一种模拟局部载荷测试套管抗挤强度的实验装置及方法与流程

1.本发明属于石油勘探领域固完井设计领域，具体涉及一种模拟局部载荷测试套管抗挤强度的实验装置及方法，用于评价井底套管承受局部载荷作用时的抗外挤强度。


背景技术：

2.油气井套管在油气田的开发过程中具有保护井眼稳定、封隔不同压力的地层，以保证钻井过程的顺利进行和完井后整个油井的正常运行的功能，它是维持油井正常运行的生命线，其使用情况的好坏将直接影响油田开采的进度和成本。而油气井套管损坏已经严重影响到我国油气的高效开发，给油田企业造成了巨大的经济损失。随着高压注采、超高压压裂等各种增产措施的应用和油田开发时间的增长，我国各油田油水井套管损坏问题将越来越严重。
3.按照api标准设计的套管亦出现了严重套管损坏，引起了国内外学者的高度重视。先后提出了套管缺陷(如套管磨损、壁厚不均、椭圆套管等)、非均匀载荷等理论进行套管的设计、强度试验和实践应用，取得了较好的效果。虽然新的理论较好的解决了套管损坏问题，但仍然存在较多的套管损坏。如四川盆地的页岩气压裂产生的套管损坏等，与传统的套管损坏存在较大的区别，传统的均匀或非均匀载荷评价套管抗挤毁能力，尚不能满足实际工程需要。
4.中国专利公开文献cn111044382a公开了一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置及使用方法，其包括釜体组件、实验组件、加压组件、数据采集组件，能够模拟地层非均匀地应力载荷条件下的套管受压状态。其主要局限在于无法模拟水泥环缺失状态下的套管载荷，也无法考虑水泥环和地层岩石的变形。
5.中国公开文献《非均匀外载作用下油井套管强度特性的实验研究》(岩土力学，2005年06月，26(06))介绍了根据实际全尺寸套管承受非均匀外载作用下的强度实验，研究了非均匀外载作用下油井套管的强度特性，提出了用“等效破坏载荷”及椭圆载荷的短、长轴之比来定量描述套管所受非均匀外载的概论，建立了非均匀外载下的套管强度设计图版，可用来检测盐岩等流变地层中下入套管的安全性或在已知套管外载时进行套管强度设计。其主要局限性在于套管的载荷设定为椭圆载荷，与实际存在水泥环缺失条件的局部载荷不同，无法评价局部载荷条件下的套管强度。
6.因此，针对目前出现的亟待解决的套管损坏问题，局部载荷对于套管损坏具有重要的影响。为优化套管在局部载荷作用下的抗挤毁强度的设计，需要对局部载荷作用下套管的抗挤毁强度进行测试。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，针对水泥环局部缺失情况下油气井中套管严重变形的情况，提供一种模拟局部载荷测试套管抗挤强度的实验装置及方法，能够模拟套管受地层岩石和水泥环局部载荷作用条件，解决局部载荷作用下套管抗挤
强度不能准确确定的技术难题。
8.本发明是通过以下技术方案实现的：
9.本发明的第一个方面，提供了一种模拟局部载荷测试套管抗挤强度的实验装置，所述模拟局部载荷测试套管抗挤强度的实验装置包括：
10.液压厚壁筒，用于提供液压腔体；
11.套管夹具，设置在所述液压厚壁筒的内腔中，用于夹住套管；
12.加载部件，用于对套管加载载荷；
13.应变检测部件，包括应变传感器，所述应变传感器安装在所述套管的外壁上，用于检测套管外壁的应变。
14.本发明的进一步改进在于，所述加载部件包括油压活塞、油压缸、油压泵；
15.所述油压活塞、油压缸设置在所述液压厚壁筒的内腔中的上侧；
