海上油田生產(chǎn)滑套性能測試裝置的設(shè)計(jì)與分析

呼英俊，羅建偉，劉振燕（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

海上油田生產(chǎn)滑套性能測試裝置的設(shè)計(jì)與分析

呼英俊，羅建偉，劉振燕
（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

針對海上油田生產(chǎn)滑套的性能測試，研制了測試裝置，給出了裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理、測試方法和步驟.該裝置可以模擬滑套的實(shí)際使用環(huán)境，完成滑套的啟閉、密封性能檢測和對密封件的破壞性試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對滑套性能的機(jī)械化測試，能夠滿足目前海上油田所有型號生產(chǎn)滑套的性能測試要求，為生產(chǎn)滑套的研制提供試驗(yàn)基礎(chǔ).試驗(yàn)表明：裝置的密封性能良好，可用于生產(chǎn)滑套的性能測試.

海上油田；生產(chǎn)滑套；測試裝置

生產(chǎn)滑套是一種在石油開采過程中連接在油管上的井下工具，一般用于生產(chǎn)或洗井等作業(yè)，它可以將油管和油套管的環(huán)形空間有效可控地連通起來［1］.通過鋼絲驅(qū)動開關(guān)工具作業(yè)可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)滑套的內(nèi)外導(dǎo)通和斷開，從而控制油管和油套環(huán)空的連通與關(guān)閉［2］. 生產(chǎn)滑套用于生產(chǎn)層時(shí)，可利用開關(guān)工具對不同產(chǎn)油層進(jìn)行選擇性生產(chǎn)；此外，生產(chǎn)滑套還可以與多種井下工具配合使用，例如：與插入采油管中的密封裝置組合使用，可進(jìn)行不同油水層的選擇開采，達(dá)到分層開發(fā)采油的目的；用在自噴管柱上，作為循環(huán)滑套使用，起到壓井液循環(huán)通道的作用；其上部內(nèi)腔也可安裝堵塞器，實(shí)現(xiàn)管道的上下分離［3］.因此，生產(chǎn)滑套在海上油田中應(yīng)用較為廣泛.

生產(chǎn)滑套的工作環(huán)境復(fù)雜，深水生產(chǎn)滑套的工作環(huán)境一般為120，℃，壓力在35，MPa左右；對于超深井，環(huán)境壓力可以達(dá)到50，MPa以上［4］.在上述工況下，保證生產(chǎn)滑套有可靠的開、閉性能和密封性能至關(guān)重要.因此，生產(chǎn)滑套的性能檢測工作就顯得尤為重要，尤其是更換密封件后，必須對滑套進(jìn)行性能測試，以確保其密封性能的可靠［5］.

雖然國外各大油田服務(wù)公司都擁有生產(chǎn)滑套的評價(jià)裝置，但都是依靠人工振擊來完成滑套的開啟關(guān)閉工作.如果要進(jìn)行滑套的密封性能破壞試驗(yàn)，需要連續(xù)完成2，000次以上開啟和關(guān)閉，不僅時(shí)間長，而且難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)滑套的帶壓啟閉和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳.為此，筆者與中海油能源股份有限公司合作研制了能夠模擬現(xiàn)場實(shí)際工況的生產(chǎn)滑套性能測試裝置.該裝置不僅能夠?qū)崿F(xiàn)滑套的自動帶壓啟閉和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，而且能夠進(jìn)行滑套密封性能檢測和破壞試驗(yàn).

1 測試裝置設(shè)計(jì)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)滑套性能測試裝置主要由工作筒、工作臺、沖擊油缸、增壓油缸、液壓站、數(shù)據(jù)采集和自動化控制系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 生產(chǎn)滑套性能測試裝置示意圖Fig. 1 Schema of performance testing device of the sliding sleeve

生產(chǎn)滑套安裝在工作筒內(nèi)腔；控制信號由壓力傳感器和行程開關(guān)發(fā)出，控制液壓回路的通斷，實(shí)現(xiàn)測試過程的自動控制；液壓系統(tǒng)的油路接沖擊油缸、增壓油缸和工作筒的進(jìn)出油口，完成滑套的帶壓沖擊啟閉和加載保壓，實(shí)現(xiàn)滑套啟閉沖擊力的測定和密封性能檢測.

1.1.1 液壓站

液壓站實(shí)物如圖2所示.

圖2 液壓站實(shí)物圖Fig. 2 Physical map of the hydraulic station

液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示，主要由電機(jī)泵組、油箱、控制閥塊、控制閥、壓力傳感器、壓力表及管路組成［6］.液壓油泵采用恒壓變量泵和蓄能器為系統(tǒng)提供動力，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定壓力保壓時(shí)，油泵自動改變流量，減少功率損失.油箱設(shè)有液位計(jì)、加熱器、溫度計(jì)、空氣濾清器、回油濾油器及冷卻器.一個(gè)控制閥塊用于控制系統(tǒng)壓力和給滑套密封性能檢測提供動力；另一個(gè)用于控制左、右兩個(gè)油缸的往復(fù)運(yùn)動，為滑套沖擊啟閉提供動力.控制閥主要由卸荷溢流閥、換向閥、單向閥、液控單向閥、單向球閥、減壓閥、比例減壓閥和比例流量閥組成.管路全部采用40，MPa高壓軟管和厚壁無縫鋼管.壓力表用于檢測系統(tǒng)各點(diǎn)的壓力，流量傳感器用于檢測沖擊油缸流量，壓力傳感器用于在密封性能檢測中測定壓力.

