石油井下工具高溫高壓直井模擬試驗裝置研制

張蔚紅，張海濤，王偉鵬

(1.陜西能源職業(yè)技術學院資源與測繪工程學院，陜西 咸陽 712000)(2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業(yè)公司，陜西 西安 710021)

石油井下工具的工作環(huán)境惡劣，油井井下空間狹小，結構和運動方式復雜，承受地層不同形式的載荷作用。井下工具作為一種可靠性要求極高的下入井工具，為保證油氣井工作安全，避免工具失效引起油氣井事故，必須具有穩(wěn)定良好的工作性能和較高的可靠性[1-3]。井下工具一般通過工具管柱組合來實現施工作業(yè)[4]，工具在設計、開發(fā)和入井試驗前，必須裝備具有加壓、加溫、拉伸和扭轉等功能的試驗裝置，來模擬井下工具管柱的工作環(huán)境，進行工作性能及可靠性測試，為工具的綜合性能改進和新工具研發(fā)提供依據[5-6]。

目前各大油田都在積極開展在地面模擬井下工況的井下工具檢測、檢驗及中間試驗等研究工作，本文研制了一種能夠模擬地層溫度壓力環(huán)境工況的直井井下工具模擬試驗裝置，可實現不同規(guī)格油套管和工具的加熱、加載、加壓、扭轉、鉆進、循環(huán)等井下工作狀況試驗功能。

1 模擬試驗裝置的功能與參數設計

1.1 模擬試驗裝置的主要功能和測試工具

井下工具模擬試驗系統(tǒng)，能夠針對不同油套管規(guī)格和作業(yè)工具類型，模擬實現加熱、加載、加壓、扭轉、鉆進、循環(huán)等測試功能。具體測試對象和試驗功能如下：

1)模擬地層溫度壓力環(huán)境。高溫系統(tǒng)具有從常溫加熱到200 ℃的能力，測試井下工具密封橡膠件的耐溫性能，配合高壓加壓系統(tǒng)測試封隔器類工具的耐溫耐壓綜合性能。

2)模擬軸向拉壓作業(yè)。拉壓系統(tǒng)能提供軸向拉壓載荷，主要用于震擊器工作性能、封隔器坐封和解封、打撈工具和鋼絲繩作業(yè)工具性能等井下工具抗拉強度測試試驗。

3)模擬管柱鉆進過程。扭轉循環(huán)系統(tǒng)能夠提供管柱扭轉載荷，同時實現軸向位移、扭轉和井液循環(huán)功能，主要用于磨銑、套銑、橋塞鉆銑等工具抗扭性能測試試驗。

4)模擬油水井油套壓測試試驗。加壓系統(tǒng)能夠產生0～70 MPa的液壓力，主要用于封隔器組合管柱的油套壓密封試驗、分層壓力管柱工作性能試驗、利用水力坐封的封隔器工作性能與可靠性試驗。

6)數據采集監(jiān)控功能。整套試驗監(jiān)控系統(tǒng)采用計算機自動控制，測試數據采用計算機采集處理，各種圖表和試驗報告通過顯示器、打印機輸出。

1.2 系統(tǒng)的主要技術參數

1)拉壓載荷：上拉最大載荷1 000 kN，下壓最大載荷700 kN。

2)扭轉扭矩：0～15 kN·m。

3)壓力：0～120 MPa，滿足井口四通要求。

4)溫度：0～200 ℃。

5)試壓泵：高壓泵最大輸出壓力70 MPa，最大排量5 L/min；低壓泵最大輸出壓力10 MPa，最大排量1 000 L/min。

2 井下工具模擬試驗裝置設計

2.1 直井模擬試驗裝置的總體設計

上述直井模擬試驗系統(tǒng)由兩口模擬試驗井、可移動加載裝置、中頻感應加熱裝置、拉壓扭系統(tǒng)、井液循環(huán)系統(tǒng)、電氣與測控系統(tǒng)等組成，試驗系統(tǒng)包括了加熱、加載、加壓、扭轉、鉆進、循環(huán)等功能子系統(tǒng)，圖1為模擬試驗裝置總體設計三維效果圖。模擬試驗監(jiān)控系統(tǒng)，采用PLC(可編程邏輯控制器)+計算機主從控制模式，配套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現自動控制、數據參數采集、處理、記錄和安全監(jiān)測監(jiān)控功能。

圖1 模擬試驗裝置總體設計三維效果圖

2.2 主要功能子系統(tǒng)工作原理

1)地層溫度模擬。

2)模擬軸向拉壓、扭轉和鉆進。

設計可移動加載裝置，采用液壓馬達驅動，可沿地面軌道在兩口試驗井之間移動，實現軸向拉、壓、扭鉆進測試功能。通過移動橫梁和導軌裝置，使雙缸同步上下往復運動，帶動油管柱和井下工具沿井眼軸線運動，實現軸向拉壓功能。采用液壓馬達提供扭轉作用，控制電液伺服閥調節(jié)軸向拉壓力和轉動扭矩。

