高温高压封隔器性能试验装置研制与应用

吕芳蕾，伊伟锴，衣晓光，杨 慧，张化强

（1.胜利油田分公司采油工艺研究院，山东东营257000；2.胜利油田分公司纯梁采油厂，山东滨州256504）①

高温高压封隔器性能试验装置研制与应用

吕芳蕾1，伊伟锴1，衣晓光2，杨 慧1，张化强1

（1.胜利油田分公司采油工艺研究院，山东东营257000；2.胜利油田分公司纯梁采油厂，山东滨州256504）①

随着油田开发向致密砂岩等埋藏较深油藏发展，油层的压力和温度逐渐提高，要求工艺配套的封隔器等井下工具必须具有耐高温、高压的性能。常规的试验装置只能完成常温环境下的井下工具模拟试验，已不能满足科研试验与工具检验的需要。针对以上问题，开展了高温高压封隔器的试验装置研究，研制出一套封隔器高温高压试验装置，解决了封隔器等井下工具高温、高压模拟试验难题。为高温高压封隔器在油田深层开发中的应用提供了可靠的试验基础，有着广阔的应用前景。

高温；高压；封隔器；试验

封隔器是开发油田各种采油工艺措施中极其重要的组成部分，其结构好坏、质量高低直接影响着工艺措施的成败。因此，封隔器［1-5］在油田开发中所起的作用是不可低估的。随着胜利油田开发向深层油藏发展，油层的压力和温度逐渐提高，井内的封隔器不仅要承受高压的考验，更要承受150℃以上的温度要求。因此，要求配套的封隔器的密封结构［6］必须具有耐高温、高压的性能。目前，常规的试验装置只能完成常温环境下的井下工具模拟试验，已不能满足科学试验与生产检验的需要。针对以上问题，开展了封隔器高温高压试验装置的研究，研制出一套适用于高温高压封隔器性能试验的模拟试验装置，很好地解决了封隔器高温、高压模拟试验难题。

1 技术分析

高温高压封隔器性能试验装置主要针对封隔器等井下工具的胶筒等关键部分进行耐高温、高压试验，胶筒的膨胀性能试验和抗拉抗压性能等试验而设计。该试验装置主要由试验井、井口连接、密封系统、加载系统、测控系统、加热系统及液压系统6大部分组成。其中，试验部分位于试验井内，其他部分位于地面，采用地面液压加载、地下加热油循环加热的方式。这种结构设计不仅节省了试验装置的空间，而且试验井位于地下，在地面以下加热油循环加热的方式提高了装置的安全系数，方便可靠。采用液压方式来实现对试验胶筒的拉压加载，运用数控系统来对整个试验装置进行控制和数据采集。系统组成如图1所示。

1.1 试验井筒

试验井筒是此装置的核心部分，井筒长8 m，设计有ø139.7 mm（51/2英寸）和ø177.8 mm（7英寸）2种规格。井筒内筒采用P110级高强度套管，并在套管外固定加强环和8根加强筋，确保试验井筒的抗压能力，提高试验管柱的安全系数。试验外筒为直径ø370mm钢管结构，采用2层高效保温材料包覆，确保系统热量损失降到最低，使模拟温度场更趋于稳定。整套试验管柱固定于试验外筒内，确保了整套试验装置的密封性。试验管柱有上、下2个试压接头，用管线连于地面，试验时对试验封隔器进行试上压或下压验封试验。试验井筒结构如图2所示。

图1 高温高压胶筒性能试验装置

图2 试验井筒结构

1.2 加载系统

加载系统采用液压加载方式，来实现对封隔器拉压力的测试和解封控制。该部分主要由液缸总成、拉杆、机械锁紧总成和试验中心管组成［7］，如图3所示。

图3 加载系统结构

1） 液缸总成 是地面液压加载系统的核心部分，连接液压系统。当需要对封隔器进行向下或向上的加载力来测试封隔器工作性能时，可向液缸内加压，对整个装置产生向下或向上的加载力，力的大小可以通过液体的压力控制，设计的最大加载力为300 k N。

2） 拉杆 为了保证系统的安全，设计了拉杆来起紧固加强的作用，确保试验装置的安全可靠。

3） 机械锁紧总成 将加载部分连接锁紧在井筒上，并能够保证作用在试验胶筒上的加载力始终不变。加载完成后可将液缸总成、拉杆等部分移开，同时避免了长时间持续向液缸内加压，提高了装置的安全性。

4） 试验中心管 连接试验用封隔器等试验工具及配套工具。

1.3 加热系统

循环加热系统是试验装置的温度场模拟部分［8-9］。采用电加热管加热，工作电压380 V，功率8 k W，利用加热筒与试验井筒的液面差将高温导热油送入试验井筒，将井筒内的导热油泵送到加热筒内反复循环加热。加热筒采用2层高效保温材料包覆，确保系统热量损失降至最低，同时采用高精度温控系统，保证模拟温场的恒定。结构如图4所示。

