CN104515689A - 井下工具高温高压模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井下工具高温高压模拟试验装置以及使用该装置进行石油井下工具模拟试验的方法。该装置包括低压驱动***、高压油***、高温循环***、温度及压力测量***、模拟井筒、计算机控制采集及视频监控***。试验时高压油***向模拟井筒内注入模拟井下流体的介质，模拟并控制模拟井筒在井下工作的压力；整个过程中通过压力温度测量***实时采集装置的压力及温度数据，计算机控制采集***集成控制、人机界面、数据处理、通讯等功能于一体，视频监控***负责监控整个装置的运行情况。本发明模拟石油钻完井工具在井下高温高压情况下的工作状态，为现场应用提供有力的参考依据。

Description

井下工具高温高压模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及井下工具检测及实验装置和方法领域，具体是一种井下工具高温高压模拟试验装置及试验方法。

背景技术

石油井下工具是实现石油钻完井要求的关键，是完成钻完井工艺的前提和保证，随着油田开发的不断深入，各种难动用油藏的开发需求越来越迫切，井深不断增加，井型日益复杂，这些都对石油井下工具的性能提出了更高的要求，尤其是在高温高压状态下工具的可靠性更为关键。但是目前石油井下工具的地面试验缺乏科学有效的技术手段，没有专业的模拟试验装置以及科学的试验方法，不能有效地模拟工具在井下的工作状态，许多工具在地面试用取得成功，但是下井后出现各种各样的问题。模拟装置和试验方法的缺失，为现场施工埋下了隐患。

发明内容

本发明就是针对上述缺陷，提供一种井下工具高温高压模拟试验装置及试验方法，该高温高压模拟试验装置及试验方法能模拟多种完井方式，提供工具在井下的高温高压工作状态，测试工具的可靠性，为现场施工提供依据。

本发明是通过以下技术方案实现的： 

一种井下工具高温高压模拟试验装置，包括模拟井筒以及为模拟井筒配套的低压驱动***、高压油***、高温循环***、温度及压力测量***，其中：模拟井筒是在套管法兰和套管盲法兰之间连接内管和外管，内、外管之间形成环形加热腔，在内管的上、下端通过隔离板分别与套管法兰和套管盲法兰内壁组成上、下压力腔，在套管法兰的上压力腔内设置转换接头和内管打捞接头，内管打捞接头从套管法兰外断面开口处伸出并与上密封塞密封连接；所述的高温循环***是将导热油加热炉和高压热泵通过加热管线循环连接至模拟井筒的加热腔；所述的高压油***是将高压泵通过高压管线连接到模拟井筒的上、下压力腔及内管；所述的低压驱动***是将驱动气源通过电磁阀连接至高压油***的高压泵；所述的温度及压力测量***是包括设置在模拟井筒和高温循环***的温度传感器、设置在模拟井筒和高压油***的压力传感器，以及设置在高压油***的流量传感器。

上述方案还包括：

所述***中还包括计算机控制采集及视频监控***，所述的计算机控制采集及视频监控***包括控制、人机界面、数据处理、通讯和视频监控于一体，并与装置中的电子控制部件建立连接。

模拟井筒与高温循环***的加热管线和高压油***的高压管线连接分别通过设在模拟井筒套管法兰和套管盲法兰上的引流孔建立连接；所述高温循环***的导热油加热炉为电加热炉，并在其循环管道上连接恒温箱；在高压油***与模拟井筒的高压连接管上分别设有截止阀；在低压驱动***中的驱动气源输出管上设有气体过滤器；在高压油***与模拟井筒连接的高压管线上设有压力表、安全阀和介质过滤器；在模拟井筒的上、下压力腔分别设有排油阀门。

