油田井下鉆具測試系統(tǒng)建造方案

李 輝，尚 鑫，祝普慶，柳明義

（渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

隨著鉆井及采油工藝技術(shù)的不斷更新升級，需要大量的井下鉆具及采油工具支撐，也就有大量的井下鉆具應(yīng)用到油田鉆井及采油過程中。目前我國在新型螺桿鉆具的研發(fā)方面有一定的技術(shù)基礎(chǔ)，雖然在國際市場上取得了一定成績，具備一定的國際競爭力，但在技術(shù)基礎(chǔ)理論研究和實(shí)驗(yàn)條件以及科研基礎(chǔ)設(shè)施、鉆具規(guī)格系列、精細(xì)化研究、軟件開發(fā)等方面，與國外知名氣舉研究機(jī)構(gòu)相比還有顯著差距。

借鑒國外同類系統(tǒng)的規(guī)劃方案，結(jié)合我國目前現(xiàn)場螺桿鉆具應(yīng)用情況以及后期新工藝的擴(kuò)展，確定螺桿鉆具及井下工具綜合測試系統(tǒng)建造方案。該系統(tǒng)能夠?yàn)楹笃诼輻U鉆具等系列研發(fā)、改進(jìn)升級提供有力保障，進(jìn)行現(xiàn)場工況模擬可靠性評估，為油田安全生產(chǎn)做有力保障。

1 測試系統(tǒng)用途

針對鉆井螺桿鉆具等系列產(chǎn)品應(yīng)用研究為主，專業(yè)及研究范圍覆蓋鉆井鉆具和井下工具，并能部分開展采油工具試驗(yàn)。具體包括：可視化井下開窗試驗(yàn)，模擬井下完井工具配合關(guān)系，完井工具的定向定位及方位測定；分支井中主、支井眼懸掛定向定位，主井眼密封壓力試驗(yàn)，井下工具拉、壓及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，擴(kuò)孔工具及擴(kuò)孔刀體耐磨性試驗(yàn)，井下工具沖擊振動參數(shù)測定，采油工具試驗(yàn)等。

2 測試總體結(jié)構(gòu)規(guī)劃

各項(xiàng)試驗(yàn)工作的操作主要在多功能試驗(yàn)機(jī)二層平臺上完成，試驗(yàn)裝置地面部分及其井筒可以傾斜0°～90°模擬不同的傾斜地層情況，實(shí)現(xiàn)直井、斜井、水平井中的螺桿鉆具工況實(shí)驗(yàn)。該部分裝置采用液壓或機(jī)械定位，動力系統(tǒng)、泥漿泵、試壓泵、液壓站等設(shè)備集中安裝，為防止噪聲污染在房間內(nèi)安裝隔音設(shè)施；試驗(yàn)室頂部設(shè)有5 t 吊車；電源動力線、控制線、液壓管線、泥漿管線、試壓水管線、壓縮空氣管線等均沿地溝敷設(shè)，需要向二層平臺延伸時應(yīng)穿保護(hù)管；分支井設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)地坑20 m 深，試驗(yàn)井深800 m，配套行吊（表1）。

表1 測試系統(tǒng)總體預(yù)期參數(shù)

實(shí)驗(yàn)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)有：

（2）扭矩≥30 kN·mm，最大拉力>1000 kN，鉆壓200 kN，排量15～50 L/s，最大靜止泵壓100 MPa，滿足分支井鉆進(jìn)、開窗、預(yù)開孔、套管定位定向、重入試驗(yàn)等要求。

（3）模擬彎曲井眼常用螺桿鉆具試驗(yàn)，能夠模擬不同井斜狀況。

模擬井溫度為常溫，泵壓35 MPa（小排量100 MPa、僅限以下井筒），井筒尺寸為，實(shí)驗(yàn)架的其他技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)架技術(shù)參數(shù)

3 測試組成部分設(shè)計(jì)

3.1 多功能實(shí)驗(yàn)機(jī)

