井下工具試驗裝置的設(shè)計分析

張建(中石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)

井下工具試驗裝置的設(shè)計分析

張建(中石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)

井下工具試驗裝置是油氣田開采井下設(shè)備制造實驗室工作模擬的基礎(chǔ)設(shè)備，通過井下工具試驗裝置的利用，我們能夠有效的模擬出井下工具的井下工作環(huán)境，為井下工具的改進和應(yīng)用提供幫助。本文針對井下工具試驗裝置的設(shè)計進行分析，為井下工具試驗裝置的設(shè)計和建設(shè)提供參考資料。

井下工具；試驗裝置；設(shè)計分析

油氣資源作為世界上最主要的化石能源，對人類的發(fā)展和進步起著至關(guān)重要的作用。我國作為發(fā)展中國家，對油氣資源有著高度的依賴。近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展我國油氣資源開采技術(shù)得到了快速的發(fā)展，井下工具也經(jīng)歷了多次更新?lián)Q代。井下工具試驗裝置作為模擬現(xiàn)場工況，對工業(yè)性試驗樣機進行實驗室試驗的有效方法，為我國油氣開采技術(shù)的發(fā)展提供了極大的幫助。

1 井下工具試驗裝置的設(shè)計原則

井下工具試驗裝置需要在實驗室對井下條件進行模擬，由于井下工作條件比較復(fù)雜多變，因而井下工具實驗室試驗對井下工具實驗裝置也有較高的要求，這些要求包括：

1.1 可靠性高

井下工具試驗需要模擬井下復(fù)雜的地層壓力以及各種應(yīng)力，試驗裝置為了能夠更好的模擬井下條件，因此對試驗裝置的設(shè)計和建造有很高的要求，其中最基礎(chǔ)的一點要求就是要在安全可靠的前提下實現(xiàn)對井下環(huán)境的模擬，因此，實驗裝置在設(shè)計時必須時刻把裝置的質(zhì)量放在第一位，確保井下實驗裝置的可靠性。

1.2 可維護性原則

井下設(shè)備實驗室試驗裝置系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)計和建造成本都很高，因此在進行設(shè)計時我們要盡可能方便裝卸、方便維修，以提升實驗裝置的使用壽命和實用性。

1.3 靈活性原則

油氣開采過程中，井下的工作條件復(fù)雜多變，為了實現(xiàn)對復(fù)雜的井下環(huán)境的模擬，在進行井下試驗裝置設(shè)計時，一定把握好靈活性原則，盡量使井下實驗裝置實現(xiàn)模塊化，給井下設(shè)備試驗裝置提供升級改造的空間，以滿足不同井下設(shè)備的試驗要求。

1.4 實用原則

井下工具在制造過程中，需要進行大量的系統(tǒng)試驗，為了方便試驗的高效、快速開展，我們在井下工具試驗裝置設(shè)計時應(yīng)盡量采取成熟的結(jié)構(gòu)，力求簡單實用。

2 加載系統(tǒng)試驗裝置設(shè)計分析

加載系統(tǒng)是井下設(shè)備實驗室試驗中最常用的一類設(shè)備，通過加載設(shè)備我們能夠模擬出設(shè)備在井下所受到的各種拉力、壓力、扭力等受力情況，從而為井下設(shè)備的設(shè)計和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。目前加載系統(tǒng)試驗裝置主要是由一臺多功能試驗機和輔助設(shè)備組成，能夠?qū)F(xiàn)場的拉力、壓力和扭力等荷載集中在一起，對設(shè)備進行測試。一般加載系統(tǒng)包括拉壓加載機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)加載機構(gòu)、井口夾緊裝置、傾斜機構(gòu)等構(gòu)成。拉壓加載機構(gòu)是通過液缸帶動動力水龍頭上下移動實現(xiàn)對試驗設(shè)備的拉壓加載。旋轉(zhuǎn)加載相當(dāng)于鉆機上的動力水龍頭，這個動力水龍頭是雙向的，可以承受雙向力。井口夾緊裝置是在試驗機底座上設(shè)計特殊的夾緊裝置卡住井口，并承受試驗荷載的返利，并使試驗機底座處僅承受試驗裝置的重力。傾斜機構(gòu)可以將多功能試驗機架設(shè)計成可傾斜0～90°的夾角，從而模擬井下工具的受力環(huán)境。

