石油工具高溫高壓試驗(yàn)裝置不同升降溫方式的應(yīng)用研究

張蔚紅1，鄧小強(qiáng)2，張文2

(1.陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000； 2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西 西安 710021)

隨著油氣田的勘探和深入開發(fā)，地層內(nèi)部的溫度與壓力梯度隨著井深不斷增加， 井底溫度大于 150 ℃、地層壓力大于 69 MPa的高溫高壓井，施工難度大、作業(yè)風(fēng)險高，在國內(nèi)各大油田占比達(dá)到40%以上[1-2]，這對試油、完井、射孔、測井等井下作業(yè)儀器工具的耐溫耐壓性能提出了越來越高的要求。因此，在石油儀器和井下作業(yè)工具入井工作前，必須進(jìn)行耐溫耐壓性能檢測試驗(yàn)，驗(yàn)證材料強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和應(yīng)用可靠性，為新產(chǎn)品設(shè)計制造和批量生產(chǎn)提供可靠依據(jù)[3]。

高溫高壓模擬試驗(yàn)裝置的升降溫系統(tǒng)，目前國內(nèi)外各石油單位主要采用的有導(dǎo)熱油、電熱風(fēng)、中頻電磁感應(yīng)三種加熱換熱方式，且以導(dǎo)熱油換熱方式為主[4-5]。近年來，隨著加熱控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，在節(jié)能、環(huán)保、安全政策推動引導(dǎo)下，新建高溫高壓試驗(yàn)裝置逐步采用電熱風(fēng)和電磁熱，也有部分用戶對導(dǎo)熱油方式進(jìn)行替代革新，實(shí)施項目改擴(kuò)建[6]。筆者根據(jù)三種加熱換熱方式在不同功能需求的試驗(yàn)裝置建設(shè)項目上應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和體會，在介紹高溫高壓模擬試驗(yàn)裝置的功能與組成的基礎(chǔ)上，從加熱原理、設(shè)備組成、建設(shè)投資、運(yùn)維管理、應(yīng)用效果、實(shí)現(xiàn)條件等方面，對比分析三種加熱換熱方式的優(yōu)勢劣勢，總結(jié)實(shí)施技術(shù)要點(diǎn)，給出適用性選擇建議。

1 不同石油工具儀器的高溫高壓試驗(yàn)功能需求

高溫高壓模擬井筒試驗(yàn)裝置，對應(yīng)用于井下的各類石油工具儀器的工作性能，進(jìn)行可靠性與穩(wěn)定性測試。常見的測試試驗(yàn)對象有以測井儀器為代表的儀器類、以封隔器為代表的工具類、以射孔器為代表的器材類等三大類，不同應(yīng)用類別的待測儀器工具，對高溫高壓模擬試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)和功能需求有所區(qū)別[7]。

1.1 儀器類用高溫高壓釜

用于實(shí)現(xiàn)錄井、測井等類似探采工序的石油儀器，諸如聲波、變密度、電極系、超聲成像、多極陣列聲波、磁定位等測井儀器，馬龍頭、旋轉(zhuǎn)柔性短節(jié)、偏心器、導(dǎo)向膠錐等輔助作業(yè)工具，必須對其進(jìn)行耐溫耐壓性能的基本環(huán)境測試。這類儀器一般呈細(xì)長軸型，平均長度2 m，內(nèi)部集成有信號處理傳輸電路，儀器精密度和集成度高，功能豐富，對地層環(huán)境的適應(yīng)性和可靠性測試要求較高。通常采用高溫高壓釜進(jìn)行耐溫耐壓性能測試，最高測試溫度250 ℃、壓力200 MPa，一般以連串方式批量測試，10 m的高壓釜體一次可測試4～5支儀器[8]。高壓釜體內(nèi)徑可達(dá)200 mm左右，釜壁厚度在150～200 mm，加工和密封要求極高，一般采用深基坑方式安裝，外部熱源通過釜體加熱釜內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高溫高壓模擬環(huán)境。

