車繼勇,王毅理,陳 磊,肖 波 ,譙正武,白文雄,張 鎧,李明娜

(1.上海藍濱石化設備有限責任公司,上海 201518;2.長慶油田分公司 機械制造總廠,西安 710201)

水平井分段壓裂技術經(jīng)過水力噴砂、復合橋塞、可溶橋塞發(fā)展階段,現(xiàn)在最新產(chǎn)品是DMS可溶球座壓裂工具。該工具以“可溶金屬封隔、壓后快速溶解”為技術核心,采用可溶卡瓦錨定、可溶金屬密封,以金屬密封替代膠筒密封,壓后7 d全部溶解,實現(xiàn)井筒壓后免干預,達到降本增效目標。

DMS可溶球座型式試驗和出廠試驗均為破壞性試驗,試驗內(nèi)容包含坐封、承壓、溶解3項試驗?，F(xiàn)有的試驗裝置中,坐封試驗是通過可溶球座連接坐封工具,加壓丟手后坐封,把油壓力換算成坐封力。承壓試驗和溶解試驗采用簡易裝置手動控制,精度較低,缺乏動態(tài)監(jiān)測手段。試驗采用抽樣方法,抽樣比例為2%,當試驗結(jié)果不能滿足時,加大抽樣比例10%～20%,并按照抽樣標準來判定球座合格與否,造成可溶球座質(zhì)量控制難度大和制造成本加大。

為滿足DMS可溶球座出廠檢驗和型式試驗要求,依據(jù)相關標準、規(guī)范[1-8]和應用研究[9-15],研制了DMS可溶球座性能測試一體化試驗裝置,模擬鉆井現(xiàn)場工況,配套測量控制系統(tǒng),實現(xiàn)了可溶球座坐封試驗、承壓試驗、溶解試驗3項試驗自動化檢測,整體提升了坐封力測量精度及系統(tǒng)測試自動化水平,實現(xiàn)了試驗過程動態(tài)監(jiān)測。該試驗裝置成功研發(fā)并得到應用,可為產(chǎn)品設計、技術研究代提供試驗依據(jù)、積累試驗數(shù)據(jù),同時為DMS可溶球座油田現(xiàn)場施工使用提供科學可靠的工藝參數(shù)。

1 結(jié)構組成

DMS可溶球座性能測試一體化試驗裝置(如圖1)采用一體化撬裝設計,配套數(shù)字化檢測系統(tǒng),實現(xiàn)了可溶球座坐封試驗、承壓試驗、溶解試驗3項試驗數(shù)字化、自動化試驗檢驗。DMS可溶球座性能測試一體化試驗裝置主要由加載試驗裝置、錨定坐封試驗裝置、承壓井筒裝置、液壓泵站、集中測控操作臺、溫控裝置、試壓泵及氣動控制閥組、保溫溶解筒裝置、小型靜音空壓機組、電動懸臂吊、供水箱、液壓管線、熱水循環(huán)管線、壓縮空氣管線、靜壓管線、動力電纜、測控信號線、打印機等組成。

1-液壓泵站;2-集中測控操作臺;3-移動缸;4-錨定坐封裝置;5-承壓井筒; 6-懸臂吊;7-保溫溶解筒;8-試壓泵及氣動控制閥組;9-溫控裝置。圖1 DMS可溶球座試驗裝置

2 主要技術參數(shù)

DMS可溶球座性能測試一體化試驗裝置適用于油氣井使用的DMS可溶球座產(chǎn)品出廠錨定坐封及承壓試驗、溶解試驗,產(chǎn)品設計更新?lián)Q代的型式試驗,可溶材料研究錨定和溶解試驗。主要技術參數(shù)如下:

最大錨定坐封力

300 kN

錨定坐封行程

40～60 mm

球座密封最大試驗壓力

70 MPa

KCL溶解液質(zhì)量分數(shù)

