井下工具多功能試驗臺架系統設計

劉傲放，黃志敏，傅 鵬，馬永剛

（1.北京學亦成科技有限公司，北京 102627；2.渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300280；3.上海藍濱石化設備有限公司，上海 201518）

0 引言

隨著國內鉆井采油深度及地層復雜程度的不斷增加，促使生產工藝不斷改進革新，新型鉆井采油工藝所設計開發的井下工具使用更加頻繁及專業。井下工具的現場使用對其可靠性要求極高，在進行現場應用前必須進行全參數地面性能模擬試驗，確保現場使用的安全性及工藝適應性。

1 臺架試驗范圍

（1）膨脹管測試：膨脹管內壓強度試驗、抗外擠變形試驗、管壁摩擦試驗、套管貼補試驗和膨脹擴充試驗及模擬溶洞堵漏試驗等。

（2）沖擊器測試：沖擊器啟動試驗、沖擊器磨損壽命試驗、沖擊破巖效率試驗和參數匹配及結構優化測試試驗等。

（3）固井工具測試：雙級注水泥器的動作試驗、封隔懸掛裝置試驗、膠塞通過試驗及浮箍浮鞋的疲勞試驗等。

（4）新型井下工具測試：技術要求同井下沖擊器試驗和固井工具試驗的技術要求相類似。

（5）臺架具備一定的起升能力和加壓能力，可進行鉆桿和套管的上卸扣，建立高壓正反循環，模擬轉盤鉆進，并通過液壓系統進行控制和操作。

2 臺架系統參數

根據試驗所需的最大技術參數值，確定了多功能鉆井試驗臺架設計參數、結構及配套設備參數。提升載荷：1000 kN；靜加壓載荷：1000 kN；拉壓加載行程：3 m；工作壓力：35 MPa；上卸扣扭矩：20 kN·m；旋轉加壓載荷：400 kN；水龍頭工作轉速：0～120 r/min；水龍頭輸出扭矩：3 kN·m；泥漿泵排量：25～30 L/s；泥漿泵工作壓力：35 MPa；井眼尺寸（直徑／井深）：20/100（in/m）。

3 臺架結構組成及特點

多功能臺架設計有2個井位，1#工具試驗的工作井位，2#鉆桿或套管上卸扣井位。試驗臺架整體可通過液壓缸在軌道上移動，進行不同的操作；上卸扣裝置通過液壓缸也可在臺架底座上移動，需進行上卸扣操作時移至上卸扣井位，平時不工作或安裝井口裝置時可移至底座邊緣，以增大井口操作空間；為保證多功能試驗機在試驗管柱段施加拉壓力不完全作用在車體或外層套管壁上，設計了多功能試驗機井口夾緊液壓缸，當試驗臺架進行工具試驗時，夾緊液壓缸夾緊井口裝置上的法蘭，與整個井口裝置連為一體，保證試驗臺架施加的拉壓力和扭矩都形成內力。液壓控制臺在底座上，便于井口操作。

3.1 多功能試驗機

多功能試驗機（底座）可由液壓缸推動平移至工作井位或上卸扣井位。試驗管柱起放系統和上卸扣系統配合，實現并滿足試驗工具下放和提出，進行試驗工具和套管（或鉆桿）之間的螺紋聯接時，可對試驗工具施加拉壓載荷、扭轉載荷。試驗液從雙向動力水龍頭進入井筒內。

多功能試驗機由底座移動、拉壓加載、施加扭矩、井口夾緊、鎖緊裝置等組成。

（1）底座移動由兩個液壓缸推動底座在軌道上的滑動，以實現井口的移動及定位，就位后由4個圓柱銷定位。底座移動液壓缸控制和操作在液壓控制臺上。

（2）拉壓加載：通過兩個主液壓缸對試驗工具進行加載。為保證兩缸同步，設計及制造門架導軌要求有足夠的精度，雙向水龍頭的安裝軸線確保絕對中心；為了兩端動作同步，施力一致，液壓控制采用平衡閥及分流集流閥調整，兩缸同步問題得到了解決。主液壓缸的系統最高壓力為25 MPa（當主液壓缸工作壓力低于16 MPa時，用液壓站上的大泵加載；當主液壓缸工作壓力高于16 MPa時，用液壓站上的小泵加載），輸出壓力（推力）和輸出拉力以及行程均可滿足試驗的要求。在門架上裝有標尺可測量主液壓缸位移。主液壓缸控制和操作閥在液壓控制臺上。

