（机械制造及其自动化专业论文）井下工具气浸试验检测系统研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声日月 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文井下工具气浸试验检测系统研究是本 人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包古任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己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。 作者签名：童置竖塑2 生垡目塑目 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留井向国家有关部i 或机构送交学位论文的复印件和电 子版允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名：塑甾血! 目塑目 指导导师签色奠菇笾2 业生三_ 且! z 且 摘要 为了能在实验室条件下模拟实际采油工艺工程中井下的高温高压环境，对井下工 具整体及其密封件( 封隔器、盘根、聚四氟乙烯等) 进行高温耐压试验，检验井下工具 能否合格，并对质量进行分析评估，本论文设计了井下工具气浸试验检测系统，该系 统为国内外油田新产品的研发提供了有力的检验手段。 本论文基于模块化设计理念设计了井下工具气浸试验检测系统，整套系统分为温 度控制系统和压力控制系统，分别包括实验台部分和监控系统部分。在对系统的工作 原理进行分析的基础上进行了主要部件的选型研究，并进行了装置的结构设计。监控 系统采用p l c 和工控机两级控制系统，应用了p i d 控制算法对温度和压力进行控制， 控制原理先进：应用l a b v i e w 作为测试软件，通过l a b v i e w 建立起的监控系统画面能 够实时显示各试验井筒的试压曲线和温度曲线具有人机交互性好等特点。 对试验系统进行了调试，并通过常温高压和高温高压的试验测试，整个系统在长 时间的运行后温度稳定在正负0 5 ，压力控审精度小于0 5 f s ，精度满足试验的技 术参数要求，且响应的时间短。 关键词：井下工具气浸试验p l cl a b v i e w a b s t r a c t i no r d e rt os i m u l a t eh i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ee n v i r o n m e n to f a c t u a lo i lp r o d u c t i o n p r o c e s se n g i n e e r i n gu n d e rt h el a b o r a t o r yc o n d i t i o n s ，t oc a l f fo nh i g ht e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r et e s t i n go fd o w n h o l et o o l sa saw h o l eo ri t ss e a l sw h i c hi n c l u d ep a r k e r ，p a r k i n g ， t e f l o na n ds oo n ，m a dt oi n s p e c ta n de v a l u a t et h eq u a l i t yo f d o w n b o l et o o l s ，t h es y s t e mo f g a si m m e r s i o nt e s td e v i c eo f d o w n h o l et o o l si sd e s i g n e di nt h i sp a p e ri tp r o v i d e sp o w e r f u l s u p p o r tm e a n sf o rd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a io i lf i e l dd e v e l o p m e n to f n e wp r o d u c t s t h i sp a p e rd e s i g n e s t h es y s t e mo f g a s i m m e r s i o n t e s td e v i c eo fd o w n h o l e t o o l sb a s e d o nt h em o d u l a rd e s i g nc o n c e p t ，w h i c hi sd i v i d e di n t ot e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e