海上油田可洗井過電纜插入密封工具研制

張志熊，趙 鵬，張 樂，孫 超，張寶青，藍 飛

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452)

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海上油田可洗井過電纜插入密封工具研制

張志熊，趙 鵬，張 樂，孫 超，張寶青，藍 飛

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452)

介紹了一種適合海上油田的可洗井過電纜插入密封工具，可用于防砂井防砂段中進行電纜穿越及密封，并且能夠實現反洗井功能。可洗井過電纜插入密封工具依靠密封模塊對隔離封隔器光筒的過盈配合實現密封。該工具具有電纜通道和洗井通道，可在防砂井中實現鋼管電纜的穿越、分層和反洗井的功能，彌補了常規分層工具不能同時具備過電纜及反洗井功能的缺陷。介紹了該工具的結構、原理、陸地性能試驗及現場應用情況。目前該工具在海上油田應用效果良好，具有很好的市場推廣前景。

海上油田；洗井；過電纜插入密封；工具

隨著海上油田注水井的不斷發展，注水工藝從原來的固定式分注技術發展到可投撈式分層配注技術，再到測調一體化分層配注技術，經歷了將近40年的發展。近幾年注水工藝不斷向智能化和綜合化方向發展，其中最主要的是注水井的洗井以及井下電動控制。目前，渤海油田大部分水井是防砂完井，現有的插入密封工具無法實現以上功能，影響工藝實施[1-4]。本文介紹的可洗井過電纜插入密封工具可以實現在防砂井防砂段中進行電纜穿越及密封，并且能夠實現反洗井功能，從而滿足渤海油田注水井發展需求。

1 結構

120.65 mm(4.75 英寸)過電纜可洗井插入密封工具主要由上接頭、中心管、密封模塊、隔環、活塞、下接頭和過電纜孔組成，如圖1所示。上下接頭用于與上下端油管連接；密封模塊和隔離封隔器密封筒采用過盈配合，起到密封的作用；隔環起到各組密封模塊間的分隔作用；活塞在正常生產時起到密封、隔離作用，在反洗井時，打開反洗通道進行反洗井作業。過電纜孔用于鋼管電纜的穿越、密封。

圖1 120.65 mm(4.75 英寸)過電纜可洗井插入密封工具結構示意

2 工作原理

如圖2所示，當正常注水時，注入水從中心管內流過，油壓大于套壓，活塞封閉住反洗通道進水口，從而達到正常分層注水；當洗井時，洗井液在油套環空注入，到達插入密封工具密封處時，套壓大于油壓，推動活塞打開反洗通道，使洗井液通道繞過密封段，實現對井筒的清洗。通過管柱底部單流閥進入管柱內部，返至地面。實現注水井的可洗井功能。

圖2 可洗井過電纜插入密封工具反洗井流程

3 技術參數

長度 1 700 mm

最大外徑 ?120.5 mm

最小內徑 ?58 mm

耐壓等級 25 MPa

4 技術特點

1) 適用于防砂完井工藝管柱，對于環形空間的封隔不同于封隔器，操作更簡單。

2) 可洗井過電纜插入密封工具可穿越、密封6.35 mm(1/4 英寸)鋼管電纜。

3) 可洗井過電纜插入密封工具依靠密封模塊對隔離封隔器光筒的過盈配合，實現封隔可洗井過電纜插入密封工具上、下端。

4) 可洗井過電纜定位密封的可洗井通道可以實現注水井的反洗井功能。

5 密封模塊接觸壓力分析

密封模塊作為插入密封工具的重要組成部分，其外部通過橡膠件與不同規格密封筒內部實現軸向密封。密封模塊橡膠件與剛件是通過硫化的方式固結在一起，橡膠件與密封筒的接觸壓力作為密封的一項重要參數需要進行分析與計算。如圖3～4所示為密封模塊，圖5為密封模塊與密封筒組裝完成后結構。