（1）加載機(jī)構(gòu)：主要是向?qū)嶒?yàn)工具施加拉壓載荷，動力水龍頭上下移動實(shí)現(xiàn)力加載，通過加載主液缸及鏈條增程機(jī)構(gòu)帶動水龍頭總成。可以避免兩液缸加載的實(shí)驗(yàn)機(jī)兩缸運(yùn)動不同步的難題，既可保證雙向加載又可實(shí)現(xiàn)較長加載行程。實(shí)驗(yàn)機(jī)采用單柱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更為簡單，操作更為方便，傾斜更易實(shí)現(xiàn)。

（2）旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：部分功能相當(dāng)于石油鉆機(jī)動力水龍頭，實(shí)驗(yàn)機(jī)雙向水龍頭需要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)工具系統(tǒng)的拉力及壓力，為此在雙向水龍頭設(shè)計(jì)上增加了兩只主推力軸承，水龍頭旋轉(zhuǎn)靠交流變頻電機(jī)（液壓馬達(dá)）產(chǎn)生動力，為實(shí)驗(yàn)鉆柱旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。

（3）井口夾緊裝置：實(shí)驗(yàn)工具在進(jìn)行拉壓扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時，由夾緊裝置卡住井口，承受實(shí)驗(yàn)載荷，使試驗(yàn)機(jī)主加載液缸的拉力、壓力通過水龍頭-鉆柱施加在井口裝置上，實(shí)驗(yàn)機(jī)底座僅承載上部實(shí)驗(yàn)設(shè)備重量。設(shè)計(jì)的夾緊裝置利用兩端夾緊液缸，通過U形卡槽夾緊井口。在井口套管頭部也設(shè)計(jì)有特殊的連接頭，以滿足承受實(shí)驗(yàn)載荷的需要。

（4）實(shí)驗(yàn)井口及管柱系統(tǒng)：可實(shí)現(xiàn)多種常用尺寸規(guī)格的套管懸掛，可完成″范圍內(nèi)任意雙層套管規(guī)格組合，實(shí)現(xiàn)雙層套管環(huán)空，形成正反循環(huán)通道。實(shí)驗(yàn)管柱井口裝置由套管頭和四通組成，內(nèi)部通道設(shè)計(jì)為3 層管柱密封，可完成實(shí)驗(yàn)液體兩個密閉循環(huán)通道，功能主要有3 個：①鉆井液由實(shí)驗(yàn)管柱內(nèi)通道進(jìn)入，從內(nèi)層套管與實(shí)驗(yàn)管柱形成的通道內(nèi)返出，形成循環(huán)；也可實(shí)現(xiàn)反循環(huán)；②鉆井液由內(nèi)層套管內(nèi)通道進(jìn)入，從內(nèi)層套管與外層套管形成鉆井液循環(huán)通道內(nèi)返出，形成循環(huán)；也可實(shí)現(xiàn)反循環(huán)；③套管頭和四通均采用法蘭連接，法蘭端面通過金屬墊環(huán)密封，耐壓可達(dá)35 MPa 以上。為解決多層套管規(guī)格懸掛、密封，形成多種實(shí)驗(yàn)方案需要的鉆井液循環(huán)通道，采用套管頭加變徑接頭的方法。

（5）井口密封裝置：在特殊套管接頭上設(shè)計(jì)有旋轉(zhuǎn)密封裝置，利用特殊的連接光桿，以滿足環(huán)空的密封要求。

（6）傾斜機(jī)構(gòu)：機(jī)架可以傾斜，角度0°～90°；井筒與實(shí)驗(yàn)機(jī)機(jī)架剛性連接，可同時傾斜，角度0～90°；完成模擬0～90°斜直井中工具的試驗(yàn)，也可進(jìn)行相同環(huán)境下的鉆井或修井試驗(yàn)（表3）。

表3 多功能實(shí)驗(yàn)機(jī)技術(shù)參數(shù)

