DMS可溶球座性能測(cè)試一體化試驗(yàn)裝置研制

車(chē)?yán)^勇,王毅理,陳 磊,肖 波 ,譙正武,白文雄,張 鎧,李明娜

(1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司,上海 201518;2.長(zhǎng)慶油田分公司 機(jī)械制造總廠,西安 710201)

水平井分段壓裂技術(shù)經(jīng)過(guò)水力噴砂、復(fù)合橋塞、可溶橋塞發(fā)展階段,現(xiàn)在最新產(chǎn)品是DMS可溶球座壓裂工具。該工具以“可溶金屬封隔、壓后快速溶解”為技術(shù)核心,采用可溶卡瓦錨定、可溶金屬密封,以金屬密封替代膠筒密封,壓后7 d全部溶解,實(shí)現(xiàn)井筒壓后免干預(yù),達(dá)到降本增效目標(biāo)。

DMS可溶球座型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)均為破壞性試驗(yàn),試驗(yàn)內(nèi)容包含坐封、承壓、溶解3項(xiàng)試驗(yàn)。現(xiàn)有的試驗(yàn)裝置中,坐封試驗(yàn)是通過(guò)可溶球座連接坐封工具,加壓丟手后坐封,把油壓力換算成坐封力。承壓試驗(yàn)和溶解試驗(yàn)采用簡(jiǎn)易裝置手動(dòng)控制,精度較低,缺乏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)手段。試驗(yàn)采用抽樣方法,抽樣比例為2%,當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果不能滿足時(shí),加大抽樣比例10%～20%,并按照抽樣標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判定球座合格與否,造成可溶球座質(zhì)量控制難度大和制造成本加大。

為滿足DMS可溶球座出廠檢驗(yàn)和型式試驗(yàn)要求,依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范[1-8]和應(yīng)用研究[9-15],研制了DMS可溶球座性能測(cè)試一體化試驗(yàn)裝置,模擬鉆井現(xiàn)場(chǎng)工況,配套測(cè)量控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了可溶球座坐封試驗(yàn)、承壓試驗(yàn)、溶解試驗(yàn)3項(xiàng)試驗(yàn)自動(dòng)化檢測(cè),整體提升了坐封力測(cè)量精度及系統(tǒng)測(cè)試自動(dòng)化水平,實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。該試驗(yàn)裝置成功研發(fā)并得到應(yīng)用,可為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)研究代提供試驗(yàn)依據(jù)、積累試驗(yàn)數(shù)據(jù),同時(shí)為DMS可溶球座油田現(xiàn)場(chǎng)施工使用提供科學(xué)可靠的工藝參數(shù)。

1 結(jié)構(gòu)組成

DMS可溶球座性能測(cè)試一體化試驗(yàn)裝置(如圖1)采用一體化撬裝設(shè)計(jì),配套數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了可溶球座坐封試驗(yàn)、承壓試驗(yàn)、溶解試驗(yàn)3項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)字化、自動(dòng)化試驗(yàn)檢驗(yàn)。DMS可溶球座性能測(cè)試一體化試驗(yàn)裝置主要由加載試驗(yàn)裝置、錨定坐封試驗(yàn)裝置、承壓井筒裝置、液壓泵站、集中測(cè)控操作臺(tái)、溫控裝置、試壓泵及氣動(dòng)控制閥組、保溫溶解筒裝置、小型靜音空壓機(jī)組、電動(dòng)懸臂吊、供水箱、液壓管線、熱水循環(huán)管線、壓縮空氣管線、靜壓管線、動(dòng)力電纜、測(cè)控信號(hào)線、打印機(jī)等組成。

1-液壓泵站;2-集中測(cè)控操作臺(tái);3-移動(dòng)缸;4-錨定坐封裝置;5-承壓井筒; 6-懸臂吊;7-保溫溶解筒;8-試壓泵及氣動(dòng)控制閥組;9-溫控裝置。圖1 DMS可溶球座試驗(yàn)裝置

2 主要技術(shù)參數(shù)

DMS可溶球座性能測(cè)試一體化試驗(yàn)裝置適用于油氣井使用的DMS可溶球座產(chǎn)品出廠錨定坐封及承壓試驗(yàn)、溶解試驗(yàn),產(chǎn)品設(shè)計(jì)更新?lián)Q代的型式試驗(yàn),可溶材料研究錨定和溶解試驗(yàn)。主要技術(shù)參數(shù)如下:

最大錨定坐封力

300 kN

錨定坐封行程

40～60 mm

球座密封最大試驗(yàn)壓力

70 MPa

KCL溶解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)

0.2%

球座溶解時(shí)間

48～120 h

溫控范圍

室溫～100 ℃

錨定坐封力測(cè)試精度

0.5%FS

壓力測(cè)試精度

0.5%FS

溫度測(cè)試精度

±2℃

防護(hù)等級(jí)