本发明还包括按照前述井下工具高温高压模拟试验装置的石油井下工具高温高压模拟试验方法是：

低压驱动***的驱动气源通过计算机控制采集***有效控制驱动空气的压力等级，完成固定增压比的高压泵对模拟井筒的高压输出；高压油***向模拟井筒内注入模拟井下流体的介质，模拟并控制模拟井筒在井下工作的压力；高温循环***通过高压热泵给装置加热以模拟井下温度，通过循环施加给装置的循环压力；通过压力温度测量***实时采集装置的压力及温度数据，计算机控制采集***集成控制、人机界面、数据处理、通讯功能于一体，视频监控***负责监控整个装置的运行情况。

按照上述井下工具高温高压模拟试验方法的具体步骤是： 

1.     将装置中的各个***及***与模拟井筒之间建立管线连接和电路连接；

2.     根据所选择试验的模拟井筒，调节并打开模拟井筒的高压管线截止阀，关闭上、下压力腔的排油阀门；

3.     接通装置中各***及模拟井筒的电源；

4.     打开计算机并登陆试验控制软件；

5.     填写试验文件，如试件的型号、规格、试验编号、试验员名称、试验日期；

6.     试验参数设定，包括模拟井筒的排气压力、打压顺序、试验压力、保压时间参数，以便通过软件控制来完成整个试验过程；

7.     运行控制软件，通过控制软件完成试验流程，试验中及时观察控制面板上面对应的数显表的观察试验压力及温度的数据变化；

8.     试验结束后，通过监控测试应用软件自动输出动态参数的测试曲线和试验报告。

本发明具有以下优点：

（1） 整套高温高压试验装置具有断电自动卸压、过载保护、手动急停、过载报警等安全功能，以确保试验的安全进行

（2） 结构简易，连接安全可靠，设备均可灵活拆卸，计算机控制采集***可以保证所有的试验操作均可在控制台上完成。

（3） 可以通过计算机全自动控制整个试验过程，也可以通过控制柜上的按钮开关手动控制试验过程，计算机控制采集***的操作软件界面人性化，运行可靠。

（4）计算机控制软件可以实现试验数据的实时保存，自动生成试验报告。

附图说明

图1是一种井下工具高温高压模拟试验装置连接结构简图；

图中：1是7bar驱动气源，2是过滤器， 3是电磁阀， 4是压力表 ，5是高压泵， 6是安全阀， 7是压力表， 8是过滤器， 9是高压热泵， 10是恒温箱， 11是模拟井筒， 12是压力传感器， 13是温度传感器，E是计算机控制采集及视频监控***。

图2是高温高压模拟井筒结构示意图；

图中：14是套管法兰， 15是内管，16是外管， 17是螺钉 ，18是套管盲法兰， 19是截止阀， 20是高压弯头， 21是加热管线， 22是高压硬管线 ，23是内管打压接头， 24是上密封塞， 25转换接头。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

实施例1

一种井下工具高温高压模拟试验装置，包括模拟井筒以及为模拟井筒配套的低压驱动***、高压油***、高温循环***、温度及压力测量***，其中：模拟井筒是在套管法兰和套管盲法兰之间连接内管和外管，内、外管之间形成环形加热腔，在内管的上、下端通过隔离板分别与套管法兰和套管盲法兰内壁组成上、下压力腔，在套管法兰的上压力腔内设置转换接头和内管打捞接头，内管打捞接头从套管法兰外断面开口处伸出并与上密封塞密封连接；所述的高温循环***是将导热油加热炉和高压热泵通过加热管线循环连接至模拟井筒的加热腔；所述的高压油***是将高压泵通过高压管线连接到模拟井筒的上、下压力腔及内管；所述的低压驱动***是将驱动气源通过电磁阀连接至高压油***的高压泵；所述的温度及压力测量***是包括设置在模拟井筒和高温循环***的温度传感器、设置在模拟井筒和高压油***的压力传感器，以及设置在高压油***的流量传感器。

所述***中还包括计算机控制采集及视频监控***，所述的计算机控制采集及视频监控***包括控制、人机界面、数据处理、通讯和视频监控于一体，并与装置中的电子控制部件建立连接。

