井下工具多功能试验台架系统设计

刘傲放，黄志敏，傅 鹏，马永刚

（1.北京学亦成科技有限公司，北京 102627；2.渤海石油装备（天津）中成机械制造有限公司，天津 300280；3.上海蓝滨石化设备有限公司，上海 201518）

0 引言

随着国内钻井采油深度及地层复杂程度的不断增加，促使生产工艺不断改进革新，新型钻井采油工艺所设计开发的井下工具使用更加频繁及专业。井下工具的现场使用对其可靠性要求极高，在进行现场应用前必须进行全参数地面性能模拟试验，确保现场使用的安全性及工艺适应性。

1 台架试验范围

（1）膨胀管测试：膨胀管内压强度试验、抗外挤变形试验、管壁摩擦试验、套管贴补试验和膨胀扩充试验及模拟溶洞堵漏试验等。

（2）冲击器测试：冲击器启动试验、冲击器磨损寿命试验、冲击破岩效率试验和参数匹配及结构优化测试试验等。

（3）固井工具测试：双级注水泥器的动作试验、封隔悬挂装置试验、胶塞通过试验及浮箍浮鞋的疲劳试验等。

（4）新型井下工具测试：技术要求同井下冲击器试验和固井工具试验的技术要求相类似。

（5）台架具备一定的起升能力和加压能力，可进行钻杆和套管的上卸扣，建立高压正反循环，模拟转盘钻进，并通过液压系统进行控制和操作。

2 台架系统参数

根据试验所需的最大技术参数值，确定了多功能钻井试验台架设计参数、结构及配套设备参数。提升载荷：1000 kN；静加压载荷：1000 kN；拉压加载行程：3 m；工作压力：35 MPa；上卸扣扭矩：20 kN·m；旋转加压载荷：400 kN；水龙头工作转速：0～120 r/min；水龙头输出扭矩：3 kN·m；泥浆泵排量：25～30 L/s；泥浆泵工作压力：35 MPa；井眼尺寸（直径／井深）：20/100（in/m）。

3 台架结构组成及特点

多功能台架设计有2个井位，1#工具试验的工作井位，2#钻杆或套管上卸扣井位。试验台架整体可通过液压缸在轨道上移动，进行不同的操作；上卸扣装置通过液压缸也可在台架底座上移动，需进行上卸扣操作时移至上卸扣井位，平时不工作或安装井口装置时可移至底座边缘，以增大井口操作空间；为保证多功能试验机在试验管柱段施加拉压力不完全作用在车体或外层套管壁上，设计了多功能试验机井口夹紧液压缸，当试验台架进行工具试验时，夹紧液压缸夹紧井口装置上的法兰，与整个井口装置连为一体，保证试验台架施加的拉压力和扭矩都形成内力。液压控制台在底座上，便于井口操作。

3.1 多功能试验机

多功能试验机（底座）可由液压缸推动平移至工作井位或上卸扣井位。试验管柱起放系统和上卸扣系统配合，实现并满足试验工具下放和提出，进行试验工具和套管（或钻杆）之间的螺纹联接时，可对试验工具施加拉压载荷、扭转载荷。试验液从双向动力水龙头进入井筒内。

多功能试验机由底座移动、拉压加载、施加扭矩、井口夹紧、锁紧装置等组成。

（1）底座移动由两个液压缸推动底座在轨道上的滑动，以实现井口的移动及定位，就位后由4个圆柱销定位。底座移动液压缸控制和操作在液压控制台上。

（2）拉压加载：通过两个主液压缸对试验工具进行加载。为保证两缸同步，设计及制造门架导轨要求有足够的精度，双向水龙头的安装轴线确保绝对中心；为了两端动作同步，施力一致，液压控制采用平衡阀及分流集流阀调整，两缸同步问题得到了解决。主液压缸的系统最高压力为25 MPa（当主液压缸工作压力低于16 MPa时，用液压站上的大泵加载；当主液压缸工作压力高于16 MPa时，用液压站上的小泵加载），输出压力（推力）和输出拉力以及行程均可满足试验的要求。在门架上装有标尺可测量主液压缸位移。主液压缸控制和操作阀在液压控制台上。

（3）扭矩加载：旋转加扭机构，设计可承受压力和拉力的双向力的动力水龙头，安装两个主推力轴承，同时由低速大扭矩液压马达经过一级齿轮减速驱动试验工具旋转并施加扭矩。水龙头液压马达控制和操作阀在液压控制台上。

（4）井口夹紧：两个夹紧液压缸，利用两个夹紧液压缸夹紧井口法兰，当试验台架进行工具试验时，夹紧液压缸夹紧井口装置上的法兰，与整个井口装置连为一体，保证试验台架施加的拉压力和扭矩都形成内力。井口夹紧液压缸控制和操作阀在液压控制台上。

（5）锁紧装置：实现台架大梁中心同井口中心定位。通过安装在左、右门架锁紧齿条和安装在大梁上的8只锁紧液压缸，进行锁紧定位。液压缸活塞杆端部设计有配对齿条，活塞杆伸出两齿条啮合后达到锁紧。锁紧液压缸控制和操作阀在液压控制台上。

