CN111103197B - 一种井下测量仪器内外差异化打压测试工装及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钻井工程技术领域，尤其是涉及一种井下测量仪器内外差异化打压测试工装及测试方法，其特征在于包括底部支座，U型固定架，承压筒，排气孔Ⅰ，与承压筒螺纹连接的外压堵头和内压堵头，设置在外压堵头中间的注水孔Ⅰ，通过转换接头Ⅰ与此注水孔Ⅰ相连接的外压管道，设置在内压堵头内的注水孔Ⅱ和排气孔Ⅱ，通过转换接头Ⅱ与此注水孔Ⅱ相连接的内压管道，设置在承压筒内的短节测试仪器，仪器堵头，沿仪器堵头圆周布置的滚动扶正块。本发明能够对短节式井下测量仪器进行整机打压试验，真实的模拟井下钻具在井下作业过程中同时受到内外钻井液压力影响时的受力状态，对研究不同内外钻井液压力对井下仪器测量钻压及扭矩的影响具有重要意义。

Description

一种井下测量仪器内外差异化打压测试工装及测试方法

技术领域

本发明属于钻井工程技术领域，尤其是涉及一种井下测量仪器内外差异化打压测试工装及测试方法。

背景技术

钻井过程中，测量近钻头处的压力和扭矩对于现场技术人员实时了解井下工况和预防井下事故发挥了至关重要的作用，但是由于井下实际工况较为复杂，钻具除了承受钻压扭矩外，还会受到内外钻井液压力、温度、振动等因素的影响，是否能够修正误差进而准确地测量钻压和扭矩成为衡量仪器测量精度优劣的决定因素。

目前对井下钻压、扭矩的测量主要是基于应变测试技术：首先在测量短节上开槽打孔，然后将高精度应变片粘贴于测量槽内，同时安装信号放大器和处理电路，布置完成后，安装槽体盖板及环向密封圈实现高压密封。当测量短节在井下受到钻压和扭矩的影响时，短节会在外力作用下产生微变形，进而引起应变片的微应变，导致应变片桥路电阻发生变化，并产生微电流，传感器在捕捉到微电流变化后，经过信号放大器进行放大，传递给处理电路进行模拟量转换，并最终通过泥浆脉冲或电磁波的方式实时地将井下钻压扭矩等工程参数实时传递给地面设备，供作业人员读取。

通过大量的现场试验和众多学者的研究表明，通过应变片测量钻压扭矩时，钻压扭矩之间存在相互影响，同时内外钻井液压力对测得的钻压、扭矩也存在较大的影响。以读取钻压为例，当测量短节受到扭矩或内外钻井液压力影响时，所读取到的钻压数据会呈现出非线性变换规律，该变化并不是由钻机传递到钻头的真实钻压值。目前，钻压扭矩两者之间的相互影响能够通过合理的贴片方案和地面复合试验机的标定试验进行较为有效的误差修正，但是对于内外钻井液压力对实测钻压扭矩的影响(尤其是当存在内外压差时)，目前缺乏有效的修正措施和试验设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种井下测量仪器内外差异化打压测试工装及测试方法，实现对测量仪器内外侧的同时且差异化打压，进而通过测量仪器内置的应变传感器测量得到不同内外液体压力条件下引起的应变片微变形，最终通过对比同一时间段的内外液体压力数据与实际测得的钻压、扭矩数据，分析出不同钻井液内外压力情况下，实测得的钻压扭矩受到的影响量，进而拟合数学公式，修正误差，实现在不同内外钻井液压力影响条件下，精确测试实际由井口传递到井底近钻头处的钻压和扭矩值。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

本发明的井下测量仪器内外差异化打压测试工装，其特征在于包括一端高、且另一端低的底部支座，通过固定螺栓固定在所述底部支座上的U型固定架，设置在此U型固定架上的承压筒，分别设置在此承压筒内部高端头处和低端头处的两处内螺纹，设置在所述承压筒高端头内螺纹处的排气孔Ⅰ，与所述承压筒低端头处内螺纹螺纹连接的外压堵头，与所述承压筒高端头处内螺纹螺纹连接的内压堵头，设置在所述外压堵头中间的注水孔Ⅰ，通过转换接头Ⅰ与此注水孔Ⅰ相连接的外压管道，设置在所述内压堵头内的注水孔Ⅱ和排气孔Ⅱ，通过转换接头Ⅱ与此注水孔Ⅱ相连接的内压管道，设置在所述承压筒内且一端与所述的内压堵头螺纹连接的短节测试仪器，与此短节测试仪器的另一端头螺纹连接的仪器堵头，通过固定螺钉与此仪器堵头相连接、且沿所述仪器堵头圆周均匀布置的四个滚动扶正块。

