竇益華，韓 碩，鄭 杰，2，3，李貞貞

（1.西安石油大學機械工程學院，陜西西安 710065；2.西安特種設(shè)備檢驗檢測院，陜西西安 710065；3.西北工業(yè)大學動力與能源學院，陜西西安 710072）

1 現(xiàn)場面臨的挑戰(zhàn)

近一年以來，長慶地區(qū)的水平井總體發(fā)展趨勢表現(xiàn)為完井井深更深、水平段更長、加砂量更大、入井液量更多、施工壓力更高等特點[1]。

2021 年6 月3 日13 時8 分，中國北方頁巖氣最高壓力施工井鄂102X 井壓裂完成。鄂102X 井是長慶區(qū)域內(nèi)首口壓力等級達140 MPa 的非常規(guī)頁巖氣勘探井。該井地處內(nèi)蒙古鄂爾多斯鄂托克前旗，試氣層位為奧陶系烏拉力克組，完鉆井深5 286 m，全井泥頁巖與灰?guī)r解釋有效氣層共595.6 m。

同年6 月6 日，桃X-XX-XH2 井分別創(chuàng)造了長慶氣田最深（8 008 m）水平井壓裂、亞洲陸上油氣井水平段最長（4 466 m）壓裂兩項新紀錄。該水平井施工設(shè)計高達40 段152 簇，除超深和水平段超長外，還具有加砂量大（2 056.6 m3）、入井液量多（23 600 m3）、施工壓力高（68.2 MPa）等特點。

6 月5 日，華HXX-3 井順利完井，完鉆井深7 339 m，水平段長5 060 m，刷新了亞洲陸上水平井最長水平段、長慶油田油井最深井等多項新紀錄[2]。該水平段的突破，又為水平井領(lǐng)域的工藝與工具進步提出了新的挑戰(zhàn)。

2 試驗裝置發(fā)展現(xiàn)狀

面對如今油氣井越來越高的壓力和溫度等級要求，壓裂工藝的發(fā)展日新月異，國內(nèi)各大油田及高校，均針對壓裂各個工藝環(huán)節(jié)研發(fā)了各種試驗裝置[3]，如2010 年中海油為滿足海上油田水平井及大斜度井定向防砂完井需求研發(fā)的水平井防砂完井物模試驗裝置[4]、中國石油大學2012 年研發(fā)的裂縫充填模擬試驗裝置[5]、2016年中科院武漢巖土力學研究所研制的水力加砂壓裂試驗裝置[6]等。除了常規(guī)的單下封壓裂之外，目前也發(fā)展出水力噴射加砂分段壓裂、連續(xù)油管拖動壓裂、套管滑套壓裂等壓裂工藝[7]，針對不同工藝，所應(yīng)用的井下工具設(shè)計制造也需要進行相應(yīng)的調(diào)整，同時需要配合有效的檢測手段，才能更好地加速工具的研發(fā)及生產(chǎn)，提高工具的可靠性[8]、可維護性[9]以及實用性[10]。

2009 年，大港油田建立了一套鉆采工具試驗系統(tǒng)，設(shè)有直徑7 m、深度為19.5 m 的直井與1 口長度為37 m 的水平試驗井[11]。其中垂直井分為常溫試驗井和高溫試驗井，高溫試驗井采用空氣加熱，最高可達180 ℃，最大壓力60 MPa。其中水平試驗井與常溫試驗井井身結(jié)構(gòu)外層均為φ244.5 mm 套管，高溫試驗井井身結(jié)構(gòu)外層懸掛φ339.7 mm 套管，高溫井套管外鋪設(shè)保溫層。高溫井與水平井底部裝有承力裝置，可承受0～1 000 kN 的井底鉆壓載荷，且該裝置底部裝有測扭、加扭裝置，扭矩載荷區(qū)間為3～7 350 N·m，可進行井底動力鉆具的載荷試驗。2014-2015 年，還對該試驗井筒及密封裝置進行了升級改造，令其可承受350 ℃高溫及150 MPa 高壓，并可更換139.7 mm 及177.8 mm 的套管進行靜壓密封試驗[12]。

2010 年，為遼河油田分層注汽生產(chǎn)工藝配套設(shè)計的一套智能化室內(nèi)模擬測試系統(tǒng)[13]（見圖1），以計算機技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)等為特征，形成了以試驗管柱系統(tǒng)、介質(zhì)加溫加壓系統(tǒng)、智能化測試系統(tǒng)為主要組成的一套完整的井下工具測試系統(tǒng)。該介質(zhì)加溫加壓系統(tǒng)中的電加熱爐最高加熱溫度為400 ℃，且克服了高溫密封、導(dǎo)熱油泄漏、出口壓力波動范圍大等技術(shù)難題，能夠?qū)崿F(xiàn)工作溫度350 ℃，流量5 m3/h 可調(diào)，出口壓力可達18 MPa，能夠在室內(nèi)模擬分層注汽過程，建立注汽參數(shù)與油藏性狀之間的數(shù)學模型、并能對井下采油工具的各項性能進行檢測，從而為新工具的設(shè)計和新工藝的研究提供有效的試驗平臺和可靠的試驗數(shù)據(jù)。