0.2%

球座溶解時間

48～120 h

溫控范圍

室溫～100 ℃

錨定坐封力測試精度

0.5%FS

壓力測試精度

0.5%FS

溫度測試精度

±2℃

防護等級

IP65

總裝機功率

50 kW

3 主要部件結(jié)構設計

3.1 錨定坐封裝置

錨定坐封裝置由特制雙級液缸、力加載裝置、推筒、坐封套管、坐封支架、可溶球座、測力軸、測力傳感器等組成,設有安裝工位和坐封試驗工位,如圖2所示。操控移動缸將坐封支架推到安裝工位,安裝井筒,再控制移動缸將坐封支架移動到坐封試驗工位,特制液缸的一級液缸伸出與可溶球座連接,連接后將可溶球座下入井筒內(nèi),可溶球座底部拉桿與測力軸接觸。特制液缸的二級液缸伸出通過推筒對可溶球座施加坐封載荷,使可溶球座坐封,坐封力可通過測力軸下部的測力傳感器直接精確測量。

1-特制雙級液缸;2-力加載裝置;3-推筒;4-坐封套管;5-坐封支架; 6-可溶球座;7-測力軸;8-測力傳感器。圖2 錨定坐封裝置

3.2 承壓試驗系統(tǒng)

3.2.1 承壓井筒

用于DMS可溶球座進行承壓試驗,球座經(jīng)錨定試驗合格后,由懸臂吊將錨定在套管上的球座和套管一起吊入承壓井筒,并進行固定,如圖3所示。

1-上密封塞;2—上密封頭;3—錐堵頭;4—套管;5—夾套;6-承壓井筒支架。圖3 承壓井筒

3.2.2 水壓試驗系統(tǒng)

包含試壓泵、水箱及氣動閥組。

試壓泵提供承壓試驗的液體試驗壓力,采用變頻電機驅(qū)動,變頻器控制,可實時調(diào)節(jié)輸出排量。試壓泵額定工作壓力125 MPa,額定排量64 L/h。氣動閥組用于控制承壓試驗保壓和卸壓,壓力管線采用14.3 mm(9/16英寸)不銹鋼管,氣動閥選用進口閥 。在試壓泵上部配有0.5 m3的水箱,主要為電動試壓泵機組進行承壓試驗時提供水源、同時為溫控裝置提供清水。水壓試驗系統(tǒng)與承壓井筒裝置連接,對DMS可溶球座進行錨定密封試驗。水壓試驗系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 水壓試驗系統(tǒng)

3.3 恒溫溶解筒

用于DMS可溶球座進行溶解試驗。

內(nèi)筒采用不銹鋼雙相鋼制造,放置KCL溶液。外筒用304不銹鋼制造,循環(huán)熱水在內(nèi)筒和外筒之間的夾套中流動,加熱內(nèi)筒的氯化鉀溶液。外筒外部有保溫和不銹鋼外罩。溶解筒上部還布置有攪拌器和溫度傳感器,可以攪拌內(nèi)筒內(nèi)的氯化鉀溶液,測量氯化鉀溶液的溫度。在溶解筒上部安裝有3只高精度稱重傳感器,單只稱重傳感器量程0～20 kg,可溶球座在溶解過程中會掉入網(wǎng)狀護罩里,稱重傳感器可以實時記錄可溶球座溶解過程中的質(zhì)量變化,進而感知球座溶解速率。在溶解筒底部配有水下高清攝像頭,可進行整個溶解過程中的動態(tài)監(jiān)測。結(jié)構如圖5所示。

1—稱重傳感器;2—網(wǎng)狀護罩;3—攪拌器;4—溫度傳感器;5—保溫溶解筒; 6—井下攝像頭。圖5 恒溫溶解筒

3.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)(額定工作壓力16 MPa)為錨定坐封實現(xiàn)精確載荷控制及試驗裝置上的各液壓缸提供液壓動力。泵站流量控制為變頻電機+定量柱塞泵工作模式,通過溢流閥控制泵站出口壓力?？刂葡到y(tǒng)可模擬恒壓變量泵工作模式、模擬不同排量定量泵工作模式。其結(jié)構主要包含油箱、液壓泵、液壓閥塊、電磁閥、過濾器、壓力表等。液壓系統(tǒng)原理如圖6所示。

3.5 控制系統(tǒng)

主要實現(xiàn)裝置各種試驗工藝參數(shù)測量和控制以及所有設備的配電及控制。所有試驗系統(tǒng)的測量傳感器信號均傳入下位機的數(shù)據(jù)采集模塊,經(jīng)過采集后輸送到上位機顯示、存儲和輸出。上位機向下位機發(fā)出指令實現(xiàn)試驗系統(tǒng)工藝參數(shù)的控制,實現(xiàn)試驗設備的啟?？刂?組態(tài)軟件采用Wincc?？刂葡到y(tǒng)拓撲圖如圖7所示,管理系統(tǒng)組態(tài)界面如圖8所示。

