張蔚紅，張海濤，王偉鵬

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)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(xiàn)施工作業(yè)[4]，工具在設(shè)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(zhuǎn)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(jù)[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(xiàn)不同規(guī)格油套管和工具的加熱、加載、加壓、扭轉(zhuǎn)、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(shù)設(shè)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(xiàn)加熱、加載、加壓、扭轉(zhuǎn)、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(zhuǎn)循環(huán)系統(tǒng)能夠提供管柱扭轉(zhuǎn)載荷，同時實現(xiàn)軸向位移、扭轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)參數(shù)

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(zhuǎn)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(shè)計

2.1 直井模擬試驗裝置的總體設(shè)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(zhuǎn)、鉆進、循環(huán)等功能子系統(tǒng)，圖1為模擬試驗裝置總體設(shè)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(xiàn)自動控制、數(shù)據(jù)參數(shù)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(shè)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(zhuǎn)和鉆進。

設(shè)計可移動加載裝置，采用液壓馬達驅(qū)動，可沿地面軌道在兩口試驗井之間移動，實現(xiàn)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(xiàn)軸向拉壓功能。采用液壓馬達提供扭轉(zhuǎn)作用，控制電液伺服閥調(diào)節(jié)軸向拉壓力和轉(zhuǎn)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(qū)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(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)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(gòu)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(shè)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(chǎn)生軸向拉壓力。利用油馬達提供旋轉(zhuǎn)動力，帶動井下管串相連接的中心管轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)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(gòu)、冷卻循環(huán)裝置、液壓管線等組成，控制液壓元件實現(xiàn)規(guī)定的動作。采用交流變頻裝置驅(qū)動往復泵，通過智能調(diào)節(jié)儀控制交流變頻裝置的工作過程，實時調(diào)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(diào)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(shè)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(nèi)的導熱介質(zhì)被加熱，實現(xiàn)井下工具在加熱套管內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)。

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(jié)構(gòu)及部件組成關(guān)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(zhì)；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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集模塊和PLC構(gòu)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)對井下工具的各種工作性能參數(shù)測試和記錄，給出試驗評價結(jié)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(shù)據(jù)采集模塊對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集，根據(jù)所采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和計算機的指令來決定對試驗設(shè)備的開關(guān)和控制操作，同時完成數(shù)據(jù)的預處理、過程控制、邏輯互鎖、數(shù)值初步計算等任務。采用上述冗余設(shè)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(jù)前述功能分析與結(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)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(guān)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(jié)束語