井下液压元件高温高压试验装置研究与应用.pdf

2 01 0正 第 6期 第 3 9卷 第 5 2页 石 油矿 oI L FI ELD 场机 械 EQUI PMENT 2 0 1 0， 3 9 6 5 2 ～5 5 o o 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 O 0 6 0 0 5 2 0 4 井下液压元件高 日古 皿同 压试验装置研究与应用 唐玉宏 ， 谭显 忠 ， 周 扬 ， 李 索贵 ， 张庆辉 1 ． 中海油 田服务股份有 限公 司 技术 中心机 电设备工程所 ， 北京 1 0 1 1 4 9 ； 2 ． 中海油 田服务股份有 限公 司 钻井事业部塘沽作业公司 ， 天津 3 0 0 4 5 2 摘要 井下液压 元件 高温 高压试 验装置 不 需要模 拟 井下泥 浆柱 的压力 ， 而只 需模拟 系统压力及 井下 高温 环境 来测试 井下 液压元 件 工作性 能 。通过对 井下液 压 系统 结构 特 点及 工作 原 理 的分析 ， 论 证 了此试 验装 置 的可行性 ， 达 到 了模 拟试 验 的 目的。此试 验 装 置 的研 制 解决 了研 究开发 及 产 业化 中 液压元件检测的难题， 具有很 高的经济价值及 实用价值 ， 在实践中已经得到成功应用。 关 键词 井下液压 元件 ； 试验 装置 ； 液压 系统 ； 压力补 偿 器 中图分 类号 T E 9 文献标 识码 A S t u d y a n d Ap pl i c a t i o n o f Hi g h T e mp e r a t u r e a nd Pr e s s u r e Te s t Eq u i p me n f o r Do wn h o l e Hy d r a u l i c Pa r t s TANG Yu h o n g ， TAN Xi a n ～ z h o n g ， ZHOU Ya n g ， LI S u o g u i ， ZHANG Qi n g h u i 1 ． Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l Eq u i pme n t En g i n e e r i n g I n s t i t u t e o fRD C e n t e r． Ch i n aOi l fi e l d S e r v i c e s L t d． ， Be i j i n g 1 0 1 1 4 9 ， C h i n a； 2 ． Ta n g g u Op e r a t i o n S u b s i d i a r y o f Dr i l l i n g De pa r t me n t ， Ch i n a Oi l f i e l d Se r v i c e s Lt d． ， Ti a n j i n 3 0 0 4 5 2， Ch i n a Ab s t r a c t Thi s t e s t e qu i p m e nt c a n t e s t t he wor k pe r f or ma n c e o f t he d o wnh ol e Hyd r a ul i c Pa r t s on l y by s i m u l a t i n g s y s t e m p r e s s ur e a nd t h e hi gh t e mp e r a t u r e， no t b y s i mul a t i n g d o wnh ol e mud pr e s s u r e ． I t i s f e a s i bl e by r e s e a r c hi ng t he d ownho l e hyd r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c a n d wor k t he or y ． And i t g a i ns i t s e nds ．