3.2 循環(huán)系統(tǒng)（圖1）

圖1 循環(huán)系統(tǒng)原理

為模擬鉆井的泥漿循環(huán)過程，設(shè)計(jì)泥漿循環(huán)系統(tǒng)為正反循環(huán)流程（圖1）。

（1）正循環(huán)實(shí)驗(yàn)方案：泥漿循環(huán)罐→高壓鉆井泵→泥漿管匯→高壓閥門組→水龍帶→雙向動力水龍頭→井下鉆柱、螺桿鉆具等→套管環(huán)空→泥漿回流管→泥漿處理器器→泥漿罐。

（2）反循環(huán)實(shí)驗(yàn)方案：泥漿循環(huán)罐→高壓鉆井泵→泥漿管匯→高壓閥門組→環(huán)空→鉆柱、井下工具等→雙向動力水龍頭→泥漿回流管→泥漿處理器器→泥漿罐。

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各通道中鉆井液的正反循環(huán)、加壓，并達(dá)到鉆井工具、螺桿鉆具、井下工具等的實(shí)驗(yàn)需求工藝流程要求，實(shí)驗(yàn)流程儀器、儀表的測量精度應(yīng)小于1%。另外，需選用兩臺400 型水泥車泵（額定功率400 kW，額定壓力35 MPa，最大排量40 L/s）。

3.3 動力系統(tǒng)

電機(jī)工作在基頻以下為恒扭矩輸出，基頻至最高頻率為恒功率輸出，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)無級變速，調(diào)速范圍寬，還可以極低速度恒扭矩輸出，使電機(jī)的短時增矩倍數(shù)達(dá)到1.15～2.00 以上，大大提高裝置的提升能力和處理事故能力。由于具有恒功率、寬調(diào)速的特性，機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大簡化，交流變頻技術(shù)對電機(jī)具有安全保護(hù)功能，負(fù)載功率因數(shù)接近于1，具有軟啟動性能，可以降低供電電源的容量。

3.4 測控系統(tǒng)

采用嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，內(nèi)置大容量硬盤及多種通信接口，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，預(yù)裝MCSG 工業(yè)組態(tài)軟件，避免計(jì)算機(jī)病毒感染。應(yīng)用組態(tài)軟件編制系統(tǒng)操作界面，采用動畫的形式模擬試驗(yàn)裝置的各個系統(tǒng)，并動態(tài)顯示試驗(yàn)的各個過程、步驟。試驗(yàn)過程的各個過程、步驟可單獨(dú)進(jìn)行，也可根據(jù)需要進(jìn)行聯(lián)動，裝置操作采用手動/自動切換的方式。操作臺采用觸摸屏式，操作靈活、方便，采用多點(diǎn)、多工位同步操作、控制的方式。

3.5 實(shí)驗(yàn)管柱起放及加載（拉壓）系統(tǒng)

（1）實(shí)驗(yàn)管柱起放功能：實(shí)現(xiàn)被試螺桿鉆具及輔助管柱的放入和起出。

（2）上卸扣系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)被試螺桿鉆具及鉆桿、套管的上卸扣。

（3）實(shí)驗(yàn)加載（拉壓）系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中對被實(shí)驗(yàn)螺桿鉆具、設(shè)備、管柱的提升、下壓、旋轉(zhuǎn)以及實(shí)驗(yàn)臺架本身的行走，同時滿足井口對中要求。

4 結(jié)束語

隨著工業(yè)新技術(shù)更新周期的縮短，人才缺乏、技術(shù)落后、自主創(chuàng)新能力低的企業(yè)，在激烈的市場競爭中必將受制于人。為縮小差距、趕超國際先進(jìn)的螺桿鉆具等鉆井及采油井下工具技術(shù)，應(yīng)盡快建成功能完善的井下鉆具測試系統(tǒng)，一方面為后期井下鉆具系列化研發(fā)、改進(jìn)升級提供有力保障；另一方面也有助于新型螺桿鉆具進(jìn)入現(xiàn)場應(yīng)用前，在廠內(nèi)測試系統(tǒng)內(nèi)完成全面的功能性及可靠性測試，確保油田安全生產(chǎn)。