井下環空防噴器試驗臺研制

徐 濤，劉清友，黎 偉

（西南石油大學 機電工程學院，成都610500）

井下環空防噴器試驗臺研制

徐 濤，劉清友，黎 偉

（西南石油大學 機電工程學院，成都610500）

為了對新型井下環空防噴器開展相關室內試驗研究，設計制造了井下環空防噴器試驗臺。該試驗臺通過壓力施加端模擬外載荷作用于井下環空防噴器頂端，使膠筒受載壓縮變形而對鉆柱環空進行密封，利用向測試套管中泵入鉆井液進行蹩壓試驗來有限模擬工具所處的井下環境。通過在測試套管上開設橢圓視窗來觀察膠筒的壓縮變形過程。結合實際受力情況對試驗臺主框架進行有限元分析，強度滿足要求。

井下防噴器；試驗臺；結構設計；力學分析

鉆井防噴器按工作方式可分為鉆柱內防噴器組和井口防噴器組2大類。在鉆井現場，這2類防噴器分開使用，導致其自動化程度不高，操作復雜，所以井噴事故仍然時有發生［1-5］。

井下環空防噴器作為一種全新設計的井下防噴工具，除能傳遞鉆井轉矩和懸掛下部鉆具外，還能快速封隔鉆柱環空并連通鉆桿內外通道，為后續壓井作業做準備。為了在室內對其工作性能進行試驗，使井下環空防噴器盡快投入到鉆井現場實際應用中，研制了井下環空防噴器試驗臺。該試驗臺通過壓力施加端代替鉆柱懸重對井下環空防噴器施加外載荷，模擬鉆井現場防噴動作中的下放鉆柱擠壓封隔環空和上提鉆柱解封的過程。向測試套管中泵入鉆井液，通過套管上開設的橢圓視窗來觀察防噴器的密封效果以及受載后膠筒的壓縮變形過程［6-11］。

1 功能要求

1） 安裝對中性要求。通過套管起降裝置與電動葫蘆的配合可實現測試套管連同井下環空防噴器在鉆柱體系中的安裝、對中和拆卸等功能。

2） 密封試驗要求。使用壓力施加端對安裝有邵氏硬度為70度和80度的2種硬度橡膠膠筒的井下環空防噴器進行模擬加載，施加壓力最大值為38.5 MPa。膠筒變形達到一定程度后，通過測試套管中安裝的快速接頭與外接管線相連接，并向套管泵入鉆井液，檢驗膠筒在受到一定壓力作用下雙向受外載膨脹后對鉆柱環空的封隔密封效果。

3） 膠筒的變形密封過程觀察要求。通過測試套管中預先開設的橢圓視窗能清晰地觀察膠筒的變形膨脹情況和對鉆柱環空的封隔過程。

2 結構組成

試驗臺主要包括試驗臺主體結構、套管起降裝置、壓力施加裝置和測試套管4部分，如圖1。試驗臺主體結構主要作為井下環空防噴器進行室內試驗過程中的安裝平臺和承載部件，套管起降裝置用于防噴器的安裝和滿足與壓力施加端活塞桿的準確對中要求，壓力施加端模擬鉆柱懸重對井下工具提供外部載荷，并通過液壓動力源和液壓控制組件的配合實現輸出載荷值的控制，滿足不同工況條件下防噴器對載荷數值范圍的要求，測試套管主要對工具中膠筒在受載膨脹后對鉆柱環空的密封效果檢驗以及膠筒的變形過程觀察。

圖1 井下環空防噴器試驗臺結構示意

2.1 主體結構

試驗臺主體結構部分由試驗臺底座，試驗臺主框架，液壓動力源承載裝置和定滑輪組構成（如圖2所示）。使用普通熱軋工字鋼材料焊接而成的方形底座結構能保證試驗臺主體結構穩定，試驗臺主框架主要采用具有較好力學性能的類似空腹桁架結構的門框式結構，該結構能保證井下工具和其他試驗設備在安裝過程中擁有足夠的空間進行合理的布置，同時在2根立柱與底座之間焊接有4根斜撐，防止試驗過程中造成主框架的橫向擺動角度過大，4塊三角筋板被焊接在梁與立柱間，能改善試驗臺的整體受力情況。液壓動力源承載裝置有較好的可拆卸性，方便具有一定重力的壓力施加端進行安裝。定滑輪組被焊接在承載裝置上頂板的中心位置處，可與其他滑輪組配合完成測試套管和井下環空防噴器的安裝和拆卸工作。

圖2 井下環空防噴器試驗臺

2.2 套管起降裝置

套管起降部分包括套管起降裝置、鋼絲繩、地面定滑輪組和電動葫蘆。套管起降裝置底部有一塊用于放置測試套管和井下環空防噴器的支撐板，其上安裝的連接鉸鏈能實現兩塊角鋼與支撐板繞鉸鏈的旋轉運動。角鋼上的抱箍裝置形成的環形空間能約束住測試套管，防止其在由水平放置向上轉動成豎直放置的過程中滑出支撐板，抱箍裝置中的抱箍環能進行快速地安裝與卸下，以免阻擋對橢圓視窗中膠筒壓縮變形過程的觀察視線。地面定滑輪組使用地腳螺栓固定于地面上，并能與電動葫蘆相配合使鋼絲繩將其他3個滑輪組連接來實現整套套管起降裝置的運動。

