CN111795810A - 一种用于井下工具的模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于井下工具的模拟试验系统，属于油气田开发技术领域。所述模拟试验系统包括：试验井筒，所述试验井筒的一端设置有油管和套设在所述油管外部的套管，另一端密封；与所述试验井筒连接的温度控制系统和压力控制系统；与所述油管连接的力加载系统；以及测控系统。该模拟试验系统通过设置试验井筒以及温度控制系统、压力控制系统和力加载系统，来模拟井下工况(包括温度、压力和负载等)条件，并在此条件下对井下工具进行检验。采用该试验系统所模拟的试验井筒内的温度可达200℃，压力可达140MPa以上，能够满足井下工具的测试要求，进而可有效地用于后续对分割器、桥塞、滑套、节流器等井下工具的检测及评价工作。

Description

一种用于井下工具的模拟试验系统

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，特别涉及一种用于井下工具的模拟试验系统。

背景技术

油气田的开发过程经常伴随着井下工具的研发和应用，采用新材料、新设计的井下工具在实际应用之前需进行室内中间评价试验，来检验井下工具在各种条件下的工作性能(包括耐温、耐压、密封性、抗拉压力等)，并根据试验结果进行优化、改进，最终使产品各项性能指标达到设计要求。

现有技术中，通常将经过室内中间评价试验的井下工具直接应用到实际生产中，这存在很多问题。以长宁-威远页岩气示范区为例，所下入的复合桥塞、大通径桥塞、可溶桥塞等井下工具每年都超千余只，其中部分桥塞的现场施工过程中，存在桥塞上移、中途提前座封、未成功丢手及返排不顺利等问题，严重影响现场正常压裂施工作业。

设计人发现，随着页岩气井垂深的增加，实际生产中，各类桥塞需满足的服役温度提高至150℃，套管启动滑套的开启压力值也高于120MPa，而室内中间评价试验装置不能满足这些测试条件，使得经过室内中间评价试验的井下工具不能有效地用于封隔器、桥塞、滑套、节流器等井下工具的检测及评价工作，而影响现场正常压裂施工作业。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于井下工具的模拟试验系统，可有效地用于分割器、桥塞、滑套、节流器等井下工具的检测及评价工作。所述技术方案如下：

