張旭 姜燕 趙非 李鵬偉 林春慶 李雪英 李偉昂

(中國石油華北油田分公司工程技術(shù)研究院)

0 引 言

華北油田的油藏類型大部分屬于非均質(zhì)多油層砂巖油藏，目前已進(jìn)入高含水后期開發(fā)階段，注采矛盾日益突出，層間干擾影響嚴(yán)重[1-2]。精細(xì)分層注水作為補(bǔ)充地層能量，控制油層含水以及提高采收效率的重要技術(shù)手段而得到了較快發(fā)展[3-4]。2014年以來，華北油田通過引進(jìn)預(yù)置電纜式智能分注工藝，并進(jìn)行了耐高溫和耐高壓差的適應(yīng)性攻關(guān)升級(jí)，性能指標(biāo)達(dá)到了耐溫150 ℃，承壓差35 MPa；實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下各生產(chǎn)層段注水流量、油套壓力和溫度等生產(chǎn)參數(shù)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可進(jìn)行自動(dòng)驗(yàn)封測(cè)調(diào)以及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和控制。該工藝既保障了注水合格率，又減少了驗(yàn)封測(cè)調(diào)工作量，同時(shí)也能夠?yàn)橛筒胤治鲈u(píng)價(jià)提供大量的數(shù)據(jù)支撐，能夠顯著提高水驅(qū)油藏的開發(fā)效果[5-7]。但是，該工藝需要在油管外置電纜并用保護(hù)卡束縛，同時(shí)也存在著施工成本高、作業(yè)復(fù)雜、效率低且無法實(shí)現(xiàn)帶壓作業(yè)等問題，這在一定程度上制約了該工藝的大面積推廣應(yīng)用。

鑒于以上情況，華北油田自2019年以來針對(duì)預(yù)置電纜式智能分注技術(shù)開展了電纜管內(nèi)對(duì)接技術(shù)的攻關(guān)研究，研發(fā)了井下電纜對(duì)接器。該對(duì)接技術(shù)將電纜油管外置直連工具的連接方式轉(zhuǎn)為電纜在油管內(nèi)輸送，由電纜對(duì)接器在井下完成對(duì)接，為井下工具供電及通信的模式，很好地解決了上述問題，應(yīng)用前景廣闊。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

電纜管內(nèi)對(duì)接技術(shù)的工藝原理示意圖如圖1所示。該對(duì)接技術(shù)以預(yù)置電纜式智能分注技術(shù)為基礎(chǔ)，在有纜智能配水器和過電纜封隔器所組成的分層注水管柱上端增加井下電纜對(duì)接器的預(yù)置對(duì)接筒，工具之間由鋼管電纜相連接；預(yù)置對(duì)接筒上接頭及以上油管無需帶纜施工，管柱下入完畢并坐封完井后，由鎧裝電纜將井下電纜對(duì)接器外接頭從油管內(nèi)輸送下井與預(yù)置對(duì)接筒進(jìn)行對(duì)接，配合地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下工具的供電及通信；在井口，通過電纜懸掛密封裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)管內(nèi)電纜的懸掛與固定。該對(duì)接技術(shù)運(yùn)用了濕對(duì)接的原理，將電纜隨油管下井直連工具供電通信的模式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娎|在油管內(nèi)由對(duì)接器完成對(duì)接的模式，簡(jiǎn)化了施工工序，節(jié)約了作業(yè)成本。

1—鋼管電纜；2—對(duì)接器(外接頭)；3—電纜懸掛密封裝置；4—中控室；5—控制柜；6—鎧裝電纜；7—對(duì)接器(預(yù)置對(duì)接筒)；8—過電纜封隔器；9—智能配水器。

應(yīng)用井下電纜管內(nèi)對(duì)接技術(shù)與傳統(tǒng)的預(yù)置電纜式智能分注技術(shù)的對(duì)比情況如表1所示。從表1可以看出，電纜管內(nèi)對(duì)接技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)同預(yù)置電纜式智能分注技術(shù)同樣的功能指標(biāo)，且施工周期更短，作業(yè)成本更低，能夠滿足帶壓作業(yè)的要求，綜合效益顯著。

表1 技術(shù)對(duì)比

2 關(guān)鍵工具及配套裝置

井下電纜對(duì)接器是電纜管內(nèi)對(duì)接技術(shù)的主要構(gòu)成部分，其由電纜對(duì)接器外接頭和井下預(yù)置對(duì)接筒兩部分組成。井口電纜懸掛密封裝置和電動(dòng)放收線裝置等作為配套裝置，保障了施工安全、方便、高效地進(jìn)行。

