优质油矿用的承荷探测电缆的生产与研发

1　引　言
        承荷探测电缆主要指能承受机械负荷(吊锤加电缆自重) 情况下进行井下油矿探测的双钢丝铠装电缆, 又称石油测井电缆, 其功能有测井、射孔、取芯等。测井电缆多为7芯, 并要求其具有大长度及高强度的特性。
        测井电缆在石油工业中被称之谓石油工人的眼睛, 通过它才能知道地下是油还是气, 并可测出井温、井压和井斜等技术参数, 使用的重要性由此可知, 并且用量也较大。本文主要介绍该产品使用特点和要求, 以及产品结构和材料选用, 制造工艺特点等。

2　国产测井电缆的生产和应用发展史
        我国测井电缆的发展史可分为三个阶段:
        (1)50～ 60 年代的仿苏;
        (2) 70 年代为改型;
        (3) 70 年代后期为发展阶段。
        测井电缆的发展也和其他电缆一样先是从仿苏开始的。50 年代石油工业仅有新疆和甘萧等地的小油田, 而更多的是矿山的开采, 当时探测用的电缆是橡套电缆, 按苏联标准生产。型号有KTLLI和KTO两种, 拉断力为0.3～ 2 t, 长度为300～3000 m , 测试仪器重约270 kg, 载荷是由导电线芯承受的。因此,导电线芯用直径0.30～0. 50 mm 高强度钢丝多根绞合而成; 绝缘采用70℃ 等级的橡皮, 共3芯;
        KTLLI为氯丁胶外护套; KTO为编织外护层。由于当时细的高强度钢丝难以解决, 更由于电缆外径大,长度受到装盘容量的限制, 大长度电缆难以生产。
        60 年代初随着大庆油田的开发, 又按苏联标准试制了双钢丝铠装测井电缆, 其型号为KTG28, 电缆为6芯, 外径13.0mm , 拉断力≥8 t。长度为2200～3500 m。铜导电线芯为7×0.32 mm , 耐温70℃的橡皮绝缘, 6芯成缆加填充而后编织涂蜡克漆作为垫层, 再用直径1.2 mm 和1.4 mm 的高强度钢丝双层铠装。这种电缆一直维持到70年代初期。
        由于橡皮绝缘工艺复杂, 机械强度低, 再加上编织涂蜡克漆的结构复杂, 产品合格率太低, 影响了质量的提高和生产的扩大。
        第二阶段。随着我国石油化工的发展, 燕山向阳化工厂的聚丙烯(PP) 投产, 再加上辽河油田的开发, 油井愈来愈深, 电缆3500m的长度已不能满足油田发展的需要了。于是在70年代初期为辽河油田试制了聚丙烯绝缘, 长度为4200m的测井电缆。电缆经试用性能良好, 满足了当时的需要。电缆由6芯改为7芯, 取消了编织涂蜡克的垫层, 改为挤包丁腈聚氯乙烯复合物为垫层, 简化了工艺和结构, 电缆的性能也提高了很多, 产品合格率也上升了。
        第三阶段。70 年代是我国石油发展***快的年代, 大面积的钻探和开采使一个贫油的中国一跃成了“富油国”。辽河、胜利、大港、湖北和四川等油田都报导了探测的好消息。四川北部也钻探了中国***深的井。1976年机械部给沈阳和上海等电缆厂下达了试制8000m长的超深井测井电缆的任务。上缆厂试制了硅橡胶和F46两种绝缘型式的电缆; 沈缆厂的试制了F46绝缘全屏蔽型电缆, 于1977 年3月在四川省江柚县的关基井进行了试验。参与试验的还有1根美国产的8000m长的电缆。这次两厂试验的电缆结构与国外电缆基本相同, 性能也差不多, 基本上满足了超深井测试的要求, 使国产测井电缆有了一个飞跃的发展。
        这一阶段试制的超深井测井电缆的结构, 不同于美国的******型产品, 特别是上缆厂试制的电缆, 采用硅橡胶绝缘; 另外二根虽然也采用了F46, 但绝缘厚度为0.6 mm (美国为0.37 mm ) , 并采用了半导电填充和包带, 在250℃下Qv 为6050MΩ·km , 在井深6100m时导线电阻只增大了17% , 电容变化不大。沈缆厂生产的电缆结构和美国的相似, 地面上测试美国电缆的电容为0.0745μF/km , 导线电阻26.5Ω/km , 外径11.8mm。沈阳厂生产的电缆电容变化为0.16～0.078μF/km, 绝缘电阻变化从井深1000m到6618m时除4号线芯有所降低外, 其他线芯均变化不大, 都大于500MΩ。电缆伸长: 在井深4500m 时伸长+1.1m , 在5500m时为1.5 m;在6500m时为3.3 m ,电缆总长为7926m , 相当于伸长率为0.042% , 完全符合使用要求。通过超深井测井电缆的试制, 使中深井电缆(5000m 和7000m )的结构也基本上定型。其典型结构分别见图1和图2。这些结构基本上和国外电缆相同。
　　1977 年山东胜利油田引进了美国电缆, 是加拿大德莱塞公司的产品, 中深井长度5500 m 的型号为7H42RB, 11根, 超深井长度8000 m 的型号为7H42SF, 9根, 当时价格前者为24722.5美元/根, 后者为62 391美元/根, 这批电缆的使用对促进国产电缆的定型和性能提高起到了一定的作用。
        虽然国产电缆已作了定型, 各厂也试制了各种用途的测井电缆, 但还未形成系列, 油田急需的超深井电缆、小直径测井电缆等还不能大批量供应, 在性能上与国外电缆相比还有不少差距, 本文用大量篇幅述说这段历史, 其目的是为了今后能对电缆的改进和提高有所启示及帮助。

