井下环空防喷器试验台研制

徐 涛，刘清友，黎 伟

（西南石油大学 机电工程学院，成都610500）

井下环空防喷器试验台研制

徐 涛，刘清友，黎 伟

（西南石油大学 机电工程学院，成都610500）

为了对新型井下环空防喷器开展相关室内试验研究，设计制造了井下环空防喷器试验台。该试验台通过压力施加端模拟外载荷作用于井下环空防喷器顶端，使胶筒受载压缩变形而对钻柱环空进行密封，利用向测试套管中泵入钻井液进行蹩压试验来有限模拟工具所处的井下环境。通过在测试套管上开设椭圆视窗来观察胶筒的压缩变形过程。结合实际受力情况对试验台主框架进行有限元分析，强度满足要求。

井下防喷器；试验台；结构设计；力学分析

钻井防喷器按工作方式可分为钻柱内防喷器组和井口防喷器组2大类。在钻井现场，这2类防喷器分开使用，导致其自动化程度不高，操作复杂，所以井喷事故仍然时有发生［1-5］。

井下环空防喷器作为一种全新设计的井下防喷工具，除能传递钻井转矩和悬挂下部钻具外，还能快速封隔钻柱环空并连通钻杆内外通道，为后续压井作业做准备。为了在室内对其工作性能进行试验，使井下环空防喷器尽快投入到钻井现场实际应用中，研制了井下环空防喷器试验台。该试验台通过压力施加端代替钻柱悬重对井下环空防喷器施加外载荷，模拟钻井现场防喷动作中的下放钻柱挤压封隔环空和上提钻柱解封的过程。向测试套管中泵入钻井液，通过套管上开设的椭圆视窗来观察防喷器的密封效果以及受载后胶筒的压缩变形过程［6-11］。

1 功能要求

1） 安装对中性要求。通过套管起降装置与电动葫芦的配合可实现测试套管连同井下环空防喷器在钻柱体系中的安装、对中和拆卸等功能。

2） 密封试验要求。使用压力施加端对安装有邵氏硬度为70度和80度的2种硬度橡胶胶筒的井下环空防喷器进行模拟加载，施加压力最大值为38.5 MPa。胶筒变形达到一定程度后，通过测试套管中安装的快速接头与外接管线相连接，并向套管泵入钻井液，检验胶筒在受到一定压力作用下双向受外载膨胀后对钻柱环空的封隔密封效果。

3） 胶筒的变形密封过程观察要求。通过测试套管中预先开设的椭圆视窗能清晰地观察胶筒的变形膨胀情况和对钻柱环空的封隔过程。

2 结构组成

试验台主要包括试验台主体结构、套管起降装置、压力施加装置和测试套管4部分，如图1。试验台主体结构主要作为井下环空防喷器进行室内试验过程中的安装平台和承载部件，套管起降装置用于防喷器的安装和满足与压力施加端活塞杆的准确对中要求，压力施加端模拟钻柱悬重对井下工具提供外部载荷，并通过液压动力源和液压控制组件的配合实现输出载荷值的控制，满足不同工况条件下防喷器对载荷数值范围的要求，测试套管主要对工具中胶筒在受载膨胀后对钻柱环空的密封效果检验以及胶筒的变形过程观察。

图1 井下环空防喷器试验台结构示意

2.1 主体结构

试验台主体结构部分由试验台底座，试验台主框架，液压动力源承载装置和定滑轮组构成（如图2所示）。使用普通热轧工字钢材料焊接而成的方形底座结构能保证试验台主体结构稳定，试验台主框架主要采用具有较好力学性能的类似空腹桁架结构的门框式结构，该结构能保证井下工具和其他试验设备在安装过程中拥有足够的空间进行合理的布置，同时在2根立柱与底座之间焊接有4根斜撑，防止试验过程中造成主框架的横向摆动角度过大，4块三角筋板被焊接在梁与立柱间，能改善试验台的整体受力情况。液压动力源承载装置有较好的可拆卸性，方便具有一定重力的压力施加端进行安装。定滑轮组被焊接在承载装置上顶板的中心位置处，可与其他滑轮组配合完成测试套管和井下环空防喷器的安装和拆卸工作。

图2 井下环空防喷器试验台

2.2 套管起降装置

套管起降部分包括套管起降装置、钢丝绳、地面定滑轮组和电动葫芦。套管起降装置底部有一块用于放置测试套管和井下环空防喷器的支撑板，其上安装的连接铰链能实现两块角钢与支撑板绕铰链的旋转运动。角钢上的抱箍装置形成的环形空间能约束住测试套管，防止其在由水平放置向上转动成竖直放置的过程中滑出支撑板，抱箍装置中的抱箍环能进行快速地安装与卸下，以免阻挡对椭圆视窗中胶筒压缩变形过程的观察视线。地面定滑轮组使用地脚螺栓固定于地面上，并能与电动葫芦相配合使钢丝绳将其他3个滑轮组连接来实现整套套管起降装置的运动。

