連續油管電纜安裝系統的開發

楊社民 編譯

（中國石油集團東南亞管道有限公司，北京100028）

連續油管電纜安裝系統的開發

楊社民 編譯

（中國石油集團東南亞管道有限公司，北京100028）

開發出了一個可以纏繞在卷筒上的連續油管內注入、注出電力電纜安裝系統。介紹了該安裝系統的油田需求、開發此系統所用理論、該安裝系統的各部分裝置以及應用案例。該電纜安裝系統工作壓力為51.72 MPa（7 500 psi），與以前的安裝方法相比，大大降低了電纜安裝成本，完全滿足在較長連續油管內安裝電纜的需求。

連續油管；電纜；安裝系統；開發

1 概 述

20世紀80年代中期，帶電纜連續油管首次用于測井。由于連續油管是油田現場水平井測井作業唯一實用的工具，所以一開始就倍受青睞。然而，由于作業成本較高，使連續油管測井作業發展停滯。主要原因是：①在連續油管內部和連續油管達到壽命極限時，安裝在連續油管內部的電纜注出時的成本非常高；②沒有開發出用于連續油管測井作業的專用工具，測井作業時通常需要連續油管作業和測井作業兩家公司。

目前已成功開發出在連續管內安裝電纜所需的裝備與工具，并應用于連續油管測井作業和鉆井作業。本研究重點介紹連續油管電纜安裝系統。

過去連續油管內安裝電纜通常采用3種方法：①將電纜穿入懸掛在井里的連續油管，將連續油管從井里起出、盤卷；②連續油管水平鋪開，將電纜注射、穿過連續油管；③在制造過程中，將一根較細的牽引鋼繩置入連續油管，然后將連續油管水平鋪開，用牽引鋼繩將電纜拖入連續油管。

這些安裝方法的成本高，每次安裝費都在15 000～25 000美元。若連續管在服役過程中出現問題，就必須取出電纜，進行修復后重新安裝。

目前，研發出了可將電纜注入纏繞在滾筒上的連續油管的系統。此安裝方法大大降低了安裝成本，較常規的安裝方法，該方法更具優勢。

2 連續油管電纜安裝系統

2.1 將電纜注入、注出連續油管

在過去幾年，服務公司已經能夠將電纜注出連續油管。將泵連接到帶有電纜的連續油管一端，將水注入連續油管，不斷增加流速，直至電纜移動，直到電纜從連續油管的另一端穿出。通常，電纜運動沒有規律性，也不可整齊地纏回電纜盤。

由于絞盤效應，開始有人認為在連續管內注水不會使電纜移動。然而，由于水的湍流消除了電纜與連續油管之間的摩擦，使電纜在連續油管內振動或飄動，消除了絞盤效應。通過電纜的液體粘性剪切張力給電纜施加一個軸向力，使電纜順著水流的方向移動。

將電纜注人到纏繞在滾筒上的連續油管更加困難。在流體注入時，盡管電纜與流體以相同的方向移動，但電纜必須和泵從同一端進入連續油管內（如圖1所示）。線纜壓力控制頭被稱作密封箱，在電纜進入被泵注入的高壓液體時，用來將電纜周圍密封起來，然而，巨大的力被用來將電纜推進以頂住這個壓力。前面提及的粘性剪切張力不足于抵消這個力，此力等于壓力乘以電纜的橫截面積。密封箱外邊的裝置用來壓緊電纜，但大部分電纜被這種大的壓縮力壓壞。因此，需要一個裝置能夠在密封箱內運作，并使電纜通過密封箱。此裝置被稱作“電纜注入器”。

圖1 電纜注入連續油管過程示意圖

人們發現電纜注入器可以反向使用，如圖2所示。這樣可以防止前面提到的電纜無規律運動，并使電纜在被抽出時可以順利纏到卷筒上。

圖2 電纜注出連續油管過程示意圖

2.2 電纜注入器

電纜注入器是成功通過泵送方法進行電纜注入和注出的關鍵，能夠牽引電纜通過密封箱。幾種不同類型電纜注入器構想如圖3所示。

圖3 電纜注入器構想示意圖

2.2.1 輥式注入器

第一個構想包括在壓力箱內采用一些電動輥牽引電纜通過密封箱。此裝置有兩大隱患：一是如果電纜在連續管內停止向前移動，輥輪將繼續向前推動電纜，使電纜受壓，并有可能導致電纜損壞；二是輥輪必須壓緊電纜，但輥輪與電纜的接觸面積較小，如果接觸力過大有可能損壞電纜。