2.1 井下預(yù)置對(duì)接筒

對(duì)接器的井下預(yù)置對(duì)接筒主要由上接頭、主體外筒、絕緣套、銅電極、密封活塞和注脂孔螺釘?shù)炔考M成。井下預(yù)置對(duì)接筒的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。對(duì)接筒外徑為114 mm，兩端均為加厚油管螺紋，對(duì)接部分內(nèi)通徑為45 mm，耐溫達(dá)150 ℃，本體耐壓可達(dá)80 MPa。

1—上接頭；2—主體外筒；3—絕緣套；4—注脂孔螺釘；5—銅電極；6—密封活塞。

井下預(yù)置對(duì)接筒的上接頭側(cè)向開孔與主體外筒內(nèi)部設(shè)置的橋式通道形成了對(duì)接器對(duì)接完成后的過流通道，其等效過流通徑大于等于46 mm；對(duì)接總成由絕緣套和銅電極熱塑成型，在兩端各設(shè)置一個(gè)密封活塞環(huán)，其既能夠固定內(nèi)部的對(duì)接總成，又能夠保障預(yù)置對(duì)接筒整體的密封性能和對(duì)接總成的絕緣性能；絕緣套上部開槽，內(nèi)部導(dǎo)線由銅電極引出，通過主體外筒上的電纜接頭安裝位置的通孔與電纜接頭連接，電纜接頭再與其他井下工具通過鋼管電纜相連；主體外筒上還設(shè)有注脂孔，可向內(nèi)部走線空間注入耐高溫高壓的密封絕緣硅脂，能夠進(jìn)一步保障對(duì)接總成的絕緣密封性能，硅脂注滿后上緊注脂孔螺釘即可；預(yù)置對(duì)接筒內(nèi)部的對(duì)接通道與對(duì)接器外接頭的絕緣外套之間通過腰帶膠圈貼合密封，實(shí)現(xiàn)外部液體與銅電極的隔絕，兩者形成濕對(duì)接的空間，達(dá)到對(duì)接通電及數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/p>

2.2 電纜對(duì)接器外接頭

電纜對(duì)接器外接頭主要由上接頭總成、插針連接體、擠壓環(huán)、密封導(dǎo)電插針、加重連接桿、加重中心桿、絕緣外套、箍環(huán)、腰帶膠圈、銅電極和導(dǎo)向頭等幾部分構(gòu)成。電纜對(duì)接器外接頭的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。其對(duì)接部分外徑為45 mm，最大外徑為50 mm，耐溫達(dá)150 ℃，本體耐壓可達(dá)80 MPa。

1—鎧裝電纜；2—上接頭總成；3—插針連接體；4—擠壓環(huán)；5—密封導(dǎo)電插針；6—加重連接桿；7—加重中心桿；8—絕緣外套；9—箍環(huán)；10—腰帶膠圈；11—銅電極；12—導(dǎo)向頭。

對(duì)接器外接頭的上接頭總成用來固定與其內(nèi)部導(dǎo)線連接的鎧裝電纜；插針連接體和擠壓環(huán)整體構(gòu)成了防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)接器外接頭模塊化組裝的同時(shí)，可保證工具組裝時(shí)內(nèi)部線路不會(huì)跟隨旋轉(zhuǎn)，保障了線路連接可靠性；導(dǎo)電密封插針用來連通加重連接桿內(nèi)部和上接頭內(nèi)部的導(dǎo)線并使其兩側(cè)成為獨(dú)立密封的空間；采用加重連接桿和加重中心桿的內(nèi)外雙重加重設(shè)計(jì)，使得對(duì)接器外接頭能夠順利下井；對(duì)接總成由絕緣外套和銅電極熱塑成型，絕緣外套內(nèi)部開孔將銅電極與上部導(dǎo)線連接。絕緣外套采用聚醚醚酮材質(zhì)，具有良好的耐溫、耐腐蝕和絕緣性能[8-10]，保障了電極周邊的絕緣性；對(duì)接器外接頭內(nèi)部各個(gè)獨(dú)立空腔均打滿密封絕緣硅脂，以保證其絕緣性能。對(duì)接時(shí)，腰帶膠圈起密封作用，箍環(huán)對(duì)腰帶膠圈起固定限位作用，防止其膠料流失而導(dǎo)致密封失效。對(duì)接器外接頭的銅電極與預(yù)置對(duì)接筒的銅電極在膠圈密封所形成的濕對(duì)接空間區(qū)域內(nèi)接觸導(dǎo)電完成對(duì)接。

