一種大功率傳輸電纜與井下換能器連接裝置結構設計研究*

董懷榮

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257000）

1 概述

在石油開發工程中，為了提高采收率，經常采用壓裂、酸化等化學處理工藝措施，尤其是當前頁巖油氣層勘探開發過程中幾乎都要用到壓裂工藝，另外在低滲透或致密油氣藏的開發也要用到壓裂工藝對地層進行改造以大幅度提高油氣產量。但是無論是酸化工藝還是壓裂工藝，都是將地面調配好的高分子聚合物溶液流體擠入地層，對地層造成一定程度的污染，因此當前一些綠色無污染增產工藝技術備受青睞。超聲波處理油層技術就是物理法增產措施之一，與壓裂、酸化、擠液、蒸汽吞吐等傳統的化學法增產技術相比，具有以下優勢[1-2]：

（1）超聲波對油層處理作用迅速，措施見效快且明顯。

（2）超聲波處理油層系統設備及施工費用相對較低，一般對1000～3000m 油水井進行一次聲波處理所花的費用僅為常規壓裂的五分之一左右。

（3）壓裂、酸化等化學法處理是將流體擠入地層，容易形成二次污染，而超聲波處理油層技術是依靠物理作用將污染物排出地層，沒有對地層形成新的污染。

（4）壓裂、酸化等工藝對于固井質量不好以及套管變形、破損的井施工困難，甚至無法施工；超聲波處理油層技術只要尺寸較小的井下換能器能夠下入井筒，便可正常施工。

（5）壓裂、酸化等工藝動用設備和施工人員多，工藝復雜；超聲波處理油層技術只需一臺地面纏繞有專門電纜的絞車，4～5 人即可完成全部作業，設備及工藝非常簡單，地面所需空間小。

對地層進行超聲波處理需要通過一套超聲波處理油層系統進行作業完成，該系統主要由地面超聲波電源、傳輸電纜、馬籠頭和井下換能器等組成，系統工作時，地面超聲波電源首先將井場380V/50Hz 的工頻交流電升頻、升壓為頻率為5～35kHz、電壓為900、1300或1700V 的超聲電功率，然后超聲電功率經幾千米的專用電纜傳輸到井下的馬籠頭，再傳輸到在油水井井底射孔段工作的井下超聲波換能器，超聲波換能器中的壓電換能元件將超聲電功率轉化為換能元件的機械振動，此機械振動通過換能器內的硅油和換能器輻射外殼傳播進入井中液體，通過井中液體耦合作用經射孔進入油層，大功率高頻機械振動即超聲波在油層中強烈振動，使堵塞的顆粒剝落而疏通孔隙，提高其滲透率，因此產量下降的油水井經超聲設備處理后，可提高油井產量和水井注水量，從而提高原油采收率。

2 國內外馬籠頭研究現狀

在石油工程領域鉆井、測井、油水井測試作業過程中，馬籠頭是應用電纜傳輸作業時傳輸電纜與井下儀器之間的連接儀器。目前服務于石油工程現場的絕大多數是純機械結構、帶有拉斷弱點(即拉力棒)的常規馬籠頭。雖然技術已經比較成熟，但在使用中的一些缺點是無法克服的。油田生產測井過程中所使用的直徑?38mm 測井儀器，是在套管中完成測井任務的，該儀器與單芯側井電纜的連接也是通過馬籠頭來實現的，由于單芯側井電纜的直徑(?5.6mm)比一般的7芯電纜的直徑還小，抗拉強度遠不如7芯電纜，所以在生產測井過程中也同樣存在需要保護單芯測井電纜的問題，因此需要研制一種?38mm 可釋放馬籠頭。從最初引進的美國哈里伯頓公司生產的RWCH可釋放馬籠頭不久，國內就開始了該種測井馬籠頭的國產化研制，RWCH 是Releasable Wireline Cable Head 的縮寫，這種測井馬籠頭是7芯測井電纜與測井儀器的連接體，具有電纜頭張力測量，電纜頭井溫測量和能夠加熱使得電纜與儀器分離的釋放功能，這些功能都是比較實用的，但是由于它的本體長度太長(長度約1.95m)，現場使用極為不便，所以并不被人們看好。