1.2 工具類高溫高壓試驗(yàn)裝置

用于注水、壓裂等油氣生產(chǎn)過程的諸如封隔器為代表的井下作業(yè)工具，在井底高溫高壓環(huán)境工作過程中，由于油井井下空間狹小，結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動方式復(fù)雜，長期承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、外擠和內(nèi)壓等不同形式的復(fù)雜載荷作用，井下工具必須具有良好的工作性能和穩(wěn)定的可靠性。井下工具模擬試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)溫度150 ℃、壓力120 MPa，比測井儀器類溫度壓力要求低，但試驗(yàn)過程中工具除承受溫壓環(huán)境外，還承受外在的拉壓扭載荷，一般采用單次單個的試驗(yàn)方式進(jìn)行測試[9]。承壓裝置一般采用5 m左右的油套管，設(shè)置表層、試驗(yàn)和承壓等不同功能的套管，表層套管采用水泥灌注固井的方式埋入地下，配合井口裝置實(shí)現(xiàn)連接和密封，組成高壓套管裝置。通過試驗(yàn)套管吸收外部導(dǎo)熱油、電熱風(fēng)或電磁熱熱量，加熱套管內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)。

1.3 器材類高溫高壓試驗(yàn)裝置

以射孔器為代表的器材類器具高溫高壓試驗(yàn)，高溫高壓釜要能夠提供保持井筒內(nèi)額定工作溫度 300 ℃的溫度場，加壓系統(tǒng)能夠提供額定壓力 230 MPa的圍壓、井壓和孔隙壓力，在高溫高壓釜內(nèi)模擬砂巖靶射孔實(shí)驗(yàn)[10-11]。油氣井聚能射孔器材的高溫高壓性能測試試驗(yàn)，通過在高溫高壓釜體內(nèi)部建立高溫高壓試驗(yàn)環(huán)境，采用壓差起爆或電起爆方式進(jìn)行射孔起爆，外部加溫裝置和加壓裝置進(jìn)行加熱加壓，檢驗(yàn)射孔槍的耐溫耐壓性能或砂巖靶體射孔性能。高溫高壓釜體提供引爆場所，一般在釜體內(nèi)部安裝三腔壓力分隔裝置、砂巖靶和射孔槍等，高壓釜體需承受引爆試驗(yàn)所產(chǎn)生的全部沖擊壓力，這對釜體剛度和強(qiáng)度提出較高的要求。

2 石油工具儀器高溫高壓模擬試驗(yàn)裝置

2.1 模擬試驗(yàn)裝置關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)分析

(1)額定工作壓力：常用高溫高壓模擬試驗(yàn)裝置的設(shè)計壓力，一般在50～200 MPa，常見測試壓力為150 MPa左右。

(2)額定工作溫度：射孔器類的試驗(yàn)裝置的設(shè)計工作溫度為350 ℃，其他的常用溫度范圍為100～250 ℃。

(3)溫度、壓力波動：大多數(shù)試驗(yàn)要求，在釜內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)加熱到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度后，須保證控溫精度≤1 ℃；加壓后恒溫恒壓階段，須保證溫度波動≤3 ℃，壓力波動≤2 MPa。

(4)升降溫速率：大多數(shù)試驗(yàn)要求，在保證承壓井筒或高壓釜體承受內(nèi)外溫差引起的熱應(yīng)力安全前提下，升溫速度最低滿足≥1.0 ℃/min的要求[12]。

(5)試驗(yàn)效率：試驗(yàn)效率與釜體長度、試驗(yàn)要求、裝配工裝、升降溫速率等設(shè)計投資方案的選擇相關(guān)，本文重點(diǎn)討論升降溫方式選擇對試驗(yàn)周期影響的問題。

(6)安全環(huán)保性能：試驗(yàn)裝置運(yùn)行要穩(wěn)定可靠，高溫高壓設(shè)備的安全性要重點(diǎn)考慮，盡可能采用節(jié)能、環(huán)保、安全的升降溫方案。

2.2 試驗(yàn)裝置設(shè)計運(yùn)行要求

模擬試驗(yàn)裝置一般應(yīng)具有全自動和手動兩種模式，能獨(dú)立工作或聯(lián)合工作，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)升溫或升壓、單獨(dú)降溫或降壓、聯(lián)合升溫升壓與降溫降壓、關(guān)鍵參數(shù)比較等多種試驗(yàn)需求。模擬試驗(yàn)控制系統(tǒng)，應(yīng)能夠準(zhǔn)確顯示關(guān)鍵部位的運(yùn)行參數(shù)，具有超載、超限等異常報警和防止誤操作功能，出現(xiàn)危險試驗(yàn)工況時能夠自動泄壓。壓力、溫度傳感器工作異常，自動停止加溫、加壓，能夠在緊急情況下能進(jìn)行人工干預(yù)。

