陈　磊，章发明，王　航，王　东，毕群泗，张　铠，胡海明

(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州 730050)①



稠油热采钻完井试验系统研制

陈磊，章发明，王航，王东，毕群泗，张铠，胡海明

(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州 730050)①

摘要：根据油田开发和建设的需求，建造了稠油热采钻完井试验室。试验系统由电磁加热高温试验井、可倾斜及弯曲常温试验井、多功能试验机及配套液压系统、供液系统和测控系统组成。该系统可满足高温(350 ℃)热采工具性能检测；可满足常温井筒翻转10、20、30、40、50、60、70、80、90°条件下进行钻进、循环、开窗等试验；可以对常温井筒拉弯，验证试验工具的通过性。该系统的建成，可为钻完井新工具的研发提供可靠的试验数据。

关键词：模拟试验；稠油热采；试验系统

稠油热采井、分支井、侧钻井等钻井特色技术由于缺少必要的室内试验手段，获取不到中间试验的可靠数据，造成钻采新工艺的可行性、研制的新井下工具的可靠性和使用寿命都难以准确地判断；各种特殊钻、完井工具、高温(350 ℃)热采工具，也由于缺乏室内模拟试验环节，极大增加了现场施工的风险[1-2]。为此，研制了稠油热采钻完井试验系统。该试验系统的建成，可针对不同的钻井工艺条件，完成对钻头的旋转、加压、开窗等过程的物理模拟；通过对钻井工艺参数的测定，对稠油热采井、分支井、侧钻井等新型钻井工具进行原理性验证、性能检测和部分前瞻性课题的试验研究。

1试验系统总体布置

国内大多数模拟试验系统的试验井均建在室内地下沉井内。本试验系统所在地海拔4 m，建设地下沉井成本巨大，同时沉井防水也很难处理，为了满足试验过程中的可视化要求，在满足土建受力的条件下，试验系统建设在四层厂房内，四层楼面标高21 m，如图1所示。其中多功能试验机(含配套液压系统)、测控系统主控室布置在厂房第4层，供液泵房布置在厂房第1层，供液管线沿厂房内墙壁穿孔到厂房第4层给试验机和试验井供液。常温试验井和高温试验井的井口安装在第4层楼面凹下1.35 m的操作平台上，井筒套管顺楼层开孔伸到第1层楼面。

1—多功能试验机及配套液压系统；2—常温试验井系统；

2试验系统主要组成和技术参数

2.1电磁感应加热高温试验井

试验井筒内最高试验温度350 ℃，采用电磁感应的加热方式，节约能源，结构简单。电磁感应加热的原理是通过电控模块在电磁导线中产生交变磁场，电磁导线缠绕在试验井筒外面，金属井筒壁切割交变磁力线在其内部产生交变的电流(即涡流)，涡流使金属井筒壁的分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而起到加热金属井筒内试验介质的效果。电磁感应加热系统如图2。

电磁加热技术是金属物体自身发热，大幅减少了热量散失，热效率高达95%。同其他传统的加热方式(例如电加热[3]、热空气加热[4]、导热油循环加热[5])比较，电磁加热速度快，能耗低，温度控制精度高，安全无污染。

高温试验井主要由上井口四通、井口支座、试验井筒、井口密封装置、电磁加热线、保温层和测量传感器等组成。

井口密封装置设计成2种结构，一种是在常温至250 ℃，设计成动密封结构，多功能试验机水龙头中心管连接密封筒体光杆带动试验工具在井筒内旋转和上下运动。另一种是在250～350 ℃，井口密封设计为静密封结构，只能进行静压试验[6-7]。

1—井口密封装置；2—试验井筒；3—隔热保温层；

2.2可倾斜及弯曲常温试验井

常温试验井可满足试验井筒进行垂直试验、弯曲试验、倾斜试验的要求。

2.2.1垂直试验

将试验井筒连接好后，用天车吊入至工作位置即可进行试验。

2.2.2弯曲试验

为满足试验井筒弯曲功能，设计了弯曲架总成(如图3)。将整个试验井筒(包括井口装置和套管)固定在弯曲架总成里，井口装置和上段直套管完全刚性固定在钢结构框架上，距上下段套管法兰连接点不同位置的3点(3、7、10 m)设计成活铰支固定结构即套管拉弯装置(如图4)，利用液缸在弯曲架内3点(3、7和10 m处)分别拉弯下段套管形成不同的曲率，形成前直段+后圆弧段的试验弯曲井筒。

采用井筒弯曲架弯曲套管的优点是套管的弯曲力(约200 kN)作用在井筒弯曲架上，形成内力系，受力结构合理。

圆弧段井筒套管的曲率变化范围为：ø244.5 mm套管曲率0～20°/30 m；ø177.8 mm套管曲率0～25°/30 m；ø139.7 mm套管曲率0～30°/30 m。