中石油川慶鉆探公司測井公司等針對這種馬籠頭的缺點，研制出了5700 型和2530 型可釋放馬籠頭，它們都繼承了美國哈里伯頓公司可釋放馬籠頭能夠釋放電纜的優點，摒棄了它的長度太長、質量過重、維修保養復雜等不足之處。5700 型和2530 型可釋放馬籠頭由地面專用供電測量面板和井下可釋放馬籠頭兩部分組成。（1）地面專用供電測量面板的功能包括：①給加熱器提供工作電壓；②測量并顯示加熱器的溫度；③電纜頭張力顯示和記錄；④給井下提供繼電器換擋；（2）井下可釋放馬籠頭的主要功能有：①與測井儀器連接；②通過繼電器組合分配纜芯完成多種功能；③可釋放電纜；④電纜頭張力測量并上傳地面；⑤內部加熱器溫度測量并上傳地面。通過5個特制鋼球來實現電纜與儀器中心桿的連接，結構尺寸小巧緊湊，簡單靈活，針對川渝地區深井和超深井較多、地質構造復雜等特點，設計有保護彈簧，是用來保護單芯測井電纜不被折斷，保護彈簧連接的釋放桿也就是電纜的外錐套，同時也是釋放電纜后一同和電纜被拉出的部分；鋼球及鋼球鎖套、釋放套組成了它的釋放執行機構；加熱器、特種合金、電子線路組成了電加熱釋放的部分；中心桿、密封接頭、主體外殼、2 套單芯密封塞組成了一個耐壓密封空間，給加熱器和電子線路提供一個正常工作的環境，主體外殼下部螺紋做成了測井儀器的標準接口螺紋[3]。

現有的測井用馬籠頭，在井筒遇卡時不能反映出是儀器遇卡還是電纜粘結。在放、收電纜時不能反映出拉力棒的受力情況，因此中國石油集團測井有限公司大慶分公司研制成功帶有測量測井井下儀器拉力功能的張力馬籠頭。將張力測量功能集成到馬籠頭內，既不影響儀器串整體長度，還實現了井下儀器的張力測量功能，很好的實現了工程安全的監控和預防。張力馬籠頭的性能和功能不僅涵蓋了雙弱點馬籠頭和張力短接兩個儀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。這種張力測量功能的馬籠頭長度和重量大幅度降低，僅為原來儀器的三分之二；降低了現場操作人員的工作強度,改善了儀器工作狀態；減少了連接部件數量,相對降低了故障出現的概率；一般普通短接的連接螺紋套材料為銅材,此馬籠頭選用了鈦合金Tc6，強度提高了1～2倍，提高了儀器的安全性；對張力馬籠頭的弱點裝置進一步進行了優化設計,提高了其可靠性。通過張力顯示，可以直觀地反映井下儀器在井筒內的運動和受力狀況。井下儀器遇阻時張力減小，遇卡時張力增大；杜絕電纜打扭事故的發生。發生事故時，可直觀反映是儀器遇卡還是電纜遇卡，為故障處理提供有效的力學參數依據和決策支持，并有效地保護測井電纜和井下儀器的安全[4-5]。

另外在石油工程油水井測試過程也用到馬籠頭，中石油華北油田研制一種油水井測試電纜用馬籠頭，其結構組成主要有馬籠頭本體、錐套、內部連接機構、壓帽組成，把馬籠頭上下端接線柱由原來的軟線連接改進為可以旋轉活動的插頭插座式硬連接，轉動自如，上下緊密接觸，不脫離，因為是活動連接，不會發生井下與井上地面通訊線路斷開或斷了之后碰到內壁發生短路情況，大大提供油水井測試過程順利進行和安全施工[6]。

一般在射孔或測井時，電纜傳輸的電流和電壓都較低，電流只有10A 左右，電壓不超過220V；而大功率超聲波油層處理系統，其傳輸電壓和電流都很高，脈沖電流可達100A，脈沖電壓最高可達1700V，因此用于射孔或測井作業的馬籠頭不能滿足超聲波采油作業要求。另外傳統的馬籠頭采用接線片連接方式，這種連接方式連接過程繁瑣，且連接時接線片往往會沾上油、水等污物，容易造成絕緣不好，引起井下儀器故障。為此需要專門研制大功率超聲波處理油層系統用專用馬籠。