ma n d p r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m ，a n di n c l u d et e s tb e n c hp a r ta n dm o n i t o r i n gs y s t e m sp a r t t h e s e l e c t i o ns t u d yo f t h em a i nc o m p o n e n t so f t h es y s t e mi sm a d eo nt h eb a s e do f a n a l y z i n gt h e w o r k i n gp r i n c i p l eo f t h es y s t e m t h es t r u c t u r eo f t h es y s t e mi sd e s i g n e dt h em o n i t o r i n g s y s t e ma d o p t st w o l e v e lc o n t r o lb a s e do np l ca n d p c ，a n da p p l yt h ep i dc o n t r o l a l g o r i t h mw h i c hi sa d v a n c e dt oc o n u o lt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e t h es y s t e ma p p l y l a b v i e wf o r t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，w h i c he s t a b l i s ht h ep i c t u r eo f m o n i t o r i n gs v se mf o r d i s p l a y i n gt h er e a l t i m et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ec 1 1 r v eo f t h et e s tw e l l h n r e t h ep i c t u r eo f m o n i t o r i n gs y s t e mh a v e8g o o dc h a r a c t e r i s t i co f m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v ea n ds oo n t h et e s ts y s t e mi sd e b u g g e d ，w h i c hm a d et w ok i n d so f t e s t n o r m a lt e m p e r a t u r ea n d h ig i lp r e s s u r et e s t i n g ，h i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r et e s t i n g t h et e m p e r a t u r eo f t h ew h o l e s y s t e mi s s t a b i l i z e da tp l u so rm i n u s0 5d e g r e ew h e nt h es y s t e mr u nal o n gt i m e t h e p r e c i s i o no fp r e s s u r ei sl e s st h a n0 5f sp e r c e n t t h ep r e c i s i o nm e e tt h er e q u i r e m e n to f t e c h n i c a lp a r a m e t e r st h es y s t e mr e s p o n s et i m ei ss h o r t k e yw o r d s ：d o w n h o l et o o l sg a si m m e r s i o nt e s tp l cl a b v i e w 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 目录 i i 研究h 的和研宄意义 1 2 国内外研究现状 1 3 论文主要工作 第二章温度和压力的计算、控制模型 2 1 井下温度和压力耦合计算模型 2 1 1 试验井筒的模型假设一 2 1 2 井下温度的计算模型一 2 1 3 井筒压力模型 2 1 4 物性参数计算 2 2 温度控制系统的模型一 23 压力控制系统的模型+ 2 4 本章小结 一 第三章系统的结构设计和零部件选型 3 1 系统的组成和控制原理 一 3 1 l 