0 引 言
水平井分段压裂完井工艺要求完井工具必须具备耐高温、耐高压和安全性能好的特点,全面细致的室内试验是加速水平井多级压裂完井技术研发的有效手段;同时,压裂完井工具的检测评价也是压裂作业现场施工的保障。目前,国内外还没有成熟的压裂完井工具试验装置,而常规试验装置的试验能力已不能满足压裂完井工具模拟试验的要求[1-5]。鉴于此,笔者研制了压裂完井工具高温高压性能模拟试验装置。该试验装置是在室内对井下工具进行井底温度和压力模拟试验的平台。该装置在井下高温高压模拟环境下能实现压裂完井用封隔器、压裂用投球滑套、隔离阀、预置滑套与开关工具等的性能测试,同时还可以进行分层采油工具、注水工具和其他井下工具的模拟试验[6],可以真实而有效地评价井下工具的工作性能。
1 技术分析与常规的井下工具相比,压裂完井工具的工作环境压力与温度更高,个别井次压力可达105 MPa,井下温度可达150 ℃以上。因此,井下工具试验时要求试验井筒耐压达到105 MPa以上,井筒整体可加热到150 ℃以上,并且可以进行井下工具的动作模拟及耐压情况的测试。所以需要对整个试验装置进行设计[7]。
1.1 总体方案设计根据压裂完井工具的实际工况和结构特点,提出了该试验装置的总体设计方案。该试验装置是一个综合性的试验系统,它包括井口移动式试验台、高温高压模拟井筒、液压动力系统、油浴加热系统与控制系统,其结构如图 1所示。
模拟井筒的主要作用是模拟井下井眼的情况,形成一个密闭空间,内置压力传感器和温度传感器,实现对封隔器的坐封和耐压性能的检验。移动式试验台是动力加载装置,在这个平台上能完成井下工具性能试验的各种动作和步骤[8]。移动式试验台动力加载装置由液压马达驱动,可沿预定轨道移动并对准试验井位,连接被试验工具组合或管柱并完成井下工具上提、下放及加载动作,与试验井形成一个封闭的受力框架。该装置上还布置有各种执行单元,可以实现拉、压和扭转等动作。
1.2 工作原理该试验装置工作时,首先将移动式试验台移到试验井筒上方,并将中心对准试验井筒的中心,将被测试工具通过移动式试验台下入试验井筒内,并根据工具特点利用移动式试验台的动作机构完成工具的动作,利用试验装置的加热装置对试验井筒加热,当加热到试验温度后,开始进行工具的各项技术指标试验,通过测控系统对试验数据进行采集、记录与显示。
1.3 主要技术参数试验井筒规格ø159 mm(7 in)、ø127 mm(5 1/2 in),试验压力140 MPa,试验温度200 ℃,加载拉压力±500 kN,加载扭矩±5 kN·m,加载行程1 000 mm。
2 主要结构设计 2.1 移动式试验台 2.1.1 结构及工作原理移动式试验台(见图 2)由液压提供动力,是整套试验装置的动作机构和移动机构。
采用双层试验台结构,可上、下、左、右移动,方便精确地定位,居中动力装置可倾斜,方便试验过程中工具的下入。移动操作台底盘上装有移动滚轮,框架由2根立柱和1个上横梁组成,在横梁上每根立柱内侧各安装1个拉压油缸,同时与底盘和试验井组成1个封闭的受力系统。2个立柱的一侧分别安装有液压缸,用于调整立柱与横梁的斜度,便于对井口让位。旋转总成采用低速大扭矩液压马达,输出扭矩可达5 kN·m,可实现管柱的正反向转动。地面设计有平行导轨,采用液压马达实现移动台架在2口井之间的移动。电气与控制部分有独立的控制柜与移动操作台,能按要求实现对动力加载装置各种动作的有效控制。
2.1.2 有限元分析用ANSYS软件对试验装置的结构进行强度分析。采用自由划分网格与扫掠划分网格相结合的方式对试验装置有限元模型进行网格划分。在动力头处加向下500 kN的拉力,在底盘下表面添加Y方向的约束,从应力云图(见图 3a)可以看出,被测工具受拉力时,大部分结构受力较小,只有活动横梁和马达轴下部受力较大,最大应力在活动横梁的孔上,其值为91.302 MPa,小于材料的许用应力120.000 MPa,满足强度要求。压缩工况(见图 3b)与拉拉伸工况相似,最大应力在活动横梁与马达的连接处,其值为90.082 MPa,小于材料许用应力120.000 MPa,满足强度要求。扭转工况指被测试工具受扭矩的情况,扭矩加载系统通过动力头与被测试工具相连接,在动力头处添加5 kN·m的扭转载荷,在底盘下表面添加Y方向的约束,从应力云图(见图 3c)可以看出,当被测工具受扭转载荷时,大部分结构受力较小,只有活动横梁与框架立柱连接处、框架与底盘连接处等承受扭转载荷的部分应力较大,其值为6.534 MPa,远小于材料许用应力。因此该结构可以满足加载5 kN·m扭转载荷需要。
2.2 试验井筒与油浴加热系统
根据试验装置的技术要求,采用油液循环加热方式对井筒进行加热。试验井筒与加热系统结构示意图如图 4所示。
加热炉为封闭式结构,置于实验室外,通过高温循环泵提供一定温度的油液对井筒加热。高温油浴筒采用无缝热镀锌管焊接,中间填充保温材料,上法兰预留3个温度测量接口,在内筒壁均匀布置3个测温点。高温油液通过热油循环装置从油浴筒底部进入,从井口流出进行循环,套管和油浴筒通过法兰连接在一起,借助悬挂装置坐在井口[9]。
高压模拟井筒能实现套管单独取出。在套管不同的侧面和不同位置开多个孔,用于安装毛细管。其他不用的孔先用螺栓封住,需要时打开[10]。该模拟井筒均匀分布5个加压口,分别与筒口出油口法兰连接,油管选用无缝钢管连接,可承压140 MPa,油管与筒体固定,整体可拆卸。利用该装置可进行压裂完井工具高温高压下的密封性能、力学性能及动作可靠性试验。
3 试验情况压裂完井工具高温高压性能模拟试验装置在胜利油田分公司石油工程技术研究院压裂完井工具实验室进行了相关试验。
试验结果表明,其动作机构可以提供500 kN的上提和下压力以及5 kN·m的扭矩,满足拉、压、扭试验要求;模拟井筒密封性能良好,试验最高压力135 MPa,不存在泄漏问题,能够保证封隔器测试的准确性;横梁机构倾斜角度可以满足井下工具下入的需要,试验台可平稳地在模拟井筒之间运行,并可方便地对准井口;加热系统采用高温导热油循环加热方式,加热试验时最高温度为200 ℃;单井筒加热时间在5 h左右,加热系统满足使用要求,温度控制精度为±5 ℃。
4 结 论(1) 压裂完井工具高温高压性能模拟试验装置设计有可加热可承高压的模拟井筒,可模拟井下工具的工作环境,符合压裂完井工具的工作特点,可对井下工具的性能进行有效的检测,并可适用于其他井下工具的检测和试验。
(2) 试验装置的地面加载装置可进行拉、压和扭转等动作,满足各种井下工具坐封和解封等动作要求,可在2口井之间移动,操作台架可倾斜,操作台面可前、后、左、右4个方向调节,方便试验操作。
(3) 试验井筒与加热系统采用油浴循环加热方式,加热效率高,耗能低,且节能环保,试验井筒置于地面以下,可保证试验效果与试验安全。
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