圖1 遼河油田分層注汽智能化室內(nèi)模擬系統(tǒng)[13]

同時，中海油主要針對目前海上油田水平井及大斜度井的防砂完井需求，設(shè)計了水平井防砂完井物理模擬試驗裝置[4]。該裝置可針對海上不同的油藏類型特征，優(yōu)選出防砂完井方式，能夠完成水平井或大斜度井防砂解堵、礫石充填、防砂篩管評價及工具性能測試等試驗的大型完井裝置。通過水平井礫石充填過程中排量、砂比、攜砂能力和漏失量等參數(shù)優(yōu)化的試驗研究表明，該裝置可延長防砂完井有效期，提高防砂完井成功率。

2012 年，長春理工大學尚春民等設(shè)計研發(fā)的一套井下工具水浸試驗系統(tǒng)，對于溫度和壓力的精度控制提出了更高的要求[14]。該系統(tǒng)最高壓力為100 MPa，最高溫度為95 ℃，壓力控制精度≤±0.5%FS，溫控精度可達±1 ℃。

2014 年，中石化勝利油田研發(fā)了一款可加溫至200 ℃，壓力70 MPa、加載力300 kN 的試驗系統(tǒng)[15]，該系統(tǒng)的主要特點是長8 m，可更換139.7 mm 及177.8 mm套管的地下試驗井筒，內(nèi)筒采用P110 高強度套管，且在外固定加強環(huán)和8 根加強筋，提高試驗管柱的安全系數(shù)，保證其抗壓能力。外筒為直徑370 mm 的鋼管結(jié)構(gòu)，采用2 層高效保溫材料包覆，確保系統(tǒng)熱量損失為最低。整套試驗管柱固定于試驗外筒內(nèi)部，確保了整套試驗裝置的密封性。同年，川慶鉆探公司投用的一套高溫高壓模擬試驗井裝置[16]，最高試驗壓力可達105 MPa，最高試驗溫度250 ℃，采用感應(yīng)線圈加熱的方式[17]，將線圈纏繞于試驗套管之外，以加熱油為介質(zhì)，對井筒進行加熱，相比傳統(tǒng)的導(dǎo)熱油加熱方式，此種方式效率更高，更為安全。之后在2020 年，川慶鉆探公司繼續(xù)對該裝置進行升級，使其能夠模擬軸向拉壓作業(yè)和管柱鉆進過程，最大上拉載荷1 000 kN、下壓最大700 kN，最大扭矩15 kN·m[18]。

2016 年，因常規(guī)試驗裝置無法滿足壓裂完井工具模擬試驗要求，勝利油田在原試驗裝置的基礎(chǔ)上研發(fā)了一款綜合性的壓裂完井工具高溫高壓性能模擬試驗裝置[19]（見圖2）。該裝置設(shè)置有2 口試驗井筒，分別為139.7 mm 及177.8 mm，試驗井筒耐壓可達140 MPa、整體溫度可達200 ℃以上，同時可針對井下工具動作及耐溫耐壓情況進行模擬。該裝置設(shè)置有移動式試驗臺，加載拉壓力為500 kN、加載扭矩±5 kN·m，可上下左右移動定位，同時支架可傾斜，方便較長工具的下入。

圖2 勝利油田壓裂完井工具高溫高壓性能模擬試驗裝置[19]

2017 年，川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，因為當時的整機高溫高壓試驗無法進行動態(tài)拉、壓、扭轉(zhuǎn)等操作，也不能實時模擬油套壓變化，所以自行研制了一套高溫高壓井下工具試驗裝置[20]（見圖3）。該裝置可以實現(xiàn)靜密封最大壓力210 MPa、動密封最大壓力105 MPa。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，對于高壓井筒進行優(yōu)化，將井筒上腔和下腔的打壓口均置于井筒上方，解決了泄壓時容易出現(xiàn)的堵塞問題，同時杜絕了井筒底部雜質(zhì)的回流。該裝置采用空氣加熱系統(tǒng)，由外加風機進行空氣循環(huán)，最高溫度200 ℃。加載裝置主要用于對試驗的工具進行拉、壓加載測試，額定加載壓力360 t，由兩個主油缸進行控制。并配備兩臺高壓泵和一臺低壓灌注泵，可進行上腔、下腔和中心腔的打壓，各路流量可單獨控制。

