井下工具多功能試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉傲放，黃志敏，傅 鵬，馬永剛

（1.北京學(xué)亦成科技有限公司，北京 102627；2.渤海石油裝備（天津）中成機(jī)械制造有限公司，天津 300280；3.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限公司，上海 201518）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)鉆井采油深度及地層復(fù)雜程度的不斷增加，促使生產(chǎn)工藝不斷改進(jìn)革新，新型鉆井采油工藝所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的井下工具使用更加頻繁及專業(yè)。井下工具的現(xiàn)場(chǎng)使用對(duì)其可靠性要求極高，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前必須進(jìn)行全參數(shù)地面性能模擬試驗(yàn)，確保現(xiàn)場(chǎng)使用的安全性及工藝適應(yīng)性。

1 臺(tái)架試驗(yàn)范圍

（1）膨脹管測(cè)試：膨脹管內(nèi)壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗外擠變形試驗(yàn)、管壁摩擦試驗(yàn)、套管貼補(bǔ)試驗(yàn)和膨脹擴(kuò)充試驗(yàn)及模擬溶洞堵漏試驗(yàn)等。

（2）沖擊器測(cè)試：沖擊器啟動(dòng)試驗(yàn)、沖擊器磨損壽命試驗(yàn)、沖擊破巖效率試驗(yàn)和參數(shù)匹配及結(jié)構(gòu)優(yōu)化測(cè)試試驗(yàn)等。

（3）固井工具測(cè)試：雙級(jí)注水泥器的動(dòng)作試驗(yàn)、封隔懸掛裝置試驗(yàn)、膠塞通過(guò)試驗(yàn)及浮箍浮鞋的疲勞試驗(yàn)等。

（4）新型井下工具測(cè)試：技術(shù)要求同井下沖擊器試驗(yàn)和固井工具試驗(yàn)的技術(shù)要求相類似。

（5）臺(tái)架具備一定的起升能力和加壓能力，可進(jìn)行鉆桿和套管的上卸扣，建立高壓正反循環(huán)，模擬轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)，并通過(guò)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制和操作。

2 臺(tái)架系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)所需的最大技術(shù)參數(shù)值，確定了多功能鉆井試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)及配套設(shè)備參數(shù)。提升載荷：1000 kN；靜加壓載荷：1000 kN；拉壓加載行程：3 m；工作壓力：35 MPa；上卸扣扭矩：20 kN·m；旋轉(zhuǎn)加壓載荷：400 kN；水龍頭工作轉(zhuǎn)速：0～120 r/min；水龍頭輸出扭矩：3 kN·m；泥漿泵排量：25～30 L/s；泥漿泵工作壓力：35 MPa；井眼尺寸（直徑／井深）：20/100（in/m）。

3 臺(tái)架結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

多功能臺(tái)架設(shè)計(jì)有2個(gè)井位，1#工具試驗(yàn)的工作井位，2#鉆桿或套管上卸扣井位。試驗(yàn)臺(tái)架整體可通過(guò)液壓缸在軌道上移動(dòng)，進(jìn)行不同的操作；上卸扣裝置通過(guò)液壓缸也可在臺(tái)架底座上移動(dòng)，需進(jìn)行上卸扣操作時(shí)移至上卸扣井位，平時(shí)不工作或安裝井口裝置時(shí)可移至底座邊緣，以增大井口操作空間；為保證多功能試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)管柱段施加拉壓力不完全作用在車體或外層套管壁上，設(shè)計(jì)了多功能試驗(yàn)機(jī)井口夾緊液壓缸，當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行工具試驗(yàn)時(shí)，夾緊液壓缸夾緊井口裝置上的法蘭，與整個(gè)井口裝置連為一體，保證試驗(yàn)臺(tái)架施加的拉壓力和扭矩都形成內(nèi)力。液壓控制臺(tái)在底座上，便于井口操作。

3.1 多功能試驗(yàn)機(jī)

