石油工具高溫高壓試驗裝置不同升降溫方式的應用研究

張蔚紅1，鄧小強2，張文2

(1.陜西能源職業技術學院，陜西 咸陽 712000； 2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司，陜西 西安 710021)

隨著油氣田的勘探和深入開發，地層內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、作業風險高，在國內各大油田占比達到40%以上[1-2]，這對試油、完井、射孔、測井等井下作業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工具入井工作前，必須進行耐溫耐壓性能檢測試驗，驗證材料強度與結構設計的合理性和應用可靠性，為新產品設計制造和批量生產提供可靠依據[3]。

高溫高壓模擬試驗裝置的升降溫系統，目前國內外各石油單位主要采用的有導熱油、電熱風、中頻電磁感應三種加熱換熱方式，且以導熱油換熱方式為主[4-5]。近年來，隨著加熱控制技術的不斷進步，在節能、環保、安全政策推動引導下，新建高溫高壓試驗裝置逐步采用電熱風和電磁熱，也有部分用戶對導熱油方式進行替代革新，實施項目改擴建[6]。筆者根據三種加熱換熱方式在不同功能需求的試驗裝置建設項目上應用經驗和體會，在介紹高溫高壓模擬試驗裝置的功能與組成的基礎上，從加熱原理、設備組成、建設投資、運維管理、應用效果、實現條件等方面，對比分析三種加熱換熱方式的優勢劣勢，總結實施技術要點，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功能需求

高溫高壓模擬井筒試驗裝置，對應用于井下的各類石油工具儀器的工作性能，進行可靠性與穩定性測試。常見的測試試驗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，不同應用類別的待測儀器工具，對高溫高壓模擬試驗裝置的結構和功能需求有所區別[7]。

1.1 儀器類用高溫高壓釜

用于實現錄井、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、旋轉柔性短節、偏心器、導向膠錐等輔助作業工具，必須對其進行耐溫耐壓性能的基本環境測試。這類儀器一般呈細長軸型，平均長度2 m，內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，對地層環境的適應性和可靠性測試要求較高。通常采用高溫高壓釜進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]。高壓釜體內徑可達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試驗介質，實現高溫高壓模擬環境。

1.2 工具類高溫高壓試驗裝置

用于注水、壓裂等油氣生產過程的諸如封隔器為代表的井下作業工具，在井底高溫高壓環境工作過程中，由于油井井下空間狹小，結構形式和運動方式復雜，長期承受拉伸、壓縮、扭轉、彎曲、外擠和內壓等不同形式的復雜載荷作用，井下工具必須具有良好的工作性能和穩定的可靠性。井下工具模擬試驗裝置，試驗溫度150 ℃、壓力120 MPa，比測井儀器類溫度壓力要求低，但試驗過程中工具除承受溫壓環境外，還承受外在的拉壓扭載荷，一般采用單次單個的試驗方式進行測試[9]。承壓裝置一般采用5 m左右的油套管，設置表層、試驗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，配合井口裝置實現連接和密封，組成高壓套管裝置。通過試驗套管吸收外部導熱油、電熱風或電磁熱熱量，加熱套管內試驗介質。

1.3 器材類高溫高壓試驗裝置

以射孔器為代表的器材類器具高溫高壓試驗，高溫高壓釜要能夠提供保持井筒內額定工作溫度 300 ℃的溫度場，加壓系統能夠提供額定壓力 230 MPa的圍壓、井壓和孔隙壓力，在高溫高壓釜內模擬砂巖靶射孔實驗[10-11]。油氣井聚能射孔器材的高溫高壓性能測試試驗，通過在高溫高壓釜體內部建立高溫高壓試驗環境，采用壓差起爆或電起爆方式進行射孔起爆，外部加溫裝置和加壓裝置進行加熱加壓，檢驗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所產生的全部沖擊壓力，這對釜體剛度和強度提出較高的要求。

2 石油工具儀器高溫高壓模擬試驗裝置

2.1 模擬試驗裝置關鍵技術指標分析

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

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

(3)溫度、壓力波動：大多數試驗要求，在釜內試驗介質加熱到試驗目標溫度后，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：大多數試驗要求，在保證承壓井筒或高壓釜體承受內外溫差引起的熱應力安全前提下，升溫速度最低滿足≥1.0 ℃/min的要求[12]。

