Y管柱潛油電泵機組引接電纜保護器改進

杜丹陽，馬緒鵬，王鳳桐，李令喜，甄東芳

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

Y管柱潛油電泵機組引接電纜保護器改進

杜丹陽，馬緒鵬，王鳳桐，李令喜，甄東芳

(中海油能源發展股份有限公司 工程技術分公司，天津 300452)

現有Y管柱引接電纜保護器在油田作業時存在引接電纜無法安裝的問題，且一種型號的引接電纜保護器只能對應固定的機組縮頸尺寸及引接電纜，導致其種類繁多，作業準備時間較長。通過對潛油電泵機組各部分連接角度組合的分析，優化結構，將原有電纜槽的寬度增加至53mm，使得引接電纜有15°的旋轉空間，確保引接電纜的正確安裝；將原有引接電纜保護器的鉸接結構改為銷軸-圓弧滑道結構，使3種型號的引接電纜保護器涵蓋機組縮頸為56～90mm；通過在電纜槽增加可調節裝置，使新型引接電纜保護器實現了對AWG4#、AWG5#、AWG6#引接電纜的通用性。新型引接電纜保護器已在海上油田成功應用300多井次，取得良好效果。

潛油電泵機組；引接電纜保護器；可調式；Y型管柱

我國海上油田85%的機采井采用潛油電泵[1]，其電力傳輸主要是通過平臺電網、地面電氣控制設備，經潛油動力電纜及潛油電機引接電纜傳輸至潛油電機完成的[2]。由于潛油引接電纜在井下幾百米甚至3000～4000 m處工作，因此需要使用電纜保護器將其固定在油管或電泵機組上，避免起下井過程中與套管壁發生剮蹭，造成引接電纜損傷。隨著油田Y管柱生產井增多，引接電纜保護器在滿足最大投影尺寸小于生產套管有限作業空間及結構強度兩方面需求下，又要實現對引接電纜有效緊固的作業需求。現有Y管柱引接電纜保護器由于設計中存在缺陷，油田作業過程中多次出現引接電纜無法進入保護器電纜槽，導致下井過程中引接電纜擠傷、小扁頭開裂等現象，進而導致引接電纜電氣絕緣性能降低甚至電泵機組故障，給油田生產帶來巨大損失[3-4]；同時，現有的引接電纜保護器一種型號只能對應一種機組縮頸尺寸及引接電纜尺寸，導致現有保護器型號多達30多種，增加了出海作業準備時間及庫存壓力。

1 現有Y管柱安裝引接電纜保護器問題及分析

1.1 引接電纜保護器電纜槽與引接電纜無法有效配合

Y型管柱電泵機組連接過程中，先將泵出口接頭與上端油管短節螺紋連接，然后將電機、保護器、分離器、離心泵依次法蘭連接，最后將泵出口接頭與離心泵通過法蘭連接，如圖1所示。

圖1 Y型管柱電泵機組示意

由于電泵機組各部分法蘭連接螺栓數量不一致(如表1)，連接完成后，電機頭部引接電纜安裝位置將會與電機及旁通油管中心連線形成一個角度A，而引接電纜保護器中引接電纜槽的中心線與電機及旁通油管中心連線為固定角度B，當∠A與∠B差距超過3°時，引接電纜將無法進入保護器電纜槽中(只針對電機-保護器)，如圖2所示。

圖2 引接電纜安裝示意

針對這種情況，通常會依次旋轉泵以下機組、保護器以下機組一定角度，最終使得電機旋轉一定角度，使得引接電纜與保護器電纜槽配合。以目前常用的國產114系列和138系列電泵機組為例，通過調節機組各部分連接法蘭位置，機組徑向可調節最小角度分別為15°和25.7°，而影響角A與角B差值的最大角度為其一半，即約為7.5°和13°。機組各部分通過調整法蘭連接位置而改變的徑向角度分析如表1。

以機組配置規格I為例，當∠A-∠B的差值為17°時，首先順時針(從井口往下看)旋轉保護器及電機60°(即順延保護器上接頭一個螺栓孔)，然后逆時針(從井口往下看)旋轉泵及泵以下機組45°(即順延泵出口接頭一個螺栓孔)，此時∠A-∠B=2°，引接電纜可以與保護器的電纜槽配合。當∠A-∠B的差值為21°時，按照此種方式調節后，∠A-∠B的差值為6°，引接電纜仍無法與保護器的電纜槽配合。如果借助外力，強行將引接電纜安入引接電纜保護器電纜槽中，將會導致引接電纜與電極頭連接位置密封失效或是引接電纜頭開裂，導致機組絕緣失效，造成機組故障[5-7]。

