竇益華，韓 碩，鄭 杰，2，3，李貞貞

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.西安特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，陜西西安 710065；3.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西西安 710072）

1 現(xiàn)場(chǎng)面臨的挑戰(zhàn)

近一年以來，長慶地區(qū)的水平井總體發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)為完井井深更深、水平段更長、加砂量更大、入井液量更多、施工壓力更高等特點(diǎn)[1]。

2021 年6 月3 日13 時(shí)8 分，中國北方頁巖氣最高壓力施工井鄂102X 井壓裂完成。鄂102X 井是長慶區(qū)域內(nèi)首口壓力等級(jí)達(dá)140 MPa 的非常規(guī)頁巖氣勘探井。該井地處內(nèi)蒙古鄂爾多斯鄂托克前旗，試氣層位為奧陶系烏拉力克組，完鉆井深5 286 m，全井泥頁巖與灰?guī)r解釋有效氣層共595.6 m。

同年6 月6 日，桃X-XX-XH2 井分別創(chuàng)造了長慶氣田最深（8 008 m）水平井壓裂、亞洲陸上油氣井水平段最長（4 466 m）壓裂兩項(xiàng)新紀(jì)錄。該水平井施工設(shè)計(jì)高達(dá)40 段152 簇，除超深和水平段超長外，還具有加砂量大（2 056.6 m3）、入井液量多（23 600 m3）、施工壓力高（68.2 MPa）等特點(diǎn)。

6 月5 日，華HXX-3 井順利完井，完鉆井深7 339 m，水平段長5 060 m，刷新了亞洲陸上水平井最長水平段、長慶油田油井最深井等多項(xiàng)新紀(jì)錄[2]。該水平段的突破，又為水平井領(lǐng)域的工藝與工具進(jìn)步提出了新的挑戰(zhàn)。

2 試驗(yàn)裝置發(fā)展現(xiàn)狀

面對(duì)如今油氣井越來越高的壓力和溫度等級(jí)要求，壓裂工藝的發(fā)展日新月異，國內(nèi)各大油田及高校，均針對(duì)壓裂各個(gè)工藝環(huán)節(jié)研發(fā)了各種試驗(yàn)裝置[3]，如2010 年中海油為滿足海上油田水平井及大斜度井定向防砂完井需求研發(fā)的水平井防砂完井物模試驗(yàn)裝置[4]、中國石油大學(xué)2012 年研發(fā)的裂縫充填模擬試驗(yàn)裝置[5]、2016年中科院武漢巖土力學(xué)研究所研制的水力加砂壓裂試驗(yàn)裝置[6]等。除了常規(guī)的單下封壓裂之外，目前也發(fā)展出水力噴射加砂分段壓裂、連續(xù)油管拖動(dòng)壓裂、套管滑套壓裂等壓裂工藝[7]，針對(duì)不同工藝，所應(yīng)用的井下工具設(shè)計(jì)制造也需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，同時(shí)需要配合有效的檢測(cè)手段，才能更好地加速工具的研發(fā)及生產(chǎn)，提高工具的可靠性[8]、可維護(hù)性[9]以及實(shí)用性[10]。

2009 年，大港油田建立了一套鉆采工具試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)有直徑7 m、深度為19.5 m 的直井與1 口長度為37 m 的水平試驗(yàn)井[11]。其中垂直井分為常溫試驗(yàn)井和高溫試驗(yàn)井，高溫試驗(yàn)井采用空氣加熱，最高可達(dá)180 ℃，最大壓力60 MPa。其中水平試驗(yàn)井與常溫試驗(yàn)井井身結(jié)構(gòu)外層均為φ244.5 mm 套管，高溫試驗(yàn)井井身結(jié)構(gòu)外層懸掛φ339.7 mm 套管，高溫井套管外鋪設(shè)保溫層。高溫井與水平井底部裝有承力裝置，可承受0～1 000 kN 的井底鉆壓載荷，且該裝置底部裝有測(cè)扭、加扭裝置，扭矩載荷區(qū)間為3～7 350 N·m，可進(jìn)行井底動(dòng)力鉆具的載荷試驗(yàn)。2014-2015 年，還對(duì)該試驗(yàn)井筒及密封裝置進(jìn)行了升級(jí)改造，令其可承受350 ℃高溫及150 MPa 高壓，并可更換139.7 mm 及177.8 mm 的套管進(jìn)行靜壓密封試驗(yàn)[12]。

