海上油田生產滑套性能測試裝置的設計與分析

呼英俊，羅建偉，劉振燕（天津科技大學機械工程學院，天津 300222）

海上油田生產滑套性能測試裝置的設計與分析

呼英俊，羅建偉，劉振燕
（天津科技大學機械工程學院，天津 300222）

針對海上油田生產滑套的性能測試，研制了測試裝置，給出了裝置的結構、工作原理、測試方法和步驟.該裝置可以模擬滑套的實際使用環境，完成滑套的啟閉、密封性能檢測和對密封件的破壞性試驗，實現對滑套性能的機械化測試，能夠滿足目前海上油田所有型號生產滑套的性能測試要求，為生產滑套的研制提供試驗基礎.試驗表明：裝置的密封性能良好，可用于生產滑套的性能測試.

海上油田；生產滑套；測試裝置

生產滑套是一種在石油開采過程中連接在油管上的井下工具，一般用于生產或洗井等作業，它可以將油管和油套管的環形空間有效可控地連通起來［1］.通過鋼絲驅動開關工具作業可實現生產滑套的內外導通和斷開，從而控制油管和油套環空的連通與關閉［2］. 生產滑套用于生產層時，可利用開關工具對不同產油層進行選擇性生產；此外，生產滑套還可以與多種井下工具配合使用，例如：與插入采油管中的密封裝置組合使用，可進行不同油水層的選擇開采，達到分層開發采油的目的；用在自噴管柱上，作為循環滑套使用，起到壓井液循環通道的作用；其上部內腔也可安裝堵塞器，實現管道的上下分離［3］.因此，生產滑套在海上油田中應用較為廣泛.

生產滑套的工作環境復雜，深水生產滑套的工作環境一般為120，℃，壓力在35，MPa左右；對于超深井，環境壓力可以達到50，MPa以上［4］.在上述工況下，保證生產滑套有可靠的開、閉性能和密封性能至關重要.因此，生產滑套的性能檢測工作就顯得尤為重要，尤其是更換密封件后，必須對滑套進行性能測試，以確保其密封性能的可靠［5］.

雖然國外各大油田服務公司都擁有生產滑套的評價裝置，但都是依靠人工振擊來完成滑套的開啟關閉工作.如果要進行滑套的密封性能破壞試驗，需要連續完成2，000次以上開啟和關閉，不僅時間長，而且難以實現生產滑套的帶壓啟閉和數據的實時上傳.為此，筆者與中海油能源股份有限公司合作研制了能夠模擬現場實際工況的生產滑套性能測試裝置.該裝置不僅能夠實現滑套的自動帶壓啟閉和數據的實時上傳，而且能夠進行滑套密封性能檢測和破壞試驗.

1 測試裝置設計

1.1 基本結構

生產滑套性能測試裝置主要由工作筒、工作臺、沖擊油缸、增壓油缸、液壓站、數據采集和自動化控制系統組成，其結構如圖1所示.

圖1 生產滑套性能測試裝置示意圖Fig. 1 Schema of performance testing device of the sliding sleeve

生產滑套安裝在工作筒內腔；控制信號由壓力傳感器和行程開關發出，控制液壓回路的通斷，實現測試過程的自動控制；液壓系統的油路接沖擊油缸、增壓油缸和工作筒的進出油口，完成滑套的帶壓沖擊啟閉和加載保壓，實現滑套啟閉沖擊力的測定和密封性能檢測.

1.1.1 液壓站

液壓站實物如圖2所示.

圖2 液壓站實物圖Fig. 2 Physical map of the hydraulic station

液壓系統原理圖如圖3所示，主要由電機泵組、油箱、控制閥塊、控制閥、壓力傳感器、壓力表及管路組成［6］.液壓油泵采用恒壓變量泵和蓄能器為系統提供動力，當系統達到設定壓力保壓時，油泵自動改變流量，減少功率損失.油箱設有液位計、加熱器、溫度計、空氣濾清器、回油濾油器及冷卻器.一個控制閥塊用于控制系統壓力和給滑套密封性能檢測提供動力；另一個用于控制左、右兩個油缸的往復運動，為滑套沖擊啟閉提供動力.控制閥主要由卸荷溢流閥、換向閥、單向閥、液控單向閥、單向球閥、減壓閥、比例減壓閥和比例流量閥組成.管路全部采用40，MPa高壓軟管和厚壁無縫鋼管.壓力表用于檢測系統各點的壓力，流量傳感器用于檢測沖擊油缸流量，壓力傳感器用于在密封性能檢測中測定壓力.

