國內高溫高壓井下工具試驗裝置發展現狀綜述

竇益華，韓 碩，鄭 杰，2，3，李貞貞

（1.西安石油大學機械工程學院，陜西西安 710065；2.西安特種設備檢驗檢測院，陜西西安 710065；3.西北工業大學動力與能源學院，陜西西安 710072）

1 現場面臨的挑戰

近一年以來，長慶地區的水平井總體發展趨勢表現為完井井深更深、水平段更長、加砂量更大、入井液量更多、施工壓力更高等特點[1]。

2021 年6 月3 日13 時8 分，中國北方頁巖氣最高壓力施工井鄂102X 井壓裂完成。鄂102X 井是長慶區域內首口壓力等級達140 MPa 的非常規頁巖氣勘探井。該井地處內蒙古鄂爾多斯鄂托克前旗，試氣層位為奧陶系烏拉力克組，完鉆井深5 286 m，全井泥頁巖與灰巖解釋有效氣層共595.6 m。

同年6 月6 日，桃X-XX-XH2 井分別創造了長慶氣田最深（8 008 m）水平井壓裂、亞洲陸上油氣井水平段最長（4 466 m）壓裂兩項新紀錄。該水平井施工設計高達40 段152 簇，除超深和水平段超長外，還具有加砂量大（2 056.6 m3）、入井液量多（23 600 m3）、施工壓力高（68.2 MPa）等特點。

6 月5 日，華HXX-3 井順利完井，完鉆井深7 339 m，水平段長5 060 m，刷新了亞洲陸上水平井最長水平段、長慶油田油井最深井等多項新紀錄[2]。該水平段的突破，又為水平井領域的工藝與工具進步提出了新的挑戰。

2 試驗裝置發展現狀

面對如今油氣井越來越高的壓力和溫度等級要求，壓裂工藝的發展日新月異，國內各大油田及高校，均針對壓裂各個工藝環節研發了各種試驗裝置[3]，如2010 年中海油為滿足海上油田水平井及大斜度井定向防砂完井需求研發的水平井防砂完井物模試驗裝置[4]、中國石油大學2012 年研發的裂縫充填模擬試驗裝置[5]、2016年中科院武漢巖土力學研究所研制的水力加砂壓裂試驗裝置[6]等。除了常規的單下封壓裂之外，目前也發展出水力噴射加砂分段壓裂、連續油管拖動壓裂、套管滑套壓裂等壓裂工藝[7]，針對不同工藝，所應用的井下工具設計制造也需要進行相應的調整，同時需要配合有效的檢測手段，才能更好地加速工具的研發及生產，提高工具的可靠性[8]、可維護性[9]以及實用性[10]。

2009 年，大港油田建立了一套鉆采工具試驗系統，設有直徑7 m、深度為19.5 m 的直井與1 口長度為37 m 的水平試驗井[11]。其中垂直井分為常溫試驗井和高溫試驗井，高溫試驗井采用空氣加熱，最高可達180 ℃，最大壓力60 MPa。其中水平試驗井與常溫試驗井井身結構外層均為φ244.5 mm 套管，高溫試驗井井身結構外層懸掛φ339.7 mm 套管，高溫井套管外鋪設保溫層。高溫井與水平井底部裝有承力裝置，可承受0～1 000 kN 的井底鉆壓載荷，且該裝置底部裝有測扭、加扭裝置，扭矩載荷區間為3～7 350 N·m，可進行井底動力鉆具的載荷試驗。2014-2015 年，還對該試驗井筒及密封裝置進行了升級改造，令其可承受350 ℃高溫及150 MPa 高壓，并可更換139.7 mm 及177.8 mm 的套管進行靜壓密封試驗[12]。

2010 年，為遼河油田分層注汽生產工藝配套設計的一套智能化室內模擬測試系統[13]（見圖1），以計算機技術、現代傳感器技術、自動控制技術等為特征，形成了以試驗管柱系統、介質加溫加壓系統、智能化測試系統為主要組成的一套完整的井下工具測試系統。該介質加溫加壓系統中的電加熱爐最高加熱溫度為400 ℃，且克服了高溫密封、導熱油泄漏、出口壓力波動范圍大等技術難題，能夠實現工作溫度350 ℃，流量5 m3/h 可調，出口壓力可達18 MPa，能夠在室內模擬分層注汽過程，建立注汽參數與油藏性狀之間的數學模型、并能對井下采油工具的各項性能進行檢測，從而為新工具的設計和新工藝的研究提供有效的試驗平臺和可靠的試驗數據。

