基于感應加熱的封隔器高溫高壓試驗裝置研制

張蔚紅,張建華,王衛鋒

(1.西北大學a.大陸動力學國家重點實驗室;b.地質學系,西安710069;2.西安電爐研究所有限公司,西安710061;3.陜西延長石油集團 四川銷售有限公司,成都610108)

基于感應加熱的封隔器高溫高壓試驗裝置研制

張蔚紅1a,b,張建華2,王衛鋒3

(1.西北大學a.大陸動力學國家重點實驗室;b.地質學系,西安710069;2.西安電爐研究所有限公司,西安710061;3.陜西延長石油集團 四川銷售有限公司,成都610108)

封隔器下井工作前的耐溫耐壓性能模擬檢測是油田開發和生產過程中的一項重要工作。介紹了一種新型封隔器耐溫耐壓性能垂直模擬試驗裝置的設計思路、工作原理、技術特點和應用效果等。相比較傳統的導熱油方式,基于感應加熱的高溫模擬試驗裝置具有加熱速度快、工作效率高、安全可靠、節能環保、操作維護簡單的特點,為井下工具的質量檢驗和科技研發提供了新手段,具有推廣應用價值。

封隔器;試驗裝置;感應加熱;結構

封隔器的耐高溫性能直接影響到油田作業的成敗和開發效果。隨著井深的不斷增加,深井和超深井酸化、壓裂和堵水等施工工藝對封隔器耐溫耐壓性能提出更高的要求,建立一套高溫高壓模擬試驗井裝置,最大限度地模擬封隔器井下工作狀態非常有必要。結合地面模擬試驗數據,根據膠筒的設計原理、受力狀態及力學特征,分析影響膠筒工作性能的兩個最重要指標——工作溫度和軸向壓差,指導封隔器設計研發和生產制造過程,進而根據使用工況、工作溫度、工作壓差來選用不同性能的橡膠材料,確定膠筒結構尺寸、膠筒座外徑等關鍵參數[1-2]。

本文介紹一種基于感應加熱的新型封隔器耐溫耐壓性能垂直井模擬試驗裝置,模擬封隔器膠筒等井下工具的實際工況,自動控制和測量壓力、溫度等參數,對橡膠密封件進行不同環境(水浸、油浸)條件下的密封老化試驗,能夠實現數據的自動采集、記錄和輸出。相比較傳統的導熱油加熱方式實現高溫模擬試驗功能[3-4],本裝置具有加熱速度快、工作效率高、安全可靠、節能環保、操作維護簡單的特點[5]。

1 系統組成及功能

在調研國內各大油田井下工具模擬試驗裝置的基礎上,建立一套豎直井高溫高壓模擬試驗井裝置,主要進行井下工具的高溫高壓試驗,最高試驗壓力100 MPa,最高試驗溫度250℃。針對垂直模擬試驗井的特點和地層溫度模擬的特殊工藝要求,采用中頻感應加熱的方式,將感應加熱線圈繞制在加熱套管上,并在加熱套管外壁上裝上貼片式測溫元件,配套專用的儀表,計算機溫控系統,按照試驗要求來模擬地層溫度,配合高壓泵加壓系統完成封隔器膠筒耐溫耐壓性能參數模擬測試。

模擬試驗系統主要由套管感應加熱裝置、感應加熱電源與控制系統、井口加壓試驗裝置、高壓泵站及控制系統、數據采集與計算機監控系統等組成,系統的功能組成框圖如圖1所示。

圖1 模擬試驗裝置功能組成框圖

套管感應加熱裝置是整個試驗系統的設備核心,其他4個部分都是通過相應的接口與之連接,實現井下工具在加熱套管內加壓加熱試驗功能。通過水電接頭連接感應加熱電源,實現加熱功能來模擬地層溫度。通過特殊套管頭和井口四通分別連接井口加壓裝置和高壓泵站及控制系統,實現加壓功能來模擬地層壓力。通過相應的通訊接口使加熱和加壓控制系統和計算機監控系統進行數據交互,實現整個模擬試驗系統的數據采集和監控管理功能。

2 模擬井筒結構

2.1 總體結構

感應加熱式封隔器模擬試驗裝置主要由表層套管、加熱套管、試驗油套管、感應加熱裝置、法蘭短節、水電接頭等組成,如圖2。

圖2 感應加熱式封隔器模擬試驗裝置的結構組成

本裝置垂直安裝,從上部加壓系統的四通接口連接,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,從上到下依次包括加壓系統四通及法蘭串、試驗油套管、加熱套管及法蘭、法蘭短節、表層套管及頂部法蘭、感應加熱裝置、加熱套管封頭、承托板、表層套管封頭等。