1—60/40-1000型特制雙級油缸;2—疊式溢流安全閥罩;3—電磁換向閥;4—180/110-800型特制油缸;5—40/20E-600型工位推送油缸; 6—疊式減壓閥;7—高壓柱塞泵;8—電磁溢流閥;9—風冷卻器機組;10—回油濾油器。圖6 液壓系統(tǒng)原理

圖7 數(shù)字化控制系統(tǒng)拓撲圖

4 試驗測試內(nèi)容及結(jié)果

4.1 錨定坐封試驗

DMS可溶球座與特制液缸的一級缸連接,整體下入試驗套管底部與測力軸接觸,二級缸連接推筒伸出對可溶球座施加坐封力使可溶球座坐封,通過底部的測力傳感器測量坐封力。

判定依據(jù):坐封力與設計值偏差不超過±5 kN為合格。

4.2 承壓試驗

將錨定在套管上的可溶球座與套管用懸臂吊吊入承壓井筒裝置,安裝好錐堵頭、上密封塞、軟管。開啟加溫裝置,將DMS可溶球座加熱到試驗溫度50℃,保溫4 h后,開啟試壓泵進行承壓試驗,依次加壓10、20、30、40、50、60 MPa。每階段穩(wěn)壓1 min,升至70 MPa后停泵,穩(wěn)壓30 min,自動卸壓。整過試壓過程數(shù)字化自動控制,人員不在現(xiàn)場,確保人員安全。試驗完成自動出試驗報告,并繪制曲線。

判定依據(jù):壓降≤1 MPa 為合格。

4.3 溶解試驗

在恒溫溶解筒里配置好質(zhì)量分數(shù)0.2% KCL溶液,開啟加溫裝置,使KCL溶液加熱到試驗溫度,將球座與套管吊入恒溫溶解桶,確保氯化鉀溶液能夠始終充分接觸可溶球座。當壓力陡降時,自動記錄有效密封時間,自動記錄停泵至可溶球座全部轉(zhuǎn)化為降解產(chǎn)物的時間,作為充分溶解時間。自動記錄自溶解開始至DMS可溶球座完全溶解的時間,作為完全溶解時間。井下攝像頭可對整個溶解過程進行數(shù)字化監(jiān)控。

合格判定依據(jù):可溶球座在溫度40～80 ℃、質(zhì)量分數(shù)為0.2%的KCL 溶液中,失去錨定有效密封時間、充分溶解時間≤48 h,完全溶解時間應滿足《DMS 可溶球座技術規(guī)范》(Q/SY CQ02668-2020)可溶等級要求。

4.4 試驗結(jié)果

圖9 可溶球座試驗曲線

DMS可溶球座性能測試一體化試驗裝置建成后,已進行了10多次的可溶球座坐封試驗、承壓試驗、溶解試驗,試驗結(jié)果證明,試驗系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,數(shù)據(jù)記錄準確。

5 結(jié)論

1) DMS可溶球座性能測試一體化試驗裝置試驗工藝及檢測結(jié)果滿足DMS可溶球座技術規(guī)范,達到設計技術要求,完全滿足DMS可溶球座型式試驗的功能要求,試驗安全可靠。

2) 整個試驗系統(tǒng)全部集成在1個試驗撬座上,布局緊湊,結(jié)構合理,占地面積小,便于移動,既可實現(xiàn)就地控制,也可實現(xiàn)遠程控制。

3) 采用模擬鉆井現(xiàn)場工況設計,配套自動控制系統(tǒng),實現(xiàn)了可溶球座坐封試驗、承壓試驗、溶解試驗3項試驗自動化,為可溶球座產(chǎn)品設計和科研提供先進、可靠的試驗手段,同時為DMS可溶球座油田現(xiàn)場施工使用提供科學可靠的工藝參數(shù)。

4) 本試驗裝置改變了傳統(tǒng)的可溶球座坐封力通過計算截面面積乘以水壓計算載荷的測量方式,采用測力傳感器 ,實現(xiàn)了精確測量坐封載荷,確保試驗數(shù)據(jù)的準確性。