圖3 川慶鉆探井下工具高溫高壓試驗裝置[20]

同年，中石化石油工程技術(shù)研究院研發(fā)了一款能夠模擬井下125 ℃高溫及70 MPa 高壓，并且針對地層壓力隨鉆測量系統(tǒng)等井下儀器功能短節(jié)進行測試的室內(nèi)試驗系統(tǒng)[21]。采用卡扣式設(shè)計，可快速更換及連接井筒本體、井蓋和測量儀器。并增設(shè)地層巖心模擬模塊，可作為地層壓力測量儀器的試驗平臺或?qū)Φ貙訅毫y試算法進行驗證。

2019 年，西南油氣田工程技術(shù)研究院結(jié)合川渝氣田“三高”特性，研發(fā)了DTTS-200-140 高溫高壓井下工具試驗系統(tǒng)[22]。該系統(tǒng)可在200 ℃、140 MPa、拉壓載荷300 kN、扭矩10 kN·m 條件下測試井下工具。其超高壓試驗井筒創(chuàng)新地使用了壓環(huán)快裝結(jié)構(gòu)和組合式密封代替了普通的螺紋連接密封方式，提高可靠性的同時節(jié)省人力且提高了更換套管的效率。加熱保溫系統(tǒng)采用電磁加熱，通過電磁加熱感應(yīng)器將高頻交流電流轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交變磁場，作用至金屬管道后可產(chǎn)生渦流，并迅速加熱金屬管道。

除了溫度壓力的升級，工具試驗井筒也在追求更為逼真地模擬井下工況，如2019 年石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心連旭設(shè)計的一套模擬井筒加溫加壓系統(tǒng)[23]，除了能達到300 ℃的高溫之外，可提供240 MPa 的圍壓、井壓和孔隙壓力，且能建立0 至50 MPa 的流動測量壓差。對于多種試驗工況均可進行模擬。

綜上所述，井下工具試驗裝置的結(jié)構(gòu)總體可劃分為加溫系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、加載系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。其溫度壓力等級近年來總體呈上升趨勢（見圖4）。加溫系統(tǒng)有針對井筒加熱的方式以及外部循環(huán)導(dǎo)熱油加熱方式，其中直接加熱井筒又分為空氣加熱以及直接加熱，輔以溫度傳感器實時進行溫度調(diào)節(jié)。

圖4 井下工具試驗裝置溫度壓力變化圖

3 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀

在配合井下工具溫度壓力等級進行檢測手段升級的同時，面對批量工具性能檢測的效率提升問題，不同的企業(yè)及機構(gòu)也做出了不同的探索。

2014 年，勝利油田分公司專門針對套管外封隔器研發(fā)了一套模擬試驗裝置[24]（見圖5），額定壓力30 MPa、額定溫度180 ℃。主要由模擬井下裸井井眼的模擬井筒、加熱系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)組成。模擬井眼尺寸范圍為φ198 mm 至φ350 mm，兼容139.7 mm 及177.8 mm 的裸眼井眼的尺寸。

圖5 勝利油田套管外封隔器模擬試驗裝置[24]

遼河油田分公司鉆采工藝研究院于2016 年設(shè)計了一款針對壓縮式封隔器膠筒的檢測裝置[25]，該裝置檢測膠筒性能，不需要將膠筒裝配于封隔器，便可在指定的壓力及溫度條件下判斷膠筒密封狀況，得到各種型號和規(guī)格的壓縮式封隔器膠筒使用中的壓縮距、承壓能力等關(guān)鍵參數(shù)。該裝置通過液壓泵與中心管相連，施加一定壓力，使活塞向左運動，同時剪斷剪切銷釘，帶動活塞桿、推桿和擋環(huán)，使膠筒壓縮并坐封。內(nèi)部設(shè)置開口測量環(huán)，隨推桿一同下行，在膠筒解封后，可直接根據(jù)測量環(huán)的行走距離量取膠筒壓縮距。

2020 年，清華大學摩擦學國家重點實驗室郭飛、溫天政等設(shè)計研制了一種封隔器膠筒密封性能試驗裝置[26]（見圖6），可模擬稠油熱采井開采時井下350 ℃、20 MPa 的施工情況。該裝置主要由高壓泵、加熱裝置、水活塞、套筒模擬裝置、壓力表、測溫儀組成。該裝置的主要部件為套筒模擬裝置，膠筒放置于內(nèi)缸套中，套筒壓套配合水活塞，對膠筒進行加壓，外缸套底部與內(nèi)缸套配合，形成下部環(huán)空。下方介質(zhì)注入口通入環(huán)空腔體，用于注入水、油等介質(zhì)。加熱套設(shè)置于外缸套外側(cè)，可加熱保溫至350 ℃。

圖6 封隔器膠筒密封性能試驗裝置[26]