多功能試驗(yàn)機(jī)（底座）可由液壓缸推動(dòng)平移至工作井位或上卸扣井位。試驗(yàn)管柱起放系統(tǒng)和上卸扣系統(tǒng)配合，實(shí)現(xiàn)并滿足試驗(yàn)工具下放和提出，進(jìn)行試驗(yàn)工具和套管（或鉆桿）之間的螺紋聯(lián)接時(shí)，可對(duì)試驗(yàn)工具施加拉壓載荷、扭轉(zhuǎn)載荷。試驗(yàn)液從雙向動(dòng)力水龍頭進(jìn)入井筒內(nèi)。

多功能試驗(yàn)機(jī)由底座移動(dòng)、拉壓加載、施加扭矩、井口夾緊、鎖緊裝置等組成。

（1）底座移動(dòng)由兩個(gè)液壓缸推動(dòng)底座在軌道上的滑動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)井口的移動(dòng)及定位，就位后由4個(gè)圓柱銷定位。底座移動(dòng)液壓缸控制和操作在液壓控制臺(tái)上。

（2）拉壓加載：通過(guò)兩個(gè)主液壓缸對(duì)試驗(yàn)工具進(jìn)行加載。為保證兩缸同步，設(shè)計(jì)及制造門架導(dǎo)軌要求有足夠的精度，雙向水龍頭的安裝軸線確保絕對(duì)中心；為了兩端動(dòng)作同步，施力一致，液壓控制采用平衡閥及分流集流閥調(diào)整，兩缸同步問(wèn)題得到了解決。主液壓缸的系統(tǒng)最高壓力為25 MPa（當(dāng)主液壓缸工作壓力低于16 MPa時(shí)，用液壓站上的大泵加載；當(dāng)主液壓缸工作壓力高于16 MPa時(shí)，用液壓站上的小泵加載），輸出壓力（推力）和輸出拉力以及行程均可滿足試驗(yàn)的要求。在門架上裝有標(biāo)尺可測(cè)量主液壓缸位移。主液壓缸控制和操作閥在液壓控制臺(tái)上。

（3）扭矩加載：旋轉(zhuǎn)加扭機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)可承受壓力和拉力的雙向力的動(dòng)力水龍頭，安裝兩個(gè)主推力軸承，同時(shí)由低速大扭矩液壓馬達(dá)經(jīng)過(guò)一級(jí)齒輪減速驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)工具旋轉(zhuǎn)并施加扭矩。水龍頭液壓馬達(dá)控制和操作閥在液壓控制臺(tái)上。

（4）井口夾緊：兩個(gè)夾緊液壓缸，利用兩個(gè)夾緊液壓缸夾緊井口法蘭，當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行工具試驗(yàn)時(shí)，夾緊液壓缸夾緊井口裝置上的法蘭，與整個(gè)井口裝置連為一體，保證試驗(yàn)臺(tái)架施加的拉壓力和扭矩都形成內(nèi)力。井口夾緊液壓缸控制和操作閥在液壓控制臺(tái)上。

（5）鎖緊裝置：實(shí)現(xiàn)臺(tái)架大梁中心同井口中心定位。通過(guò)安裝在左、右門架鎖緊齒條和安裝在大梁上的8只鎖緊液壓缸，進(jìn)行鎖緊定位。液壓缸活塞桿端部設(shè)計(jì)有配對(duì)齒條，活塞桿伸出兩齒條嚙合后達(dá)到鎖緊。鎖緊液壓缸控制和操作閥在液壓控制臺(tái)上。

