高溫高壓封隔器性能試驗(yàn)裝置研制與應(yīng)用

呂芳蕾，伊偉鍇，衣曉光，楊 慧，張化強(qiáng)

（1.勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營257000；2.勝利油田分公司純梁采油廠，山東濱州256504）①

高溫高壓封隔器性能試驗(yàn)裝置研制與應(yīng)用

呂芳蕾1，伊偉鍇1，衣曉光2，楊 慧1，張化強(qiáng)1

（1.勝利油田分公司采油工藝研究院，山東東營257000；2.勝利油田分公司純梁采油廠，山東濱州256504）①

隨著油田開發(fā)向致密砂巖等埋藏較深油藏發(fā)展，油層的壓力和溫度逐漸提高，要求工藝配套的封隔器等井下工具必須具有耐高溫、高壓的性能。常規(guī)的試驗(yàn)裝置只能完成常溫環(huán)境下的井下工具模擬試驗(yàn)，已不能滿足科研試驗(yàn)與工具檢驗(yàn)的需要。針對以上問題，開展了高溫高壓封隔器的試驗(yàn)裝置研究，研制出一套封隔器高溫高壓試驗(yàn)裝置，解決了封隔器等井下工具高溫、高壓模擬試驗(yàn)難題。為高溫高壓封隔器在油田深層開發(fā)中的應(yīng)用提供了可靠的試驗(yàn)基礎(chǔ)，有著廣闊的應(yīng)用前景。

高溫；高壓；封隔器；試驗(yàn)

封隔器是開發(fā)油田各種采油工藝措施中極其重要的組成部分，其結(jié)構(gòu)好壞、質(zhì)量高低直接影響著工藝措施的成敗。因此，封隔器［1-5］在油田開發(fā)中所起的作用是不可低估的。隨著勝利油田開發(fā)向深層油藏發(fā)展，油層的壓力和溫度逐漸提高，井內(nèi)的封隔器不僅要承受高壓的考驗(yàn)，更要承受150℃以上的溫度要求。因此，要求配套的封隔器的密封結(jié)構(gòu)［6］必須具有耐高溫、高壓的性能。目前，常規(guī)的試驗(yàn)裝置只能完成常溫環(huán)境下的井下工具模擬試驗(yàn)，已不能滿足科學(xué)試驗(yàn)與生產(chǎn)檢驗(yàn)的需要。針對以上問題，開展了封隔器高溫高壓試驗(yàn)裝置的研究，研制出一套適用于高溫高壓封隔器性能試驗(yàn)的模擬試驗(yàn)裝置，很好地解決了封隔器高溫、高壓模擬試驗(yàn)難題。

1 技術(shù)分析

高溫高壓封隔器性能試驗(yàn)裝置主要針對封隔器等井下工具的膠筒等關(guān)鍵部分進(jìn)行耐高溫、高壓試驗(yàn)，膠筒的膨脹性能試驗(yàn)和抗拉抗壓性能等試驗(yàn)而設(shè)計(jì)。該試驗(yàn)裝置主要由試驗(yàn)井、井口連接、密封系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)6大部分組成。其中，試驗(yàn)部分位于試驗(yàn)井內(nèi)，其他部分位于地面，采用地面液壓加載、地下加熱油循環(huán)加熱的方式。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅節(jié)省了試驗(yàn)裝置的空間，而且試驗(yàn)井位于地下，在地面以下加熱油循環(huán)加熱的方式提高了裝置的安全系數(shù)，方便可靠。采用液壓方式來實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)?zāi)z筒的拉壓加載，運(yùn)用數(shù)控系統(tǒng)來對整個試驗(yàn)裝置進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 試驗(yàn)井筒

試驗(yàn)井筒是此裝置的核心部分，井筒長8 m，設(shè)計(jì)有?139.7 mm（51/2英寸）和?177.8 mm（7英寸）2種規(guī)格。井筒內(nèi)筒采用P110級高強(qiáng)度套管，并在套管外固定加強(qiáng)環(huán)和8根加強(qiáng)筋，確保試驗(yàn)井筒的抗壓能力，提高試驗(yàn)管柱的安全系數(shù)。試驗(yàn)外筒為直徑?370mm鋼管結(jié)構(gòu)，采用2層高效保溫材料包覆，確保系統(tǒng)熱量損失降到最低，使模擬溫度場更趨于穩(wěn)定。整套試驗(yàn)管柱固定于試驗(yàn)外筒內(nèi)，確保了整套試驗(yàn)裝置的密封性。試驗(yàn)管柱有上、下2個試壓接頭，用管線連于地面，試驗(yàn)時對試驗(yàn)封隔器進(jìn)行試上壓或下壓驗(yàn)封試驗(yàn)。試驗(yàn)井筒結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 高溫高壓膠筒性能試驗(yàn)裝置

圖2 試驗(yàn)井筒結(jié)構(gòu)

1.2 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)采用液壓加載方式，來實(shí)現(xiàn)對封隔器拉壓力的測試和解封控制。該部分主要由液缸總成、拉桿、機(jī)械鎖緊總成和試驗(yàn)中心管組成［7］，如圖3所示。

圖3 加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1） 液缸總成 是地面液壓加載系統(tǒng)的核心部分，連接液壓系統(tǒng)。當(dāng)需要對封隔器進(jìn)行向下或向上的加載力來測試封隔器工作性能時，可向液缸內(nèi)加壓，對整個裝置產(chǎn)生向下或向上的加載力，力的大小可以通過液體的壓力控制，設(shè)計(jì)的最大加載力為300 k N。