模拟井筒与高温循环***的加热管线和高压油***的高压管线连接分别通过设在模拟井筒套管法兰和套管盲法兰上的引流孔建立连接；所述高温循环***的导热油加热炉为电加热炉，并在其循环管道上连接恒温箱；在高压油***与模拟井筒的高压连接管上分别设有截止阀；在低压驱动***中的驱动气源输出管上设有气体过滤器；在高压油***与模拟井筒连接的高压管线上设有压力表、安全阀和介质过滤器；在模拟井筒的上、下压力腔分别设有排油阀门。

按照前述井下工具高温高压模拟试验装置的井下工具高温高压模拟试验方法是：

低压驱动***的驱动气源通过计算机控制采集***有效控制驱动空气的压力等级，完成固定增压比的高压泵对模拟井筒的高压输出；高压油***向模拟井筒内注入模拟井下流体的介质，模拟并控制模拟井筒在井下工作的压力；高温循环***通过高压热泵给装置加热以模拟井下温度，通过循环施加给装置的循环压力；通过压力温度测量***实时采集装置的压力及温度数据，计算机控制采集***集成控制、人机界面、数据处理、通讯功能于一体，视频监控***负责监控整个装置的运行情况。

按照上述井下工具高温高压模拟试验方法的具体步骤是： 

1.     将装置中的各个***及***与模拟井筒之间建立管线连接和电路连接；

2.     根据所选择试验的模拟井筒，调节并打开模拟井筒的高压管线截止阀，关闭上、下压力腔的排油阀门；

3.     接通装置中各***及模拟井筒的电源；

4.     打开计算机并登陆试验控制软件；

5.     填写试验文件，如试件的型号、规格、试验编号、试验员名称、试验日期；

6.     试验参数设定，包括模拟井筒的排气压力、打压顺序、试验压力、保压时间参数，以便通过软件控制来完成整个试验过程；

7.     运行控制软件，通过控制软件完成试验流程，试验中及时观察控制面板上面对应的数显表的观察试验压力及温度的数据变化；

8.     试验结束后，通过监控测试应用软件自动输出动态参数的测试曲线和试验报告。

实施例2，一种典型应用实施例。

该井下工具高温高压模拟试验装置，包括低压驱动***、高压油***、高温循环***、温度及压力测量***、模拟井筒、计算机控制采集及视频监控***。低压驱动***负责为高压油***提供动力源，高压油***负责提供模拟试验压力，高温循环***负责给模拟装置注入加热油提供高温环境，温度及压力测量***负责对温度、压力数据进行采样，模拟井筒主要是模拟工具井下的工况，计算机控制采集及视频监控***负责控制运行、数据采集处理及试验过程的视频监控。

下面结合附图1和附图2详细说明该井下工具高温高压模拟试验装置的主要部分及功能。

驱动气源1是低压驱动***的驱动气体来源，实验时计算机控制采集***通过控制电磁阀3有效控制驱动空气的压力等级，从而完成固定增压比的高压泵5对模拟井筒11的高压输出。

高压泵5为高压油***增压的核心部件，试验时通过低压驱动***的空气驱动来工作。高压泵5向模拟井筒内注入模拟井下流体的介质，模拟并控制模拟井筒在井下工作的压力，模拟井筒11的上、下压力腔及内管15与高压泵5之间通过高压硬管线22连接，从而完成高压泵5对模拟井筒11的上、下腔及内管15的高压输出。

高温循环***通过高压热泵9负责给装置加热以模拟井下温度，加热介质为合成式导热油，高压热泵9通过加热管线21连接到模拟井筒11，通过循环泵使高压热泵9及模拟井筒11之间形成一个加热循环，形成高温循环***；整个过程中通过温度传感器13、压力传感器12及压力表4 、7实时采集装置的温度及压力数据；计算机控制采集***集成控制、人机界面、数据处理、通讯等功能于一体，视频监控***负责监控整个装置的运行情况。

