?193.68 mm套管井用電纜穿越封隔器研制

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(中海石油(中國)有限公司天津分公司 海洋石油高效開發國家重點實驗室，天津 300459)

海上油田為了降低成本、提高效率，在滿足勘探開發需求的條件下進行井身結構設計優化，應有別于常規井眼的優化井眼結構[1-5]。根據優化后的井眼結構開展鉆、完、采一體化研究，降低鉆完井施工費用。通過大量油田作業數據和模擬分析，確定采用?193.68 mm套管作為常用生產套管尺寸，并配套設計了一種電纜穿越封隔器[6-10]。

1 結構及特點

該電纜穿越封隔器是一種壓縮膠筒密封、雙向卡瓦錨定、中心管加壓坐封、上提管柱解封的封隔器，主要由坐封機構、密封機構、錨定機構、鎖緊機構和解封機構組成，如圖1所示。下規環、活塞套、活塞和中心管組成密閉液壓腔，構成坐封機構，中心管直接加壓可使封隔器坐封；密封機構為壓縮式三膠筒結構，密封油管和套管環空；錨定機構由上錐體、卡瓦彈簧、卡瓦、下錐體、卡瓦籠組成，將懸掛力傳遞到套管上，起到錨定管柱作用；鎖緊機構由活塞、鎖環和連接套組成，鎖緊機構只能單向運動，封隔器坐封完成中心管泄壓后，鎖緊機構保持封隔器處于坐封狀態；解封機構由下錐體、中心管和解封銷釘組成，解封銷釘將中心管和下錐體連接一起，上提管柱，剪切銷釘被剪斷，封隔器解封。

中心管有5個偏心通道(如圖1左視圖)，5個通道上部均設計有密封螺紋。5個通道分別為1個生產通道，用于連接油管；1個電纜穿越通道，用來連接電纜密封筒穿越電纜；1個排氣或者循環通道，用來安裝環空放氣閥；2個液壓控制管線穿越通道，用來穿越液壓控制管線并密封。

該封隔器與?88.9 mm油管連接；下接頭通過鍵、懸掛套與中心管連接。

電纜密封筒由上接頭、連接筒、下接頭、開口膠圈等組成，有兩組開口膠圈，密封性能可靠。如圖2所示。

1—中心管；2—上規環；3—下規環；4—隔環；5—活塞套；6—活塞；7—連接套；8—鎖環；9—防轉銷釘；

1—上接頭；2—連接筒；3—擠壓環；4—彈簧；5—堵頭；6—O型密封圈；7—下接頭；8—開口膠圈。圖2 電纜密封筒

2 工作原理

封隔器下入到設計位置，投堵塞器，從油管加壓。液體從中心管上的傳壓孔進入由上規環、活塞、中心管和活塞套形成的液壓腔，達到一定壓力后剪斷剪切套和活塞之間的剪切銷釘，上規環上行壓縮膠筒，同時活塞下行，推動上錐體下行，上錐體將卡瓦推到下錐體上，在斜面作用下，卡瓦張開咬住套管，坐封力完全傳遞到解封銷釘上。在上規環上行和活塞下行的過程中，鎖環從活塞上劃過，鎖環和活塞上有鋸齒形螺紋，只允許活塞和鎖環之間單向運動。繼續加壓到設計壓力并穩壓一段時間，膠筒和卡瓦完全坐封。卸掉油管壓力，在鎖緊機構作用下，封隔器保持坐封狀態。

解封封隔器時，直接上提管柱，封隔器中心管上移，由于卡瓦咬住套管不動，導致下錐體不動，中心管和下錐體之間的解封銷釘被剪斷，下錐體、卡瓦籠、上錐體和活塞下移，在卡瓦彈簧作用下，卡瓦收回。在膠筒回彈力作用下，上規環掛在隔環處，在井壁摩擦作用下活塞掛在連接套上部，同時卡簧卡在中心管凹槽處，防止上提下放管柱時封隔器再次坐封。

