井下工具测试系统研制

2023-08-28闫志远张洪楠陈安安

石化技术 2023年7期

闫志远张洪楠陈安安

1. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津 300452

2. 中国海洋石油有限公司天津分公司天津 300452

海上油气田对井下工具性能和可靠性要求极高，而耐高温高压井下工具的极限性能测试手段严重缺乏，无法验证研发工具的功能和可靠性。国内外同类型测试系统结构均较为复杂，投资均超过千万元，经济性不满足要求。目前国内尚无达到370℃高温条件下的高压试验设备。国内外同类设备均为竖直井筒，无法模拟大位移井、水平井的井下工况[1]。此外，获得国际认证（API美国石油学会）是产品进入市场的必备条件。

本文面向工程应用，针对高温高压井下工具测试需求，设计了一套水平放置式高温高压测试系统。

1 测试系统的整体技术参数

（1）测试介质：耐高温液压油/氮气；（2）测试温度和压力：220℃/105MPa；370℃/35MPa；（3）最大轴向载荷：1300kN；最大轴向行程：1.2m；（4）最大扭矩：15kN·m[2]；（5）适用井筒规格：9-5/8”、7-5/8”、7”、5-1/2”；（6）井筒有效长度：6m。

2 测试系统的技术方案

2.1 整体布局

将力加载装置、井筒支撑座、升温装置、气液泄漏检测系统及附属部件集成于安全防护箱（45H）中；将空压机、储气罐、冷干机、过滤器及附属部件集成于设备集装箱（20尺）中；将远程控制系统、人员操作空间等集成于控制集装箱（20尺）中。测试系统整体布局如图1所示。

2.2 安全防护箱

（1）安全防护箱尺寸参考 45H高柜集装箱，箱体防护钢板选材为Q235，三层防护厚度为15mm。箱体内侧安装钢制防护模块，每个模块独立安装，当有损坏时，可将损坏的模块更换。

（2）安全防护箱底部铺设导轨，箱体外铺设外延导轨，外延导轨和箱体中的导轨良好对接，便于井筒支撑台架进出防护箱，导轨长度满足被测试工具串在防护箱外安装的要求，并可至少承载15t的重量。

（3）安全防护箱的底部安装收集装置，用于储存作业完成后的测试介质，并可通过泵将过滤净化后的测试介质循环至该装置。该装置的尺寸为13000mm*2400mm*200mm。

（4）安全防护箱顶部安装一套起吊重量为2t的电动葫芦和一套起吊重量为2t的手动葫芦，两套起吊装置的移动距离可以覆盖整个箱体的长度和宽度方向90%空间。

（5）安全防护箱的两端设置设备进出门，侧面设置逃生门。箱体的门禁系统设有自动操作模式和手动操作模式。在自动操作模式下，实现试压泵和门的联动控制，确保试件及管线中无压力才能将门打开，如门未完全关闭，则无法启动试压泵，门一旦被打开，试压系统立即进行泄压，并且防护箱安装有整套设备的急停按钮，试压一旦开始，警报闪光灯开始工作，发出警示。在手动操作模式下，门禁及警报系统可根据实际需求选择开启。

（6）箱体全天候防雨、防尘，箱体内部地面要防滑，并有排水功能。箱体内安装空调和照明设备，箱体顶部安装换气通道，外侧设置钢制梯子。箱体内外表面进行喷砂喷漆处理，喷砂等级至少为Sa2.5 级，内外表面喷涂海洋船用专业油漆。

2.3 增压系统

2.3.1 油增压系统

（1）测试介质：耐高温液压油。（2）可为规格为9-5/8″、 7-5/8″、 7″、5-1/2″且有效长度为6m的试验井筒提供155MPa的工作压力。（3）可将测试介质中的杂质滤出，过滤后的油循环至油箱重新使用。（4）加压系统为气驱试压泵，低压泵比值≥1∶26，流量≥45L/min，高压泵比值≥1∶270，流量≥4.6L/min，有控制面板，具备阶梯保压功能，阶梯可自由设定，高压油各2路，可自动切换。（5）压力测试传感器精度≤±0.25% F.S；压力控制精度≤±1% F.S；压力表显示精度≤±0.5% F.S，压力显示方式为压力表（现场）+显示器实时显示（远程控制台）。（6）配预充泵，可预充耐高温液压油，以缩短试验时间。（7）元器件、高压阀门的设计压力是最高工作压力的1.3倍，且保证各高压密封连接部位可反复拆卸、密封性能稳定可靠［3］。

