稠油熱采鉆完井試驗系統研制

陳　磊，章發明，王　航，王　東，畢群泗，張　鎧，胡海明

(甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730050)①

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稠油熱采鉆完井試驗系統研制

陳磊，章發明，王航，王東，畢群泗，張鎧，胡海明

(甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730050)①

摘要：根據油田開發和建設的需求，建造了稠油熱采鉆完井試驗室。試驗系統由電磁加熱高溫試驗井、可傾斜及彎曲常溫試驗井、多功能試驗機及配套液壓系統、供液系統和測控系統組成。該系統可滿足高溫(350 ℃)熱采工具性能檢測；可滿足常溫井筒翻轉10、20、30、40、50、60、70、80、90°條件下進行鉆進、循環、開窗等試驗；可以對常溫井筒拉彎，驗證試驗工具的通過性。該系統的建成，可為鉆完井新工具的研發提供可靠的試驗數據。

關鍵詞：模擬試驗；稠油熱采；試驗系統

稠油熱采井、分支井、側鉆井等鉆井特色技術由于缺少必要的室內試驗手段，獲取不到中間試驗的可靠數據，造成鉆采新工藝的可行性、研制的新井下工具的可靠性和使用壽命都難以準確地判斷；各種特殊鉆、完井工具、高溫(350 ℃)熱采工具，也由于缺乏室內模擬試驗環節，極大增加了現場施工的風險[1-2]。為此，研制了稠油熱采鉆完井試驗系統。該試驗系統的建成，可針對不同的鉆井工藝條件，完成對鉆頭的旋轉、加壓、開窗等過程的物理模擬；通過對鉆井工藝參數的測定，對稠油熱采井、分支井、側鉆井等新型鉆井工具進行原理性驗證、性能檢測和部分前瞻性課題的試驗研究。

1試驗系統總體布置

國內大多數模擬試驗系統的試驗井均建在室內地下沉井內。本試驗系統所在地海拔4 m，建設地下沉井成本巨大，同時沉井防水也很難處理，為了滿足試驗過程中的可視化要求，在滿足土建受力的條件下，試驗系統建設在四層廠房內，四層樓面標高21 m，如圖1所示。其中多功能試驗機(含配套液壓系統)、測控系統主控室布置在廠房第4層，供液泵房布置在廠房第1層，供液管線沿廠房內墻壁穿孔到廠房第4層給試驗機和試驗井供液。常溫試驗井和高溫試驗井的井口安裝在第4層樓面凹下1.35 m的操作平臺上，井筒套管順樓層開孔伸到第1層樓面。

1—多功能試驗機及配套液壓系統；2—常溫試驗井系統；

2試驗系統主要組成和技術參數

2.1電磁感應加熱高溫試驗井

試驗井筒內最高試驗溫度350 ℃，采用電磁感應的加熱方式，節約能源，結構簡單。電磁感應加熱的原理是通過電控模塊在電磁導線中產生交變磁場，電磁導線纏繞在試驗井筒外面，金屬井筒壁切割交變磁力線在其內部產生交變的電流(即渦流)，渦流使金屬井筒壁的分子高速無規則運動，分子互相碰撞、摩擦而產生熱能，從而起到加熱金屬井筒內試驗介質的效果。電磁感應加熱系統如圖2。

電磁加熱技術是金屬物體自身發熱，大幅減少了熱量散失，熱效率高達95%。同其他傳統的加熱方式(例如電加熱[3]、熱空氣加熱[4]、導熱油循環加熱[5])比較，電磁加熱速度快，能耗低，溫度控制精度高，安全無污染。

高溫試驗井主要由上井口四通、井口支座、試驗井筒、井口密封裝置、電磁加熱線、保溫層和測量傳感器等組成。

井口密封裝置設計成2種結構，一種是在常溫至250 ℃，設計成動密封結構，多功能試驗機水龍頭中心管連接密封筒體光桿帶動試驗工具在井筒內旋轉和上下運動。另一種是在250～350 ℃，井口密封設計為靜密封結構，只能進行靜壓試驗[6-7]。

1—井口密封裝置；2—試驗井筒；3—隔熱保溫層；

2.2可傾斜及彎曲常溫試驗井

常溫試驗井可滿足試驗井筒進行垂直試驗、彎曲試驗、傾斜試驗的要求。

2.2.1垂直試驗

將試驗井筒連接好后，用天車吊入至工作位置即可進行試驗。

2.2.2彎曲試驗

為滿足試驗井筒彎曲功能，設計了彎曲架總成(如圖3)。將整個試驗井筒(包括井口裝置和套管)固定在彎曲架總成里，井口裝置和上段直套管完全剛性固定在鋼結構框架上，距上下段套管法蘭連接點不同位置的3點(3、7、10 m)設計成活鉸支固定結構即套管拉彎裝置(如圖4)，利用液缸在彎曲架內3點(3、7和10 m處)分別拉彎下段套管形成不同的曲率，形成前直段+后圓弧段的試驗彎曲井筒。

采用井筒彎曲架彎曲套管的優點是套管的彎曲力(約200 kN)作用在井筒彎曲架上，形成內力系，受力結構合理。

圓弧段井筒套管的曲率變化范圍為：?244.5 mm套管曲率0～20°/30 m；?177.8 mm套管曲率0～25°/30 m；?139.7 mm套管曲率0～30°/30 m。

