井下工具測試系統(tǒng)研制

閆志遠 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. 中國海洋石油有限公司天津分公司 天津 300452

海上油氣田對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試手段嚴重缺乏，無法驗證研發(fā)工具的功能和可靠性。國內(nèi)外同類型測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均較為復(fù)雜，投資均超過千萬元，經(jīng)濟性不滿足要求。目前國內(nèi)尚無達到370℃高溫條件下的高壓試驗設(shè)備。國內(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，獲得國際認證（API美國石油學(xué)會）是產(chǎn)品進入市場的必備條件。

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

1 測試系統(tǒng)的整體技術(shù)參數(shù)

（1）測試介質(zhì)：耐高溫液壓油/氮氣；（2）測試溫度和壓力：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）井筒有效長度：6m。

2 測試系統(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、氣液泄漏檢測系統(tǒng)及附屬部件集成于安全防護箱（45H）中；將空壓機、儲氣罐、冷干機、過濾器及附屬部件集成于設(shè)備集裝箱（20尺）中；將遠程控制系統(tǒng)、人員操作空間等集成于控制集裝箱（20尺）中。測試系統(tǒng)整體布局如圖1所示。

2.2 安全防護箱

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

（2）安全防護箱底部鋪設(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)軌良好對接，便于井筒支撐臺架進出防護箱，導(dǎo)軌長度滿足被測試工具串在防護箱外安裝的要求，并可至少承載15t的重量。

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

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

（5）安全防護箱的兩端設(shè)置設(shè)備進出門，側(cè)面設(shè)置逃生門。箱體的門禁系統(tǒng)設(shè)有自動操作模式和手動操作模式。在自動操作模式下，實現(xiàn)試壓泵和門的聯(lián)動控制，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，則無法啟動試壓泵，門一旦被打開，試壓系統(tǒng)立即進行泄壓，并且防護箱安裝有整套設(shè)備的急停按鈕，試壓一旦開始，警報閃光燈開始工作，發(fā)出警示。在手動操作模式下，門禁及警報系統(tǒng)可根據(jù)實際需求選擇開啟。

（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)外表面進行噴砂噴漆處理，噴砂等級至少為Sa2.5 級，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″且有效長度為6m的試驗井筒提供155MPa的工作壓力。（3）可將測試介質(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，可自動切換。（5）壓力測試傳感器精度≤±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）+顯示器實時顯示（遠程控制臺）。（6）配預(yù)充泵，可預(yù)充耐高溫液壓油，以縮短試驗時間。（7）元器件、高壓閥門的設(shè)計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）測試介質(zhì)為氮氣，氣源為氮氣瓶組。（2）設(shè)備可為規(guī)格為9-5/8″、 7-5/8″、 7″、5-1/2″、有效長度為6m 的試驗井筒提供100MPa的工作壓力。（3）增壓系統(tǒng)采用分級增壓，初級增壓采用整機原裝進口高壓空壓機，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，可自動切換，達到100MPa的增壓時間≤90min。（4）壓力測試傳感器精度≤±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）+顯示器實時顯示（遠程控制臺）；（5）元器件、高壓閥門的設(shè)計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，真實模擬井下環(huán)境。優(yōu)選4130M材料進行制造，9-5/8″模擬井筒結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.5 測試臺架和力加載系統(tǒng)

2.5.1 測試臺架

測試臺架由底座、模擬套管支座、軸向拉壓設(shè)備和扭轉(zhuǎn)加載機構(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)軌和試驗臺架框架[5]。另外，扭轉(zhuǎn)加載時扭矩通過鑲嵌在槽軌內(nèi)的4個軸承平衡，扭矩不會作用在軸向加載液壓缸的伸出桿上有效保護了液壓缸。液壓缸的安裝選擇了缸體鉸軸、桿頭耳環(huán)的形式，避免了對試驗臺架制造過高的加工與裝配精度要求，且受力更加合理，對液壓缸起保護作用。

配置了試驗臺架移動行走機構(gòu)，采用鏈傳動解決多個滾輪同步運動驅(qū)動問題，便于試驗臺架進出集裝箱。采用C形過渡板以便匹配不同外徑模擬套管的安裝需求。井筒支撐臺架在導(dǎo)軌上移動時可以鎖定位置。

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：±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)格試驗井筒，可實現(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，達到最高工作溫度時間≤4.5h。

（2）加溫系統(tǒng)和溫度傳感器覆蓋整個待測試工具的長度，加溫系統(tǒng)可實現(xiàn)被加熱工具溫度的相對穩(wěn)定，通過溫度控制儀實現(xiàn)溫度精準控制。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行包覆。同時工具測試過程中進行溫度循環(huán)時，可通過降溫裝置實現(xiàn)快速降溫。

2.7 氣液泄漏檢測系統(tǒng)

（1）氣液泄漏檢測系統(tǒng)的檢測能力要達到API 11D1 V6～V0全部等級的設(shè)計確認試驗的要求。

（2）V0等級試驗時，在大氣壓狀態(tài)下，使用氣泡檢測儀對泄漏出的氣泡進行檢測，并通過控制系統(tǒng)可對氣泡檢測儀采集的數(shù)據(jù)進行處理，如氣泡數(shù)量、出現(xiàn)氣泡時間以及氣泡持續(xù)的時間等。V2～V1等級試驗時，氣體泄漏的檢測是在大氣壓下通過觀察量杯中水的體積來計算泄漏氣體的體積。此外，配置氣體流量計，測量精度達到0.1m3/min，以通過時間和流量來計算氣體泄漏量）。V6～V3液體泄漏的檢測是通過觀察被測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，控制臺采用雙工位電氣框架，一個工位用于壓力、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)置與測試工藝對功能的要求一致，并可將測試過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示，同時配有激光打印機，可隨時對監(jiān)測數(shù)據(jù)及相關(guān)文檔進行打印。③視頻監(jiān)控系統(tǒng)須由試驗現(xiàn)場監(jiān)控（攝像頭）及監(jiān)控顯示（顯示器）兩部分組成，對作業(yè)的監(jiān)控可覆蓋整個測試區(qū)域，無監(jiān)控盲區(qū)，對泄漏點的觀測無需操作人員進入高壓現(xiàn)場。

2.8.2 軟件方面

①軟件功能設(shè)置與測試工藝流程匹配，并有自動保壓、手動/自動泄壓、有過壓保護、自動啟/停機、分級打壓、每級獨立保壓、壓力設(shè)置、故障報警等功能，可實時顯示測試壓力，記錄壓力數(shù)據(jù)，可繪制壓力曲線，有數(shù)據(jù)存儲功能，在斷電情況下可將數(shù)據(jù)自動保存。②軟件能監(jiān)測安全門發(fā)出的信號，如安全門開啟，無法進行加壓，并自動觸發(fā)聲光報警，只有安全門完全關(guān)閉后才能進行測試。

3 結(jié)束語

本水平放置式高溫高壓井下工具測試系統(tǒng)主要優(yōu)點如下：

（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》測試要求，亦可用于其他井下工具的測試。

（2）區(qū)別于國內(nèi)外同類設(shè)備建造地面下沉式試驗坑的傳統(tǒng)思路，設(shè)計特種安全防護箱作為地面試驗安全防護設(shè)施，大幅降低了試驗設(shè)施基建要求，且安全防護效果更好。

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

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