井下工具測(cè)試系統(tǒng)研制

閆志遠(yuǎn) 張洪楠 陳安安

1. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452

2. 中國(guó)海洋石油有限公司天津分公司 天津 300452

海上油氣田對(duì)井下工具性能和可靠性要求極高，而耐高溫高壓井下工具的極限性能測(cè)試手段嚴(yán)重缺乏，無法驗(yàn)證研發(fā)工具的功能和可靠性。國(guó)內(nèi)外同類型測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均較為復(fù)雜，投資均超過千萬元，經(jīng)濟(jì)性不滿足要求。目前國(guó)內(nèi)尚無達(dá)到370℃高溫條件下的高壓試驗(yàn)設(shè)備。國(guó)內(nèi)外同類設(shè)備均為豎直井筒，無法模擬大位移井、水平井的井下工況[1]。此外，獲得國(guó)際認(rèn)證（API美國(guó)石油學(xué)會(huì)）是產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的必備條件。

本文面向工程應(yīng)用，針對(duì)高溫高壓井下工具測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了一套水平放置式高溫高壓測(cè)試系統(tǒng)。

1 測(cè)試系統(tǒng)的整體技術(shù)參數(shù)

（1）測(cè)試介質(zhì)：耐高溫液壓油/氮?dú)猓唬?）測(cè)試溫度和壓力：220℃/105MPa；370℃/35MPa；（3）最大軸向載荷：1300kN；最大軸向行程：1.2m；（4）最大扭矩：15kN·m[2]；（5）適用井筒規(guī)格：9-5/8”、7-5/8”、7”、5-1/2”；（6）井筒有效長(zhǎng)度：6m。

2 測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)方案

2.1 整體布局

將力加載裝置、井筒支撐座、升溫裝置、氣液泄漏檢測(cè)系統(tǒng)及附屬部件集成于安全防護(hù)箱（45H）中；將空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、冷干機(jī)、過濾器及附屬部件集成于設(shè)備集裝箱（20尺）中；將遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、人員操作空間等集成于控制集裝箱（20尺）中。測(cè)試系統(tǒng)整體布局如圖1所示。

2.2 安全防護(hù)箱

（1）安全防護(hù)箱尺寸參考 45H高柜集裝箱，箱體防護(hù)鋼板選材為Q235，三層防護(hù)厚度為15mm。箱體內(nèi)側(cè)安裝鋼制防護(hù)模塊，每個(gè)模塊獨(dú)立安裝，當(dāng)有損壞時(shí)，可將損壞的模塊更換。

（2）安全防護(hù)箱底部鋪設(shè)導(dǎo)軌，箱體外鋪設(shè)外延導(dǎo)軌，外延導(dǎo)軌和箱體中的導(dǎo)軌良好對(duì)接，便于井筒支撐臺(tái)架進(jìn)出防護(hù)箱，導(dǎo)軌長(zhǎng)度滿足被測(cè)試工具串在防護(hù)箱外安裝的要求，并可至少承載15t的重量。

（3）安全防護(hù)箱的底部安裝收集裝置，用于儲(chǔ)存作業(yè)完成后的測(cè)試介質(zhì)，并可通過泵將過濾凈化后的測(cè)試介質(zhì)循環(huán)至該裝置。該裝置的尺寸為13000mm*2400mm*200mm。

（4）安全防護(hù)箱頂部安裝一套起吊重量為2t的電動(dòng)葫蘆和一套起吊重量為2t的手動(dòng)葫蘆，兩套起吊裝置的移動(dòng)距離可以覆蓋整個(gè)箱體的長(zhǎng)度和寬度方向90%空間。

（5）安全防護(hù)箱的兩端設(shè)置設(shè)備進(jìn)出門，側(cè)面設(shè)置逃生門。箱體的門禁系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)操作模式和手動(dòng)操作模式。在自動(dòng)操作模式下，實(shí)現(xiàn)試壓泵和門的聯(lián)動(dòng)控制，確保試件及管線中無壓力才能將門打開，如門未完全關(guān)閉，則無法啟動(dòng)試壓泵，門一旦被打開，試壓系統(tǒng)立即進(jìn)行泄壓，并且防護(hù)箱安裝有整套設(shè)備的急停按鈕，試壓一旦開始，警報(bào)閃光燈開始工作，發(fā)出警示。在手動(dòng)操作模式下，門禁及警報(bào)系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需求選擇開啟。

（6）箱體全天候防雨、防塵，箱體內(nèi)部地面要防滑，并有排水功能。箱體內(nèi)安裝空調(diào)和照明設(shè)備，箱體頂部安裝換氣通道，外側(cè)設(shè)置鋼制梯子。箱體內(nèi)外表面進(jìn)行噴砂噴漆處理，噴砂等級(jí)至少為Sa2.5 級(jí)，內(nèi)外表面噴涂海洋船用專業(yè)油漆。

2.3 增壓系統(tǒng)

2.3.1 油增壓系統(tǒng)

