免修期已达到了1 100 d以上，目前转速100 r/min，日产液量8.4 m3，平均泵效78.8%。

2.2 改进与完善

针对试验过程中出现的问题，逐步改进和完善了投捞式电缆。

2) 试验初期采用潜油电机位于螺杆泵顶端的结构，优点是接引电缆距离短，减少电缆损坏风险，缺点是高速电机与螺杆泵之间通过减速器连接，减速器输出轴是承扭薄弱点，是故障发生的集中点，因而重新优化了管柱结构，改用潜油直驱永磁同步电机[18]，取消减速器，系统整体承扭能力由330 N·m提高到710 N·m，电机位于螺杆泵下部，通过小扁电缆跨接方式实现电缆投捞，使用常规螺杆泵结构，应用范围更加广泛、效果更好。

2.3 效益评价

投捞式电缆实现了动力电缆在油管中独立提下作业，解决了常规潜油电泵电缆在油套环空内易磕碰损坏的问题，与绑缚在油管外壁的下入方式对比，节约了大量电缆保护器辅料，取消了作业时安装拆装电缆卡子的工作，大幅缩减作业时间，井口由3人操作改为1人操作，降低了人工和材料成本。以下泵深度1 500 m的油井为例，所需电缆费用约12万元，可减少使用电缆卡子150 个，单井节约材料费用￥5.0万元左右，缩短修井时间约15 h。外敷电缆由于损坏率高难以重复利用，5次修井作业中至少需更换电缆2～3次，而投捞电缆可以反复使用，大幅降低了后期检泵作业的电缆成本。