油田井下钻具测试系统建造方案

李 辉，尚 鑫，祝普庆，柳明义

（渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

随着钻井及采油工艺技术的不断更新升级，需要大量的井下钻具及采油工具支撑，也就有大量的井下钻具应用到油田钻井及采油过程中。目前我国在新型螺杆钻具的研发方面有一定的技术基础，虽然在国际市场上取得了一定成绩，具备一定的国际竞争力，但在技术基础理论研究和实验条件以及科研基础设施、钻具规格系列、精细化研究、软件开发等方面，与国外知名气举研究机构相比还有显著差距。

借鉴国外同类系统的规划方案，结合我国目前现场螺杆钻具应用情况以及后期新工艺的扩展，确定螺杆钻具及井下工具综合测试系统建造方案。该系统能够为后期螺杆钻具等系列研发、改进升级提供有力保障，进行现场工况模拟可靠性评估，为油田安全生产做有力保障。

1 测试系统用途

针对钻井螺杆钻具等系列产品应用研究为主，专业及研究范围覆盖钻井钻具和井下工具，并能部分开展采油工具试验。具体包括：可视化井下开窗试验，模拟井下完井工具配合关系，完井工具的定向定位及方位测定；分支井中主、支井眼悬挂定向定位，主井眼密封压力试验，井下工具拉、压及扭转试验，扩孔工具及扩孔刀体耐磨性试验，井下工具冲击振动参数测定，采油工具试验等。

2 测试总体结构规划

各项试验工作的操作主要在多功能试验机二层平台上完成，试验装置地面部分及其井筒可以倾斜0°～90°模拟不同的倾斜地层情况，实现直井、斜井、水平井中的螺杆钻具工况实验。该部分装置采用液压或机械定位，动力系统、泥浆泵、试压泵、液压站等设备集中安装，为防止噪声污染在房间内安装隔音设施；试验室顶部设有5 t 吊车；电源动力线、控制线、液压管线、泥浆管线、试压水管线、压缩空气管线等均沿地沟敷设，需要向二层平台延伸时应穿保护管；分支井设计实验地坑20 m 深，试验井深800 m，配套行吊（表1）。

表1 测试系统总体预期参数

实验装置的主要技术指标有：

（2）扭矩≥30 kN·mm，最大拉力>1000 kN，钻压200 kN，排量15～50 L/s，最大静止泵压100 MPa，满足分支井钻进、开窗、预开孔、套管定位定向、重入试验等要求。

（3）模拟弯曲井眼常用螺杆钻具试验，能够模拟不同井斜状况。

模拟井温度为常温，泵压35 MPa（小排量100 MPa、仅限以下井筒），井筒尺寸为，实验架的其他技术参数见表2。

表2 实验架技术参数

3 测试组成部分设计

3.1 多功能实验机

（1）加载机构：主要是向实验工具施加拉压载荷，动力水龙头上下移动实现力加载，通过加载主液缸及链条增程机构带动水龙头总成。可以避免两液缸加载的实验机两缸运动不同步的难题，既可保证双向加载又可实现较长加载行程。实验机采用单柱结构，结构更为简单，操作更为方便，倾斜更易实现。

（2）旋转机构：部分功能相当于石油钻机动力水龙头，实验机双向水龙头需要实现实验工具系统的拉力及压力，为此在双向水龙头设计上增加了两只主推力轴承，水龙头旋转靠交流变频电机（液压马达）产生动力，为实验钻柱旋转驱动。

（3）井口夹紧装置：实验工具在进行拉压扭转实验时，由夹紧装置卡住井口，承受实验载荷，使试验机主加载液缸的拉力、压力通过水龙头-钻柱施加在井口装置上，实验机底座仅承载上部实验设备重量。设计的夹紧装置利用两端夹紧液缸，通过U形卡槽夹紧井口。在井口套管头部也设计有特殊的连接头，以满足承受实验载荷的需要。