1.1.2 控制系統

測試裝置采用工控機控制，可以實現手動和自動控制.控制臺實物如圖4所示.控制系統操作界面如圖5所示.

在手動模式下不僅可以進行自動模式狀態的模擬、動作調試和測試各部件工作是否正常，而且還可以調試沖擊液壓缸的動作和增壓液壓缸的保壓、增壓等功能.通過檢測保壓過程中的壓力波動情況可判定被測密封件是否達到設計標準要求.

圖4 控制臺實物圖Fig. 4 Physical map of the control station

圖5 控制系統操作界面Fig. 5 User interface of the control system

在自動模式下，首先需設定測試的項目名稱、日期、加熱器狀態、是否加壓、液壓系統最大流量和最大壓力，然后設定測試參數和循環次數.測試過程中傳感器實時監測壓力數據并上傳至控制系統.系統可繪制數據曲線，并將數據和曲線保存為文本文件，以便進行數據分析.

1.1.3 執行裝置

執行裝置實物如圖6所示，主要由工作筒、沖擊油缸、增壓油缸和工作臺組成.工作筒用于安裝生產滑套、沖擊桿和模擬實際工作環境.工作臺用于安裝沖擊油缸、增壓油缸、工作筒、壓力測試裝置及調整機構.

圖6 執行裝置實物圖Fig. 6 Physical map of execution means

1.2 工作原理

滑套性能測試裝置的工作原理是，利用固定在機架上的2個沖擊油缸分別從左右兩側沖擊沖擊桿，推動安裝在工作筒內的生產滑套的內套左右往復移動，從而實現生產滑套的開啟和關閉.在沖擊桿的沖擊端安裝有壓力傳感器，用以測定沖擊油缸對沖擊桿的沖擊力大小.通過控制系統改變沖擊油缸的供油壓力和流量，可以改變油缸的最大推力和運動速度，從而調節沖擊油缸對沖擊桿的沖擊力，實現生產滑套的不同開啟和關閉速度.

該裝置可用于型號為1.875″、2.313″、2.75″、2.813″生產滑套的密封性能檢測，最小通徑分別為47.625、58.75、69.85、71.45，mm.為了避免關閉套到達極限位置時繼續沖擊造成生產滑套損壞，在工作臺上安裝有位置可調的限位行程開關，可根據不同規格生產滑套的測試要求，調節限位行程開關的位置.除了極限位置外，在開啟端的2個極限位置之間還裝有一個行程開關，該行程開關的位置是根據關閉套上的平衡孔位置確定的.開啟過程中，在平衡孔與滑套本體上的過流孔連通之前，由液壓站經工作筒在生產滑套外部施加10，MPa的壓力，實現生產滑套在內外壓差10，MPa的條件下開啟.外部加壓大小可根據測試需要在控制系統中設置.

測試裝置的設計壓力為40，MPa.根據海上油田作業經驗，對生產滑套的密封性能要求為：在內外壓差35，MPa的條件下10，min內無泄漏即為合格.該測試裝置可以實現生產滑套的連續開啟和關閉，直至密封件被破壞，并記錄滑套的開關次數和壓力數據.目前，該測試裝置已經連續運行2，000次以上，運行正常.

測試裝置具有數據采集處理保存和遠程自動控制等功能.在準備工作完成后，人員可以遠離工作臺和液壓系統，消除了人工操作的安全隱患.

2 試 驗

2.1 試驗步驟

（1）將試驗用生產滑套拆開，裝入左右沖擊桿、沖頭、接管和密封接頭，擰緊各個連接部件，并保證連接后生產滑套的兩端密封接頭外尺寸在72～168，mm范圍內.