2.2.2 流量管注入器

此構想包括配備一根長流量管的電纜注入器，電纜隨著流體通過流量管將電纜注入連續油管。電纜上的壓降及粘性剪切力能夠產生將電纜牽引進密封箱的軸向力。該方法的隱患是如果電纜在卷筒上的連續管內停止向前移動，那么電纜將會受壓。一家公司采用此構想成功開發出了電纜注入器。

2.2.3 封閉式線纜卷筒

另一個構想是將整個線纜卷筒封閉在一個高壓箱內，將電纜送出此箱內并直接送入連續油管。這將省掉了密封箱及電纜注入器。然而，它將需要一個很大、很重且價格昂貴的壓力箱。但是，在這種壓力容器內電纜注出的控制較為困難。

2.2.4 制動注入器

有人提出建立一個像沖程運動裝置的電纜注入器。它將抓住電纜，并握住電纜向前移動到一定距離后，裝置放開電纜返回，然后再次重復此行程。但是，當電纜停止移動時，電纜會受壓。

2.2.5 牽引式注入器

該裝置采用牽引器裝置來牽引電纜，非常像連續油管注入器的注入頭移動連續油管。此牽引器位于壓力箱內，將負荷分散到整個牽引器的長度，從而解決了電纜局部負荷過大的問題。但是，當電纜不移動時，需要控制牽引式注入器以免壓壞電纜。

2.2.6 絞盤注入器

該裝置將電纜在壓力箱內被數次纏繞到電動輪或絞盤上，纏著電纜的旋轉輪會將張力倍增，在旋轉相同方向，若小的張力在電纜的一端拉住電纜，那么將會在電纜的相反端產生更大的張力。由于該裝置是自控的，因此絞盤不會使電纜受壓。

2.3 絞盤注入器設計

由旋轉輪或絞盤產生的張力放大被稱為“絞盤效應”。絞盤放大是電纜和旋轉輪之間的摩擦，以及電纜纏繞旋轉輪旋轉角度的作用。如果電纜纏繞旋轉輪2次，將有720°的旋轉。

絞盤放大系數可用公式（1）表示

式中：Toutput—放大后電纜受到的張力；

Tinput—放大前電纜受到的張力；

β—纏繞圈數×2π；

μ—電纜和選轉輪之間的摩擦系數。

鋼和鋼之間的摩擦系數為0.15～0.2。利用公式（1）計算的放大系數見表1。如果轉輪上涂有潤滑脂，摩擦系數將較小，放大系數也隨之減小。

表1 絞盤放大系數計算結果

絞盤的優點在于自我控制。若電纜因故停在連續油管中，這將使電纜在連續油管滾筒入口處沒有張力，致使絞盤不產生輸出張力，絞盤不能推動松弛的電纜并且由于沒有壓力而損壞電纜。

然而，絞盤需要足夠的初張力來產生所需的輸出張力以便牽引電纜通過密封箱。電纜上的粘性剪切張力有可能不夠大以產生所需的初張力。

要產生一定的初張力，需要通過泵注入的流體流量被分流并通過2個入口進入系統，如圖4所示。在2個入口間安裝節流孔，其間壓差由阻流器控制，此系統稱作預緊器，為絞盤放大提供必要的張力。

圖4 電纜注入器結構示意圖

圖5給出了幾種不同類型的絞盤電纜注入器設計方案，均采用絞盤來移動電纜。

圖5 絞盤電纜注入器設計概念

2.3.1 帶大型動態密封的單輪

此概念包括在單輪外邊緣裝上大型（直徑508 mm）高壓動態密封，被密封在一個壓力腔內。這個構想稱為最初設計，因為它可能是最容易裝卸，并在現場容易使用。然而，它在壓力1.38 MPa（200 psi）以上時會停止旋轉，因為每當加壓時，動態密封就會鎖定。

2.3.2 壓力箱內雙輪結構

此構想是將兩個旋轉輪裝在一個壓力箱內，這些轉輪帶有電纜凹槽，這在單輪設計中無法實現。通過兩個旋轉輪，電纜不會像單輪設計那樣在一個轉輪上滑。此構想由于其成本高而被放棄。

