井下工具氣浸試驗裝置兩種溫度控制的比較

方軍峰

(長春理工大學 機電工程學院，吉林 長春 130022)

井下工具氣浸試驗裝置兩種溫度控制的比較

方軍峰

(長春理工大學 機電工程學院，吉林 長春 130022)

為了對井下工具整體或其密封件進行高溫試驗;檢驗工具能否合格;對封隔器等工具的質量進行評價;研究井下工具實際的應用工況，本文設計了溫控系統(tǒng)的結構并建立了油加熱管道的數(shù)學模型;利用兩種不同的溫度控制方法分別對井下工具氣浸試驗裝置進行溫控模擬實驗，進而為井下油田的溫控系統(tǒng)的研究提供有效的理論基礎。

氣浸;試驗裝置;溫度控制

0 引言

測量井下工具油浸試驗中罐體和夾套的溫度，可以實時監(jiān)測和控制井下工具油浸試驗中罐體和夾套的溫度;模擬井下工作實際的溫度條件;實現(xiàn)井下工具油浸試驗溫度控制和監(jiān)視的智能化管理［1］。井下工具氣浸試驗裝置是以氮氣為試壓介質的、試驗室所用的試驗裝置，它可以對井下工具整體或其密封件(盤根、膠筒、聚四氟乙烯等)進行高溫耐壓試驗，是檢驗工具能否合格的重要試驗系統(tǒng)，也是對封隔器質量評價的有效的檢驗手段。為油田嚴把產品質量關，有效控制了不合格品流入油田市場。

1 溫控裝置的工作原理

如圖1采用一套氣浸試驗裝置系統(tǒng)可設置不同溫度分別對4臺試驗井進行溫度控制。實現(xiàn)對試驗罐的循環(huán)加溫，保溫和溫度控制。由油加熱機組(加熱器、循環(huán)加熱泵、溫度傳感器)、和加熱管匯等組成。通過不同試驗罐的入口手動截止閥切換來實現(xiàn)對不同試驗罐的循環(huán)加熱。整個系統(tǒng)是邊循環(huán)邊加熱的過程。溫度控制實現(xiàn)閉環(huán)控制，位于試驗罐上的進出口傳感器會實時檢測罐體的溫度，信號經(jīng)過傳感器的放大和A/D轉換后輸入到PLC，完成罐體溫度信號的采集工作，罐體夾套的溫度會隨著導熱油溫度的升高而升高，兩個傳感器的示值也逐漸接近，當?shù)竭_罐體試驗設定的溫度時，改變循環(huán)泵的轉速，減小熱流量，使熱量供給量與消耗量平衡，進而保證了試驗罐內的溫度恒定。

圖1 溫控系統(tǒng)原理圖

2 管道加熱模型的建立

黏性流體的流動形態(tài):

層流和湍流是黏性流體流動的兩種不同的形態(tài)。如果管內的流體都沿軸向運動并且從管中心一層一層的向管壁延伸，流體相鄰的質點之間無橫向的運動，而且不會相互混雜，這就是層流。相反如果管道內流體的相鄰質點之間發(fā)生猛烈的橫向運動，還互相碰撞摻雜，流動很亂沒有規(guī)則，流體之間質點沿橫向也有不規(guī)則的流動，這就是湍流。黏性流體的流動時哪種狀態(tài)取決于，流體的速度、密度、力黏度、通道的尺寸，黏度μ，密度ρ和管徑d，會影響上臨界速度Uc1和下臨界速度Uc2。當流體的速度大于Uc1的時候，管道內流體流動的形態(tài)呈現(xiàn)湍流;相反當管道內流體的流動速小于Uc2的時候，管道內流體的流動就是層流;當速度在Uc1和Uc2之間，管道內流體的流動就是過渡流。流態(tài)可用一個由上述各參量組合而成的無量綱準則數(shù):雷諾數(shù)來判定，為了確定流體與管內壁的對流換熱系數(shù)a，必須判斷流體狀態(tài)，計算Re數(shù)。如圖2所示假定在長x(m)的管道上取dx長度的微元流體，管壁傳給dx段流體的熱量為qw(2πr0dx)，微元流體通過控制溶劑時引起的熱量變化為:(ρπr0um)cm(dtm/dx)則