圖3 密封模塊主視圖

圖4 密封模塊俯視圖

圖5 密封模塊插入密封工具示意

5.1 橡膠件Mooney-Rivilin模型及材料常數確定

橡膠件選用Mooney-Rivilin模型。該理論認為橡膠是不可壓縮的而且在變形前是各向同性的；兩參數Mooney-Rivilin本構模型其應變能密度函數為：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

式中：W為應變能密度；I1，I2為第1、第2應變不變量；C10，C01為材料系數。

對于不可壓縮橡膠材料(泊松比接近0.5)，其彈性模量E，剪切模量G和材料系數C10，C01的關系為：

根據橡膠硬度HS與彈性模量T的試驗數據擬合得到兩者之間的關系為：

已知密封模塊橡膠件的邵氏硬度為90，泊松比為0.49，可得橡膠件彈性模量為20.925MPa，假設C01=0.5C10，可得C10=2.325，C01=1.162 5。

5.2 橡膠件接觸應力有限元分析

建立橡膠件有限元模型，在橡膠筒和密封件之間建立面面接觸，接觸面選用CONTA172接觸單元。模型如圖6所示。

圖6 密封模塊有限元分析模型

計算過程將橡膠模塊向下插入至密封筒與橡膠件完全接觸，橡膠件外徑為121mm，密封筒內徑為120.65mm，橡膠件會發生變形，變形與應力分布如圖7所示。橡膠模塊推入密封筒后與工作筒的接觸壓力如圖8所示。

圖7 橡膠模塊變形及應力云圖

圖8 橡膠模塊接觸應力云圖

圖7分析橡膠模塊最大變形為0.76mm，發生于橡膠倒角處，變形較小，擠壓變形應力最大為235.35MPa，接觸應力最大點發生在套管接觸處，低于套管的損壞強度。圖8顯示橡膠模塊推入密封筒后與密封筒發生接觸，接觸壓力分布較為平均，接觸壓力大約為71MPa，高于工作壓差值，滿足橡膠件密封要求。

5.3 密封模塊密封性能影響因素分析

通過有限元分析，對密封模塊的密封性能進行了模擬計算，對影響密封模塊密封性能的因素進行了總結。

1) 橡膠件的過盈量對密封性能的影響。通過多次的分析模擬計算，橡膠件與密封筒的接觸應力會隨著過盈量的增大而加大，但是較大的過盈量會導致橡膠件的損壞，通過多次的模擬得到過盈量的推薦值為0.15mm。

2) 橡膠件接觸尺寸的變化對密封性能的影響。為了保證密封模塊的順利下入和起出，保持橡膠件倒角形狀不變，分析模擬了不同寬度的橡膠件與套管的接觸應力。分析結果表明，隨著橡膠件軸向寬度和接觸寬度的增加，橡膠變形率減小，橡膠接觸面積增加，分析出最優接觸寬度為4mm。

6 提升裝置功能試驗

6.1 試驗目的

1) 檢驗可洗井過電纜插入密封工具電纜穿越通道的加工質量。

2) 過可洗井過電纜插入密封工具的密封O圈與密封模塊的密封性能。

3) 可洗井過電纜插入密封工具的反洗性能。

通過試驗發現設計過程中存在的問題，為完善工具設計提供依據，確保工具各項性能指標滿足使用要求。

6.2 試驗方案

將連接好的120.65mm(4.75 英寸)可洗井過電纜插入密封工具放入試驗工裝，液壓泵2根加壓管線分別連接上、下環空打壓接頭，分別進行上、下環空加壓。通過監測儀表實時監測加壓過程中壓力變化，檢驗密封O形圈與密封模塊的密封性能。試驗方案流程如圖 9所示，試驗裝置示意如圖10所示。

圖9 試驗方案流程圖

圖10 過電纜插入密封工具性能試驗裝置示意

6.3 試驗過程

6.3.1 過電纜通道加工質量檢驗

采用6.35mm(1/4 英寸)液控管線取代6.35mm鋼管電纜，分別從反洗井過電纜插入密封工具的過電纜通道任意一端穿入，液控管線可順利通過，并從另一端穿出，如圖11所示。試驗證明過電纜通道加工質量達到設計要求。