2.3.3 往復管

該構想是一個纏繞幾圈的管道，管道可以是連續油管，它將繞著一個軸進行往復運動。電纜通過此管進入連續油管，當管子和電纜運動方向相同時，電纜被一起牽引運動；當運動方向相反時，電纜將在管內保持靜止。在這種方式下，電纜將被 “停留”在滾筒里。此概念被否定是由于電纜將需在零星運動下移動，而不是在恒速下運動。

2.3.4 壓力箱內的轉輪

此構想是將一個單輪完全裝入壓力箱內。當前面所述的第一個構想在進行大型動態密封試驗時，該構想已經被采用并應用在最終的產品中。

2.4 電纜注入系統設計

電纜注入系統最終設計的工作壓力為51.7 MPa（7 500 psi）， 如圖6所示。

圖6 電纜注入系統設計圖

2.5 電纜卷纜機

試驗期間發現所用電纜的扭矩足以損壞電纜注入器的入口，需要通過旋轉電纜卷筒以消除此扭矩。圖6所示電纜卷纜機允許電纜卷筒繞著垂直軸方向旋轉，在電纜盤上方一個可旋轉的槽輪，電纜通過可旋轉槽輪后，經過一個與密封箱中心平行的定滑輪穿入注入器對中。

2.6 電纜注入器撬

電纜注入器撬最左邊的裝置是一個機械計數器以測量所安裝電纜的長度。經過計數器后，電纜進入密封箱。此密封箱用注脂系統防止井筒（眼）流體的滲漏。由于電纜上的油脂大大降低了摩擦系數，從而也降低了絞盤的效率（見表1），因此不再使用注脂系統。取而代之，允許少量的水在流管中流動并返回到儲罐內。

密封箱附加在電纜注入器上（見圖4）。電纜進入注入器時從左上角沿切線纏繞到卷軸上，環繞轉輪5次后從右上角沿轉輪切線方向出密封箱。當電纜通過轉輪的表面時，靜止的、帶線槽的“定子”導入電纜，以避免電纜在注入器內無序纏繞。

2.7 預緊器

電纜從注入器出來進入預緊器。在預緊器中電纜通過帶有內徑比電纜直徑稍微大一些的節流管。在節流孔上游入口和下游入口間，采用阻流器控制水的入口流量，從而控制通過節流孔的流體壓降。此壓降對節流孔和電纜注入器之間的電纜產生一定的張力，使電纜注入器輸入張力放大。

2.8 連續油管滾筒

電纜從預緊器出來后，電纜和水流進入滾筒上的連續油管。當流速足夠高時可使電纜在連續油管內波動，電纜表面的剪切摩擦力使電纜通過連續油管向前移動。

2.9 速度測量

采用電子儀器測量電纜及轉輪外的速度，這兩種速度在安裝時應該相同，雖然曾經運行速度超過67m/min，但通常的安裝速度約為40m/min。

2.10 儲罐

注入電纜時通常需要采用超大功率連續泵入1～2 h，被注入的水會產生巨大的熱能，致使溫度上升，因此，需要配置一個大型儲罐避免水過熱（沸騰）。

3 結 語

開發的連續油管內注入、注出電纜的安裝系統，可大大降低電纜安裝成本。目前，已有3套安裝系統投入使用，數套系統正在計劃中。目前，正在開發工作壓力為69 MPa（10 000 psi）的安裝系統以滿足在較長連續油管內安裝電纜的需求。

譯自：NEWMAN K R,HAVER N A,STONE L R,et al.Development of a Coiled Tubing Cable Installation System[C]//Presentation at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition.SPE,30679,1995.

Development of a Coiled Tubing Cable Installation System

Edited and Translated by YANG Shemin
（CNPC South-East Asia Pipeline Co.,Ltd.,Beijing 100028,China）

A system has been developed which installs and de-installs an electric wireline cable in Coiled Tubing（CT） while the CT is still on the reel.This paper discuss the need for such a system,the theory used to develop this system,the various concepts considered,the system that was developed and test installation cases.The working pressure of this cable installation system is 51.72 MPa（7 500 psi）.This cable installation system reduces the cost of a cable installation significantly compared with previous installation methods,and can fully meet the requiremetns of installation cable in long coiled tubing.

coiled tubing；cable；installation system；development

TE93

B

1001－3938（2015）10-0065-04

楊社民 （1963—），男，現在中國石油東南亞管道有限公司工作。

2015-08-20

羅 剛