油田井下鉆具測試系統建造方案

李 輝，尚 鑫，祝普慶，柳明義

（渤海石油裝備（天津）中成機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

隨著鉆井及采油工藝技術的不斷更新升級，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方面有一定的技術基礎，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，但在技術基礎理論研究和實驗條件以及科研基礎設施、鉆具規格系列、精細化研究、軟件開發等方面，與國外知名氣舉研究機構相比還有顯著差距。

借鑒國外同類系統的規劃方案，結合我國目前現場螺桿鉆具應用情況以及后期新工藝的擴展，確定螺桿鉆具及井下工具綜合測試系統建造方案。該系統能夠為后期螺桿鉆具等系列研發、改進升級提供有力保障，進行現場工況模擬可靠性評估，為油田安全生產做有力保障。

1 測試系統用途

針對鉆井螺桿鉆具等系列產品應用研究為主，專業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。具體包括：可視化井下開窗試驗，模擬井下完井工具配合關系，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，井下工具拉、壓及扭轉試驗，擴孔工具及擴孔刀體耐磨性試驗，井下工具沖擊振動參數測定，采油工具試驗等。

2 測試總體結構規劃

各項試驗工作的操作主要在多功能試驗機二層平臺上完成，試驗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，實現直井、斜井、水平井中的螺桿鉆具工況實驗。該部分裝置采用液壓或機械定位，動力系統、泥漿泵、試壓泵、液壓站等設備集中安裝，為防止噪聲污染在房間內安裝隔音設施；試驗室頂部設有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，需要向二層平臺延伸時應穿保護管；分支井設計實驗地坑20 m 深，試驗井深800 m，配套行吊（表1）。

表1 測試系統總體預期參數

實驗裝置的主要技術指標有：

（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、開窗、預開孔、套管定位定向、重入試驗等要求。

（3）模擬彎曲井眼常用螺桿鉆具試驗，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，實驗架的其他技術參數見表2。

表2 實驗架技術參數

3 測試組成部分設計

3.1 多功能實驗機

（1）加載機構：主要是向實驗工具施加拉壓載荷，動力水龍頭上下移動實現力加載，通過加載主液缸及鏈條增程機構帶動水龍頭總成。可以避免兩液缸加載的實驗機兩缸運動不同步的難題，既可保證雙向加載又可實現較長加載行程。實驗機采用單柱結構，結構更為簡單，操作更為方便，傾斜更易實現。

（2）旋轉機構：部分功能相當于石油鉆機動力水龍頭，實驗機雙向水龍頭需要實現實驗工具系統的拉力及壓力，為此在雙向水龍頭設計上增加了兩只主推力軸承，水龍頭旋轉靠交流變頻電機（液壓馬達）產生動力，為實驗鉆柱旋轉驅動。

（3）井口夾緊裝置：實驗工具在進行拉壓扭轉實驗時，由夾緊裝置卡住井口，承受實驗載荷，使試驗機主加載液缸的拉力、壓力通過水龍頭-鉆柱施加在井口裝置上，實驗機底座僅承載上部實驗設備重量。設計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計有特殊的連接頭，以滿足承受實驗載荷的需要。

（4）實驗井口及管柱系統：可實現多種常用尺寸規格的套管懸掛，可完成″范圍內任意雙層套管規格組合，實現雙層套管環空，形成正反循環通道。實驗管柱井口裝置由套管頭和四通組成，內部通道設計為3 層管柱密封，可完成實驗液體兩個密閉循環通道，功能主要有3 個：①鉆井液由實驗管柱內通道進入，從內層套管與實驗管柱形成的通道內返出，形成循環；也可實現反循環；②鉆井液由內層套管內通道進入，從內層套管與外層套管形成鉆井液循環通道內返出，形成循環；也可實現反循環；③套管頭和四通均采用法蘭連接，法蘭端面通過金屬墊環密封，耐壓可達35 MPa 以上。為解決多層套管規格懸掛、密封，形成多種實驗方案需要的鉆井液循環通道，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計有旋轉密封裝置，利用特殊的連接光桿，以滿足環空的密封要求。

（6）傾斜機構：機架可以傾斜，角度0°～90°；井筒與實驗機機架剛性連接，可同時傾斜，角度0～90°；完成模擬0～90°斜直井中工具的試驗，也可進行相同環境下的鉆井或修井試驗（表3）。

表3 多功能實驗機技術參數

3.2 循環系統（圖1）

圖1 循環系統原理

為模擬鉆井的泥漿循環過程，設計泥漿循環系統為正反循環流程（圖1）。

（1）正循環實驗方案：泥漿循環罐→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→套管環空→泥漿回流管→泥漿處理器器→泥漿罐。

（2）反循環實驗方案：泥漿循環罐→高壓鉆井泵→泥漿管匯→高壓閥門組→環空→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。

該系統可實現各通道中鉆井液的正反循環、加壓，并達到鉆井工具、螺桿鉆具、井下工具等的實驗需求工藝流程要求，實驗流程儀器、儀表的測量精度應小于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

電機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，這樣不僅可以實現無級變速，調速范圍寬，還可以極低速度恒扭矩輸出，使電機的短時增矩倍數達到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、寬調速的特性，機械傳動結構設計大大簡化，交流變頻技術對電機具有安全保護功能，負載功率因數接近于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

采用嵌入式工業控制計算機系統，內置大容量硬盤及多種通信接口，系統穩定可靠，預裝MCSG 工業組態軟件，避免計算機病毒感染。應用組態軟件編制系統操作界面，采用動畫的形式模擬試驗裝置的各個系統，并動態顯示試驗的各個過程、步驟。試驗過程的各個過程、步驟可單獨進行，也可根據需要進行聯動，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、多工位同步操作、控制的方式。

3.5 實驗管柱起放及加載（拉壓）系統

（1）實驗管柱起放功能：實現被試螺桿鉆具及輔助管柱的放入和起出。

（2）上卸扣系統：實現被試螺桿鉆具及鉆桿、套管的上卸扣。

（3）實驗加載（拉壓）系統：實現實驗中對被實驗螺桿鉆具、設備、管柱的提升、下壓、旋轉以及實驗臺架本身的行走，同時滿足井口對中要求。

4 結束語

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