2010 年，為遼河油田分層注汽生產(chǎn)工藝配套設(shè)計(jì)的一套智能化室內(nèi)模擬測(cè)試系統(tǒng)[13]（見圖1），以計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等為特征，形成了以試驗(yàn)管柱系統(tǒng)、介質(zhì)加溫加壓系統(tǒng)、智能化測(cè)試系統(tǒng)為主要組成的一套完整的井下工具測(cè)試系統(tǒng)。該介質(zhì)加溫加壓系統(tǒng)中的電加熱爐最高加熱溫度為400 ℃，且克服了高溫密封、導(dǎo)熱油泄漏、出口壓力波動(dòng)范圍大等技術(shù)難題，能夠?qū)崿F(xiàn)工作溫度350 ℃，流量5 m3/h 可調(diào)，出口壓力可達(dá)18 MPa，能夠在室內(nèi)模擬分層注汽過程，建立注汽參數(shù)與油藏性狀之間的數(shù)學(xué)模型、并能對(duì)井下采油工具的各項(xiàng)性能進(jìn)行檢測(cè)，從而為新工具的設(shè)計(jì)和新工藝的研究提供有效的試驗(yàn)平臺(tái)和可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 遼河油田分層注汽智能化室內(nèi)模擬系統(tǒng)[13]

同時(shí)，中海油主要針對(duì)目前海上油田水平井及大斜度井的防砂完井需求，設(shè)計(jì)了水平井防砂完井物理模擬試驗(yàn)裝置[4]。該裝置可針對(duì)海上不同的油藏類型特征，優(yōu)選出防砂完井方式，能夠完成水平井或大斜度井防砂解堵、礫石充填、防砂篩管評(píng)價(jià)及工具性能測(cè)試等試驗(yàn)的大型完井裝置。通過水平井礫石充填過程中排量、砂比、攜砂能力和漏失量等參數(shù)優(yōu)化的試驗(yàn)研究表明，該裝置可延長防砂完井有效期，提高防砂完井成功率。

2012 年，長春理工大學(xué)尚春民等設(shè)計(jì)研發(fā)的一套井下工具水浸試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)于溫度和壓力的精度控制提出了更高的要求[14]。該系統(tǒng)最高壓力為100 MPa，最高溫度為95 ℃，壓力控制精度≤±0.5%FS，溫控精度可達(dá)±1 ℃。

2014 年，中石化勝利油田研發(fā)了一款可加溫至200 ℃，壓力70 MPa、加載力300 kN 的試驗(yàn)系統(tǒng)[15]，該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是長8 m，可更換139.7 mm 及177.8 mm套管的地下試驗(yàn)井筒，內(nèi)筒采用P110 高強(qiáng)度套管，且在外固定加強(qiáng)環(huán)和8 根加強(qiáng)筋，提高試驗(yàn)管柱的安全系數(shù)，保證其抗壓能力。外筒為直徑370 mm 的鋼管結(jié)構(gòu)，采用2 層高效保溫材料包覆，確保系統(tǒng)熱量損失為最低。整套試驗(yàn)管柱固定于試驗(yàn)外筒內(nèi)部，確保了整套試驗(yàn)裝置的密封性。同年，川慶鉆探公司投用的一套高溫高壓模擬試驗(yàn)井裝置[16]，最高試驗(yàn)壓力可達(dá)105 MPa，最高試驗(yàn)溫度250 ℃，采用感應(yīng)線圈加熱的方式[17]，將線圈纏繞于試驗(yàn)套管之外，以加熱油為介質(zhì)，對(duì)井筒進(jìn)行加熱，相比傳統(tǒng)的導(dǎo)熱油加熱方式，此種方式效率更高，更為安全。之后在2020 年，川慶鉆探公司繼續(xù)對(duì)該裝置進(jìn)行升級(jí)，使其能夠模擬軸向拉壓作業(yè)和管柱鉆進(jìn)過程，最大上拉載荷1 000 kN、下壓最大700 kN，最大扭矩15 kN·m[18]。

