高溫高壓封隔器性能試驗裝置研制與應用

呂芳蕾，伊偉鍇，衣曉光，楊 慧，張化強

（1.勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營257000；2.勝利油田分公司純梁采油廠，山東濱州256504）①

高溫高壓封隔器性能試驗裝置研制與應用

呂芳蕾1，伊偉鍇1，衣曉光2，楊 慧1，張化強1

（1.勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營257000；2.勝利油田分公司純梁采油廠，山東濱州256504）①

隨著油田開發向致密砂巖等埋藏較深油藏發展，油層的壓力和溫度逐漸提高，要求工藝配套的封隔器等井下工具必須具有耐高溫、高壓的性能。常規的試驗裝置只能完成常溫環境下的井下工具模擬試驗，已不能滿足科研試驗與工具檢驗的需要。針對以上問題，開展了高溫高壓封隔器的試驗裝置研究，研制出一套封隔器高溫高壓試驗裝置，解決了封隔器等井下工具高溫、高壓模擬試驗難題。為高溫高壓封隔器在油田深層開發中的應用提供了可靠的試驗基礎，有著廣闊的應用前景。

高溫；高壓；封隔器；試驗

封隔器是開發油田各種采油工藝措施中極其重要的組成部分，其結構好壞、質量高低直接影響著工藝措施的成敗。因此，封隔器［1-5］在油田開發中所起的作用是不可低估的。隨著勝利油田開發向深層油藏發展，油層的壓力和溫度逐漸提高，井內的封隔器不僅要承受高壓的考驗，更要承受150℃以上的溫度要求。因此，要求配套的封隔器的密封結構［6］必須具有耐高溫、高壓的性能。目前，常規的試驗裝置只能完成常溫環境下的井下工具模擬試驗，已不能滿足科學試驗與生產檢驗的需要。針對以上問題，開展了封隔器高溫高壓試驗裝置的研究，研制出一套適用于高溫高壓封隔器性能試驗的模擬試驗裝置，很好地解決了封隔器高溫、高壓模擬試驗難題。

1 技術分析

高溫高壓封隔器性能試驗裝置主要針對封隔器等井下工具的膠筒等關鍵部分進行耐高溫、高壓試驗，膠筒的膨脹性能試驗和抗拉抗壓性能等試驗而設計。該試驗裝置主要由試驗井、井口連接、密封系統、加載系統、測控系統、加熱系統及液壓系統6大部分組成。其中，試驗部分位于試驗井內，其他部分位于地面，采用地面液壓加載、地下加熱油循環加熱的方式。這種結構設計不僅節省了試驗裝置的空間，而且試驗井位于地下，在地面以下加熱油循環加熱的方式提高了裝置的安全系數，方便可靠。采用液壓方式來實現對試驗膠筒的拉壓加載，運用數控系統來對整個試驗裝置進行控制和數據采集。系統組成如圖1所示。

1.1 試驗井筒

試驗井筒是此裝置的核心部分，井筒長8 m，設計有?139.7 mm（51/2英寸）和?177.8 mm（7英寸）2種規格。井筒內筒采用P110級高強度套管，并在套管外固定加強環和8根加強筋，確保試驗井筒的抗壓能力，提高試驗管柱的安全系數。試驗外筒為直徑?370mm鋼管結構，采用2層高效保溫材料包覆，確保系統熱量損失降到最低，使模擬溫度場更趨于穩定。整套試驗管柱固定于試驗外筒內，確保了整套試驗裝置的密封性。試驗管柱有上、下2個試壓接頭，用管線連于地面，試驗時對試驗封隔器進行試上壓或下壓驗封試驗。試驗井筒結構如圖2所示。

圖1 高溫高壓膠筒性能試驗裝置

圖2 試驗井筒結構

1.2 加載系統

加載系統采用液壓加載方式，來實現對封隔器拉壓力的測試和解封控制。該部分主要由液缸總成、拉桿、機械鎖緊總成和試驗中心管組成［7］，如圖3所示。

圖3 加載系統結構

1） 液缸總成 是地面液壓加載系統的核心部分，連接液壓系統。當需要對封隔器進行向下或向上的加載力來測試封隔器工作性能時，可向液缸內加壓，對整個裝置產生向下或向上的加載力，力的大小可以通過液體的壓力控制，設計的最大加載力為300 k N。

2） 拉桿 為了保證系統的安全，設計了拉桿來起緊固加強的作用，確保試驗裝置的安全可靠。

3） 機械鎖緊總成 將加載部分連接鎖緊在井筒上，并能夠保證作用在試驗膠筒上的加載力始終不變。加載完成后可將液缸總成、拉桿等部分移開，同時避免了長時間持續向液缸內加壓，提高了裝置的安全性。

4） 試驗中心管 連接試驗用封隔器等試驗工具及配套工具。

1.3 加熱系統

循環加熱系統是試驗裝置的溫度場模擬部分［8-9］。采用電加熱管加熱，工作電壓380 V，功率8 k W，利用加熱筒與試驗井筒的液面差將高溫導熱油送入試驗井筒，將井筒內的導熱油泵送到加熱筒內反復循環加熱。加熱筒采用2層高效保溫材料包覆，確保系統熱量損失降至最低，同時采用高精度溫控系統，保證模擬溫場的恒定。結構如圖4所示。