IP65

總裝機(jī)功率

50 kW

3 主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 錨定坐封裝置

錨定坐封裝置由特制雙級(jí)液缸、力加載裝置、推筒、坐封套管、坐封支架、可溶球座、測(cè)力軸、測(cè)力傳感器等組成,設(shè)有安裝工位和坐封試驗(yàn)工位,如圖2所示。操控移動(dòng)缸將坐封支架推到安裝工位,安裝井筒,再控制移動(dòng)缸將坐封支架移動(dòng)到坐封試驗(yàn)工位,特制液缸的一級(jí)液缸伸出與可溶球座連接,連接后將可溶球座下入井筒內(nèi),可溶球座底部拉桿與測(cè)力軸接觸。特制液缸的二級(jí)液缸伸出通過(guò)推筒對(duì)可溶球座施加坐封載荷,使可溶球座坐封,坐封力可通過(guò)測(cè)力軸下部的測(cè)力傳感器直接精確測(cè)量。

1-特制雙級(jí)液缸;2-力加載裝置;3-推筒;4-坐封套管;5-坐封支架; 6-可溶球座;7-測(cè)力軸;8-測(cè)力傳感器。圖2 錨定坐封裝置

3.2 承壓試驗(yàn)系統(tǒng)

3.2.1 承壓井筒

用于DMS可溶球座進(jìn)行承壓試驗(yàn),球座經(jīng)錨定試驗(yàn)合格后,由懸臂吊將錨定在套管上的球座和套管一起吊入承壓井筒,并進(jìn)行固定,如圖3所示。

1-上密封塞;2—上密封頭;3—錐堵頭;4—套管;5—夾套;6-承壓井筒支架。圖3 承壓井筒

3.2.2 水壓試驗(yàn)系統(tǒng)

包含試壓泵、水箱及氣動(dòng)閥組。

試壓泵提供承壓試驗(yàn)的液體試驗(yàn)壓力,采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng),變頻器控制,可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出排量。試壓泵額定工作壓力125 MPa,額定排量64 L/h。氣動(dòng)閥組用于控制承壓試驗(yàn)保壓和卸壓,壓力管線采用14.3 mm(9/16英寸)不銹鋼管,氣動(dòng)閥選用進(jìn)口閥 。在試壓泵上部配有0.5 m3的水箱,主要為電動(dòng)試壓泵機(jī)組進(jìn)行承壓試驗(yàn)時(shí)提供水源、同時(shí)為溫控裝置提供清水。水壓試驗(yàn)系統(tǒng)與承壓井筒裝置連接,對(duì)DMS可溶球座進(jìn)行錨定密封試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 水壓試驗(yàn)系統(tǒng)

3.3 恒溫溶解筒

用于DMS可溶球座進(jìn)行溶解試驗(yàn)。

內(nèi)筒采用不銹鋼雙相鋼制造,放置KCL溶液。外筒用304不銹鋼制造,循環(huán)熱水在內(nèi)筒和外筒之間的夾套中流動(dòng),加熱內(nèi)筒的氯化鉀溶液。外筒外部有保溫和不銹鋼外罩。溶解筒上部還布置有攪拌器和溫度傳感器,可以攪拌內(nèi)筒內(nèi)的氯化鉀溶液,測(cè)量氯化鉀溶液的溫度。在溶解筒上部安裝有3只高精度稱(chēng)重傳感器,單只稱(chēng)重傳感器量程0～20 kg,可溶球座在溶解過(guò)程中會(huì)掉入網(wǎng)狀護(hù)罩里,稱(chēng)重傳感器可以實(shí)時(shí)記錄可溶球座溶解過(guò)程中的質(zhì)量變化,進(jìn)而感知球座溶解速率。在溶解筒底部配有水下高清攝像頭,可進(jìn)行整個(gè)溶解過(guò)程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1—稱(chēng)重傳感器;2—網(wǎng)狀護(hù)罩;3—攪拌器;4—溫度傳感器;5—保溫溶解筒; 6—井下攝像頭。圖5 恒溫溶解筒

3.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)(額定工作壓力16 MPa)為錨定坐封實(shí)現(xiàn)精確載荷控制及試驗(yàn)裝置上的各液壓缸提供液壓動(dòng)力。泵站流量控制為變頻電機(jī)+定量柱塞泵工作模式,通過(guò)溢流閥控制泵站出口壓力?？刂葡到y(tǒng)可模擬恒壓變量泵工作模式、模擬不同排量定量泵工作模式。其結(jié)構(gòu)主要包含油箱、液壓泵、液壓閥塊、電磁閥、過(guò)濾器、壓力表等。液壓系統(tǒng)原理如圖6所示。

3.5 控制系統(tǒng)

