井下工具測試系統研制

閆志遠 張洪楠 陳安安

1. 中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司 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，無法驗證研發工具的功能和可靠性。國內外同類型測試系統結構均較為復雜，投資均超過千萬元，經濟性不滿足要求。目前國內尚無達到370℃高溫條件下的高壓試驗設備。國內外同類設備均為豎直井筒，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美國石油學會）是產品進入市場的必備條件。

本文面向工程應用，針對高溫高壓井下工具測試需求，設計了一套水平放置式高溫高壓測試系統。

1 測試系統的整體技術參數

（1）測試介質：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）適用井筒規格：9-5/8”、7-5/8”、7”、5-1/2”；（6）井筒有效長度：6m。

2 測試系統的技術方案

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備集裝箱（20尺）中；將遠程控制系統、人員操作空間等集成于控制集裝箱（20尺）中。測試系統整體布局如圖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。箱體內側安裝鋼制防護模塊，每個模塊獨立安裝，當有損壞時，可將損壞的模塊更換。

（2）安全防護箱底部鋪設導軌，箱體外鋪設外延導軌，外延導軌和箱體中的導軌良好對接，便于井筒支撐臺架進出防護箱，導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，用于儲存作業完成后的測試介質，并可通過泵將過濾凈化后的測試介質循環至該裝置。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置設備進出門，側面設置逃生門。箱體的門禁系統設有自動操作模式和手動操作模式。在自動操作模式下，實現試壓泵和門的聯動控制，確保試件及管線中無壓力才能將門打開，如門未完全關閉，則無法啟動試壓泵，門一旦被打開，試壓系統立即進行泄壓，并且防護箱安裝有整套設備的急停按鈕，試壓一旦開始，警報閃光燈開始工作，發出警示。在手動操作模式下，門禁及警報系統可根據實際需求選擇開啟。

（6）箱體全天候防雨、防塵，箱體內部地面要防滑，并有排水功能。箱體內安裝空調和照明設備，箱體頂部安裝換氣通道，外側設置鋼制梯子。箱體內外表面進行噴砂噴漆處理，噴砂等級至少為Sa2.5 級，內外表面噴涂海洋船用專業油漆。

2.3 增壓系統

2.3.1 油增壓系統

（1）測試介質：耐高溫液壓油。（2）可為規格為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）可將測試介質中的雜質濾出，過濾后的油循環至油箱重新使用。（4）加壓系統為氣驅試壓泵，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（現場）+顯示器實時顯示（遠程控制臺）。（6）配預充泵，可預充耐高溫液壓油，以縮短試驗時間。（7）元器件、高壓閥門的設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拆卸、密封性能穩定可靠［3］。

2.3.2 氣增壓系統

（1）測試介質為氮氣，氣源為氮氣瓶組。（2）設備可為規格為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（現場）+顯示器實時顯示（遠程控制臺）；（5）元器件、高壓閥門的設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拆卸、密封性能穩定可靠[4]。

2.4 模擬井筒

模擬井筒是整套測試系統的關鍵部件，其主要功能是為井下工具提供密閉的高溫、高壓空間，真實模擬井下環境。優選4130M材料進行制造，9-5/8″模擬井筒結構設計。

2.5 測試臺架和力加載系統

2.5.1 測試臺架

測試臺架由底座、模擬套管支座、軸向拉壓設備和扭轉加載機構等組成。采用軸向拉壓加載內力平衡結構，即軸向加載力在套管首部支座內部、加載液壓缸內部平衡，不涉及相連接的導軌和試驗臺架框架[5]。另外，扭轉加載時扭矩通過鑲嵌在槽軌內的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，采用鏈傳動解決多個滾輪同步運動驅動問題，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。井筒支撐臺架在導軌上移動時可以鎖定位置。

2.5.2 軸向力加載系統

①軸向力加載裝置可將軸向載荷轉化為加載裝置和井筒之間的內力，該裝置的軸向加力桿配有連接服務工具的鎖緊抱箍；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

①可提供最大扭矩：15kN·m；②扭矩調整范圍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

（1）加溫系統適用于9-5/8″、 7-5/8″、7″、 5-1/2″四種規格試驗井筒，可實現最高工作溫度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）加溫系統和溫度傳感器覆蓋整個待測試工具的長度，加溫系統可實現被加熱工具溫度的相對穩定，通過溫度控制儀實現溫度精準控制。為減少熱量散失，提高升溫速度，加熱系統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時，可通過降溫裝置實現快速降溫。

2.7 氣液泄漏檢測系統

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

（2）V0等級試驗時，在大氣壓狀態下，使用氣泡檢測儀對泄漏出的氣泡進行檢測，并通過控制系統可對氣泡檢測儀采集的數據進行處理，如氣泡數量、出現氣泡時間以及氣泡持續的時間等。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 控制和監控系統

2.8.1 硬件方面

①系統由配電系統、數據采集裝置、操控裝置、視頻監控等部分組成，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控，且便于作業人員操作。②系統功能鍵的設置與測試工藝對功能的要求一致，并可將測試過程中的監測數據實時顯示，同時配有激光打印機，可隨時對監測數據及相關文檔進行打印。③視頻監控系統須由試驗現場監控（攝像頭）及監控顯示（顯示器）兩部分組成，對作業的監控可覆蓋整個測試區域，無監控盲區，對泄漏點的觀測無需操作人員進入高壓現場。

2.8.2 軟件方面

①軟件功能設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、壓力設置、故障報警等功能，可實時顯示測試壓力，記錄壓力數據，可繪制壓力曲線，有數據存儲功能，在斷電情況下可將數據自動保存。②軟件能監測安全門發出的信號，如安全門開啟，無法進行加壓，并自動觸發聲光報警，只有安全門完全關閉后才能進行測試。

3 結束語

本水平放置式高溫高壓井下工具測試系統主要優點如下：

（1）整套設備技術性能完全滿足《API Spec 11D1-2015石油天然氣工業-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）區別于國內外同類設備建造地面下沉式試驗坑的傳統思路，設計特種安全防護箱作為地面試驗安全防護設施，大幅降低了試驗設施基建要求，且安全防護效果更好。

（3）整套設備為水平式放置，可更好地模擬大位移井、水平井中井下工具的工況。

（4）優選高溫高壓試驗井筒材料，創新結構設計，采用了循環水冷卻設計，實現了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，測控系統完全遠程控制，測試過程安全性高。整套設備在測試過程中沒有廢液排放，節能環保。