3.2 試驗(yàn)井筒

試驗(yàn)井筒由拉壓光桿、密封體、井口上法蘭、井口懸掛、井口下法蘭、轉(zhuǎn)換接頭、承扭螺栓、套管等組成。

利用社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析軟件Ucinet對(duì)頻次≥2次的關(guān)鍵詞共現(xiàn)矩陣進(jìn)行可視化，為了更為清晰地顯示日本移民研究領(lǐng)域的整體框架和研究重點(diǎn)，本研究選取的關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)閾值為2，即去除了網(wǎng)絡(luò)中共現(xiàn)1次的關(guān)鍵詞鏈接，結(jié)果如圖1所示。結(jié)合社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析的概念，圖1中，網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)是關(guān)鍵詞，節(jié)點(diǎn)的大小是與該關(guān)鍵詞相連的其他節(jié)點(diǎn)的多寡，連接的節(jié)點(diǎn)越多，節(jié)點(diǎn)越大，越說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)處于網(wǎng)絡(luò)的中心位置，是研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)之間的連線粗細(xì)則表示兩個(gè)關(guān)鍵詞共現(xiàn)的次數(shù)，共現(xiàn)的次數(shù)越高連線越粗，說(shuō)明這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的關(guān)系越緊密。

井筒套管為Φ20英寸套管100 m，外側(cè)用水泥固死，套管本體不受壓，為試驗(yàn)體提供環(huán)空通道。循環(huán)液通道是由密封體、井口上法蘭、井口懸掛、井口下法蘭與內(nèi)層套管或試驗(yàn)管柱所形成的循環(huán)通道，為解決內(nèi)層套管的懸掛、密封，形成各種需要的循環(huán)通道，滿足不同的試驗(yàn)工具試驗(yàn)要求，采用更換內(nèi)層套管懸掛的方法以提供不同的內(nèi)層套管組合。轉(zhuǎn)換接頭上連接著井口密封裝置，下聯(lián)接著試驗(yàn)工具，井口密封裝置保證試驗(yàn)管柱旋轉(zhuǎn)時(shí)與內(nèi)層套管之間承受35 MPa動(dòng)密封。

為保證多功能試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)管柱段施加100 t的拉壓力不完全作用在車體上，當(dāng)多功能試驗(yàn)機(jī)夾緊井口上法蘭時(shí)，與整個(gè)井口裝置連為一體，保證施加的拉壓力和扭矩都形成內(nèi)力。

工具試驗(yàn)過(guò)程：根據(jù)試驗(yàn)工藝要求，確定套管懸掛組合，用上卸扣裝置將套管扣依次連接好，要保證不同尺寸的套管達(dá)到各自的推薦上扣扭矩。連接試驗(yàn)工具的轉(zhuǎn)換接頭與光桿的扣，此時(shí)用井口裝置上的上扣卡盤與轉(zhuǎn)換接頭相連，然后將多功能試驗(yàn)機(jī)對(duì)準(zhǔn)井口，用多功能試驗(yàn)機(jī)上的上扣鉗將扣擰緊。上緊密封體與井口上法蘭的扣，操作井口夾緊液缸夾緊井口法蘭，此時(shí)井口被多功能試驗(yàn)機(jī)提起，連接好循環(huán)系統(tǒng)后進(jìn)入試驗(yàn)狀態(tài)。

3.3 上卸扣裝置

上卸扣裝置通過(guò)液缸可在臺(tái)架底座上移動(dòng)，需進(jìn)行上卸扣操作時(shí)移至上卸扣井位，平時(shí)不工作或安裝井口裝置時(shí)可移至底座邊緣，方便井口操作。上卸扣液缸控制和操作閥在液壓控制臺(tái)上。上卸扣管徑：套管（）英寸、鉆桿（）英寸，最大上卸扣扭矩為20 kN·m。

（1）上扣過(guò)程：吊卡放在井口位置上，上卸扣裝置用油缸推到井口位置（注意不要碰到吊卡），用夾緊裝置夾緊座于吊卡上的套管接箍或鉆桿接頭；用上吊卡吊另一根套管或鉆桿，對(duì)準(zhǔn)套管或鉆桿接箍，用吊鉗夾緊套管接箍或鉆桿接頭，用油缸推動(dòng)吊鉗進(jìn)行上扣。