（2）拆開生產滑套性能測試裝置外結構中工作筒一端的法蘭，按照生產滑套的啟閉方向要求將已連接好的帶沖擊桿生產滑套裝入工作筒內，安裝并緊固法蘭；調整、緊固沖擊油缸和調整裝置.

（3）接通電源，啟動測試裝置.首先手動運行設備，檢查安裝狀況是否正常；然后轉為自動運行.設置參數后開始測試.

自動運行時1個測試周期的流程為：滑套復位至完全開啟狀態→沖擊關閉滑套至平衡孔位置→加壓至10，MPa（壓力可調），繼續帶壓沖擊關閉滑套直至滑套完全關閉→停止沖擊，將壓力加至35，MPa→按照設定時間穩壓（時間實時可調）檢測滑套密封件的密封情況→穩壓結束，將壓力降至第1次加壓壓力→帶壓沖擊開啟滑套至平衡孔位置→將壓力降為零，繼續沖擊開啟滑套直至滑套完全開啟→測試結束→生成報告.

（4）如需進行多周期循環測試，可在啟動程序之前設定循環次數，系統按照設定次數自動完成測試.

（5）測試完成，取出滑套，清潔保養.

2.2 結果分析

圖7 生產滑套性能測試數據Fig. 7 Measured results of the sliding sleeve

圖7 為針對2.75″生產滑套，在啟閉壓力10，MPa、加壓壓力35，MPa、保壓時間60，s和1個循環的條件下得到的性能測試結果.效完成滑套的帶壓開啟、關閉試驗，在生產滑套關閉條件下，加壓至35，MPa、切斷供油后，保壓無泄漏，表明用于試驗的生產滑套和測試裝置都具有良好的密封性能.

3 結 語

本文根據實際生產需要研制了海上油田生產滑套的性能測試裝置，給出了裝置的結構、工作原理、測試方法和步驟.采用測試裝置能夠模擬實際使用環境，對生產滑套進行沖擊啟閉、密封性能檢測、密封件壽命測試等試驗，大大降低了操作人員的勞動強度，有效避免了人為誤判，實現了對生產滑套性能的自動檢測，提高了檢測數據的準確性，可為生產滑套工具的研制提供高效的試驗裝置和技術保障.

［1］ 石磊. 一種新型滑套開關工具及配套技術應用研究［J］. 西南石油大學學報：自然科學版，2014，36（1）：157-162.

［2］ 劉傳剛，包陳義，鞠少棟，等. 海上完井滑套開關工具彈性爪機構性能研究［J］. 石油機械，2014，42（4）：34-37.

［3］ 張世甫. 滑套使用中若干問題的分析探討［J］. 鉆采工藝，2012，25（1）：77-79.

［4］ 《海上油氣田完井手冊》編委會. 海上油氣田完井手冊［M］. 北京：石油工業出版社，1998.

［5］ 張亮，王丙剛，馬認琦. 深水生產滑套密封設計及試驗［J］. 石油機械，2014，42（7）：41-44.

［6］ 《機械設計手冊》編委會. 機械設計手冊［M］. 5版.北京：機械工業出版社，2010.

結果表明：測試裝置能夠實現生產滑套的振擊開啟和關閉，在開啟和關閉過程中所受沖擊力較均勻，與沖擊桿配合的密封件摩擦性能良好；測試裝置能有

責任編輯：常濤

Design and Analysis of a Performance Testing Device for Offshore Oil Production Sleeve

HU Yingjun，LUO Jianwei，LIU Zhenyan
（College of Mechanical Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China）

A performance testing device for offshore oil production sleeves was developed and its function and performance were studied.The structure，working principles，experimental method and procedure of the testing device were given.This device can simulate the actual working environment，including open-close of the sleeves，sealing performance and the sealing destructive test.Using this testing device developed with mechanical technique，the performance test for all type of oil production sleeves that are used in offshore can be successfully realized，which can provide a test basis for the production of sleeves.Test results show that the testing device has good sealing performance and can be used for the performance test of the production sleeves.

offshore oilfield；production sleeve；test device

TH122

A

1672-6510（2016）03-0065-04

10.13364/j.issn.1672-6510.20150050

2015-04-21；

2015-09-25

呼英俊（1965-），男，河北張北人，副教授，hyjun@tust.edu.cn.