系统组成 3 1 2 系统的技术寥数 3 i3 系统工作原理 3 2 气压系统的组成， 3 2 1 气压柜 3 22 面板仪表及阀门说明 3 3 气浸系统关键部件的选型一 3 3 l 主要配置和气压柜的结构图一 3 32 泵阀系统的选型 3 3 3 数据采集处理系统的选型 34 本章小结 第四章电气控制系统的设计 4 i p l c 的特性分析与选型一 4 1 1p l c 的基本概念 4l2p l c 的特点 4 13p ic 的应用功能 4 i 4p l c 的选型 42 工控机的选择，一 4 2i 工控机的基本概念 4 2 2 工控机的选择 4 3p l c 与工拉机的通信连接 4 4 数据的采集与处理 4 4 1 模拟量的采集 4 4 2 模拟量的处理 joo。一i，o m n他他m他h埔坩坞毖幻孙嬲黔列龉拍舱盯胛盯盯嬲 4 5 控制流程图的设计 4 6 监控系统的原理 4 7 监控系统的建立 4 7 1l a b v i e w 的基本概念， 4 7 2l a b v i e w 的特点 47 3 监控莉面的设计 4 7 4l a b v i e w 的编程 48l a b v l e w 与p l c 的通信 4 8 1l a b v l e w 常用的串口通信函数 4 8 2l a b v l e w 与p l c 通信的作用 4 8 3l a b v l 哪与p l c 的通讯连接 49 本章小结 第五章系统的操作与数据分析。 5l 系统的操作过程 5i 1 准备工作 5 1 2 加热系统操作 5 1 3 试压操作 51 4 完成试验操作 52 实验数据的误差分析 5 2 1 误差的分类 5 2 2 误差的计算， 5 2 3 试验中温度和压力的影响分析 53 本章小结 第六章结论与展望s 2 6i 结论 5 2 62 展单， i 2 谢5 4 参考文献。s 5 勰札叭s踮t矗踮号 盯卵鹅拈“螨拈研 第一章绪论 1 1 研究目的和研究意义 在勘探石油过程中，注高温高压的氮气是继注蒸汽之后又一提高稠油采收率的重 要手段。根据油井下的高温、高压环境设计出的井下工具气浸试验检测系统可以实 时模拟井下工作实际的温度与压力条件；并且具有温度和压力控制和监视的智能化管 理a 该装置是以氮气为试压介质的试验室所用的试验装置，采用了高温恒温控制技术、 高压力气压控制技术、工控机对温度和气压控制技术等的综合，具有工作稳定、操作 简单、可靠性高，装置安全等特点。还具有自动检测和手动检测两种功能。设蔷具有 外形美观、性能可靠、操作方便、维修简单的特点。其中控制系统采用工控机作为上 位机，在进行气浸试验检测系统的实验过程中，工控机会对实验数据进行处理处理 成数据和曲线两种方式实现对历史数据的回放、实时数据采集及数据处理，便于及时、 有效的对试验检测过程中出现的异常数据进行分析。从而对试验与承检产品做出科学、 准确的判断；而且配置了电器控制柜和操作面板，具备故障报警及统计管理等功能 能够在屏幕上显示温度变化曲线、气压压力曲线，具有存储和打印等功能。井下工具 气浸试验检测系统可以对井下工具整体或其密封件( 盘根、腔筒、聚四氟乙烯等) 进 行高温耐压试验，是检验井下工具能否合格的重要试验装置，也是对封隔器质量评价 提供了最有效的检验手段。井下工具气浸试验榆测系统的研制可以为井下工具的检 测与研制提供依据也可以对初步研制的井下工具进行检验，验证井下工具的性能 因此研制具有一定智能化特性的井下工具气浸试验榆测系统是报有必要的。 1 2 国内外研究现状 注氮气开发油田是2 0 世纪7 0 年代发展起来的新的油田开采技术。在美国和加拿 大不仅开展了室内实验而且对不同的油减进行了注氨气开发，处于世界领先地位。 我国于9 0 年代初期，开始了注氮气开发油田的试验到9 0 年代中期，由于膜分离制 氮技术在中国的发展，为氮气在油田的开采上的应用提供了有利条件而在实验室条 件下通过模拟注氯气井的高温高压环境米检测井下工具的质量还处于研发的初始阶 段“。 井下工具气浸试验检测系统在国外相似的技术已经基本成熟而国内还处于研发 的初始阶段，装置的核心部分在自动化的智能控制。目前，在自动化控制中，p l c 控制 系统所占得份额越来越大。运渐取代了过去的继电器控制系统f 在国内目前p l c 的技 术还处于起步阶段要达到国外水平需要十年甚至是几十年在国际上目前p l c 犬型 的生产商家有三菱、欧姆龙，西门子、松下、k b b 等：据有关数据统计在2 0 0 5 到2 0 0 6 年问p l c 在国内的使用量大概4 0 万套左右，而其中百分之九十以上依靠进口并且p l c 平均每年的使用还在以百分之二十的速度在增长所以在国内急需要解决p l c 的自! l 三 研发问腰t 从而解决p l c 控制系统依靠国外情况的现状，使自动化控制技术赶超国际 水平州。 p l c 控制系统的技展顺应目前世界自动化控制水平的大体趋势与p c 机的结合、 网络通信、小型化等方向发展，使得自动化控制水平更加智能化，群体化。