模拟井筒11为该井下工具高温高压模拟试验装置的核心部分。其通过22高压硬管线和截止阀19与高压泵5进行连接，通过控制上下腔截止阀19分别控制内管15所承受的上腔压力和下腔压力，通过内管打压接头23和转换接头25连接内管试压工具（如封隔器等）；通过加热管线21与高压热泵9电加热导热油炉进行连接。模拟井筒11中安装有压力传感器，为防止***压力过载，当***压力过载时，安全阀6会根据安全压力设置开启释放掉过载的压力，确保***安全。

温度及压力测量***主要包括温度传感器13、压力传感器12及压力表4、 7等，压力传感器12负责采集各路的压力数据，压力表4 、7负责显示试验压力，温度传感器13负责测试模拟井筒11里面的温度。

为防止卸压时工件里面的碎片回冲堵住管路及损坏其他仪表，高压管线中安装有过滤器8，其中上压腔及下压腔直接采用高压硬管线螺纹连接，内管采用高温高压螺纹连接。

为增加了***的灵活性，计算机控制采集***将控制、人机界面、数据处理、通讯等功能集成在一台电脑上，压力与温度数据实时采集并存入计算机数据库，减少了数据处理的信息量，提高***整体的运行速度，扩充了整体的存储量和数据的处理量。视频监控***为达到安全全面的监视试验现场，通过视频监控***形成视频画面来观察试验的整个过程。

对于模拟井筒主要有以下技术要求：

（1） 高温高压模拟井筒首先在地面将法兰14和18、内外套管15和16组装，在试压合格后进行焊接，然后进行整体安装，最后连接配套的加热管线21和高压硬管线22；

（2） 试验压力50MPa，时间不小于10min；

（3） 要求高压管线22及配套接头、截止阀19等的工作压力105MPa，要求加热管线21及配套接头的工作压力5MPa；

（4） 整套装置安装完毕，要进行二次试压，压力要求同上，时间要求不小于5min。

下面简述应用上述石油井下工具高温高压模拟试验装置的具体试验步骤：

（1） 接通驱动气路，打开电源，使设备与计算机连通；

（2） 检查模拟井筒的高压管线连接情况，确保上、下腔及内管已经安全连接，确保上、下腔的排油阀门处于关闭状态；

（3） 打开计算机并登陆试验控制软件；

（4） 填写试验文件，如试件的型号、规格、试验编号、试验员名称、试验日期等；

（5） 试验参数设定，主要设定模拟井筒的排气压力、打压顺序、试验压力、保压时间等参数以便通过软件控制来完成整个试验过程；

（6） 运行控制软件，通过控制软件完成试验流程，试验中及时观察控制面板上面对应的数显表的观察试验压力及温度的数据变化；

（7） 试验结束后，通过监控测试应用软件自动输出动态参数的测试曲线和试验报告；

（8） 试验结束后自动生成试验报告。

实施例3

一种井下工具高温高压模拟试验装置，包括模拟井筒以及为模拟井筒配套的低压驱动***、高压油***、高温循环***、温度及压力测量***，其中：模拟井筒是在套管法兰和套管盲法兰之间连接内管和外管，内、外管之间形成环形加热腔，在内管的上、下端通过隔离板分别与套管法兰和套管盲法兰内壁组成上、下压力腔，在套管法兰的上压力腔内设置转换接头和内管打捞接头，内管打捞接头从套管法兰外断面开口处伸出并与上密封塞密封连接；所述的高温循环***是将导热油加热炉和高压热泵通过加热管线循环连接至模拟井筒的加热腔；所述的高压油***是将高压泵通过高压管线连接到模拟井筒的上、下压力腔及内管；所述的低压驱动***是将驱动气源通过电磁阀连接至高压油***的高压泵；所述的温度及压力测量***是包括设置在模拟井筒和高温循环***的温度传感器、设置在模拟井筒和高压油***的压力传感器，以及设置在高压油***的流量传感器。