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

(6)安全環保性能：試驗裝置運行要穩定可靠，高溫高壓設備的安全性要重點考慮，盡可能采用節能、環保、安全的升降溫方案。

2.2 試驗裝置設計運行要求

模擬試驗裝置一般應具有全自動和手動兩種模式，能獨立工作或聯合工作，實現單獨升溫或升壓、單獨降溫或降壓、聯合升溫升壓與降溫降壓、關鍵參數比較等多種試驗需求。模擬試驗控制系統，應能夠準確顯示關鍵部位的運行參數，具有超載、超限等異常報警和防止誤操作功能，出現危險試驗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行人工干預。

高溫高壓試驗裝置的設計建造，必須嚴格按照國家壓力容器和特種設備相關法律、法規和標準執行，盡可能采用靈活多變的設備組合方式和成熟的結構形式，保證設備整體運行安全可靠，方便裝卸、維修和維護。工程配置簡單實用為好，方便進行各種試驗工藝及設備改造，滿足不同類型和新型鉆采工具儀器的試驗要求[13]。

2.3 模擬試驗裝置的功能與組成

試驗用高溫高壓模擬實驗裝置，模擬類似地層環境對井下工具儀器耐溫耐壓性能進行檢測試驗，主要由高壓容器、加熱系統、加壓系統、電儀測控系統組成，除此之外還包括視頻監控系統、冷卻系統、空氣壓縮系統等。高溫高壓模擬試驗裝置組成框圖，如圖1所示。

圖1 高溫高壓模擬試驗裝置組成原理框圖

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

2.4 高壓容器與加壓系統

高壓容器是高溫高壓試驗裝置的核心部件，布設方式與測試對象工作狀態一致，豎向地面以下布置，上下密封頭設有工作介質進出口。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計制作高壓試驗井筒，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計有提塞螺栓、提塞法蘭、上螺紋壓環、上密封頭、金屬密封環、上壓緊環、厚壁釜體、下密封頭和下螺紋壓環等，上端部設計快開結構，橡膠O形圈密封，旋轉壓緊螺母就能打開封閉超高壓容器?？筛鶕囼炐枰?，容器內設置內部工裝，通過壓力分隔形成圍壓、井壓和孔隙壓力三相壓力工作環境。圖2為電熱風和導熱油配套的超高壓容器示意圖。

圖2 電熱風加熱原理及組成示意圖和實物圖片

高壓系統實現加壓和卸壓功能，超高壓泵向超高壓容器加注高壓液體實現加壓，通過卸壓閥門排出高壓液體實現卸壓功能。超高壓系統可遠程控制的氣動閥門，系統中設置爆破膜裝置，以確保整個裝置的安全。

3 三種加熱方式原理、特點與實施要點

通過高壓模擬井筒加溫系統，能夠有效提供不同地層深度溫度，實現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。導熱油和電熱風都屬于直接加熱模式，熱風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，熱載體分別是導熱油和熱空氣。本文重點對圖1中虛線框所示的導熱油、電熱風、電磁熱三種常用升降溫方式在高壓試驗裝置上的方案選擇對比分析，總結各自的優劣勢和適用試驗工況。

3.1 導熱油加熱

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

導熱油的熱聚合反應和氧化反應，溫度越高越劇烈，導熱油的高溫結構不穩定性，使導熱油爐容易出現結焦現象，影響導熱油的使用壽命。因此，電加熱導熱油爐的熱介質，一般選用礦物性導熱油，最高使用溫度不宜超過300 ℃，采用氮氣密封，避免空氣與高溫有機熱載體接觸，以減少積碳產生。導熱油換熱具有加熱均勻、控溫準確、傳熱效果好的優點，但存在加熱爐蓄熱量大、易燃易爆、油煙污染大、安全環保性能差的缺點。

3.2 電熱風循環加熱

電熱風加熱系統通過在釜外設導流筒，筒外設環狀加熱帶和保溫筒，實現升溫和降溫功能。電熱風循環系統由離心變頻風機、冷熱風單向閥、變頻控制柜、風量傳感器、管道等組成，包括加熱回路和冷卻回路兩部分，回路的轉換是通過電動三通閥門的切換來實現。加熱和降溫過程中，通過頻率大小控制風機轉速，調節輸出風量、風壓和風速，適時提供循環冷熱空氣，按照試驗工藝曲線進行升降溫。圖2為電熱風加熱原理及組成示意圖和實物圖。

