高温高压试验系统设计和实现

摘要：随着勘探开发技术的提高，针对高温高压井的作业日渐增多。作业管柱及井下工具长时间处于高温高压的复杂环境中，增加了作业风险和安全隐患。高温高压试验系统专注于风险控制的整体解决方案，能够实时采集作业管柱的密封特性、水力特性、疲劳特性等参数，对深入研究高温高压作业的关键技术有一定的指导作用，对高温高压工具的检测工作做出有实际意义的探索。
关键词高温高压 试验系统 热流体
1、序言
目前的油气田开发越来越多涉及了高温高压井底环境下的作业。随着地温梯度和液柱压力作用，井底的温度和压力也相应增加，增大了井下作业的风险。在高温高压条件下，井下管柱承受极限工作状态，工作可靠性受到限制，引发了一系列高温高压的技术难题。如：井下工具工作不稳定，寿命缩短、强度下降、密封性能变差等。而井下工具失效可能引发多种井下复杂情况及事故，造成巨大的经济损失。
为了保证井下工具工作的可靠性及稳定性,根据水力学及渗流力学原理, 采用先进的测试手段和分析软件，研制了高温高压试验系统开展井下作业工具和相关的仪器仪表下井实验，以获取被测对象在井下工作环境中的各种状态参数，研究井下工具的力学性能与动力学特征，为新产品研发和现用产品的改造提供可靠的实验数据。

2、系统硬件设计

图1 热流体循环系统流程图

2.1 热流体循环系统

热流体循环系统是整个系统的框架，是模拟分层注汽工艺流程不可或缺的部分。其井口部分主要由两根平行的石油套管、井口法兰、井口四通、套管扶正装置、阀门汇成、管线汇成等组成。两根平行的套管分别是油田专用的7″和5.5″石油套管，套管长度为9米，在套管的外壁有4个引出口，其中3个用来在实验中模拟3个注汽单元，最下面的一个为备用引出口；套管最上端与井口法兰焊接，井口法兰再与井口四通相连接，如图1所示；阀门汇成和管线汇成是结合试验流程进行设计的，实现高温与低温的隔离、高压与低压的循环。

2.2热流体温度系统

热流体温度系统的构成如图2所示，以导热油电加热炉为主体，以储油槽、膨胀槽、热油箱、电伴热与保温等为辅助设备。加温系统主要完成试验中注油和预热两个流程，给热采分层注汽室内模拟试验系统充满高温导热油。先启动循环泵从储油槽里面抽取常温导热油进入导热油电加热炉，加热棒不开启，从导热油电加热炉流出的仍是常温导热油，通过循环泵克服系统中的流体阻力，把导热油注满包括膨胀槽、热油箱、试验套管在内的整个试验系统；再启动导热油电加热炉内的加热棒，循环泵给导热油在系统中不断流动提供动力，使导热油在导热油电加热炉内吸收热能，对参与循环的导热油进行热传递，从而按照一定的升温曲线把导热油加热到使用温度。

图2 热流体温度系统的构成与流程图
膨胀槽是加温系统中的重要辅助设备，它的设计直接关系到整个系统能否安全可靠的运行。膨胀槽在系统中具有定压、超压卸荷、脱水排气、保护热流体不被氧化等作用。由于闭式结构需要采用氮气密封措施来隔绝空气，防止导热油在高温时与空气直接接触而发生氧化变质现象，提高导热油的寿命和消除安全隐患，系统中选择了相对简便的开式结构。

图3 热流体加压系统构成图

2.3热流体压力系统

热流体压力系统如图3所示。温度系统完成系统循环的导热油加热后，通过电动截止阀断开导热油电加热炉与加压系统的连接。此时热油箱存满了高温导热油，高温高压泵将从热油箱供给的高温导热油根据试验流程控制打进工艺管柱系统的相应部位，完成分层注汽和上下承压试验。因为高温高压泵完成的并不是一个纯高压的循环，而是出口高压进口低压的循环，所以在高温高压泵的进口前加一个电动减压阀进行减压处理和热油箱进行缓冲，实现高压到低压的过程转换。
热油箱在加温和加压系统中都扮演着重要的辅助作用，在加温系统中主要实现油气分离器的作用；热油箱在加压系统中有两个功能：①给高温高压泵供油，为了防止高温高压泵在工作中出现抽空的情况发生，在泵的进口必须保证有足额的导热油供应，经过注油和预热流程后在热油箱充满了高温导热油，可以满足高温高压泵任何时候都可以从热油箱抽取导热油给系统打压和打流量；②给高温高压泵进口提供压力缓冲的过程，从电动减压阀回来的导热油先由其顶部回流进热油箱，再由其底部供油管供给高温高压泵，使得压力有一个缓冲的空间。

3、软件设计

测控软件主要包括两部分：上位机管理程序和下位机执行程序。下位机软件主要承担高速数据采集与传输、上位机操作命令读取与执行、试验参数现场显示、现场软手动操控试验流程、仪表故障和限位报警等任务；上位机软件主要承担动态数据监控、液汽转化模型的实现、实时报警、试验参数曲线图显示、试验命令传输、数据管理与试验报表打印等任务。
上位机操作管理软件主要负责用户接口、数据分析处理等任务，

摘自：硕士论文格式www.udooo.com

为用户提供
操作界面，可软手动控制系统各运行参数以及各设备的运行状态，并在显示器上
显示用户键入和当前试验的主要数据，数据显示采用多种形式，有表格、历史曲
线、瞬时曲线以及动画等。另外上位机软件提供了流程切换操作界面，实现不同
流程之间一键式切换，简化了试验操作。
下位机测控软件是整个测控系统的核心，它决定了整套系统的功能和实现方
式。下位机测控程序主要负责试验系统中参数测量控制、数据传送、控制命令接
收，并提供界面显示当前试验的主要数据、各设备的运行状态，供调试及检查故
障时参考；同时，在下位机配有大尺寸的触摸式显示器，现场的操作人员可以直
接通过点击触摸屏幕相应的按钮来实现对试验流程和设备开关的控制。
操作人员在登录之后系统首先进行初始化，初始化进程包括：定义软件的变
量和常量、注册 PCI 板卡（通道数量、采集卡编号、板卡类型、采样频率等）、
连接 Access 数据库、初始化阀门和仪表状态、以及设定定时器状态等。初始化工作结束之后，如果没有相关的仪表和阀门故障报警产生，下一步就可以按照试验流程进行实验。

4、结束语

针对高温高压作业时井下工具可靠性和稳定性等问题研制了高温高压试验系统以降低高温高压井下作业施工风险。系统硬件部设计着眼于工艺措施管柱的系统性，与作业现场无缝结合。软件部分采用上下位机两级管理，实现了对工作人员的保护。试验结果表明,该系统能有效评价不同工况下工艺措施管柱工作可靠性， 对于复杂地层条件下工艺措施管柱的优选具有一定的指导意义。同时解决了开发和产业化中高温高压井下工具检测的难题，具有较高的经济价值和实用价值，在实际科研、产业化中已经得到了成功实践,并发挥了非常重要的作用。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。