CN1900481B - 模拟储层条件下射孔效能检测装置 - Google Patents
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Abstract
模拟储层条件下射孔效能检测系统，主要包括：高温高压发生装置、高温高压试验容器、射孔过程压力平衡补偿系统、测控系统和安全监控系统。可模拟储层条件(高温、高压)进行钢靶、混凝土靶、砂岩靶、灰岩靶等的单发和多发射孔试验，能够检测射孔器的穿深、孔径、压实带厚度、弹间干扰、枪体变形等参数。可用于射孔器的评价和射孔技术的基础性试验研究。其特点是能够在高压容器进行多发射孔弹打钢靶、灰岩靶、砂岩靶、混凝土靶射孔试验；具有压力补偿系统；在试验容器侧壁和顶端安装了瞬态压力传感器，能够准确记录试验容器在射孔瞬间压力变化，为射孔器的研制提供充分的依据。
Description
一、技术领域
本实用新型涉及一种评价和检测射孔弹及射孔枪在高温高压条件下的实际工作状态的射孔效能检测装置。
二、背景技术
高温高压条件下射孔效能的检测及射孔技术研究是提高采收率、保障油气井持续稳定生产的重要措施和手段。传统技术对射孔器的检测还停留在简单的地面检测，用地面检测的结果去指导射孔器的研制，制约了射孔技术及理论研究的发展。目前，国际射孔器检测技术标准主要采用美国石油学会制定的《油气井射孔器评价的推荐做法》。在国内，大庆射孔器材检测中心先后在1987年和1992年引进了按API RP43第四版标准建立的检测设备和按API RP43第五版标准建立的检测设备，可以完成对射孔枪、射孔弹、雷管、导爆索等70多个参数的检测。新疆测井公司也于2000年按API RP43第五版标准，建立了高温高压射孔模拟试验室。但以上两家射孔试验室及装置存在一定局限性，如大庆引进的这种检测设备，不能实现高温高压条件打靶，不能满足当前射孔新技术发展与研究的需求。
三、发明内容
发明模拟储层条件下射孔效能检测装置的目的是在实验室内建立一种高温高压的环境(即通常说的储层环境)，将射孔器在这种环境中打靶试验，评价和检测射孔弹及射孔枪在高温高压条件下的实际工作状态，提高对射孔提供的流体通道的认识，解决地层条件下射孔实际效能至今无法验证的问题，为分析产层的产液能力，提供有力的技术支持。
为了达到上述目的，模拟储层条件下射孔效能检测装置主要包括高压容器、管路系统和电气测控系统三部分组成。高压容器包括超高压实验容器和高压实验容器组成。管路系统包括气路、高压气路、高压水路、冷却水路、导热油路和补排油路组成。其中，气路主要设有空压机、储气罐和多路控制阀与其它管路连接后最终连接到高压容器上。高压气路设有高压空气压缩机和两组电磁换向阀分别连接稳压器后连接到高压实验容器和超高压实验容器上。高压水路包括高位纯水箱与高压泵连接后，通过波动罐和各种控制阀与气路连接，最终连接到高压容器上。冷却水路由冷却泵、冷却塔和控制阀连接在自来水管路和导热油冷却器之间。导热油路上设有高位油箱、油气分离器、循环油泵、导热油加热器、导热油冷却器和各种控制阀，最终连接到高压容器的进油管上。补排油路设有低位油箱、补油泵和控制阀，连接在高压容器出油管和高位油箱之间。电气测控系统由操作控制台、各种传感器、仪表、继电器、组态软件数据记录、瞬态压力数据采集与处理、动态流程显示屏与配电系统连接组成。
所述的高压实验容器是在下端封闭的筒体上设有上盖，在筒体与上盖由卡箍固定密封连接，筒体的外部套装有夹套，夹套底部设有进出液口，上盖上设有传感器接口；所述的超高压实验容器包括上密封头、上压环、筒体、夹套、下密封头以及夹套上配有的放气口、传感器接口、进油口、出油口组成，其中筒体上部与压环、上密封头之间，下部与下密封头之间均采用密封连接，筒体外部整体套装夹套，上、下密封头上设置有传感器接口；所述的稳压器是在筒体的内部设有活塞，筒体的上下端部分别由封头、压环连接封闭，封头、压环设有与上下腔室贯通的进出口。所述高压实验容器的夹套外部包敷有保温层，底部设有底座，上部设有排气口，在筒体的底部延伸出排放口，卡箍的下方对称连接有滚轮，滚轮下面与导轨连接配合，在上盖上还设有吊耳；所述超高压实验容器的夹套底部设有排放口，在下密封头与筒体的结合部设有密封圈。