圖1 遼河油田分層注汽智能化室內模擬系統[13]

同時，中海油主要針對目前海上油田水平井及大斜度井的防砂完井需求，設計了水平井防砂完井物理模擬試驗裝置[4]。該裝置可針對海上不同的油藏類型特征，優選出防砂完井方式，能夠完成水平井或大斜度井防砂解堵、礫石充填、防砂篩管評價及工具性能測試等試驗的大型完井裝置。通過水平井礫石充填過程中排量、砂比、攜砂能力和漏失量等參數優化的試驗研究表明，該裝置可延長防砂完井有效期，提高防砂完井成功率。

2012 年，長春理工大學尚春民等設計研發的一套井下工具水浸試驗系統，對于溫度和壓力的精度控制提出了更高的要求[14]。該系統最高壓力為100 MPa，最高溫度為95 ℃，壓力控制精度≤±0.5%FS，溫控精度可達±1 ℃。

2014 年，中石化勝利油田研發了一款可加溫至200 ℃，壓力70 MPa、加載力300 kN 的試驗系統[15]，該系統的主要特點是長8 m，可更換139.7 mm 及177.8 mm套管的地下試驗井筒，內筒采用P110 高強度套管，且在外固定加強環和8 根加強筋，提高試驗管柱的安全系數，保證其抗壓能力。外筒為直徑370 mm 的鋼管結構，采用2 層高效保溫材料包覆，確保系統熱量損失為最低。整套試驗管柱固定于試驗外筒內部，確保了整套試驗裝置的密封性。同年，川慶鉆探公司投用的一套高溫高壓模擬試驗井裝置[16]，最高試驗壓力可達105 MPa，最高試驗溫度250 ℃，采用感應線圈加熱的方式[17]，將線圈纏繞于試驗套管之外，以加熱油為介質，對井筒進行加熱，相比傳統的導熱油加熱方式，此種方式效率更高，更為安全。之后在2020 年，川慶鉆探公司繼續對該裝置進行升級，使其能夠模擬軸向拉壓作業和管柱鉆進過程，最大上拉載荷1 000 kN、下壓最大700 kN，最大扭矩15 kN·m[18]。

2016 年，因常規試驗裝置無法滿足壓裂完井工具模擬試驗要求，勝利油田在原試驗裝置的基礎上研發了一款綜合性的壓裂完井工具高溫高壓性能模擬試驗裝置[19]（見圖2）。該裝置設置有2 口試驗井筒，分別為139.7 mm 及177.8 mm，試驗井筒耐壓可達140 MPa、整體溫度可達200 ℃以上，同時可針對井下工具動作及耐溫耐壓情況進行模擬。該裝置設置有移動式試驗臺，加載拉壓力為500 kN、加載扭矩±5 kN·m，可上下左右移動定位，同時支架可傾斜，方便較長工具的下入。

圖2 勝利油田壓裂完井工具高溫高壓性能模擬試驗裝置[19]

2017 年，川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，因為當時的整機高溫高壓試驗無法進行動態拉、壓、扭轉等操作，也不能實時模擬油套壓變化，所以自行研制了一套高溫高壓井下工具試驗裝置[20]（見圖3）。該裝置可以實現靜密封最大壓力210 MPa、動密封最大壓力105 MPa。在結構設計上，對于高壓井筒進行優化，將井筒上腔和下腔的打壓口均置于井筒上方，解決了泄壓時容易出現的堵塞問題，同時杜絕了井筒底部雜質的回流。該裝置采用空氣加熱系統，由外加風機進行空氣循環，最高溫度200 ℃。加載裝置主要用于對試驗的工具進行拉、壓加載測試，額定加載壓力360 t，由兩個主油缸進行控制。并配備兩臺高壓泵和一臺低壓灌注泵，可進行上腔、下腔和中心腔的打壓，各路流量可單獨控制。