在所述的排气孔Ⅰ处设有短堵丝，在所述的排气孔Ⅱ处设有长堵丝。

在所述的外压堵头和承压筒之间设有密封圈Ⅰ，在所述的内压堵头和承压筒之间设有密封圈Ⅱ。

在所述的外压堵头上螺纹连接有四个把手，在所述的内压堵头上螺纹连接有四个把手。

在所述的仪器堵头与短节式测量仪器的接触面之间设有密封垫，在所述的短节式测量仪器与内压堵头的接触面之间设有密封垫。

所述的滚动扶正块上设有带轴承的滚轮。

一种井下测量仪器内外差异化打压测试工装的测试方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)安装调试

首先，将承压筒安装于底部支座上，保证承压筒排气孔Ⅰ一端处于稍高的位置；其次，将外压堵头与承压筒处于较低侧一端进行螺纹连接，将转换接头Ⅰ安装于外压堵头的注水孔Ⅰ处，另一侧连接外压管道进而与打压柱塞泵相连；再次，将滚动扶正块安装于仪器堵头上，涂抹润滑油确保滚动扶正块上的轴承滚轮能够自由滚动；接下来，将短节式测量仪器两端面安装密封垫后，分别与仪器堵头的螺纹和内压堵头的螺纹进行连接并确保密封可靠；仪器与两侧堵头连成一体后，开启仪器测量记录开关使其开始记录应变数据，并将其缓慢放入承压筒，将内压堵头与承压筒螺纹拧紧确保密封可靠；最后，将转换接头Ⅱ安装于内压堵头的注水孔Ⅱ，另一侧连接内压管道进而与另一打压柱塞泵相连；此时，短节式测量仪器已经与整套测量工装连接安装完成，准备下一步注水操作；

(2)注水排气

首先，准备向内压测试空间注水排气：卸开长丝堵，使内压堵头的排气孔Ⅱ处于通畅状态，启动已连接好内压管道的打压泵，以大排量低压力的方式，向短节式测量仪器中的内压空间注入液体，当液体逐渐注满时，高液位侧的多余液体会顺着排气孔Ⅱ排出，当发现排气孔Ⅱ排出连续液体不带气泡时，安装长丝堵及其垫片并拧紧，此时发现打压泵压力表开始起压力，说明内压测试空间密封良好，可进行打压操作；

然后，准备向外压测试空间注水排气：卸开短丝堵，使承压筒上的排气孔Ⅰ处于通畅状态，启动已连接好外压管道的打压泵，以大排量低压力的方式，向承压筒中的外压空间注入液体，当液体逐渐注满时，高液位侧的多余液体会顺着排气孔Ⅰ排出，当发现排气孔Ⅰ排出连续液体不带气泡时，安装短丝堵及其垫片并拧紧，此时发现打压泵压力表开始起压力，说明外压测试空间密封良好，可进行打压操作；

(3)打压测试

①打内压测试：启动连通内压空间的打压泵，每提升2MPa，停止打压，保压观察半分钟后，继续升压；重复上述操作，逐渐升至测试要求的最高压力；

②打外压测试：启动连通外压块空间的打压泵，每提升2MPa，停止打压，保压观察半分钟后，继续升压；重复上述操作，逐渐升至测试要求的最高压力；

③内外压同时测试：同时进行上述两项操作，根据实际需要，制造合适的压力差，以便后续分析；

(4)拆卸仪器记录数据

测试完成后，释放打压泵压力，当压力降为零位时，分别拧开长丝堵和短丝堵，确保测试工装内无残余压力后，卸开内压堵头，一并取出相连接的短节式测量仪器。

本发明的优点：

(1)本发明的井下测量仪器内外差异化打压测试工装及测试方法，能够对短节式井下测量仪器进行整机打压试验，最为真实的模拟井下钻具在井下作业过程中同时受到内外钻井液压力影响时的受力状态，进而对研究不同内外钻井液压力对井下仪器测量钻压及扭矩的影响具有重要意义；