圖3　彎曲架總成

1—彎曲架總成；2—固定座；3—試驗井筒；

2.2.3傾斜試驗

將試驗井筒與彎曲架總成固定在一起，首先通過天車將其吊入工作位置，多功能試驗機將井口夾持住，然后通過多功能試驗機和斜管拉緊裝置向一側翻轉，翻轉角度分別為10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，不同位置處可通過傾斜管固定裝置固定彎曲架進行試驗。

井筒翻轉時，要求井筒既可是斜直井，又可是彎曲井，滿足前、后、右3個方位套管開窗的試驗要求，開窗窗口長度4 m。

2.3多功能試驗機及配套液壓系統[8]

2.3.1功能

主要實現對試驗井筒中試驗管柱(包括試驗工具)頂部驅動旋轉，施加拉力、壓力，起升、下放等主要功能，同時滿足對試驗井筒的夾持、松開，試驗管柱的上、卸扣等輔助功能，并且能翻轉滿足試驗井筒傾斜的試驗要求。多功能試驗機采用全液壓加載和控制方案，安裝了拉、壓傳感器、轉矩轉速傳感器、位移傳感器，測量各種試驗工況參數。

2.3.2技術參數(如表1)

表1　稠油熱采鉆完井試驗系統技術參數

2.4供液系統

模擬實際工況條件參數，在試驗井筒中為工具試驗提供循環介質。通過地面供液泵提供循環試驗介質(水)以滿足試驗的壓力和排量要求。

包括排量40 L/s的F-800型泥漿泵供液循環系統、100 L/min的高壓柱塞泵供液循環系統、70 MPa靜水壓試驗系統。

2.5測控系統

主要實現試驗系統各種試驗工藝參數測量和控制；實現相關電氣設備啟停控制，傳感器、電動閥和部分輔助設備的控制。

上位機為計算機工作站，采用組態王軟件(如圖5)，結合C+等高級語言編制上位機管理程序。下位機為西門子可編程控制器，采用PLC自帶的軟件編程。

圖5　計算機集中控制管理系統原理

所有試驗系統的測量傳感器信號均傳入下位機的數據采集模塊，經過處理后輸送到上位機顯示、存儲、輸出。

上位機向下位機發出指令實現試驗系統工藝參數的控制，實現試驗設備的啟停控制。

此外，在第1～4層正對試驗井的墻上、第1層供液泵房、第4層面對試驗機的廠房墻上，液壓泵房的墻上，各安裝1臺帶云臺的變焦彩色攝像機。通過主控制室里顯示器監視試驗的全過程，保障試驗人員的安全 。攝像機的圖像信號，經過解碼器RS485-RS232接入硬盤錄像機(計算機加視頻卡及軟件)存儲或在顯示器上顯示，所有操作均可用鼠標點擊實現。

3應用

截止2015-11，稠油熱采鉆完井試驗系統已進行了扭轉振蕩器試驗、連續循環鉆井側閥沖蝕試驗等。試驗結果證明系統運行穩定可靠，數據測試準確。

4結語

1)稠油熱采鉆完井試驗系統整體設計合理，符合油田方提供的技術規范，完全滿足項目要求的技術參數和功能要求，操作方便，工作可靠。加快了鉆井井下工具的研發速度。

2)可以滿足不同井下工具和其他配套設備的模擬試驗需要。

3)通過中控室的計算機顯示界面，能觀測到試驗系統的各傳感器監測到的實時數據，實現了系統的集成觀測與控制。

參考文獻：

[1]陳平．鉆井與完井工程[M]．北京：石油工業出版社，2005.

[2]吳奇．井下作業工程師手冊[M]．北京：石油工業出版社，2002.

[3]劉汝福，韓進，汪韶明，等.封隔器高溫性能試驗系統研制[J].石油礦場機械，2004，33(6)：111-113.

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

[5]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.

[6]SY/T 5328—1996，熱采井口裝置[S].

[7]API SPEC 6A—2010， 井口裝置和采油樹設備規范[S].

[8]章發明.大港油田鉆采工具試驗系統研制[J].石油礦場機械，2009，38(1)：72-78.

Development of Thermal Recovery Drilling and Completion Test System for Heavy Oil

CHEN Lei，ZHANG Faming，WANG Hang，WANG Dong，BI Qunsi，ZHANG Kai，HU Haiming

(LanpecTechnologiesLimited，Lanzhou730050，China)

Abstract：To meet the requirements of oil field development and construction，the thermal recovery of heavy oil drilling and well completion test is built.Test system is consisted by electromagnetic heating temperature test wells，tilting，bending under normal temperature test wells，multi-function testing machine and matching hydraulic system，supply system and control system.The system can meet performance test of thermal production tool under the high temperature (350 ℃)，and can satisfy the normal temperature shaft to turn over for 10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，and 90° for drilling，circulation，opening a window，at the same time can be bent at wellbore temperature and validation of test tools tranversibility.The success of the system provides the test data for development of new drilling tools.

Keywords：simulation test；thermal recovery of heavy oil；test system

中圖分類號：TE934.5

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.018

作者簡介：陳磊(1982-)，男，安徽蕭縣人，工程師，現從事石油鉆采設備的設計與研究，E-mail：chenlei67@163.com。

收稿日期：①2015-09-21

文章編號：1001-3482(2016)03-0077-04