圖3 川慶鉆探井下工具高溫高壓試驗裝置[20]

同年，中石化石油工程技術研究院研發了一款能夠模擬井下125 ℃高溫及70 MPa 高壓，并且針對地層壓力隨鉆測量系統等井下儀器功能短節進行測試的室內試驗系統[21]。采用卡扣式設計，可快速更換及連接井筒本體、井蓋和測量儀器。并增設地層巖心模擬模塊，可作為地層壓力測量儀器的試驗平臺或對地層壓力測試算法進行驗證。

2019 年，西南油氣田工程技術研究院結合川渝氣田“三高”特性，研發了DTTS-200-140 高溫高壓井下工具試驗系統[22]。該系統可在200 ℃、140 MPa、拉壓載荷300 kN、扭矩10 kN·m 條件下測試井下工具。其超高壓試驗井筒創新地使用了壓環快裝結構和組合式密封代替了普通的螺紋連接密封方式，提高可靠性的同時節省人力且提高了更換套管的效率。加熱保溫系統采用電磁加熱，通過電磁加熱感應器將高頻交流電流轉變為高頻交變磁場，作用至金屬管道后可產生渦流，并迅速加熱金屬管道。

除了溫度壓力的升級，工具試驗井筒也在追求更為逼真地模擬井下工況，如2019 年石油工業油氣田射孔器材質量監督檢驗中心連旭設計的一套模擬井筒加溫加壓系統[23]，除了能達到300 ℃的高溫之外，可提供240 MPa 的圍壓、井壓和孔隙壓力，且能建立0 至50 MPa 的流動測量壓差。對于多種試驗工況均可進行模擬。

綜上所述，井下工具試驗裝置的結構總體可劃分為加溫系統、加壓系統、加載系統以及控制系統。其溫度壓力等級近年來總體呈上升趨勢（見圖4）。加溫系統有針對井筒加熱的方式以及外部循環導熱油加熱方式，其中直接加熱井筒又分為空氣加熱以及直接加熱，輔以溫度傳感器實時進行溫度調節。

圖4 井下工具試驗裝置溫度壓力變化圖

3 裝置結構設計發展現狀

在配合井下工具溫度壓力等級進行檢測手段升級的同時，面對批量工具性能檢測的效率提升問題，不同的企業及機構也做出了不同的探索。

2014 年，勝利油田分公司專門針對套管外封隔器研發了一套模擬試驗裝置[24]（見圖5），額定壓力30 MPa、額定溫度180 ℃。主要由模擬井下裸井井眼的模擬井筒、加熱系統、測控系統和加壓系統組成。模擬井眼尺寸范圍為φ198 mm 至φ350 mm，兼容139.7 mm 及177.8 mm 的裸眼井眼的尺寸。

圖5 勝利油田套管外封隔器模擬試驗裝置[24]

遼河油田分公司鉆采工藝研究院于2016 年設計了一款針對壓縮式封隔器膠筒的檢測裝置[25]，該裝置檢測膠筒性能，不需要將膠筒裝配于封隔器，便可在指定的壓力及溫度條件下判斷膠筒密封狀況，得到各種型號和規格的壓縮式封隔器膠筒使用中的壓縮距、承壓能力等關鍵參數。該裝置通過液壓泵與中心管相連，施加一定壓力，使活塞向左運動，同時剪斷剪切銷釘，帶動活塞桿、推桿和擋環，使膠筒壓縮并坐封。內部設置開口測量環，隨推桿一同下行，在膠筒解封后，可直接根據測量環的行走距離量取膠筒壓縮距。

2020 年，清華大學摩擦學國家重點實驗室郭飛、溫天政等設計研制了一種封隔器膠筒密封性能試驗裝置[26]（見圖6），可模擬稠油熱采井開采時井下350 ℃、20 MPa 的施工情況。該裝置主要由高壓泵、加熱裝置、水活塞、套筒模擬裝置、壓力表、測溫儀組成。該裝置的主要部件為套筒模擬裝置，膠筒放置于內缸套中，套筒壓套配合水活塞，對膠筒進行加壓，外缸套底部與內缸套配合，形成下部環空。下方介質注入口通入環空腔體，用于注入水、油等介質。加熱套設置于外缸套外側，可加熱保溫至350 ℃。