16.所述油压泵设置在液压厚壁筒的外部，所述油压泵通过管路与所述油压缸连接。
17.本发明的进一步改进在于，所述套管夹具包括支护板和连接杆；
18.每个支护板均为板状结构；
19.两个支护板平行设置，两个支护板所在的平面与所述液压厚壁筒的中心轴线垂直；在每个支护板的中心开有圆形通孔，两个圆形通孔的中心轴线与液压厚壁筒的中心轴线位于同一条直线上；
20.每个支护板上的圆形通孔的直径相同，且圆形通孔的直径大于套管的外径；
21.两个支护板通过四个连接杆连接，四个连接杆平行设置，且分别与两个支护板垂直；
22.其中，位于上方的两个连接杆的中心线位于同一个水平面内，位于下方的两个连接杆的中心线位于另一个水平面内。
23.本发明的进一步改进在于，在每个连接杆的两端均设置有外螺纹，在每个支护板四周均设置有连接孔；
24.每个连接杆的两端分别穿过两侧的支护板上的连接孔；通过两个螺母将连接杆的一端与支护板固定连接，两个螺母分别位于该支护板的两侧。
25.本发明的进一步改进在于，在每个所述连接杆的中部设置有螺栓孔，所述螺栓孔的中心轴线与所述连接杆的长度方向垂直；
26.在所述油压缸的两侧分别设置有连接凸块，在每个连接凸块上设置有螺栓孔，油压缸设置在上方的两个连接杆之间，油压缸两侧的螺栓孔分别与位于油压缸两侧的连接杆上的螺栓孔对齐，通过螺栓将油压缸固定在上方的两个连接杆之间；
27.在下方的两个连接杆之间设置有垫块，在所述垫块的两侧设置有连接凸块，在每个连接凸块上设置有螺栓孔，垫块两侧的螺栓孔分别与位于垫块两侧的连接杆上的螺栓孔对齐，通过螺栓将垫块固定在下方的两个连接杆之间。
28.本发明的进一步改进在于，在所述垫块的上方设置有凹槽垫块，在所述凹槽垫块的上端面上开有凹槽；
29.在所述油压活塞的下端面设置有凹槽；
30.在所述套管中部外壁的上侧、下侧分别设置有单弧面橡胶块，两个单弧面橡胶块沿套管的中心轴线对称设置；
31.每个所述单弧面橡胶块的一个端面为弧形面，另一个端面为平面；下方的单弧面橡胶块的平面端位于所述凹槽垫块的凹槽内，弧形面与套筒中部外壁的下侧接触；上方的单弧面橡胶块的平面端位于所述油压活塞的凹槽内，弧形面与套筒中部外壁的上侧接触；
32.两个单弧面橡胶块将套筒夹住。
33.本发明的进一步改进在于，所述单弧面橡胶块的弧面曲率半径与套管外壁的半径相同；
34.所述单弧面橡胶块的弧面弧长与套管外壁周长的比值范围为0.1至0.5。
35.本发明的进一步改进在于，所述液压厚壁筒为两端开口的卧式圆筒状结构，在所述液压厚壁筒的两个开口端分别安装有与其同轴线的外密封盖；
36.所述油压缸的上端面为弧形面，该弧形面与所述液压厚壁筒的内壁上侧接触；
37.所述垫块的下端面为弧形面，该弧形面与所述液压厚壁筒的内壁下侧接触；
38.所述油压缸的上端面的弧面曲率半径、所述垫块的下端面的弧面曲率半径均与所述液压厚壁筒的内半径相同。
39.本发明的进一步改进在于，所述应变检测部件包括应变传感器和计算机；
40.在沿套筒的轴向上布置多组应变传感器；
41.每组应变传感器包括两个在圆周上均布的应变片；
42.与各个应变片连接的电线从液压厚壁筒穿出后与位于液压厚壁筒外部的计算机连接。
43.本发明的进一步改进在于，在所述液压厚壁筒的外部设置有液压泵，液压泵通过管路接入到所述液压厚壁筒的内腔中；
44.在所述液压厚壁筒的外部的下方设置有试验支架；
45.在所述套管的两端分别安装有套管密封盖；