電熱風循環系統通過與外界空氣置換，將試驗容器內的熱量快速帶出。當需要給超高壓容器降溫時，切換、調節電動閥門，將冷空氣與熱空氣置換循環，逐漸實現降溫。風機出風口與外風道聯通，冷風進風口和熱風抽風口均設置在室外，以便換熱。

3.3 中頻感應加熱

利用電磁感應加熱原理，使加熱套管以及其內的導熱介質被加熱，實現井下工具在加熱套管內打壓加熱試驗功能。套管感應加熱裝置，主要由加熱套管、試驗油管、銅管感應加熱線圈、法蘭短節、井口四通、水電接頭、中頻電源等部件組成，試驗油管內注滿清水試驗介質，采用垂直安裝方式，沉坐于豎井的表層套管內。中頻電源配置無功消諧補償裝置，消除電源奇次諧波，提高電網功率因數，感應加熱裝置通過水電接頭、電容器與中頻加熱電源連接，實現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，實現加壓功能來模擬地層壓力。套管中頻加熱裝置、高壓泵加壓系統通過通信接口與中控室集中數據采集監控系統，進行加熱、加壓控制數據交互，實現模擬試驗數據采集和監控功能，一次進行一種或多種規格的封隔器油套壓耐溫耐壓性能測試試驗。圖3為套管中頻感應加熱裝置功能組成框圖。

圖3 套管中頻感應加熱裝置功能組成框圖

中頻感應加熱系統主要由晶閘管中頻電源、溫度閉環控制單元、閉式循環冷卻裝置、電容器、功率控制器、消協補償裝置、感應加熱線圈和輔助裝置組成， 圖4為套管感應加熱系統組成框圖和實物圖。

圖4 感應加熱系統組成框圖和實物圖

套管中頻感應加熱方式，充分利用豎直井試驗套管結構特點，將感應加熱線圈繞制在垂直安裝的帶液試驗套管外壁，發揮電磁感應的集膚效應，以輻射的方式直接加熱試驗井筒，具有加熱速度快，試驗效率高的優點。中頻感應加熱，省去導熱油和電熱風的熱交換環節，能夠按照升溫保溫試驗工藝要求，通過高精度控溫儀表進行精確控制，操作維護簡單，設備一次性投入少，運行管理成本低，安全環保性能好。

4 三種加熱方案應用對比分析

通過前述高溫高壓試驗技術需求和三種換熱方式實施要點的介紹分析，下面從換熱效率、試驗周期、實現條件、投運成本、檢修維護等方面，對導熱油、電熱風和電磁熱進行優劣勢對比總結，同時分析實施技術難點或要點，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

導熱油加熱直接將釜內溫度環境提高，工作方式簡單并且溫度控制容易操作，熱傳效率很高，但需考慮導熱油加熱裝置安裝、高溫環境對導熱油輸送管線控制元件要求、在試驗過程中加壓與加溫流程相互干涉等問題。中頻感應直接加熱方式，能夠將熱能直接作用于加熱對象上，傳熱效率高，溫度控制簡單，但對批量試驗、釜體外徑大、長度大的儀器類試驗不適合。電熱風以高壓容器外的環形空間熱空氣為中間載熱體，高壓容器外設置導流筒通過風道實現內循環，無需專門的換熱裝置，設備配置簡單，加熱冷卻功能切換簡單可靠，試驗效率高，安全環保性相比導熱油大為提高。

5 結 論

本文在介紹高溫高壓模擬試驗裝置的功能與組成的基礎上，從加熱原理、設備組成、建設投資、運維管理、應用效果等方面，總結對比導熱油、電熱風和電磁熱三種加熱換熱方式的優勢劣勢，給出實施要點和適用性選擇建議。在方案選擇過程中，以試驗效率高、節能安全環保、運行穩定可靠為目標，根據具體試驗技術需求選擇合適的加熱換熱方式。電熱風和電磁熱相比導熱油換熱方式在安全、環保、節能方面技術優勢明顯，符合產業發展的要求和發展趨勢，在方案選擇時盡可能推廣應用。