杨新锋  耿彬潇  李森茂  马晓亚

(1．甘肃省化工研究院，兰州甘肃，730020；2．甘肃兰金民用爆炸高新技术公司，兰州甘肃，730020)

摘要：针对石油天然气能源开发需求，建立油气井下高温高压模拟试验室，对井下录井、测井及勘探开发等工具、设备、装置及精密仪器等进行下井前耐温、耐压性能检测，为下井系统的安全可靠性做出科学的预测。

关键词：石油天然气；高温高压；模拟试验室；应用

1前言

随着石油天然气开采深度难度进一步提升对井下录井、测井、勘探开发工具、设备及装置等的耐温、耐压性能提出了更高的要求。因此，建立一个模拟石油天然气井下环境条件的试验室，对下井的工装、火工品、测试机具进行出厂或应用前的模拟测试是非常必要的。通过对关键部件的模拟试验检测，可确保录、测井及勘探开发下井的所有关键部件能可靠、稳定、准确地工作，可大大提高施工作业成功率和安全性。

2设计思路及参数

全真模拟石油井下高温高压环境条件，建立一套模拟高温高压条件的试验室，主要从以下三方面考虑：

(1)高温高压容器完全模拟井筒形状装置；

(2)自动升温升压、远距离隔离操控装置；

(3)自动卸压、管路、安全装置。

主要参数有：温度150℃；压力100MPa；溶液(根据井深和地质条件配比)。

3模拟实验室的组成及建立

全真模拟试验室，既要具有安全的环境条件和自动操控手段，又要能正确显示、记录和分析数据，整体设计由六板块组成。

3．1高温高压容器的设计

高温高压容器作为一个独立的单元是该试验室的核心，其中整体结构是模拟油气井筒，用5m×5加厚油井套管^[1]作容器，其中套管抗外挤、抗滑扣等性能符合标准，两端采用螺纹连接紧固，螺纹配合受力和堵头耐压作用力根据公式计算：

p=F／S

式中，p为压强；F为压力；S为作用面积。

两端用一次性封堵头封堵(先采取密封，再螺旋紧固，最后焊接处理)。在下端堵头上设计安装单向排液阀来控制容器液面和溶液置换；上端作为工件装卸口，由于反复操作，用可拆卸封堵头(先采取螺旋紧固，再密封，最后旋转楔形夹具机械加紧)，结构特别，操作便捷，封堵装夹安全可靠。压力容器整体结构如图1所示。

3．2自动升、降温控制系统设计

建立一个能自动盛满导热油^[2]的常压油浴容器，如图2所示，用来给压力容器自动加热和冷却，根据实际需要，按目前8000m井深，最高井温240℃要求设计，用400℃热传导油作为导体，采用棒式热欧对油浴热传导油^[2]进行加热升温，根据理论公式W=I²Rt(式中，W为电加热功；I为加热电流；R为热欧电阻；t为加热时间)。对加热时间和加热功率进行控制；通过热传导油循环冷却进行降温，根据Q_吸=Q_放^[3]，运用温度传感器对油浴温度进行遥控和检测，确保温度升降自若，并能准确使温度达到特定的条件值，充分满足试验要求。

3﹒3自动升、降压系统的设计

压力控制主要是对压力容器内的压力自动升降进行控制，高温高压容器如图3所示。由于温度和固定容积的容器压力成正比，Q=PVt，所以先升温，待温度保持恒温时，再利用自动油压泵自动输入压力，根据试验条件提供设计的压力。同时要装载一个过载保护装置。

3﹒4远程操作系统设计

高温高压试验条件苛刻，必须要求隔离操作、远程安全控制，所以在控制方面分为两个模块，第一温度控制，是应用温度传感器测试热油浴温度，通过精密数显仪直观显示和自动闭合或断开加热系统达到自动控制要求；其二压力控制，是用电动液压泵直接升降压，在泵体和输入端口安装高精度数字化压力显示仪直接控制压力实现压力自动控制。

3．5自动卸压双控系统设计

压力容器既要考虑常温高压和高温高压回油管路堵塞、卸压装置失灵，又要考虑压力容器能安全、可靠地卸下载荷，昕以单油路、单一卸压装置满足不了高压容器使用要求，为此设计了双油路双卸压装置，其一采用电自动卸压装置，远程遥控，轻松自如可达到卸压目的；其二采用连杆机构和杠杆原理^[4]，机械拨叉卸压，安全可靠。

3．6防爆试验间的建立及示意

利用原214兵器部建立的防爆试验室，空间宽敞，墙体牢固，防爆卸压通道完备，其平面结构示意如图4所示，据试验记载试验间的所有设施的防爆能力和机械冲击能力完全可以满足高温高压试验要求。