46.所述套管的中心轴线与液压厚壁筒的中心轴线平行。
47.本发明的第二个方面，提供了一种利用上述模拟局部载荷测试套管抗挤强度的实验装置实现的模拟局部载荷测试套管抗挤强度的方法，所述方法包括：
48.(1)将上述模拟局部载荷测试套管抗挤强度的实验装置中的实验支架的下端固定在试验台上；
49.(2)在套管的外壁上布置应变片，将套管的两端密封，并连接应变检测部件，开启应变检测部件并调试好；
50.(3)选择与套管的外半径匹配的单弧面橡胶块，利用套管夹具固定套管和加载装置中的油压缸，然后将套管夹具放入到液压厚壁筒的内腔中；
51.(4)将套管夹具固定在液压厚壁筒的内腔中，并将油压缸通过管路与位于厚壁筒外部的油压泵连接；
52.(5)开启油压泵，并微调油压活塞伸出量使单弧面橡胶块贴在套管外壁上；
53.(6)将液压厚壁筒的两端密封，并连接液压泵；
54.(7)启动液压泵向液压厚壁筒内注入水，控制液压厚壁筒内的压力等于设计压力；
55.(8)缓慢增加油压泵的压力，使油压活塞伸出，油压活塞推动单弧面橡胶块挤压套管，在套管上形成对套管的局部载荷；
56.(9)应变检测部件跟踪记录所述油压泵增压过程中套管的应变数据。
57.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可模拟地应力条件下不同硬度水泥环、水泥环缺失范围、载荷大小、套管几何尺寸等条件对套管应力的影响，并且能够测试局部载荷作用下套管的强度，本发明具有测试方法简单、可操作性强等特点。套管抗挤强度试验装置与方法对油气井套管的设计和套管变形的防护具有重要意义，具有较好的应用前景。
附图说明
58.图1为本发明模拟局部载荷测试套管抗挤强度的实验装置的结构示意图；
59.图2-1为图1中的a-a截面处的剖面图；
60.图2-2为图1中的b-b截面处的剖面图；
61.图3为图2-1中的c-c截面处的剖面图。
62.附图标号说明：
63.1.外密封盖 2.液压厚壁筒 3.支护板 4.油压泵 5.油压活塞 6.液压泵 7.套管 8.单弧面橡胶块 9.试验支架 10.套管密封盖 11.连接杆 12.凹槽垫块 13.垫块 14.连接凸块 15.挡块。
具体实施方式
64.本发明提出了一种模拟局部载荷测试套管抗挤强度的实验装置及方法，可准确获取不同局部载荷作用条件下套管的抗挤毁强度。
65.下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
66.如图1到图3所示，本发明模拟局部载荷测试套管抗挤强度的实验装置包括：
67.液压厚壁筒2，用于提供液压腔体；
68.套管夹具，设置在所述液压厚壁筒2的内腔中，用于夹住套管；在所述套管7的两端分别安装有套管密封盖10，用以密封套管的两端开口，套管密封罐可以采用现有的多种密封连接结构与套管连接。
69.加载部件，用于对套管加载载荷；
70.应变检测部件，包括应变传感器和计算机，所述应变传感器安装在所述套管7的外壁上，用于检测套管外壁的应变；所述应变传感器通过线路与计算机连接，计算机采集应变传感器的应变数据。
71.本发明装置的实施例如下：
72.【实施例一】
73.所述液压厚壁筒2为两端开口的卧式圆筒状结构，在所述液压厚壁筒2的两个开口端分别安装有与其同轴线的外密封盖1，用以密封液压厚壁筒的两端。外密封盖1与液压厚壁筒2可以采用现有的多种密封连接结构，例如螺纹和密封圈的结构、密封油等等，满足液压厚壁筒2为密封可加压状态。在所述液压厚壁筒2的内腔中充满液体，形成封闭的压力腔，用于模拟试验过程的地应力环境。