所述电气测控系统具体包括：主机通过PCI总线将采集到的相关信息传递到动态流程显示屏，连接在主机ISA总线上的超高速A/D采集板，通过测量及点火控制(包括24V点火电源、24V瞬态压力电源、24V仪表电源和24V控制电源)采集到的温度、压力信息汇总到主机，超高压实验容器、高压实验容器的测量及点火控制由安装在两个容器上的瞬态压力变送器和点火电路连接到测量及点火控制台；压力采集显示及报警、温度采集显示及报警、液位显示及报警和电压电流显示并通过PLC可编程控制器处理采集信号后连接到PCI总线，这些显示及报警分别显示压力变送器、温度传感器、液位变送器和电压电流变送器采集到的信息，其中电压电流变送器与配电系统连接，24V控制电源与缓冲继电器和按键、报警及指示连接，PLC可编程控制器与配电系统连接，将缓冲继电器信息处理后显示在1-3#控制台，并反馈到PCL总线，最终传输给主机。
所述的主机是PIII工控机，采用WINDOWS作为主操作系统，前端PCI总线接口是RS-485总线接口。高压容器、管路系统和电气测控系统。
本发明的模拟储层条件下射孔效能检测装置，可模拟储层条件(高温、高压)进行钢靶、混凝土靶、砂岩靶、灰岩靶等的单发和多发射孔试验，能够检测射孔器的穿深、孔径、压实带厚度、弹间干扰、枪体变形等参数。可用于射孔器的评价和射孔技术的基础性试验研究。其特点是能够在高压容器进行多发射孔弹打钢靶、灰岩靶、砂岩靶、混凝土靶射孔试验；具有压力补偿系统；在试验容器侧壁和顶端安装了瞬态压力传感器，能够准确记录试验容器在射孔瞬间压力变化，为射孔器的研制提供充分的依据。
四、附图说明
附图1超高压容器结构示意图
附图2高压容器结构示意图
附图3稳压器结构示意图
附图4系统采集控制系统电路流程示意图
附图5射孔效能实验室动态流程示意图
五、具体实施方式
综合描述：高压容器是射孔效能实验的主要设备，由一台Φ380mm超高压容器和一台Φ1000mm高压容器组成。管路系统从功能上划分主要由五部分组成：加(泄)压系统，稳压系统，加(降)温系统，补(排)油系统和辅助气源系统。电气测控系统由操作控制台、各种传感器、仪表、继电器、组态软件数据记录、瞬态压力数据采集与处理、动态流程显示屏与配电系统组成。
应用本发明主要进行射孔实验温度压力的供给与控制、保持射孔瞬间压力的平衡和瞬态压力数据采集与处理。
(1)温度压力的供给与控制
A.在加(降)温管路系统内采用电加热器和冷却泵对导热油加(降)温来达到实验所需温度。
a.Φ380mm超高压容器的升温速率为2℃/min，恒压过程中温度变化≤2℃/30min。
b.Φ1000mm高压容器升温速率为0.5℃/min，恒压过程中温度变化≤2℃/30min。
B.在加(泄)压管路系统内通过对水加(泄)压来满足实验压力，并在射孔后利用稳压管路系统来保持压力平衡来模拟井下实际条件和保护实验容器。
(2)保持射孔瞬间压力的平衡
稳压器与实验容器连接，在射孔弹爆轰时容器内瞬间压力升高，利用气体可压缩和水不可压缩的原理来缓冲试验容器内的压力波动和平衡。
(3)瞬态压力数据采集与处理
瞬态信号采集，由点火控制电路、瞬态压力传感器、变送器、超高速采集板和专用采集处理软件等组成。在射孔弹起爆时，瞬态压力传感器将压力变化转换成电信号，压力变送电路转换成可驱动采集卡的电压信号，再经信号电缆传输到插在主机ISA总线上的超高速A/D采集板，经采集板完成瞬态信号采集。