2016 年，因常規(guī)試驗(yàn)裝置無法滿足壓裂完井工具模擬試驗(yàn)要求，勝利油田在原試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上研發(fā)了一款綜合性的壓裂完井工具高溫高壓性能模擬試驗(yàn)裝置[19]（見圖2）。該裝置設(shè)置有2 口試驗(yàn)井筒，分別為139.7 mm 及177.8 mm，試驗(yàn)井筒耐壓可達(dá)140 MPa、整體溫度可達(dá)200 ℃以上，同時(shí)可針對(duì)井下工具動(dòng)作及耐溫耐壓情況進(jìn)行模擬。該裝置設(shè)置有移動(dòng)式試驗(yàn)臺(tái)，加載拉壓力為500 kN、加載扭矩±5 kN·m，可上下左右移動(dòng)定位，同時(shí)支架可傾斜，方便較長工具的下入。

圖2 勝利油田壓裂完井工具高溫高壓性能模擬試驗(yàn)裝置[19]

2017 年，川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的整機(jī)高溫高壓試驗(yàn)無法進(jìn)行動(dòng)態(tài)拉、壓、扭轉(zhuǎn)等操作，也不能實(shí)時(shí)模擬油套壓變化，所以自行研制了一套高溫高壓井下工具試驗(yàn)裝置[20]（見圖3）。該裝置可以實(shí)現(xiàn)靜密封最大壓力210 MPa、動(dòng)密封最大壓力105 MPa。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，對(duì)于高壓井筒進(jìn)行優(yōu)化，將井筒上腔和下腔的打壓口均置于井筒上方，解決了泄壓時(shí)容易出現(xiàn)的堵塞問題，同時(shí)杜絕了井筒底部雜質(zhì)的回流。該裝置采用空氣加熱系統(tǒng)，由外加風(fēng)機(jī)進(jìn)行空氣循環(huán)，最高溫度200 ℃。加載裝置主要用于對(duì)試驗(yàn)的工具進(jìn)行拉、壓加載測(cè)試，額定加載壓力360 t，由兩個(gè)主油缸進(jìn)行控制。并配備兩臺(tái)高壓泵和一臺(tái)低壓灌注泵，可進(jìn)行上腔、下腔和中心腔的打壓，各路流量可單獨(dú)控制。

圖3 川慶鉆探井下工具高溫高壓試驗(yàn)裝置[20]

同年，中石化石油工程技術(shù)研究院研發(fā)了一款能夠模擬井下125 ℃高溫及70 MPa 高壓，并且針對(duì)地層壓力隨鉆測(cè)量系統(tǒng)等井下儀器功能短節(jié)進(jìn)行測(cè)試的室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)[21]。采用卡扣式設(shè)計(jì)，可快速更換及連接井筒本體、井蓋和測(cè)量儀器。并增設(shè)地層巖心模擬模塊，可作為地層壓力測(cè)量儀器的試驗(yàn)平臺(tái)或?qū)Φ貙訅毫y(cè)試算法進(jìn)行驗(yàn)證。

2019 年，西南油氣田工程技術(shù)研究院結(jié)合川渝氣田“三高”特性，研發(fā)了DTTS-200-140 高溫高壓井下工具試驗(yàn)系統(tǒng)[22]。該系統(tǒng)可在200 ℃、140 MPa、拉壓載荷300 kN、扭矩10 kN·m 條件下測(cè)試井下工具。其超高壓試驗(yàn)井筒創(chuàng)新地使用了壓環(huán)快裝結(jié)構(gòu)和組合式密封代替了普通的螺紋連接密封方式，提高可靠性的同時(shí)節(jié)省人力且提高了更換套管的效率。加熱保溫系統(tǒng)采用電磁加熱，通過電磁加熱感應(yīng)器將高頻交流電流轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交變磁場(chǎng)，作用至金屬管道后可產(chǎn)生渦流，并迅速加熱金屬管道。

除了溫度壓力的升級(jí)，工具試驗(yàn)井筒也在追求更為逼真地模擬井下工況，如2019 年石油工業(yè)油氣田射孔器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心連旭設(shè)計(jì)的一套模擬井筒加溫加壓系統(tǒng)[23]，除了能達(dá)到300 ℃的高溫之外，可提供240 MPa 的圍壓、井壓和孔隙壓力，且能建立0 至50 MPa 的流動(dòng)測(cè)量壓差。對(duì)于多種試驗(yàn)工況均可進(jìn)行模擬。