2021 年，中國石油大學研發(fā)了一套封隔器膠筒高溫密封性能試驗裝置[27]（見圖7），專門針對封隔器膠筒的高溫性能測試，由試驗筒、加熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、液壓動力源、水壓系統(tǒng)五個部分組成。其中核心部件是試驗筒，筒內(nèi)裝有芯軸，可以模擬井下工具的中心管。因封隔器膠筒分為擴張式及壓縮式，故該試驗裝置也據(jù)此做了區(qū)分設(shè)計，擴張式膠筒芯軸內(nèi)置水眼，上部有針型閥，可在壓力達到預(yù)定壓力時手動關(guān)閉。壓縮式膠筒通過液壓缸對膠筒施加載荷坐縮膠筒，實現(xiàn)坐封。該裝置使用電阻帶與導(dǎo)熱油結(jié)合的加熱方式、輔以液壓及水壓加載設(shè)計。測試擴張式封隔器膠筒通常裝配1 只，壓縮式通常裝配3 只。經(jīng)測驗，該設(shè)備可方便快捷地對膠筒進行性能測試，可大幅節(jié)省試驗時間。

圖7 封隔器膠筒高溫密封性能試驗裝置[27]

除了針對密封件的專用裝置之外，試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也有針對加溫系統(tǒng)的專項研究改進。2020 年，陜西能源技術(shù)學院的張建華等設(shè)計了一種具有內(nèi)外循環(huán)功能的熱風循環(huán)與變頻控制裝置[28]（見圖8），在熱風加熱區(qū)域，設(shè)有導(dǎo)流筒，分隔了加熱器與高壓釜質(zhì)檢的環(huán)形區(qū)域。使熱氣流具有內(nèi)外風道，可通過電動閥門切換方向，分別實現(xiàn)內(nèi)循環(huán)加熱、外循環(huán)降溫兩種功能。該裝置內(nèi)部為高壓釜，溫度檢測元件設(shè)置于其內(nèi)外壁，由變頻控制系統(tǒng)控制；其外即是熱風循環(huán)系統(tǒng)，利用該內(nèi)外循環(huán)的加溫、降溫方式，可以較快速度對釜內(nèi)試驗介質(zhì)的溫度進行升降，對于普通空氣加熱的方式有較大改善，且可有效提高電熱風利用率，節(jié)電效果好。

圖8 熱風循環(huán)與變頻控制裝置[28]

以上分析了2009 年以來國內(nèi)各大油田所研發(fā)的高溫高壓試驗裝置以及關(guān)鍵部件檢測機構(gòu)的發(fā)展，其主要提升在于溫度及壓力等級。該裝置的核心在于溫度、壓力及拉壓載荷控制機構(gòu)的設(shè)計。目前加熱裝置主要分為三種形式，分別為外部循環(huán)加熱、直接加熱以及空氣加熱[29]。外部循環(huán)加熱主要采用導(dǎo)熱油加熱，導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)較為安全環(huán)保，且使用成本較低，但溫度控制能力較差；直接加熱主要將如電阻絲之類的電熱元件包覆于試驗井筒外，直接對井筒進行加熱，此種方式加熱效率較高，保溫性能較好，溫度控制較為精準；空氣加熱為利用高溫高壓加熱空氣后將空氣循環(huán)至井筒外壁，通過空氣加熱井筒；目前國內(nèi)試驗裝置較多采用直接加熱或?qū)嵊图訜幔羝訜峄蚩諝饧訜岱绞絼t效率較低，使用成本高[30]，故使用較少，試驗系統(tǒng)溫度一般可達到200 ℃以上。多數(shù)系統(tǒng)可適配多種規(guī)格的套管尺寸，可測試不同尺寸的井下工具序列。套管更換有多種方式，工具的井下動作模擬多使用多功能試驗機進行，可同時實現(xiàn)軸向拉壓及扭轉(zhuǎn)等動作。

未來，試驗系統(tǒng)的溫度及壓力等級將會進一步提高，適應(yīng)性也會更廣，能夠更好地模擬井下實際工況，溫度壓力的控制精度會更為精確。與此同時，為了更高的試驗效率，加熱裝置的溫度升降速度將進一步加快。

4 結(jié)論與建議

高溫高壓試驗系統(tǒng)對于井下工具的研發(fā)制造來說不可或缺，能夠有效地提升工具的研發(fā)效率和可靠性。在綜合性大型模擬試驗之外，將出現(xiàn)更多對于膠筒、密封圈等密封件的專用試驗設(shè)備，將密封件性能檢測與工具性能試驗進一步區(qū)分，從細化到單一尺寸標準件的檢驗工具到極具綜合性的大型試驗設(shè)備，將是日后試驗檢測設(shè)備研究的兩個方向。