2.3 井口電纜懸掛密封裝置

井下電纜對(duì)接器外接頭從油管內(nèi)由鎧裝電纜輸送下井，在對(duì)接完成后，井口的電纜需要配套裝置來進(jìn)行懸掛和密封，以保障正常注水后井口的密封性和電纜的穩(wěn)定性。為此，筆者研發(fā)了井口電纜懸掛密封裝置，主要由卡瓦壓套、鎖緊卡瓦、密封壓帽、支座、密封墊、密封絲堵、連接頭和油管短節(jié)等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

1—鎧裝電纜；2—卡瓦壓套；3—鎖緊卡瓦；4—密封壓帽；5—支座；6—密封墊；7—密封絲堵；8—連接頭；9—油管短節(jié)。

井口電纜懸掛密封裝置采用上卡瓦懸掛、下密封墊擠壓密封的組合方式進(jìn)行電纜的懸掛和密封。施工時(shí)，將該裝置連接于井口采油樹頂部，對(duì)接器外接頭下井過程中，可通過密封壓帽調(diào)節(jié)密封墊密封電纜的松緊，實(shí)現(xiàn)電纜下入的動(dòng)密封；完井后，上緊頂端的卡瓦壓套，擠壓卡瓦抱緊電纜，實(shí)現(xiàn)電纜的懸掛。該裝置承壓達(dá)到30 MPa，卡瓦鎖緊力大于等于5 kN。

2.4 電動(dòng)放收線裝置

井下電纜對(duì)接器外接頭從油管內(nèi)由電纜輸送下井，目前的常規(guī)方式需協(xié)調(diào)測(cè)試絞車配合施工，由于電纜需要長(zhǎng)置井內(nèi)，須將測(cè)試絞車上原有的測(cè)試電纜拆下，換裝入井鎧裝電纜，頻繁換裝電纜在增加工作量的同時(shí)也會(huì)帶來測(cè)試絞車使用費(fèi)用的增加。為此，本文從方便施工、節(jié)約成本的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了小型電動(dòng)放收線裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

1—分體式便攜機(jī)架；2—?jiǎng)恿δK；3—排線模塊；4—電纜盤；5—傳動(dòng)模塊。

電動(dòng)放收線裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括分體式便攜機(jī)架、動(dòng)力模塊、傳動(dòng)模塊和排線模塊4大部分，拆卸、組裝和運(yùn)輸方便。整個(gè)裝置的動(dòng)力來自于動(dòng)力模塊的減速電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪和電纜盤之間通過摩擦力進(jìn)行傳動(dòng)。電纜盤和其中心軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，中心軸帶動(dòng)鏈輪將動(dòng)力傳送到排線模塊的鏈輪軸，為排線模塊提供動(dòng)力。傳動(dòng)模塊的傳動(dòng)軸采取與電纜盤同步旋轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)，動(dòng)力通過鏈輪傳動(dòng)直接傳給排線器，排線器的動(dòng)力輸入無需與電機(jī)相接，節(jié)省了大量空間。電動(dòng)放收線裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊合理，安裝簡(jiǎn)單，運(yùn)輸方便，能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)放收線以及自動(dòng)排線的功能，操作簡(jiǎn)便，可代替測(cè)試絞車進(jìn)行電纜的起下作業(yè)，省去了車輛測(cè)試成本。

3 試驗(yàn)情況及效益分析

3.1 高溫高壓對(duì)接試驗(yàn)

為了驗(yàn)證電纜對(duì)接器的對(duì)接可靠性，進(jìn)行了室內(nèi)模擬對(duì)接試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了模擬對(duì)接試驗(yàn)裝置，其主要由套管密封頭、油管絲堵、套管短節(jié)、過電纜加壓接頭以及配套包裹式伴熱帶等構(gòu)成，試驗(yàn)裝置如圖6所示。

1—套管密封頭；2—密封絲堵；3—智能配水器；4—套管；5—預(yù)置對(duì)接筒；6—對(duì)接器外接頭；7—過電纜加壓接頭；8—電纜。

試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)管柱置于模擬對(duì)接試驗(yàn)裝置中，將電纜對(duì)接器外接頭與井下預(yù)置對(duì)接筒對(duì)接，電纜從過電纜加壓接頭穿出并與智能配水器控制儀相連接。

高壓對(duì)接試驗(yàn)中，通過電動(dòng)試壓泵向裝置內(nèi)加液壓35 MPa，由控制儀向裝置內(nèi)工具供電，緩慢調(diào)節(jié)工作電壓(配水器正常的工作電壓在40～60 V之間)，配水器電流正常，且隨電壓增加而呈線性增長(zhǎng)，無異常增大和中斷等現(xiàn)象，控制儀可與智能配水器進(jìn)行通信和控制；利用萬用表測(cè)量電纜和試驗(yàn)裝置外殼之間的電流，其值始終為0，說明整個(gè)系統(tǒng)無漏電現(xiàn)象。由此可以看出，在35 MPa的高壓下，井下電纜對(duì)接器對(duì)接良好。高壓對(duì)接試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 高壓對(duì)接試驗(yàn)數(shù)據(jù)

