（机械电子工程专业论文）封隔器工作状态测试系统的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文针对封隔器工作状态参数测试问题，研制了封隔器工作状态测 试系统。采用管线连接模拟井和液压源。通过变换阀门开关的顺序，模 拟封隔器在井下的工作状态。由控制系统完成模拟状态下封隔器相关参 数的测试，实现了数据的采集、存储、查询与打印功能。 封隔器工作状态测试系统，主要由单片机控制系统和以模拟井、压 力源、工艺管道构成的机械系统组成，用于采集封隔器在模拟状态下的 坐封压力、所能承受的压差及反向洗井时的流量等参数。 编制了测试系统的控制软件，设计了控制电路和模拟井实验系统。 控制系统采用两级计算机控制方式，上位机p c 机通过串口与下位机进 行通讯，下位机采用8 9 c 5 l 单片机。由下位机实现对封隔器实验过程的 实时控制，并向上位机发送实验数据。 进行了上位机、下位机试验和联机模拟调试实验，并给出了实验结 果。 关键词：封隔器；测试：单片机；模拟井 哈尔滨工程大学硕士学位论文 , - i t , i _ _ e t = 自- 目l ；日_ 目i ；自_ _ - _ _ i i i i _ 目l _ _ ；j _ j _ i j ；i _ 目；日i _ i ；e 目；t a b s t r a c t t h i s p a p e rs o l v e d t h e p m b l e r no f p a c k e rw o r k i n g s t a t ep a r a m e t e r t e s t i n g ，a n d as y s t e mo f p a c k e rw o r k i n gs t a t et e s t i n gi sd e v e l o p e d t h es i m u l a t i v ew e l la n d h y d r a u l i cp r e s s u r es o u r c ef i l ec o n n e c t e dw i t hp i p e t h ed o w n - h o l es t a t eo f p a c k e r w a ss t i m u l a t e db y c h a n g i n gt h eo r d e ro fv a l v es w i m h t h et e s to ft h ep a c k e r s i n t e r r e l a t e dp a r a m e t e ri sa c c o m p l i s h e db yc o n t r o l l i n gs y s t e mi nt h es i m u l a t i v e s i t u a t m na n di tc a r r i e do u td a t a c o l l e c t i o n ，s t o r a g e ，i n q u i r i n ga n dp l o t t i n gf u n c t i o n t h es y s t e mo f p a c k e rw o r k i n gs t a t et e s t i n gi sm a i n l yc o m p o s e do fm c u c o n t r o l l i n gs y s t e ma n dt h em e c h a n i s ms y s t e mw h i c h i sc o n s t i t u t e db ys i m u l a t i v e w e l l ，h y d r a u l i cp r e s s u r es o u i 屯ea n dc r a f tp i p e s t h es y s t e mi su s e dt oc o l l e c tt h e p a r a m e t e ro fp a c k e r , s u c ha st h es e t t i n gp r e s s u r eu n d e rt h es i m u l a t i v es i t u a t i o n t h ea l l o w e dp r e s s u r ed i f f e r e n c ea n dt h ef l u xw h e nr e v e r s ew a s ht h ew e l la n ds o o n t h e c o n t r o l l i n gs o f t w a r ef o rt h et e s t i n gs y s t e mh a v i n gb e e nc o m p i l e d ，a n d c o n t r o l l i n gc i r c u i ta n ds i m u l a t i v ew e l le x p e r i m e n ts y s t e mh a v i n gb e e nd e s i g n e d t h ec o n t r o l l i n gs y s t e ma d o p t st w o - s t e p sc o m p u t e rc o n 拄o u i n gm o