异型钢丝铠装电缆研发及在水井测调中的应用

2021-10-28柴德民李修文郑同斌季昌芸姜再鹏

测井技术 2021年4期

柴德民,李修文,郑同斌,季昌芸,姜再鹏

(1.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司油藏动态监测中心,山东东营257000;2.山东希尔电缆有限公司,山东济南250000)

0 引言

油田注水井测调技术的发展大体经历了2个阶段,第1阶段主要应用钢丝携带浮子流量计或存储式电子流量计进行测试,由于钢丝较细且表面圆滑,在高压注水测试时易于密封和起下,污水易于控制,不溢流、不刺漏;第2阶段主要是近几年逐渐发展成为主流配水工艺的测调一体化技术,该技术需要应用小直径铠装电缆携带直读式流量计和水嘴调节臂边测边调,大大提高了测调效率和配水准确率[1-2]。不同类型的铠装电缆在水井一体化测调过程中,在防止污水溢流污染环境以及管控生产安全方面差别较大,为此进行了密封环保型异型钢丝铠装电缆的研发,通过对比研究和现场使用,印证了异型钢丝铠装电缆独特的优势。

1 异型钢丝铠装电缆研发的技术背景

常规铠装电缆采取内外两层圆钢丝进行铠装,钢丝之间存在较大间隙(见图1)。相邻铠装层钢丝之间的摩擦面积非常小,当钢丝受外界压力时,两侧的钢丝存在向中间挤压的趋势,则中间被挤压的钢丝就会受力凸出于原有铠装层的整体结构,导致铠装层被破坏,电缆的承载力下降。同时,出现“跳丝”、“鼓包”后的电缆在起下过程中会遇阻、遇卡,容易出现卡滞或断缆生产事故[3]。

图1 常规铠装电缆截面示意图

另外,常规铠装电缆外铠与密封盘根摩擦较大,加之钢丝较细易被磨损,抗腐蚀性也差。这种客观特性使得常规电缆在高压注水条件下进行测调很难达到密封,高压密封性能差,导致污水外溢,造成环境污染。环境污染不仅赔付高、环保压力大、风险高,且根据中华人民共和国最高人民法院和最高人民检察院的司法解释,严重环境污染事件将面临严肃的法律责任追究[4]。

为此,研发应用了钢管电缆,其外铠一般为304不锈钢材质,抗腐蚀性好,表面光滑,高压密封性能好(见图2)[5]。这虽然解决了电缆起下过程中的高压密封问题,但是该电缆由不锈钢皮包裹绝缘单芯后焊接制成,焊缝长,钢管的密封性一旦受损,电缆绝缘无法得到保障。在使用中曾发生多次电缆进水现象,对正常测调进度造成较大影响;而且由于其硬度大,韧性差,易折损,易疲劳受损,一旦断脱,很难进行打捞,只能利用作业机取出,大大增加了作业成本,造成较大的经济损失。由于每盘钢管电缆应用井次少,价格高,所以性价比不高。实际上钢管电缆主要应用于固定式井下监测,并不太适用于长时间的反复起下测试井作业。

图2 钢管电缆截面示意图

因此,在一体化测调工艺技术的应用中,如何既能发挥技术优势又能控制污水溢流造成的环境污染成为一个急需解决的关键问题。在此形势下,研制了环保型异型钢丝铠装电缆[6],并在水井测调实践中取得了较好的应用效果。

2 异型钢丝铠装电缆工艺控制与技术特性

2.1 异型钢丝拉制与成缆工艺

如图3所示,将电缆外铠钢丝结构设计为扇环形,用特殊的拉丝工艺拉制而成。这种异型钢丝填充了传统圆形外铠钢丝间的缝隙,增加了外铠钢丝的摩擦面积,提高电缆整体耐磨性能;内外铠装层之间涂覆防腐密封脂,同时使用耐腐蚀高分子聚合薄膜进行包裹,使内外铠装层间形成密闭结构并且提高了内铠钢丝的耐腐蚀性;扇环形钢丝间接触面积大,形成拱桥自锁结构,相比传统圆形钢丝间的点/线接触,更加有效地杜绝了外铠钢丝“跳丝”、“鼓包”等现象的发生。异型钢丝铠装电缆外铠单根钢丝的这种扇环形结构,使得成缆后整个电缆结构较常规铠装电缆更为紧实,外表面更圆滑,电缆截面为圆形,与钢管电缆相当,与密封盘根的配合更加严密,通过调节密封盘根的紧密度,大大减少盘根的摩擦,可有效控制污水的外溢(见图4)。