綜上所述，井下工具試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)總體可劃分為加溫系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、加載系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。其溫度壓力等級(jí)近年來總體呈上升趨勢(shì)（見圖4）。加溫系統(tǒng)有針對(duì)井筒加熱的方式以及外部循環(huán)導(dǎo)熱油加熱方式，其中直接加熱井筒又分為空氣加熱以及直接加熱，輔以溫度傳感器實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

圖4 井下工具試驗(yàn)裝置溫度壓力變化圖

3 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀

在配合井下工具溫度壓力等級(jí)進(jìn)行檢測(cè)手段升級(jí)的同時(shí)，面對(duì)批量工具性能檢測(cè)的效率提升問題，不同的企業(yè)及機(jī)構(gòu)也做出了不同的探索。

2014 年，勝利油田分公司專門針對(duì)套管外封隔器研發(fā)了一套模擬試驗(yàn)裝置[24]（見圖5），額定壓力30 MPa、額定溫度180 ℃。主要由模擬井下裸井井眼的模擬井筒、加熱系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)組成。模擬井眼尺寸范圍為φ198 mm 至φ350 mm，兼容139.7 mm 及177.8 mm 的裸眼井眼的尺寸。

圖5 勝利油田套管外封隔器模擬試驗(yàn)裝置[24]

遼河油田分公司鉆采工藝研究院于2016 年設(shè)計(jì)了一款針對(duì)壓縮式封隔器膠筒的檢測(cè)裝置[25]，該裝置檢測(cè)膠筒性能，不需要將膠筒裝配于封隔器，便可在指定的壓力及溫度條件下判斷膠筒密封狀況，得到各種型號(hào)和規(guī)格的壓縮式封隔器膠筒使用中的壓縮距、承壓能力等關(guān)鍵參數(shù)。該裝置通過液壓泵與中心管相連，施加一定壓力，使活塞向左運(yùn)動(dòng)，同時(shí)剪斷剪切銷釘，帶動(dòng)活塞桿、推桿和擋環(huán)，使膠筒壓縮并坐封。內(nèi)部設(shè)置開口測(cè)量環(huán)，隨推桿一同下行，在膠筒解封后，可直接根據(jù)測(cè)量環(huán)的行走距離量取膠筒壓縮距。

2020 年，清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭飛、溫天政等設(shè)計(jì)研制了一種封隔器膠筒密封性能試驗(yàn)裝置[26]（見圖6），可模擬稠油熱采井開采時(shí)井下350 ℃、20 MPa 的施工情況。該裝置主要由高壓泵、加熱裝置、水活塞、套筒模擬裝置、壓力表、測(cè)溫儀組成。該裝置的主要部件為套筒模擬裝置，膠筒放置于內(nèi)缸套中，套筒壓套配合水活塞，對(duì)膠筒進(jìn)行加壓，外缸套底部與內(nèi)缸套配合，形成下部環(huán)空。下方介質(zhì)注入口通入環(huán)空腔體，用于注入水、油等介質(zhì)。加熱套設(shè)置于外缸套外側(cè)，可加熱保溫至350 ℃。

圖6 封隔器膠筒密封性能試驗(yàn)裝置[26]

2021 年，中國石油大學(xué)研發(fā)了一套封隔器膠筒高溫密封性能試驗(yàn)裝置[27]（見圖7），專門針對(duì)封隔器膠筒的高溫性能測(cè)試，由試驗(yàn)筒、加熱系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、液壓動(dòng)力源、水壓系統(tǒng)五個(gè)部分組成。其中核心部件是試驗(yàn)筒，筒內(nèi)裝有芯軸，可以模擬井下工具的中心管。因封隔器膠筒分為擴(kuò)張式及壓縮式，故該試驗(yàn)裝置也據(jù)此做了區(qū)分設(shè)計(jì)，擴(kuò)張式膠筒芯軸內(nèi)置水眼，上部有針型閥，可在壓力達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)手動(dòng)關(guān)閉。壓縮式膠筒通過液壓缸對(duì)膠筒施加載荷坐縮膠筒，實(shí)現(xiàn)坐封。該裝置使用電阻帶與導(dǎo)熱油結(jié)合的加熱方式、輔以液壓及水壓加載設(shè)計(jì)。測(cè)試擴(kuò)張式封隔器膠筒通常裝配1 只，壓縮式通常裝配3 只。經(jīng)測(cè)驗(yàn)，該設(shè)備可方便快捷地對(duì)膠筒進(jìn)行性能測(cè)試，可大幅節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間。