74.【实施例二】
75.所述加载部件包括油压活塞、油压缸5、油压泵4(采用现有的油压活塞、油压缸5、油压泵即可)。其中，所述油压活塞、油压缸5设置在液压厚壁筒2的内腔中的上侧，油压泵4
设置在液压厚壁筒2的外部。所述油压活塞的一端位于油压缸5内，另一端向下伸出到油压缸5的外部，油压活塞能够在油压缸5内的液压油的作用下进行伸缩，对套管施加挤压力；油压泵4通过管路与所述油压缸5连接，为所述油压活塞的伸缩提供驱动力。
76.【实施例三】
77.所述套管夹具包括支护板3、单弧面橡胶块8、垫块13、凹槽垫块12和连接杆11。
78.图1所示的实施例中，在所述液压厚壁筒2的内腔中安装有两个支护板3，两个支护板3平行设置在所述液压厚壁筒2的内腔中。每个支护板均为板状结构，两个支护板3所在的平面与所述液压厚壁筒2的中心轴线垂直；在每个支护板的中心开有圆形通孔，两个圆形通孔的中心轴线与液压厚壁筒2的中心轴线位于同一条直线上。每个支护板上的圆形通孔的直径相同，且圆形通孔的直径远远大于套管的外径。这样，套管能够在圆形通孔内自由移动。
79.通过支护板固定4个连接杆11，并通过固定的连接杆11固定油压缸5、垫块13。具体的，两个支护板通过4个连接杆11连接，4个连接杆平行设置，且分别与两个支护板垂直；其中位于上方的两个连接杆的中心线位于同一个水平面内，位于下方的两个连接杆的中心线位于另一个水平面内。
80.进一步的，在每个连接杆11的两端均设置有外螺纹，在每个支护板的圆形通孔的外围四周均设置有连接孔，每个连接杆11的两端分别穿过两侧的支护板上的连接孔，通过两个螺母将连接杆11的一端与支护板固定连接，两个螺母分别位于该支护板的两侧(图1和图3中没有画出每个连接杆各端连接的螺母)，这样通过4个连接杆11将两个支护板3固定住。
81.同时，在每个所述连接杆11的中部设置有螺栓孔，所述螺栓孔的中心轴线与所述连接杆的长度方向垂直，在所述油压缸5的两侧分别设置有连接凸块14，在每个连接凸块14上设置有螺栓孔，油压缸5设置在上方的两个连接杆之间，油压缸5两侧的螺栓孔分别与位于油压缸5两侧的连接杆上的螺栓孔对齐，在螺栓孔内拧入螺栓，实现了将油压缸5固定在上方的两个连接杆之间。
82.在下方的两个连接杆之间设置有垫块13，在所述垫块13的两侧也设置有连接凸块，在每个连接凸块上设置有螺栓孔，垫块13两侧的螺栓孔分别与位于垫块13两侧的连接杆上的螺栓孔对齐，在螺栓孔内拧入螺栓，实现了将垫块13固定在下方的两个连接杆11之间。这样，通过4个连接杆将支护板、油压缸、垫块、橡胶块、套管相互之间形成位置固定的整体，该结构可整体放入厚壁筒2的内腔中。
83.在所述垫块13的上方设置有凹槽垫块12，所述凹槽垫块的下端与垫块13固定连接，也可以将垫块13和凹槽垫块12设计成一体的结构，在所述凹槽垫块12的上端面上开有凹槽。
84.在所述套管7的中部的外壁的上侧、下侧分别设置有单弧面橡胶块8，两个橡胶块沿套管7的中心轴线对称设置。两个单弧面橡胶块8位于所述油压活塞与凹槽垫块12之间，两个单弧面橡胶块8将套管夹住，套管7的中心轴线与液压厚壁筒的中心轴线平行。
85.每个所述单弧面橡胶块8的一个端面为弧形面，另一个端面为平面。下方的单弧面橡胶块8的平面端位于所述凹槽垫块12的凹槽内，弧形面与套筒中心外壁的下侧接触。在所述油压活塞的下端面设置有凹槽，上方的单弧面橡胶块8的平面端位于所述油压活塞的凹