圖11 120.65 mm(4.75 英寸)可洗井過電纜插入密封工具試驗

6.3.2 120.65 mm(4.75 英寸)可洗井過電纜插入密封工具試驗

將120.65 mm(4.75 英寸)可洗井過電纜插入密封工具放入試驗工裝，如圖12所示。擰緊工裝上下接頭，如圖13所示，分別進行上、下環空加壓，監測壓力變化，判斷插入密封工具O形圈與密封模塊的密封性能和反洗井通道開啟壓力。

圖12 插入密封工具放入試驗工裝操作

圖13 試驗工裝連接上、下加壓管線

完成各項準備工作后，對可洗井過電纜插入密封工具進行了反洗井性能和密封性能試驗，試驗結果如圖14所示。反洗井通道壓差<1 MPa能夠實現反洗井功能。如圖15所示密封壓差>25 MPa，并且穩壓5 min沒有壓降。能夠實現密封功能。

圖14 反洗井性能試驗曲線

圖15 密封性能試驗曲線

6.3 試驗結論

1) 6.35 mm(1/4 英寸)鋼管電纜可正常通過可洗井過電纜插入密封工具過電纜孔。

2) 可洗井過電纜插入密封工具密封等級達到25 MPa。

3) 可洗井過電纜插入密封工具反洗通道開啟壓力小于1 MPa。

7 現場應用

截止2016-02，可洗井過電纜插入密封工具已經在渤海油田應用2口井，應用效果良好。

8 結論

1) 通過可洗井過電纜插入密封工具，可進行鋼管電纜的穿越，增加了井下電子工具的使用范圍和可靠性。

2) 采用有限元方法對密封模塊進行分析，計算了接觸壓力，并進行優化設計。推薦最優過盈量為0.15 mm，最優接觸面寬度為4 mm。

3) 通過可洗井過電纜插入密封工具，可建立洗井通道，進行洗井作業，避免油管里注入水因滋生雜質而造成地層堵塞，影響地層注入能力。

[1] 宋祖廠，劉揚，蓋旭波，等.可反洗井插入密封工具分注工藝在深井中的應用[J].石油礦場機械，2014，43(7)：70-72.

[2] 王立蘋，楊萬有，羅昌華，等.海上油田防砂完井注水井反洗工藝及配套工具[J].石油機械，2013，41(5)：36-39.

[3] 趙貴金，畢愿濤，王超，等.水平井井下分注工藝管柱的研制與應用[J].石油機械，2011，39(8)：53-56.

[4] 周建國，甲興哲，劉殷韜，等.海上定向井防砂管柱內全井洗井分層注水技術[J].石油機械，2005，33(8)：57-59.

Development of Well Washing and Through Cable Insert Sealing Tool for Offshore Oil Field

ZHANG Zhixiong，ZHAO Peng，ZHANG Le，SUN Chao，ZHANG Baoqing，LAN Fei

(CNOOCChinaLimitedTianjinBranch，Tianjin300452，China)

This paper discussed the Well-flushing cable insert seal used for offshore oil field.It can be used for sand control Wells of sand control section of cable crossing and seal，and can realize the backwashing well function.The tool relying on packer seal module of the light cone，with cable channels and wash well，it can be implemented in the sand control well steel cable crossing，layering，and backwashing well function，making up for the conventional hierarchical tool does not have a combination of cable and backwashing well functional defects.The insert seal structure，principle，performance test and application in offshore oilfield are introduced，which effect is good in offshore oilfield，it has a good market prospects.

offshore oilfield；well cleanout；cable through insert seal；tool

2016-05-06

中海石油有限公司綜合科研項目"海上油田注水井智能測調技術研究及應用"部分成果(YXKY-2015-TJ-03)

張志熊(1973-)，男，重慶潼南人，工程師，1997年畢業于中國石油大學(華東)，現主要從事海上油氣田分層注水工藝研究和推廣應用工作，E-mail：zhangzhx@cnooc.com.cn。

1001-3482(2016)11-0047-05

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.010