2.2 主要部件簡介

1) 表層套管 主要用來放置和承接加熱加壓試驗裝置,并與地層隔離形成井式垂直筒狀空間。表層套管選用石油專用鋼管,底部焊接表層套管封頭,形成封閉的井底,頂部焊接表層套管法蘭,用以連接加熱套管等試驗裝置。表層套管垂直放置于試驗井內,周圍焊接筋板,填充隔熱材料,并用混凝土灌漿凝固,承受包括加熱套管在內的所有加熱加壓試驗裝置的重力,要求能夠承重抗拉。

2) 加熱套管 是該模擬試驗裝置的主要組成部分,外壁上固定有繞制好的感應加熱線圈,實現加熱保溫功能。頂部法蘭通過井口四通接口裝置連接試驗油套管及加壓裝置,實現加壓測試功能。底部通過加熱套管封頭封死,內部充滿導熱介質傳導感應加熱套管壁的熱量,使試驗套管處于溫度均勻介質當中,準確模擬給定地層溫度。加熱套管選用石油專用244.5 mm(98英寸)套管,通過固定法蘭連接法蘭短節上部,法蘭短節下部再和表層套管法蘭連接,使加熱套管通過法蘭短節懸坐于表層套管上,承受連接于其上的所有試驗油套管及井口裝置的重力。加熱套管最底部裝有感應加熱裝置承托板,通過螺栓將承托板與加熱套管底部封頭連接,用來承接感應加熱裝置的絕緣膠木立柱。

3) 試驗油套管 通過加熱套管頂部法蘭和井口四通以管串連接的方式,連接各種規格的試驗油套管,并懸坐于充滿導熱介質的加熱套管上。在試驗套管內投放封隔器,分別進行油壓和套壓的加壓加熱試驗。試驗油套管尺小于井口四通,以管串連接的方式一次進行一種或多種規格的封隔器油套壓加熱加壓試驗。

3 感應加熱系統組成

加熱裝置主要由中頻加熱電源裝置、溫度采集控制系統、循環冷卻水裝置、感應加熱線圈和輔助裝置組成,如圖3所示。除過電源及輔助控制部分,主要包括吊耳、絕緣膠木立柱、感應加熱線圈、絕緣膠木套筒、貼片式測溫元件、水冷電纜、水電接頭等。

圖3 感應加熱系統組成框圖

吊耳是設在絕緣膠木立柱上的環狀連接裝置,在初次安裝或檢修過程中,起吊感應加熱裝置。絕緣膠木立柱起承托和固定作用,通過絕緣膠木立柱支撐起整個感應加熱裝置的重力,同時將不銹鋼和絕緣套筒和加熱線圈固定在絕緣膠木立柱上。

加熱線圈是用方銅管繞制在絕緣套筒上的感應線圈,與水冷電纜連接,利用電磁感應加熱原理,使加熱套管以及其內的導熱介質被加熱。絕緣套筒主要起保護作用,相當于加熱線圈的內膽,使得加熱線圈不和加熱套管直接接觸,方便于起吊檢修安裝,且不影響加熱效果[6]。

貼片式測溫元件固定在加熱套管外壁上,信號線通過在絕緣套筒從線圈和絕緣套筒之間引出,再從法蘭短節上的出線孔引至控溫儀表,進行測溫控溫。為保證測溫可靠性和準確性,減少因測溫元件損壞失靈而吊裝檢修的麻煩,設計多點同步測溫系統,選用多個同型號的測溫元件,保證某一測溫元件損壞而不影響控溫,也可分別接于不同儀表,分別顯示以便觀察不同部位加熱溫度的均勻性。

水冷電纜是由電極、導線、外護套管3部分組成的特種電纜,連接中頻加熱電源的電容器和加熱線圈。水電接頭是水冷感應線圈端部結構的關鍵部件,它不僅是上下層間或極間連接線的電聯結點,而且同時還必須是一個可靠的水接頭,既能接通電路又能方便地從外部水系統引入冷卻水或從線圈內排出[7]。

法蘭短節主要是為安裝檢修維護方便設計,法蘭短節中部設有進出線孔,當需要檢修吊出時,斷開加熱主回路電纜水電接頭,松開法蘭短節連接螺栓,可方便地將加熱裝置及加熱套筒等一同吊出。

4 應用情況

該裝置由于是在地面下的垂直試驗井內,相關配套關聯設備較多,故安裝拆卸順序較為重要。

4.1 首次安裝順序

模擬加熱裝置首次安裝,按以下次序進行:

1) 首先松開加熱套筒底部封頭和承托板的連接螺栓,將加熱套筒底部的承托板取下,準備安裝感應加熱線圈。

2) 從加熱套筒下部由下往上套裝感應加熱線圈,再把承托板和加熱套管底部封頭的用螺栓連接,使感應加熱裝置固定在承托板上。

3) 用頂絲把加熱線圈的立柱和加熱套筒固定,使感應加熱線圈和加熱套筒成為一體,形成套筒加熱裝置。

4) 在表層套管的頂部法蘭上安裝法蘭短節,將法蘭短節的下部和表層套管頂部法蘭連接固定。

5) 然后通過加熱套筒上的固定法蘭,將套筒加熱裝置整體吊入表層套管的井式空間里。

6) 將加熱套筒固定法蘭和法蘭短節的上部進行連接,使套筒加熱裝置整體通過法蘭短節懸坐于表層套管法蘭上。

7) 在吊裝過程中,把水冷電纜和測溫信號電纜從法蘭短節上的出線孔引出,連接到水電接頭上。

4.2 拆卸檢修順序

使用過程中維護拆卸檢修順序,與首次安裝固定順序基本相反,主要有以下關鍵步驟:

1) 首先斷開水冷電纜和測溫信號電纜與水電接頭裝置之間的連接。

2) 將加熱套筒上的固定法蘭和法蘭短節的上部連接斷開。

3) 將套筒加熱裝置整體從表層套管的井式空間里吊出,此時可以進行檢查維修。

4) 若要進一步維修或更換部件,將套筒加熱裝置立柱上固定螺絲松開,使感應加熱裝置和加熱套筒分離。

5) 松開加熱套筒底部的承托板和封頭的連接螺栓,移走承托板,將感應加熱線圈由上往下抽出,進行加熱線圈單獨維修或更換。

4.3 應用效果

該裝置已在川慶鉆探公司某井下作業工具中心實驗室正式投入使用,已配合高壓系統完成多次井下工具高溫高壓性能參數模擬測試工作,各項運行指標良好。與傳統的導熱油加熱裝置相比,120℃、70 MPa環境下的常規試驗周期縮短近1/2,溫度控制精度0.5℃,且操作簡單,運行穩定。該裝置采用感應加熱獲得高溫高壓環境的模擬試驗效果,實現了高溫高壓模擬試驗裝置加熱技術的更新換代,具有安全環保、節能高效、造價低廉的優點。

5 結論

1) 模擬試驗裝置針對垂直模擬試驗井的特點和井下溫度模擬的特殊要求,采用中頻感應加熱的方式,將感應加熱線圈繞制在垂直安裝的試驗套管上,實現封隔器膠筒耐溫、耐壓性能模擬試驗功能。

2) 本裝置具有加熱速度快,試驗效率高的特點,高壓試驗套筒內試驗溫度能夠按照升溫保溫試驗曲線要求,通過高精度控溫儀表進行精確控制。

3) 這種新型的模擬試驗加熱裝置安裝操作維護簡單,設備一次性投入少,運行管理成本低,安全環保性能好,為井下工具質量檢驗和科技研發提供了新手段,在高溫高壓模擬測試領域具有廣泛的推廣應用價值。

[1] 張勁,李煒,張士誠.封隔器超彈性膠筒力學性能的試驗研究[J].機械工程學報,2011,47(8):71-76.

[2] 伍朝東,何祖清,葉峰.封隔器工作性能試驗研究[J].石油礦場機械,2007,36(2):37-38.

[3] 邊江,韓進,汪韶明,等.井下工具油浸試驗系統[J].石油機械,2005,33(7):13-14.

[4] 王東,章發明,陳磊.井下工具高溫試驗井系統[J].石油礦場機械,2009,38(7)75-79.

[5] 緱曉軍,朱國新,曹崇輝,等.井下工具試驗裝置設計分析[J].石油礦場機械,2007,38(6):87-90.

[6] 付正博.感應加熱與節能:感應加熱器(爐)的設計與應用 [M].北京:機械工業出版社,2008.

[7] 馮偉年.感應加熱技術的應用[J].金屬加工,2012(1):9.

Development of Packer High Pressure and High Temperature Simulation Testing Device Based on Induction Heating

ZHANG Wei-hong1a,b,ZHANG Jian-hua2,WANG Wei-feng3
(1 a.Key Laboratory of Continental Dynamics;b.Department of Geology,Northwest University,Xi’an 710069,Chian;2.Xi’an Electric Furnace Institute Ltd.,Xi’an 710061,China;3.Sichuan Sales Co.,Ltd.,Yanchang Petroleum Group,Chengdu 610108,China)

The temperature and pressure resistant performance simulation testing of packer before downhole work are an important work of oilfield development and production.The working principles of a new type packer temperature and pressure resistant performance simulation test device,technical characteristics and application effect are introduced.Compared with the traditional conducting oil heating method,this type of high temperature simulation test device based on induction heating has fast heating speed,high work efficiency,safety,energy saving and environmental protection,simple operation and maintenance.A new method for the downhole tool quality inspection and development of technology are provided,and has extensive application value.

packer;test device;induction heating;structure

TE931.207

A

1001-3482(2014)02-0025-04

2013-08-15

張蔚紅(1986-),女,陜西咸陽人,博士研究生,研究方向為石油地質及開發,E-mail:zhwh0828@163.com。