圖2 油加熱管道示意圖

dx段流體傳給管道的熱量Qw為:

保溫層的傳熱量為:

式子(5)為加熱功率，管道內流體溫度和周圍溫度場之間的關系。如果給定加熱功率P，可求得流體沿管道長度方向的溫度變化。設管內導熱油的比熱容為cp，密度為ρ，熱傳導系數(shù)λf，管道直徑和厚度分別為d0和δg，保溫層厚度δb，管道導熱系數(shù)為λfg，保溫層的導熱系數(shù)λfb。流體傳給鋼管內壁的熱量Qw，管道內壁與導熱油的傳熱系數(shù)為h，保溫層與周圍空氣的換熱系數(shù)為h0，導熱油傳給管壁的熱量為Q1，導熱油在dx段管長內功率為dp。管道內壁和外壁溫度分別為t3和t2，保溫層外壁溫度為t1，周圍空氣溫度為t0，dx段導熱油的平均溫度為

3 數(shù)據(jù)的分析

3.1 利用組態(tài)軟件對數(shù)據(jù)進行采集與過程控制(如圖3所示)

圖3 組態(tài)王對溫控裝置的模擬

3.2 兩種控制的比較

如圖4所示，該曲線是采用粗調和細調程序控制下的反應曲線，可以看出，調節(jié)時間約為11分鐘，最大超調量為0.6℃，就算是最大超調量也在目標的溫度之內，而且調節(jié)時間很短，只有11分鐘。而且穩(wěn)定的溫度正負不超過0.6℃，誤差在允許的范圍內。圖5是沒有使用粗調和細調控制的程序的效果。利用組態(tài)王的參數(shù)監(jiān)控畫面的參數(shù)修改功能，使程序從一開始就在P=125，I=3.5，D=1.5的參數(shù)下運行。得到的曲線圖如下，由曲線圖可知道，雖然程序能把溫度控制，控制精度也算不錯，但它的調節(jié)時間是大約16分鐘，最大超調量是5℃。

圖4 采用粗調和細調控制的反應曲線

圖5 不采用粗調和細調控制的反應曲線

4 結語

并利用采用粗調和細調與沒有采用粗調和細調兩種控制方法對溫控系統(tǒng)進行模擬，由以上的分析可知采用粗調和細調的控制能控制住溫度，控制精度與沒有采用粗調和細調的控制差不多，但是粗調和細調的控制在時間與最大超調量方面明顯優(yōu)越于沒有采用粗調和細調的控制，因為充分利用加熱管的作用，所以采用粗調和細調的控制整體上優(yōu)越于沒有采用粗調和細調的控制。

［1］ 樊軍慶，張寶珍.溫度控制理論的發(fā)展概況［J］.工業(yè)爐，2008，30(6):12－14.

［2］ 汪漲.電加熱井的井筒溫度場數(shù)學模型［J］.油氣井測試，2003，12(3):1－3.

［3］ 嚴大凡.輸油管道設計與管理［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1986.

［4］ 吳國忠，張久龍.埋地管道傳熱計算［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003.

［5］ Hooker P.R Temperature and Heat Transfer along Buried Liquids pipeline［J］.Journal of Petroleum Technology.1978，30:345 － 370.

The comparison of gas influx test devices of downhole tools under two temperature controls

FANG Jun-feng

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

In order to make high temperature test on whole downhole tools or its seals，to inspect whether the tools are qualified，to evaluate the quality of packer tools and to research practical application conditions of downhole tools，this paper designs the construction of temperature control system and establishes the mathematical model of heating pipes with oil，and it makes temperature control simulation experiment on gas extraction devices of downhole tools by using two different methods of temperature control，which provides an effective theory foundation for the research of temperature control system of oil fields.

gas immersion;test device;temperature control

TH765.2+6

A

1009－3907(2010)10－0013－03

2010-09-15

方軍峰(1985-)，男，湖南岳陽市人，碩士研究生，主要從事精密與超精密加工技術的研究。

責任編輯:吳旭云