在p l c 与 p c 机结台的同时相关的控制软件迅速崛起，比如l a b v i e w ，组态王等控制软件它 们能够建立起一套监控系统。包括整套系统运行模拟、历史数据记录，实时数据记录、 数据的存储、以及出现故障时的报警提示等使得p l c 控制系统更加智能化、形象化、 人性化。 自动化控制系统中虚拟仪器的应用也越来越广，虚拟仪器的应用是软件、设蔷以 及计算机的相互结合，目前自动化控制系统中计算机与设备的结合包括两种形式：第 一种t 将计算机装入仪器设备中，由于计算机的越来越微型化应用越来越广泛只 箍要通过有关的程序就可以进行设备的运行与监控；第二种，将仪器植入计算机中， 目前最主要的是以虚拟仪器的形式存在于计算机内，该种仪器与实际的仪器不同不 是现实存在的仪器它是以一种虚拟的模式存在具有现实仪器的功能；可以利用 l a b v l e w 、组态王等软件对虚拟仪器进行连接，建立整套系统的监控系统，可以在实验 室对设备的运行、对生产进行监控”“。 当前全球的井下工具气浸试验检测系统的自动化水平比较高，在温度控制、压力 控制领域有了一定的成果，一般都会装有检测设备和微机控制系统而且有先进的控制 算法。微机控制系统一般都已经采用集散系统和分布式系统的形式。其中控制部分的 温度与压力控制大约经历了三个发展阶段： 1 仪表阶段。测量、记录、调节仪表组装在一个盒里。这种系统的结构相对简单。 只能对辅度低的单回路系统进行控制。 2 单元组合式仪表。随着汽车、飞机 系统向着综合自动化集中控制的方式发展 船等大型工业的发展，引领着温控与压控 它将仪表按功能划分成多个具有一定功能 的单元各单元之间通过设定的信号进行合作，这就提高了控制的精度。所谓单元组 合式仪表就是把各单元积像积木式装起米，构成多种不同复杂程度的控制系统。以上 温度与压力控制是用仪表对温度与压力进行检测、调节、控制。不容易对复杂的系统 进行高精度的控制。 3 p c 控制。由于汁算机的发展、微处理器和微型汁算机在工业控制领域中的应用， 温度与压力微机控制系统代替了其它的控制系统消除了精度低、不可靠性的缺点。 计算机有先进的处理器和大的硬盘存储空间再加上先进的控制算法的使用更提高了 控制精度计算机对系统的温度和压力的控制一般使用p i d 控制方法。其中控制有比 例，积分、微分三种控制方法。温度与压力控制系统把温度与压力传感器传来的温度 与压力信号与之前定的值对比将差值输入。控制器会通过计算给出适当的结粜。这 种方法狠简单但是这种方法有缺点数学模型难以建立，整定数值比较麻烦。模糊 控制根据人的平时工作中积累的经验，不需要建立模型通过对偏差及其变化率划分 为不同组的数值，形成公式。通过计算机处理，算出合适的数值输入到控制系统然后 击执行相应的操作。以上两种控制方法单独使用都其缺点有一定的局限性现可将 其结合起来就是一种新的控制方法。实现的结果就是在普通的p i d 温度与压力控制 系统中加一些模糊控制语言。根据实际工作条件的需求，可以通过微机监视，当超调 量大的时候自动调节其参数值，使其达到温度与压力系统快速响应稳定控制的目的。 1 3 论文主要工作 本文对井下工具气浸试验检测系统进行设计与分析。完成的主要工作如下： 1 对注氮气井下温度、压力的耦合计算模型的进行了建立，可以对在一定深度氮 气在不同相态的井下温度和压力值进行计算；并对井下气浸试验检测系统的温控和压 控系统的模型进行了设计。 2 研究设计了气浸系统的组成部分，对井下工具气浸试验检测装置的零部件进行 了选取与布置，并分析确定了系统的技术参数、试验井简的规格等等。 3 电控制系统设计，选取了西门子的s 7 2 0 0 系列的p l c 芯片对系统的温度和压力 进行控制，选取了台湾研华系列工控机作为上位机，并进行了p l c 与工控机、p l c 与 l a b v i e w 的通信连接，在此基础之上对整个控制系统的控制流程进行了设计。 4 利用l a b v i e w 进行了监控系统的建立，如画面的设计创建项目，主画面趋 势曲线画面数据表报警窗口参数控制画面等等通过此监控系统对井下工具试验 检测装置进行高温高压试验和常温高压试验，验证监控系统精度并对试验的误差进 行分析。 第二章温度和压力的计算、控制模型 石油开采过程中，注高温高压的氮气是提高稠油采收率的重要手段在注氮气的 井筒中，注入的氮气一般为液态，氮气会经历液态、气态、超临界状态的过程，氮气 处在不同相态时所计算井下温度和压力的值不同本论文在基于现有的文献的基础上， 利用了热传学、垂直管流理论以及p r e x p 状态方程建立了基于氮气在不同相态下温度 和压力的耦台计算模型“1 。 温控和压控系统是井下工具气漫试验检测系统的核心部分，基于现阶段的自动化 控制系统对温控和压控系统的控制模型进行了研究。 2 1 井下温度和压力耦合计算模型 2 11 试验井摘的模型假设 井下油筒的结构基本由油管、套管、水泥环以及外部地层组成，以井筒的中心为 坐标原点以井筒的深度为纵轴，竖直向f 为正方向，并取垂直于井筒的方向为横轴 建立坐标系，如图2 1 所示。