提高內防噴工具試壓工效方案設計

黃可文，王旭，李東林，王小林，張天明

（渤海鉆探工程有限公司管具技術服務分公司，河北 滄州 062552）

內防噴工具的試壓是井控車間的一項重要的試壓檢驗工作，隨著鉆井技術和井控技術的發展以及對外合作機會的增加，內防噴工具在鉆井施工現場的應用也日益頻繁。據統計，目前華北油區平均每年送至井控車間檢測試壓的內防噴工具達到一千余套，井控車間在正常工作日內試壓每天約3 ～4套。現有的試壓檢測方式是將內防噴工具固定在試壓工裝后，采用試壓檢測控制系統逐個對其進行試壓，由于內防噴工具的存放區與試壓區距離一般較遠，且在吊裝、安裝、拆卸過程中費時費力，每套試壓泵和試壓系統單次僅能試壓檢測一套內防噴工具，導致正常試壓檢測一套內防噴工具需要2 小時，工作效率較低，大大影響了工作進度，難以及時保證鉆井隊的正常使用。因此，通過分析和研究內防噴工具試壓檢測過程中每道工序和環節，提出改進試壓檢測的設計方案，完善試壓程序和工裝，實現安全、高效試壓的目的。

1 影響因素分析

目前內防噴工具試壓通常采用試壓檢測控制系統和試壓泵及其連接管線來連接和控制內防噴工具進行試壓，整個試壓檢測控制流程通常可以分為控制與監控區、供壓泵區、穩壓泄壓控制閥區、試壓工件區（見圖1）。試壓控制與監控區基本已實現集數據采集、圖像監控、自動控制和數據處理功能于一體,可以利用系統其內置的工控機實現自動生成報表和監控試壓的功能。供壓泵區和穩壓泄壓控制區已采用市場上成熟的設備，壓力泵通常選用高于試壓工件壓力級別、排量較高的電泵；工件區目前大部分采用手動和液壓工裝連接內防噴工具進行試壓。對影響傳統試壓控制流程的試壓效率的因素進行分析，主要有以下幾個原因：

（1）單臺試壓控制與監控系統目前僅能控制一臺試壓泵和集成控制閥進行試壓，試壓控制對象單一，導致試壓效率過低，是主要原因。

圖1 傳統內防噴工具試壓流程圖

（2）試壓工裝過于簡單，基本采用手動試壓帽進行連接，需要將內防噴工具固定在試壓底座上，在戴緊試壓帽，用榔頭人工砸緊，接上試壓管線進行試壓，效率太低，費時費力。或部分采用液壓裝置對內防噴工具進行夾持，但基本采用立式連接，安裝拆卸不便，且試壓密封墊不耐用。

（3）試壓泵電機的運轉頻率固定，由于內防噴工具的容積較小，打壓時容易超過其額定工作壓力，導致試壓時多次重復打壓。

（4）由于內防噴工具本體容積較小，在穩壓的過程中容易造成壓降過大，需要反復打壓很多次才能試壓合格，造成了試壓時間的增加。

（5）所用的試壓管線是普通膠管，在打壓和穩壓的過程中容易導致變形，對試壓結果有很大的影響，特別是低壓穩壓階段，也很容易刺漏，存在不安全的因素。

2 改進方案設計

針對影響內防噴工具試壓工效的因素進行分析，以高效、安全為核心，對內防噴工具試壓過程中各環節進行優化設計，確定改進方案，在確保符合井控安全標準要求前提下，使其更加符合現場使用技術要求，提高試壓綜合效率。

2.1 增加試壓工位

一是對試壓系統進行改進，該系統應分別設有試壓控制界面和監控界面，實現試壓控制和試壓期間的安全和漏點監控。該系統試壓控制界面應具有三個操作界面，每個界面均能控制一套工件試壓，能控制對應的集成閥組（見圖2）。二是增加相應的控制閥組及試壓連接管線，保障能同時對三個工位進行試壓。三是編制試壓控制的邏輯關系，保障試壓泵能同時試壓三個工位相互無干擾。

圖2 增加試壓工位后的流程圖

試壓控制邏輯關系：檢查試壓系統與變頻器、試壓泵及控制閥匯各連接部位，保持連接完好無異常；按順序依次連接各試壓工件、緩沖管及控制閥匯，使閥A 與緩沖管A、工件1，使閥B 與緩沖管B、工件2，使閥C 與緩沖管C、工件3，一一對應。各電路、氣路、水路連接良好，無異常，開始打壓。各試壓工件均獨立防護，相互不影響。

（1）當各試壓工件額定壓力等級相同時。

①啟動試壓操作控制系統，打開系統3 個試壓界面，分別設置試壓參數，隨后控制總啟動按鈕，使試壓泵開始運轉打壓，關閉集成閥泵端卸荷閥，高壓水介質經試壓泵、四通、集成閥單向閥、緩沖管、試壓管線進入各試壓工件容器。高低壓情況下，分別通過調節變頻器頻率控制電機轉速，實現調整注水效率。