高溫高壓試驗(yàn)裝置的設(shè)計建造，必須嚴(yán)格按照國家壓力容器和特種設(shè)備相關(guān)法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，盡可能采用靈活多變的設(shè)備組合方式和成熟的結(jié)構(gòu)形式，保證設(shè)備整體運(yùn)行安全可靠，方便裝卸、維修和維護(hù)。工程配置簡單實(shí)用為好，方便進(jìn)行各種試驗(yàn)工藝及設(shè)備改造，滿足不同類型和新型鉆采工具儀器的試驗(yàn)要求[13]。

2.3 模擬試驗(yàn)裝置的功能與組成

試驗(yàn)用高溫高壓模擬實(shí)驗(yàn)裝置，模擬類似地層環(huán)境對井下工具儀器耐溫耐壓性能進(jìn)行檢測試驗(yàn)，主要由高壓容器、加熱系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、電儀測控系統(tǒng)組成，除此之外還包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)等。高溫高壓模擬試驗(yàn)裝置組成框圖，如圖1所示。

圖1 高溫高壓模擬試驗(yàn)裝置組成原理框圖

通過高壓模擬井筒加溫系統(tǒng)，能夠有效提供不同地層深度溫度，實(shí)現(xiàn)對不同地層深度的溫度場模擬，本文重點(diǎn)對圖1中虛線框所示的導(dǎo)熱油、電熱風(fēng)、電磁熱三種常用升降溫方式在高壓試驗(yàn)裝置上的方案選擇總結(jié)對比。

2.4 高壓容器與加壓系統(tǒng)

高壓容器是高溫高壓試驗(yàn)裝置的核心部件，布設(shè)方式與測試對象工作狀態(tài)一致，豎向地面以下布置，上下密封頭設(shè)有工作介質(zhì)進(jìn)出口。高壓儀器、器具測試一般采用鍛件制造的厚壁釜體，懸掛式支承，上端部位于地面，筒體置于深基坑，以確保工作時的安全；高壓井下工具測試一般采用厚壁油套管設(shè)計制作高壓試驗(yàn)井筒，采用埋地水泥澆筑方式固定，配套專用試壓井口。

高溫高壓容器一般設(shè)計有提塞螺栓、提塞法蘭、上螺紋壓環(huán)、上密封頭、金屬密封環(huán)、上壓緊環(huán)、厚壁釜體、下密封頭和下螺紋壓環(huán)等，上端部設(shè)計快開結(jié)構(gòu)，橡膠O形圈密封，旋轉(zhuǎn)壓緊螺母就能打開封閉超高壓容器。可根據(jù)試驗(yàn)需要，容器內(nèi)設(shè)置內(nèi)部工裝，通過壓力分隔形成圍壓、井壓和孔隙壓力三相壓力工作環(huán)境。圖2為電熱風(fēng)和導(dǎo)熱油配套的超高壓容器示意圖。

圖2 電熱風(fēng)加熱原理及組成示意圖和實(shí)物圖片

高壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加壓和卸壓功能，超高壓泵向超高壓容器加注高壓液體實(shí)現(xiàn)加壓，通過卸壓閥門排出高壓液體實(shí)現(xiàn)卸壓功能。超高壓系統(tǒng)可遠(yuǎn)程控制的氣動閥門，系統(tǒng)中設(shè)置爆破膜裝置，以確保整個裝置的安全。

3 三種加熱方式原理、特點(diǎn)與實(shí)施要點(diǎn)

通過高壓模擬井筒加溫系統(tǒng)，能夠有效提供不同地層深度溫度，實(shí)現(xiàn)對不同地層深度的溫度場模擬，按照高壓釜體獲取熱能的方式，可將加熱方式分為直接和間接兩種加熱方式。電磁熱是中頻加熱線圈的熱量以輻射的方式直接加熱高壓容器，屬于直接加熱模式。導(dǎo)熱油和電熱風(fēng)都屬于直接加熱模式，熱風(fēng)和熱油的熱能作用于中間載熱體，然后由中間載熱體將熱能傳給工作對象，熱載體分別是導(dǎo)熱油和熱空氣。本文重點(diǎn)對圖1中虛線框所示的導(dǎo)熱油、電熱風(fēng)、電磁熱三種常用升降溫方式在高壓試驗(yàn)裝置上的方案選擇對比分析，總結(jié)各自的優(yōu)劣勢和適用試驗(yàn)工況。