上述实施例3是一种采用手控方式简化的装置，装置中减少了压力表、过滤器、安全阀等辅助装置，这就要求使用过程中需要人工密切关注和精心操控。其试验方法借鉴上述实施例的步骤，只是数据采集与计算需要借助人工或外在设备进行。

Claims (5)

1.一种井下工具高温高压模拟试验装置，其特征是包括模拟井筒以及为模拟井筒配套的低压驱动***、高压油***、高温循环***、温度及压力测量***，其中：模拟井筒是在套管法兰和套管盲法兰之间连接内管和外管，内、外管之间形成环形加热腔，在内管的上、下端通过隔离板分别与套管法兰和套管盲法兰内壁组成上、下压力腔，在套管法兰的上压力腔内设置转换接头和内管打捞接头，内管打捞接头从套管法兰外断面开口处伸出并与上密封塞密封连接；所述的高温循环***是将导热油加热炉和高压热泵通过加热管线循环连接至模拟井筒的加热腔；所述的高压油***是将高压泵通过高压管线连接到模拟井筒的上、下压力腔及内管；所述的低压驱动***是将驱动气源通过电磁阀连接至高压油***的高压泵；所述的温度及压力测量***是包括设置在模拟井筒和高温循环***的温度传感器、设置在模拟井筒和高压油***的压力传感器，以及设置在高压油***的流量传感器。

2.根据权利要求1所述的井下工具高温高压模拟试验装置，其特征是：所述***中还包括计算机控制采集及视频监控***，所述的计算机控制采集及视频监控***包括控制、人机界面、数据处理、通讯和视频监控于一体，并与装置中的电子控制部件建立连接。

3.根据权利要求1或2所述的井下工具高温高压模拟试验装置，其特征是：模拟井筒与高温循环***的加热管线和高压油***的高压管线连接分别通过设在模拟井筒套管法兰和套管盲法兰上的引流孔建立连接；所述高温循环***的导热油加热炉为电加热炉，并在其循环管道上连接恒温箱；在高压油***与模拟井筒的高压连接管上分别设有截止阀；在低压驱动***中的驱动气源输出管上设有气体过滤器；在高压油***与模拟井筒连接的高压管线上设有压力表、安全阀和介质过滤器；在模拟井筒的上、下压力腔分别设有排油阀门。

4.按照前述权利要求3所述的井下工具高温高压模拟试验装置的石油井下工具高温高压模拟试验方法，其特征是：低压驱动***的驱动气源通过计算机控制采集***有效控制驱动空气的压力等级，完成固定增压比的高压泵对模拟井筒的高压输出；高压油***向模拟井筒内注入模拟井下流体的介质，模拟并控制模拟井筒在井下工作的压力；高温循环***通过高压热泵给装置加热以模拟井下温度，通过循环施加给装置的循环压力；通过压力温度测量***实时采集装置的压力及温度数据，计算机控制采集***集成控制、人机界面、数据处理、通讯功能于一体，视频监控***负责监控整个装置的运行情况。

5.权利要求4所述的井下工具高温高压模拟试验方法，其特征是按照下述步骤进行： 

将装置中的各个***及***与模拟井筒之间建立管线连接和电路连接；

根据所选择试验的模拟井筒，调节并打开模拟井筒的高压管线截止阀，关闭上、下压力腔的排油阀门；

接通装置中各***及模拟井筒的电源；

（4）打开计算机并登陆试验控制软件；

（5）填写试验文件，如试件的型号、规格、试验编号、试验员名称、试验日期；

（6）试验参数设定，包括模拟井筒的排气压力、打压顺序、试验压力、保压时间参数，以便通过软件控制来完成整个试验过程；

（7）运行控制软件，通过控制软件完成试验流程，试验中及时观察控制面板上面对应的数显表的观察试验压力及温度的数据变化；

（8）试验结束后，通过监控测试应用软件自动输出动态参数的测试曲线和试验报告。