在对注氮气井的温度压力场耦合计算模型建立之前进行 如下假设“1 ： 1 同一横截面上温度和压力相等并且氮气在整个井简内的流动状态为一维稳态； 2 热传递方式为在水泥环以内为一维稳态传热，在水泥环以外为一维非稳态传热： 3 在整个井筒的环境的热损失只考虑横轴方向，不考虑纵轴方向； 4 氮气在井倚内的状态为流体 t 夕 _ _ _ 一 ， 玉 环空 水泥环 d o j ， r 。 一 r u i r + r 一 |r 图2 1 井简的模型 2 12 井下温度的计算模型 取井筒的任意一段进行理论分析。对d y 段进行注入氦气的能量守恒分析， 等= 考+ 瓦l 万d h = 以考+ 之陪一鲫弘v 刮 他。 式中，p 为d y 段氮气的压力，m p a ：t l 为焓，k i k g ：j 为焦耳一汤姆逊系数：l 为 氮气的温度，k ；y 是井下某一处的位置，m ；g 为重力加速度，m s 2 ：为注入氮 气定压此热容，a ( 堙k ) ；q 是热换量，k j ：日是井倚同水平方向的夹角，( 。) ：v 是 氨气的线速度，m s 。 对水沉环以外的区域进行热流量d q d y 的计算： 蛔砂= 2 口也佤一) ，( ，) 式中，t 是地层导热系数，w ( m ) ；w 为注入氮气的质量流量 态热传函数；l 和毛分别为地层的温度和井筒的温度，k 对水泥环咀内的区域进行热流量型呈的计算： 纠 等= 学( k 吲 ( 2 2 ) k g s ；为瞬 ( 23 ) 式中- 为总热传系数tw i ( m 2 。kj ；矗为油臀外圆半往“ ( 2 2 ) 和( 2 3 ) 消去l 可以得到： 警2 等鹋卜乃， 娆们 把( 2 4 ) 巾的磐代入式( 2 1 ) 得到： 卯 盟：，生+ 三王一g s i n o 土一d v ( 2 5 ) 母。由 a c 。c 。由 式中 拈警 错半 由于地层的区域大，可以假设热传递不影响地层的温度井假设地层的温度呈线 性变化，l = r o + g ，y 则每段出口处的氮气温度： ；l + 曲+ 一 1 一唧 监 x l 害一舟咖一一半一毒朝。撕， ”x p l 学】( 母所 其中c 为地面的温度，k ：g ，为地温梯度- k m = 和分别为氮气入口端和 出口端位置，m ；r k ，和分别为氦气出口端和入口端温度k ”1 。 21 3 井筒压力横型 对于井下某一段d y 氮气进行动量守恒： 考2 昭s i n o + p v 考若 c z ， 其中f 为摩阻系数：c ，为油管内圆半径，m 。 对并筒d y 段内氮气进行质量守恒： 一考+ v 等= 。 即 _ d v v _ d p ( 28 ) a y pa y ( 2 7 ) ( 2 8 ) 为d y 段氮气的温度、压力、流速的方程，将其与预测氮气的密 度和相态的p r e x p 状态方程组台组合成一组常微分方程组该方程组可以作为将氮 气注入井筒后的氮气的温度压力场的耦合计算模型。对于任一注氮气井下某一处的温 度、压力以及氮气的相态可以采用数值差分法计算”7 。 214 物性参致计算 1 氮气比热容 m 在井简中处于不同相态时流体比热容的计算方法就不同，当的相态为液态 的时候采用用l y m a n d a n n e r 方程计算比热窖， 一2 + + i ) c + ( 4 + 面) 彳+ 可7 p + 4 i ，f + 4 7 f + ( 29 ) t ( 旦+ 岛f + 岛f ) + 七2 ( 且+ 且宰) ( _ = + b t + c t 2 + d t 式中，0 为理想气体比热容：a b ，c t i d 为与气体性质相关的常数； 一4 县且 为l y m a n d a n n e r 方程常数“；k 为缔合因子对于m 取值为7 4 8 6 3 ；i 为回转半径， 对于_ 2 的取值为0 9 9 0 9 当 ，2 的相态为气态和超临界态时采用实际气体比热容计算式： 6 c m = c 。+ 蝇。 其中，c 为剩余比热容“。 2 氮气黏度 对，黏度计算采用中p r 黏度模型 t p 3 + ( 2 b t - b t 一p ) ，一( 2 b b r + t b 2 + 2 r 。印一目1 p + ( t b 驴+ r 一加2 一训：o 。 2 1 0 3 瞬态传热函数矗“” 1 1 2 8 1 瓜( 1 03 c ) ，b - 1 5 ； 矗2 1 c 。s s + 。s n 。， 一+ 警 ，b ，s f 21 1 其中 t n = t e ， 式中， 为地层热扩散系数，册3 s ：t 为洼气时间h 。 4 总传热系数c 0 采用中的r a m e y ，h a s a n 等的计算公式“2 “1 为 2 b 号掣+ 卉+ 鼍掣+ 鼍掣r c z 式中k 也t4 分别为油管内流体传热系数、环空内流体对流传热系数、环空 内流体辐射传热系数，( 一片) ：和。分别为套管内、外半径嘶与屯。女一 分别为油管、套管和水泥环导热系数，w ( m 2 舶。 在具体计算0 时将井身分成多段在每一段上根据不同舶温度、压力采用迭代 法求解。 