d e t h ep c c o m m u n i c a t e sw i t hm c u b ys e r i a lp o r t t h em c ua d o p t s9 9 c 5 1m i c r o c o n t r o l l e r t h er e a l - t i m ec o n t r o lo ft h ep a c k e r se x p e r i m e n tp r o c e s si sc a r r i e do u tb ym c u w h i c ha l s os e n d se x p e r i m e n td a t at op c t h ee x a m i n a t i o no fp ca n dm c u s y s t e mh a sb e e nd o n ea n dt h es i m u l a t i v e c o m m u n i c a t i o nh a sb e e nd e b u g g e d ，a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t si sg i v e n k e yw o r d s ：p a c k e r ；t e s t i n g ；m i c r o c o n t r o l l e r ；s i m u l a t i v e w e l l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 题目的来源 第1 章绪论 在油田开发的实践过程中，由于我国大多数油田是多层油田，油层 非均质性比较严重，开发过程中各油层的产量、压力和吸水能力往往差 异很大，因而给油田的开采带来了很多困难。如何合理开发多层油田、 提高采收率，确保长期稳产高产是一个很重要的问题。 开采多油层油田最简单的办法是单井合采合注，这样做各层间会产 生干扰和串流；另一种方法是每层各打一套井网或在同一口井中自下而 上逐层开采，但这种方法要增加钻井费用和降低采油速度。 大庆油田为开发多油层非均质大油田，经过反复实践，创造出了以 单管分层注水、采油为中心的工艺技术，单管分采的井下设备以封隔器 为中心，主要由封隔器、配产器和用油管连接起来的管柱组成。 封隔器就是用来封隔油、套管的环形空间，将油、气、水层分隔成 互不干扰的独立体系，导引液( 气) 流按要求从封隔的环形空间内进出 或使其与外界隔绝，从而达到分层开采、配注、完井等作业的油田开发 所应用的井下装置。封隔器从应用方面分为可取式和永久式两类，从坐 封方式方面可分为加压坐封、上提坐封和旋转坐封等几类。封隔器井下 使用实例如图1 1 所示。 咯尔滨工程大学硕士学位论文 i i _ _ _ _ _ i 目i j ；j _ _ - _ _ _ _ _ ；# j ；0 = ；_ ；j | 图1 1 封隔器井下使用实例 随着油气田类型的增多和深部油藏的开发，封隔器已经成为必不 可少的井下设备，是石油工业压裂、酸化等井下增产作业中的关键工具， 利用它在压裂过程中在某一地层建立局部高压区，使工作介质按照人们 所选定的地层进行井下作业，达到石油增产的目的，尤其在低渗透油、 气井开采中使用效果十分显著。 封隔器还用于钻井采油工艺过程中的油井管柱的封堵作业，以便 对油并进行各种修理施工，如正向洗井、反向洗并等。以大庆油田为 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 代表的东部部分油田含水、含蜡或含沙比较严重，经常需要反向洗井， 简称反洗，就是从油、套管环形空间注入洗井液，在液压作用下，封 隔器反洗通道被打开，液体沿此通道，经底部的筛管和底球从油管中 返出，清除油管内对生产不利的污垢、积蜡和积砂等。封隔器的反向 压差参数对洗井至关重要。正向洗井目前不频繁采用。封隔器的正向 压差、反向压差和坐封压力等参数的准确测量能够正确反映其性能优 劣。 在深层致密储层试油试采过程中，常因封隔器的工作状态不佳而导 致封堵不严密、无法继续开采、作业效率低下等问题，经济损失巨大。 井下封隔器安装不可能进行实际观测，只能在井上根据各种数据进行判 断。封堵如果出现问题，维修会异常困难，甚至造成废井。使用合适的 封隔器并提前加以验证，从而指导施工作业将会产生臣大的经济效益。 验证封隔器的使用性能对其研发也会起到指导作用。 为了保证封隔器的使用性能满足预期质量要求，研制封隔器的工作 状态测试系统，通过模拟井的运行模拟封隔器在井下的工作状态，运行 相应的测试程序，准确测量封隔器的各参数是非常必要的。为操作者提 供必要的准确的实验数据，以便对其使用性能做出评价。为正确地使用 封隔器、保证油田的合理开发提供重要的依据，同时为封隔器的制造和 检验提供必要的参考。 封隔器的工作状态测试系统与常规的人工作业相比，由于采用自动 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i j i i 审i 罩i 声i i i 置胃# 目i i i 暑i 墨葛皇_ i 昌宣暑置薯鼍目目葺置置葺宣宣葛昔宣i i 宣；i i i 控制系统实现测试，将会降低工人的劳动强度，提高工作效率，尤其是 会提高测试的准确性和精度，提高系统的可靠性和人机安全性。 