該封隔器上部安裝有環空放氣閥，在放氣閥關閉時，封隔器下部是密閉空間，環空壓力傳遞到封隔器上導致封隔器有向上移動的趨勢，這種趨勢和解封封隔器時相同，環空壓力全部轉移到解封銷釘上。因此封隔器耐壓級別不僅和膠筒耐壓級別有關，還與解封銷釘的剪切力有關。

電纜從電纜密封筒穿過，密封處的電纜金屬鎧皮剝掉，將上接頭和連接筒、連接筒和下接頭之間的螺紋擰緊，開口膠圈被擠壓徑向膨脹實現密封。在連接筒上連接試壓接頭，可對電纜密封筒進行壓力測試，測試合格后將試壓接頭卸掉，擰緊堵頭。

3 電纜密封筒開口膠圈分析

3.1 幾何模型

電纜密封筒3個開口膠圈為1組，共2組開口膠圈，每個開口膠圈的結構和材料相同，不考慮端面的影響，每個開口膠圈的受力是相同的，只需分析一個開口膠圈。電纜密封筒的密封部分是軸對稱結構，為簡化計算，取四分之一模型進行分析。幾何模型如圖3所示；幾何模型參數如表1。

1—擠壓環；2—本體；3—開口膠圈。圖3 開口膠圈幾何模型

表1 幾何模型參數mm

開口膠圈內徑和本體(槽)的內徑處接觸，為方便組裝，開口膠圈外徑和本體(槽)外徑有0.4 mm間隙；擠壓環和本體(槽)內外徑之間均有1 mm間隙。不考慮開口膠圈擠入擠壓環和本體(槽)之間，開口膠圈可壓縮距離ΔL滿足式(1)。

(1)

式中：D1為開口膠圈外徑，mm；d1為開口膠圈內徑，mm；L為開口膠圈長度，mm；D2為本體(槽)外徑，mm；d2為本體(槽)內徑，mm。

計算可得：ΔL=0.56 mm。

3.2 有限元計算

3.2.1材料模型及參數

開口膠圈為氫化丁腈橡膠，是超彈材料，采用二參數Mooney- Rivlin模型進行計算，其參數為C01=2.325 5 MPa，C10=1.162 7 MPa；擠壓環及本體材料為金屬，將擠壓環及本體簡化為剛體；忽略開口膠圈與擠壓環和本體之間的摩擦力。

3.2.2網格劃分及邊界條件

開口膠圈采用六面體網格劃分，網格模型如圖4所示。本體底部完全約束，模型的兩處四分之一剖面處施加無摩擦約束，開口膠圈與本體和擠壓環之間建立無摩擦接觸對，在擠壓環上部施加向下的位移載荷。

圖4 有限元計算模型

3.3 計算結果分析

電纜密封筒是通過擰緊螺紋壓縮開口膠圈實現密封，因此分析了不同壓縮距離下開口膠圈的接觸壓力和預緊力(即壓縮力)，計算結果如表2所示。

表2 計算數據

不同壓縮距離下開口膠圈的接觸應力如圖5所示；接觸應力和壓縮距離的關系曲線如圖6所示。

由表2、圖5和圖6可知，當壓縮距離≤0.5 mm時，接觸壓力為0，這是因為開口膠圈和本體之間有間隙，開口膠圈必須受一定的壓縮距離填滿間隙后才能與本體接觸。根據式(1)的計算結果，壓縮距離ΔL=0.56 mm時，開口膠圈和本體開始接觸，有限元分析結果和理論計算結果相同。當壓縮距離≥0.6 mm時，接觸壓力急劇增加，考慮到不可壓縮特性，開口膠圈已經部分擠入到本體和擠壓環之間的間隙。

開口膠圈預緊力與壓縮距離的關系曲線如圖7所示。

圖5 不同壓縮距離下接觸應力云圖

圖6 開口膠圈外徑處接觸壓力與壓縮距離的關系曲線

由表2和圖7可知，當壓縮距離≤0.5 mm時，預緊力增長較緩慢，當壓縮距離≥0.6 mm時，預緊力急劇增加，這是因為壓縮距離≤0.5 mm時，開口膠圈和本體沒有接觸，其處于自由受壓狀態，當壓縮距離≥0.6 mm時，開口膠圈和本體已經接觸，其處于有圍壓的受壓狀態。預緊力計算結果和理論計算結果一致。