The r e i S t h e e n o r m o us e c o n omi c a nd us e f ul v a l u e ． And s ol v e t he di f f i c ul t p r o b l e ms o f t e s t i n g d o wn h o l e h y d r a u l i c p a r t s d u r i n g t h e s t u d y i n g a n d ma n u f a c t u r i n g ．Th i s e q u i p m e nt ha s be e n u s e d i n p r o d uc t i o n s u c c e s s f ul l y ． Ke y wo r d s do wnh o l e h yd r a ul i c p a r t s ； t e s t e qu i p m e nt ； h yd r a ul i c s y s t e m ； p r e s s u r e c o mpe n s a t o r 近年来 ， 越来越多的井下仪器采用了液压系统 来完成其井下各种复杂的功能I 】 ] ， 但液压系统主要 依靠控制或驱动电机 、 泵 、 阀等元件来实现其各项功 能， 并且井下仪器工况 比较复杂 、 环境 比较恶劣， 对 液压元件的各种性能要求 比较高， 这些元件 的可靠 性、 稳定性决定了整个液压系统的性能。为 了保证 液压元件井下工作 的可靠性及稳定性 ， 根据井下液 压系统的结构特点及原理 ， 研制了井下液压元件高 温 高压 试 验装 置 嘲 ， 对 检 测 或筛 选 出 各项 性 能指 标 达到要求的液压元件具有非常重要的意义。 1 传统井下液压元件试验装置结构 井下液压系统外界是高温高压 的泥浆环境 ， 而 且 随着井深 的变化， 泥浆柱压力及井温也随着变化 ， 收稿 日期 2 0 0 9 - 1 2 0 4 项 目来源 国家发 明专利 2 O 0 8 1 O 2 2 7 5 4 5 ． O 作者简介 唐 玉宏 1 9 8 0 一 ， 男 ， 彝族 ， 贵州兴 仁人 ， 工程 师 ， 主要从事 测井 仪器研 究及 产业化 工作 ， E - ma i l t a n g y h c o s l COm ． en 。 第 3 9 卷第 6 期 唐玉宏 ， 等 井下液压元件高温高压试验装置研究 与应用 所以完全模拟井下高温高压环境则必须设计几十乃 至几百兆帕并具有加温功能 的高压容器， 并且温度 及压 力均 可调 ， 这样 的试 验装 置 必 然 非 常 庞 大而 复 杂 。另外 ， 为 了试 验 时更换 元件 方便 ， 还必 须设 计笨 重的端盖、 自动控制及采集试验数据传输 的电缆承 压接 头 ， 然后 高温 高 压容 器里 的测 试 系 统还 必 须 与 井 下液 压系统 原理 一致 如 图 1 。这 样 此试 验 装 置 虽然完全模拟 了井下 的高温高压环境 ， 但带来一系 列 的 问题 。 压 力 容 器 外壳 图 1 传统井下液压元件高温高压试验装置结构 a 试验装置结构非常庞大 、 笨重而复杂。 b 实 现端 盖的密封并保证其 耐压 强度非常 困难 。 c 必 须具有 相关 的资 质才 能进 行此 类试 验 装 置的设计 、 制造， 其 费用相 当昂贵， 将高达一般试验 装 置 的十几倍 乃至 几 十倍 。 d 试验装置 的使用 必须通过相关政府 部 门 的审批 ， 并 备案 。 e 使用时非常危险， 操作相当困难 ， 试验时必 须 冷却后 拆掉压 力 容器端 盖 ， 然后再 拆卸 、 更换 元器 件 ， 加温比较缓慢， 效率低下。 因此 ， 对井下液压系统进行 分析、 研究 ， 设计制 造一种新型、 简单 同时又能够达到试验 目的装置具 有非 常重要 的意 义 。 2 井下液压系统压力补偿技术 井下仪器外界受 到泥浆柱压力的作用 ， 为了消 除随井深的变化泥浆柱压力对液压 系统 的影响， 应 对泥浆柱压力进行 自动补偿 ， 需使用压力补偿器 通 常称压力平衡装置 来实现 ] 。