参照附图1，超高压试验容器主要包括上密封头1、上压环2、筒体3、夹套5，容器上配有放气口4、排放口6、传感器接口7、进油口8、出油口9、传感器接口10。其中上压环2与筒体3之间采用密封连接，夹套5与筒体3之间焊接在一起。上密封头1上有两个传感器接口10，可以配接温度和压力传感器用来采集试验温度、压力数据。夹套5上有放气口4、排放口6、进油口8和出油口9，主要用于导热油的进出和加热后气的排放以及油的排放。
超高压试验容器主要用来试验射孔弹在不同的温度压力条件下(模拟地层的温度压力条件)对砂岩靶、灰岩靶的穿透深度，研制满足高温条件下的射孔弹，达到最佳的射孔穿深。基本指标：内径380mm、最高工作压力80MPa、最高工作温度200℃。
参照附图2，高压试验容器主要包括上盖12、卡箍13、筒体15、夹套16、底座19；辅助设施有导轨14、保温层17、上盖吊耳21；并配有温度传感器接口11、排污口18、进油口20、压力传感器接口22、出油口23。上盖12与筒体15采用密封连接，夹套16与筒体15之间焊接在一起。上盖12上有温度传感器接口11和压力传感器接口22，用来采集试验温度、压力数据。夹套16上有放气口进油口20、出油口23，主要用于导热油的进出。由于卡箍13重量很大，在其下部设计了导轨14便于卡箍的安装，上盖吊耳21也是为便于上盖12的开启而设计的。
高压试验容器主要用来试验射孔弹和射孔枪的性能，可在不同的温度压力条件下进行大型砂岩靶、灰岩靶和钢靶的试验，不但可以进行单发射孔弹试验，还可以进行多发射孔弹试验。基本指标：内径1000mm、最高工作压力20MPa、最高工作温度150℃。
参照附图3，稳压器主要包括上封头25、上压环26、筒体27、活塞28、下封头30、下压环31、水腔32、气腔33；上封头25和下封头30分别配有空气进口24和水进口29。
本系统中有两种稳压器包括超高压和高压稳压器，分别与超高压试验容器和高压试验容器连接。超高压稳压器基本指标：工作压力80MPa、最高工作温度100℃、内径140mm；高压稳压器基本指标：工作压力20MPa、最高工作温度100℃、内径200mm。
稳压器由内部的活塞28将其分为气腔33和水腔32两部分。工作时稳压器的气腔部分根据试验压力冲入一定压力的压缩空气，利用气体可压缩和水不可压缩的原理来缓冲试验容器中的压力波动。射孔弹爆炸时会引起试验容器压力的升高，此时试验容器的介质水通过管路进入的水腔，气腔的空气被压缩，试验容器的压力得到平衡；当射孔弹穿透射孔枪后，试验容器的水介质会进入射孔枪，造成试验容器压力的降低，此时稳压器内的水就通过管路进入试验容器，从而使试验容器的压力得到平衡。
参照附图5，流程图中的管路系统包括气路、高压气路、高压水路、冷却水路、导热油路和补排油路组成。气路主要设有空压机57、储气罐58、空气过滤器59和5路支气管路，5路支气管路分别通过电磁换向阀61、气动阀62与对应的高压水路及高压气路连接。高压气路由高压空气压缩机60产生高压气体，两个支路分别与气路中的两个支气管路通过电磁换向阀61和气动阀62结合后，分别连接到两个稳压器67，稳压器67与连接到高压实验容器71和超高压实验容器70之间的管路上设有高压手动阀69。高压水路包括高位纯水箱72、手动阀44与高压泵73、止回阀46连接后分出三个支路，一个支路与气路通过电磁换向阀61、气动阀62连接到波动罐，另两个支路分别通过高压手动阀69和电磁换向阀61、气动阀62与气路对接后，连接到高压实验容器71和超高压实验容器70上。冷却水路由冷却泵54、冷却水箱56、冷却塔55和手动阀44连接在自来水管路和导热油冷却器53之间，形成水冷却循环回路。