圖7 封隔器膠筒高溫密封性能試驗(yàn)裝置[27]

除了針對(duì)密封件的專用裝置之外，試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也有針對(duì)加溫系統(tǒng)的專項(xiàng)研究改進(jìn)。2020 年，陜西能源技術(shù)學(xué)院的張建華等設(shè)計(jì)了一種具有內(nèi)外循環(huán)功能的熱風(fēng)循環(huán)與變頻控制裝置[28]（見圖8），在熱風(fēng)加熱區(qū)域，設(shè)有導(dǎo)流筒，分隔了加熱器與高壓釜質(zhì)檢的環(huán)形區(qū)域。使熱氣流具有內(nèi)外風(fēng)道，可通過電動(dòng)閥門切換方向，分別實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)加熱、外循環(huán)降溫兩種功能。該裝置內(nèi)部為高壓釜，溫度檢測(cè)元件設(shè)置于其內(nèi)外壁，由變頻控制系統(tǒng)控制；其外即是熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，利用該內(nèi)外循環(huán)的加溫、降溫方式，可以較快速度對(duì)釜內(nèi)試驗(yàn)介質(zhì)的溫度進(jìn)行升降，對(duì)于普通空氣加熱的方式有較大改善，且可有效提高電熱風(fēng)利用率，節(jié)電效果好。

圖8 熱風(fēng)循環(huán)與變頻控制裝置[28]

以上分析了2009 年以來國內(nèi)各大油田所研發(fā)的高溫高壓試驗(yàn)裝置以及關(guān)鍵部件檢測(cè)機(jī)構(gòu)的發(fā)展，其主要提升在于溫度及壓力等級(jí)。該裝置的核心在于溫度、壓力及拉壓載荷控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。目前加熱裝置主要分為三種形式，分別為外部循環(huán)加熱、直接加熱以及空氣加熱[29]。外部循環(huán)加熱主要采用導(dǎo)熱油加熱，導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)較為安全環(huán)保，且使用成本較低，但溫度控制能力較差；直接加熱主要將如電阻絲之類的電熱元件包覆于試驗(yàn)井筒外，直接對(duì)井筒進(jìn)行加熱，此種方式加熱效率較高，保溫性能較好，溫度控制較為精準(zhǔn)；空氣加熱為利用高溫高壓加熱空氣后將空氣循環(huán)至井筒外壁，通過空氣加熱井筒；目前國內(nèi)試驗(yàn)裝置較多采用直接加熱或?qū)嵊图訜?，而蒸汽加熱或空氣加熱方式則效率較低，使用成本高[30]，故使用較少，試驗(yàn)系統(tǒng)溫度一般可達(dá)到200 ℃以上。多數(shù)系統(tǒng)可適配多種規(guī)格的套管尺寸，可測(cè)試不同尺寸的井下工具序列。套管更換有多種方式，工具的井下動(dòng)作模擬多使用多功能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)軸向拉壓及扭轉(zhuǎn)等動(dòng)作。

未來，試驗(yàn)系統(tǒng)的溫度及壓力等級(jí)將會(huì)進(jìn)一步提高，適應(yīng)性也會(huì)更廣，能夠更好地模擬井下實(shí)際工況，溫度壓力的控制精度會(huì)更為精確。與此同時(shí)，為了更高的試驗(yàn)效率，加熱裝置的溫度升降速度將進(jìn)一步加快。

4 結(jié)論與建議

高溫高壓試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)于井下工具的研發(fā)制造來說不可或缺，能夠有效地提升工具的研發(fā)效率和可靠性。在綜合性大型模擬試驗(yàn)之外，將出現(xiàn)更多對(duì)于膠筒、密封圈等密封件的專用試驗(yàn)設(shè)備，將密封件性能檢測(cè)與工具性能試驗(yàn)進(jìn)一步區(qū)分，從細(xì)化到單一尺寸標(biāo)準(zhǔn)件的檢驗(yàn)工具到極具綜合性的大型試驗(yàn)設(shè)備，將是日后試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備研究的兩個(gè)方向。