CN102519683B - 节能型井下封隔器高温高压性能试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种节能型井下封隔器高温高压性能试验装置。本试验装置主要由稳压回路、增压回路和高温高压试验油井换向回路依次连接组成，并在增压回路和高温高压试验油井换向回路之间的液压管路上连接先导式高压电液比例溢流阀、压力传感器和流量传感器。本发明可以在储能器供油定量齿轮泵间断补油的情况下，长时间工作于高温高压工况，同时避免节流带来的能量损失。本发明可以模拟井下高温高压工况，并对井下封隔器的高温高压性能进行测试，尤其是能测量井下封隔器在高温高压状况下的泄露流量。

Description

节能型井下封隔器高温高压性能试验装置

技术领域

本发明涉及一种节能型井下封隔器高温高压性能试验装置，属于石油工程及机电一体化领域。

背景技术

现在，随着钻井深度的增加，由于地温梯度和液柱压力作用，井下的温度和压力也相应增加，因此，工作过程中井下封隔器失效可能引发多种井下复杂情况及事故，并造成巨大的经济损失。为了验证封隔器的高温高压性能，就需要一种可以模拟井下高温高压工况的高温高压试验设备。

在《石油矿场机械》杂志2004年06期，文献《封隔器高温性能试验系统研制》公开了一种封隔器高温性能试验系统，该试验系统采用了油浸试验井和排量大小分别为54L/h和31L/min的两种动力泵，可满足不同工具的注油试验，然而，该实验装置采用的油浸试验井方案使系统的耗油量较大，且容易造成实验过程中油液的污染，同时采用两种动力泵的试验方案也增加了系统的复杂程度并占用了更多的场地面积。

在《机械》杂志2008年09期，文献《高温高压模拟井筒的设计》公开了一种高温高压模拟井筒循环加热加压装置，该实验装置拟定的井内试验温度、压力分别为120^oC、40MPa，可以模拟3000m井深的井下温度和压力环境。该系统的加压泵采用了常温小功率小排量的柱塞泵，井筒内设定压力由减压阀的调节压力决定，其采用的小功率小排量柱塞泵，虽然能降低系统的能耗，但在实验过程中采用减压阀来调节系统的压力，仍然存在较大的溢流损失。

发明内容

本发明的目的在于针对目前已有技术存在实验设备复杂节流损失较大的缺陷，提供一种节能型井下封隔器高温高压性能试验装置。本发明可以在储能器供油，低排量的定量齿轮泵间歇补油的情况下，长时间工作于高温高压工况，且无节流损失，可以对井下封隔器的高压试验压力进行无节流的闭环控制，提高试验的准确性和稳定性，同时可以测量进入封隔器的液压油流量，并结合实验过程中封隔器压力的波动情况对封隔器的质量进行判定。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

利用稳压回路、增压回路和高温高压试验油井换向回路顺序连接，并在增压回路和高温高压试验油井换向回路之间的液压管路上分别连接先导式高压电液比例溢流阀、压力传感器和流量传感器。其特征在于：所述先导式高压电液比例溢流阀的设定压力为封隔器试验压力的1.05倍，充当安全阀使用；所述的压力传感器用于测量高温高压试验油井的试验压力；所述流量传感器用于测量流入高温高压试验油井的液压油流量；所述稳压回路是由定量齿轮泵和电动机通过轴连接后，压力继电器、储能器与直动式溢流阀分别并联在定量齿轮泵的出油管道上构成，作为系统的油源。

所述增压回路的结构是在同一个轴上、具有四象限工作能力的高压双向变量泵、低压双向变量泵和高压定量泵组成，用于系统的增压和稳压，其中高压定量泵位于同轴的中间，其它两变量泵位于同轴的两端，高压双向变量泵和高压定量泵的一端与稳压回路的出油口连接，形成增压回路的低压进油口，另一端连接高温高压试验油井换向回路，形成增压回路的高压出油口，低压双向变量泵的一端与稳压回路的出油口连接，形成增压回路的低压进油口，另一端则直接连接油箱。所述的高压双向变量泵和低压双向变量泵分别带有一个斜盘调节机构，该调节机构由一个三位四通电液比例换向阀连接双出杆变量缸组成。在轴端还连接有一个转速传感器，用于测量三个泵的转速。回路进油口同时并联有一个压力传感器，用于测量进油口压力。