3 試驗進口、井身系統(tǒng)及循環(huán)介質(zhì)密封設(shè)計分析

3.1 試驗井口系統(tǒng)

試驗井口系統(tǒng)通常利用套管頭和四通，設(shè)計成3層管柱密封系統(tǒng)，實現(xiàn)試驗液體的2個密封循環(huán)通道，從而滿足不同設(shè)備的試驗需求。采用試驗井口系統(tǒng)的不同組合，我們能夠?qū)崿F(xiàn)對管內(nèi)、管壁的密封性進行試驗，套管頭和四通一般采用法蘭相連接，端面用墊環(huán)密封，采用套管頭加變徑的方法實現(xiàn)各種需要的循環(huán)通道，實現(xiàn)對井口的測試。

3.2 井口與管柱的密封

管柱是油氣開采的重要機構(gòu)，也被稱為井身，是放置井下工具的空間，因此管柱與井口的密封測試對于保證油井的安全十分重要。為了實現(xiàn)對井口與管柱密封的測試，我們在井口上設(shè)計特殊的旋轉(zhuǎn)密封裝置，并在試驗管柱的上不用連接光桿實現(xiàn)密封，保證管柱旋轉(zhuǎn)時試驗介質(zhì)始終處于密封的狀態(tài)，為了模擬井下工具的實際工作環(huán)境，我們還會對井身的直徑、長度、傾斜度等參數(shù)進行試驗。

4 循環(huán)系統(tǒng)試驗裝置設(shè)計分析

實現(xiàn)對井下循環(huán)系統(tǒng)的試驗，我們首先要分析井下循環(huán)系統(tǒng)的工作原理。一般來說，井下循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)程序如下（圖一）所示。

（圖一）井下循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)流程圖

分析好井下循環(huán)系統(tǒng)的流程，我們就要進行泵和循環(huán)管線的選擇，為了滿足試驗中不同流量和泵壓，可以選組合泵。循環(huán)管線要盡量減少彎頭和變徑，并保證直井足夠大，降低泵的功率消耗。為了保證試驗所需的各種流量，泵的驅(qū)動可以選擇變頻電機。

5 其他模擬工況系統(tǒng)設(shè)計分析

在實驗室井下裝置模擬設(shè)備的基礎(chǔ)上增加一些輔助設(shè)備，我們還能夠完成鉆井、完井、采油等多種工況下的工具試驗。比如說利用井下試驗裝置能夠模擬地層傾斜，并通過裝置的環(huán)境模擬傾斜直至水平狀態(tài)下工具的工作狀況和鉆采工藝，進行鉆井液攜帶巖屑設(shè)宴、管柱下入和起出試驗等。除此之外，利用加溫裝備，還能夠模擬地層高溫狀態(tài)，甚至模擬完井的工作狀況。井下工況模擬應(yīng)用廣泛，還能夠模擬開采技術(shù)試驗、分層開采試驗、落物打撈試驗等，并利用各種演示模擬出人工井底或井壁，供模擬鉆頭工作狀況、模擬取芯等工作。

綜上所述，井下工具試驗裝置是一套系統(tǒng)的、復(fù)雜的、功能多樣的裝置，我們在進行井下工具試驗裝置的設(shè)計和建造時一定要考慮好井下工具在工作時面臨的各種工作環(huán)境，并以可靠、可維護、靈活、實用為原則進行設(shè)計，只有這樣，才能夠?qū)崿F(xiàn)對井下環(huán)境的有效模擬，為我國油氣田開采技術(shù)的發(fā)展提供助力。

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張建（1988-），男。遼寧省臺安縣人。助理工程師本科主要從事機械設(shè)計工作