井下工具試驗裝置的設計分析

張建(中石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)

井下工具試驗裝置的設計分析

張建(中石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)

井下工具試驗裝置是油氣田開采井下設備制造實驗室工作模擬的基礎設備，通過井下工具試驗裝置的利用，我們能夠有效的模擬出井下工具的井下工作環境，為井下工具的改進和應用提供幫助。本文針對井下工具試驗裝置的設計進行分析，為井下工具試驗裝置的設計和建設提供參考資料。

井下工具；試驗裝置；設計分析

油氣資源作為世界上最主要的化石能源，對人類的發展和進步起著至關重要的作用。我國作為發展中國家，對油氣資源有著高度的依賴。近年來，隨著經濟的發展我國油氣資源開采技術得到了快速的發展，井下工具也經歷了多次更新換代。井下工具試驗裝置作為模擬現場工況，對工業性試驗樣機進行實驗室試驗的有效方法，為我國油氣開采技術的發展提供了極大的幫助。

1 井下工具試驗裝置的設計原則

井下工具試驗裝置需要在實驗室對井下條件進行模擬，由于井下工作條件比較復雜多變，因而井下工具實驗室試驗對井下工具實驗裝置也有較高的要求，這些要求包括：

1.1 可靠性高

井下工具試驗需要模擬井下復雜的地層壓力以及各種應力，試驗裝置為了能夠更好的模擬井下條件，因此對試驗裝置的設計和建造有很高的要求，其中最基礎的一點要求就是要在安全可靠的前提下實現對井下環境的模擬，因此，實驗裝置在設計時必須時刻把裝置的質量放在第一位，確保井下實驗裝置的可靠性。

1.2 可維護性原則

井下設備實驗室試驗裝置系統復雜，設計和建造成本都很高，因此在進行設計時我們要盡可能方便裝卸、方便維修，以提升實驗裝置的使用壽命和實用性。

1.3 靈活性原則

油氣開采過程中，井下的工作條件復雜多變，為了實現對復雜的井下環境的模擬，在進行井下試驗裝置設計時，一定把握好靈活性原則，盡量使井下實驗裝置實現模塊化，給井下設備試驗裝置提供升級改造的空間，以滿足不同井下設備的試驗要求。

1.4 實用原則

井下工具在制造過程中，需要進行大量的系統試驗，為了方便試驗的高效、快速開展，我們在井下工具試驗裝置設計時應盡量采取成熟的結構，力求簡單實用。

2 加載系統試驗裝置設計分析

加載系統是井下設備實驗室試驗中最常用的一類設備，通過加載設備我們能夠模擬出設備在井下所受到的各種拉力、壓力、扭力等受力情況，從而為井下設備的設計和應用提供數據參考。目前加載系統試驗裝置主要是由一臺多功能試驗機和輔助設備組成，能夠將現場的拉力、壓力和扭力等荷載集中在一起，對設備進行測試。一般加載系統包括拉壓加載機構、旋轉加載機構、井口夾緊裝置、傾斜機構等構成。拉壓加載機構是通過液缸帶動動力水龍頭上下移動實現對試驗設備的拉壓加載。旋轉加載相當于鉆機上的動力水龍頭，這個動力水龍頭是雙向的，可以承受雙向力。井口夾緊裝置是在試驗機底座上設計特殊的夾緊裝置卡住井口，并承受試驗荷載的返利，并使試驗機底座處僅承受試驗裝置的重力。傾斜機構可以將多功能試驗機架設計成可傾斜0～90°的夾角，從而模擬井下工具的受力環境。

3 試驗進口、井身系統及循環介質密封設計分析

3.1 試驗井口系統

試驗井口系統通常利用套管頭和四通，設計成3層管柱密封系統，實現試驗液體的2個密封循環通道，從而滿足不同設備的試驗需求。采用試驗井口系統的不同組合，我們能夠實現對管內、管壁的密封性進行試驗，套管頭和四通一般采用法蘭相連接，端面用墊環密封，采用套管頭加變徑的方法實現各種需要的循環通道，實現對井口的測試。

3.2 井口與管柱的密封

管柱是油氣開采的重要機構，也被稱為井身，是放置井下工具的空間，因此管柱與井口的密封測試對于保證油井的安全十分重要。為了實現對井口與管柱密封的測試，我們在井口上設計特殊的旋轉密封裝置，并在試驗管柱的上不用連接光桿實現密封，保證管柱旋轉時試驗介質始終處于密封的狀態，為了模擬井下工具的實際工作環境，我們還會對井身的直徑、長度、傾斜度等參數進行試驗。

4 循環系統試驗裝置設計分析

實現對井下循環系統的試驗，我們首先要分析井下循環系統的工作原理。一般來說，井下循環系統循環程序如下（圖一）所示。

（圖一）井下循環系統循環流程圖

分析好井下循環系統的流程，我們就要進行泵和循環管線的選擇，為了滿足試驗中不同流量和泵壓，可以選組合泵。循環管線要盡量減少彎頭和變徑，并保證直井足夠大，降低泵的功率消耗。為了保證試驗所需的各種流量，泵的驅動可以選擇變頻電機。

5 其他模擬工況系統設計分析

在實驗室井下裝置模擬設備的基礎上增加一些輔助設備，我們還能夠完成鉆井、完井、采油等多種工況下的工具試驗。比如說利用井下試驗裝置能夠模擬地層傾斜，并通過裝置的環境模擬傾斜直至水平狀態下工具的工作狀況和鉆采工藝，進行鉆井液攜帶巖屑設宴、管柱下入和起出試驗等。除此之外，利用加溫裝備，還能夠模擬地層高溫狀態，甚至模擬完井的工作狀況。井下工況模擬應用廣泛，還能夠模擬開采技術試驗、分層開采試驗、落物打撈試驗等，并利用各種演示模擬出人工井底或井壁，供模擬鉆頭工作狀況、模擬取芯等工作。

綜上所述，井下工具試驗裝置是一套系統的、復雜的、功能多樣的裝置，我們在進行井下工具試驗裝置的設計和建造時一定要考慮好井下工具在工作時面臨的各種工作環境，并以可靠、可維護、靈活、實用為原則進行設計，只有這樣，才能夠實現對井下環境的有效模擬，為我國油氣田開采技術的發展提供助力。

[1]尚春民,張東梅,張心明,范景峰.井下工具水浸試驗系統研究[J].石油機械.2012(07).

[2]楊宇,王佳.水平井井下工具模擬試驗裝置液壓系統設計方案分析[J].湖南農機.2012(03).

張建（1988-），男。遼寧省臺安縣人。助理工程師本科主要從事機械設計工作