石油井下工具高温高压直井模拟试验装置研制

2020-08-12张蔚红张海涛王伟鹏

机械设计与制造工程 2020年7期

张蔚红，张海涛，王伟鹏

(1.陕西能源职业技术学院资源与测绘工程学院，陕西咸阳 712000)(2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司，陕西西安 710021)

石油井下工具的工作环境恶劣，油井井下空间狭小，结构和运动方式复杂，承受地层不同形式的载荷作用。井下工具作为一种可靠性要求极高的下入井工具，为保证油气井工作安全，避免工具失效引起油气井事故，必须具有稳定良好的工作性能和较高的可靠性[1-3]。井下工具一般通过工具管柱组合来实现施工作业[4]，工具在设计、开发和入井试验前，必须装备具有加压、加温、拉伸和扭转等功能的试验装置，来模拟井下工具管柱的工作环境，进行工作性能及可靠性测试，为工具的综合性能改进和新工具研发提供依据[5-6]。

目前各大油田都在积极开展在地面模拟井下工况的井下工具检测、检验及中间试验等研究工作，本文研制了一种能够模拟地层温度压力环境工况的直井井下工具模拟试验装置，可实现不同规格油套管和工具的加热、加载、加压、扭转、钻进、循环等井下工作状况试验功能。

1 模拟试验装置的功能与参数设计

1.1 模拟试验装置的主要功能和测试工具

井下工具模拟试验系统，能够针对不同油套管规格和作业工具类型，模拟实现加热、加载、加压、扭转、钻进、循环等测试功能。具体测试对象和试验功能如下：

1)模拟地层温度压力环境。高温系统具有从常温加热到200 ℃的能力，测试井下工具密封橡胶件的耐温性能，配合高压加压系统测试封隔器类工具的耐温耐压综合性能。

2)模拟轴向拉压作业。拉压系统能提供轴向拉压载荷，主要用于震击器工作性能、封隔器坐封和解封、打捞工具和钢丝绳作业工具性能等井下工具抗拉强度测试试验。

3)模拟管柱钻进过程。扭转循环系统能够提供管柱扭转载荷，同时实现轴向位移、扭转和井液循环功能，主要用于磨铣、套铣、桥塞钻铣等工具抗扭性能测试试验。

4)模拟油水井油套压测试试验。加压系统能够产生0～70 MPa的液压力，主要用于封隔器组合管柱的油套压密封试验、分层压力管柱工作性能试验、利用水力坐封的封隔器工作性能与可靠性试验。

6)数据采集监控功能。整套试验监控系统采用计算机自动控制，测试数据采用计算机采集处理，各种图表和试验报告通过显示器、打印机输出。

1.2 系统的主要技术参数

1)拉压载荷：上拉最大载荷1 000 kN，下压最大载荷700 kN。

2)扭转扭矩：0～15 kN·m。

3)压力：0～120 MPa，满足井口四通要求。

4)温度：0～200 ℃。

5)试压泵：高压泵最大输出压力70 MPa，最大排量5 L/min；低压泵最大输出压力10 MPa，最大排量1 000 L/min。

2 井下工具模拟试验装置设计

2.1 直井模拟试验装置的总体设计

上述直井模拟试验系统由两口模拟试验井、可移动加载装置、中频感应加热装置、拉压扭系统、井液循环系统、电气与测控系统等组成，试验系统包括了加热、加载、加压、扭转、钻进、循环等功能子系统，图1为模拟试验装置总体设计三维效果图。模拟试验监控系统，采用PLC(可编程逻辑控制器)+计算机主从控制模式，配套视频监控系统，实现自动控制、数据参数采集、处理、记录和安全监测监控功能。

图1 模拟试验装置总体设计三维效果图

2.2 主要功能子系统工作原理

1)地层温度模拟。

2)模拟轴向拉压、扭转和钻进。

设计可移动加载装置，采用液压马达驱动，可沿地面轨道在两口试验井之间移动，实现轴向拉、压、扭钻进测试功能。通过移动横梁和导轨装置，使双缸同步上下往复运动，带动油管柱和井下工具沿井眼轴线运动，实现轴向拉压功能。采用液压马达提供扭转作用，控制电液伺服阀调节轴向拉压力和转动扭矩。

