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井下信号电缆二次对接技术研究与应用
任从坤     
中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院
摘要: 针对目前智能采油技术存在的生产管柱与配产管柱不能有效分离、配产管柱容易失效以及油泵只能采用非标泵的问题,开展了井下电缆二次对接技术研究。通过设计井下丢手对接装置和电缆二次对接装置,完成井下生产管柱与配产管柱的快速对接与分离,实现湿环境下的电缆二次对接。室内试验结果表明:电压从50 V调节至220 V,温度从30℃升至150℃,系统绝缘阻值均在100 MΩ以上,绝缘性较好。该技术现场应用10井次,应用最大井斜59°,最大井深2 630 m,对接成功率90%,达到了不动配产管柱进行分层采油的目的。井下信号电缆二次对接技术为智能采油技术大面积推广奠定了基础。
关键词: 智能完井     信号电缆     二次对接     智能采油     对接装置    
Secondary Docking Technology for Downhole Signal Cable
Ren Congkun     
Petroleum Engineering Research Institute, Sinopec Shengli Oilfield Company
Abstract: To address the problems of the intelligent production technology like ineffective separation of the production pipe and distribution pipe, the easy-to-fail of distribution pipe and the only applicability of non-standard pumps, the secondary docking technology research on downhole cables is carried out. By designing the downhole release docking device and the cable secondary docking device, the quick docking and separation of the downhole production pipe and the distribution pipe could be allowed, and the cable secondary docking in the wet environment is realized. The indoor test results show that, under the voltage of 50 V to 220 V and the temperature of 30℃ to 150℃, the insulation resistance of the system is above 100 MΩ, presenting good insulation performance. The technology has been applied in 10 wells with the maximum well inclination of 59° and the maximum well depth of 2 630 m. The 90% docking success rate achieved the purpose of separate layer oil production without changing distribution pipe. The secondary docking technology of downhole signal cable laid the foundation for the large-scale promotion of intelligent oil production technology.
Keywords: intelligent well completion    signal cable    secondary docking    intelligent oil production    docking device    

0 引言

智能完井技术通过在井下工具上安装控制线,并与地面系统相连,可实现对地层性能的长期监控和油井优化采油。在油田采油领域,电控分层配产技术基本成熟。电缆直控式分层配产采油井的管柱主要由生产管柱和配产管柱组成[1-4]。由于电控分层配产工艺管柱中间有电缆连接,在检泵作业时,现有检泵作业工艺不能使生产管柱和配产管柱分离和对接,需要将配产管柱随同生产管柱同时起出,导致配产管柱过早失效,增加生产成本。同时,生产过程中,抽油泵带动管柱不断地伸缩引起封隔器蠕动,造成分层失效。此外,由于电泵管柱下端无法悬挂过多的分层管柱,受井筒限制,电泵只能选择非标的电泵,完井工艺受限。

针对一趟分采管柱存在的问题,为实现测控装置的反复利用,便于后续完井工艺的实施以及降低配产管柱蠕动,开展了井下电缆二次对接技术的研究,重点设计了井下丢手对接装置和电缆二次对接装置,实现了湿环境下的井下电缆对接[5-7]

1 井下信号电缆二次对接技术方案 1.1 总体思路

总体方案采用一种井下电路重复对接丢手技术,通过油管将若干过电缆封隔器和带有电缆的电控配产器连接在井下丢手对接装置的下端,末端电控配产器下连接丝堵,由井下丢手对接装置、过电缆封隔器、电控配产器和丝堵组成配产管柱。通过作业管柱将组装好的配产管柱下入到井下预定深度,加压坐封过电缆封隔器后,再加压丢手取出作业管柱。通过油管将电泵、过电缆油管锚以及电缆二次对接装置组成生产管柱。生产管柱下入井下,完成与井下丢手对接装置的对接。对接完成后,在井口对井下电路对接效果进行检测,连接地面控制装置,查看各数据,如果各数据显示正常则安装井口投产。在检泵作业时,上提生产管柱,电缆二次对接装置的对接头和井下丢手对接装置的对接座分离,即可将生产管柱提出井口,将配产管柱留在井下,再次下生产管柱时,重复以上第3~5步,实现电缆对接并投产。