2.3 壓力施加裝置

壓力施加裝置部分包括壓力施加端，液壓控制組件，液壓管線和液壓動力源。壓力施加端被安裝在試驗臺主框架的頂梁上，其活塞桿方向朝下對準井下環空防噴器的母扣端，并利用液壓管線通過液壓控制組件將液壓動力源產生的液壓力輸送到壓力施加端以形成液壓回路（如圖3所示）。在回路中通過三位四通手動換向閥調節液壓油在回路中的流向以控制活塞桿的伸縮動作，低壓溢流閥和高壓溢流閥能保證動力源在使用過程中壓力值保持在一定安全范圍內，低壓泵與高壓泵相配合成為有效的動力來源，液壓控制組件是膠筒進行相關的密封蹩壓試驗時保持液壓穩定的關鍵部件［12-13］。

圖3 試驗臺液壓系統原理

2.4 測試套管

測試套管由通過帶有密封圈的上套管和下套管用螺紋連接組成（如圖2b所示）。上套管中開設有4個橢圓視窗，用來觀察膠筒在受外載荷作用時的變形情況；下套管下部安裝有用于與外部鉆井液管線相連接的快速接頭，通過該接頭能快速將鉆井液泵入到測試套管中，同時下套管底部被1塊圓形平板焊接形成密封端。

3 主要技術參數

液壓系統最大試驗壓力 38.5 MPa

試驗臺承載能力 355 k N

壓力施加端：

最大工作行程 100 mm

最大頂升能力 350 k N

液壓動力端：

輸出高壓壓力 63 MPa

輸出高壓時流量 0.4 L／min

輸出低壓壓力 2 MPa

輸出低壓時流量 2.5 L／min

4 試驗臺主體結構力學分析

井下環空防噴器試驗臺的主要承載結構為試驗臺主框架，使用Ansys軟件對主框架模型進行靜力學分析。主框架主要由頂梁、底梁、立柱和三角筋板組成，外形尺寸（長×寬×高）為1 400 mm×100 mm×3 200 mm，該結構采用普通熱軋工字鋼加工制成，材料彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3。

在靜力學分析過程中試驗臺主框架模型選擇的單元類型為實體單元Solid 95，該單元由20個節點定義，每一個節點有3個自由度，具有塑性、蠕變、應力剛度、大變形以及大應變的能力，滿足主框架模型的有限元分析要求。

分析過程中邊界條件選擇為試驗臺主框架底梁下表面底部2 995個節點的三坐標方向位移全約束，在主框架的頂梁下表面施加載荷類型為面載荷且大小為，然后計算輸出主框架的應力云圖（如圖4所示）。

從應力云圖中可以看出，模型最大變形量DMX＝1.37 mm，最大應力值SMX＝179 MPa，最大應力值發生在三角筋板與立柱連接處（如圖5所示）。井下環空防噴器試驗臺選用的主要加工材料—普通熱軋工字鋼（Q235）的屈服極限數值σs＝235 MPa，由此計算可得試驗臺的安全系數1.31。試驗臺主要承載結構的安全系數大于1，所以該試驗臺的設計滿足強度要求。

圖4 試驗臺主框架應力云圖

圖5 主框架應力云圖局部放大圖（放大20倍）

5 試驗過程

試驗臺如圖6所示。在室內試驗過程中，利用壓力施加端分別對安裝有2種不同硬度膠筒的井下環空防噴器一端施加大小為147 k N且方向向下的力載荷，實現膠筒對鉆柱環空的封隔。在試驗過程中通過套管上的橢圓視窗對膠筒壓縮變形（如圖7～8所示）以及泵入鉆井液后膠筒對鉆柱環空的密封效果進行檢驗。試驗結果表明，試驗臺整體受力情況滿足設計要求。該試驗臺的研制為井下環空防噴器的設計完善和盡早投入現場使用提供了必要的技術驗證手段，保證了井下防噴設備的質量和安全可靠性［14-15］。

圖6 室內試驗過程展示

圖7 邵氏硬度70度的膠筒變形

圖8 邵氏硬度80度的膠筒變形

6 結論

1） 設計制造的井下環空防噴器試驗臺主要由試驗臺主體結構部分，套管起降裝置，壓力施加裝置和測試套管4部分組成。

2） 試驗臺設計合理，在模擬井下部分真實工況的條件下能對井下工具所要達到的功能目標進行有效檢驗。具有一定程度的自動化，操作簡單，整體安全性高，具有較好的實用性。

3） 該試驗臺對提高井下設備的安全可靠性和進一步進行井下防噴技術的研究具有十分重要的意義。

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Develop ment of Test Rig for Downhole Annular BOP

XU Tao，LI U Qing-you，LI Wei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，china）

In or der to carry out the related indoor test and research of the new downhole annular BOP，t he downhole annular BOPtest rig is designed and made.The test rig t hrough the p ressureexerted ends which analog exter nal loads action on t he top of downhole annular BOP，t he r ubber cylinder is co mpressed and defor med that make the drill string annul us sealed，then carry on the restrain pressure test t hr ough using t he drilling fl uid is pu mped into t he test t ube to si mulate t he downhole environ ment where the tools are in.By opening the oval window in the test tube，the r ubber cylinder co mpression process can be obser ved.Finite element analysis of t he main fra me of the test rig is combined with the actual wor king situation and strength reaches to the design requirements.

downhole BOP；test rig；str uctural design；mechanical analysis

TE921.507

A

1001-3482（2014）06-0037-04

2013-12-30

國家科技重大專項（2011ZX05050）

徐 濤（1989-），男，四川閬中人，碩士研究生，2013年畢業于西南石油大學，主要從事油氣裝備設計與仿真研究，E-mail：xutaos wpu＠163.com。