3)模拟油套压和井液循环。

采用高压大流量往复泵组、高压管汇和油套管井口装置，以清水或加入添加剂的油水混合液为工作液，形成循环系统。选用交流变频装置驱动往复泵，仪表计算机控制交流变频装置的工作过程，实时调节循环泵的输出流量。在循环管路的回路上安装电控节流阀，通过节流阀实时调节井筒的液体压力。

4)模拟不同直径井筒。

3 模拟试验装置的主要结构设计与分析

3.1 可移动加载装置

移动加载装置作为主试验装置，能够自动行走在两口试验井之间，模拟井下工具的实际工作条件，进行加载加压扭转测试。移动加载装置由底盘及框架、行走电机、行走轮、升降机构和平台升降油缸等组成，顶盖由4根立柱与下平台刚性相连，在移动架端部设有扶梯。通过液压油缸带动活动横梁沿导向柱上下往复运动，产生轴向拉压力。利用油马达提供旋转动力，带动井下管串相连接的中心管转动，产生扭转力矩。图2为可移动加载装置三维效果图。

图2 可移动加载装置三维效果图

液压站控制系统主要由液压油源、控制阀件、执行机构、冷却循环装置、液压管线等组成，控制液压元件实现规定的动作。采用交流变频装置驱动往复泵，通过智能调节仪控制交流变频装置的工作过程，实时调节泵的流量。在高压加压回路上安装电控节流阀，计算机控制节流阀的过流面积，实时调节井筒的液体压力。

3.2 中频感应加热装置

1)中频感应加热装置的设计。

中频感应加热装置是利用电磁感应加热原理，使加热套管以及其内的导热介质被加热，实现井下工具在加热套管内加压加热试验功能。中频感应加热装置通过水电接头、电容器与中频加热电源连接，通过中频感应温控系统，实现加热功能，来模拟地层温度。加热套管上部套管头通过井口四通和加压系统连接，表层套管通过特殊套管头和井口四通连接，通过高压泵加压控制系统，实现加压功能，来模拟地层压力。图3为中频感应加热装置功能组成框图。

图3 中频感应加热装置功能组成框图

2)加热装置的组成结构。

中频感应加热系统主要由晶闸管中频电源、温度闭环控制单元、闭式循环冷却装置、电容器、功率控制器、消谐补偿装置、感应加热线圈和辅助装置组成。中频感应加热装置采用垂直安装方式，加热套管上部套管头通过井口四通和加压系统连接，由外到里依次包括表层套管、感应加热装置、加热套管、试验油套管等，模拟加热装置的结构及部件组成关系如图4所示。

1—热套顶部法兰；2—加热套管；3—固定法兰；4—短节；5—表套顶部法兰；6—吊耳；7—绝缘胶木立柱；8—感应线圈；9—绝缘套筒；10—待测工具；11—热介质；12—油套管；13—表层套管；14—热套封头；15—承托板；16—表套封头；17—测温元件；18—水冷电缆；19—出线孔；20—水电接头

3.3 数据采集与计算机控制系统

井下工具仪表与计算机监控系统，是与模拟试验装置的液压系统、拉压系统、扭转系统、循环系统、加热系统等配套的专用仪表与计算机监控系统，主要由工控机、数据采集模块和PLC构成，采用组态王开发上位监控软件，完成对井下工具综合性能的评价。仪表与计算机监控系统采用主从控制方式，实现数据采集和监控功能，控制试验子系统按照一定试验步骤和性能评价指标体系，实现对井下工具的各种工作性能参数测试和记录，给出试验评价结论，并具有报表打印、试验曲线打印、操作记录、报警记录等功能。系统下位机通过PLC和数据采集模块对现场数据进行采集，根据所采集的现场数据和计算机的指令来决定对试验设备的开关和控制操作，同时完成数据的预处理、过程控制、逻辑互锁、数值初步计算等任务。采用上述冗余设计,系统稳定可靠,满足试验环境下高可靠性和稳定性的要求。采集控制系统的硬件组成如图5所示。