1.2 主要技术特点

(1) 通过对井下丢手对接装置和电缆二次对接装置的设计,实现了井下生产管柱和配产管柱的机械与电气的对接,机械密封可靠,电路绝缘性良好。

(2) 井下信号电缆重复对接技术可有效减少工具的浪费,延长分层配产管柱的使用寿命,为智能测控采油工艺的推广奠定基础。

1.3 技术指标

管柱耐温≤120 ℃,适应井斜≤60°,适用套管外径244.5、177.8和139.7 mm,最高工作电压220 V,最大下深3 000 m。

2 核心工具研制 2.1 井下丢手对接装置 2.1.1 结构

井下丢手对接装置结构如图 1所示。

图 1 井下丢手对接装置结构示意图 Fig.1 Structural schematic of the downhole release docking device 1—上接头;2—上连接管;3—上密封头;4—锁爪;5—中连接管;6—密封管;7—压紧管;8—电置管;9—内电极;10—绝缘管;11—密封圈;12—钢球;13—下连接管;14—下接头;15—铠装电缆。

2.1.2 工作原理

该装置连接于最上一级过电缆封隔器上端,通过电缆接头连接下端的配产装置。连接到位后,地面加压至20 MPa左右,丢手活塞下移,剪断丢手剪钉,丢手棘爪释放实现丢手,对接机构和锁紧机构留井,对接机构内部设有电置管及绝缘套,与后续的电缆二次对接装置实现对接,通过锁紧机构中的钢球将对接头锁紧,防止生产运行中对接头的脱离。

2.1.3 技术指标:

丢手压力20~22 MPa,密封压力≥30 MPa,绝缘电阻≥100 MΩ,锁紧力10 kN。

2.2 电缆二次对接装置 2.2.1 结构

电缆二次对接装置结构如图 2所示。

图 2 电缆二次对接装置结构示意图 Fig.2 Structural schematic of the cable secondary docking device 1—接箍;2—压簧;3—连接管;4—外套;5—电缆;6—电缆连接管;7—扣环;8—压紧螺旋弹簧;9—锁紧管;10—套筒;11—导流管;12—电密封管;13—绝缘套;14—密封插管;15—绝缘管;16—外电极;17—密封圈;18—导向头。

2.2.2 工作原理

该装置的导向头插入丢手对接装置内部的球座,在压紧螺旋弹簧的作用下被钢球锁住。连接到位后,受管柱重力影响,扣环向内收缩,被固定在锁紧管上,此时上提管柱0.5 m,连接管、电缆连接管和外套随生产管柱上移,压紧弹簧伸长。由于连接在连接杆上的对接头与连接在生产管柱的外套是独立的,所以生产管柱上下蠕动时,对接部分保持相对不动,可避免生产管柱的蠕动动力传递到分层配产管柱上。

2.2.3 技术指标

最大补偿距离800 mm,密封压力≥30 MPa,绝缘电阻≥100 MΩ。

2.3 关键技术 2.3.1 井下复杂环境下的导电材料对接保护技术

为保证电缆二次对接头(见图 3)在下井过程中不被油泥污染,设计了电极绝缘密封护套,当插入到井下丢手对接装置内时,通过对接座上的定位台阶将对接头上的电极绝缘密封护套向上推,露出密封盘根和电极。对接头下端设置电极清洁环,清洁环选用玻璃纤维尼龙材料,弹性较好,耐腐蚀性较强,同时又保持较好的耐磨性,在对接过程中能够将对接座上外露电极上的油泥擦掉,保障电极的绝缘传导和密封性。

图 3 二次对接头结构示意图 Fig.3 Structural schematic of the secondary docking joint 1—绝缘体;2—电极;3—密封圈;4—电极清洁环。