1 2 国内外发展现状 资料显示，欧美等发达国家在油田开发中采用封隔器已有近百年的 历史，较早的油田封隔器是包裹在油管外面，试图将不同的液相进行隔 离。油f 日开发初期自喷井较多，封隔器应用相对较少。类似目前所采用 的封闭油管与套管间环形空间的封隔器是从2 0 世纪初开始开发使用的。 有许多的专业制造公司对封隔器的研发测试都非常重视，如美国的贝克 油e l ； 工具公司( b a c k e ro i lt o o l s ) ，在1 9 4 0 年开始介入油嗣井下工具 研究，最早开发出了可回收式封隔器，不论从制造精度上还是实用性方 面都有较高水平，在世界上处于领先地位。 在国际上有很多专门从事油f ；j 工具测试的公司，如岩峰油田测试中 心( r o c k ym o u n t a i no i l f i e l dt e s t i n gc e n t e r ) 就是一个专门进行油 田井下工具、仪表测试的机构，在1 9 9 9 年1 0 月他们应美国政府某机构 的要求，为测试一种新型的尚未投放市场的液压封隔器的工艺性能，利 用口深度达1 7 2 0 m 的油井进行了实际测试。事前制定预案设计了“u ” 形压差测试机构。向油井套管内下入待测试封隔器的管柱和测试仪器t 封隔器实际投入测试深度1 6 0 3 m 。在遇到泥浆阻碍管柱下行时便反复进 行正向洗井，正向洗井又简称芷洗井，即打开油管阀门，从油管注入洗 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 井液，实现清除油、套管环形空间不利杂物的过程。该测试参数是在清 水介质下获得的，在井下对封隔器的坐封、解封、承受压差等进行了成 功的实测。得出如下结论：实测行动经验证可行：通过管道传输声波信 号测时方法可行：所编制软件合理并找到了较为合理的实测方法：通 过压差判断坐封的效果是科学的；测试极大地提高了系统的可靠性；费 用昂贵。尽管事前和过程中考虑得非常细致，但仍然遇到了很多麻烦。 耗费巨大，成功率很难保障，在1 9 9 8 年他们进行的同类测试时就因为 淤泥的影响使测试封隔器无法下到指定位置而失败了。由岩峰公司的举 动可知封隔器测试对油田开采的重要程度。 美国的t a m 公司于2 0 0 0 年在一次深海宽带地震测试时，在井下探 测开始之前对封隔器进行了反复测试。测试方法是用一根内径比封隔器 被压缩部分外径稍大的钢管作为外壳，使封隔器坐封后以其在井下将受 到的相同压力进行检测，查验其泄漏情况。在可能发生泄漏的一端装有 照明和摄像系统，与外界相连，可以进行实时监测。每次试验时问达到 2 4 小时，用以检查封隔器在恒压下的耐久情况。试验取得了满意的效果， 保证了任务的顺利完成。 我国的封隔器研究也在不断地发展，大庆采油工艺研究所的科研历 程比较具有代表性。1 9 6 2 年4 月为确保独立开发大庆油田，为油用的发 展提供有效工艺技术手段，研制了4 7 5 8 型水力压差封隔器和6 6 5 型偏 心配水器，逐步形成了“六分四清”新工艺，并在油田大面积推广应用， 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对认识非均质多油层砂岩油田注水开发特点，充分发挥主力油层作用， 为保证油田持续生产提供了有效的技术手段。从1 9 7 6 年到1 9 8 5 年，油 田开采方式逐步由自喷转为机械采油，封隔器的研制基本适应了以限流 法压裂完井技术为代表的机采条件下的分层压裂、分层堵水、分层测试 等作业要求。从1 9 8 6 年到1 9 9 5 年，机采井数占油井总数的9 9 3 ，针 对地表油层和油田外围储量差、油层薄的油田的增效开采和油井的大 修，根据“稳油控水”目标的需要，先后为注水、产液、储采作业研制了 配套的封隔器。近年来封隔器的用量越来越大，作用更加明显，同时 对封隔器的性能要求更加严格，但封隔器的性能参数测试准确性不够， 需亟待解决。 我国不断地吸取和引进国外的封隔器研发技术，现已初步形成了一 定规模的封隔器研发队伍，并开发出了很多适合我国油田现状的新型封 隔器。先后研制和使用了从机械式到水力式，从噩差式到自封式的各种 类型的封隔器及相应的配套工具。 封隔器的密封材料的使用也不再仅限于橡胶，相继出现了金属封 隔、尼龙封隔，或它们三者之间的组合，密封和耐温性能都取得了很大 的提高。封隔器胶筒是密封的关键，密封件仍以胶筒为主。胶简在液压 推力作用下，通过轴向压缩作用在封隔器套管壁上，起到密封封隔作用。 在中、深油井的分层开采、堵水、压裂、注水等作业中发挥了不可替代 的作用。近年来，油井已进入高含水阶段，加上新的热力采油方法的需 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 要，井况同趋恶化，对胶筒的侵蚀更加严重对耐温的要求相应提高， 我国原有的封隔器胶筒耐温只有1 2 0 。c ，已不能满足油田钻采的需要。 铁岭橡胶工业研究院就选用氢化丁腈胶为主体材料、开发出了耐温达 1 5 0 、型号为y s l l3 1 5 2 0 的压缩式封隔器胶简。2 0 0 3 年底，新胶筒 在o 社柴油、1 5 0 、2 0 m p a 、9 6 小时实验条件下检验证明各项参数满足 工作要求。 尽管我国在6 0 年代初对封隔器开始进行研究，而在实际应用中仍 然采用手工检测的方法，往往结果不够准确，也不能在事前对封隔器的 性能做出准确的评价。