海上油田可洗井过电缆插入密封工具研制

张志熊，赵 鹏，张 乐，孙 超，张宝青，蓝 飞

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452)



海上油田可洗井过电缆插入密封工具研制

张志熊，赵 鹏，张 乐，孙 超，张宝青，蓝 飞

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452)

介绍了一种适合海上油田的可洗井过电缆插入密封工具，可用于防砂井防砂段中进行电缆穿越及密封，并且能够实现反洗井功能。可洗井过电缆插入密封工具依靠密封模块对隔离封隔器光筒的过盈配合实现密封。该工具具有电缆通道和洗井通道，可在防砂井中实现钢管电缆的穿越、分层和反洗井的功能，弥补了常规分层工具不能同时具备过电缆及反洗井功能的缺陷。介绍了该工具的结构、原理、陆地性能试验及现场应用情况。目前该工具在海上油田应用效果良好，具有很好的市场推广前景。

海上油田；洗井；过电缆插入密封；工具

随着海上油田注水井的不断发展，注水工艺从原来的固定式分注技术发展到可投捞式分层配注技术，再到测调一体化分层配注技术，经历了将近40年的发展。近几年注水工艺不断向智能化和综合化方向发展，其中最主要的是注水井的洗井以及井下电动控制。目前，渤海油田大部分水井是防砂完井，现有的插入密封工具无法实现以上功能，影响工艺实施[1-4]。本文介绍的可洗井过电缆插入密封工具可以实现在防砂井防砂段中进行电缆穿越及密封，并且能够实现反洗井功能，从而满足渤海油田注水井发展需求。

1 结构

120.65 mm(4.75 英寸)过电缆可洗井插入密封工具主要由上接头、中心管、密封模块、隔环、活塞、下接头和过电缆孔组成，如图1所示。上下接头用于与上下端油管连接；密封模块和隔离封隔器密封筒采用过盈配合，起到密封的作用；隔环起到各组密封模块间的分隔作用；活塞在正常生产时起到密封、隔离作用，在反洗井时，打开反洗通道进行反洗井作业。过电缆孔用于钢管电缆的穿越、密封。

图1 120.65 mm(4.75 英寸)过电缆可洗井插入密封工具结构示意

2 工作原理

如图2所示，当正常注水时，注入水从中心管内流过，油压大于套压，活塞封闭住反洗通道进水口，从而达到正常分层注水；当洗井时，洗井液在油套环空注入，到达插入密封工具密封处时，套压大于油压，推动活塞打开反洗通道，使洗井液通道绕过密封段，实现对井筒的清洗。通过管柱底部单流阀进入管柱内部，返至地面。实现注水井的可洗井功能。

图2 可洗井过电缆插入密封工具反洗井流程

3 技术参数

长度 1 700 mm

最大外径 ø120.5 mm

最小内径 ø58 mm

耐压等级 25 MPa

4 技术特点

1) 适用于防砂完井工艺管柱，对于环形空间的封隔不同于封隔器，操作更简单。

2) 可洗井过电缆插入密封工具可穿越、密封6.35 mm(1/4 英寸)钢管电缆。

3) 可洗井过电缆插入密封工具依靠密封模块对隔离封隔器光筒的过盈配合，实现封隔可洗井过电缆插入密封工具上、下端。

4) 可洗井过电缆定位密封的可洗井通道可以实现注水井的反洗井功能。

5 密封模块接触压力分析

密封模块作为插入密封工具的重要组成部分，其外部通过橡胶件与不同规格密封筒内部实现轴向密封。密封模块橡胶件与刚件是通过硫化的方式固结在一起，橡胶件与密封筒的接触压力作为密封的一项重要参数需要进行分析与计算。如图3～4所示为密封模块，图5为密封模块与密封筒组装完成后结构。

图3 密封模块主视图

图4 密封模块俯视图

图5 密封模块插入密封工具示意

5.1 橡胶件Mooney-Rivilin模型及材料常数确定

橡胶件选用Mooney-Rivilin模型。该理论认为橡胶是不可压缩的而且在变形前是各向同性的；两参数Mooney-Rivilin本构模型其应变能密度函数为：

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

式中：W为应变能密度；I1，I2为第1、第2应变不变量；C10，C01为材料系数。

对于不可压缩橡胶材料(泊松比接近0.5)，其弹性模量E，剪切模量G和材料系数C10，C01的关系为：

根据橡胶硬度HS与弹性模量T的试验数据拟合得到两者之间的关系为：

已知密封模块橡胶件的邵氏硬度为90，泊松比为0.49，可得橡胶件弹性模量为20.925MPa，假设C01=0.5C10，可得C10=2.325，C01=1.162 5。

5.2 橡胶件接触应力有限元分析

建立橡胶件有限元模型，在橡胶筒和密封件之间建立面面接触，接触面选用CONTA172接触单元。模型如图6所示。

图6 密封模块有限元分析模型

计算过程将橡胶模块向下插入至密封筒与橡胶件完全接触，橡胶件外径为121mm，密封筒内径为120.65mm，橡胶件会发生变形，变形与应力分布如图7所示。橡胶模块推入密封筒后与工作筒的接触压力如图8所示。