3.1 導(dǎo)熱油加熱

導(dǎo)熱油循環(huán)加熱換熱方式，也叫熱載體換熱或外部流換熱，是目前大多數(shù)高壓試驗(yàn)裝置采用的加熱方案。其原理是電熱絲將電能轉(zhuǎn)換為加熱器中導(dǎo)熱油的熱能，導(dǎo)熱油作為中間熱載體，通過循環(huán)油泵間接向高壓容器內(nèi)的試驗(yàn)介質(zhì)傳遞熱量。導(dǎo)熱油循環(huán)加熱系統(tǒng)，包括加熱和冷卻二個回路，分別實(shí)現(xiàn)升溫和降溫功能，回路之間的轉(zhuǎn)換是通過切換電動三通閥門來實(shí)現(xiàn)的。導(dǎo)熱油從試驗(yàn)容器夾套內(nèi)帶出的熱量，通過導(dǎo)熱油冷卻器和冷卻塔傳遞到大氣。

導(dǎo)熱油的熱聚合反應(yīng)和氧化反應(yīng)，溫度越高越劇烈，導(dǎo)熱油的高溫結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，使導(dǎo)熱油爐容易出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象，影響導(dǎo)熱油的使用壽命。因此，電加熱導(dǎo)熱油爐的熱介質(zhì)，一般選用礦物性導(dǎo)熱油，最高使用溫度不宜超過300 ℃，采用氮?dú)饷芊猓苊饪諝馀c高溫有機(jī)熱載體接觸，以減少積碳產(chǎn)生。導(dǎo)熱油換熱具有加熱均勻、控溫準(zhǔn)確、傳熱效果好的優(yōu)點(diǎn)，但存在加熱爐蓄熱量大、易燃易爆、油煙污染大、安全環(huán)保性能差的缺點(diǎn)。

3.2 電熱風(fēng)循環(huán)加熱

電熱風(fēng)加熱系統(tǒng)通過在釜外設(shè)導(dǎo)流筒，筒外設(shè)環(huán)狀加熱帶和保溫筒，實(shí)現(xiàn)升溫和降溫功能。電熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)由離心變頻風(fēng)機(jī)、冷熱風(fēng)單向閥、變頻控制柜、風(fēng)量傳感器、管道等組成，包括加熱回路和冷卻回路兩部分，回路的轉(zhuǎn)換是通過電動三通閥門的切換來實(shí)現(xiàn)。加熱和降溫過程中，通過頻率大小控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)輸出風(fēng)量、風(fēng)壓和風(fēng)速，適時提供循環(huán)冷熱空氣，按照試驗(yàn)工藝曲線進(jìn)行升降溫。圖2為電熱風(fēng)加熱原理及組成示意圖和實(shí)物圖。

電熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)通過與外界空氣置換，將試驗(yàn)容器內(nèi)的熱量快速帶出。當(dāng)需要給超高壓容器降溫時，切換、調(diào)節(jié)電動閥門，將冷空氣與熱空氣置換循環(huán)，逐漸實(shí)現(xiàn)降溫。風(fēng)機(jī)出風(fēng)口與外風(fēng)道聯(lián)通，冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)口和熱風(fēng)抽風(fēng)口均設(shè)置在室外，以便換熱。

3.3 中頻感應(yīng)加熱

利用電磁感應(yīng)加熱原理，使加熱套管以及其內(nèi)的導(dǎo)熱介質(zhì)被加熱，實(shí)現(xiàn)井下工具在加熱套管內(nèi)打壓加熱試驗(yàn)功能。套管感應(yīng)加熱裝置，主要由加熱套管、試驗(yàn)油管、銅管感應(yīng)加熱線圈、法蘭短節(jié)、井口四通、水電接頭、中頻電源等部件組成，試驗(yàn)油管內(nèi)注滿清水試驗(yàn)介質(zhì)，采用垂直安裝方式，沉坐于豎井的表層套管內(nèi)。中頻電源配置無功消諧補(bǔ)償裝置，消除電源奇次諧波，提高電網(wǎng)功率因數(shù)，感應(yīng)加熱裝置通過水電接頭、電容器與中頻加熱電源連接，實(shí)現(xiàn)加熱功能來模擬地層溫度。加熱套管上部套管頭通過井口四通和加壓系統(tǒng)連接，表層套管通過特殊套管頭和井口四通連接高壓泵加壓控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加壓功能來模擬地層壓力。套管中頻加熱裝置、高壓泵加壓系統(tǒng)通過通信接口與中控室集中數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行加熱、加壓控制數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功能，一次進(jìn)行一種或多種規(guī)格的封隔器油套壓耐溫耐壓性能測試試驗(yàn)。圖3為套管中頻感應(yīng)加熱裝置功能組成框圖。