（2）卸扣過(guò)程：套管或鉆桿卸扣時(shí)，需把吊鉗翻轉(zhuǎn)使用，其卸扣同上。

井口上扣分為上行程和下行程兩種工況：

（2）下行程工況。在上扣裝置工位將井筒內(nèi)的所有扣包括套管扣、工具與轉(zhuǎn)換接頭的扣上完；用井口插板將井內(nèi)試驗(yàn)工具固定至井口；此時(shí)上光桿與多功能試驗(yàn)機(jī)的NC38連接扣也已連好，將多功能試驗(yàn)機(jī)移到井口位，上提液缸，上轉(zhuǎn)換接頭與光桿的扣；去掉井口插板將井內(nèi)試驗(yàn)工具下放，將密封體與井口的扣上緊；上扣完畢，可做試驗(yàn)，卸扣過(guò)程與上扣過(guò)程相反。

3.4 循環(huán)系統(tǒng)

（1）循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)：泥漿泵壓力35 MPa；排量30 L/s；高壓管匯、管線、閥門工作壓力35 MPa；管線尺寸：通徑2英寸，外徑（）英寸；鉆井液罐：體積30 m3（20 m3+10 m3）。

（2）循環(huán)系統(tǒng)功能：實(shí)現(xiàn)各通道中流體的正反循環(huán)、打壓，并達(dá)到需要的流量要求。

（3）循環(huán)系統(tǒng)組成：該系統(tǒng)由一臺(tái)200 kW泥漿泵，泵的動(dòng)力配置，循環(huán)管匯，循環(huán)罐，管線等組成。循環(huán)管匯包括正反循環(huán)系統(tǒng)，高低壓管匯和高壓水龍帶等，高壓水龍帶與水龍頭、循環(huán)管匯相連。30 m3循環(huán)罐分為20 m3和10 m3兩個(gè)罐，罐內(nèi)配2個(gè)攪拌器，10 m3罐為穩(wěn)流沉沙罐。

（4）工作過(guò)程：泥漿泵將循環(huán)罐內(nèi)的液體加壓后通過(guò)高壓管匯，正反循環(huán)裝置，高壓水龍帶注入水龍頭實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)工況。然后通過(guò)井口，高壓水龍帶，正反循環(huán)系統(tǒng)，低壓管匯返回到循環(huán)罐。通過(guò)開(kāi)啟、關(guān)閉正反循環(huán)系統(tǒng)的閥門，可實(shí)現(xiàn)井口至水龍頭的反循環(huán)。

3.5 液壓控制系統(tǒng)

（1）配置參數(shù)：1#路工作力壓16 MPa，最大排量94.5 L/min；2#路工作力壓25 MPa，最大排量15 L/min；油箱容積1.5 m3。

（2）功能及組成：提供液壓源，控制各種液壓執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作，通過(guò)操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作的操作控制，并達(dá)到需要的強(qiáng)度及精度要求。液壓系統(tǒng)有液壓站、液壓管線、控制閥、操作臺(tái)等。

4 應(yīng)用效果

試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)首套2012年在吉林油田鉆井院配置完成，后期又陸續(xù)為遼河油田鉆井采油工藝研究院、勝利鉆井工藝研究院等多家配置，并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)測(cè)試精度及設(shè)備配置進(jìn)行了調(diào)整，并協(xié)同油田專家及當(dāng)?shù)刭|(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局對(duì)膨脹管、沖擊器的性能測(cè)試過(guò)程依據(jù)產(chǎn)品工藝要求進(jìn)行了驗(yàn)收，在工藝流程布置、設(shè)備配置、控制先進(jìn)水平、測(cè)試精度、測(cè)試范圍（拉壓力、動(dòng)力、流量）、測(cè)試安裝方便、節(jié)能減排等方面都達(dá)到了國(guó)內(nèi)同行業(yè)較高水平。近年來(lái)又進(jìn)行了多種規(guī)格的膨脹管、沖擊器及固井工具的測(cè)試，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，為企業(yè)產(chǎn)品優(yōu)化改進(jìn)及現(xiàn)場(chǎng)工藝調(diào)整提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。