②當各試壓工件均密封良好無泄漏情況下，各閥匯傳感器采集數據傳回試壓控制系統，各試壓工件壓力達到規定設定壓力值后，分別控制各集成閥先打開泵端卸荷閥卸除試壓泵壓力，然后關閉氣動截止閥（此時由單向閥保壓），實現工件保壓。當各工件低壓保壓均成功后（系統三個控制界面均顯示穩壓成功后），試壓泵再次打壓，到額定工作壓力時，再次關閉集成閥氣動截止閥實現保壓，直至各工件穩壓成功，各集成閥依次泄壓，數據保存。

③當三個工件中有一個或兩個工件在試壓初始階段不升壓時，停止運轉試壓泵，檢查泄漏點，調試好后再次打壓。如果在低壓穩壓期間發現有一個或兩個穩壓不成功時，則控制對應閥組泄壓，拆卸檢查泄漏點。待其他工件試壓完成后，再次接入按照步驟1 和2 試壓。

（2）當各試壓工件額定壓力等級不相同時（假設其中一個70MPa 工件、兩個35MPa 工件）。

①啟動試壓操作控制系統，打開系統3 個試壓界面，分別設置試壓參數，隨后控制總啟動按鈕，使試壓泵開始運轉打壓，關閉集成閥泵端卸荷閥，高壓水介質經試壓泵、四通、集成閥單向閥、緩沖管、試壓管線進入各試壓工件容器。高低壓情況下，分別通過調節變頻器頻率控制電機轉速，實現調整注水效率。

②當各試壓工件均密封良好無泄漏情況下，各閥匯傳感器采集數據傳回試壓控制系統，各試壓工件壓力達到規定設定的低壓壓力值后，分別控制各集成閥先打開泵端卸荷閥卸除試壓泵壓力，然后關閉氣動截止閥（此時由單向閥保壓），實現工件保壓。當各工件低壓保壓均成功后（系統三個控制界面均顯示穩壓成功后），試壓泵再次打壓，當其中兩個35MPa 工件到額定工作壓力時，對應集成閥關閉氣動截止閥實現保壓（注意此時泵不能泄壓），另外一個70MPa 工件繼續升壓，直至達到額定壓力時，對應集成閥關閉氣動截止閥實現保壓，此時泵頭泄壓。各工件穩壓成功，各集成閥依次泄壓，數據保存。

③當三個工件中有一個或兩個工件在試壓初始階段不升壓時，停止運轉試壓泵，檢查泄漏點，調試好后再次打壓。如果在低壓穩壓期間發現有一個或兩個穩壓不成功時，則控制對應閥組泄壓，拆卸檢查泄漏點。待其他工件試壓完成后，再次接入按照步驟1 和2 試壓。

2.2 改進試壓工裝

改進后的工裝作業臺能自動完成上料、卡緊、卸料等工作，試壓工作臺通過巧妙設計的機械結構，實現自動中心對位功能，可覆蓋所有不同外徑、長短型號的內防噴工具。（見圖3）。移動取件機械手由行走十字滑臺、升降機械臂、磁力吊具三部分構成，十字滑臺架固定在框式結構的主架上，電機通過齒型帶輪、齒型帶將動力傳輸給升降機械臂史其左右移動，氣缸帶動升降機械臂上下移動將內防噴工具分別放入測試工位內，電控磁力吊具吸附固定內防噴工具。測試工位由框式結構主架、V 型卡具、液壓頂缸，前、后試壓密封頭四部分構成，氣缸帶動V 型卡具左右移動將內防噴工具卡緊并自動對中，控制卡具左右移動的位置來適應不同型號直徑的內防噴工具，液壓頂缸伸出將內防噴工具壓緊并通過試壓密封頭密封，密封面為梯型圈溝槽密封方式，密封壓力為85MPa。

圖3 新型內防噴工具試壓作業臺

2.3 增加試壓對象的緩沖容積

在內防噴工具和集成控制閥之間增加一個大環空的緩沖管，增加試壓環空，這樣會幫助內防噴工具的穩壓過程，提高單獨內防噴工具的試壓效率。

2.4 減少試壓管線膨脹率

可選用高壓力級別150MPa 以上壓力級別的高壓耐火膠管代替老的試壓管線，減小變形情況。或直接采用210MPa 剛性硬管作為試壓管線，保障打壓過程中管線減少膨脹。增加一個變頻器，調節試壓泵的電機運轉，在剛開始打壓時快速運轉，臨近試壓壓力值時轉速變慢，從而準確達到試壓壓力。

3 結語

內防噴工具試壓效率直接影響整個井控車間生產工作安排，新的設計方案提高了內防噴工具的試壓效率，通過改進原有系統其中是試壓工位、試壓工裝、環空體積、變頻頻率、管線等途徑，可使內防噴工具的試壓效率得到了明顯提高，并具有以下幾個優點取代了傳統的人工注水夾緊工裝和拆卸的過程。（1）試壓工位相對增加3 倍，可使試壓系統和試壓泵充分得到利用，試壓監控人員僅需一人，提高工作效率，降低了人工成本。（2）改進后試壓工裝作業臺可以實現上料、卡緊、卸料等工作，可針對所有不同外徑、長短型號、壓力級別的內防噴工具進行試壓。（3）增加變頻器、試壓緩沖容積、更換試壓管線等措施，可以有效提高試壓期間穩壓的成功率，減少試壓保壓頻次，提高工作效率。