稠油熱采鉆完井試驗(yàn)系統(tǒng)研制

陳　磊，章發(fā)明，王　航，王　東，畢群泗，張　鎧，胡海明

(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730050)①

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稠油熱采鉆完井試驗(yàn)系統(tǒng)研制

陳磊，章發(fā)明，王航，王東，畢群泗，張鎧，胡海明

(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730050)①

摘要：根據(jù)油田開發(fā)和建設(shè)的需求，建造了稠油熱采鉆完井試驗(yàn)室。試驗(yàn)系統(tǒng)由電磁加熱高溫試驗(yàn)井、可傾斜及彎曲常溫試驗(yàn)井、多功能試驗(yàn)機(jī)及配套液壓系統(tǒng)、供液系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)可滿足高溫(350 ℃)熱采工具性能檢測(cè)；可滿足常溫井筒翻轉(zhuǎn)10、20、30、40、50、60、70、80、90°條件下進(jìn)行鉆進(jìn)、循環(huán)、開窗等試驗(yàn)；可以對(duì)常溫井筒拉彎，驗(yàn)證試驗(yàn)工具的通過性。該系統(tǒng)的建成，可為鉆完井新工具的研發(fā)提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：模擬試驗(yàn)；稠油熱采；試驗(yàn)系統(tǒng)

稠油熱采井、分支井、側(cè)鉆井等鉆井特色技術(shù)由于缺少必要的室內(nèi)試驗(yàn)手段，獲取不到中間試驗(yàn)的可靠數(shù)據(jù)，造成鉆采新工藝的可行性、研制的新井下工具的可靠性和使用壽命都難以準(zhǔn)確地判斷；各種特殊鉆、完井工具、高溫(350 ℃)熱采工具，也由于缺乏室內(nèi)模擬試驗(yàn)環(huán)節(jié)，極大增加了現(xiàn)場(chǎng)施工的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。為此，研制了稠油熱采鉆完井試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)系統(tǒng)的建成，可針對(duì)不同的鉆井工藝條件，完成對(duì)鉆頭的旋轉(zhuǎn)、加壓、開窗等過程的物理模擬；通過對(duì)鉆井工藝參數(shù)的測(cè)定，對(duì)稠油熱采井、分支井、側(cè)鉆井等新型鉆井工具進(jìn)行原理性驗(yàn)證、性能檢測(cè)和部分前瞻性課題的試驗(yàn)研究。

1試驗(yàn)系統(tǒng)總體布置

國內(nèi)大多數(shù)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)井均建在室內(nèi)地下沉井內(nèi)。本試驗(yàn)系統(tǒng)所在地海拔4 m，建設(shè)地下沉井成本巨大，同時(shí)沉井防水也很難處理，為了滿足試驗(yàn)過程中的可視化要求，在滿足土建受力的條件下，試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)在四層廠房?jī)?nèi)，四層樓面標(biāo)高21 m，如圖1所示。其中多功能試驗(yàn)機(jī)(含配套液壓系統(tǒng))、測(cè)控系統(tǒng)主控室布置在廠房第4層，供液泵房布置在廠房第1層，供液管線沿廠房?jī)?nèi)墻壁穿孔到廠房第4層給試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)井供液。常溫試驗(yàn)井和高溫試驗(yàn)井的井口安裝在第4層樓面凹下1.35 m的操作平臺(tái)上，井筒套管順樓層開孔伸到第1層樓面。

1—多功能試驗(yàn)機(jī)及配套液壓系統(tǒng)；2—常溫試驗(yàn)井系統(tǒng)；

2試驗(yàn)系統(tǒng)主要組成和技術(shù)參數(shù)

2.1電磁感應(yīng)加熱高溫試驗(yàn)井

試驗(yàn)井筒內(nèi)最高試驗(yàn)溫度350 ℃，采用電磁感應(yīng)的加熱方式，節(jié)約能源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。電磁感應(yīng)加熱的原理是通過電控模塊在電磁導(dǎo)線中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，電磁導(dǎo)線纏繞在試驗(yàn)井筒外面，金屬井筒壁切割交變磁力線在其內(nèi)部產(chǎn)生交變的電流(即渦流)，渦流使金屬井筒壁的分子高速無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，分子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能，從而起到加熱金屬井筒內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)的效果。電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)如圖2。