耐溫性能試驗(yàn)時(shí)，將裝置豎立放置并固定，向裝置內(nèi)灌入清水沒過預(yù)置對(duì)接筒上平面，通過過電纜加壓接頭向裝置內(nèi)加氣壓至0.5 MPa，以提升水的沸點(diǎn)至150 ℃以上，將試驗(yàn)裝置用伴熱帶包裹，測(cè)量不同溫度下電纜對(duì)接器的絕緣阻值情況，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 耐溫性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可以看出，在90～150 ℃的溫度變化過程中，絕緣阻值始終大于500 MΩ，能夠滿足供電和通信的要求。

3.2 模擬井對(duì)接試驗(yàn)

應(yīng)用井下電纜對(duì)接器在中國石油華北油田分公司工程技術(shù)研究院試驗(yàn)檢測(cè)中心的模擬井內(nèi)進(jìn)行了模擬井對(duì)接試驗(yàn)。模擬井井深1 050.68 m，采用?139.7 mm套管完井，內(nèi)置清水。試驗(yàn)采用絲堵+1根油管+井下智能配水器+1根油管+預(yù)置對(duì)接筒+油管至井口的管柱組配，如圖7所示。

1—控制柜；2—電纜；3、6、8—油管；4—對(duì)接器外接頭；5—預(yù)置對(duì)接筒；7—智能配水器；9—絲堵。

管柱下入完畢后，利用行吊和滑輪組等將連接好電纜的井下對(duì)接器外接頭吊起，調(diào)整工具位置使其對(duì)準(zhǔn)井口下入通道，緩慢下入井內(nèi)，與井下預(yù)置對(duì)接筒完成對(duì)接，在井口通過控制柜與井下配水器進(jìn)行供電通信，即可判斷對(duì)接成功與否。圖8為管柱組配現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片。

圖8 試驗(yàn)照片

電纜對(duì)接器外接頭與井下預(yù)置對(duì)接筒對(duì)接后，通過地面控制柜測(cè)量系統(tǒng)絕緣阻值并與智能配水器進(jìn)行通信控制，先后重復(fù)對(duì)接5次，絕緣阻值始終大于500 MΩ，滿足供電通信需求。同時(shí)，地面控制柜與井下配水器解碼正常，成功讀取儀器信息，配水器水嘴打開關(guān)閉正常，試驗(yàn)獲得成功，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 對(duì)接性能試驗(yàn)結(jié)果

3.3 效益分析

經(jīng)過多次相關(guān)的室內(nèi)試驗(yàn)以及模擬井對(duì)接試驗(yàn)的驗(yàn)證，井下電纜管內(nèi)對(duì)接技術(shù)取得了初步成功，可實(shí)施程度較高。相比常規(guī)的預(yù)置電纜式智能分注技術(shù)，該技術(shù)能有效提高作業(yè)效率，預(yù)計(jì)平均單井減少占井周期1.5 d，單井節(jié)約作業(yè)及電纜護(hù)卡成本共計(jì)15.37萬元；同時(shí)，該技術(shù)也使智能分注技術(shù)能夠滿足帶壓作業(yè)的要求，豐富了智能分注技術(shù)序列，進(jìn)一步提高了技術(shù)的先進(jìn)性及適應(yīng)性，降本增效顯著，應(yīng)用前景廣闊。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)井下電纜管內(nèi)對(duì)接技術(shù)相比常規(guī)的預(yù)置電纜式智能分注技術(shù)，將電纜油管外置直連工具的連接方式轉(zhuǎn)為電纜在油管內(nèi)輸送，由對(duì)接器在井下完成對(duì)接，為井下工具供電及通信的模式，在節(jié)約護(hù)卡成本的同時(shí)，工具段以上管柱無需帶纜施工，作業(yè)工序簡(jiǎn)單，優(yōu)勢(shì)明顯。

(2)所研發(fā)的井下電纜對(duì)接器在耐溫和承壓性能方面達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，耐溫150 ℃，承壓80 MPa，絕緣性能良好；井口電纜懸掛密封裝置和電動(dòng)放收線裝置等配套裝置能夠保障工藝的順利實(shí)施。

(3)井下電纜管內(nèi)對(duì)接技術(shù)在華北油田室內(nèi)試驗(yàn)及模擬井應(yīng)用中取得了初步成功，下一步筆者將持續(xù)完善技術(shù)適應(yīng)性并進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，接受實(shí)際工況的檢驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證工藝的可靠性。