主要實(shí)現(xiàn)裝置各種試驗(yàn)工藝參數(shù)測(cè)量和控制以及所有設(shè)備的配電及控制。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(guò)采集后輸送到上位機(jī)顯示、存儲(chǔ)和輸出。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?組態(tài)軟件采用Wincc。控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖7所示,管理系統(tǒng)組態(tài)界面如圖8所示。

1—60/40-1000型特制雙級(jí)油缸;2—疊式溢流安全閥罩;3—電磁換向閥;4—180/110-800型特制油缸;5—40/20E-600型工位推送油缸; 6—疊式減壓閥;7—高壓柱塞泵;8—電磁溢流閥;9—風(fēng)冷卻器機(jī)組;10—回油濾油器。圖6 液壓系統(tǒng)原理

圖7 數(shù)字化控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

4 試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果

4.1 錨定坐封試驗(yàn)

DMS可溶球座與特制液缸的一級(jí)缸連接,整體下入試驗(yàn)套管底部與測(cè)力軸接觸,二級(jí)缸連接推筒伸出對(duì)可溶球座施加坐封力使可溶球座坐封,通過(guò)底部的測(cè)力傳感器測(cè)量坐封力。

判定依據(jù):坐封力與設(shè)計(jì)值偏差不超過(guò)±5 kN為合格。

4.2 承壓試驗(yàn)

將錨定在套管上的可溶球座與套管用懸臂吊吊入承壓井筒裝置,安裝好錐堵頭、上密封塞、軟管。開(kāi)啟加溫裝置,將DMS可溶球座加熱到試驗(yàn)溫度50℃,保溫4 h后,開(kāi)啟試壓泵進(jìn)行承壓試驗(yàn),依次加壓10、20、30、40、50、60 MPa。每階段穩(wěn)壓1 min,升至70 MPa后停泵,穩(wěn)壓30 min,自動(dòng)卸壓。整過(guò)試壓過(guò)程數(shù)字化自動(dòng)控制,人員不在現(xiàn)場(chǎng),確保人員安全。試驗(yàn)完成自動(dòng)出試驗(yàn)報(bào)告,并繪制曲線。

判定依據(jù):壓降≤1 MPa 為合格。

4.3 溶解試驗(yàn)

在恒溫溶解筒里配置好質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2% KCL溶液,開(kāi)啟加溫裝置,使KCL溶液加熱到試驗(yàn)溫度,將球座與套管吊入恒溫溶解桶,確保氯化鉀溶液能夠始終充分接觸可溶球座。當(dāng)壓力陡降時(shí),自動(dòng)記錄有效密封時(shí)間,自動(dòng)記錄停泵至可溶球座全部轉(zhuǎn)化為降解產(chǎn)物的時(shí)間,作為充分溶解時(shí)間。自動(dòng)記錄自溶解開(kāi)始至DMS可溶球座完全溶解的時(shí)間,作為完全溶解時(shí)間。井下攝像頭可對(duì)整個(gè)溶解過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化監(jiān)控。

合格判定依據(jù):可溶球座在溫度40～80 ℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的KCL 溶液中,失去錨定有效密封時(shí)間、充分溶解時(shí)間≤48 h,完全溶解時(shí)間應(yīng)滿足《DMS 可溶球座技術(shù)規(guī)范》(Q/SY CQ02668-2020)可溶等級(jí)要求。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

圖9 可溶球座試驗(yàn)曲線

DMS可溶球座性能測(cè)試一體化試驗(yàn)裝置建成后,已進(jìn)行了10多次的可溶球座坐封試驗(yàn)、承壓試驗(yàn)、溶解試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果證明,試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

1) DMS可溶球座性能測(cè)試一體化試驗(yàn)裝置試驗(yàn)工藝及檢測(cè)結(jié)果滿足DMS可溶球座技術(shù)規(guī)范,達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求,完全滿足DMS可溶球座型式試驗(yàn)的功能要求,試驗(yàn)安全可靠。

2) 整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)全部集成在1個(gè)試驗(yàn)撬座上,布局緊湊,結(jié)構(gòu)合理,占地面積小,便于移動(dòng),既可實(shí)現(xiàn)就地控制,也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3) 采用模擬鉆井現(xiàn)場(chǎng)工況設(shè)計(jì),配套自動(dòng)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了可溶球座坐封試驗(yàn)、承壓試驗(yàn)、溶解試驗(yàn)3項(xiàng)試驗(yàn)自動(dòng)化,為可溶球座產(chǎn)品設(shè)計(jì)和科研提供先進(jìn)、可靠的試驗(yàn)手段,同時(shí)為DMS可溶球座油田現(xiàn)場(chǎng)施工使用提供科學(xué)可靠的工藝參數(shù)。

4) 本試驗(yàn)裝置改變了傳統(tǒng)的可溶球座坐封力通過(guò)計(jì)算截面面積乘以水壓計(jì)算載荷的測(cè)量方式,采用測(cè)力傳感器 ,實(shí)現(xiàn)了精確測(cè)量坐封載荷,確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。