2.3 压力施加装置

压力施加装置部分包括压力施加端，液压控制组件，液压管线和液压动力源。压力施加端被安装在试验台主框架的顶梁上，其活塞杆方向朝下对准井下环空防喷器的母扣端，并利用液压管线通过液压控制组件将液压动力源产生的液压力输送到压力施加端以形成液压回路（如图3所示）。在回路中通过三位四通手动换向阀调节液压油在回路中的流向以控制活塞杆的伸缩动作，低压溢流阀和高压溢流阀能保证动力源在使用过程中压力值保持在一定安全范围内，低压泵与高压泵相配合成为有效的动力来源，液压控制组件是胶筒进行相关的密封蹩压试验时保持液压稳定的关键部件［12-13］。

图3 试验台液压系统原理

2.4 测试套管

测试套管由通过带有密封圈的上套管和下套管用螺纹连接组成（如图2b所示）。上套管中开设有4个椭圆视窗，用来观察胶筒在受外载荷作用时的变形情况；下套管下部安装有用于与外部钻井液管线相连接的快速接头，通过该接头能快速将钻井液泵入到测试套管中，同时下套管底部被1块圆形平板焊接形成密封端。

3 主要技术参数

液压系统最大试验压力 38.5 MPa

试验台承载能力 355 k N

压力施加端：

最大工作行程 100 mm

最大顶升能力 350 k N

液压动力端：

输出高压压力 63 MPa

输出高压时流量 0.4 L／min

输出低压压力 2 MPa

输出低压时流量 2.5 L／min

4 试验台主体结构力学分析

井下环空防喷器试验台的主要承载结构为试验台主框架，使用Ansys软件对主框架模型进行静力学分析。主框架主要由顶梁、底梁、立柱和三角筋板组成，外形尺寸（长×宽×高）为1 400 mm×100 mm×3 200 mm，该结构采用普通热轧工字钢加工制成，材料弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3。

在静力学分析过程中试验台主框架模型选择的单元类型为实体单元Solid 95，该单元由20个节点定义，每一个节点有3个自由度，具有塑性、蠕变、应力刚度、大变形以及大应变的能力，满足主框架模型的有限元分析要求。

分析过程中边界条件选择为试验台主框架底梁下表面底部2 995个节点的三坐标方向位移全约束，在主框架的顶梁下表面施加载荷类型为面载荷且大小为，然后计算输出主框架的应力云图（如图4所示）。

从应力云图中可以看出，模型最大变形量DMX＝1.37 mm，最大应力值SMX＝179 MPa，最大应力值发生在三角筋板与立柱连接处（如图5所示）。井下环空防喷器试验台选用的主要加工材料—普通热轧工字钢（Q235）的屈服极限数值σs＝235 MPa，由此计算可得试验台的安全系数1.31。试验台主要承载结构的安全系数大于1，所以该试验台的设计满足强度要求。

图4 试验台主框架应力云图

图5 主框架应力云图局部放大图（放大20倍）

5 试验过程

试验台如图6所示。在室内试验过程中，利用压力施加端分别对安装有2种不同硬度胶筒的井下环空防喷器一端施加大小为147 k N且方向向下的力载荷，实现胶筒对钻柱环空的封隔。在试验过程中通过套管上的椭圆视窗对胶筒压缩变形（如图7～8所示）以及泵入钻井液后胶筒对钻柱环空的密封效果进行检验。试验结果表明，试验台整体受力情况满足设计要求。该试验台的研制为井下环空防喷器的设计完善和尽早投入现场使用提供了必要的技术验证手段，保证了井下防喷设备的质量和安全可靠性［14-15］。

图6 室内试验过程展示

图7 邵氏硬度70度的胶筒变形

图8 邵氏硬度80度的胶筒变形

6 结论

1） 设计制造的井下环空防喷器试验台主要由试验台主体结构部分，套管起降装置，压力施加装置和测试套管4部分组成。

2） 试验台设计合理，在模拟井下部分真实工况的条件下能对井下工具所要达到的功能目标进行有效检验。具有一定程度的自动化，操作简单，整体安全性高，具有较好的实用性。

3） 该试验台对提高井下设备的安全可靠性和进一步进行井下防喷技术的研究具有十分重要的意义。

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Develop ment of Test Rig for Downhole Annular BOP

XU Tao，LI U Qing-you，LI Wei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，china）

In or der to carry out the related indoor test and research of the new downhole annular BOP，t he downhole annular BOPtest rig is designed and made.The test rig t hrough the p ressureexerted ends which analog exter nal loads action on t he top of downhole annular BOP，t he r ubber cylinder is co mpressed and defor med that make the drill string annul us sealed，then carry on the restrain pressure test t hr ough using t he drilling fl uid is pu mped into t he test t ube to si mulate t he downhole environ ment where the tools are in.By opening the oval window in the test tube，the r ubber cylinder co mpression process can be obser ved.Finite element analysis of t he main fra me of the test rig is combined with the actual wor king situation and strength reaches to the design requirements.

downhole BOP；test rig；str uctural design；mechanical analysis

TE921.507

A

1001-3482（2014）06-0037-04

2013-12-30

国家科技重大专项（2011ZX05050）

徐 涛（1989-），男，四川阆中人，硕士研究生，2013年毕业于西南石油大学，主要从事油气装备设计与仿真研究，E-mail：xutaos wpu＠163.com。