3　测井电缆的使用特点及要求
        电缆交付油田后大多由油田专门的测井队统一管理和使用, 并且像保护“眼睛”一样地保护和使用。电缆测井时一般一口井测试时间并不长, 约24h内测试完毕。由于使用环境差、使用条件苛刻, 一根电缆一般只能测约300口井次, 因此, 电缆是油田中的易耗品, 更换周期短及频繁, 因此使用量大。电缆根据井深而分为浅井、深井和超深井。一般井深2200～3500m为浅井, 井下温度≤100℃; 井深3500～5500m 为深井, 井下温度≤150℃、5500～7000m 为超深井, 温度达200℃。
        电缆出厂时虽然经过预拉伸设备, 消除了双钢丝的预应力, 但仍有一部分余应力。因此, 在井场上首先要拖拉电缆使其“破劲”。拖拉后的电缆再装到电缆车上, 像宝鸡生产的绞车装有5500 m 电缆的线盘, 其尺寸为<1350 mm ×<550 mm , 其宽度1200mm , 线盘每层大约排列48 圈, 电缆放出时通过三角形分布的3 个导轮, 并能检测放/收线的速度。电缆拖拉定形后, 在试验井再拖拉一次, 并作磁性记号(记录长度用) , 电缆车上也有深度指示。
        电缆下端用的电极系电缆俗称马笼头电缆, 悬挂测试仪器仪表, 重量约270 kg, 电缆本身重量约560～ 580 kg/km。电缆下井后承受很大的拉力, 再加上地层中本身的压力, 井中温度升高和油气的侵蚀, 特别是H2S的侵蚀, 上下井时电缆与导轮和井壁的摩擦使电缆很快地损伤, 甚至不能使用。基于这些因素, 电缆经常会产生绝缘电阻下降, 甚至个别绝缘线芯的绝缘破坏或导线断裂(特别是在放炮震动后而产生的) ; 多次使用后电缆外径收缩、长度增加,以及技术参数发生变化, 更严重的是外层钢丝的断裂产生卡井, 其次是钢丝严重的磨损, 以及H2S 的腐蚀等, 这些损伤小则造成电缆报废, 大则造成一口井报废。电缆下井测试之后回收到电缆盘上时, 需用高压水冲洗电缆外表面, 将其表面的泥浆、杂物冲掉, 但遇有H2S的井即使用水也难消除钢丝的腐蚀。当产生电缆绝缘电阻下降时, 一般多发生在下井的一端, 将电缆砍掉一段(一般50～100m) , 电缆仍可使用。如有个别线芯损伤也可经过修理, 或整根电缆重新连接起来再用。国外有专门修理测井电缆的zj****, 自己配有专用飞机随时可以到各油田去修接电缆。即使如此, 国产电缆的寿命也不会超过300个井次。
        电缆使用的环境随地区的不同而不一样, 其主要影响因素分别叙述如下:
        (1) 地温梯度　每深100m地层中温度升高的度数为地温梯度Δt(℃/100m )。我国主要地区地温梯度分布见表1。
 