電磁加熱技術(shù)是金屬物體自身發(fā)熱，大幅減少了熱量散失，熱效率高達(dá)95%。同其他傳統(tǒng)的加熱方式(例如電加熱[3]、熱空氣加熱[4]、導(dǎo)熱油循環(huán)加熱[5])比較，電磁加熱速度快，能耗低，溫度控制精度高，安全無污染。

高溫試驗(yàn)井主要由上井口四通、井口支座、試驗(yàn)井筒、井口密封裝置、電磁加熱線、保溫層和測(cè)量傳感器等組成。

井口密封裝置設(shè)計(jì)成2種結(jié)構(gòu)，一種是在常溫至250 ℃，設(shè)計(jì)成動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，多功能試驗(yàn)機(jī)水龍頭中心管連接密封筒體光桿帶動(dòng)試驗(yàn)工具在井筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)和上下運(yùn)動(dòng)。另一種是在250～350 ℃，井口密封設(shè)計(jì)為靜密封結(jié)構(gòu)，只能進(jìn)行靜壓試驗(yàn)[6-7]。

1—井口密封裝置；2—試驗(yàn)井筒；3—隔熱保溫層；

2.2可傾斜及彎曲常溫試驗(yàn)井

常溫試驗(yàn)井可滿足試驗(yàn)井筒進(jìn)行垂直試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、傾斜試驗(yàn)的要求。

2.2.1垂直試驗(yàn)

將試驗(yàn)井筒連接好后，用天車吊入至工作位置即可進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.2彎曲試驗(yàn)

為滿足試驗(yàn)井筒彎曲功能，設(shè)計(jì)了彎曲架總成(如圖3)。將整個(gè)試驗(yàn)井筒(包括井口裝置和套管)固定在彎曲架總成里，井口裝置和上段直套管完全剛性固定在鋼結(jié)構(gòu)框架上，距上下段套管法蘭連接點(diǎn)不同位置的3點(diǎn)(3、7、10 m)設(shè)計(jì)成活鉸支固定結(jié)構(gòu)即套管拉彎裝置(如圖4)，利用液缸在彎曲架內(nèi)3點(diǎn)(3、7和10 m處)分別拉彎下段套管形成不同的曲率，形成前直段+后圓弧段的試驗(yàn)彎曲井筒。

采用井筒彎曲架彎曲套管的優(yōu)點(diǎn)是套管的彎曲力(約200 kN)作用在井筒彎曲架上，形成內(nèi)力系，受力結(jié)構(gòu)合理。

圓弧段井筒套管的曲率變化范圍為：?244.5 mm套管曲率0～20°/30 m；?177.8 mm套管曲率0～25°/30 m；?139.7 mm套管曲率0～30°/30 m。

圖3　彎曲架總成

1—彎曲架總成；2—固定座；3—試驗(yàn)井筒；

2.2.3傾斜試驗(yàn)

將試驗(yàn)井筒與彎曲架總成固定在一起，首先通過天車將其吊入工作位置，多功能試驗(yàn)機(jī)將井口夾持住，然后通過多功能試驗(yàn)機(jī)和斜管拉緊裝置向一側(cè)翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)角度分別為10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，不同位置處可通過傾斜管固定裝置固定彎曲架進(jìn)行試驗(yàn)。

井筒翻轉(zhuǎn)時(shí)，要求井筒既可是斜直井，又可是彎曲井，滿足前、后、右3個(gè)方位套管開窗的試驗(yàn)要求，開窗窗口長(zhǎng)度4 m。

2.3多功能試驗(yàn)機(jī)及配套液壓系統(tǒng)[8]

2.3.1功能

主要實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)井筒中試驗(yàn)管柱(包括試驗(yàn)工具)頂部驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，施加拉力、壓力，起升、下放等主要功能，同時(shí)滿足對(duì)試驗(yàn)井筒的夾持、松開，試驗(yàn)管柱的上、卸扣等輔助功能，并且能翻轉(zhuǎn)滿足試驗(yàn)井筒傾斜的試驗(yàn)要求。多功能試驗(yàn)機(jī)采用全液壓加載和控制方案，安裝了拉、壓傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、位移傳感器，測(cè)量各種試驗(yàn)工況參數(shù)。

2.3.2技術(shù)參數(shù)(如表1)

表1　稠油熱采鉆完井試驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

2.4供液系統(tǒng)