1.1.2 控制系統(tǒng)

測試裝置采用工控機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)手動和自動控制.控制臺實(shí)物如圖4所示.控制系統(tǒng)操作界面如圖5所示.

在手動模式下不僅可以進(jìn)行自動模式狀態(tài)的模擬、動作調(diào)試和測試各部件工作是否正常，而且還可以調(diào)試沖擊液壓缸的動作和增壓液壓缸的保壓、增壓等功能.通過檢測保壓過程中的壓力波動情況可判定被測密封件是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求.

圖4 控制臺實(shí)物圖Fig. 4 Physical map of the control station

圖5 控制系統(tǒng)操作界面Fig. 5 User interface of the control system

在自動模式下，首先需設(shè)定測試的項(xiàng)目名稱、日期、加熱器狀態(tài)、是否加壓、液壓系統(tǒng)最大流量和最大壓力，然后設(shè)定測試參數(shù)和循環(huán)次數(shù).測試過程中傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測壓力數(shù)據(jù)并上傳至控制系統(tǒng).系統(tǒng)可繪制數(shù)據(jù)曲線，并將數(shù)據(jù)和曲線保存為文本文件，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

1.1.3 執(zhí)行裝置

執(zhí)行裝置實(shí)物如圖6所示，主要由工作筒、沖擊油缸、增壓油缸和工作臺組成.工作筒用于安裝生產(chǎn)滑套、沖擊桿和模擬實(shí)際工作環(huán)境.工作臺用于安裝沖擊油缸、增壓油缸、工作筒、壓力測試裝置及調(diào)整機(jī)構(gòu).

圖6 執(zhí)行裝置實(shí)物圖Fig. 6 Physical map of execution means

1.2 工作原理

滑套性能測試裝置的工作原理是，利用固定在機(jī)架上的2個(gè)沖擊油缸分別從左右兩側(cè)沖擊沖擊桿，推動安裝在工作筒內(nèi)的生產(chǎn)滑套的內(nèi)套左右往復(fù)移動，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)滑套的開啟和關(guān)閉.在沖擊桿的沖擊端安裝有壓力傳感器，用以測定沖擊油缸對沖擊桿的沖擊力大小.通過控制系統(tǒng)改變沖擊油缸的供油壓力和流量，可以改變油缸的最大推力和運(yùn)動速度，從而調(diào)節(jié)沖擊油缸對沖擊桿的沖擊力，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)滑套的不同開啟和關(guān)閉速度.

該裝置可用于型號為1.875″、2.313″、2.75″、2.813″生產(chǎn)滑套的密封性能檢測，最小通徑分別為47.625、58.75、69.85、71.45，mm.為了避免關(guān)閉套到達(dá)極限位置時(shí)繼續(xù)沖擊造成生產(chǎn)滑套損壞，在工作臺上安裝有位置可調(diào)的限位行程開關(guān)，可根據(jù)不同規(guī)格生產(chǎn)滑套的測試要求，調(diào)節(jié)限位行程開關(guān)的位置.除了極限位置外，在開啟端的2個(gè)極限位置之間還裝有一個(gè)行程開關(guān)，該行程開關(guān)的位置是根據(jù)關(guān)閉套上的平衡孔位置確定的.開啟過程中，在平衡孔與滑套本體上的過流孔連通之前，由液壓站經(jīng)工作筒在生產(chǎn)滑套外部施加10，MPa的壓力，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)滑套在內(nèi)外壓差10，MPa的條件下開啟.外部加壓大小可根據(jù)測試需要在控制系統(tǒng)中設(shè)置.

測試裝置的設(shè)計(jì)壓力為40，MPa.根據(jù)海上油田作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，對生產(chǎn)滑套的密封性能要求為：在內(nèi)外壓差35，MPa的條件下10，min內(nèi)無泄漏即為合格.該測試裝置可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)滑套的連續(xù)開啟和關(guān)閉，直至密封件被破壞，并記錄滑套的開關(guān)次數(shù)和壓力數(shù)據(jù).目前，該測試裝置已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行2，000次以上，運(yùn)行正常.

測試裝置具有數(shù)據(jù)采集處理保存和遠(yuǎn)程自動控制等功能.在準(zhǔn)備工作完成后，人員可以遠(yuǎn)離工作臺和液壓系統(tǒng)，消除了人工操作的安全隱患.

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)步驟

（1）將試驗(yàn)用生產(chǎn)滑套拆開，裝入左右沖擊桿、沖頭、接管和密封接頭，擰緊各個(gè)連接部件，并保證連接后生產(chǎn)滑套的兩端密封接頭外尺寸在72～168，mm范圍內(nèi).