具体而言，包括以下的技术方案：

提供了一种用于井下工具的模拟试验系统，所述模拟试验系统包括：

试验井筒，所述试验井筒的一端设置有油管和套设在所述油管外部的套管，另一端密封；

与所述试验井筒连接的温度控制系统，用于控制所述试验井筒内部的温度；

与所述试验井筒连通的压力控制系统，用于控制所述试验井筒内部的压力；

与所述油管连接的力加载系统，用于控制所述油管在所述套管内的运动；

分别与所述温度控制系统、所述压力控制系统和所述力加载系统连接的测控系统。

在一种可能的设计中，所述试验井筒包括筒体、上塞体和下塞体；

所述上塞体设置在所述筒体的第一端上，且所述油管通过所述上塞体设置在所述第一端上；

所述下塞体设置在所述筒体的第二端上，且所述第二端通过所述下塞体密封。

在一种可能的设计中，所述试验井筒还包括防转环；

所述防转环设置在所述筒体的内壁与所述上塞体之间，所述套管通过所述防转环设置在所述第一端上。

在一种可能的设计中，所述上塞体上开设有带有开关阀的进液通孔；

所述油管连接在所述上塞体的下端，且所述油管与所述进液通孔连通。

在一种可能的设计中，所述下塞体上开设有排污通孔；

所述排污通孔的底部设置有清污塞。

在一种可能的设计中，所述筒体的侧壁上开设有加压口；

所述压力控制系统通过所述加压口控制所述筒体内部的压力。

在一种可能的设计中，所述压力控制系统包括高压增压泵和低压增压泵；

所述高压增压泵和所述低压增压泵分别与所述加压口连接。

在一种可能的设计中，所述压力控制系统还包括供气装置；

所述供气装置分别与所述高压增压泵和所述低压增压泵连接，用于为所述高压增压泵和所述低压增压泵提供动力源。

在一种可能的设计中，所述供气装置包括依次连接的螺杆压缩机、储气罐、冷冻式干燥机和三级过滤器。

在一种可能的设计中，所述筒体的外部设置有加热套；

所述温度控制系统通过所述加热套控制所述筒体内部的温度。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的模拟试验系统，通过设置试验井筒以及温度控制系统、压力控制系统和力加载系统，来模拟井下工况(包括温度、压力和负载等)，并在此工况下对井下工具进行检验。采用该试验系统所模拟的试验井筒内的温度可达200℃，压力可达140MPa以上，能够满足井下工具的测试要求，进而可有效地用于后续对分割器、桥塞、滑套、节流器等井下工具的检测及评价工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于井下工具的模拟试验系统的结构示意图；

图2为图1中一种试验井筒的结构示意图；

图3为图1中一种供气装置的结构示意图。

图中的附图标记分别表示：

1-试验井筒；

101-筒体；102-上塞体；103-下塞体；104-防转环；105-进液通孔；106-排污通孔；107-清污塞；108-加压口；109-上螺套；110-压紧螺套；111-O型圈；112-提塞法兰；113-下螺套；114-底部压环；

2-温度控制系统；

3-压力控制系统；301-高压增压泵；302-低压增压泵；

303-供气装置；3031-螺杆压缩机；3032-储气罐；3033-冷冻式干燥机；3034-三级过滤器；

4-力加载系统；

5-测控系统。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

本发明实施例提供了一种用于井下工具的模拟试验系统，如图1所示，该模拟试验系统包括：

试验井筒1，该试验井筒1的一端设置有油管和套设在油管外部的套管，另一端密封；

与试验井筒1连接的温度控制系统2，用于控制试验井筒1内部的温度；

与试验井筒1连通的压力控制系统3，用于控制试验井筒1内部的压力；

与油管连接的力加载系统4，用于控制油管在套管内的运动；

分别与温度控制系统2、压力控制系统3和力加载系统4连接的测控系统5。

本发明实施例提供的模拟试验系统，通过设置试验井筒1以及温度控制系统2、压力控制系统3和力加载系统4，来模拟井下工况(包括温度、压力和负载等)条件，并在此条件下对井下工具进行检验。采用该试验系统所模拟的试验井筒1内的温度可达200℃，压力可达140MPa以上，能够满足井下工具的测试要求，进而可有效地用于后续对分割器、桥塞、滑套、节流器等井下工具的检测及评价工作。

使用时，可将试验井筒1安装在地面以下的基坑中，且使密封的一端朝向基坑的底部，然后在试验井筒1的另一端安装油管和套管，并在油管和套管中接入待检验的井下工具；将温度控制系统2和压力控制系统3与试验井筒1连接，力加载系统4与油管连接，温度控制系统2可对试验井筒1进行升温或降温以模拟实际工况中的温度条件，压力控制系统3可对试验井筒1进行升压或降压以模拟实际工况中的压力条件，力加载系统4可控制油管负载力以模拟实际工况中的负载。由此可在施工前，在相似的工况条件下，检验井下工具的性能。

可以理解的是，油管在套管内的运动可包括油管在套管内的上行、下行和旋转。力加载系统4可位于试验井筒1的上方(基坑外)，在油管上方进行载荷的施加。另外，基坑下可设有扶梯，以方便进行设备的检修及维护。

在上述的模拟试验系统中，试验井筒1用于模拟实际油井，应用时试验井筒1中充满油液。考虑到使用的便捷性，可使试验井筒1包括筒体101，且可根据实际所模拟的油井大小，选择在筒体101内设置内径为7″、5-1/2″、5″或4-1/2″规格的套管。

进一步地，如图2所示，还可使试验井筒1包括上塞体102和下塞体103；上塞体102设置在筒体101的第一端上，且油管通过上塞体102设置在第一端上；下塞体103设置在筒体101的第二端上，且第二端通过下塞体103密封。

设置上塞体102一方面可便于安装油管，另一方面可密封油管的第一端，配合下塞体103密封油管的第二端，使试验井筒1形成相对密封的环境。应用时，力加载系统4可通过连接上塞体102来控制油管的上行、下行和旋转等运动。

为了便于设置套管，在上述的模拟试验系统中，还可使试验井筒1包括防转环104；防转环104设置在筒体101的内壁与上塞体102之间，套管通过防转环104设置在第一端上。