导热油路上设有高位油箱42、油气分43离器、手动阀44、循环油泵45、止回阀46、导热油加热器47，经过电动三通阀52一路连接到油冷却器53后与另一路连接到电动四通阀51，电动四通阀51的输出油路经电动三通阀52分路连接到高压实验容器71和超高压实验容器70进油口上，从高压实验容器71和超高压实验容器70出油口的油回路返回电动四通阀51后重新进入油气分离器43，在油气分离器43和高位油箱42上还连接有排空管41。补排油路设有低位油箱49、补油泵48和手动阀44与高位油箱42形成循环回路，同时通过手动阀44和循环油泵45连接到高压实验容器71和超高压实验容器70进油口上，在低位油箱49上还设有手动阀44和排污油管50。在高压实验容器71和超高压实验容器70上还设有与控制电路连接的爆破片68。
最终六路为高压实验容器、超高压实验容器、高压稳压罐、超高压稳压罐提供所需压力或温度。电动四通球阀用来选择进出油路线和加降温换相，电动三相球阀用来进行进出油换相。
进行射孔试验时首先启动空压机至一定压力，打开管路电磁换相阀，启动高压空气压缩机将稳压器预置一定高压空气后，开始对实验容器加温加压。加温时启动循环油泵和电加热器对实验容器进行加温，到达实验温度后停止加温，关闭加温系统装置。当实验容器内压力和稳压器压力都达到预定值时，启动超高压泵，当实验容器内压力达到实验压力时，超高压泵关闭。当容器内水温满足实验要求时，按规程进行稳压、保温。之后进行点火，大约几毫秒可测得容器侧壁和顶部处瞬时峰值压力。十几毫秒后容器内压力在基础压力上下波动，然后逐步趋于稳定。实验完毕后，首先启动泄压阀将压力泄下来，然后启动冷却水降温系统装置进行降温。
上述过程主要通过加(降)温和加(泄)压系统完成的。
加(降)温系统包括导热油加温系统和冷却水降温系统。导热油加温系统主要是传热介质导热油在循环油泵的作用下在管路系统中循环，导热油流经电加热器时被加热，温度升高，当其流经射孔容器时又将热量通过容器壁传递给容器里的介质水，使水的温度升高，以达到所需求的温度。冷却水降温系统主要由冷却水泵、导热油冷却器、冷却塔及管路、阀门和仪表等组成。降温时试验容器的热量传给循环的导热油，在冷却器管程流动的高温导热油将热量传给壳程的冷却水，加热的冷却水又被送进冷却塔将热量传递到大气中，从而达到整个试验装置降温的目的。
加(泄)压系统主要由一台高压泵、管路、阀门和仪表组成。主要系统功能是给试验容器加压至所需压力；试验完毕将试验容器的压力安全地泄下来；确保整个装置在异常情况下的安全。
参照附图4，PIII工控机与显示器、打印机连接，并通过RS-485总线(PCI总线)将采集到的相关信息传递到动态显示屏。在主机ISA总线上的超高速A/D采集板通过测量及点火控制(包括24V点火电源、24V瞬态压力电源、24V仪表电源和24V控制电源)采集到的温度、压力信息汇总到主机。超高压容器点火、高压容器点火由测量及点火控制，同时安装在两个容器上的瞬态压力变送器将信号传输到控制台，瞬态压力传感器将压力变化转换成电信号，压力变送电路转换成可驱动采集卡的电压信号，再经信号电缆传输到插在主机ISA总线上的超高速A/D采集板，经采集板完成瞬态信号采集。压力采集显示及报警、温度采集显示及报警、液位显示及报警和电压电流显示与PCI总线连接，通过PLC可编程控制器处理采集信号后传输到PCI总线，这些显示及报警分别显示压力变送器、温度传感器、液位变送器和电压电流变送器采集到的信息。其中电压电流变送器与配电系统连接。24V控制电源与缓冲继电器和按键、报警及指示连接。PLC可编程控制器与配电系统连接，将缓冲继电器信息处理后显示在1-3#控制台，并反馈到PCL总线，最终传输给计算机。
工控机，采用最新版WINDOWS作为主操作系统，可多任务方式运行组态监控软件和瞬态数据采集软件。前端基本监控数据经串口通过RS-485总线，由主机呼叫查询采集到主计算机内，经组态软件实时处理，将需要的动态流程显示到屏幕上。同时将部分仪表数据和各点的工作状态由串口发送到大型动态流程屏，经流程显示屏内的电路系统处理后将系统原理图、仪表数值、工作状态、动态流程显示在大型灯箱上。