所述高温高压试验油井换向回路主要由三个高压两位三通电磁换向阀、高温高压试验油井、三个高压单向阀、自动排气阀和高压两位两通电磁换向阀组成。所述高温高压试验油井主要包括环空加热套、井筒、油管及试验封隔器，所述环空加热套包裹在井筒外部，所述试验封隔器连接在油管的中部，形成油管的一段，并嵌套在井筒里面。油管和井筒之间的环空被封隔器分割形成试验油井上压腔和下压腔，油管内部空间形成试验油井内压腔。所述井筒和油管的下部封死，上部密封段通过密封堵头密封，在油管下端及井筒上下两端分别设有内压、上压和下压注油孔，分别连通试验油井内压腔、上压腔和下压腔。所述高压两位三通电磁换向阀分别串联在增压回路的高压出油口和高温高压试验油井的内压、上压和下压注油孔之间，并且安装在高温高压试验油井的底部，用于封隔器压力试验类型的选择及系统泄压，所述三个高压单向阀的进油端分别与高温高压试验油井内压、上压和下压试验腔的顶部相连，出油端连接自动排气阀，所述自动排气阀安装在高温高压试验油井的顶部，所述高压两位两通电磁换向阀连接三个高压单向阀的出油端和油箱，用于自动排气阀的泄压。整个试验装置电磁阀的换向、先导式高压电液比例溢流阀的溢流压力都由计算机控制。

本发明的工作原理：

系统开始试验，有一个计算机控制系统发出两路控制信号，一路控制相关电磁换向阀的换向和先导式高压电液比例溢流阀的溢流压力，另一路控制高压双向变量泵的排量变为最大和高压定量泵一起工作向增压回路的高压出油口排油，实现“马达”工况，带动低压双向变量泵，从油箱吸油向增压回路低压油口排油，实现“泵”工况。计算机控制系统将转速传感器反馈的实际速度与此时系统设定的速度相比较，并根据两个压力传感器的压力信号，动态调节低压双向变量泵的斜盘倾角使三个液压泵的转速恒定。当高温高压试验油井充满，高压口处压力传感器测得试验油井内的压力达到3MPa时，计算机改变系统工作方式，使高压双向变量泵和低压双向变量泵工作在“马达”工况，高压定量泵工作在“泵”工况。此时高压双向变量泵从增压回路的高压出油口吸油，向低压进油口排油，低压双向变量泵从增压回路的低压进油口吸油向油箱排油。计算机控制系统将高压端压力传感器的压力信号与此时设定的封隔器试验压力相比较，动态调节高压双向变量泵的斜盘倾角，改变流出高温高压试验油井的液压油流量，达到调节高温高压试验油井压力的目的。计算机控制系统将转速传感器反馈的实际速度与此时系统设定的速度相比较，并根据低压端和高压端压力传感器的压力信号，动态调节低压双向变量泵的斜盘倾角，改变低压双向变量泵的扭矩，进而调节轴的转速。在封隔器加压试验过程中，低压双向变量泵输出转矩主要用于补偿系统的泄露能量损失和摩擦力矩等，因此所需油源流量非常小，用储能器和间歇工作的小排量定量齿轮泵就完全可以达到系统的需求。流量传感器对整个实验过程中进入高温高压试验油井的液压油流量进行测量，并结合压力传感器的压力波动情况来判断井下封隔器的质量。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1、本发明采用的增压回路，实现了以低压产生高压的目的，并且可以实现试验初期阶段的快速增压。

2、本发明不存在节流能量损失，且采用储能器供油和间歇工作的低排量定量齿轮泵补油，降低了系统的装机功率和能量消耗，达到了很好的节能效果。

3、本发明的试验压力控制采用了闭环控制方案，实验过程中压力波动小，压力控制准确。

附图说明

图1是节能型井下封隔器高温高压性能试验装置的系统原理图。

图2是节能型井下封隔器高温高压性能试验装置快速充液阶段液压流向示意图。

图3是节能型井下封隔器高温高压性能试验装置加压试验阶段液压流向示意图。

图4是用于节能型井下封隔器高温高压性能试验的高温高压试验油井结构图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图1，本节能型井下封隔器高温高压性能试验装置主要包括稳压回路Ⅰ、增压回路Ⅱ、和高温高压试验油井换向回路Ⅲ；所述稳压回路Ⅰ、增压回路Ⅱ和高温高压试验油井换向回路Ⅲ利用油管顺序连接。所述压力传感器14和先导式高压电液比例溢流阀15分别并联在增压回路Ⅱ和高温高压试验油井换向回路Ⅲ之间的油管上；所述流量传感器16串联在增压回路Ⅱ和高温高压试验油井换向回路Ⅲ之间的油管上。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：