应用时，套管连接在防转环104上，防转环104可防止套管转动，且使套管套设在油管的外部，实现对实际井况的模拟。

另外，可以理解的是，为了方便设置上塞体102和防转环104，如图2所示，试验井筒1还包括上螺套109、压紧螺套110、O型圈111等组件，其中，上螺套109可用于固定安装压紧螺套110，压紧螺套110可用于压紧上塞体102，O型圈111可用于上塞体102和防转环104之间、防转环104与筒体101之间的密封连接。

在上述的模拟试验系统中，为了便于油液注入到筒体101中，可使上塞体102上开设有带有开关阀的进液通孔105；油管连接在上塞体102的下端，且油管与进液通孔105连通。

应用时，可开启开关阀，使油液通过进液通孔105注入到油管中，进而经油管的底部进入油套环空和筒体101中；当调节筒体101内的压力和温度时，需关闭开关阀。

进一步地，还可在下塞体103上开设有排污通孔106；排污通孔106的底部设置有清污塞107，用于定期清洗筒体101。

正常试验时，清污塞107封堵下塞体103；当试验结束，需要清洗筒体101时，则可取出筒体101，取下清污塞107，进行清洗作业。

可以理解的是，为了方便设置下塞体103，如图2所示，还可使试验井筒1包括提塞法兰112、下螺套113、底部压环114等组件，其中，提塞法兰112和下螺套113可用于固定安装下塞体103，底部压环114可用于下塞体103与筒体101之间的密封连接。

在上述的模拟试验系统中，压力控制系统3用于控制筒体101内部的压力，压力控制系统3通过升压或降压使筒体101内部的压力与所模拟的实际工况中的压力条件相符。基于此，可使筒体101的侧壁上开设有加压口108；压力控制系统3通过加压口108控制筒体101内部的压力。

考虑到实际油井内不同位置之间存在压力差异，为了更加真实地模拟油井内的压力条件，可使加压口108包括多个加压口。

示例地，加压口108的数量可为三个，三个加压口分别对应分割开的油套环空的上腔、下腔和油管内部形成的中心腔(图中未示出)，且三个加压口分别与压力控制系统3连通，可通过压力控制系统3对各腔进行独立加压，以满足不同腔的压力要求。另外，上腔、下腔和中心腔的打压口可均位于筒体101的上方，以避免泄压时杂质堵塞打压口。

压力控制系统3可为油压增压系统，压力控制系统3通过向筒体101内部提供高压油来控制筒体101内部的压力。同时为满足不同压力级别的试验需要，可使压力控制系统3包括高压增压泵301和低压增压泵302；且高压增压泵301和低压增压泵302分别与加压口108连接。高压增压泵301和低压增压泵302具有不同压力和流量的输出能力，可进行上腔、下腔和中心腔的打压，且各路打压可单独控制。另外，中心管、上压腔和下压腔分别由独立的气控阀来控制，各路均配有压力表及压力传感器，并分别配有手动和自动泄压回路，由于系统需要长时间运行，气控阀全部选用性能稳定的进口重载型气控阀。

油压增压系统可采用压缩空气作为动力源。在上述的模拟试验系统中，还可使压力控制系统3包括供气装置303；供气装置303分别与高压增压泵301和低压增压泵302连接，为高压增压泵301和低压增压泵302提供动力源，并可控制其压力和流量。

示例地，如图3所示，供气装置303可包括依次连接的螺杆压缩机3031、储气罐3032、冷冻式干燥机3033和三级过滤器3034。通过设置冷冻式干燥机3033可保证气源的干燥，通过设置三级过滤器3034能够使气体净化级别达到四级标准。在一种可能的实施方式中，该供气装置303提供的动力气源可满足气压1MPa，排量5.5Nm³/min。

在上述的模拟试验系统中，温度控制系统2用于控制筒体101内部的温度，温度控制系统2通过升温或降温使筒体101内部的温度与所模拟的实际工况中的压力条件相符。基于此，可使筒体101的外部设置有加热套；温度控制系统2通过加热套调节筒体101内部的温度。