2.3.2 气增压系统

（1）测试介质为氮气，气源为氮气瓶组。（2）设备可为规格为9-5/8″、 7-5/8″、 7″、5-1/2″、有效长度为6m 的试验井筒提供100MPa的工作压力。（3）增压系统采用分级增压，初级增压采用整机原装进口高压空压机，且有控制面板，具备阶梯保压功能，阶梯可自由设定，高压气2路，可自动切换，达到100MPa的增压时间≤90min。（4）压力测试传感器精度≤±0.25%F.S；压力控制精度≤±1% F.S；压力表显示精度≤±0.5% F.S，压力显示方式为压力表（现场）+显示器实时显示（远程控制台）；（5）元器件、高压阀门的设计压力是最高工作压力的1.3倍，且保证各高压连接部位可反复拆卸、密封性能稳定可靠[4]。

2.4 模拟井筒

模拟井筒是整套测试系统的关键部件，其主要功能是为井下工具提供密闭的高温、高压空间，真实模拟井下环境。优选4130M材料进行制造，9-5/8″模拟井筒结构设计。

2.5 测试台架和力加载系统

2.5.1 测试台架

测试台架由底座、模拟套管支座、轴向拉压设备和扭转加载机构等组成。采用轴向拉压加载内力平衡结构，即轴向加载力在套管首部支座内部、加载液压缸内部平衡，不涉及相连接的导轨和试验台架框架[5]。另外，扭转加载时扭矩通过镶嵌在槽轨内的4个轴承平衡，扭矩不会作用在轴向加载液压缸的伸出杆上有效保护了液压缸。液压缸的安装选择了缸体铰轴、杆头耳环的形式，避免了对试验台架制造过高的加工与装配精度要求，且受力更加合理，对液压缸起保护作用。

配置了试验台架移动行走机构，采用链传动解决多个滚轮同步运动驱动问题，便于试验台架进出集装箱。采用C形过渡板以便匹配不同外径模拟套管的安装需求。井筒支撑台架在导轨上移动时可以锁定位置。

2.5.2 轴向力加载系统

①轴向力加载装置可将轴向载荷转化为加载装置和井筒之间的内力，该装置的轴向加力杆配有连接服务工具的锁紧抱箍；②加载油缸可提供最大轴向载荷：1300kN；③油缸行程：0～1200mm；油缸工作压力为0～35MPa；④载荷传感器量程：0～2000kN，精度等级为±0.2%（FS）。

2.5.3 扭矩加载系统

①可提供最大扭矩：15kN·m；②扭矩调整范围1～15kN·m；③扭矩传感器量程：20kN·m；精度等级：±0.2%（FS）。

2.6 加温系统

（1）加温系统适用于9-5/8″、 7-5/8″、7″、 5-1/2″四种规格试验井筒，可实现最高工作温度370℃，额定电压为380V，50Hz，功率≥25kW，升温速率60～90℃/h，达到最高工作温度时间≤4.5h。

（2）加温系统和温度传感器覆盖整个待测试工具的长度，加温系统可实现被加热工具温度的相对稳定，通过温度控制仪实现温度精准控制。为减少热量散失，提高升温速度，加热系统外部采用绝热保温层进行包覆。同时工具测试过程中进行温度循环时，可通过降温装置实现快速降温。

2.7 气液泄漏检测系统

（1）气液泄漏检测系统的检测能力要达到API 11D1 V6～V0全部等级的设计确认试验的要求。

（2）V0等级试验时，在大气压状态下，使用气泡检测仪对泄漏出的气泡进行检测，并通过控制系统可对气泡检测仪采集的数据进行处理，如气泡数量、出现气泡时间以及气泡持续的时间等。V2～V1等级试验时，气体泄漏的检测是在大气压下通过观察量杯中水的体积来计算泄漏气体的体积。此外，配置气体流量计，测量精度达到0.1m3/min，以通过时间和流量来计算气体泄漏量）。V6～V3液体泄漏的检测是通过观察被测试腔体中压降的变化来判断。

2.8 控制和监控系统

2.8.1 硬件方面

①系统由配电系统、数据采集装置、操控装置、视频监控等部分组成，控制台采用双工位电气框架，一个工位用于压力、轴向力、扭矩的加载控制，另一工位用于视频监控，且便于作业人员操作。②系统功能键的设置与测试工艺对功能的要求一致，并可将测试过程中的监测数据实时显示，同时配有激光打印机，可随时对监测数据及相关文档进行打印。③视频监控系统须由试验现场监控（摄像头）及监控显示（显示器）两部分组成，对作业的监控可覆盖整个测试区域，无监控盲区，对泄漏点的观测无需操作人员进入高压现场。

2.8.2 软件方面

①软件功能设置与测试工艺流程匹配，并有自动保压、手动/自动泄压、有过压保护、自动启/停机、分级打压、每级独立保压、压力设置、故障报警等功能，可实时显示测试压力，记录压力数据，可绘制压力曲线，有数据存储功能，在断电情况下可将数据自动保存。②软件能监测安全门发出的信号，如安全门开启，无法进行加压，并自动触发声光报警，只有安全门完全关闭后才能进行测试。