5 焦耳一汤姆逊系数 掉耳一汤姆逊系数的计算方法很多，本论文采用文献 1 4 的计算方法。 2 2 温度控制系统的模型 如图2 2 采用一套温控系统可设置不同温度分别对3 台试验井进行温度控制。 凹22 温控系统原理圈 该温控系统对试验井筒的循环加温保温和温度控制；由油加热机组和加热管汇 等组成其中油加热机组包括加热器、循环加热泵、温度传感器。强过不同试验井倚 的入口手动截止阀切换来实现对不同试验井筒的循珂：加热：整个系统是循环与加热同 时进行的过程。对温度控制利用的闭环控制位于试验井倚上的进出口热电偶会实时 检测罐体的温度信号经过放大和a d 转换后输入到p l c 。完成试验井简温度信号的采 集工作，试验并筒夹套的温度会随着导热油温度的升高而不断升高两个热电偶的示 值也逐渐接近当到达井简试验设定的温度时，调整循环泵的转速，通过减小热流量 使供热量与消耗量平衡进而保证了试验井筒内的温度恒定。 2 3 压力控制系统的模型 压控系统设置不同压力分别对3 台试验井简进行压力控制。实现对试验罐的连续 加压，保压和压力控制。由加压机组( 驱动高压泵、压力传感器) 、和加压管汇等组成。 通过不同试验罐的入口手动截止阀切换来实现对不同试验罐的循环加压。压力控制实 现闭环控制。气压控系统韵原理图如图2 3 所示 打压过程为；若给某个试验井简打压先关闭其它两个试验试验井筒的打压手动 截止阀关闭卸压阀，同时打开目标试验井简的打压手动截止阀、气控截止阀( 如： 打中心管就打开中心管气控截止阀) ，在电脯屏幕上设置好试验参数：上限压力及 保压时间等。驱动高压泵将增压后的气体通过单向阀被注入主管线再通过己打开 的打压气控截l 匕阀，进入婴打压的部位打压部位为封闭腔逐渐被介顼气体加满井 将压力升高t 位于气控阀出口处的压力传感器会实时检测打压压力，压力信号被传输 到中央处理器处理，在电脑显示器上会实时显示打压压力变化曲线，当打压压力达到 设定值时高压泵会自动停止打压，同时打压气控阀自动关闭进行保压试验保压时 可通过电脑监测保压压力的变化。达到预设保压时间保压试验完成，打压气控阀自动 打开同时卸压气控阀也缓慢打开进入卸压环节，进行卸压。位于主管线上的安全溢 流阀起到过压保护的功能。气控阀的驱动气体为低压气站提供的压缩空气压力为 0 7 w p a 左右井在一定范围内可以进行调整。 “ 墨砖 口 ” 轴5 厢增b 御 k 。囊* 圈23 气压控系统原理图 9 2 4 本章小结 本章的主要内容： i 在对注c 仉井、注蒸汽等井简的温度和压力模型进行分析和研究的情况下，建立 了注氮气井的井下温度和压力的耦合计算模型此模型可以对注氮气井下某一深度氮 气在不同相态的温度、压力进行计算： 2 在对温度控制原理进行研宄的情况下。建立了系统温度闭环控制过程模型； 3 对压力控制系统的原理进行研究的情况下建立了系统压力闭环控制过程模型。 第三章系统的结构设计和零部件选型 按照模块化设计泵阀系统和控制系统完全分离，泵阀系统为全封闭柜式结构， 管路安装遵循横平竖直原则布局台理可靠。所有需要调节的阀门均安装在可以方便 操作的位置，方便调节及拆卸从而便于维修和保养。结构简易连接安全可靠设 备均可灵活拆卸。输入输出接口安装在柜子底部。计算机控制系统可以保证所有的试 验操作均可在控制台上完成，依据此原则对整套系统的温控装置、压控装置、试验井 简等等进行了安装排布。 在油气田注氮气的压力一般在5 3 5 m p a 之间，温度一般在2 5 3 3 9 3 c 之间，并且 对现阶段自动化控制技术对温度和压力的控制精度进行了调查研究，确定了井下气缦 试验检测装置的技术参数。 3 1 系统的组成和控制原理 311 系统组成 井下工具气浸系统由试验井筒、气压控系统、温控系统、计算机集中控制系统等3 个系统构成。 i 试验井筒：用于安装试验工具提供高温、高压环境： 试验井筒主要为一定规格的封隔嚣提供试验空间辅以配套的加压系统，实现对 井下超高压试验环境的模拟进行封碥器相关性能试验。 试验井倚有5 一i 2 i n 、7 i n 、9 - 5 8 i n 三种规格分别满足不同尺寸的工具进行 试验。本试验井简设有两套井口密封部件，适用于总长小于3 5 m 的单套密封器组件( 机 械座卡型或中心管进压型) 进行耐高温、耐高压试验。容器外部的导热油夹套为加热 系统提供热传递空间。 试验井篱由一个超高压简体、一套上密封部件、一套下密封部件、导热油夹套及 其他内，外部构件组成。根据被测封隔器的试验要求，可分为机械座卡型试验状态和 中心管进压型试验状态。高温超高压试验容器可分为以下几部分： ( ”超高压简体 超高压简体是为封隔器组件提供试验空间，并承受试验介质的温度、压力。 超高压简体按t s gr 0 0 0 2 2 0 0 5 超高压容器安全技术监察规程设计、制造、检 验和验收采用锻造结构。筒体置于井槽中，以确保工作时的安全。上端部置于井槽 盖扳的上面t 以便于操作。筒体外部设有加热夹套导热油流经夹套将鹅量传给超高 压简体或将超高筒体的热量带走。倚体上部与试验机相连。 