ø193.68 mm套管井用电缆穿越封隔器研制
2018-11-29，，，，
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(中海石油(中国)有限公司天津分公司 海洋石油高效开发国家重点实验室，天津 300459)
海上油田为了降低成本、提高效率，在满足勘探开发需求的条件下进行井身结构设计优化，应有别于常规井眼的优化井眼结构[1-5]。根据优化后的井眼结构开展钻、完、采一体化研究，降低钻完井施工费用。通过大量油田作业数据和模拟分析，确定采用ø193.68 mm套管作为常用生产套管尺寸，并配套设计了一种电缆穿越封隔器[6-10]。
1 结构及特点
该电缆穿越封隔器是一种压缩胶筒密封、双向卡瓦锚定、中心管加压坐封、上提管柱解封的封隔器，主要由坐封机构、密封机构、锚定机构、锁紧机构和解封机构组成，如图1所示。下规环、活塞套、活塞和中心管组成密闭液压腔，构成坐封机构，中心管直接加压可使封隔器坐封；密封机构为压缩式三胶筒结构，密封油管和套管环空；锚定机构由上锥体、卡瓦弹簧、卡瓦、下锥体、卡瓦笼组成，将悬挂力传递到套管上，起到锚定管柱作用；锁紧机构由活塞、锁环和连接套组成，锁紧机构只能单向运动，封隔器坐封完成中心管泄压后，锁紧机构保持封隔器处于坐封状态；解封机构由下锥体、中心管和解封销钉组成，解封销钉将中心管和下锥体连接一起，上提管柱，剪切销钉被剪断，封隔器解封。
中心管有5个偏心通道(如图1左视图)，5个通道上部均设计有密封螺纹。5个通道分别为1个生产通道，用于连接油管；1个电缆穿越通道，用来连接电缆密封筒穿越电缆；1个排气或者循环通道，用来安装环空放气阀；2个液压控制管线穿越通道，用来穿越液压控制管线并密封。
该封隔器与ø88.9 mm油管连接；下接头通过键、悬挂套与中心管连接。
电缆密封筒由上接头、连接筒、下接头、开口胶圈等组成，有两组开口胶圈，密封性能可靠。如图2所示。
1—中心管；2—上规环；3—下规环；4—隔环；5—活塞套；6—活塞；7—连接套；8—锁环；9—防转销钉；
1—上接头；2—连接筒；3—挤压环；4—弹簧；5—堵头；6—O型密封圈；7—下接头；8—开口胶圈。图2 电缆密封筒
2 工作原理
封隔器下入到设计位置，投堵塞器，从油管加压。液体从中心管上的传压孔进入由上规环、活塞、中心管和活塞套形成的液压腔，达到一定压力后剪断剪切套和活塞之间的剪切销钉，上规环上行压缩胶筒，同时活塞下行，推动上锥体下行，上锥体将卡瓦推到下锥体上，在斜面作用下，卡瓦张开咬住套管，坐封力完全传递到解封销钉上。在上规环上行和活塞下行的过程中，锁环从活塞上划过，锁环和活塞上有锯齿形螺纹，只允许活塞和锁环之间单向运动。继续加压到设计压力并稳压一段时间，胶筒和卡瓦完全坐封。卸掉油管压力，在锁紧机构作用下，封隔器保持坐封状态。
解封封隔器时，直接上提管柱，封隔器中心管上移，由于卡瓦咬住套管不动，导致下锥体不动，中心管和下锥体之间的解封销钉被剪断，下锥体、卡瓦笼、上锥体和活塞下移，在卡瓦弹簧作用下，卡瓦收回。在胶筒回弹力作用下，上规环挂在隔环处，在井壁摩擦作用下活塞挂在连接套上部，同时卡簧卡在中心管凹槽处，防止上提下放管柱时封隔器再次坐封。
该封隔器上部安装有环空放气阀，在放气阀关闭时，封隔器下部是密闭空间，环空压力传递到封隔器上导致封隔器有向上移动的趋势，这种趋势和解封封隔器时相同，环空压力全部转移到解封销钉上。因此封隔器耐压级别不仅和胶筒耐压级别有关，还与解封销钉的剪切力有关。
电缆从电缆密封筒穿过，密封处的电缆金属铠皮剥掉，将上接头和连接筒、连接筒和下接头之间的螺纹拧紧，开口胶圈被挤压径向膨胀实现密封。在连接筒上连接试压接头，可对电缆密封筒进行压力测试，测试合格后将试压接头卸掉，拧紧堵头。
3 电缆密封筒开口胶圈分析
3.1 几何模型
电缆密封筒3个开口胶圈为1组，共2组开口胶圈，每个开口胶圈的结构和材料相同，不考虑端面的影响，每个开口胶圈的受力是相同的，只需分析一个开口胶圈。电缆密封筒的密封部分是轴对称结构，为简化计算，取四分之一模型进行分析。几何模型如图3所示；几何模型参数如表1。
1—挤压环；2—本体；3—开口胶圈。图3 开口胶圈几何模型
表1 几何模型参数mm
开口胶圈内径和本体(槽)的内径处接触，为方便组装，开口胶圈外径和本体(槽)外径有0.4 mm间隙；挤压环和本体(槽)内外径之间均有1 mm间隙。不考虑开口胶圈挤入挤压环和本体(槽)之间，开口胶圈可压缩距离ΔL满足式(1)。
(1)
式中：D1为开口胶圈外径，mm；d1为开口胶圈内径，mm；L为开口胶圈长度，mm；D2为本体(槽)外径，mm；d2为本体(槽)内径，mm。
计算可得：ΔL=0.56 mm。
3.2 有限元计算
3.2.1材料模型及参数