（3）扭矩加載：旋轉加扭機構，設計可承受壓力和拉力的雙向力的動力水龍頭，安裝兩個主推力軸承，同時由低速大扭矩液壓馬達經過一級齒輪減速驅動試驗工具旋轉并施加扭矩。水龍頭液壓馬達控制和操作閥在液壓控制臺上。

（4）井口夾緊：兩個夾緊液壓缸，利用兩個夾緊液壓缸夾緊井口法蘭，當試驗臺架進行工具試驗時，夾緊液壓缸夾緊井口裝置上的法蘭，與整個井口裝置連為一體，保證試驗臺架施加的拉壓力和扭矩都形成內力。井口夾緊液壓缸控制和操作閥在液壓控制臺上。

（5）鎖緊裝置：實現臺架大梁中心同井口中心定位。通過安裝在左、右門架鎖緊齒條和安裝在大梁上的8只鎖緊液壓缸，進行鎖緊定位。液壓缸活塞桿端部設計有配對齒條，活塞桿伸出兩齒條嚙合后達到鎖緊。鎖緊液壓缸控制和操作閥在液壓控制臺上。

3.2 試驗井筒

試驗井筒由拉壓光桿、密封體、井口上法蘭、井口懸掛、井口下法蘭、轉換接頭、承扭螺栓、套管等組成。

利用社會網絡分析軟件Ucinet對頻次≥2次的關鍵詞共現矩陣進行可視化，為了更為清晰地顯示日本移民研究領域的整體框架和研究重點，本研究選取的關鍵詞共現網絡閾值為2，即去除了網絡中共現1次的關鍵詞鏈接，結果如圖1所示。結合社會網絡分析的概念，圖1中，網絡的節點是關鍵詞，節點的大小是與該關鍵詞相連的其他節點的多寡，連接的節點越多，節點越大，越說明該節點處于網絡的中心位置，是研究領域的熱點；節點之間的連線粗細則表示兩個關鍵詞共現的次數，共現的次數越高連線越粗，說明這兩個節點的關系越緊密。

井筒套管為Φ20英寸套管100 m，外側用水泥固死，套管本體不受壓，為試驗體提供環空通道。循環液通道是由密封體、井口上法蘭、井口懸掛、井口下法蘭與內層套管或試驗管柱所形成的循環通道，為解決內層套管的懸掛、密封，形成各種需要的循環通道，滿足不同的試驗工具試驗要求，采用更換內層套管懸掛的方法以提供不同的內層套管組合。轉換接頭上連接著井口密封裝置，下聯接著試驗工具，井口密封裝置保證試驗管柱旋轉時與內層套管之間承受35 MPa動密封。

為保證多功能試驗機在試驗管柱段施加100 t的拉壓力不完全作用在車體上，當多功能試驗機夾緊井口上法蘭時，與整個井口裝置連為一體，保證施加的拉壓力和扭矩都形成內力。

工具試驗過程：根據試驗工藝要求，確定套管懸掛組合，用上卸扣裝置將套管扣依次連接好，要保證不同尺寸的套管達到各自的推薦上扣扭矩。連接試驗工具的轉換接頭與光桿的扣，此時用井口裝置上的上扣卡盤與轉換接頭相連，然后將多功能試驗機對準井口，用多功能試驗機上的上扣鉗將扣擰緊。上緊密封體與井口上法蘭的扣，操作井口夾緊液缸夾緊井口法蘭，此時井口被多功能試驗機提起，連接好循環系統后進入試驗狀態。