3)模擬油套壓和井液循環(huán)。

采用高壓大流量往復泵組、高壓管匯和油套管井口裝置，以清水或加入添加劑的油水混合液為工作液，形成循環(huán)系統(tǒng)。選用交流變頻裝置驅動往復泵，儀表計算機控制交流變頻裝置的工作過程，實時調節(jié)循環(huán)泵的輸出流量。在循環(huán)管路的回路上安裝電控節(jié)流閥，通過節(jié)流閥實時調節(jié)井筒的液體壓力。

4)模擬不同直徑井筒。

3 模擬試驗裝置的主要結構設計與分析

3.1 可移動加載裝置

移動加載裝置作為主試驗裝置，能夠自動行走在兩口試驗井之間，模擬井下工具的實際工作條件，進行加載加壓扭轉測試。移動加載裝置由底盤及框架、行走電機、行走輪、升降機構和平臺升降油缸等組成，頂蓋由4根立柱與下平臺剛性相連，在移動架端部設有扶梯。通過液壓油缸帶動活動橫梁沿導向柱上下往復運動，產生軸向拉壓力。利用油馬達提供旋轉動力，帶動井下管串相連接的中心管轉動，產生扭轉力矩。圖2為可移動加載裝置三維效果圖。

圖2 可移動加載裝置三維效果圖

液壓站控制系統(tǒng)主要由液壓油源、控制閥件、執(zhí)行機構、冷卻循環(huán)裝置、液壓管線等組成，控制液壓元件實現規(guī)定的動作。采用交流變頻裝置驅動往復泵，通過智能調節(jié)儀控制交流變頻裝置的工作過程，實時調節(jié)泵的流量。在高壓加壓回路上安裝電控節(jié)流閥，計算機控制節(jié)流閥的過流面積，實時調節(jié)井筒的液體壓力。

3.2 中頻感應加熱裝置

1)中頻感應加熱裝置的設計。

中頻感應加熱裝置是利用電磁感應加熱原理，使加熱套管以及其內的導熱介質被加熱，實現井下工具在加熱套管內加壓加熱試驗功能。中頻感應加熱裝置通過水電接頭、電容器與中頻加熱電源連接，通過中頻感應溫控系統(tǒng)，實現加熱功能，來模擬地層溫度。加熱套管上部套管頭通過井口四通和加壓系統(tǒng)連接，表層套管通過特殊套管頭和井口四通連接，通過高壓泵加壓控制系統(tǒng)，實現加壓功能，來模擬地層壓力。圖3為中頻感應加熱裝置功能組成框圖。

圖3 中頻感應加熱裝置功能組成框圖

2)加熱裝置的組成結構。

中頻感應加熱系統(tǒng)主要由晶閘管中頻電源、溫度閉環(huán)控制單元、閉式循環(huán)冷卻裝置、電容器、功率控制器、消諧補償裝置、感應加熱線圈和輔助裝置組成。中頻感應加熱裝置采用垂直安裝方式，加熱套管上部套管頭通過井口四通和加壓系統(tǒng)連接，由外到里依次包括表層套管、感應加熱裝置、加熱套管、試驗油套管等，模擬加熱裝置的結構及部件組成關系如圖4所示。

1—熱套頂部法蘭；2—加熱套管；3—固定法蘭；4—短節(jié)；5—表套頂部法蘭；6—吊耳；7—絕緣膠木立柱；8—感應線圈；9—絕緣套筒；10—待測工具；11—熱介質；12—油套管；13—表層套管；14—熱套封頭；15—承托板；16—表套封頭；17—測溫元件；18—水冷電纜；19—出線孔；20—水電接頭

3.3 數據采集與計算機控制系統(tǒng)

井下工具儀表與計算機監(jiān)控系統(tǒng)，是與模擬試驗裝置的液壓系統(tǒng)、拉壓系統(tǒng)、扭轉系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等配套的專用儀表與計算機監(jiān)控系統(tǒng)，主要由工控機、數據采集模塊和PLC構成，采用組態(tài)王開發(fā)上位監(jiān)控軟件，完成對井下工具綜合性能的評價。儀表與計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用主從控制方式，實現數據采集和監(jiān)控功能，控制試驗子系統(tǒng)按照一定試驗步驟和性能評價指標體系，實現對井下工具的各種工作性能參數測試和記錄，給出試驗評價結論，并具有報表打印、試驗曲線打印、操作記錄、報警記錄等功能。系統(tǒng)下位機通過PLC和數據采集模塊對現場數據進行采集，根據所采集的現場數據和計算機的指令來決定對試驗設備的開關和控制操作，同時完成數據的預處理、過程控制、邏輯互鎖、數值初步計算等任務。采用上述冗余設計,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,滿足試驗環(huán)境下高可靠性和穩(wěn)定性的要求。采集控制系統(tǒng)的硬件組成如圖5所示。

圖5 采集控制系統(tǒng)的硬件組成示意圖

4 模擬試驗裝置的應用效果

根據前述功能分析與結構設計方案，基于直井模式的井下工具模擬試驗裝置已在川慶某井下作業(yè)工具中心實驗室正式投入運行，能夠通過雙工位移動加載試驗裝置模擬實現井下工作環(huán)境中管柱和工具的拉、壓、扭多項試驗測試功能，圖6為直井模擬試驗裝置關鍵部件套管中頻感應加熱裝置和試壓井口套管頭裝置。

圖6 直井模擬試驗裝置的主要部件

5 結束語