(2)本发明的井下测量仪器内外差异化打压测试工装及测试方法，设置了两条不同的打压通道，并通过两台不同的打压泵，能够在同时间对测量短节内水眼和外环空进行差异化打压，分别校准测量短节内外压力各自对钻压扭矩应变片测量产生的影响；

(3)本发明的井下测量仪器内外差异化打压测试工装及测试方法，打压工装通过配套不同型号的变扣和堵头，能够对多种尺寸及扣型的短节式测量仪器进行内外压力打压测试；

(4)本发明的井下测量仪器内外差异化打压测试工装及测试方法，分别在内外压力密封区的最优位置设置了排气孔，通过卸下丝堵排除密闭空间内多余空气，有效的防止在打压过程中由于工装内含有未排尽的气泡而引起的压力波动；

(5)本发明的井下测量仪器内外差异化打压测试工装及测试方法，整套工装结构简易，操作方便，不同部件连接处安装有密封圈或密封垫，仅人工使用管钳等工具进行紧扣即可实现较高压力的密封，无需使用大型紧扣设备。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的外压堵头的结构示意图。

图3为本发明的内压堵头的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1-3所示，本发明的井下测量仪器内外差异化打压测试工装，其特征在于包括一端高、且另一端低的底部支座12，通过固定螺栓11固定在所述底部支座12上的U型固定架20，设置在此U型固定架20上的承压筒1，分别设置在此承压筒1内部高端头处和低端头处的两处内螺纹，设置在所述承压筒1高端头内螺纹处的排气孔Ⅰ，与所述承压筒1低端头处内螺纹螺纹连接的外压堵头6，与所述承压筒1高端头处内螺纹螺纹连接的内压堵头17，设置在所述外压堵头6中间的注水孔Ⅰ，通过转换接头Ⅰ9与此注水孔Ⅰ相连接的外压管道10，设置在所述内压堵头17内的注水孔Ⅱ和排气孔Ⅱ，通过转换接头Ⅱ16与此注水孔Ⅱ相连接的内压管道15，设置在所述承压筒1内且一端与所述的内压堵头17螺纹连接的短节测试仪器2，与此短节测试仪器2的另一端头螺纹连接的仪器堵头3，通过固定螺钉5与此仪器堵头3相连接、且沿所述仪器堵头3圆周均匀布置的四个滚动扶正块4。

在所述的排气孔Ⅰ处设有短堵丝19，在所述的排气孔Ⅱ处设有长堵丝14。

在所述的外压堵头6和承压筒1之间设有密封圈Ⅰ7，在所述的内压堵头17和承压筒1之间设有密封圈Ⅱ18。

在所述的外压堵头6上螺纹连接有四个把手8，在所述的内压堵头17上螺纹连接有四个把手8。

在所述的仪器堵头3与短节式测量仪器2的接触面之间设有密封垫13，在所述的短节式测量仪器2与内压堵头17的接触面之间设有密封垫13。

所述的滚动扶正块4上设有带轴承的滚轮。

一种井下测量仪器内外差异化打压测试工装的测试方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)安装调试

首先，将承压筒1安装于底部支座12上，通过U型固定架20与固定螺栓11的配合，将其固定牢靠，需保证承压筒1排气孔Ⅰ一端处于稍高的位置；其次，将外压堵头6与承压筒1处于较低侧一端进行螺纹连接，人工拧紧确保密封可靠，然后将转换接头Ⅰ9安装于外压堵头6的注水孔Ⅰ处，另一侧连接外压管道10进而与打压柱塞泵相连；再次，将滚动扶正块4安装于仪器堵头3上预留的四个螺纹孔处，通过固定螺钉5将两者锁紧，涂抹润滑油确保滚动扶正块4上的轴承滚轮能够自由滚动；接下来，将短节式测量仪器2两端面安装密封垫13后，分别与仪器堵头3的母螺纹和内压堵头17的小直径公螺纹进行连接并人工打紧确保密封可靠；仪器与两侧堵头连成一体后，开启仪器测量记录开关使其开始记录应变数据，并将其缓慢放入承压筒1，人工将内压堵头17的大直径公螺纹与承压筒1的母螺纹拧紧确保密封可靠；最后，将转换接头Ⅱ16安装于内压堵头17的注水孔Ⅱ，另一侧连接内压管道15进而与另一打压柱塞泵相连；

