一种大功率传输电缆与井下换能器连接装置结构设计研究*

董怀荣

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东 东营 257000）

1 概述

在石油开发工程中，为了提高采收率，经常采用压裂、酸化等化学处理工艺措施，尤其是当前页岩油气层勘探开发过程中几乎都要用到压裂工艺，另外在低渗透或致密油气藏的开发也要用到压裂工艺对地层进行改造以大幅度提高油气产量。但是无论是酸化工艺还是压裂工艺，都是将地面调配好的高分子聚合物溶液流体挤入地层，对地层造成一定程度的污染，因此当前一些绿色无污染增产工艺技术备受青睐。超声波处理油层技术就是物理法增产措施之一，与压裂、酸化、挤液、蒸汽吞吐等传统的化学法增产技术相比，具有以下优势[1-2]：

（1）超声波对油层处理作用迅速，措施见效快且明显。

（2）超声波处理油层系统设备及施工费用相对较低，一般对1000～3000m 油水井进行一次声波处理所花的费用仅为常规压裂的五分之一左右。

（3）压裂、酸化等化学法处理是将流体挤入地层，容易形成二次污染，而超声波处理油层技术是依靠物理作用将污染物排出地层，没有对地层形成新的污染。

（4）压裂、酸化等工艺对于固井质量不好以及套管变形、破损的井施工困难，甚至无法施工；超声波处理油层技术只要尺寸较小的井下换能器能够下入井筒，便可正常施工。

（5）压裂、酸化等工艺动用设备和施工人员多，工艺复杂；超声波处理油层技术只需一台地面缠绕有专门电缆的绞车，4～5 人即可完成全部作业，设备及工艺非常简单，地面所需空间小。

对地层进行超声波处理需要通过一套超声波处理油层系统进行作业完成，该系统主要由地面超声波电源、传输电缆、马笼头和井下换能器等组成，系统工作时，地面超声波电源首先将井场380V/50Hz 的工频交流电升频、升压为频率为5～35kHz、电压为900、1300或1700V 的超声电功率，然后超声电功率经几千米的专用电缆传输到井下的马笼头，再传输到在油水井井底射孔段工作的井下超声波换能器，超声波换能器中的压电换能元件将超声电功率转化为换能元件的机械振动，此机械振动通过换能器内的硅油和换能器辐射外壳传播进入井中液体，通过井中液体耦合作用经射孔进入油层，大功率高频机械振动即超声波在油层中强烈振动，使堵塞的颗粒剥落而疏通孔隙，提高其渗透率，因此产量下降的油水井经超声设备处理后，可提高油井产量和水井注水量，从而提高原油采收率。

2 国内外马笼头研究现状

在石油工程领域钻井、测井、油水井测试作业过程中，马笼头是应用电缆传输作业时传输电缆与井下仪器之间的连接仪器。目前服务于石油工程现场的绝大多数是纯机械结构、带有拉断弱点(即拉力棒)的常规马笼头。虽然技术已经比较成熟，但在使用中的一些缺点是无法克服的。油田生产测井过程中所使用的直径∅38mm 测井仪器，是在套管中完成测井任务的，该仪器与单芯侧井电缆的连接也是通过马笼头来实现的，由于单芯侧井电缆的直径(∅5.6mm)比一般的7芯电缆的直径还小，抗拉强度远不如7芯电缆，所以在生产测井过程中也同样存在需要保护单芯测井电缆的问题，因此需要研制一种∅38mm 可释放马笼头。从最初引进的美国哈里伯顿公司生产的RWCH可释放马笼头不久，国内就开始了该种测井马笼头的国产化研制，RWCH 是Releasable Wireline Cable Head 的缩写，这种测井马笼头是7芯测井电缆与测井仪器的连接体，具有电缆头张力测量，电缆头井温测量和能够加热使得电缆与仪器分离的释放功能，这些功能都是比较实用的，但是由于它的本体长度太长(长度约1.95m)，现场使用极为不便，所以并不被人们看好。