（4）实验井口及管柱系统：可实现多种常用尺寸规格的套管悬挂，可完成″范围内任意双层套管规格组合，实现双层套管环空，形成正反循环通道。实验管柱井口装置由套管头和四通组成，内部通道设计为3 层管柱密封，可完成实验液体两个密闭循环通道，功能主要有3 个：①钻井液由实验管柱内通道进入，从内层套管与实验管柱形成的通道内返出，形成循环；也可实现反循环；②钻井液由内层套管内通道进入，从内层套管与外层套管形成钻井液循环通道内返出，形成循环；也可实现反循环；③套管头和四通均采用法兰连接，法兰端面通过金属垫环密封，耐压可达35 MPa 以上。为解决多层套管规格悬挂、密封，形成多种实验方案需要的钻井液循环通道，采用套管头加变径接头的方法。

（5）井口密封装置：在特殊套管接头上设计有旋转密封装置，利用特殊的连接光杆，以满足环空的密封要求。

（6）倾斜机构：机架可以倾斜，角度0°～90°；井筒与实验机机架刚性连接，可同时倾斜，角度0～90°；完成模拟0～90°斜直井中工具的试验，也可进行相同环境下的钻井或修井试验（表3）。

表3 多功能实验机技术参数

3.2 循环系统（图1）

图1 循环系统原理

为模拟钻井的泥浆循环过程，设计泥浆循环系统为正反循环流程（图1）。

（1）正循环实验方案：泥浆循环罐→高压钻井泵→泥浆管汇→高压阀门组→水龙带→双向动力水龙头→井下钻柱、螺杆钻具等→套管环空→泥浆回流管→泥浆处理器器→泥浆罐。

（2）反循环实验方案：泥浆循环罐→高压钻井泵→泥浆管汇→高压阀门组→环空→钻柱、井下工具等→双向动力水龙头→泥浆回流管→泥浆处理器器→泥浆罐。

该系统可实现各通道中钻井液的正反循环、加压，并达到钻井工具、螺杆钻具、井下工具等的实验需求工艺流程要求，实验流程仪器、仪表的测量精度应小于1%。另外，需选用两台400 型水泥车泵（额定功率400 kW，额定压力35 MPa，最大排量40 L/s）。

3.3 动力系统

电机工作在基频以下为恒扭矩输出，基频至最高频率为恒功率输出，这样不仅可以实现无级变速，调速范围宽，还可以极低速度恒扭矩输出，使电机的短时增矩倍数达到1.15～2.00 以上，大大提高装置的提升能力和处理事故能力。由于具有恒功率、宽调速的特性，机械传动结构设计大大简化，交流变频技术对电机具有安全保护功能，负载功率因数接近于1，具有软启动性能，可以降低供电电源的容量。

3.4 测控系统

采用嵌入式工业控制计算机系统，内置大容量硬盘及多种通信接口，系统稳定可靠，预装MCSG 工业组态软件，避免计算机病毒感染。应用组态软件编制系统操作界面，采用动画的形式模拟试验装置的各个系统，并动态显示试验的各个过程、步骤。试验过程的各个过程、步骤可单独进行，也可根据需要进行联动，装置操作采用手动/自动切换的方式。操作台采用触摸屏式，操作灵活、方便，采用多点、多工位同步操作、控制的方式。

3.5 实验管柱起放及加载（拉压）系统

（1）实验管柱起放功能：实现被试螺杆钻具及辅助管柱的放入和起出。

（2）上卸扣系统：实现被试螺杆钻具及钻杆、套管的上卸扣。

（3）实验加载（拉压）系统：实现实验中对被实验螺杆钻具、设备、管柱的提升、下压、旋转以及实验台架本身的行走，同时满足井口对中要求。

4 结束语

随着工业新技术更新周期的缩短，人才缺乏、技术落后、自主创新能力低的企业，在激烈的市场竞争中必将受制于人。为缩小差距、赶超国际先进的螺杆钻具等钻井及采油井下工具技术，应尽快建成功能完善的井下钻具测试系统，一方面为后期井下钻具系列化研发、改进升级提供有力保障；另一方面也有助于新型螺杆钻具进入现场应用前，在厂内测试系统内完成全面的功能性及可靠性测试，确保油田安全生产。