图3 异型钢丝铠装电缆截面示意图

图4 异型钢丝铠装电缆与密封盘根配合示意图

2.2 异型钢丝铠装电缆技术特性

异型钢丝铠装电缆目前外径主要有单芯的Φ3.2、Φ3.5、Φ4.7、Φ5.6、Φ8.0 mm及三芯Φ5.6、Φ8.0 mm等型号,异型钢丝铠装电缆与常规铠装电缆主要性能对比见表1。其主要技术特性分4个方面介绍。

表1 常规铠装电缆与异型钢丝铠装电缆主要性能对比表

(1)较高的承载能力。采用特殊工艺拉制而成的外铠装层扇环形钢丝成缆配合结构更加紧密,强度相较于圆钢丝得到增加,电缆的承载能力相对常规铠装电缆有一定程度的提高,同规格电缆最小拉断力对比见表2。

表2 常规铠装电缆与异型钢丝铠装电缆常用型号拉断力对比表

(2)较好的耐磨性能和密封性能。异型钢丝铠装电缆外表光滑耐磨,形成纯圆形结构,降低了与盘根的磨损,提高了与防喷系统间的密封性,可以有效防止井内液体溢流到地面,防止环境污染。同时可有效防止在使用过程中电缆遇阻、遇卡问题的出现。

(3)较好的耐腐蚀性能。外铠装层原材料采用特种不锈钢铠装钢丝或特殊防腐镀层的高碳钢钢丝,内外铠装层之间涂覆防腐密封脂,同时使用耐腐蚀高分子聚合薄膜进行包裹,能够减少液体腐蚀物进入电缆内部的机率,防止电缆内部被腐蚀,保证电缆的抗拉强度,提高电缆的使用寿命。

在实验室条件下对常规铠装电缆与异型钢丝铠装电缆的腐蚀性进行实验对比。在50 ℃条件下将2种电缆置于稀释5倍的土酸配置液中3 h,记录腐蚀速率变化情况,结果显示异型钢丝铠装电缆腐蚀速率F新=10.15 g/m2·h,常规电缆腐蚀速率F旧=11.20 g/m2·h,表明异型钢丝铠装电缆与常规电缆相比较腐蚀速率要慢。

(4)较好的兼容性能。与常规电缆相配套的马笼头、马丁代克、滑轮、阻流管等的尺寸规格、安装操作使用方法完全一致,具有良好的现场兼容性。

3 异型钢丝铠装电缆现场应用效果

异型钢丝铠装电缆已在大庆油田、吉林油田、辽河油田、华北油田、胜利油田、中原油田、江苏油田、新疆油田等得到了广泛应用,小直径电缆主要应用于注水井测调,大直径电缆主要应用于测井、射孔等作业。年使用长度1 500 km以上,年测试井工作量近3万井次。在现场应用中取得了良好的效果,表现出明显的优势。

(1)密封性能良好,防溢流效果明显。异型钢丝铠装电缆表面平滑紧实,外铠缝隙大大减小(见表3)。使用普通防喷管系统即可实现较好密封,密封性能较常规铠装电缆得到较大改善。在同样未使用密封脂条件下,溢流水量相较以前使用常规铠装电缆约减少90%以上;压力低的井可以完全控制住不漏水,少数压力很高的井仅用较小容器收集溢流进行规范处理即可,大大减少了井口溢流污染,对环保风险管控意义重大。

表3 常规铠装电缆与异型钢丝铠装电缆外铠缝隙对比表

(2)摩擦阻力小,提高了施工时效。异型钢丝铠装电缆与盘根、阻流管管壁的接触方式由常规铠装电缆的凸起螺旋式线接触变为光滑面接触,摩擦阻力明显降低,延长了防喷盒的密封盘根使用时间,减少更换频次,使用常规铠装电缆一般3～4个井次更换一次盘根,而使用异型钢丝铠装电缆8～9个井次才更换一次。对于高压注水井的测调,基本杜绝了施工过程中的溢流问题,不仅减少了污染和安全风险,而且在操作规程及规范标准推荐运行速度下电缆起下更加顺畅,提高了施工时效和施工安全性。

(3)抗腐蚀性高、抗拉伸性强,大大延长了使用寿命。根据不同井况,异型钢丝铠装电缆的铠装钢丝采用不锈钢材质或特殊镀层高碳钢材质,使电缆的抗腐蚀、耐磨损性能明显提高。酸化井应用表明,常规铠装电缆在酸化井施工后腐蚀损坏明显,但是异型钢丝铠装电缆未发现腐蚀损坏现象;而且钢丝的弹性好、韧性强,不易出现打扭现象,抗折损、抗拉伸,不易出现跳丝、断丝,外径磨损率大大降低,有效延长了电缆的使用寿命。