3.2 试验井筒

试验井筒由拉压光杆、密封体、井口上法兰、井口悬挂、井口下法兰、转换接头、承扭螺栓、套管等组成。

利用社会网络分析软件Ucinet对频次≥2次的关键词共现矩阵进行可视化，为了更为清晰地显示日本移民研究领域的整体框架和研究重点，本研究选取的关键词共现网络阈值为2，即去除了网络中共现1次的关键词链接，结果如图1所示。结合社会网络分析的概念，图1中，网络的节点是关键词，节点的大小是与该关键词相连的其他节点的多寡，连接的节点越多，节点越大，越说明该节点处于网络的中心位置，是研究领域的热点；节点之间的连线粗细则表示两个关键词共现的次数，共现的次数越高连线越粗，说明这两个节点的关系越紧密。

井筒套管为Φ20英寸套管100 m，外侧用水泥固死，套管本体不受压，为试验体提供环空通道。循环液通道是由密封体、井口上法兰、井口悬挂、井口下法兰与内层套管或试验管柱所形成的循环通道，为解决内层套管的悬挂、密封，形成各种需要的循环通道，满足不同的试验工具试验要求，采用更换内层套管悬挂的方法以提供不同的内层套管组合。转换接头上连接着井口密封装置，下联接着试验工具，井口密封装置保证试验管柱旋转时与内层套管之间承受35 MPa动密封。

为保证多功能试验机在试验管柱段施加100 t的拉压力不完全作用在车体上，当多功能试验机夹紧井口上法兰时，与整个井口装置连为一体，保证施加的拉压力和扭矩都形成内力。

工具试验过程：根据试验工艺要求，确定套管悬挂组合，用上卸扣装置将套管扣依次连接好，要保证不同尺寸的套管达到各自的推荐上扣扭矩。连接试验工具的转换接头与光杆的扣，此时用井口装置上的上扣卡盘与转换接头相连，然后将多功能试验机对准井口，用多功能试验机上的上扣钳将扣拧紧。上紧密封体与井口上法兰的扣，操作井口夹紧液缸夹紧井口法兰，此时井口被多功能试验机提起，连接好循环系统后进入试验状态。

3.3 上卸扣装置

上卸扣装置通过液缸可在台架底座上移动，需进行上卸扣操作时移至上卸扣井位，平时不工作或安装井口装置时可移至底座边缘，方便井口操作。上卸扣液缸控制和操作阀在液压控制台上。上卸扣管径：套管（）英寸、钻杆（）英寸，最大上卸扣扭矩为20 kN·m。

（1）上扣过程：吊卡放在井口位置上，上卸扣装置用油缸推到井口位置（注意不要碰到吊卡），用夹紧装置夹紧座于吊卡上的套管接箍或钻杆接头；用上吊卡吊另一根套管或钻杆，对准套管或钻杆接箍，用吊钳夹紧套管接箍或钻杆接头，用油缸推动吊钳进行上扣。

（2）卸扣过程：套管或钻杆卸扣时，需把吊钳翻转使用，其卸扣同上。

井口上扣分为上行程和下行程两种工况：

（2）下行程工况。在上扣装置工位将井筒内的所有扣包括套管扣、工具与转换接头的扣上完；用井口插板将井内试验工具固定至井口；此时上光杆与多功能试验机的NC38连接扣也已连好，将多功能试验机移到井口位，上提液缸，上转换接头与光杆的扣；去掉井口插板将井内试验工具下放，将密封体与井口的扣上紧；上扣完毕，可做试验，卸扣过程与上扣过程相反。

3.4 循环系统

（1）循环系统参数：泥浆泵压力35 MPa；排量30 L/s；高压管汇、管线、阀门工作压力35 MPa；管线尺寸：通径2英寸，外径（）英寸；钻井液罐：体积30 m3（20 m3+10 m3）。

（2）循环系统功能：实现各通道中流体的正反循环、打压，并达到需要的流量要求。

（3）循环系统组成：该系统由一台200 kW泥浆泵，泵的动力配置，循环管汇，循环罐，管线等组成。循环管汇包括正反循环系统，高低压管汇和高压水龙带等，高压水龙带与水龙头、循环管汇相连。30 m3循环罐分为20 m3和10 m3两个罐，罐内配2个搅拌器，10 m3罐为稳流沉沙罐。

（4）工作过程：泥浆泵将循环罐内的液体加压后通过高压管汇，正反循环装置，高压水龙带注入水龙头实现试验工况。然后通过井口，高压水龙带，正反循环系统，低压管汇返回到循环罐。通过开启、关闭正反循环系统的阀门，可实现井口至水龙头的反循环。

3.5 液压控制系统

（1）配置参数：1#路工作力压16 MPa，最大排量94.5 L/min；2#路工作力压25 MPa，最大排量15 L/min；油箱容积1.5 m3。

（2）功能及组成：提供液压源，控制各种液压执行元件实现各种动作，通过操作台实现各种动作的操作控制，并达到需要的强度及精度要求。液压系统有液压站、液压管线、控制阀、操作台等。

4 应用效果

试验台架设计开发首套2012年在吉林油田钻井院配置完成，后期又陆续为辽河油田钻井采油工艺研究院、胜利钻井工艺研究院等多家配置，并进行设计优化，对测试精度及设备配置进行了调整，并协同油田专家及当地质量技术监督局对膨胀管、冲击器的性能测试过程依据产品工艺要求进行了验收，在工艺流程布置、设备配置、控制先进水平、测试精度、测试范围（拉压力、动力、流量）、测试安装方便、节能减排等方面都达到了国内同行业较高水平。近年来又进行了多种规格的膨胀管、冲击器及固井工具的测试，对历史数据进行对比分析，为企业产品优化改进及现场工艺调整提供了准确的数据依据。