圖3 套管中頻感應(yīng)加熱裝置功能組成框圖

中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)主要由晶閘管中頻電源、溫度閉環(huán)控制單元、閉式循環(huán)冷卻裝置、電容器、功率控制器、消協(xié)補(bǔ)償裝置、感應(yīng)加熱線圈和輔助裝置組成， 圖4為套管感應(yīng)加熱系統(tǒng)組成框圖和實(shí)物圖。

圖4 感應(yīng)加熱系統(tǒng)組成框圖和實(shí)物圖

套管中頻感應(yīng)加熱方式，充分利用豎直井試驗(yàn)套管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將感應(yīng)加熱線圈繞制在垂直安裝的帶液試驗(yàn)套管外壁，發(fā)揮電磁感應(yīng)的集膚效應(yīng)，以輻射的方式直接加熱試驗(yàn)井筒，具有加熱速度快，試驗(yàn)效率高的優(yōu)點(diǎn)。中頻感應(yīng)加熱，省去導(dǎo)熱油和電熱風(fēng)的熱交換環(huán)節(jié)，能夠按照升溫保溫試驗(yàn)工藝要求，通過高精度控溫儀表進(jìn)行精確控制，操作維護(hù)簡單，設(shè)備一次性投入少，運(yùn)行管理成本低，安全環(huán)保性能好。

4 三種加熱方案應(yīng)用對比分析

通過前述高溫高壓試驗(yàn)技術(shù)需求和三種換熱方式實(shí)施要點(diǎn)的介紹分析，下面從換熱效率、試驗(yàn)周期、實(shí)現(xiàn)條件、投運(yùn)成本、檢修維護(hù)等方面，對導(dǎo)熱油、電熱風(fēng)和電磁熱進(jìn)行優(yōu)劣勢對比總結(jié)，同時分析實(shí)施技術(shù)難點(diǎn)或要點(diǎn)，給出不同方案的適用性選擇建議，表1為三種加熱方式的對比分析。

表1 高溫高壓釜加熱方式對比

導(dǎo)熱油加熱直接將釜內(nèi)溫度環(huán)境提高，工作方式簡單并且溫度控制容易操作，熱傳效率很高，但需考慮導(dǎo)熱油加熱裝置安裝、高溫環(huán)境對導(dǎo)熱油輸送管線控制元件要求、在試驗(yàn)過程中加壓與加溫流程相互干涉等問題。中頻感應(yīng)直接加熱方式，能夠?qū)崮苤苯幼饔糜诩訜釋ο笊希瑐鳠嵝矢撸瑴囟瓤刂坪唵危珜ε吭囼?yàn)、釜體外徑大、長度大的儀器類試驗(yàn)不適合。電熱風(fēng)以高壓容器外的環(huán)形空間熱空氣為中間載熱體，高壓容器外設(shè)置導(dǎo)流筒通過風(fēng)道實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)，無需專門的換熱裝置，設(shè)備配置簡單，加熱冷卻功能切換簡單可靠，試驗(yàn)效率高，安全環(huán)保性相比導(dǎo)熱油大為提高。

5 結(jié) 論

本文在介紹高溫高壓模擬試驗(yàn)裝置的功能與組成的基礎(chǔ)上，從加熱原理、設(shè)備組成、建設(shè)投資、運(yùn)維管理、應(yīng)用效果等方面，總結(jié)對比導(dǎo)熱油、電熱風(fēng)和電磁熱三種加熱換熱方式的優(yōu)勢劣勢，給出實(shí)施要點(diǎn)和適用性選擇建議。在方案選擇過程中，以試驗(yàn)效率高、節(jié)能安全環(huán)保、運(yùn)行穩(wěn)定可靠為目標(biāo)，根據(jù)具體試驗(yàn)技術(shù)需求選擇合適的加熱換熱方式。電熱風(fēng)和電磁熱相比導(dǎo)熱油換熱方式在安全、環(huán)保、節(jié)能方面技術(shù)優(yōu)勢明顯，符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求和發(fā)展趨勢，在方案選擇時盡可能推廣應(yīng)用。