此时，短节式测量仪器2已经与整套测量工装连接安装完成，准备下一步注水操作；

(2)注水排气

首先，准备向内压测试空间注水排气：卸开长丝堵14，使内压堵头17的排气孔Ⅱ处于通畅状态，启动已连接好内压管道15的打压泵，以大排量低压力的方式，向短节式测量仪器2中的内压空间注入液体，当液体逐渐注满时，高液位侧的多余液体会顺着排气孔Ⅱ排出，当发现排气孔Ⅱ排出连续液体不带气泡时，安装长丝堵14及其垫片并拧紧，此时发现打压泵压力表开始起压力，说明内压测试空间密封良好，可进行打压操作；

然后，准备向外压测试空间注水排气：卸开短丝堵19，使承压筒1上的排气孔Ⅰ处于通畅状态，启动已连接好外压管道10的打压泵，以大排量低压力的方式，向承压筒1中的外压空间注入液体，当液体逐渐注满时，高液位侧的多余液体会顺着排气孔Ⅰ排出，当发现排气孔Ⅰ排出连续液体不带气泡时，安装短丝堵19及其垫片并拧紧，此时发现打压泵压力表开始起压力，说明外压测试空间密封良好，可进行打压操作；

(3)打压测试

①打内压测试：启动连通内压空间的打压泵，每提升2MPa，停止打压，保压观察半分钟后，继续升压；重复上述操作，逐渐升至测试要求的最高压力；保压观察的目的，其一是观察工装是否发生泄漏异常情况，其二是便于测量仪器内的应力传感仪准确测量并存储当前时刻由液体压力变化引起的内部应力应变数值的变化情况；

②打外压测试：启动连通外压块空间的打压泵，每提升2MPa，停止打压，保压观察半分钟后，继续升压；同理，重复上述操作，逐渐升至测试要求的最高压力；

③内外压同时测试：同时进行上述两项操作，根据实际需要，制造合适的压力差，以便后续分析；

(4)拆卸仪器记录数据

测试完成后，释放打压泵压力，当压力降为零位时，分别拧开长丝堵14和短丝堵19，确保测试工装内无残余压力后，卸开内压堵头17，一并取出相连接的短节式测量仪器2；使用相关测试配件，读取测量仪器内存储器记录的打压过程历史数据(主要包括内外压力和钻压扭矩的测量值)，可参考如下记录方式。

表1差异化打压测试数据记录表

分析不同内外压力和不同内外压差条件下，测量短节内应变仪实际记录的应力变化情况，根据记录数据拟合钻压或扭矩随着内外压力或压力差变化的曲线图，找出对应关系，并在后续计算方法中做出修正，进而使得仪器真正下井测量时，彻底消除由井底钻井液内外压力变化对仪器实际测量值造成的影响。

Claims (6)

1.一种井下测量仪器内外差异化打压测试工装，其特征在于包括一端高、且另一端低的底部支座，通过固定螺栓固定在所述底部支座上的U型固定架，设置在此U型固定架上的承压筒，分别设置在此承压筒内部高端头处和低端头处的两处内螺纹，设置在所述承压筒高端头内螺纹处的排气孔Ⅰ，与所述承压筒低端头处内螺纹螺纹连接的外压堵头，与所述承压筒高端头处内螺纹螺纹连接的内压堵头，设置在所述外压堵头中间的注水孔Ⅰ，通过转换接头Ⅰ与此注水孔Ⅰ相连接的外压管道，设置在所述内压堵头内的注水孔Ⅱ和排气孔Ⅱ，通过转换接头Ⅱ 与此注水孔Ⅱ相连接的内压管道，设置在所述承压筒内且一端与所述的内压堵头螺纹连接的短节测试仪器，与此短节测试仪器的另一端头螺纹连接的仪器堵头，通过固定螺钉与此仪器堵头相连接、且沿所述仪器堵头圆周均匀布置的四个滚动扶正块，在所述的排气孔Ⅰ处设有短丝堵，在所述的排气孔Ⅱ处设有长丝堵。