而封隔器的使用效果检验周期又很长，有时还会 因为销钉脱断失效使管柱在下井中途便启动了坐封机构，造成了很大的 麻烦。井下的封隔器封隔不严密，使得采油效率低下，甚至无法进行正 常作业。对封隔器的工作状态也只能靠观察油液面是否下降或是否出现 了采油效率显著变低来判断，如果对封隔器的测试不够准确，系统的可 靠性将很难保障。油田开发过程中经常因此而导致一些油层无法正常开 采或开采代价过高，更有甚者因难以解封而造成废井，损失巨大。在互 联网上一家名为e w s ( e a s yw e l ls o l u t i o n ) 的封隔器开发公司就在和 各界联系“能否进行封隔器测试”，由此可知进行封隔器的测试研究是 非常必要的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 主要研究内容 本课题研究的主要内容是设计并研制出一套封隔器工作状态测试 系统，它大致包括以下几个方面 1 机械部分 主要包括模拟井的设计、管路的设计和传感器的安装等。 2 硬件部分 主要包括单片机控制系统硬件电路设计、单片机与p c 机通信接口 设计和压力变送器、流量传感器的检测电路设计。 3 软件部分 主要包括单片机系统软件的设计和p c 机软件的设计。 8 一一 哈尔滨_ l 程大学硕士学位论文 第2 章 封隔器测试系统结构设计 本章详细地介绍了封隔器类型、结构及工作原理，对模拟井的重要 部件迸行了设计及强度核算。 2 1 封隔器的类型、结构和工作原理 在进行单管分层注水或分层采油时，需要把在自下而上分布的各个 油( 水) 层，在井筒内分隔开来。只有在井下油( 水) 层分隔开的基础 上，才能对各层的液流分别进行控制。这种起封隔各层作用的井下工具 就是封隔器。 封隔器是分层开采工作中的一种极为重要的工具，是应用其它并下 工具的先决条件。封隔器和其它井下工具配套使用，封隔器如果损坏 就起不到分层作用，既使其它工具再好，也达不到分层开采的目的。由 于封隔器在井下深处使用，和油管连接在一起下入井内，当封隔器下井 后，张开或收缩动作只能在地面间接控制，因此封隔器在结构上应具有 能间接控制、张开方便、收缩容易、动作准确可靠的特点。封隔器在井 下使用时，还会受到高温、高压的作用以及油、气、水的侵蚀，因此要 求它具有密封可靠、耐高温、耐高压、不怕油、气、水侵蚀的特点。又 由于油、套管的环形空闻很小，而封隔器的中心和上下油管连通，内径 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 与油管内径差不多，因此封隔器还要求具有体积小、结构简单的特点。 因而在设计、制造和测试时对封隔器的要求都十分严格，其设计与制造 成了一项十分困难的工作，开发适合我国油阳情况的封隔器，发展我圈 分层开采技术仍是不可忽视的问题。 目前我国各油田使用的封隔器种类很多，用途也很广泛。它们在结 构上可分成四个部分。 第一部分是连接部分，由上、下两个接头组成，起着把封隔器和上、 下油管连接起来的作用，连接方法一般采用丝扣连接的形式。 第二部分是密封部分，由橡胶和其它材料制成。封隔器坐封后靠这 一部分封闭油、套管的环形空间，使上下油层互不串通。 第三部分是张开机构，起启动封隔器的作用。在封隔器下井后，在 地面通过油管的机械动作，或者通过向井内泵入高压液体使坐封机构动 作，打开密封部分分隔油层。在封隔油层后，张开机构要保证封隔器不 收缩回来，不受油、水井生产过程中的其它井内操作影响，使密封部分 直处于工作状态。 第四部分是收缩机构，当需要从井内起出封隔器时，要把处于工作 状态的封隔器收缩回去，才能把封隔器从井内起出来。收缩机构起到把 封隔器收缩回去的作用。操作时，同样通过油管的机械动作或向井内泵 入高压液体，迫使收缩机构动作，把处于工作状态的封隔嚣收缩回来。 封隔器种类很多，下面介绍三种常用封隔器的结构和工作原理。 1 n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 水力压差式封隔器 水力压差式封隔器用于分层注水和分层压裂等，是以油管内高压的 液体动力来张开和收缩的，结构如图2 1 所示。使用时靠上下接头连接 在油管上，下入井内指定深度后，由地面向油管内泵入高压液体，液体 一方面经过封隔器下接头的旁路通道进入中心管和胶皮筒之间，一方面 经过封隔器下部配水器喷嘴，压缩配水器的定压弹簧，喷出管外造成压 力损失。定压弹簧和喷嘴保证了这个压力损失能达到o 5 m p a 以上，同 时管内由于胶筒内外液体压力不平衡，在内外压差的作用下，胶筒就扩 张开来封隔油套管的环形空间。如果油管内液体的压力消失，管内外的 压差也就同时消失，胶筒就会收缩回来。 图2 1 水力压差式封隔器示意图 卜套管2 一油管3 一滑键4 一密封件5 一卡瓦6 一尾管 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这种封隔器常和配水器配套在注水井中使用，当水井往油层中注水 时，高压水由油管内经过配水器注入地层，封隔器便在高压水的作用下 顺利张开。当水井停注时，封隔器便收缩回来。这种封隔器使用方便， 结构简单，密封可靠。 2 ) 支撑式封隔器 支撑式封隔器的结构由上、下接头，中心管，滑动筒和胶筒等组成， 结构如图2 2 所示。