2） 拉桿 為了保證系統(tǒng)的安全，設(shè)計(jì)了拉桿來起緊固加強(qiáng)的作用，確保試驗(yàn)裝置的安全可靠。

3） 機(jī)械鎖緊總成 將加載部分連接鎖緊在井筒上，并能夠保證作用在試驗(yàn)?zāi)z筒上的加載力始終不變。加載完成后可將液缸總成、拉桿等部分移開，同時避免了長時間持續(xù)向液缸內(nèi)加壓，提高了裝置的安全性。

4） 試驗(yàn)中心管 連接試驗(yàn)用封隔器等試驗(yàn)工具及配套工具。

1.3 加熱系統(tǒng)

循環(huán)加熱系統(tǒng)是試驗(yàn)裝置的溫度場模擬部分［8-9］。采用電加熱管加熱，工作電壓380 V，功率8 k W，利用加熱筒與試驗(yàn)井筒的液面差將高溫導(dǎo)熱油送入試驗(yàn)井筒，將井筒內(nèi)的導(dǎo)熱油泵送到加熱筒內(nèi)反復(fù)循環(huán)加熱。加熱筒采用2層高效保溫材料包覆，確保系統(tǒng)熱量損失降至最低，同時采用高精度溫控系統(tǒng)，保證模擬溫場的恒定。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.4 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)是試驗(yàn)裝置的控制部分和測試數(shù)據(jù)顯示部分，可以對系統(tǒng)的加熱狀態(tài)及循環(huán)狀態(tài)進(jìn)行控制，對拉壓力、封隔器坐封壓力、膠筒耐壓和溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集與記錄，并根據(jù)用戶需要對系統(tǒng)的溫度進(jìn)行調(diào)控，使系統(tǒng)保持在用戶所需要的恒溫溫度上，來實(shí)現(xiàn)整個試驗(yàn)裝置的正常穩(wěn)定工作。整機(jī)設(shè)置了1個力矩傳感器、3個壓力傳感器和2個溫度傳感器，確保能夠準(zhǔn)確地測得加載力矩、油壓和溫度值。測控部分采用移動便攜式控制箱設(shè)計(jì)，采用快速插頭連接方式，連接方便可靠，可根據(jù)實(shí)際情況將控制箱放置在安全位置，控制試驗(yàn)裝置并讀取試驗(yàn)中的測量數(shù)值。該裝置的控制面板和電路原理如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)面板及電路原理

2 技術(shù)指標(biāo)

3 裝置特點(diǎn)

1） 完善的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。測控系統(tǒng)采用移動式快速插頭設(shè)計(jì)，連接方便迅速，使用方便。整機(jī)設(shè)置了1個力矩傳感器、3個壓力傳感器和2個溫度傳感器，確保能夠準(zhǔn)確地測得加載力矩、油壓和溫度值。

2） 安全、高效的導(dǎo)熱油體外循環(huán)加熱系統(tǒng)。采用2層高效保溫材料，確保系統(tǒng)熱量損失降至最低，同時采用高精度的溫控系統(tǒng)，保證模擬溫度場的穩(wěn)定運(yùn)行，試驗(yàn)井筒采用地下結(jié)構(gòu)，確保試驗(yàn)的安全可靠。

4 應(yīng)用情況

試驗(yàn)裝置完成安裝與調(diào)試后，進(jìn)行了?139.7 mm（51/2英寸）遇油遇水膨脹封隔器性能試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度85～90℃。溫度低于100℃，故采用礦化水為試驗(yàn)加熱介質(zhì)，試驗(yàn)7 d，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況良好，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。圖6是試驗(yàn)遇油遇水膨脹封隔器試驗(yàn)的現(xiàn)場情況。

圖6 現(xiàn)場試驗(yàn)情況

5 結(jié)論

高溫高壓膠筒性能試驗(yàn)裝置有效解決了目前井下工具高溫高壓試驗(yàn)所面臨的問題。其設(shè)計(jì)合理，操作使用方便，性能穩(wěn)定可靠，滿足了井下工具高溫、高壓模擬試驗(yàn)要求。采用模擬試驗(yàn)井高溫、高壓的方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置占用空間小，試驗(yàn)過程安全。采用傳感器和記錄儀來測量和記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)齊全，精度較高。封隔器性能試驗(yàn)裝置作為井下工具新產(chǎn)品開發(fā)的試驗(yàn)手段之一，可為新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)提供科學(xué)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，縮短了研究周期，大幅提高了研究效率，有著廣闊的應(yīng)用前景。

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Development and Application of High Temperature and High Pressure Packer Performance Test Device

LV Fang-lei1，YI Wei-kai1，YI Xiao-guang2，YANG Hui1，ZHANG Hua-qiang1
（1.Research Institute of Production Technology，Shengli Oilfield Company，Dongying 257000，China；2.Chunliang Oil Production Plant，Shengli Oilfield Company，Binzhou 256504，China）

With the development of the oil field and other buried deep in tight sandstone reservoir development，reservoir pressure and temperature gradually increased，requiring supporting oil production downhole tools such as packers must have high temperature，high pressure performance.Current conventional test equipment can only be done at room temp erature downhole tool simulationenvironment，cannot meet the needs of research and testing and testing tools.To solve the above problems，the test device research conducted HPHT packer，packer developed a set of high temperature and pressure test equipment，a good solution to the packer downhole tools such as hightemperature，high-pressure simulation test problems.This provides a reliable basis for the high temperature and pressure test packer deep in oilfield development，and has broad application prospects.

high temperature；high pressure；packer；test

TE931.2

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.020

1001-3482（2014）07-0077-04

2014-03-15

中石化勝利油田分公司攻關(guān)項(xiàng)目“水平井管外封隔器模擬試驗(yàn)裝置研究”（YKS0905）

呂芳蕾（1981-），女，山東煙臺人，工程師，主要從事分段壓裂完井工藝研究，E-mail：lvfnaglei.slyt＠sinopec.com。