圖4 加熱系統結構

1.4 測控系統

測控系統是試驗裝置的控制部分和測試數據顯示部分，可以對系統的加熱狀態及循環狀態進行控制，對拉壓力、封隔器坐封壓力、膠筒耐壓和溫度等參數進行實時采集與記錄，并根據用戶需要對系統的溫度進行調控，使系統保持在用戶所需要的恒溫溫度上，來實現整個試驗裝置的正常穩定工作。整機設置了1個力矩傳感器、3個壓力傳感器和2個溫度傳感器，確保能夠準確地測得加載力矩、油壓和溫度值。測控部分采用移動便攜式控制箱設計，采用快速插頭連接方式，連接方便可靠，可根據實際情況將控制箱放置在安全位置，控制試驗裝置并讀取試驗中的測量數值。該裝置的控制面板和電路原理如圖5所示。

圖5 控制系統面板及電路原理

2 技術指標

3 裝置特點

1） 完善的數據采集和控制系統。測控系統采用移動式快速插頭設計，連接方便迅速，使用方便。整機設置了1個力矩傳感器、3個壓力傳感器和2個溫度傳感器，確保能夠準確地測得加載力矩、油壓和溫度值。

2） 安全、高效的導熱油體外循環加熱系統。采用2層高效保溫材料，確保系統熱量損失降至最低，同時采用高精度的溫控系統，保證模擬溫度場的穩定運行，試驗井筒采用地下結構，確保試驗的安全可靠。

4 應用情況

試驗裝置完成安裝與調試后，進行了?139.7 mm（51/2英寸）遇油遇水膨脹封隔器性能試驗，試驗溫度85～90℃。溫度低于100℃，故采用礦化水為試驗加熱介質，試驗7 d，設備運轉狀況良好，測試數據準確。圖6是試驗遇油遇水膨脹封隔器試驗的現場情況。

圖6 現場試驗情況

5 結論

高溫高壓膠筒性能試驗裝置有效解決了目前井下工具高溫高壓試驗所面臨的問題。其設計合理，操作使用方便，性能穩定可靠，滿足了井下工具高溫、高壓模擬試驗要求。采用模擬試驗井高溫、高壓的方式進行試驗，試驗裝置占用空間小，試驗過程安全。采用傳感器和記錄儀來測量和記錄試驗數據，測試數據齊全，精度較高。封隔器性能試驗裝置作為井下工具新產品開發的試驗手段之一，可為新產品的設計、開發提供科學的試驗數據，縮短了研究周期，大幅提高了研究效率，有著廣闊的應用前景。

［1］ 萬仁溥.采油技術手冊［K］.北京：石油工業出版社，2005.

［2］ 王守芳，劉猛，周普清.上提加壓式封隔器坐封高度的確定［J］.油氣井測試，2002（4）：40-43.

［3］ 劉永輝，付建紅，林元華，等.封隔器膠筒結構參數優化分析［J］.機械工程師，2007（7）：66-67.

［4］ 閆樂好，段長軍.油田注水用封隔器密封性能的分析與研究［J］.閥門，2002（3）：22-24.

［5］ 檀朝東，周曉東，饒鵬.一次多層壓裂封隔器的研制及應用［J］.石油鉆采工藝，1999（4）：99-101.

［6］ 中國機械工程協會.中國機械設計大典：3卷［M］.南昌：江西科學技術出版社，2002：825-831.

［7］ 成大先.機械設計手冊：5卷［K］.北京：化學工業出版社，2008.

［8］ 黃振瓊，徐燕東，杜春朝.高溫高壓深井用液壓封隔器研制及試驗［J］.石油礦場機械，2013，42（10）：33-36.

［9］ 張蔚紅，張建華，王衛鋒，等.基于感應加熱的封隔器高溫高壓試驗裝置研制［J］.石油礦場機械，2014，43（2）：25-28.

Development and Application of High Temperature and High Pressure Packer Performance Test Device

LV Fang-lei1，YI Wei-kai1，YI Xiao-guang2，YANG Hui1，ZHANG Hua-qiang1
（1.Research Institute of Production Technology，Shengli Oilfield Company，Dongying 257000，China；2.Chunliang Oil Production Plant，Shengli Oilfield Company，Binzhou 256504，China）

With the development of the oil field and other buried deep in tight sandstone reservoir development，reservoir pressure and temperature gradually increased，requiring supporting oil production downhole tools such as packers must have high temperature，high pressure performance.Current conventional test equipment can only be done at room temp erature downhole tool simulationenvironment，cannot meet the needs of research and testing and testing tools.To solve the above problems，the test device research conducted HPHT packer，packer developed a set of high temperature and pressure test equipment，a good solution to the packer downhole tools such as hightemperature，high-pressure simulation test problems.This provides a reliable basis for the high temperature and pressure test packer deep in oilfield development，and has broad application prospects.

high temperature；high pressure；packer；test

TE931.2

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.020

1001-3482（2014）07-0077-04

2014-03-15

中石化勝利油田分公司攻關項目“水平井管外封隔器模擬試驗裝置研究”（YKS0905）

呂芳蕾（1981-），女，山東煙臺人，工程師，主要從事分段壓裂完井工藝研究，E-mail：lvfnaglei.slyt＠sinopec.com。