其下部尾管支撑于井底，下入井内预定位景后，上 图2 2 支撑式封隔器工作原理示意图 卜套管2 一油管3 一滑键4 一密封件5 一卡瓦6 一尾管 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 都油管依靠自身的重量给封隔器一定的压力，所以中心管就沿滑键在筒 内移动，这时中心管外的胶筒便受到压缩，胶筒被压扁变形外凸便把油 套管的环形空间封死，分隔成互不连通的两部分。当上部油管提升，中 心管便随着上行，这时加在胶简上的压力就会消失，胶筒恢复原状，整 个封隔器就可起出。 3 ) 水力机械式封隔器 水力机械式封隔器在油井中经常使用，其结构可分为固定部分和套筒 传动机构、限位部分，结构如图2 3 所示。固定部分由胶筒和中心管等 组成。在胶简下面中心管外，有外套筒传动机构。在外套筒下部有释放 销钉和解封环( 销钉) 及卡簧等组成限位部分。在封隔器坐封时，由地 面向油管内泵入高压液体，液体经过中心管的导压孔进入活塞腔，当压 力升到4 8 m p a 时，释放环( 销钉) 便会剪断，外套简在液体压力的作 用下，上行压迫胶筒，使胶筒变形外凸密封住油、套管环形空间。当外 套筒上行到一定位鹭时限位机构就将其固定住，使其不再继续上行，防 止损坏胶筒或本身下滑，达到长期密封的目的。当需要把封隔器起出时， 从地面加入高压，使液体压力达到1 5 一1 6 m p a ，限位机构上的解封环( 销 钉) 便被剪断，液体又推动活塞下行，胶筒回复，便可顺利地起出封隔 器。 在生产中，分层注水、分层压裂和分层酸化多采用水力压差式封隔 器，分层采油则多采用水力机械式封隔器和水力压缩式封隔器，而支撑 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式封隔器在分层注水、分层采油井的中部经常采用。 图2 3 水力机械式封隔器工作原理示意图 1 内缸套2 销钉3 破裂盘4 坐封机构5 锁环6 导压孔7 滑键 8 释放环9 泄压孔 1 0 外缸套l l 密封圈 1 2 解封套环 2 2 验证所用封隔器 需要验证的封隔器的种类很多，要求封隔器工作状态测试系统对封 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 隔器外径及压力适用范围越大越好。目前在大庆油罔比较常用的封隔 器是y 4 4 1 e 型液压封隔器，这种封隔器广泛地用于气举完井、一次完 井负压射孔与不压井起下管柱作业、机械卡堵水( 气) 作业，因而本 系统选用的y 4 4 l e 型液压封隔器会更具有代表意义。其结构、工作原 理及主要技术参数介绍如下。 1 结构 y 4 4 1 e 型液压封隔器主要由液压平衡、密封、坐封、解封、锁紧 和锚定等部分组成，其结构如图2 4 所示。 ， hr _ 。 引 。 ，一：。 。豫尊+ 一 图2 4y 4 4 1 e 型封隔器结构示意图 “ t 。： l n +f 。c n_一“n h “ c“。一*一h。 黧渗漆滁黼燃螨雌摧 一一一j，一一=：， 一 j ，? 一 哈尔溟工程大学硕士学位论文 暑号暑i i i i 写墨_ 叠胃置冒- 皇i 岛省畜叠i i i 芷 蛊；l i i i ；墨爿昔； 1 、上接头2 键套3 剪钉4 内中心管 5 平衡缸套6 平衡活塞 7 档环8 胶筒9 隔环1 0 ，上部外中心管 1 1 上活塞1 2 连接件 1 3 。上缸套 1 4 下部外中心管1 5 。接箍1 6 小活塞1 7 中心锁块 1 8 活塞锁块 1 9 下缸套2 0 下活塞2 1 锁环2 2 锁环套 2 3 上锥体 2 4 卡瓦套2 5 卡瓦 2 6 片弹簧2 7 下锥体 2 8 解封锁环2 9 解封键套3 0 锁块环3 1 解封锁块3 2 下接头 液压平衡部分主要由平衡活塞和平衡缸套等组成。密封部分主要由 胶筒和密封胶圈组成。坐封部分采用了双活塞缸联动坐封机构，有效作 用面积较大。 2 工作原理 ( 1 ) 坐封高压液流传入液压缸，当内外压差达到启动压差5 6 m p a 时，小活塞剪断剪钉上行，活塞锁块被释放，液压力推动下活塞、 上锥体下行，将卡瓦撑开锚定在套管上；同时，小活塞和上活塞产生的 压力同时作用于胶筒，压缩胶筒密封油、套管环形空间；坐封过程的同 时，锁紧机构步进锁紧，防止胶筒及卡瓦回弹。 ( 2 ) 解封上提管柱，卡瓦锚定机构等不动，上接头及中心管剪断 剪钉上行，上行距离达到解封距离3 0 m m 时，释放解封锁块，下锥体失 去支撑，在尾管悬重的作用下下行解卡。同时，内中心管、平衡活塞、 外中心管等一起上行，上拔上锥体，卡瓦失去上下锥体的作用，在片弹 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 簧作用下脱离套管，封隔器解封。解封后，封隔器上部和下部自行泄压， 实现油管内、外压力平衡。 3 主要技术参数 启动压力5 6 m p a ( 可以调节) ； 坐封压力8 1 4 m p a ； 上、下承压2 0 3 0 m p a ： 解封力1 0 k n ( 可以调节) ； 工作温度1 2 0 、1 5 0 ； 最小内通径4 8 m m ，适用套管内径1 2 1 1 2 7 m m 。 2 3 模拟井的设计 为了能模拟井下的作业情况，根据封隔器的各种规格和使用的坐封 压力情况，特设计一个模拟井。满足能够测试多种封隔器的需要，并且 为将来进一步验证井下油管与套管夹层内介质对封隔器的影响做出必 要的考虑。 