开口胶圈为氢化丁腈橡胶，是超弹材料，采用二参数Mooney- Rivlin模型进行计算，其参数为C01=2.325 5 MPa，C10=1.162 7 MPa；挤压环及本体材料为金属，将挤压环及本体简化为刚体；忽略开口胶圈与挤压环和本体之间的摩擦力。
3.2.2网格划分及边界条件
开口胶圈采用六面体网格划分，网格模型如图4所示。本体底部完全约束，模型的两处四分之一剖面处施加无摩擦约束，开口胶圈与本体和挤压环之间建立无摩擦接触对，在挤压环上部施加向下的位移载荷。
图4 有限元计算模型
3.3 计算结果分析
电缆密封筒是通过拧紧螺纹压缩开口胶圈实现密封，因此分析了不同压缩距离下开口胶圈的接触压力和预紧力(即压缩力)，计算结果如表2所示。
表2 计算数据
不同压缩距离下开口胶圈的接触应力如图5所示；接触应力和压缩距离的关系曲线如图6所示。
由表2、图5和图6可知，当压缩距离≤0.5 mm时，接触压力为0，这是因为开口胶圈和本体之间有间隙，开口胶圈必须受一定的压缩距离填满间隙后才能与本体接触。根据式(1)的计算结果，压缩距离ΔL=0.56 mm时，开口胶圈和本体开始接触，有限元分析结果和理论计算结果相同。当压缩距离≥0.6 mm时，接触压力急剧增加，考虑到不可压缩特性，开口胶圈已经部分挤入到本体和挤压环之间的间隙。
开口胶圈预紧力与压缩距离的关系曲线如图7所示。
图5 不同压缩距离下接触应力云图
图6 开口胶圈外径处接触压力与压缩距离的关系曲线
由表2和图7可知，当压缩距离≤0.5 mm时，预紧力增长较缓慢，当压缩距离≥0.6 mm时，预紧力急剧增加，这是因为压缩距离≤0.5 mm时，开口胶圈和本体没有接触，其处于自由受压状态，当压缩距离≥0.6 mm时，开口胶圈和本体已经接触，其处于有围压的受压状态。预紧力计算结果和理论计算结果一致。
图7 开口胶圈预紧力与压缩距离的关系曲线
4 封隔器试验及分析
测试内容包括坐封性能测试、液体密封性能测试、轴向载荷测试、解封性能测试等。试验时将电缆穿越通道；密封住环空放气通道和液压控制管线穿越通道；生产通道连接油管及密封杆。
4.1 坐封性能测试
为保证坐封可靠性，依次以10 MPa和21 MPa压力坐封封隔器，坐封性能测试结果如图8～9所示。
图8 10 MPa压力下坐封曲线
图9 21 MPa压力下坐封曲线
由图8可知，坐封曲线在7.5 MPa处有明显压降，是因为此时剪切套和活塞上的剪切销钉被剪断，液压腔体积增大。封隔器初始坐封压力为7.5 MPa，活塞面积为5 900 mm2，即初始坐封力为44 kN。
由图9可知，在压力逐渐升到21 MPa过程中，曲线有多个拐点，拐点的意义为封隔器发生坐封动作。在坐封过程中，胶筒逐渐被压缩，由于胶筒和套管内壁的摩擦作用，胶筒的压缩位移不是匀速变化的，在胶筒压缩速度较大时，坐封曲线会出现拐点。21 MPa坐封压力产生的坐封力为124 kN。
4.2 液体密封性能测试
在常温下用清水进行封隔器液体密封性能测试，从封隔器和套管上环空分别加压7 MPa和21 MPa，验证胶筒在低压和高压下的密封性能。
液体密封性能测试结果如图10～11所示。根据测试结果，测试压力为7 MPa和21 MPa时，在压力稳定后保持5 min，压力不降。因此，124 kN坐封力可以使胶筒完全坐封，封隔器胶筒满足液体密封性能要求。
图10 7 MPa压力下液体密封性能测试曲线
图11 21 MPa压力下液体密封性能测试曲线
4.3 轴向载荷测试
轴向载荷测试主要测试卡瓦锚定性能。有2种方式：一种是通过液体密封性能测试验证卡瓦锚定性能；另一种是通过机械加载方式测试卡瓦锚定性能。
套管内径为ø177 mm，密封杆直径为ø100 mm，验封时压力作用在封隔器上的面积19 570 mm2，在验封压力21 MPa时封隔器承受的轴向载荷为410 kN，封隔器未移动。因此，液体密封性能测试间接验证卡瓦锚定力大于400 kN，满足设计要求。
将坐封后的封隔器及套管安装到拉伸机上，分别加压100、200和400 kN，保持一定时间，封隔器未移动。通过机械加载测试验证了卡瓦锚定力大于400 kN，满足设计要求。
4.4 解封测试
将坐封后的封隔器及套管安装到拉伸机上缓慢拉伸，在200 kN时封隔器解封，继续拉伸将封隔器从套管中取出，取出封隔器过程中未遇卡阻现象。测试结果表明，该封隔器可正常解封，在解封后卡瓦能正常收回。封隔器的解封性能满足设计要求。
5 结论
1) 针对海上油田ø193.68 mm套管井，设计了一种电缆穿越封隔器。该封隔器具有电缆穿越、环空排气、管线穿越等功能，生产通道满足ø88.9 mm油管的通径要求。
2) 有限元分析结果表明，开口胶圈的接触压力和预紧力随压缩距离的增加而增加，当开口胶圈压缩距离≥0.6 mm时，其接触压力和预紧力随压缩距离的增大而急剧增加。有限元分析结果与理论计算结果一致。
3) 试验结果表明，该封隔器在124 kN坐封力下，液体密封压力大于21 MPa，悬挂载荷大于400 kN，满足海上油田使用条件。