应用时，温度控制系统2通过在加热套内循环高温液体(例如，高温油)对筒体101进行升温，也可通过在加热套内循环低温液体(例如，冷却水)对筒体101进行降温。

另外，可在筒体101的上部和下部放置温度传感器，以随时监控筒体101内部的温度。

测控系统5与温度控制系统2、压力控制系统3和力加载系统4连接，用于实现整个模拟试验系统的自动化控制。

本发明实施例提供的模拟试验系统能够对封隔器、桥塞、滑套、节流器等井下工具开展有效的检测及评价工作。建设高温高压井下工具试验评价系统，并在此基础上完善井下工具评价方法和标准，形成井下工具质量检测评价技术，不仅能够使第三方井下工具质量控制关口前移，降低现场应用风险，还能够为井下工具的自主研发提供中试手段，降低工具研发成本和现场应用风险。本发明实施例提供的模拟试验系统可以应用在增产改造、排水采气、修井三个领域，所应用的工具系列主要可包括桥塞(复合快钻桥塞、大通径桥塞、可溶性桥塞)、封隔器(完井封隔器、裸眼封隔器、跨隔式封隔器)、喷射工具(水力喷射器、配套的投球滑套)、滑套(套管启动滑套、可取式开关滑套)、节流器(固定式井下节流器、活动式井下节流器)、气举阀(气举阀、气举阀工作筒)、清洁工具(井下取样器、文丘里打捞篮)等。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于井下工具的模拟试验系统，其特征在于，所述模拟试验系统包括：

试验井筒(1)，所述试验井筒(1)的一端设置有油管和套设在所述油管外部的套管，另一端密封；

与所述试验井筒(1)连接的温度控制系统(2)，用于控制所述试验井筒(1)内部的温度；

与所述试验井筒(1)连通的压力控制系统(3)，用于控制所述试验井筒(1)内部的压力；

与所述油管连接的力加载系统(4)，用于控制所述油管在所述套管内的运动；

分别与所述温度控制系统(2)、所述压力控制系统(3)和所述力加载系统(4)连接的测控系统(5)。

2.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征在于，所述试验井筒(1)包括筒体(101)、上塞体(102)和下塞体(103)；

所述上塞体(102)设置在所述筒体(101)的第一端上，且所述油管通过所述上塞体(102)设置在所述第一端上；

所述下塞体(103)设置在所述筒体(101)的第二端上，且所述第二端通过所述下塞体(103)密封。

3.根据权利要求2所述的模拟试验系统，其特征在于，所述试验井筒(1)还包括防转环(104)；

所述防转环(104)设置在所述筒体(101)的内壁与所述上塞体(102)之间，所述套管通过所述防转环(104)设置在所述第一端上。

4.根据权利要求2所述的模拟试验系统，其特征在于，所述上塞体(102)上开设有带有开关阀的进液通孔(105)；

所述油管连接在所述上塞体(102)的下端，且所述油管与所述进液通孔(105)连通。

5.根据权利要求2所述的模拟试验系统，其特征在于，所述下塞体(103)上开设有排污通孔(106)；

所述排污通孔(106)的底部设置有清污塞(107)。

6.根据权利要求2所述的模拟试验系统，其特征在于，所述筒体(101)的侧壁上开设有加压口(108)；

所述压力控制系统(3)通过所述加压口(108)控制所述筒体(101)内部的压力。

7.根据权利要求6所述的模拟试验系统，其特征在于，所述压力控制系统(3)包括高压增压泵(301)和低压增压泵(302)；

所述高压增压泵(301)和所述低压增压泵(302)分别与所述加压口(108)连接。

8.根据权利要求7所述的模拟试验系统，其特征在于，所述压力控制系统(3)还包括供气装置(303)；

所述供气装置(303)分别与所述高压增压泵(301)和所述低压增压泵(302)连接，用于为所述高压增压泵(301)和所述低压增压泵(302)提供动力源。

9.根据权利要求8所述的模拟试验系统，其特征在于，所述供气装置(303)包括依次连接的螺杆压缩机(3031)、储气罐(3032)、冷冻式干燥机(3033)和三级过滤器(3034)。

10.根据权利要求2所述的模拟试验系统，其特征在于，所述筒体(101)的外部设置有加热套；

所述温度控制系统(2)通过所述加热套控制所述筒体(101)内部的温度。

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