圖6 封隔器膠筒密封性能試驗裝置[26]

2021 年，中國石油大學研發了一套封隔器膠筒高溫密封性能試驗裝置[27]（見圖7），專門針對封隔器膠筒的高溫性能測試，由試驗筒、加熱系統、溫控系統、液壓動力源、水壓系統五個部分組成。其中核心部件是試驗筒，筒內裝有芯軸，可以模擬井下工具的中心管。因封隔器膠筒分為擴張式及壓縮式，故該試驗裝置也據此做了區分設計，擴張式膠筒芯軸內置水眼，上部有針型閥，可在壓力達到預定壓力時手動關閉。壓縮式膠筒通過液壓缸對膠筒施加載荷坐縮膠筒，實現坐封。該裝置使用電阻帶與導熱油結合的加熱方式、輔以液壓及水壓加載設計。測試擴張式封隔器膠筒通常裝配1 只，壓縮式通常裝配3 只。經測驗，該設備可方便快捷地對膠筒進行性能測試，可大幅節省試驗時間。

圖7 封隔器膠筒高溫密封性能試驗裝置[27]

除了針對密封件的專用裝置之外，試驗系統的結構也有針對加溫系統的專項研究改進。2020 年，陜西能源技術學院的張建華等設計了一種具有內外循環功能的熱風循環與變頻控制裝置[28]（見圖8），在熱風加熱區域，設有導流筒，分隔了加熱器與高壓釜質檢的環形區域。使熱氣流具有內外風道，可通過電動閥門切換方向，分別實現內循環加熱、外循環降溫兩種功能。該裝置內部為高壓釜，溫度檢測元件設置于其內外壁，由變頻控制系統控制；其外即是熱風循環系統，利用該內外循環的加溫、降溫方式，可以較快速度對釜內試驗介質的溫度進行升降，對于普通空氣加熱的方式有較大改善，且可有效提高電熱風利用率，節電效果好。

圖8 熱風循環與變頻控制裝置[28]

以上分析了2009 年以來國內各大油田所研發的高溫高壓試驗裝置以及關鍵部件檢測機構的發展，其主要提升在于溫度及壓力等級。該裝置的核心在于溫度、壓力及拉壓載荷控制機構的設計。目前加熱裝置主要分為三種形式，分別為外部循環加熱、直接加熱以及空氣加熱[29]。外部循環加熱主要采用導熱油加熱，導熱油加熱系統較為安全環保，且使用成本較低，但溫度控制能力較差；直接加熱主要將如電阻絲之類的電熱元件包覆于試驗井筒外，直接對井筒進行加熱，此種方式加熱效率較高，保溫性能較好，溫度控制較為精準；空氣加熱為利用高溫高壓加熱空氣后將空氣循環至井筒外壁，通過空氣加熱井筒；目前國內試驗裝置較多采用直接加熱或導熱油加熱，而蒸汽加熱或空氣加熱方式則效率較低，使用成本高[30]，故使用較少，試驗系統溫度一般可達到200 ℃以上。多數系統可適配多種規格的套管尺寸，可測試不同尺寸的井下工具序列。套管更換有多種方式，工具的井下動作模擬多使用多功能試驗機進行，可同時實現軸向拉壓及扭轉等動作。

未來，試驗系統的溫度及壓力等級將會進一步提高，適應性也會更廣，能夠更好地模擬井下實際工況，溫度壓力的控制精度會更為精確。與此同時，為了更高的試驗效率，加熱裝置的溫度升降速度將進一步加快。

4 結論與建議

高溫高壓試驗系統對于井下工具的研發制造來說不可或缺，能夠有效地提升工具的研發效率和可靠性。在綜合性大型模擬試驗之外，將出現更多對于膠筒、密封圈等密封件的專用試驗設備，將密封件性能檢測與工具性能試驗進一步區分，從細化到單一尺寸標準件的檢驗工具到極具綜合性的大型試驗設備，將是日后試驗檢測設備研究的兩個方向。