模拟井按照国家标准6 8 1 5 0 一1 9 9 8 钢制压力容器和国家质量监督 检验检疫总局压力容器安全技术监察规程的要求，属于压力容器的 范畴，它是密闭的，承受压力不大于3 0 m p a ，按国家质量监督检验检疫 总局关于压力容器的划分则属于高压容器。操作温度属于常温。今后如 果模拟井下封隔器的使用条件，检验介质对封隔器的影响时可以把水换 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 成所需介质。设计压力按不高于3 2 m p a 考虑。由于模拟井直径较小，另 外受加工制造能力及成本的限制，不宜采用常规锻件加工或钢厂特供的 办法。为此特选用1 6 m n 厚壁钢管作为模拟井的简体，法兰、法兰盖和 平盖封头采用1 6 m n 锻件。 所选验证封隔器适用套管内径为1 2 l 一1 2 7 m m ，且承受上下压差较 大，为3 0 m p a ，为满足内径和上下压差较大的要求钢管选用中国石化总公 司标准s h 3 4 0 5 9 6 石油化工企业钢管尺寸系列中的d n l 5 0x x s 钢管， 即规格为中1 6 8 x 2 2 ，其内径为1 2 4 m m 。材质选用1 6 m n ，s 0 0 3 5 p 0 0 3 5 ；管子理论壁厚2 2 m m ，常温下许用应力b 】。= 1 6 3 m p a 。壁厚、强度 和直径满足g b l 5 0 9 8 钢制压力容器中s 。 d 。6 及p o 4 0 b 】的条 件，故按受内压筒体采用第三强度理论建立起来的强度条件确定管子核 算所选钢管是否满足模拟井筒体壁厚的要求。 s = s 。+ c 2 乏而p d o + c ( 2 - - 1 ) 式中s o 一一筒体理论厚度，m m ； s 一一简体设计厚度，即计算厚度与厚度附加量之和，m m c 一一厚度附加量；取c = o 2 5 m m ； d o 一一管子外径，m m ；取d o = 1 6 8 m m ； p 一一设计压力，m p a ；取p 。3 2 m p a ； b 卜一一设计温度下管子许用应力，m p a ：取p 】= 1 6 3 m p a ； i g 哈尔滨工程大学硕士学位论文 庐一焊缝系数，对无缝钢管，西= 1 ： 将各值代入式2 1 得：s = 1 8 。5 4 m m ，而管子的理论厚度s 。为2 2 m m 所以壁厚满足实际需要。 在常温下简体的计算应力o1 按式2 2 计算，o 应小于或等于 b 】妒。 o - t ：里尘! 型 2 瓯 式中d ，筒体的内直径，为1 2 4 m m ； 瓯一筒体有效厚度，为2 0 7 5 m m p 一设计压力，m p a 。 ( 2 2 ) 将各值代入式3 2 得：o1 = 1 1 i 6 m p a ，小于b 】t = 1 6 3 m p a ；故安 全系数n = b 】o 。= 1 4 6 ，完全满足使用要求。 在封隔器胶筒或卡瓦作用的管段，压力超过3 2 m p a ，必须进行整体 补强。补强板采用s h 3 4 0 5 9 6 石油化工企业钢管尺寸系列) ) d n 2 0 0 s c h l 6 0 钢管，进行制作补强。位置选在胶筒或卡瓦作用段。 简体上端采用法兰连接，选用s h 3 4 0 6 9 6 石油化工钢制管法兰 中法兰p n 4 2 0d n l 5 0w n r j x x s 一1 6 m n 锻。采油厂根据与封隔器配合的 管线改装与油管配套的法兰盖。 下端为了支撑的方便采用圆形平盖封头，材质选用1 6 m n 锻，平盖 封头底部的具体厚度计算按式2 3 ，该式适用于受内压和外压的情况。 1 9 哈尔滨工程火学硕士学位论文 计算如下： 6 p 2 = d o 式中p 。一一简体的设计压力，b l p a ；取3 2 m p a d 。一一圆形平盖封头的计算直径，m m ；取1 1 2 m m ( 2 3 ) 巾一一圆形平盖封头的焊缝系数：1 0 0 射线探伤，i 级，取 中= 1 0 ： k 一一圆形平盖封头形状系数；k = 0 2 7 6 。一一平盖封头的计算壁厚，m m o 1 一一设计温度下材料的许用应力，m p a ：取 o = 1 5 0 m p a 。 各项代八式2 3 后得6 。= 2 6 8 8 m m ，设计圆整至3 0 m m 。模拟井详图如图 2 5 所示。 图2 5 模拟井详图 匿和厂lh 。一 。一 。 。 ； 一一一 。一 ，一 瞪_， j|_|_! 蛩，j。引ii。，。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 一法兰盖2 一法兰3 一简体4 一管嘴( 3 个)5 一平盖封头管口 a 接鹾力传感器1 所在管线，管口b 接安全阀，管口c 接压力传感器 2 所在管线，管口d 接压力传感器2 所在管线。 为了保证装置的安全，防止管路或设备内介质压力超过设计规定数 值，需要设置一个安全阀，安全阀校验压力为3 2 m p a 。 工艺管线采用s h 3 4 0 5 9 6 标准d n 6 5x x s 规格，材质2 0 ，d 口管线 低处接一排水导淋。 2 4 本章小结 本章详细地介绍了封隔器类型、结构及工作原理，选择了具有代表 性的封隔器，对模拟井的主要受压元件进行了设计及强度核算。 