2.3.2 井下湿环境下电缆重复对接技术

对接部位的绝缘及密封是该技术的关键。为保障对接后导电材料的密封,在每处导电材料两边各设置3道密封圈,采用密封圈+聚四氟乙烯组成密封的方式。密封圈选用的氢化丁腈像胶具有耐高温、抗老化性强的特性,聚四氟乙烯设置在密封圈的两侧,能够防止高压液体对密封圈剪切,提高对接部位密封可靠性。对接装置的绝缘管及绝缘套选用强度高、耐腐蚀以及电绝缘性好的玻璃钢,保证与电极接触材料的绝缘性。对接头及对接座的内外电极均选用316L不锈钢材料,能够满足井下恶劣环境下长期耐腐蚀,同时导电率较好,两者在配合时采用间隙配合或者过渡配合,即使间隙内存有异物,也不妨碍电极材料的导电性能。

3 室内试验

为了验证井下丢手对接装置及电缆二次对接装置能否实现密封、绝缘、分离与对接动作,进行了室内试验。室内试验包括绝缘耐压试验、耐温试验和对接性试验。

3.1 绝缘耐压试验

加压泵加压至15 MPa,对井下丢手对接器与电缆重复对接器进行对接。电缆出口处连接调压器,电压从50 V调节至220 V,利用万用表测试两者之间的电流,电流一直为0,这说明对接装置之间的绝缘层未被击穿。

3.2 耐温试验

将试验装置放置在温控箱内,加压泵加压至15 MPa,供热电压为220 V时,对井下丢手对接器进行耐温试验。在温度变化过程中,系统绝缘电阻值大于100 MΩ,这说明装置绝缘性良好,可以满足现场使用要求。

3.3 对接性试验

将丢手对接装置和过电缆封隔器、电控分层配产器连接在一起,投送管柱下入到100 m深的模拟井底,加压15 MPa,封隔器坐封。继续加压至20 MPa,井下丢手对接器丢手部分压力突降,正常丢手,将丢手部分取出,然后下入配产管柱,进行井下电缆重复对接。用万用表测量丢手部分绝缘电阻值,发现电阻值大于100 MΩ,说明电路绝缘性良好。生产管柱上提0.5 m后,再次用万用表测量电缆绝缘电阻值,电阻值仍大于100 MΩ,说明伸缩对接部分工作正常[8-9]

以上各项试验,井下丢手对接装置和电缆二次对接装置的各项指标均达到了设计要求。

4 现场应用情况

截至2017年12月,井下信号电缆二次对接技术已经在胜利油田东辛采油厂和现河采油厂成功应用10井次。井下丢手对接装置和电缆二次对接装置作业过程中,最大井斜59°,最大井深2 630 m,对接成功率90%,通信测试正常,平均寿命超过1 a。以DXX34X70井为例,该井开发层系沙二2(4)、沙二2(5),最大井斜58.1°,设计泵挂深度1 750 m,丢手对接位置1 800 m。配产管柱下到预定深度,正加压20 MPa完成丢手。然后下入生产管柱,管柱下至距离对接点10 m以上位置时,缓慢下放进行电缆对接。确定电缆对接成功后,上提0.5 m,用万用表测量电缆缆芯与外皮的绝缘电阻,阻值为210 MΩ,说明电路绝缘性良好。完井后通过对电控分层配产器进行开关调节,该井含水体积分数由99.1%下降到97.4%,达到了控水增油目的。目前该井已经正常运行400 d以上。与该油田应用的一体式分层测控工艺技术相比,该井下信号电缆二次对接技术延长了配产管柱及生产管柱的寿命,降低了作业成本。

5 结论与建议

(1) 针对油井的智能完井技术,研制开发了一种智能井井下电缆对接工具。该工具实现了井下生产管柱分离和快速对接,其应用可降低作业成本,有利于智能井技术的大面积推广。

(2) 丢手对接装置和电缆二次对接装置之间设置机械锁紧机构,确保了对接后不轻易脱离。同时,电缆二次对接机构设置伸缩补偿机构,生产管柱蠕动时,测控管柱不动,延长了生产管柱寿命。

(3) 建议进一步深入开展智能完井管柱配套井下长寿命测控工具的研究工作,进一步扩大其应用规模,尽可能在应用过程中提高该技术的可靠性。

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文章信息

任从坤
Ren Congkun
井下信号电缆二次对接技术研究与应用
Secondary Docking Technology for Downhole Signal Cable
石油机械, 2019, 47(1): 111-114
China Petroleum Machinery, 2019, 47(1): 111-114.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2019.01.018

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收稿日期: 2018-09-17

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