（1）測(cè)試介質(zhì)：耐高溫液壓油。（2）可為規(guī)格為9-5/8″、 7-5/8″、 7″、5-1/2″且有效長(zhǎng)度為6m的試驗(yàn)井筒提供155MPa的工作壓力。（3）可將測(cè)試介質(zhì)中的雜質(zhì)濾出，過濾后的油循環(huán)至油箱重新使用。（4）加壓系統(tǒng)為氣驅(qū)試壓泵，低壓泵比值≥1∶26，流量≥45L/min，高壓泵比值≥1∶270，流量≥4.6L/min，有控制面板，具備階梯保壓功能，階梯可自由設(shè)定，高壓油各2路，可自動(dòng)切換。（5）壓力測(cè)試傳感器精度≤±0.25% F.S；壓力控制精度≤±1% F.S；壓力表顯示精度≤±0.5% F.S，壓力顯示方式為壓力表（現(xiàn)場(chǎng)）+顯示器實(shí)時(shí)顯示（遠(yuǎn)程控制臺(tái)）。（6）配預(yù)充泵，可預(yù)充耐高溫液壓油，以縮短試驗(yàn)時(shí)間。（7）元器件、高壓閥門的設(shè)計(jì)壓力是最高工作壓力的1.3倍，且保證各高壓密封連接部位可反復(fù)拆卸、密封性能穩(wěn)定可靠［3］。

2.3.2 氣增壓系統(tǒng)

（1）測(cè)試介質(zhì)為氮?dú)?，氣源為氮?dú)馄拷M。（2）設(shè)備可為規(guī)格為9-5/8″、 7-5/8″、 7″、5-1/2″、有效長(zhǎng)度為6m 的試驗(yàn)井筒提供100MPa的工作壓力。（3）增壓系統(tǒng)采用分級(jí)增壓，初級(jí)增壓采用整機(jī)原裝進(jìn)口高壓空壓機(jī)，且有控制面板，具備階梯保壓功能，階梯可自由設(shè)定，高壓氣2路，可自動(dòng)切換，達(dá)到100MPa的增壓時(shí)間≤90min。（4）壓力測(cè)試傳感器精度≤±0.25%F.S；壓力控制精度≤±1% F.S；壓力表顯示精度≤±0.5% F.S，壓力顯示方式為壓力表（現(xiàn)場(chǎng)）+顯示器實(shí)時(shí)顯示（遠(yuǎn)程控制臺(tái)）；（5）元器件、高壓閥門的設(shè)計(jì)壓力是最高工作壓力的1.3倍，且保證各高壓連接部位可反復(fù)拆卸、密封性能穩(wěn)定可靠[4]。

2.4 模擬井筒

模擬井筒是整套測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其主要功能是為井下工具提供密閉的高溫、高壓空間，真實(shí)模擬井下環(huán)境。優(yōu)選4130M材料進(jìn)行制造，9-5/8″模擬井筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.5 測(cè)試臺(tái)架和力加載系統(tǒng)

2.5.1 測(cè)試臺(tái)架

測(cè)試臺(tái)架由底座、模擬套管支座、軸向拉壓設(shè)備和扭轉(zhuǎn)加載機(jī)構(gòu)等組成。采用軸向拉壓加載內(nèi)力平衡結(jié)構(gòu)，即軸向加載力在套管首部支座內(nèi)部、加載液壓缸內(nèi)部平衡，不涉及相連接的導(dǎo)軌和試驗(yàn)臺(tái)架框架[5]。另外，扭轉(zhuǎn)加載時(shí)扭矩通過鑲嵌在槽軌內(nèi)的4個(gè)軸承平衡，扭矩不會(huì)作用在軸向加載液壓缸的伸出桿上有效保護(hù)了液壓缸。液壓缸的安裝選擇了缸體鉸軸、桿頭耳環(huán)的形式，避免了對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架制造過高的加工與裝配精度要求，且受力更加合理，對(duì)液壓缸起保護(hù)作用。

配置了試驗(yàn)臺(tái)架移動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，采用鏈傳動(dòng)解決多個(gè)滾輪同步運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)問題，便于試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)出集裝箱。采用C形過渡板以便匹配不同外徑模擬套管的安裝需求。井筒支撐臺(tái)架在導(dǎo)軌上移動(dòng)時(shí)可以鎖定位置。

2.5.2 軸向力加載系統(tǒng)

①軸向力加載裝置可將軸向載荷轉(zhuǎn)化為加載裝置和井筒之間的內(nèi)力，該裝置的軸向加力桿配有連接服務(wù)工具的鎖緊抱箍；②加載油缸可提供最大軸向載荷：1300kN；③油缸行程：0～1200mm；油缸工作壓力為0～35MPa；④載荷傳感器量程：0～2000kN，精度等級(jí)為±0.2%（FS）。

2.5.3 扭矩加載系統(tǒng)

①可提供最大扭矩：15kN·m；②扭矩調(diào)整范圍1～15kN·m；③扭矩傳感器量程：20kN·m；精度等級(jí)：±0.2%（FS）。

2.6 加溫系統(tǒng)