如果不采用压力补 偿技术， 一方面对密封有很高的要求 ， 微小 的泥浆渗 漏都有可能导致元器件甚至整个系统的失灵 ， 而且 随着 井深 的变化 ， 各 元 件 将 逐 步承 受 由 内压 到外 压 的变化 ， 这 使 得 系 统 结 构 设 计 将 变 得 复 杂 ； 另 一 方 面， 对于传统 的用耐压壳体包裹 的电液驱动装备和 控制系统后再驱动执行元件 的方式 ， 其笨重 的耐压 结构设计也直接影响到 系统本体质量 ， 进而影响到 能源动力 、 工作效率 、 系统可维护性和可靠性等一系 列 问题 。 因此 ， 对井 下 液压 系统来 说 ， 采 用压力 补偿 技术 ， 不仅可以使系统避免特殊的抗压设计和使用 笨重的耐压壳体 ， 而且 能很好地解 决外界泥浆环境 对液 压系统 的影 响 。 目前 ， 常用的压力补偿器有 皮囊式、 金 属薄膜 式 、 波 纹 管 式 及 弹 簧 活 塞 式 等 类 型_ 7 ] ， 虽 然 结 构 不 同， 但是功能和 目的都 是一样 的。常用的弹簧活塞 式 压力 补偿 器如 图 2 。 油箱 一 二 兰 一⋯ 泥浆 - - -- - _ - -- - - ● 单向阀方 向 图 2 弹簧活塞式压力补偿器 2 ． 1 井 下液压 系统 压力 补偿器 工作 原理 具 有 压力补 偿器 的井 下 液压 系 统如 图 3 。补 偿 器的一端与油箱连接 ， 并将其内部充满液压油， 当补 偿器受到泥浆柱压 力作用时 ， 补偿器在压差 的作用 下 向低 压端 移 动 或 变 形 ， 直 到 两 端 的 压 差 相 等 ， 即 P 泥 浆一P 油 箱 忽 略 弹力 或 预 压 缩 力 ， 这样 尽 管 井 深 在变化 ， 但油箱 内部的压力总与外部泥浆柱压力实 现动态平衡 ， 油箱壳体所受到的内外压差近似为零 ， 实现 了对 不 同井深 泥浆柱 压力 的补 偿 。 2 ． 2 井 下液压 系统元件 工作 原理分 析 由于在压力补偿器的作用下油箱的压力等于泥 浆 柱 的压力 ， 泵 的 吸油 口压力 也就 是 系 统 的 回油 压 力与外部泥浆柱压力相等 P 泵 人 一P 油 箱 ， 因此回油 路的内外压力是平衡 的。对于供油管路 ， 它的内部 压力即泵的出口压力等于系统的工作压力加上外部 泥浆柱的压力 泵 出 一户 系 统P 油 箱 ， 即供油管受外 部的泥浆柱压力也得到了 自动补偿。这样 ， 采用 自 动补偿式井下液压动力消除了泥浆柱压力对液压系 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 0 年 6 月 统的影响， 在保证仪器作业 时， 系统压力稳定 ， 达到 较高的工作效率 。 井壁 图 3 具有压力补偿器的井下液压系统 另外 ， 井下液压系统元件采用了浸油方式设计 ， 即元 件 内外 均浸 泡在油 箱里 。现 对液压 系统 中几 种 元器件的工作原理进行分析 。 2 ． 2 ． 1液 压 泵 液压泵人 口压 力为 泵人口一 p油箱 液压泵 出 口压 力为 泵 出 口一p系 统 户 油 箱 则泵输出功率为 P泵 输 出qA 一q 系 统 式 中 ， q为泵 的流 量 ， m。 ／ s ； △ 为 泵 的进 出 口压 差 ， N／ m。 。 2 ． 2 ． 2 驱动 电机 驱动 电机输 出功 率为 P电 机 输出 P泵 输 入， 即 P电 机 输出 qA p 2 ． 2 ． 3常 闭 电磁 阀 a 电磁 阀在 开启 的瞬 间 ， 电磁 阀入 口压 力 为 P 人 口 一 系 统 油 箱； 电磁 阀 出 口压 力 为 p 出 口一 油 箱， 所以电磁 阀在开启 的瞬间入 口与 出 口之 间的压差 △ 系 统。 b 在工作过程 中电磁 阀处于打开状态， 相 当 于一个通路 ， 则 电磁 阀入 口压 力为 P 人 一P 系 统 P 油 箱； 电磁 阀出 E l 压 力为 p 出 口 一 系 统 油 箱， 所 以电 磁阀在开启过程中入日与出口之间的压差△夕 0 。 c 当电磁阀关 闭时 ， 电磁阀入 口压力为 P 入 。 一p 系 统P 油 箱； 电磁 阀 出 口压 力 为 夕 出 口一户 负 载 P 油 箱， 所以在关闭瞬间电磁阀入 口与出 口之 间的压 差Ap p 系 统一户 负 载 而负载与泥浆柱压力无关 。 