表1 114及138系列電泵機組各部分法蘭連接對應關系

表1(續)

1.2 機組縮頸尺寸問題

由于電泵機組系列、廠家等原因，同一系列機組縮頸外徑尺寸存在差異，如表2所示。例如，540系列潛油泵，國內某廠家潛油泵縮頸尺寸為89.7 mm，而國外某廠家潛油泵縮頸則為82.8 mm。現有引接電纜保護器，為將引接電纜緊固，針對每一種縮頸尺寸均設計一種引接電纜保護器，導致現有引接電纜保護器型號繁多，增加出海作業準備時間與難度，同時增加庫存壓力。

1.3 引接電纜外形尺寸問題

海上油田常用引接電纜型號為AWG4#、AWG5#、AWG6#，3種型號的引接電纜的外形尺寸如表3。由表3可以看出，3種型號引接電纜的寬度與厚度均存在差值，如AWG4#引接電纜，寬度最大差值為7.12 mm，厚度最大差值為2.4 mm。現有的引接電纜保護器，一種型號只能適用一種外形尺寸的引接電纜，增加了引接電纜保護器的種類。

表2 不同系列機組縮頸外徑尺寸

表3 潛油電泵機組用引接電纜尺寸

2 引接電纜保護器設計優化

2.1 整體結構

Y管柱用引接電纜保護器主要由上卡環、下卡環、圓柱銷、緊固螺栓等構成。KT90型號引接電纜保護器結構如圖3。上、下卡環通過圓柱銷鉸接連接，并由緊固螺栓緊固；二者形成的左側環形空間與機組縮頸配合，右側環形空間與旁通管配合，2個環形空間的中心距常用Y接頭型號Y216設計為106.2 mm；上卡環開有引接電纜槽，同時為避免此處強度較低，上卡環外側增加加強筋，提高其強度；上、下卡環對應位置開有11 mm×11 mm管線槽，底角進行圓弧過渡，可允許6.35 mm(1/4英寸)、9.525 mm(3/8英寸)及11 mm×11 mm 3種外形結構的管線通過。

a 整體結構

b 加強筋

c 三維圖1

d 三維圖2

2.2 針對AWG4#、AWG5#、AWG6#3種規格引接電纜通用化優化改進

針對引接電纜的通用性，新設計的引接電纜保護器需要解決2個問題：

1) 引接電纜保護器電纜槽要適用3種型號的引接電纜，并確保引接電纜于電纜槽中有至少12.5°的活動空間，確保引接電纜能順利進入電纜槽。

2) AWG4#、AWG5#、AWG6#3種型號的引接電纜由于厚度存在較大差異，新設計的引接電纜保護器要確保引接電纜的緊固，避免引接電纜出現松動。

2.2.1 電纜槽結構設計

引接電纜安裝過程中，為確保作業方便，圖2中∠B應大于20°(角度再減小時引接電纜進入機組和油管間夾角內，不方便作業安裝操作)；同時，為降低電纜與套管壁接觸的風險，∠B應小于60°。

為確保引接電纜能順利進入引接電纜保護器的電纜槽，引接電纜于電纜槽中應至少有12.5°的活動空間。AWG4#、AWG5#、AWG6#3種規格的引接電纜中，AWG4#引接電纜的外形尺寸最大(GB/T 16750—2008中要求最大尺寸不大于15 mm×37 mm)。新設計的引接電纜保護器的電纜槽應滿足AWG4#引接電纜于電纜槽中至少有12.5°的活動空間。

新設計的引接電纜保護器的電纜槽如圖4所示。將現有AWG4#引接電纜保護器電纜槽的寬度由37 mm增加到53 mm，同時確保AWG4#引接電纜于電纜槽中有15°的活動空間；且電纜槽底角進行圓弧過渡，以適應引接電纜在槽內的旋轉。