2 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章控制系统硬件电路设计 本章对封隔器工作状态测试系统的总体方案进行了设计，介绍了系 统的工作原理及实现的功能。据此要求设计了控制系统的硬件电路，包 括传感器的调理电路、a i d 转换电路、伺服阀驱动电路、上下位机之间 的通信电路等。 3 1 系统总体方案 封隔器工作状态测试系统能实现对封隔器坐封压力、反洗井的压 力、压差、流量及封隔器正向压差、反向压差进行精确测量及显示，提 供提示操作者按规程操作的人机界面，同时还具有打印、存储等功能。 控制系统具有携带及使用方便、速度快、存储容量大、功能齐全、性能 价格比高等优点。 根据封隔器工作状态模拟装置的作业过程，控制系统的总体方案为 两级计算机控制系统，上位机采用p c 机，下位机采用8 9 c 5 1 单片机。 上下位机通过串口进行通讯，形成整个两级计算机控制系统，控制系统 各个部件的具体功能如下： ( 1 ) 下位机 控制系统的下位机采用8 9 c 5 1 单片机，下位机系统的硬件电路包括 哈尔滨工程大学硕士学位论文 压力、流量传感器的检测电路、键盘显示接口电路、a d 转换接口电路、 电动阀门控制接口电路、r s 2 3 2 通讯接口电路等。由它实现对封隔器测 试过程的实时控制，以及向上位机发送测试数据。下位机( 8 9 c 5 1 单片 机) 是直接控制计算机，直接参与对执行部件的控制。 ( 2 ) 上位机 上位机是一台5 8 6 计算机，软件是在w i n d o w s9 8 平台上，采用v i s u a l b a s i c6 0 编程语言实现的。软件实现了数据的接收、统计、查询和存储， 并能够形成报表打印功能。 ( 3 ) 通信接口 通信接口是实现两级计算机之间信息传递的重要部件，通过此口， 下位机能够把被控对象的实时状态反馈给上位机。在本控制系统中，考 虑到实际情况，上下位机之间采用r s 一2 3 2 串行通信接口。 3 1 1 工作原理 封隔器工作状态测试系统的构成如图3 1 所示。测试系统中，油井 使用的是人工模拟井，采用加厚套管通过法兰连接密封，模拟井上下端 口分别安装液压管线。与内管连接的管线上安装压力传感器l ；油、套 管环形空间所连的两条管线，处于封隔器封隔段上面的安装压力传感器 2 ，处于封隔器封隔段下面的安装压力传感器3 ：反向洗井流量传感器安 装在回水管线上。在不工作时阀门处于常闭状态。压力和流量作用在传 2 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 感器上，产生压力及流量信号，这些信号经过压力变送器、流量变送器 调理、放大后转换成标准信号，送入给f 位机，下位机控制相应的电动 阀门的开关顺序，实现加压坐封、反向洗井、压差测量等控制状态。采 集到的数据由下位机发送给上位机，进行数据的统计、打印和存储。 图3 1封隔器工作状态测试系统原理 3 1 2 下位机的控制结构 控制系统的下位机采用5 1 系列单片机8 9 c 5 1 ，由它实现对封隔器实 验过程的实时控制，以及向上位机发送实验数据。上位机是一台5 8 6 计 算机，软件是在w i n d o w s9 8 平台上，采用v i s u a lb a s i c6 o 编程语言 进行编制。软件实现了数据接收、统计、查询和存储并形成报表打印等 功能。图3 2 为控制系统的结构简图。 2 4 哈尔滨j 二程大学硕士学位论文 5 8 6 计算机 介 传感器 j r s 2 3 2 土 0 a d 接口 8 9 c 51 主板 卅 0 、 r 卜 n hu ： y r i o 板显示板稳压电源 上下上上 f 继电接按钮及 数码状态 1 触控制 开关显示指示 土 控制面板 f 阀r i l l 图3 2 控制系统结构简图 1 单片机主板 5 1 单片机主板原理图如图2 3 所示。包括数据存储器、地址译码和 总线驱动等。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 8 9 c 5 l 图3 38 9 c 5 i 单片机主板原理图 2 模拟量输入板 模拟量输入板原理图，如图3 4 所示。包括模拟开关和a d 转换器 把压力、流量信号转换为数字量送入单片机。 多 路 开 关 压力变送器l 压力变送器2 噩力变送器3 流量变送器 图3 4 模拟量输入板原理图 3 控制i o 板 控制i o 板如图3 5 所示，为输入和输出之间的接口板。输入指令 经过输入缓冲、光电隔离、i o ，和总线连在一起。从总线来的输出命令 经过i 0 、i o ：、光电隔离、驱动放大去控制阀门的开闭。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 5 控制i o 板 o 阀1 开 c 阀1 关 o ：阀2 开 c z 阀2 关 o ，阀3 开 c 。峨i3 黄 o ，阀4 开 c 。阀4 关 4 显示控制i o 板 显示控制i o 板如图2 5 所示。它主要完成数码管显示和指示灯显 示的功能，同时单片机的串口经r s 2 3 2 接口与上位机实现数据通讯。 3 2 下位机硬件电路 下位机选用8 9 c 5 1 单片机。下位机主要实现对执行部件的控制及数 据的采集。其主要电路包括流量传感器和压力传感器的信号调理电路、 阀门的控制电路，还有复位电路、地址扩展译码电路等单片机外围的一 些电路。