圖7 開口膠圈預緊力與壓縮距離的關系曲線

4 封隔器試驗及分析

測試內容包括坐封性能測試、液體密封性能測試、軸向載荷測試、解封性能測試等。試驗時將電纜穿越通道；密封住環空放氣通道和液壓控制管線穿越通道；生產通道連接油管及密封桿。

4.1 坐封性能測試

為保證坐封可靠性，依次以10 MPa和21 MPa壓力坐封封隔器，坐封性能測試結果如圖8～9所示。

圖8 10 MPa壓力下坐封曲線

圖9 21 MPa壓力下坐封曲線

由圖8可知，坐封曲線在7.5 MPa處有明顯壓降，是因為此時剪切套和活塞上的剪切銷釘被剪斷，液壓腔體積增大。封隔器初始坐封壓力為7.5 MPa，活塞面積為5 900 mm2，即初始坐封力為44 kN。

由圖9可知，在壓力逐漸升到21 MPa過程中，曲線有多個拐點，拐點的意義為封隔器發生坐封動作。在坐封過程中，膠筒逐漸被壓縮，由于膠筒和套管內壁的摩擦作用，膠筒的壓縮位移不是勻速變化的，在膠筒壓縮速度較大時，坐封曲線會出現拐點。21 MPa坐封壓力產生的坐封力為124 kN。

4.2 液體密封性能測試

在常溫下用清水進行封隔器液體密封性能測試，從封隔器和套管上環空分別加壓7 MPa和21 MPa，驗證膠筒在低壓和高壓下的密封性能。

液體密封性能測試結果如圖10～11所示。根據測試結果，測試壓力為7 MPa和21 MPa時，在壓力穩定后保持5 min，壓力不降。因此，124 kN坐封力可以使膠筒完全坐封，封隔器膠筒滿足液體密封性能要求。

圖10 7 MPa壓力下液體密封性能測試曲線

圖11 21 MPa壓力下液體密封性能測試曲線

4.3 軸向載荷測試

軸向載荷測試主要測試卡瓦錨定性能。有2種方式：一種是通過液體密封性能測試驗證卡瓦錨定性能；另一種是通過機械加載方式測試卡瓦錨定性能。

套管內徑為?177 mm，密封桿直徑為?100 mm，驗封時壓力作用在封隔器上的面積19 570 mm2，在驗封壓力21 MPa時封隔器承受的軸向載荷為410 kN，封隔器未移動。因此，液體密封性能測試間接驗證卡瓦錨定力大于400 kN，滿足設計要求。

將坐封后的封隔器及套管安裝到拉伸機上，分別加壓100、200和400 kN，保持一定時間，封隔器未移動。通過機械加載測試驗證了卡瓦錨定力大于400 kN，滿足設計要求。

4.4 解封測試

將坐封后的封隔器及套管安裝到拉伸機上緩慢拉伸，在200 kN時封隔器解封，繼續拉伸將封隔器從套管中取出，取出封隔器過程中未遇卡阻現象。測試結果表明，該封隔器可正常解封，在解封后卡瓦能正常收回。封隔器的解封性能滿足設計要求。

5 結論

1) 針對海上油田?193.68 mm套管井，設計了一種電纜穿越封隔器。該封隔器具有電纜穿越、環空排氣、管線穿越等功能，生產通道滿足?88.9 mm油管的通徑要求。

2) 有限元分析結果表明，開口膠圈的接觸壓力和預緊力隨壓縮距離的增加而增加，當開口膠圈壓縮距離≥0.6 mm時，其接觸壓力和預緊力隨壓縮距離的增大而急劇增加。有限元分析結果與理論計算結果一致。

3) 試驗結果表明，該封隔器在124 kN坐封力下，液體密封壓力大于21 MPa，懸掛載荷大于400 kN，滿足海上油田使用條件。