模擬實(shí)際工況條件參數(shù)，在試驗(yàn)井筒中為工具試驗(yàn)提供循環(huán)介質(zhì)。通過地面供液泵提供循環(huán)試驗(yàn)介質(zhì)(水)以滿足試驗(yàn)的壓力和排量要求。

包括排量40 L/s的F-800型泥漿泵供液循環(huán)系統(tǒng)、100 L/min的高壓柱塞泵供液循環(huán)系統(tǒng)、70 MPa靜水壓試驗(yàn)系統(tǒng)。

2.5測(cè)控系統(tǒng)

主要實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)各種試驗(yàn)工藝參數(shù)測(cè)量和控制；實(shí)現(xiàn)相關(guān)電氣設(shè)備啟停控制，傳感器、電動(dòng)閥和部分輔助設(shè)備的控制。

上位機(jī)為計(jì)算機(jī)工作站，采用組態(tài)王軟件(如圖5)，結(jié)合C+等高級(jí)語言編制上位機(jī)管理程序。下位機(jī)為西門子可編程控制器，采用PLC自帶的軟件編程。

圖5　計(jì)算機(jī)集中控制管理系統(tǒng)原理

所有試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量傳感器信號(hào)均傳入下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集模塊，經(jīng)過處理后輸送到上位機(jī)顯示、存儲(chǔ)、輸出。

上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)系統(tǒng)工藝參數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)設(shè)備的啟?？刂啤?/p>

此外，在第1～4層正對(duì)試驗(yàn)井的墻上、第1層供液泵房、第4層面對(duì)試驗(yàn)機(jī)的廠房墻上，液壓泵房的墻上，各安裝1臺(tái)帶云臺(tái)的變焦彩色攝像機(jī)。通過主控制室里顯示器監(jiān)視試驗(yàn)的全過程，保障試驗(yàn)人員的安全 。攝像機(jī)的圖像信號(hào)，經(jīng)過解碼器RS485-RS232接入硬盤錄像機(jī)(計(jì)算機(jī)加視頻卡及軟件)存儲(chǔ)或在顯示器上顯示，所有操作均可用鼠標(biāo)點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)。

3應(yīng)用

截止2015-11，稠油熱采鉆完井試驗(yàn)系統(tǒng)已進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)振蕩器試驗(yàn)、連續(xù)循環(huán)鉆井側(cè)閥沖蝕試驗(yàn)等。試驗(yàn)結(jié)果證明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)測(cè)試準(zhǔn)確。

4結(jié)語

1)稠油熱采鉆完井試驗(yàn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)合理，符合油田方提供的技術(shù)規(guī)范，完全滿足項(xiàng)目要求的技術(shù)參數(shù)和功能要求，操作方便，工作可靠。加快了鉆井井下工具的研發(fā)速度。

2)可以滿足不同井下工具和其他配套設(shè)備的模擬試驗(yàn)需要。

3)通過中控室的計(jì)算機(jī)顯示界面，能觀測(cè)到試驗(yàn)系統(tǒng)的各傳感器監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成觀測(cè)與控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳平．鉆井與完井工程[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2005.

[2]吳奇．井下作業(yè)工程師手冊(cè)[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2002.

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Development of Thermal Recovery Drilling and Completion Test System for Heavy Oil

CHEN Lei，ZHANG Faming，WANG Hang，WANG Dong，BI Qunsi，ZHANG Kai，HU Haiming

(LanpecTechnologiesLimited，Lanzhou730050，China)

Abstract：To meet the requirements of oil field development and construction，the thermal recovery of heavy oil drilling and well completion test is built.Test system is consisted by electromagnetic heating temperature test wells，tilting，bending under normal temperature test wells，multi-function testing machine and matching hydraulic system，supply system and control system.The system can meet performance test of thermal production tool under the high temperature (350 ℃)，and can satisfy the normal temperature shaft to turn over for 10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，and 90° for drilling，circulation，opening a window，at the same time can be bent at wellbore temperature and validation of test tools tranversibility.The success of the system provides the test data for development of new drilling tools.

Keywords：simulation test；thermal recovery of heavy oil；test system

中圖分類號(hào)：TE934.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.018

作者簡(jiǎn)介：陳磊(1982-)，男，安徽蕭縣人，工程師，現(xiàn)從事石油鉆采設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究，E-mail：chenlei67@163.com。

收稿日期：①2015-09-21

文章編號(hào)：1001-3482(2016)03-0077-04