3.3 上卸扣裝置

上卸扣裝置通過液缸可在臺架底座上移動，需進行上卸扣操作時移至上卸扣井位，平時不工作或安裝井口裝置時可移至底座邊緣，方便井口操作。上卸扣液缸控制和操作閥在液壓控制臺上。上卸扣管徑：套管（）英寸、鉆桿（）英寸，最大上卸扣扭矩為20 kN·m。

（1）上扣過程：吊卡放在井口位置上，上卸扣裝置用油缸推到井口位置（注意不要碰到吊卡），用夾緊裝置夾緊座于吊卡上的套管接箍或鉆桿接頭；用上吊卡吊另一根套管或鉆桿，對準套管或鉆桿接箍，用吊鉗夾緊套管接箍或鉆桿接頭，用油缸推動吊鉗進行上扣。

（2）卸扣過程：套管或鉆桿卸扣時，需把吊鉗翻轉使用，其卸扣同上。

井口上扣分為上行程和下行程兩種工況：

（2）下行程工況。在上扣裝置工位將井筒內的所有扣包括套管扣、工具與轉換接頭的扣上完；用井口插板將井內試驗工具固定至井口；此時上光桿與多功能試驗機的NC38連接扣也已連好，將多功能試驗機移到井口位，上提液缸，上轉換接頭與光桿的扣；去掉井口插板將井內試驗工具下放，將密封體與井口的扣上緊；上扣完畢，可做試驗，卸扣過程與上扣過程相反。

3.4 循環系統

（1）循環系統參數：泥漿泵壓力35 MPa；排量30 L/s；高壓管匯、管線、閥門工作壓力35 MPa；管線尺寸：通徑2英寸，外徑（）英寸；鉆井液罐：體積30 m3（20 m3+10 m3）。

（2）循環系統功能：實現各通道中流體的正反循環、打壓，并達到需要的流量要求。

（3）循環系統組成：該系統由一臺200 kW泥漿泵，泵的動力配置，循環管匯，循環罐，管線等組成。循環管匯包括正反循環系統，高低壓管匯和高壓水龍帶等，高壓水龍帶與水龍頭、循環管匯相連。30 m3循環罐分為20 m3和10 m3兩個罐，罐內配2個攪拌器，10 m3罐為穩流沉沙罐。

（4）工作過程：泥漿泵將循環罐內的液體加壓后通過高壓管匯，正反循環裝置，高壓水龍帶注入水龍頭實現試驗工況。然后通過井口，高壓水龍帶，正反循環系統，低壓管匯返回到循環罐。通過開啟、關閉正反循環系統的閥門，可實現井口至水龍頭的反循環。

3.5 液壓控制系統

（1）配置參數：1#路工作力壓16 MPa，最大排量94.5 L/min；2#路工作力壓25 MPa，最大排量15 L/min；油箱容積1.5 m3。

（2）功能及組成：提供液壓源，控制各種液壓執行元件實現各種動作，通過操作臺實現各種動作的操作控制，并達到需要的強度及精度要求。液壓系統有液壓站、液壓管線、控制閥、操作臺等。

4 應用效果

試驗臺架設計開發首套2012年在吉林油田鉆井院配置完成，后期又陸續為遼河油田鉆井采油工藝研究院、勝利鉆井工藝研究院等多家配置，并進行設計優化，對測試精度及設備配置進行了調整，并協同油田專家及當地質量技術監督局對膨脹管、沖擊器的性能測試過程依據產品工藝要求進行了驗收，在工藝流程布置、設備配置、控制先進水平、測試精度、測試范圍（拉壓力、動力、流量）、測試安裝方便、節能減排等方面都達到了國內同行業較高水平。近年來又進行了多種規格的膨脹管、沖擊器及固井工具的測試，對歷史數據進行對比分析，為企業產品優化改進及現場工藝調整提供了準確的數據依據。