图3　弯曲架总成

1—弯曲架总成；2—固定座；3—试验井筒；

2.2.3倾斜试验

将试验井筒与弯曲架总成固定在一起，首先通过天车将其吊入工作位置，多功能试验机将井口夹持住，然后通过多功能试验机和斜管拉紧装置向一侧翻转，翻转角度分别为10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，不同位置处可通过倾斜管固定装置固定弯曲架进行试验。

井筒翻转时，要求井筒既可是斜直井，又可是弯曲井，满足前、后、右3个方位套管开窗的试验要求，开窗窗口长度4 m。

2.3多功能试验机及配套液压系统[8]

2.3.1功能

主要实现对试验井筒中试验管柱(包括试验工具)顶部驱动旋转，施加拉力、压力，起升、下放等主要功能，同时满足对试验井筒的夹持、松开，试验管柱的上、卸扣等辅助功能，并且能翻转满足试验井筒倾斜的试验要求。多功能试验机采用全液压加载和控制方案，安装了拉、压传感器、转矩转速传感器、位移传感器，测量各种试验工况参数。

2.3.2技术参数(如表1)

表1　稠油热采钻完井试验系统技术参数

2.4供液系统

模拟实际工况条件参数，在试验井筒中为工具试验提供循环介质。通过地面供液泵提供循环试验介质(水)以满足试验的压力和排量要求。

包括排量40 L/s的F-800型泥浆泵供液循环系统、100 L/min的高压柱塞泵供液循环系统、70 MPa静水压试验系统。

2.5测控系统

主要实现试验系统各种试验工艺参数测量和控制；实现相关电气设备启停控制，传感器、电动阀和部分辅助设备的控制。

上位机为计算机工作站，采用组态王软件(如图5)，结合C+等高级语言编制上位机管理程序。下位机为西门子可编程控制器，采用PLC自带的软件编程。

图5　计算机集中控制管理系统原理

所有试验系统的测量传感器信号均传入下位机的数据采集模块，经过处理后输送到上位机显示、存储、输出。

上位机向下位机发出指令实现试验系统工艺参数的控制，实现试验设备的启停控制。

此外，在第1～4层正对试验井的墙上、第1层供液泵房、第4层面对试验机的厂房墙上，液压泵房的墙上，各安装1台带云台的变焦彩色摄像机。通过主控制室里显示器监视试验的全过程，保障试验人员的安全 。摄像机的图像信号，经过解码器RS485-RS232接入硬盘录像机(计算机加视频卡及软件)存储或在显示器上显示，所有操作均可用鼠标点击实现。

3应用

截止2015-11，稠油热采钻完井试验系统已进行了扭转振荡器试验、连续循环钻井侧阀冲蚀试验等。试验结果证明系统运行稳定可靠，数据测试准确。

4结语

1)稠油热采钻完井试验系统整体设计合理，符合油田方提供的技术规范，完全满足项目要求的技术参数和功能要求，操作方便，工作可靠。加快了钻井井下工具的研发速度。

2)可以满足不同井下工具和其他配套设备的模拟试验需要。

3)通过中控室的计算机显示界面，能观测到试验系统的各传感器监测到的实时数据，实现了系统的集成观测与控制。

参考文献：

[1]陈平．钻井与完井工程[M]．北京：石油工业出版社，2005.

[2]吴奇．井下作业工程师手册[M]．北京：石油工业出版社，2002.

[3]刘汝福，韩进，汪韶明，等.封隔器高温性能试验系统研制[J].石油矿场机械，2004，33(6)：111-113.

[4]王东，章发明，陈磊，等.井下工具高温试验井系统[J].石油矿场机械，2009，38(7)：75-79.

[5]边江，韩进，汪韶明，等.井下工具油浸试验系统[J].石油机械，2005，33(7)：13-14.

[6]SY/T 5328—1996，热采井口装置[S].

[7]API SPEC 6A—2010， 井口装置和采油树设备规范[S].

[8]章发明.大港油田钻采工具试验系统研制[J].石油矿场机械，2009，38(1)：72-78.

Development of Thermal Recovery Drilling and Completion Test System for Heavy Oil

CHEN Lei，ZHANG Faming，WANG Hang，WANG Dong，BI Qunsi，ZHANG Kai，HU Haiming

(LanpecTechnologiesLimited，Lanzhou730050，China)

Abstract：To meet the requirements of oil field development and construction，the thermal recovery of heavy oil drilling and well completion test is built.Test system is consisted by electromagnetic heating temperature test wells，tilting，bending under normal temperature test wells，multi-function testing machine and matching hydraulic system，supply system and control system.The system can meet performance test of thermal production tool under the high temperature (350 ℃)，and can satisfy the normal temperature shaft to turn over for 10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，and 90° for drilling，circulation，opening a window，at the same time can be bent at wellbore temperature and validation of test tools tranversibility.The success of the system provides the test data for development of new drilling tools.

Keywords：simulation test；thermal recovery of heavy oil；test system

中图分类号：TE934.5

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.018

作者简介：陈磊(1982-)，男，安徽萧县人，工程师，现从事石油钻采设备的设计与研究，E-mail：chenlei67@163.com。

收稿日期：①2015-09-21

文章编号：1001-3482(2016)03-0077-04