图4 加热系统结构

1.4 测控系统

测控系统是试验装置的控制部分和测试数据显示部分，可以对系统的加热状态及循环状态进行控制，对拉压力、封隔器坐封压力、胶筒耐压和温度等参数进行实时采集与记录，并根据用户需要对系统的温度进行调控，使系统保持在用户所需要的恒温温度上，来实现整个试验装置的正常稳定工作。整机设置了1个力矩传感器、3个压力传感器和2个温度传感器，确保能够准确地测得加载力矩、油压和温度值。测控部分采用移动便携式控制箱设计，采用快速插头连接方式，连接方便可靠，可根据实际情况将控制箱放置在安全位置，控制试验装置并读取试验中的测量数值。该装置的控制面板和电路原理如图5所示。

图5 控制系统面板及电路原理

2 技术指标

3 装置特点

1） 完善的数据采集和控制系统。测控系统采用移动式快速插头设计，连接方便迅速，使用方便。整机设置了1个力矩传感器、3个压力传感器和2个温度传感器，确保能够准确地测得加载力矩、油压和温度值。

2） 安全、高效的导热油体外循环加热系统。采用2层高效保温材料，确保系统热量损失降至最低，同时采用高精度的温控系统，保证模拟温度场的稳定运行，试验井筒采用地下结构，确保试验的安全可靠。

4 应用情况

试验装置完成安装与调试后，进行了ø139.7 mm（51/2英寸）遇油遇水膨胀封隔器性能试验，试验温度85～90℃。温度低于100℃，故采用矿化水为试验加热介质，试验7 d，设备运转状况良好，测试数据准确。图6是试验遇油遇水膨胀封隔器试验的现场情况。

图6 现场试验情况

5 结论

高温高压胶筒性能试验装置有效解决了目前井下工具高温高压试验所面临的问题。其设计合理，操作使用方便，性能稳定可靠，满足了井下工具高温、高压模拟试验要求。采用模拟试验井高温、高压的方式进行试验，试验装置占用空间小，试验过程安全。采用传感器和记录仪来测量和记录试验数据，测试数据齐全，精度较高。封隔器性能试验装置作为井下工具新产品开发的试验手段之一，可为新产品的设计、开发提供科学的试验数据，缩短了研究周期，大幅提高了研究效率，有着广阔的应用前景。

［1］ 万仁溥.采油技术手册［K］.北京：石油工业出版社，2005.

［2］ 王守芳，刘猛，周普清.上提加压式封隔器坐封高度的确定［J］.油气井测试，2002（4）：40-43.

［3］ 刘永辉，付建红，林元华，等.封隔器胶筒结构参数优化分析［J］.机械工程师，2007（7）：66-67.

［4］ 闫乐好，段长军.油田注水用封隔器密封性能的分析与研究［J］.阀门，2002（3）：22-24.

［5］ 檀朝东，周晓东，饶鹏.一次多层压裂封隔器的研制及应用［J］.石油钻采工艺，1999（4）：99-101.

［6］ 中国机械工程协会.中国机械设计大典：3卷［M］.南昌：江西科学技术出版社，2002：825-831.

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［8］ 黄振琼，徐燕东，杜春朝.高温高压深井用液压封隔器研制及试验［J］.石油矿场机械，2013，42（10）：33-36.

［9］ 张蔚红，张建华，王卫锋，等.基于感应加热的封隔器高温高压试验装置研制［J］.石油矿场机械，2014，43（2）：25-28.

Development and Application of High Temperature and High Pressure Packer Performance Test Device

LV Fang-lei1，YI Wei-kai1，YI Xiao-guang2，YANG Hui1，ZHANG Hua-qiang1
（1.Research Institute of Production Technology，Shengli Oilfield Company，Dongying 257000，China；2.Chunliang Oil Production Plant，Shengli Oilfield Company，Binzhou 256504，China）

With the development of the oil field and other buried deep in tight sandstone reservoir development，reservoir pressure and temperature gradually increased，requiring supporting oil production downhole tools such as packers must have high temperature，high pressure performance.Current conventional test equipment can only be done at room temp erature downhole tool simulationenvironment，cannot meet the needs of research and testing and testing tools.To solve the above problems，the test device research conducted HPHT packer，packer developed a set of high temperature and pressure test equipment，a good solution to the packer downhole tools such as hightemperature，high-pressure simulation test problems.This provides a reliable basis for the high temperature and pressure test packer deep in oilfield development，and has broad application prospects.

high temperature；high pressure；packer；test

TE931.2

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.07.020

1001-3482（2014）07-0077-04

2014-03-15

中石化胜利油田分公司攻关项目“水平井管外封隔器模拟试验装置研究”（YKS0905）

吕芳蕾（1981-），女，山东烟台人，工程师，主要从事分段压裂完井工艺研究，E-mail：lvfnaglei.slyt＠sinopec.com。