从以上分析可知 ， 这几种液压元件工作性能与 泥浆柱压力无关 ， 即液压元件在井下工作 时不受泥 浆柱压力的影响。经过研究分析， 井下液压系统在 压力补偿器的作用下， 其他液压元件的工作性能同 样也不受泥浆柱压力 的影响 ， 即与地面环境压力下 的工作性能一致 。 2 ． 3 井下液压系统元器件高温高压试验装置结构 由于井下液压系统在压力补偿器的作用下 ， 液 压元件的工作性能不受泥浆柱压力 的影响， 所 以井 下液压元件试验装置不需要模拟井下泥浆柱高压的 环境， 而只要模拟井下高温环境及 系统压力即可达 到模拟试验的目的。试验装置工作原理与井下液压 系统一致 如 图 4 ， 液压元件安装在试验块上并浸 泡在液压油里 ， 另外设计控制系统使元器件的供 电 及控制模式完全模拟井下液压系统 ， 同时使用控制 及采集软件对元器件进行 自动控制并对试验过程中 的数据进行采集 。 采用此 结 构 ， 设 计 时 采 用 小 管 线 不 超 过 o 2 5 ram 及小孔径的流体通道 ， 可避免使用压力容器或 压力管道的设计[ 8 ； 设计、 制造费用大幅降低 ； 操作 、 更换元器件快速方便 ， 效率大幅提高。 一 一 一 一 一 一 ‘ 一 二 i i二 二控 制 柜 I ] 广 _ _控 制 柜 l r1一 加 热 器 i 一 斗} 一 } _ - _ ； 【} l 籍 一 一 1 一 t P rC 1 一 t 一 ’ 一 i 油 箱 ⋯⋯⋯⋯一 图 4 井 下液压 高温高压模 拟试验装置结构 3 实际应用 地层 评价 测试 仪采 用液压 系统 对井 下 目的层进 行测压 、 取样等， 根据对其液压系统的分析、 研究 ， 设 计了一套地层评价测试仪液压元件的高温高压试验 装置 ， 该试验装置使用 与仪器相 同的电机及泵为液 压系统提供动力， 并且工作原理与仪器相同； 同时具 有 自动控制的加热系统 。通过操作系统可以对试验 的液 压元 件 进 行 自动 控 制 ， 并 对 试 验 的 数 据 进 行 采集。 目前 ， 该模拟试验装置已经对地层评价测试仪 的 2 O台电机 、 2 O台液压泵、 4 0 0多个 电磁阀进行了 模拟试验， 经过现场使用证明， 采用此试验装置对液 压元件进行模拟试验是可行的。 2 0 1 0 年 第 3 9 卷 第 6期第 5 5页 石油 矿 0I L FI ELD 场 机械 E QUI P MENT 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 0 0 6 0 0 5 5 0 3 进 口 P l I O EU 油管粘扣原 因分 析及试验研究 吕拴录 -一 ， 张锋 ， 吴 富强 ， 乐法国 ， 历建 爱。 ， 陈 洪 1 ． 中国石油大学 机 电工程学 院 ， 北京 1 0 0 2 4 9 ； 2 ． 塔里木油 田， 新 疆 库尔勒 8 4 1 0 0 0 摘要 对某井在 完井作业过程中进 口 0 7 3 ． 0 mm5 ． 5 1 mm P 1 1 0 E U 油管粘扣事故进行 了调查研 究 ， 宏观 分析 了油 管粘扣 形貌 ， 检 查 了库 存 油管螺 纹接 头 ， 对粘扣 的 油管接 头 工厂端进 行 了上 、 卸扣 试验 。调查研究和试验分析结果表 明 油管本身抗粘扣性能符合标准要 求， 油管粘扣原因主要与背 钳 夹持位 置 不 当、 且没有 引扣有 关 。 关键词 油管 ； 粘扣 ； 接箍 ； 背钳 中图分 类号 TE 9 3 1 ． 2 文献标 识码 A Ga l l i ng Ca u s e An a l y s i s a n d Te s t I n v e s t i g a t i o n o n I mp o r t Pl l O EU Tu b i n g LV S h u a n l u ， ZHANG Fe n g ， W U Fu q i a n g ， YUE F a g u o 。 ， LI J i a n a i ， CHEN Ho n g 。 