（2）拆開生產(chǎn)滑套性能測試裝置外結(jié)構(gòu)中工作筒一端的法蘭，按照生產(chǎn)滑套的啟閉方向要求將已連接好的帶沖擊桿生產(chǎn)滑套裝入工作筒內(nèi)，安裝并緊固法蘭；調(diào)整、緊固沖擊油缸和調(diào)整裝置.

（3）接通電源，啟動測試裝置.首先手動運(yùn)行設(shè)備，檢查安裝狀況是否正常；然后轉(zhuǎn)為自動運(yùn)行.設(shè)置參數(shù)后開始測試.

自動運(yùn)行時(shí)1個(gè)測試周期的流程為：滑套復(fù)位至完全開啟狀態(tài)→沖擊關(guān)閉滑套至平衡孔位置→加壓至10，MPa（壓力可調(diào)），繼續(xù)帶壓沖擊關(guān)閉滑套直至滑套完全關(guān)閉→停止沖擊，將壓力加至35，MPa→按照設(shè)定時(shí)間穩(wěn)壓（時(shí)間實(shí)時(shí)可調(diào)）檢測滑套密封件的密封情況→穩(wěn)壓結(jié)束，將壓力降至第1次加壓壓力→帶壓沖擊開啟滑套至平衡孔位置→將壓力降為零，繼續(xù)沖擊開啟滑套直至滑套完全開啟→測試結(jié)束→生成報(bào)告.

（4）如需進(jìn)行多周期循環(huán)測試，可在啟動程序之前設(shè)定循環(huán)次數(shù)，系統(tǒng)按照設(shè)定次數(shù)自動完成測試.

（5）測試完成，取出滑套，清潔保養(yǎng).

2.2 結(jié)果分析

圖7 生產(chǎn)滑套性能測試數(shù)據(jù)Fig. 7 Measured results of the sliding sleeve

圖7 為針對2.75″生產(chǎn)滑套，在啟閉壓力10，MPa、加壓壓力35，MPa、保壓時(shí)間60，s和1個(gè)循環(huán)的條件下得到的性能測試結(jié)果.效完成滑套的帶壓開啟、關(guān)閉試驗(yàn)，在生產(chǎn)滑套關(guān)閉條件下，加壓至35，MPa、切斷供油后，保壓無泄漏，表明用于試驗(yàn)的生產(chǎn)滑套和測試裝置都具有良好的密封性能.

3 結(jié) 語

本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要研制了海上油田生產(chǎn)滑套的性能測試裝置，給出了裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理、測試方法和步驟.采用測試裝置能夠模擬實(shí)際使用環(huán)境，對生產(chǎn)滑套進(jìn)行沖擊啟閉、密封性能檢測、密封件壽命測試等試驗(yàn)，大大降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，有效避免了人為誤判，實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)滑套性能的自動檢測，提高了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可為生產(chǎn)滑套工具的研制提供高效的試驗(yàn)裝置和技術(shù)保障.

［1］ 石磊. 一種新型滑套開關(guān)工具及配套技術(shù)應(yīng)用研究［J］. 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，36（1）：157-162.

［2］ 劉傳剛，包陳義，鞠少棟，等. 海上完井滑套開關(guān)工具彈性爪機(jī)構(gòu)性能研究［J］. 石油機(jī)械，2014，42（4）：34-37.

［3］ 張世甫. 滑套使用中若干問題的分析探討［J］. 鉆采工藝，2012，25（1）：77-79.

［4］ 《海上油氣田完井手冊》編委會. 海上油氣田完井手冊［M］. 北京：石油工業(yè)出版社，1998.

［5］ 張亮，王丙剛，馬認(rèn)琦. 深水生產(chǎn)滑套密封設(shè)計(jì)及試驗(yàn)［J］. 石油機(jī)械，2014，42（7）：41-44.

［6］ 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》編委會. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］. 5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

結(jié)果表明：測試裝置能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)滑套的振擊開啟和關(guān)閉，在開啟和關(guān)閉過程中所受沖擊力較均勻，與沖擊桿配合的密封件摩擦性能良好；測試裝置能有

責(zé)任編輯：常濤

Design and Analysis of a Performance Testing Device for Offshore Oil Production Sleeve

HU Yingjun，LUO Jianwei，LIU Zhenyan
（College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China）

A performance testing device for offshore oil production sleeves was developed and its function and performance were studied.The structure，working principles，experimental method and procedure of the testing device were given.This device can simulate the actual working environment，including open-close of the sleeves，sealing performance and the sealing destructive test.Using this testing device developed with mechanical technique，the performance test for all type of oil production sleeves that are used in offshore can be successfully realized，which can provide a test basis for the production of sleeves.Test results show that the testing device has good sealing performance and can be used for the performance test of the production sleeves.

offshore oilfield；production sleeve；test device

TH122

A

1672-6510（2016）03-0065-04

10.13364/j.issn.1672-6510.20150050

2015-04-21；

2015-09-25

呼英俊（1965-），男，河北張北人，副教授，hyjun@tust.edu.cn.