井下工具高压油浸试验系统

呼延辉

（中石油长庆油田分公司物资供应处，陕西西安 710018）

0 引言

在油田开发后期，随着多种钻井采油工艺的实施，井下工具起到了非常重要的作用，井下工具的工作性质，工作质量，结构优劣将直接关系到工艺措施的成败，油井后期的开发。长期以来，国内各大油田钻采工艺研究院投入了大量的人力、物力，不少工艺技术取得了突破，但对于复杂的地质以及井下工况，仍有很多不足。受试验设施的限制，一些创新无法获得直接有效的试验支持，直接井上试验风险成本太大。为此，研究井下工具测试系统，根据现场情况设置的多种规格井筒，可模拟高压、高温、油浸、水浸等井下工况，用以弥补当前试验系统的不足[1-2]。

井下工具封隔器高温高压油浸试验系统包括3口高温高压油浸试验井、拉拔解封试验机、电加热系统、静压试验系统和测控系统。

1 高温高压油浸试验井

高温高压油浸试验井的作用是为封隔器高温高压油浸试验提供全尺寸模拟井筒试验条件，以便进行封隔器及胶筒和其他井下工具的高温高压油浸试验。

试验井安装在封隔器油浸试验间内（试验间长12 m、宽10 m），试验间内部建立深4 m、长6 m、宽2 m的沉井地槽，沉井地槽内部布置3口高温高压油浸试验井，试验井井口通过井口座悬挂在沉井钢平台上，试验井筒下部的扶正座通过螺栓固定在井地平面上。试验井筒规格分别为7英寸、5.5英寸和4.5英寸，试验井筒有效长度3 m，最高试验温度200℃，最高压力120 MPa。

试验井筒材料：4.5英寸试验井套管材料P110，壁厚6.35 mm；7英寸试验井套管材料P110，壁厚10.36 mm。4.5英寸和7英寸试验井的最高试验压力70 MPa，井筒与悬挂法兰和井底堵头采用套管气密扣TPCQ连接。

5.5 英寸油浸试验井采用合金材料（PCrNi3MoVA)整体加工成型，最高试验压力98 MPa。

4.5 英寸、7英寸试验井包括：井口四通、试验井筒、井筒支撑座、井底扶正座、井口堵头、井筒加热元件和保温层等。5.5英寸试验井包括：整体高压试验井筒、井筒支撑座、井底扶正座、井口密封堵头、井筒加热元件和保温层等。

试验井筒与井口四通采用API钢圈密封，井口堵头密封采用耐高温专用密封。井口堵头中心、井筒上部、下段井筒堵头均开打压孔连接打压管线，可以进行井筒内封隔器上、下压试验，井口堵头通过连接油管提供封隔器的坐封压力。

同时在试验井筒的上、下段开温度测量口，安装耐高压温度传感器，测量试验介质的温度，试验介质为0#或10#煤油(也可是清水)。试验井筒外部包裹分段电加热元件，对井筒内的试验介质加热，电加元件外部加装保温层和绝缘外罩，防止试验时热量的散失。电加元件分段通过密封插件连接，再通过电缆接入电加热系统的控制柜。

2 拉拔解封试验机

拉拔解封试验机的作用是一旦封隔器或工具试验完毕，试验压力卸去后，封隔器难以解封、卡瓦类工具难以缩回取出试验井筒，需要利用拉拔解封试验机上拉或下压，解封或解卡。

拉拔解封试验机安装在油浸试验间，在试验井沉井地槽两边铺设轨道，轨道为钢轨QU70，解封试验机在轨道上利用液压马达驱动行走轮行走，工作时移动到不同试验井位置，利用两边的地锚定位试验机的拉拔液缸中心对准试验井口中心。解封或解卡时，试验机底座下部的夹紧液缸夹持试验井口，利用连接杆连接井内试验管柱和拉拔液缸的活塞杆，试验机拉拔液缸拉拔（或下压）、解封或解卡井下试验工具。拉拔液缸的有效行程300 mm，拉力 35 t，下压力 50 t。

拉拔解封试验机由行走底座、拉拔门架、拉拔液缸和液压系统组成。行走底座长3 m、宽2.8 m、高0.45 m，下部安装4个行走轮，2个主动轮利用液压马达驱动，行走底座两边耳板通过锥销与地锚连接。拉拔门架安装在行走底座平台上，拉拔门架上端固定着拉拔液缸，中间套装着拉拔横梁，拉拔液缸的活塞杆与拉拔横梁连接，拉拔液缸推动横梁上下运动，横梁通过两边的门架导向柱导向。试验机底座平台后部安装有一套液压系统，为拉拔解封试验机上的拉拔液缸和行走液马达提供动力。液压系统中包括液压站、操作阀台。操作台有手动操作阀和泵站电机启动开关。