        (2) 井压　地层下的***大压力,
        (3) 井中介质　泥浆中所含物质, 除了油气之外,***可怕的是硫化氢(H2S)。它对钢丝的腐蚀太严重, 一般高强度钢丝都不耐H2S, 这是今后要改进的一大课题。
        测井电缆和油泵电缆的使用不同, 油泵电缆用于油井的采油, 挂泵深度也较浅; 而测井电缆多用在油井钻探时期, 一口油井的钻井过程中要多次测试;电缆长度随井的深度而定; 又用于油井的初期, 所以井温、井压及新的介质对电缆的影响很大, 这些均应在电缆设计和制造中加以考虑的, 尤其是超深井用的电缆。

4　测井电缆的制造工艺的特点
        由于测井电缆属定长生产, 一个环节出问题整根电缆配不成套或报废, 损失是巨大的, 因此, 在生产过程中须***严格按工艺要求, 现就几个主要工序的要点提示一下, 以供参考。
        (1) 导电线芯　按标准规定要求镀锡(美国PP绝缘线芯不镀锡) , ***好用电镀。7/Q 32mm的绞线长度应是电缆长度的倍数, 绞线表面不得有油污和杂物, 表面光亮, 不得有毛刺, 否则绝缘后一定会击穿。绞好的线应用纸包起来。
        (2) 绝缘　一般使用φ45 挤塑机、加料必须干净。绝缘的击穿主要有两个原因, 或是绝缘料中的杂质, 或是导电线芯太脏。为确保质量, ***好进行浸水耐电压和测量绝缘电阻。绝缘击穿后允许修理, 但一个线芯上不得超过两处, 否则不能使用。绝缘修理要使用与绝缘相同的材料, 制成薄膜,绕包到缺陷处, 外层再包两层聚酰亚***薄膜, 在锡槽
中将绝缘修好(透明、不偏心)。
        电缆5500 m 及以下的用聚丙烯PP绝缘; 7000～8000m用F46或F30, 并挤包半导电层。由于氟塑料污染环境严重(应集中生产),并对金属材料腐蚀严重, 若采用铬钼铝材质的机头、套筒和螺杆会很快腐蚀坏, 并带入绝缘中造成击穿, 因此, 挤氟塑料要专用设备; 或用上钢五厂的新钢3号(老型号)加以改造, 使一机二用。
        在F46外面挤半导电的氯丁胶, 要通过连续硫化机, 工艺太复杂, 如用半导电塑料可以简化工艺,并可在φ45挤型机上生产。
        (3) 线芯成缆　我们在使用美国生产的测井电缆, 发现井下端的电缆外径变小, 两端的外径相差0.254mm,约变化2.15%; 而电缆即伸长, 伸长率为0.176m/km/kg, 如果电缆结构密实一些, 这两种现象可以改善, 因此,电缆用填充宜采用半导电塑料或橡皮。对于超深井常采用绝缘及半导电层两种材料,外层如用导电塑料,成缆芯的间隙也用导电塑料填充,应该说是***密实的。用导电层及导电尼龙带绕包后与外面铠装钢丝接触、形成同电位, 减少了线芯间的电容耦合, 保证了测试的精度。
        从电容公式来看, 单芯屏蔽时为

        在式(3)中可知电容C的变化与绝缘的厚度有关, 因此,在下井后的电缆, 在高温高压下其电容值将变大。因此,成缆时填充得越致密对保持绝缘的稳定是极为重要。
        由于电缆定长生产, 像5500m长的电缆成缆完毕要2～3个班, 除放线张力始终均匀外, 生产过程中还应经常检测导线的断线和绝缘电阻等的在线检查。
        (4) 电缆的铠装
　    电缆双层铠装须***在一个工序上完成, 设备可以是多样的, 有的厂采用了管绞机,其技术关键是配合好两层的节距比,以消除内应力。为了减少电缆的铠装预应力, 采用了关键设备即预扭头和校直轮, 它们的结构各厂不尽相同, 但其预扭效果须***达到以下几点。
        1) 从牵引轮到收线盘这段成缆线芯看上去外径均匀和平直。
        2) 剪下一段1m长的电缆,两端不作任何处理、在1m高处使其水平自由落下, 铠装钢丝不得松股。
        3) 在这段样品上, 从铠装层中拉出一根钢丝,甚至全部拆下来, 而后再按原节距放回去, 能恢复原状。
        这几条是多年生产的经验, 能说明铠装质量好与坏。
        铠装外层钢丝不允许接头, 如须***接头时, 碰焊后焊点附近二根钢丝应用锡焊焊在一起。铠装后应通过预拉伸机再进一步消除铠装层的应力。