（1）加溫系統(tǒng)適用于9-5/8″、 7-5/8″、7″、 5-1/2″四種規(guī)格試驗(yàn)井筒，可實(shí)現(xiàn)最高工作溫度370℃，額定電壓為380V，50Hz，功率≥25kW，升溫速率60～90℃/h，達(dá)到最高工作溫度時(shí)間≤4.5h。

（2）加溫系統(tǒng)和溫度傳感器覆蓋整個(gè)待測(cè)試工具的長(zhǎng)度，加溫系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)被加熱工具溫度的相對(duì)穩(wěn)定，通過溫度控制儀實(shí)現(xiàn)溫度精準(zhǔn)控制。為減少熱量散失，提高升溫速度，加熱系統(tǒng)外部采用絕熱保溫層進(jìn)行包覆。同時(shí)工具測(cè)試過程中進(jìn)行溫度循環(huán)時(shí)，可通過降溫裝置實(shí)現(xiàn)快速降溫。

2.7 氣液泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

（1）氣液泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)能力要達(dá)到API 11D1 V6～V0全部等級(jí)的設(shè)計(jì)確認(rèn)試驗(yàn)的要求。

（2）V0等級(jí)試驗(yàn)時(shí)，在大氣壓狀態(tài)下，使用氣泡檢測(cè)儀對(duì)泄漏出的氣泡進(jìn)行檢測(cè)，并通過控制系統(tǒng)可對(duì)氣泡檢測(cè)儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如氣泡數(shù)量、出現(xiàn)氣泡時(shí)間以及氣泡持續(xù)的時(shí)間等。V2～V1等級(jí)試驗(yàn)時(shí)，氣體泄漏的檢測(cè)是在大氣壓下通過觀察量杯中水的體積來計(jì)算泄漏氣體的體積。此外，配置氣體流量計(jì)，測(cè)量精度達(dá)到0.1m3/min，以通過時(shí)間和流量來計(jì)算氣體泄漏量）。V6～V3液體泄漏的檢測(cè)是通過觀察被測(cè)試腔體中壓降的變化來判斷。

2.8 控制和監(jiān)控系統(tǒng)

2.8.1 硬件方面

①系統(tǒng)由配電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集裝置、操控裝置、視頻監(jiān)控等部分組成，控制臺(tái)采用雙工位電氣框架，一個(gè)工位用于壓力、軸向力、扭矩的加載控制，另一工位用于視頻監(jiān)控，且便于作業(yè)人員操作。②系統(tǒng)功能鍵的設(shè)置與測(cè)試工藝對(duì)功能的要求一致，并可將測(cè)試過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)配有激光打印機(jī)，可隨時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)文檔進(jìn)行打印。③視頻監(jiān)控系統(tǒng)須由試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控（攝像頭）及監(jiān)控顯示（顯示器）兩部分組成，對(duì)作業(yè)的監(jiān)控可覆蓋整個(gè)測(cè)試區(qū)域，無監(jiān)控盲區(qū)，對(duì)泄漏點(diǎn)的觀測(cè)無需操作人員進(jìn)入高壓現(xiàn)場(chǎng)。

2.8.2 軟件方面

①軟件功能設(shè)置與測(cè)試工藝流程匹配，并有自動(dòng)保壓、手動(dòng)/自動(dòng)泄壓、有過壓保護(hù)、自動(dòng)啟/停機(jī)、分級(jí)打壓、每級(jí)獨(dú)立保壓、壓力設(shè)置、故障報(bào)警等功能，可實(shí)時(shí)顯示測(cè)試壓力，記錄壓力數(shù)據(jù)，可繪制壓力曲線，有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，在斷電情況下可將數(shù)據(jù)自動(dòng)保存。②軟件能監(jiān)測(cè)安全門發(fā)出的信號(hào)，如安全門開啟，無法進(jìn)行加壓，并自動(dòng)觸發(fā)聲光報(bào)警，只有安全門完全關(guān)閉后才能進(jìn)行測(cè)試。

3 結(jié)束語

本水平放置式高溫高壓井下工具測(cè)試系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）整套設(shè)備技術(shù)性能完全滿足《API Spec 11D1-2015石油天然氣工業(yè)-井下工具-井下工具和橋塞》測(cè)試要求，亦可用于其他井下工具的測(cè)試。

（2）區(qū)別于國(guó)內(nèi)外同類設(shè)備建造地面下沉式試驗(yàn)坑的傳統(tǒng)思路，設(shè)計(jì)特種安全防護(hù)箱作為地面試驗(yàn)安全防護(hù)設(shè)施，大幅降低了試驗(yàn)設(shè)施基建要求，且安全防護(hù)效果更好。

（3）整套設(shè)備為水平式放置，可更好地模擬大位移井、水平井中井下工具的工況。

（4）優(yōu)選高溫高壓試驗(yàn)井筒材料，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用了循環(huán)水冷卻設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了370℃高溫條件下的高壓油、氣密封。

（5）高壓測(cè)試井筒360°安全防護(hù)，測(cè)控系統(tǒng)完全遠(yuǎn)程控制，測(cè)試過程安全性高。整套設(shè)備在測(cè)試過程中沒有廢液排放，節(jié)能環(huán)保。