3 總體結構與參數設計

大功率超聲波油層處理系統用馬籠頭總體結構設計如圖1所示，分為四個部分，即電纜鋼鎧固定部分、弱點構件部分、隔離段部分和插件連接部分，內部充滿硅脂，用于絕緣；馬籠頭上端與大功率超聲波傳輸電纜相連，下端與井下超聲波換能器相連[7]。

圖1 馬籠頭總體結構設計示意圖

目前在油田應用的大功率超聲波油層處理系統中井下馬籠頭主要技術指標如下：

耐壓：30MPa；

耐溫：120℃；

額定電流：100A；

額定電壓：1700V；

外徑：89mm。

4 馬籠頭各部分詳細結構設計

4.1 電纜鋼鎧固定部分結構設計

電纜鋼鎧固定部分結構如圖2所示，電纜外層鋼絲固定在鋼鎧固定件1與鋼鎧固定件2之間，電纜內層鋼絲固定在鋼鎧固定件2 與鋼鎧固定件3 之間。鋼鎧固定件1、鋼鎧固定件2、鋼鎧固定件3 設計有合理的錐度，一般為1∶3錐度，從而使電纜鋼絲與固定件之間連接牢固。

圖2 電纜鋼鎧固定部分結構設計示意圖

4.2 弱點構件部分結構設計

弱點構件部分如圖3 所示，由傳力件、拉力桿和鎖位件等組成，電纜鋼鎧固定件、傳力件、拉力桿和馬籠頭下接頭之間通過螺紋連接。電纜鋼絲拉力通過鋼鎧固定件依次傳遞到傳力件、拉力桿，其中拉力桿為弱點，其設計承載能力為2t。在現場作業從油井中快速起升傳輸電纜時，若儀器遇阻，且阻力超過弱點的承載能力，弱點拉斷，弱點以下部分及井下超聲換能器掉入井底，以免拉斷電纜或井口發生意外。鎖位件用于固定拉力桿中部，限制拉力桿與傳力件、拉力桿與馬籠頭末端之間發生相對旋轉。弱點構件部分內部充滿用于絕緣的硅脂。

圖3 弱點構件部分結構設計示意圖

4.3 隔離部分結構設計

隔離段如圖4所示，由玻璃鋼棒、過線桿、連接螺釘和密封圈等組成，接線片、過線桿和連接螺釘材料為黃銅。玻璃鋼棒與過線桿之間、螺釘與過線桿之間都用螺紋連接。玻璃鋼棒起絕緣、支撐作用，玻璃鋼棒上設有兩道密封圈，用于隔離段左右兩側的密封。

圖4 隔離段結構設計示意圖

4.4 插件連接部分結構設計

如圖5所示，馬籠頭與換能器之間插件連接部分包括馬籠頭下接頭、換能器上接頭、插件座、防爆插頭、防爆插座組成。插件座材料為聚四氟乙烯，形狀為圓柱體，加工有兩個插件通孔，孔內加工一凸臺。防爆插頭、插座與漆包線之間通過錫焊連接，防爆插頭、防爆插座裝在插件座上的插件通孔內，凸臺用于防爆插頭、插座的定位[8]。

圖5 插件連接部分結構設計示意圖

5 結束語

應用大功率超聲波對地層油層處理，可提高油井產量和水井注水量，從而提高原油采收率，是當前廣泛推廣應用的綠色無污染物理法增產措施之一。對地層進行超聲波處理需要通過一套超聲波處理油層系統進行作業完成，該系統主要由地面超聲波電源、傳輸電纜、馬籠頭和井下換能器等組成。其中馬籠頭是傳輸電纜與井下換能器之間連接的關鍵儀器，其可靠性與壽命直接影響超聲波處理油層作業能否順利進行。超聲波作業專用馬籠頭創新之處在于馬籠頭與井下換能器之間插件連接部分采用電氣防爆接頭中的插頭、插座結構型式，現場作業馬籠頭與超聲換能器連接時，只需將超聲換能器上接頭定位孔對準電纜馬籠頭下接頭定位銷，旋轉連接件，即可使防爆插頭插入防爆插座，完成電纜馬籠頭與超聲換能器的連接。采用這種連接方式，既簡化了連接過程，提高了作業效率，又保證超聲波采油作業時大電流、高電壓的通過。