5　测井电缆用的材料
　　测井电缆用的材料大多是普通电缆使用过的,但有一些特殊的要求。
        (1) 测井电缆的绝缘材料　就国内而言, 基本上采用聚丙烯和氟塑料两种材料。由于电缆使用于短时的高温情况下, 因此, 不能按常规的材料耐温等级来使用, 如PP 绝缘按美国标准规定它属于耐温70℃等级, 但在井下却可短时使用于160℃(电缆长5500m) ; F46绝缘通常使用于180℃以下, 而在井下可短时用于232℃(井深7000～8000m)。
测井电缆不但是短时使用,并且是易耗品, 使用寿命不长(约300口井次) , 因此,可以超温使用, 除其电气性能有保证外(从20℃至250℃, Qv不低于初始值的1% ),主要是机机强度等物理性能, 比较起来各种塑料均比橡皮好, 机械强度比橡皮高2～4倍。因此, 5500m测井电缆都用国产PP,或改性PP, 其主要性能如表2所示。
 

        PP1330 加有抗氧剂、抗铜剂、紫外线吸收剂等。它和1396D 都可用于电缆绝缘; 在150℃下热变形很小。如采用改性聚丙烯(加聚异丁烯) 性能更好一些, Qv 变化从20℃时4×1017到120℃时达7.2×1015; 在150℃, 168h的老化系数K1= 1.07, K2=1.33; 在150℃经1h负荷1000g, 热变形性能:试片< 30% , 线芯为68%。
        为了考核1396D 的抗铜效果, 将线芯带铜线一起做老化试验, 在135 ℃下经过21d后, K1= 1.01,K2= 0.85, 说明抗铜老化是有效果的。超深井用绝缘氟型料性能如表3所示。

        F46 融体指数2.1～5.6 (济南料为1～8) , 因此融体指数太大, 绝缘挤出后易开裂, 应注意。
        (2) 铠装用钢丝　目前国内用高强度钢丝(GB1178)抗拉强度为1400M Pa (140kg/mm²) , 其预扭效果较好。国内测井电缆铠装的内层钢丝直径1.0mm; 外层1.2mm(国外为1.25mm) ,超深井应选抗拉强度为2000M Pa的钢丝。
美国超深井电缆用钢丝牌号为C1085, 其成分为C0.85～0.93; Si0.2～0.35; Mn0.7～1.0; S<0.05; P<0.004。抗拉强度为2000M Pa。鞍山钢丝绳厂产牌号为95MnN6A 抗拉强度>2000M Pa,其成份为C0.92～ 1.0; Si0.2～0.4; Mn0.6～0.9; Nb0.05～0.10; S<0.04; P<0.003。据介绍美国特超深井用超高强度钢丝牌号为MP35, 其抗拉强度高达4200M Pa。目前所用的钢丝都不耐H2S, 因此, 应研究防H2S腐蚀的涂料, 涂在铠装层中以提高电缆的质量。

6　结束语
        上述几种材料之外, 还有线芯绝缘的半导电层,缆芯的半导电垫芯及半导电尼龙带等材料, 均应按技术要求进行改进和提高, 本文不再赘述。
        另一种与测井电缆配套使用的电极系电缆, 美国维克多公司的产品结构为10芯。其绝缘线芯为7/Q 30 mm 铜线, F46绝缘,外包氯丁胶(可能是72-J46RF电缆的短段产品) ; 中心线芯用37/10 mm钢丝外挤包一层橡皮垫芯, 然后经1+10绞合成缆后再挤包氯丁或丁腈橡皮护套。电缆总外径约为20.5mm , 长度约为85ft(26m)。它用于电缆下端吊挂仪器。电极系电缆可利用制造测井电缆的多余短段材料, 以降低制造成本。
        测井电缆属高技术产品, 一般电缆材料成本占60%～70%以上, 而测井电缆仅占30% , 利润是非常高的。按1998年价格,W7BP(即5500m)的价格下浮30%计算, 约12000元/km,而其成本仅4200元/km (加30% 消耗)。因此, 随着西部油田的开发及发展, 测井电缆需求量将会增加, 因此测井电缆是值得线缆制造厂生产和开发。