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m， Be i j i n g 1 0 2 2 4 9， Ch i n a； 2 ． Ta r i m Oi l f i e l d，Ko r l a 8 4 1 0 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t Ga l l i ng a c c i de n t of i m p o r t e d 07 3 ．0 mm 5 ．51 mm P1 1 0 EU t ub i ng t oo k p l a c e d u r i n g c o mpl e t i on op q r a t i on i n o ne we l 1 ． A t ho r ou g h i n v e s t i ga t i o n o n t ub i ng ga l l i n g a c c i d e nt wa s m a de， a n a l y z i n g t h e t u b i n g g a l l i n g mo r p h o l o g y， a n d i n s p e c t i n g n e w t u b i n g j o i n t s i n s t o r a g e ， a n d ma k i n g up a nd b r e a ki n g o ut t e s t s f or m i l l e n d of t he t ub i ng c o nne c t i on i n wh i c h i t s f i e l d e n d wa s g a l l i ng wa s c a r r i e d ou t． I t i s s h own f r o m i n v e s t i ga t i o n a nd t e s t an a l y s i s r e s u l t s t ha t t u bi ng c a p a bi l i t y 4 结 论 通过对井下仪器液压系统结构及工作原理 的分 析 ， 研究了井下液压系统元件高温高压试验装置 ， 该 试验装置打破了传统的完全模拟井下环境 的观念 ， 即不需要模拟井下泥浆柱 的高压环境 ， 并论证 了此 试验装 置 的可行 性 。实 践 证 明 此 试 验装 置 具 有 很 大的实用价值及经济价值， 大幅降低了设计 、 加工制 造 的难度 及 费用 ， 同 时 提 高 了试 验 的 安全 性 及 易 操 作性， 既经济又达到了试验的目的， 解决 了科研及产 业化 过程 中液 压元 件 检 测 的 难 题 。在 实 际科 研 、 产 业化 中已经得到了成功运用 ， 并发挥 了非常重要的 作 用 。 参考文献 [ 1 ] 姜继海 ， 刘海 昌， 陈志国 ， 等． 螺杆泵采油系统无 动力源 液压制动装置 _ J ] ． 石 油矿场机 械， 2 0 0 9 ， 3 8 5 4 7 5 O ． [ 2 ] 赵军友 ， 孙培先 ， 娄晖 ， 等． 液压油管钳夹紧钳 口设计 与计算 __ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 1 6 3 6 5 ． [ 3 ] 白鹿 ， 张彦廷 ， 张作龙， 等． 钻柱液压升沉补偿系统参数 计算及 比较分析[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 3 1 0 1 3 ． [ 4 ] 郑南 ， 李鸿 涛 ， 寇红涛 ， 等． 超级单根液压钻机传动 及 控制[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 6 9 0 9 3 ． [ 5 ] 唐玉宏 ， 周扬 ， 李 索贵． 井下液压 元件 高温高压 试验 装置 中国， 2 0 0 8 1 0 2 2 7 5 4 5 ． 0 [ P ] ． 2 0 0 9 0 6 0 3 ． [ 6 ] 刘 志浩 ， 高世伦． 水下作业 工具 液压 动力源 的研 制I- J ] ． 海洋技术 ， 2 0 0 2 ， 2 1 2 2 1 - 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