圖4 引接電纜保護器電纜槽優化示意

2.2.2 緊固結構設計

新設計的引接電纜保護器電纜槽所安裝引接電纜的厚度最大為15 mm，即AWG4#引接電纜的最大厚度，如圖5所示。

圖5 電纜槽結構示意

當AWG5#與AWG6#引接電纜安裝時，引接電纜將無法得到有效的緊固，針對此種問題，于電纜槽位置添加緊固裝置，如圖6所示。當安裝AWG5#與AWG6#引接電纜時，通過旋進內六角螺釘，使得與內六角螺釘配合的圓形壓板前移，將AWG5#與AWG6#引接電纜緊固，實現新型引接電纜保護器對3種型號引接電纜的通用性。

圖6 電纜槽緊固裝置

2.3 對不同型號機組縮頸尺寸通用性結構設計

與引接電纜保護器配合的電泵機組縮頸外徑為57.2～90 mm。針對該情況，設計3種型號的引接電纜保護器來實現機組縮頸尺寸的通用性，如表4。

表4 三種型號引接電纜保護器使用機組縮頸范圍

新設計的引接電纜保護器將原來的鉸接結構改為銷軸-圓弧滑道結構，上、下卡環通過銷軸連接，通過銷軸在圓弧滑道內的滑動來實現引接電纜保護器對不同尺寸機組縮頸的配合，同時通過擰緊緊固螺栓將上、下卡環最終固定。如圖7所示。

圖7 引接電纜保護器銷軸-圓弧滑道示意

通過改進，新型引接電纜保護器可實現對不同系列機組及AWG4#、AWG5#、AWG6#3種規格引接電纜的通用性，整體結構如圖8。

a 三維圖

b 實物

3 現場應用

改進后的引接電纜保護器可實現對不同系列機組縮頸及AWG4#、AWG5#、AWG6#3種規格引接電纜的通用性，已在渤海油田應用300多井次，現場使用效果良好。如圖9。

圖9 現場安裝照片

4 結論

1) 分析了現有Y管柱引接電纜保護器存在的問題。通過結構優化，新型引接電纜保護器實現了機組縮頸及引接電纜的通用性。

2) 通過對電泵作業過程及各種型號機組連接情況分析，造成引接電纜保護器無法安裝的主要問題在于泵出口接頭與其上油管短節螺紋連接引起的機組徑向角度變化。經結構優化，將原有引接電纜保護器電纜槽寬度增加至53 mm，使得引接電纜于電纜槽中有15°的旋轉空間，確保引接電纜的正確安裝。

3) 將原有引接電纜保護器的鉸接結構優化為銷軸-圓弧滑道結構，使得3種型號引接電纜保護器適用機組縮頸56～90 mm，滿足油田需求。

4) 通過拓寬引接電纜保護器電纜槽寬和增加調節裝置，實現新型引接電纜保護器對AWG4#、AWG5#、AWG6#3種規格的引接電纜的通用性。

5) 使用新型引接電纜保護器，減少作業準備時間及庫存壓力，已成功在海上油田應用300余井次，取得良好效果。

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MLE Protector Improvement of Electric Submersible Pump for Y String

DU Danyang，MA Xupeng，WANG Fengtong，LI Lingxi，ZHEN Dongfang

(EnerTech-drilling & Production Co.，CNOOC，Tianjin 300452，China)

The existing MLE protectors for Y string have a problem that MLE sometimes can't be installed in oilfield operations，and each type of MLE protectors can be used for corresponding ESP neck and MLE，which will lead to a great variety and a long time preparing for operation.To make sure that the MLE can be installed rightly through analyzing connection angles of each part of ESP units and optimize its structure，the width of original cable tray will be increased to 53 mm，which makes MLE with 15° rotating space.Original hinged structure of MLE protector will be changed to pin roll- arc slide structure，and three types of MLE protectors can be suitable for 56～90 mm of unit neck.The generality of new MLE protectors for AWG4#，AWG5#，AWG6#can be realized through increasing the adjustable device in the cable tray.The new MLE protectors have been successfully applied for more than 300 wells in offshore oilfield with good performance.

ESP；MLE protector；adjustable；Y string

1001-3482(2017)04-0069-06

2017-01-19

杜丹陽(1981-)，男，吉林長春人，碩士，主要從事潛油電泵技術研究工作，E-mail：geonitz@163.com。

TE

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.017