瞬态压力采集过程：首先由控制台上的点火控制电路发出点火触发信号，在射孔弹起爆时，瞬态压力传感器将压力变化转换成电信号，压力变送电路转换成可驱动采集卡的电压信号，再经信号电缆传输到A/D采集板，经采集板完成瞬态信号采集。采集板可实现最高1M点/秒的采样率，一次最多可对两个瞬态压力传感器各记录65535点的采集数据，采集处理软件使用Visual Basic6.0编写。
Claims (4)
1.一种模拟储层条件下射孔效能检测装置，主要包括高压容器、管路系统和电气测控系统三部分组成，其特征是：高压容器包括超高压实验容器和高压实验容器组成；管路系统包括气路、高压气路、高压水路、冷却水路、导热油路和补排油路组成，其中，气路由空压机、储气罐和多路控制阀与管路连接后最终连接到高压容器上；高压气路由高压空气压缩机和两组电磁换向阀分别连接稳压器后连接到高压实验容器和超高压实验容器上；高压水路由高位纯水箱与高压泵连接后，通过波动罐和控制阀与气路连接，最终连接到高压容器上；冷却水路由冷却泵、冷却塔和控制阀连接在自来水管路和导热油冷却器之间；导热油路上由高位油箱、油气分离器、循环油泵、导热油加热器、导热油冷却器和控制阀，最终连接到高压容器的进油管上；补排油路由低位油箱、补油泵和控制阀，连接在高压容器出油管和高位油箱之间；电气测控系统由操作控制台、各种传感器、仪表、继电器、组态软件数据记录、瞬态压力数据采集与处理、动态流程显示屏与配电系统连接组成；所述的高压实验容器是在下端封闭的筒体上设有上盖，在筒体与上盖之间由卡箍连接密封，筒体的外部套装有夹套，夹套底部设有进出液口，上盖上设有传感器接口；所述的超高压实验容器包括上密封头、上压环、筒体、夹套、下密封头以及夹套上配有的放气口、传感器接口、进油口、出油口组成，其中筒体上部与压环、上密封头之间，下部与下密封头之间均采用密封连接，筒体外部整体套装夹套，上、下密封头上设置有传感器接口；所述的稳压器是在筒体的内部设有活塞，筒体的上下端部分别由封头、压环连接封闭，封头、压环设有与上下腔室贯通的进出口。
2.根据权利要求1所述的模拟储层条件下射孔效能检测装置，其特征是：所述高压实验容器的夹套外部包敷有保温层，底部设有底座，上部设有排气口，
在筒体的底部延伸出排放口，卡箍的下方对称连接有滚轮，滚轮下面与导轨连接配合，在上盖上还设有吊耳；所述超高压实验容器的夹套底部设有排放口，在下密封头与筒体的结合部设有密封圈。
3.根据权利要求1或2所述的模拟储层条件下射孔效能检测装置，其特征是所述电气测控系统具体包括：主机通过PCI总线将采集到的相关信息传递到动态流程显示屏，连接在主机ISA总线上的超高速A/D采集板，通过测量及点火控制采集到的温度、压力信息汇总到主机，超高压实验容器、高压实验容器的测量及点火控制由安装在两个容器上的瞬态压力变送器和点火电路连接到测量及点火控制台，测量及点火控制电源包括24V点火电源、24V瞬态压力电源、24V仪表电源和24V控制电源；压力采集显示及报警、温度采集显示及报警、液位显示及报警和电压电流显示并通过PLC可编程控制器处理采集信号后连接到PCI总线，这些显示及报警分别显示压力变送器、温度传感器、液位变送器和电压电流变送器采集到的信息，其中电压电流变送器与配电系统连接，24V控制电源与缓冲继电器和按键、报警及指示连接，PLC可编程控制器与配电系统连接，将缓冲继电器信息处理后显示在1-3#控制台，并反馈到PCL总线，最终传输给主机。
4.根据权利要求3所述的模拟储层条件下射孔效能检测装置，其特征是：所述的主机是PIII工控机，采用WINDOWS作为主操作系统，前端PCI总线接口是RS-485总线接口。
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