参见图1，本节能型井下封隔器高温高压性能试验装置中的所述稳压回路Ⅰ由压力继电器3、储能器4和直动式溢流阀5分别并联在定量齿轮泵1的出油口管路上构成，且定量齿轮泵1由电动机2来带动，作为系统的油源。当油源压力低于压力继电器3设定的最低压力时，压力继电器3动作使电动机2旋转，带动定量齿轮泵1向储能器4供油，当油源压力达到压力继电器3设定的最高压力时，压力继电器3再次动作，使电动机停止旋转，停止向储能器4供油。定量齿轮泵1的出口装有一个单向阀，而经一个滤网接通油箱。

实施例三：本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：

参见图1，本节能型井下封隔器高温高压性能试验装置中的所述增压回路Ⅱ结构是同轴连接的一个高压双向变量泵11、一个高压定量泵12和一个低压双向变量泵13，其中高压定量泵12位于同轴的中间，其它两变量泵11、13位于轴的两端，高压双向变量泵11和高压定量泵12的一端与稳压回路Ⅰ的出油口相连，另一端与高温高压试验油井换向回路Ⅲ相连，所述低压双向变量泵13的一端与稳压回路Ⅰ的出油口相连，另一端连接油箱；所述高压双向变量泵11和低压双向变量泵13分别带有一个斜盘调节机构；所述的斜盘调节机构是一个三位四通电液比例换向阀6的一个进油口连接增压回路的进油管、两个控制油口连接双出杆变量缸7的控制腔、一个出油口连接油箱组成，所述双出杆变量缸7连接变量泵的斜盘控制机构；所述增压回路进油管上连接有一个压力传感器9；所述同轴的一端还连接有一个转速传感器10。

实施例四：本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：

参见图1，本节能型井下封隔器高温高压性能试验装置所述高温高压试验油井换向回路Ⅲ主要由高压两位三通电磁换向阀17、18、19、高温高压试验油井20、三个高压单向阀21、自动排气阀22和高压两位两通电磁换向阀23组成，所述高温高压试验油井20（参见图4）主要包括环空加热套24、井筒25、油管26及试验封隔器27；所述环空加热套24包裹在井筒25外部，所述井筒25和油管26的下部封死，上部通过密封堵头密封；所述试验封隔器27连接在油管26的中部，形成油管的一段，并嵌套入井筒，井筒25和油管26之间的环空被试验封隔器27分割形成上压腔a和下压腔b，油管26内部空间形成内压腔c，在油管26底端及井筒25上下两端分别开有一个注油孔，分别连通上压腔a、下压腔b和内压腔c；所述高压两位三通电磁换向阀17、18、19分别串联在增压回路Ⅱ的出油口和高温高压试验油井20的三个注油孔之间，并且安装在高温高压试验油井20的底部，所述三个高压单向阀21安装在高温高压试验油井20的顶部,进油端分别与上压腔a、下压腔b和内压腔c的顶端连通，出油端连接自动排气阀22；所述自动排气阀22安装在高温高压试验油井的顶部；所述高压两位两通电磁换向阀23连接三个高压单向阀的出油端和油箱。

下面以封隔器上压试验来说明封隔器高温高压性能试验装置的具体工作过程 (参见图1~图3)：

1、封隔器坐封之后，系统开始试验，有一个计算机控制系统发出两路控制信号，第一路控制高压两位三通电磁换向阀19换向和先导式高压电液比例溢流阀15的溢流压力，使高温高压试验油井20的上压腔a与加压回路相通；第二路控制高压双向变量泵11的斜盘，使其排量变为最大，同时控制低压双向变量泵13的斜盘倾角，使三个泵以系统设定的速度旋转，此时高压双向变量泵11和高压定量泵12实现“马达”工况，带动低压双向变量泵13实现“泵”工况。如图2所示，低压双向变量泵13从油箱吸油向增压回路低压油口排油，高压双向变量泵11和高压定量泵12从增压回路低压油口进油，向高压出油口排油，实现高温高压试验油井的快速充液。