2.根据权利要求1所述的井下测量仪器内外差异化打压测试工装，其特征在于在所述的外压堵头和承压筒之间设有密封圈Ⅰ，在所述的内压堵头和承压筒之间设有密封圈Ⅱ。

3.根据权利要求1所述的井下测量仪器内外差异化打压测试工装，其特征在于在所述的外压堵头上螺纹连接有四个把手，在所述的内压堵头上螺纹连接有四个把手。

4.根据权利要求1所述的井下测量仪器内外差异化打压测试工装，其特征在于在所述的仪器堵头与短节式测量仪器的接触面之间设有密封垫，在所述的短节式测量仪器与内压堵头的接触面之间设有密封垫。

5.根据权利要求1所述的井下测量仪器内外差异化打压测试工装，其特征在于所述的滚动扶正块上设有带轴承的滚轮。

6.根据权利要求1至5所述的任一种井下测量仪器内外差异化打压测试工装的测试方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)安装调试

首先，将承压筒安装于底部支座上，保证承压筒排气孔Ⅰ一端处于稍高的位置；其次，将外压堵头与承压筒处于较低侧一端进行螺纹连接，将转换接头Ⅰ安装于外压堵头的注水孔Ⅰ处，另一侧连接外压管道进而与打压柱塞泵Ⅰ相连；再次，将滚动扶正块安装于仪器堵头上，涂抹润滑油确保滚动扶正块上的轴承滚轮能够自由滚动；接下来，将短节式测量仪器两端面安装密封垫后，分别与仪器堵头的螺纹和内压堵头的螺纹进行连接并确保密封可靠；仪器与两侧堵头连成一体后，开启仪器测量记录开关使其开始记录应变数据，并将其缓慢放入承压筒，将内压堵头与承压筒螺纹拧紧确保密封可靠；最后，将转换接头Ⅱ安装于内压堵头的注水孔Ⅱ，另一侧连接内压管道进而与另一打压柱塞泵Ⅱ相连；此时，短节式测量仪器已经与井下短节式测量仪器内外差异化打压测试工装连接安装完成，准备下一步注水操作；

(2)注水排气

首先，准备向内压测试空间注水排气：卸开长丝堵，使内压堵头的排气孔Ⅱ处于通畅状态，启动已连接好内压管道的打压泵Ⅱ，以大排量低压力的方式，向短节式测量仪器中的内压空间注入液体，当液体逐渐注满时，高液位侧的多余液体会顺着排气孔Ⅱ排出，当发现排气孔Ⅱ排出连续液体不带气泡时，安装长丝堵及其垫片并拧紧，此时发现打压泵Ⅱ压力表开始起压力，说明内压测试空间密封良好，可进行打压操作；

然后，准备向外压测试空间注水排气：卸开短丝堵，使承压筒上的排气孔Ⅰ 处于通畅状态，启动已连接好外压管道的打压泵Ⅰ，以大排量低压力的方式，向承压筒中的外压空间注入液体，当液体逐渐注满时，高液位侧的多余液体会顺着排气孔Ⅰ排出，当发现排气孔Ⅰ排出连续液体不带气泡时，安装短丝堵及其垫片并拧紧，此时发现打压泵Ⅰ压力表开始起压力，说明外压测试空间密封良好，可进行打压操作；

(3)打压测试

① 打内压测试：启动连通内压管道的打压泵Ⅱ，每提升2MPa，停止打压，保压观察半分钟后，继续升压；重复上述操作，逐渐升至测试要求的最高压力；

② 打外压测试：启动连通外压管道的打压泵Ⅰ，每提升2MPa，停止打压，保压观察半分钟后，继续升压；重复上述操作，逐渐升至测试要求的最高压力；

③ 内外压同时测试：同时进行上述两项操作，根据实际需要，制造合适的压力差，以便后续分析；

(4)拆卸仪器记录数据

测试完成后，释放打压泵Ⅰ和打压泵Ⅱ的压力，当压力降为零位时，分别拧开长丝堵和短丝堵，确保测试工装内无残余压力后，卸开内压堵头，一并取出相连接的短节式测量仪器。

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