动力电缆接入液压站油泵电机，电缆随试验机的行走而伸缩，为保证电缆的正常行走伸缩，地面安装1套自动收线器。

3 电加热（或油加热）系统

电加热系统的作用是利用可控硅控制加热功率。电加热系统包括电控柜、测量温度传感器、电缆动力线、测量信号线和布线电缆盒等。

动力电缆线接入井筒上安装的加热元件，测量信号线接入井筒上安装的温度传感器。加热时测量试验井筒的试验介质温度的传感器信号传入电控柜中的温度调节器，温度调节器根据测控系统要求的试验温度闭环PID（Proportion Integration Dif原ferentiation，比例积分微分）调节电加热的功率，温度调节器输出（4～20）mA控制信号通过触发板控制可控硅导通角的大小，从而控制主回路加热元件电流大小，达到控制加热功率，使井筒内的试验介质保持在设定的温度工作状态，使其满足试验验要求的温度。加热控制柜的功率80 kW。温度调节器的输出温度信号传入测控系统PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器），采集处理后送入控制计算机，显示、存储、输出，方便出具试验报告[1,3]。

电控柜中的可控硅温度控制器包含主回路及控制回路。主回路由可控硅，过电流熔断器、过电压保护、试验井筒加热元件等组成。控制回路由直流工作电源、直流信号电源、同步信号环节、电流反馈环节、温度检测器、触发脉冲产生器和PID温度调节器等部分组成。

4 静压打压系统

以压缩空气为动力源，采用气动液体增压泵，向油浸试验井中心管、封隔器井筒上段和封隔器井筒下段打压，满足试验工具（封隔器）的压力试验要求。驱动气源压力与输出液压成正比，通过对驱动气源压力的调节，来保证试验输出压力，当气压与液压平衡时，气动增压泵停止动作，输出压力保持在所需试验压力上。假如试验过程中系统泄露导致压力下降，气动液体增压泵自动启动，进行压力补偿，达到并维持试验压力。通过控制气源的进气量，可以调节液压泵的工作频率以控制输出流量[4]。

静压试验系统技术参数：介质包括柴油、10#煤油、清水，最高输出压力120 MPa，最大输出流量2 L/min。

静压试验系统由低压气源、气动高压泵、控制阀箱、气路管线和液路管线组成。

低压气源包括空压机（寿力或英格索兰）、冷冻式干燥器、三级过滤器和储气罐。气动高压泵采用双泵增压，2台气动高压泵（Haskel），预压泵压力14 MPa，高压泵最高压力120 MPa。控制阀箱包括气动阀、电磁阀和手动阀。所有阀件均采用进口件。二位四通电磁阀用于控制气动阀，气动阀和手动阀规格均为3/8英寸，耐压20 000 PSI。气路管线接入控制阀和控制泵，液路管线由控制阀箱接入试验井筒。规格均为3/8英寸，耐压20 000 PSI，采用不锈钢专用管。

5 测控及数据分析系统

测控系统的作用是控制试验设备的启停，准确控制试验温度、试验压力，采集、测量、处理、显示和存储试验参数，以便满足试验要求。测控系统包括电控柜、操作台、测量传感器、采集处理单元（PLC）、控制计算机和测控软件。电控柜的配电元件遵循电器行业标准，操作台集中控制试验设备启停、内部布置采集处理单元（PLC）和控制计算机。

测量温度压力传感器采用美国森纳士品牌，采集处理单元（PLC）采用西门子元件，控制计算机采用Dell商用计算机。采用可编程控制器自带软件和VB语言编制专用控制程序满足试验的测量控制要求。

控制程序特点：①界面人机对话，运行可靠；②采用PID控制，控制输出精度高；③采集数据存入数据库，供查询、打印（可以按要求的报告格式输出）；④存储数据可以通讯传输到其他测控系统。

6 结束语

井下工具封隔器试验系统目前承担长庆油田针对新型钻采工艺的试验，以及特殊井下工具的检验测试工作。可完成4.5英寸，5.5英寸，7英寸封隔器，试验拉拔有效行程0.3 m，拉力35 t，下压力50 t，最大试验压力120 MPa，最高试验温度200℃条件下的高温、高压油浸性能评定分析。