图7 橡胶模块变形及应力云图

图8 橡胶模块接触应力云图

图7分析橡胶模块最大变形为0.76mm，发生于橡胶倒角处，变形较小，挤压变形应力最大为235.35MPa，接触应力最大点发生在套管接触处，低于套管的损坏强度。图8显示橡胶模块推入密封筒后与密封筒发生接触，接触压力分布较为平均，接触压力大约为71MPa，高于工作压差值，满足橡胶件密封要求。

5.3 密封模块密封性能影响因素分析

通过有限元分析，对密封模块的密封性能进行了模拟计算，对影响密封模块密封性能的因素进行了总结。

1) 橡胶件的过盈量对密封性能的影响。通过多次的分析模拟计算，橡胶件与密封筒的接触应力会随着过盈量的增大而加大，但是较大的过盈量会导致橡胶件的损坏，通过多次的模拟得到过盈量的推荐值为0.15mm。

2) 橡胶件接触尺寸的变化对密封性能的影响。为了保证密封模块的顺利下入和起出，保持橡胶件倒角形状不变，分析模拟了不同宽度的橡胶件与套管的接触应力。分析结果表明，随着橡胶件轴向宽度和接触宽度的增加，橡胶变形率减小，橡胶接触面积增加，分析出最优接触宽度为4mm。

6 提升装置功能试验

6.1 试验目的

1) 检验可洗井过电缆插入密封工具电缆穿越通道的加工质量。

2) 过可洗井过电缆插入密封工具的密封O圈与密封模块的密封性能。

3) 可洗井过电缆插入密封工具的反洗性能。

通过试验发现设计过程中存在的问题，为完善工具设计提供依据，确保工具各项性能指标满足使用要求。

6.2 试验方案

将连接好的120.65mm(4.75 英寸)可洗井过电缆插入密封工具放入试验工装，液压泵2根加压管线分别连接上、下环空打压接头，分别进行上、下环空加压。通过监测仪表实时监测加压过程中压力变化，检验密封O形圈与密封模块的密封性能。试验方案流程如图 9所示，试验装置示意如图10所示。

图9 试验方案流程图

图10 过电缆插入密封工具性能试验装置示意

6.3 试验过程

6.3.1 过电缆通道加工质量检验

采用6.35mm(1/4 英寸)液控管线取代6.35mm钢管电缆，分别从反洗井过电缆插入密封工具的过电缆通道任意一端穿入，液控管线可顺利通过，并从另一端穿出，如图11所示。试验证明过电缆通道加工质量达到设计要求。

图11 120.65 mm(4.75 英寸)可洗井过电缆插入密封工具试验

6.3.2 120.65 mm(4.75 英寸)可洗井过电缆插入密封工具试验

将120.65 mm(4.75 英寸)可洗井过电缆插入密封工具放入试验工装，如图12所示。拧紧工装上下接头，如图13所示，分别进行上、下环空加压，监测压力变化，判断插入密封工具O形圈与密封模块的密封性能和反洗井通道开启压力。

图12 插入密封工具放入试验工装操作

图13 试验工装连接上、下加压管线

完成各项准备工作后，对可洗井过电缆插入密封工具进行了反洗井性能和密封性能试验，试验结果如图14所示。反洗井通道压差<1 MPa能够实现反洗井功能。如图15所示密封压差>25 MPa，并且稳压5 min没有压降。能够实现密封功能。

图14 反洗井性能试验曲线

图15 密封性能试验曲线

6.3 试验结论

1) 6.35 mm(1/4 英寸)钢管电缆可正常通过可洗井过电缆插入密封工具过电缆孔。

2) 可洗井过电缆插入密封工具密封等级达到25 MPa。

3) 可洗井过电缆插入密封工具反洗通道开启压力小于1 MPa。

7 现场应用

截止2016-02，可洗井过电缆插入密封工具已经在渤海油田应用2口井，应用效果良好。

8 结论

1) 通过可洗井过电缆插入密封工具，可进行钢管电缆的穿越，增加了井下电子工具的使用范围和可靠性。

2) 采用有限元方法对密封模块进行分析，计算了接触压力，并进行优化设计。推荐最优过盈量为0.15 mm，最优接触面宽度为4 mm。

3) 通过可洗井过电缆插入密封工具，可建立洗井通道，进行洗井作业，避免油管里注入水因滋生杂质而造成地层堵塞，影响地层注入能力。

[1] 宋祖厂，刘扬，盖旭波，等.可反洗井插入密封工具分注工艺在深井中的应用[J].石油矿场机械，2014，43(7)：70-72.

[2] 王立苹，杨万有，罗昌华，等.海上油田防砂完井注水井反洗工艺及配套工具[J].石油机械，2013，41(5)：36-39.

[3] 赵贵金，毕愿涛，王超，等.水平井井下分注工艺管柱的研制与应用[J].石油机械，2011，39(8)：53-56.

[4] 周建国，甲兴哲，刘殷韬，等.海上定向井防砂管柱内全井洗井分层注水技术[J].石油机械，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

中海石油有限公司综合科研项目"海上油田注水井智能测调技术研究及应用"部分成果(YXKY-2015-TJ-03)

张志熊(1973-)，男，重庆潼南人，工程师，1997年毕业于中国石油大学(华东)，现主要从事海上油气田分层注水工艺研究和推广应用工作，E-mail：zhangzhx@cnooc.com.cn。

1001-3482(2016)11-0047-05

TE952

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.11.010