中石油川庆钻探公司测井公司等针对这种马笼头的缺点，研制出了5700 型和2530 型可释放马笼头，它们都继承了美国哈里伯顿公司可释放马笼头能够释放电缆的优点，摒弃了它的长度太长、质量过重、维修保养复杂等不足之处。5700 型和2530 型可释放马笼头由地面专用供电测量面板和井下可释放马笼头两部分组成。（1）地面专用供电测量面板的功能包括：①给加热器提供工作电压；②测量并显示加热器的温度；③电缆头张力显示和记录；④给井下提供继电器换挡；（2）井下可释放马笼头的主要功能有：①与测井仪器连接；②通过继电器组合分配缆芯完成多种功能；③可释放电缆；④电缆头张力测量并上传地面；⑤内部加热器温度测量并上传地面。通过5个特制钢球来实现电缆与仪器中心杆的连接，结构尺寸小巧紧凑，简单灵活，针对川渝地区深井和超深井较多、地质构造复杂等特点，设计有保护弹簧，是用来保护单芯测井电缆不被折断，保护弹簧连接的释放杆也就是电缆的外锥套，同时也是释放电缆后一同和电缆被拉出的部分；钢球及钢球锁套、释放套组成了它的释放执行机构；加热器、特种合金、电子线路组成了电加热释放的部分；中心杆、密封接头、主体外壳、2 套单芯密封塞组成了一个耐压密封空间，给加热器和电子线路提供一个正常工作的环境，主体外壳下部螺纹做成了测井仪器的标准接口螺纹[3]。

现有的测井用马笼头，在井筒遇卡时不能反映出是仪器遇卡还是电缆粘结。在放、收电缆时不能反映出拉力棒的受力情况，因此中国石油集团测井有限公司大庆分公司研制成功带有测量测井井下仪器拉力功能的张力马笼头。将张力测量功能集成到马笼头内，既不影响仪器串整体长度，还实现了井下仪器的张力测量功能，很好的实现了工程安全的监控和预防。张力马笼头的性能和功能不仅涵盖了双弱点马笼头和张力短接两个仪器的所有的性能和功能.而且在安全性、可靠性、易操作性等方面都有了很大的提高。这种张力测量功能的马笼头长度和重量大幅度降低，仅为原来仪器的三分之二；降低了现场操作人员的工作强度,改善了仪器工作状态；减少了连接部件数量,相对降低了故障出现的概率；一般普通短接的连接螺纹套材料为铜材,此马笼头选用了钛合金Tc6，强度提高了1～2倍，提高了仪器的安全性；对张力马笼头的弱点装置进一步进行了优化设计,提高了其可靠性。通过张力显示，可以直观地反映井下仪器在井筒内的运动和受力状况。井下仪器遇阻时张力减小，遇卡时张力增大；杜绝电缆打扭事故的发生。发生事故时，可直观反映是仪器遇卡还是电缆遇卡，为故障处理提供有效的力学参数依据和决策支持，并有效地保护测井电缆和井下仪器的安全[4-5]。

另外在石油工程油水井测试过程也用到马笼头，中石油华北油田研制一种油水井测试电缆用马笼头，其结构组成主要有马笼头本体、锥套、内部连接机构、压帽组成，把马笼头上下端接线柱由原来的软线连接改进为可以旋转活动的插头插座式硬连接，转动自如，上下紧密接触，不脱离，因为是活动连接，不会发生井下与井上地面通讯线路断开或断了之后碰到内壁发生短路情况，大大提供油水井测试过程顺利进行和安全施工[6]。

一般在射孔或测井时，电缆传输的电流和电压都较低，电流只有10A 左右，电压不超过220V；而大功率超声波油层处理系统，其传输电压和电流都很高，脉冲电流可达100A，脉冲电压最高可达1700V，因此用于射孔或测井作业的马笼头不能满足超声波采油作业要求。另外传统的马笼头采用接线片连接方式，这种连接方式连接过程繁琐，且连接时接线片往往会沾上油、水等污物，容易造成绝缘不好，引起井下仪器故障。为此需要专门研制大功率超声波处理油层系统用专用马笼。