机械座卡型试验状态：主要包括上螺纹压环、密封塞、密封环、压环、提塞螺母、 限位螺母及连接杆。 中心管进压型试验状态：主要包括上螺纹压环和密封塞，垫片、提塞螺母。 进行气浸试验过程中由于温度较高( 塌高3 7 0 c ) 一定要采用金属密封的密封结 构，不能采用胶圈密封的密封形式。 ( 2 ) 加热夹套 主要包括上下填料法兰、上下填料压盖及夹套。 ( 3 ) 底座法兰 用于与地基相连井固定井筒 ( 4 ) 爆破膜装置 安装在超高压试验容器之间的加压管路上，爆破膜的标定爆破压力为1 5 5 m p a 口径 由8 m m 。 2 气压控系统：实现对1 、2 、3 号井简的上、下腔及中心管加压、稳压及卸压测 试试验介质为氦气。由泵阀柜、压力控制采集系统、高压管汇等组成。 3 温控系统：实现对1 、2 、3 号井筒进行加热、保温和温度控制试验介质为油， 由油加热机组和加热管汇等组成。 4 计算机集中控制系统：实现对整个系统的集中控制，由主控工业控制计算机、 数据采集卡、电子线路、电气元件、专用软件等构成。 31 2 系统的技术参数 1 试验介质：氮气 2 温度控制范围：室温3 7 0 ： 3 井简规格：5 一l 2 i n 、7 i n 、9 5 8 i n ： 4 井简高度：4 m ( 有效使用深度35 m ) ： 5 承压( 气压) ：3 5 m p a ； 6 保温过程巾的温度波动范围；05 7 压力控制精度：士0 5 f s ； 31 3 系统工作原理 井下工具气浸试验检测系统的原理如图3 1 所示系统中的温控系统与压控系统 是陌套进行分开控制，其中的加热系统采用p i d 控制技术实现对试验井简的循环加温 保温和温度控制井可对3 个试验井筒分别进行加热控制，在整套系统中加热管道中 油纳通道控制通过高温阀来实现。首先通过加热器对油进行加热然后通过循环加热 泵将加过热的油输送到各试验井筒，由温度传感器来采集各试验井筒的温度值。将温 度值传入p l c 中通过p l c 控制系统对温度值进行控制当温度值达到系统设定的值 时，加热器停止，然后进入保温和温度控制的阶段。气压控系统采用自动高压稳压控 制技术实现对1 、2 、3 号井简的上、下腔及中心管加压、稳压及卸压测试氮气在各 管道中的流向通过高压针阀、气控阀+ 电磁阀对其通道的开关进行控制一氨气由压缩的 氨气瓶组来提供首先当需要注入氨气时开启氮气瓶组的开关然后通过气动泉进行 加压通过管道将氮气输送入进行实验的试验井筒；通过压力传感器采集试验井筒的 氮气压力值，然后将采集来的压力值输入p l c 中对试验井筒的压力值进行控制采 集的压力值到达设定的压力值的时候启动泵会停止工作进入保压和压力控制阶段： 而且在整套系统中有安全阀来控制试验中出现的不可预知的超高压现象当高压氮气 的压力超过压力的警戒值时，安全阀会自动开启进行卸压。 32 气压系统的组成 3 21 气压柜 气压柜采用高度集成的结构，考虑到适用，操作方便，美观等要求，手阀放置在 上侧，管路接口设置在下侧，内部安装气控阀，高压泵、传感器等，气压柜四周的门 均可打开这样便于安装、检修和维护。上有吊装环便于运输便于就位安装。实物 如图3 2 所示。 322 面板仪表及阀门说明 圈32 气压柜 图33 面板仪表爰阀门 各项仪表及阀门如图3 3 、3 4 所示，其功能如下 1 各项仪表的作用 驱动气压力表：显示气动增压泵的驱动空气压力； 预增气压力表：显示预增气( 氮气) 原压力； 上压腔压力表：显示上压腔试压压力； 中心管压力表：显示中心管试压压力； 下压腔压力表：嶷示下压腔试压压力； 2 各项阀门的作用 驱动气调节：调节驱动气( 压缩空气) 压力 驱动气开关：驱动气( 压缩空气) 总开关 预增气开关：预增气( 氮气) 总开关 中心管开关：中心管升压总开关 上压腔开关：上压腔升压总开关 下压腔开关：下压腔升压总开关 圈3 4 阉门 1 # 上压腔开关：l # 上压腔升压总开关 l # 中心管开关：i # 中心管升压总开关 1 # 下压腔开关：l # 下压腔升压总开关 2 # 上压腔开关：2 # 上压腔升匪总开关 2 # 中心管开关：2 # 中心管升压总开关 2 # 下压腔开关：2 # 下压腔升压总开关 3 # 上压腔开关：3 # 上压腔升压总开关 3 # 中心管开关：3 # 中心管升压总开关 3 # 下压腔开关：3 # 下压腔升压总开关 试验结束后或者需要紧急中止试验时，打开卸荷阀系统会手动卸压。以下九个 为高压输出接口与相应试验井筒接口相连接：l # 中心管接口、l # 上压腔接口、1 # 下压腔接口、2 # 中心管接口、2 # 上压腔接口，2 # 下压腔接口、3 # 中心管接口、3 # 上压腔接口、3 # 下压腔接口 以下九个截止婀分别控制相应管路的通断：l # 中心管截止阀、l # 上压腔截止阀， i # 下压腔截止阔、2 # 中心管截止阀，2 # 上压腔截止阍、2 # 下压腔截止闽、3 # 中心 管截止髑、3 # 上压腔截止阀、3 # 下压腔截止阀 3 3 气浸系统关键部件的选型 331 主要配置和气压柜的结构图 表3 - 1 气压控系统的主要配置 图3 5 气控拒的内啬| f 结构圈 瑚36 气控柜的外部结构图 3 3 2 泵阀系统的选型 1 气动增压泵的选型 气动增压泵工作原理：s c 气动增压泵利用大面积活塞的低压气体驱动而产生小面 积活塞的高压流体。 