2、当压力传感器14测得高温高压试验油井20内的压力达到3MPa时，系统改变工作方式，使高压双向变量泵11和低压双向变量泵13工作在“马达”工况，高压定量泵12工作在“泵”工况。如图3所示，高压双向变量泵11从高压出油口吸油，高压定量泵12向高压出油口排油，低压双向变量泵13向油箱排油。计算机控制系统将高压端压力传感器14的压力信号与此时设定的封隔器试验压力相比较，动态调节高压双向变量泵11的斜盘倾角，改变流出高温高压试验油井20的液压油流量，从而调节高温高压试验油井20内的压力。计算机控制系统还将转速传感器10反馈的实际速度与此时系统设定的速度相比较，并根据压力传感器9和14的压力信号，动态调节低压双向变量泵13的斜盘倾角来调节轴的转速。

3、试验结束，首先，压力继电器3停止工作，电动机2不再启动；然后，高压两位三通电磁换向阀19换向处于右位工作状态，给高温高压油井泄压；最后，两位两通高压电磁换向阀23换向，处于右位工作状态，给自动排气阀22泄压。

Claims (4)

1.一种节能型井下封隔器高温高压性能试验装置，包括一个稳压回路(Ⅰ)、一个增压回路(Ⅱ)、和一个高温高压试验油井换向回路(Ⅲ)，其特征在于：所述稳压回路(Ⅰ)、增压回路(Ⅱ)和高温高压试验油井换向回路(Ⅲ)利用油管依次连接；

所述稳压回路(Ⅰ)的结构是一个压力继电器(3)、一个储能器(4)和一个直动式溢流阀(5)并联在一个定量齿轮泵(1)的出油管路上；所述定量齿轮泵(1)由电动机(2)带动；所述定量齿轮泵(1)的出油口连接有一个单向阀，而进油口经一个过滤器连通油箱。

2.根据权利要求1所述的节能型井下封隔器高温高压性能试验装置，其特征在于：所述增压回路(Ⅱ)结构是同轴的一个高压双向变量泵(11)、一个高压定量泵(12)和一个低压双向变量泵(13)，其中高压定量泵(12)位于同轴中间，其它变量泵(11、13)位于同轴两端，高压双向变量泵(11)和高压定量泵(12)的一端与稳压回路(Ⅰ)的出油口相连，另一端与高温高压试验油井换向回路(Ⅲ)相连，所述低压双向变量泵(13)的一端与稳压回路(Ⅰ)相连，另一端连接油箱；所述高压双向变量泵(11)和低压双向变量泵(13)分别带有一个斜盘调节机构；所述斜盘调节机构是一个三位四通电液比例换向阀(6)的进油口连接增压回路进油管、两个控制油口连接双出杆变量缸(7)的控制腔、一个出油口连接油箱组成，所述双出杆变量缸(7)连接变量泵的斜盘控制机构；所述增压回路进油管上连接有一个压力传感器(9)；所述同轴的一端还连接有一个转速传感器(10)。

3.根据权利要求1所述的节能型井下封隔器高温高压性能试验装置，其特征在于：所述高温高压试验油井换向回路(Ⅲ)主要由三个高压两位三通电磁换向阀(17、18、19)、高温高压试验油井(20)、三个高压单向阀(21)、一个自动排气阀(22)和一个高压两位两通电磁换向阀(23)组成；所述高温高压试验油井(20)主要包括环空加热套(24)、井筒(25)、油管(26)及试验封隔器(27)，所述环空加热套(24)包裹在井筒(25)外部，所述井筒(25)和油管(26)的下部封死，上部由密封堵头密封，所述试验封隔器(27)连接在油管(26)的中部，形成油管的一段，并嵌套入井筒(25)，井筒(25)和油管(26)之间的环空被试验封隔器(27)分割形成上压腔(a)和下压腔(b)，油管(26)内部空间形成内压腔(c)，在油管(26)底端及井筒(25)上下两端各开有一个注油孔，分别连通上压腔(a)、下压腔(b)和内压腔(c)，所述高压两位三通电磁换向阀(17、18、19)分别串联在增压回路(Ⅱ)的出油口和高温高压试验油井(20)的三个注油孔之间，并且安装在高温高压试验油井(20)的底部，所述三个高压单向阀(21)安装在高温高压试验油井(20)的顶部,进油端分别与上压腔(a)、下压腔(b)和内压腔(c)的顶端连通，出油端连接自动排气阀(22)，所述高压两位两通电磁换向阀(23)连接三个高压单向阀(21)的出油端和油箱。

4.根据权利要求1所述的节能型井下封隔器高温高压性能试验装置，其特征还在于有一个压力传感器(14)、一个先导式高压电液比例溢流阀(15)和一个流量传感器(16)连接在所述增压回路(Ⅱ)和高温高压试验油井换向回路(Ⅲ)之间的油管上。

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