3 总体结构与参数设计

大功率超声波油层处理系统用马笼头总体结构设计如图1所示，分为四个部分，即电缆钢铠固定部分、弱点构件部分、隔离段部分和插件连接部分，内部充满硅脂，用于绝缘；马笼头上端与大功率超声波传输电缆相连，下端与井下超声波换能器相连[7]。

图1 马笼头总体结构设计示意图

目前在油田应用的大功率超声波油层处理系统中井下马笼头主要技术指标如下：

耐压：30MPa；

耐温：120℃；

额定电流：100A；

额定电压：1700V；

外径：89mm。

4 马笼头各部分详细结构设计

4.1 电缆钢铠固定部分结构设计

电缆钢铠固定部分结构如图2所示，电缆外层钢丝固定在钢铠固定件1与钢铠固定件2之间，电缆内层钢丝固定在钢铠固定件2 与钢铠固定件3 之间。钢铠固定件1、钢铠固定件2、钢铠固定件3 设计有合理的锥度，一般为1∶3锥度，从而使电缆钢丝与固定件之间连接牢固。

图2 电缆钢铠固定部分结构设计示意图

4.2 弱点构件部分结构设计

弱点构件部分如图3 所示，由传力件、拉力杆和锁位件等组成，电缆钢铠固定件、传力件、拉力杆和马笼头下接头之间通过螺纹连接。电缆钢丝拉力通过钢铠固定件依次传递到传力件、拉力杆，其中拉力杆为弱点，其设计承载能力为2t。在现场作业从油井中快速起升传输电缆时，若仪器遇阻，且阻力超过弱点的承载能力，弱点拉断，弱点以下部分及井下超声换能器掉入井底，以免拉断电缆或井口发生意外。锁位件用于固定拉力杆中部，限制拉力杆与传力件、拉力杆与马笼头末端之间发生相对旋转。弱点构件部分内部充满用于绝缘的硅脂。

图3 弱点构件部分结构设计示意图

4.3 隔离部分结构设计

隔离段如图4所示，由玻璃钢棒、过线杆、连接螺钉和密封圈等组成，接线片、过线杆和连接螺钉材料为黄铜。玻璃钢棒与过线杆之间、螺钉与过线杆之间都用螺纹连接。玻璃钢棒起绝缘、支撑作用，玻璃钢棒上设有两道密封圈，用于隔离段左右两侧的密封。

图4 隔离段结构设计示意图

4.4 插件连接部分结构设计

如图5所示，马笼头与换能器之间插件连接部分包括马笼头下接头、换能器上接头、插件座、防爆插头、防爆插座组成。插件座材料为聚四氟乙烯，形状为圆柱体，加工有两个插件通孔，孔内加工一凸台。防爆插头、插座与漆包线之间通过锡焊连接，防爆插头、防爆插座装在插件座上的插件通孔内，凸台用于防爆插头、插座的定位[8]。

图5 插件连接部分结构设计示意图

5 结束语

应用大功率超声波对地层油层处理，可提高油井产量和水井注水量，从而提高原油采收率，是当前广泛推广应用的绿色无污染物理法增产措施之一。对地层进行超声波处理需要通过一套超声波处理油层系统进行作业完成，该系统主要由地面超声波电源、传输电缆、马笼头和井下换能器等组成。其中马笼头是传输电缆与井下换能器之间连接的关键仪器，其可靠性与寿命直接影响超声波处理油层作业能否顺利进行。超声波作业专用马笼头创新之处在于马笼头与井下换能器之间插件连接部分采用电气防爆接头中的插头、插座结构型式，现场作业马笼头与超声换能器连接时，只需将超声换能器上接头定位孔对准电缆马笼头下接头定位销，旋转连接件，即可使防爆插头插入防爆插座，完成电缆马笼头与超声换能器的连接。采用这种连接方式，既简化了连接过程，提高了作业效率，又保证超声波采油作业时大电流、高电压的通过。