单片机主板与其它电路采用s t d 总线相连。 s t d 总线是国际上流行的一种用于工业控制的标准微机总线，于 封井差差洗压压坐反正反 s s s s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 6 显示控制i 0 板 1 9 8 7 年被批准为i e e e 一9 6 1 标准。s t d 总线共有5 6 根信号线按其功能 可分为4 类：电源线( 引脚1 6 ，5 3 3 6 ) ，数据总线( 引脚7 1 4 ) 地址总线( 引脚1 5 3 0 ) 和控制总线( 引脚3 1 5 2 ) 。数据总线为8 位， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 双向，三态，其数据传输方向由当前主控决定。它也可以用来扩展地址 线，这里是数据和地址分时复用。 3 2 1 单片机主板 单片机主板主要包括数据存储器电路、地址译码电路、复位电路等。 电路图如图3 7 所示，电路中数据存储器选用6 2 2 5 6 ，地址译码器选用 图3 7 单片机外围电路图 3 2 2 模拟信号输入电路 本系统中所需要采集的模拟信号包括：流量和压力信号。流量传感 哈尔滨工程大学硕士学位论文 器和压力传感器的输出信号均为o 5 v 电压信号。传感器的输出信号经 过信号调理电路后送入a d 转换器。 1 信号调理电路 调理电路的功能是滤波和阻抗匹配，调理电路如图3 8 所示。图中 r c 回路起到滤波的作用，r 1 = r 2 。其中o p 0 7 构成电压跟随器在此电 路中起降低噪声及缓冲的作用。所以压力传感器输出的信号经过此电路 使得输出的信号等比例的平稳的进入a d 转换器。 2 a 0 转换电路 图3 8 信号调理电路 压力传感器和流量传感器输出的信号经过模拟信号调理电路后，需 要经过a d 转换电路，将其模拟信号转换成数字信号送入单片机。根据 系统的精度要求，a d 转换器采用a d l 6 7 4 ，由于a d l 6 7 4 没有多路开关， 因此还需要一片多路开关，这里选用4 0 5 1 。电路图如图3 9 所示。 图3 9 a d 转换电路图 a d l 6 7 4 是具有三态输出锁存器的a d 转换器，它可以做1 2 位转换 也可以做8 位转换。转换速度比较快，为2 5 as 内部含有与微型计算机 连接的逻辑控制电路。 a d l 6 7 4 是单通道模拟量输入，有两个输入引脚，可以是单极性输入 o + 1 0 v 或0 + 2 0 v ，也可以双极性输入一5 + 5 v 或一l o + l o v 。 a d l 6 7 4 的数字量输出有两种隋况，其转换的数据可以一次并行输出 1 2 位，也可以分两次输出。引脚1 2 8 用来做输出数据位数的控制，1 2 8 = 1 ，一次输出1 2 位数据；1 2 8 = 0 ，一次输出8 位数据，即1 2 位数据 分两次输出。若采用“左对齐”的数据格式存放到内存，则先读低4 位 ( 末尾4 位自动补o ) ，后读高8 位。如图中所示，1 2 8 = 0 ，该电路选 择的是一次输出8 位数据的方式。a d l 6 7 4 的d b l l t 0 与数据总线相连。 c e ：片允许信号，低电平允许工作，电路中直接接地。 3 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c s ：片选引脚，低电平有效，当该管脚为低电平时，a d l 6 7 4 被选 中。电路中，c s 与译码器相连。 月c ：双功能引脚，作为读数据或启动转换的控制信号。r 石= 1 ， 用于读数据；r c = 0 ，用于启动转换。如电路图所示，面( 读信号) 经过一个与非门连到了r c 引脚，读信号是低电平有效，当读信号为低 电平时，经过与非门输出高电平给a d l 6 7 4 ，进行读数据操作；当读信 号为高电平时，经过与非门输出低电平给a d l 6 7 4 ，启动模数转换。 a 0 s c ：双功能引脚，用于字节选择。在读数据时，若a 0 s c = 0 ， 则读高字节：若a 0 s c = 1 ，则读低字节。a 0 s c 与总线的a 0 相连。 s t a t u s ：状态线，输出转换器状态，在转换期问s t a t u s 为高； 当转换结束，s t a t u s 为低。可利用它的负跳变申请中断。 4 0 5 1 为多路模拟开关，控制着当前是对哪一路模拟量进行模数转 换。4 0 5 l 的控制是通过a ，b ，c 三个管脚实现的，如电路图所示，a ，b ， c 三个管脚分别与单片机的p l 口的三个管脚相连。这样就可以通过单片 机编程实现对4 0 5 1 的控制，也就是控制对哪一路模拟量进行模数转换。 3 2 3 单片机与电动阀门的接口电路 制系统硬件中的电动阀门接口电路是一个很重要的控制部分，电动 阀门由a c 3 8 0 v 三相电机通过减速机实现开关控制，当电机正转时阀门 打开，电机反转时阀门关闭。接口电路原理如图3 1 0 所示。 5 v i n l 图3 1 0 单片机与电动阀门的接口电路 图中的m o c 3 0 6 1 为带过零检测的双向晶闸管输出型的光电耦合 器，当输入i n l 为低电平时，m o c 3 0 6 1 的输入端有约1 6 m