气动增压泵工作特点： ( 1 ) 性价比高：具有输出性能高而成本低的特性； ( 2 ) 多种气体驱动：压力空气、液化氮气和管道氮气、水蒸汽： ( 3 ) 输出流量大：只需0 6 9 m p a 的压缩空气驱动就可咀获得较大的输出流量； ( 4 ) 自动保压、自动补压：工作时气动增压泵迅速往复工作，随着输出压力接近 设定压力值时泵的往复运动速度减慢至停l l 并保持这个压力，此时能量消耗f l i d 无热量产生- 无零件运动，当压力平衡打破后，气动增压泵自动开始工作到下一个平 衡； ( 5 ) 可调性强：输出压力和流量都有驱动气体的压力调节阀准确地调节； ( 6 ) 维护简单：气动增压泵的零件及密封件少维护简单且成本低。 根据以上的原则采用美国s c 的型号为g b d 一7 5 的增压泵。气动增压泵( g b d 一7 5 ) 工作时压力计算：p = 7 5 p a + p s( 其中p a 为驱动气压p s 为压缩气源压力) 2 电气比例阀的选型 自动控制可分成断续控制和连续控制。断续控制即开关控制。气动控制系统中使 用动作频率较低的开关式( o n o f f ) 的换向阀来控制气路的通断。靠减压阀来调节所 需要的压力靠节流阀来调节所需要的流量。这种传统的气动控制系统要想要有多个 输出力和多个运动速度，就需要多个减压橱，节流阀及换向阐这样，不仅元件衙妥 多，成本高构成系统复杂且许多元件都需要预先进行人工调节电气比例阀控制 属于连续控制，其特点是输出量随输入量的变化而变化，输出量与输入量之间存在一 定的比例关系。比例控制有开环控制和闭环控制之分。电气比例阀的工作特点： ( 1 ) 可实现压力、速度的无极调节，避免了常通的开关式气阀换向时的冲击现蒙。 ( 2 ) 能实现远程控制和程序控制。 ( 3 ) 与断续控制相比，系统简化，元件大大减少。 ( 4 ) 与液压比例阀相比，体积小、重量轻结构简单、成本较低但响应速度比 液压系统慢得多，对负载变化也比较敏感。 ( 5 ) 使用功率小、发热少、噪声低。 ( 6 ) 不会发生火灾，不污染环境。受温度变化的影响小。 根据以上情况本论文采用日本s m c 的的压力式比例阀。采用的反馈控制方式阀 内有位移或压力检测器件及集成控制放大器。电气比例阀的优点是线性度好滞回小， 动态性能高，能精确控制升压的压力精度。如图3 7 所示。 图37 电气比例阉 3 气控阀的选型 气控截止婀采用美国h i p 的气控阀。气控阀主要由阀体和执行嚣组成，有常开和 常闭两种，如图3 8 所示。阀体由阀座、阀针及密封件等组成，标准3 8 ”螺纹接口形 式，方便装、拆。阀座上有泄漏观察孔当螺纹连接处出现泄漏时，气体就会从观察 孔溢出。便于直观捡查密封情况。执行器主要是通过气源压力的变化带动阀针上下动 作实现阀针与网座的接触与分离r 从而实现腔内气体的通断。驱动气体采用来自低 压气站的0 7 m p a 的压缩空气。产品特点体积小、重量轻、结构紧凑、操作简单。 圈3 8 气控阍 4 安全溢流阔 安全溢流阀采用美国f l i p 的型号为i o r v 的安全溢流阀。如图39 所示。使用压力 出厂已经标定设置好无需重殴3 1 6 不锈钢阀体。井口接头为可拆卸阀座，标配9 1 1 6 ”接管超高压接口( h f 9 ) ，井根据需要可接转换接头，出口接口1 1 2 ”n p t 内螺纹用 v i t o n 材质艟大使用温度可达1 7 7 。 在试压管线上安装安全溢流阀能够保证试压过程中的安全，当因故障压力超出安 全压力时，安全溢流阀工作，实现安全卸压有效地避免了由于压力的超高对器件及 设备的损坏以及对操作带来的不安全因素。 圈3 9 安全溢流阀 5 气压管汇 气压管与罐体的接口形式为螺纹连接，3 1 8 。的高压管接口为标准m 1 4 外螺纹连 接。气压管汇由气压柜至气浸试验罐的气压管路在地沟中布置由高压无缝钢管及 高压接头组成。 3 3 3 数据采集处理系统的选型 主要由压力传感器、温度传感器、p c + p l c 、数显表等元器件组成。 i 压力传感器 压力传感器( 压力变送器) 是一种将模拟量压力转换为可标准化输出信号的计量 器县而且其输出信号与压力变量之间有连续函数关系。在工业、建筑业等领域进行 压力参数的测量。压力传感器有电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、 压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电 容式加速度传感器等类型。对压力传感器的选型主要有以下几个原则： ( 1 ) 确认测量压力的类型；压力类型主要有表压、绝压、差压等t 表压是指以大 气压为零点的压力值，高于大气压力的为正，低于大气压力的为负；绝压是指以绝对 真空为零点的压力