槽内，弧形面与套筒中心外壁的上侧接触，这样通过两个单弧面橡胶块8将套筒夹住。
86.优选的，所述单弧面橡胶块8的弧面曲率半径与套管外壁的半径相同。所述单弧面橡胶块的弧面弧长与套管外壁周长的比值范围为0.1至0.5。
87.优选的，该试验装置包括多个用于替换的单弧面橡胶块8，对于不同外径的套管和不同局部载荷作用范围的试验参数，使用不同的单弧面橡胶块进行试验。
88.每个所述单弧面橡胶块8的弧形面均与所述套管7中部外壁直接接触，直接作用在套管7上，能够在套管7外壁施加局部载荷，通过采用不同弧长的单弧面橡胶块8能够模拟不同的水泥环缺失状态，即橡胶块与套管接触范围不同，进而可模拟不同局部载荷范围条件下的载荷。
89.工作时，当油压活塞伸出时，为挤压套管7提供挤压力；在油压活塞伸出时，凹槽垫块12与垫块13配合作用给套管7施加挤压力。
90.【实施例四】
91.所述油压缸的上端面为弧形面，该弧形面与所述液压厚壁筒2的内壁上侧接触；
92.所述垫块13的下端面为弧形面，该弧形面与所述液压厚壁筒2的内壁下侧接触。
93.所述油压缸的上端面的弧面曲率半径、所述垫块13的下端面的弧面曲率半径与所述液压厚壁筒2的内半径相同。
94.【实施例五】
95.所述套管夹具固定在厚壁筒2的内腔中，固定结构可以采用现有的多种结构，本实施例中是在液压厚壁筒2的内壁下侧焊接有挡块15，在挡块15上开有螺栓孔，在所述支护板3的下侧也开有螺栓孔，将安装好的套管夹具送入厚壁筒2内时，首先进入厚壁筒2内的支护板3的一侧碰到挡块15后停止，通过螺栓将支护板3与挡块15固定连接即可。
96.【实施例六】
97.进一步的，在所述液压厚壁筒2的外部设置有液压泵6，液压泵6通过管路接入到所述液压厚壁筒2的内腔中，液压泵6为所述液压厚壁筒2的内腔提供水压，维持实验过程中液压厚壁筒内的恒定压力。
98.【实施例七】
99.所述应变检测部件12包括应变传感器和计算机，在沿套筒的轴向上布置多组应变传感器，多组应变传感器粘贴在所述套管7的外壁上，每组应变传感器包括两个在圆周上均布的应变片，与各个应变片连接的电线从厚壁筒2穿出来后与位于厚壁筒外部的计算机连接，通过所述套管外壁的应变片检测套管外壁的应变。所述应变片粘贴在套管7的外壁上不与单弧面橡胶块8接触的位置，用以测量受局部载荷时套管外壁的应变，具体位置根据实验要求进行设置即可，应变片的安装方式采用现有方式即可，例如粘贴的方式。
100.【实施例八】
101.进一步的，为了放置整个试验装置，在所述液压厚壁筒2的外部的下方设置有试验支架9，能够将液压厚壁筒2支撑起来，试验支架9的上端与液压厚壁筒2固定连接。
102.【实施例九】
103.本发明方法的实施例如下：
104.利用上述模拟局部载荷测试套管抗挤强度的实验装置的试验方法包括以下步骤：
105.(1)将上述试验装置中的实验支架9的下端固定在试验台上，使用螺栓固定实验支
架9，防止试验过程中试验装置的活动；
106.(2)在套管7的外壁设计位置布置应变片，将套管两端密封，并连接应变检测部件，开启应变检测部件并调试检测部件；
107.(3)选择与套管的外半径匹配的单弧面橡胶块，利用套管夹具固定套管和加载装置中的油压缸，然后将套管夹具放入到厚壁筒2的内腔中；
108.利用套管夹具固定套管和加载装置中的油压缸的操作包括：将两个支护板平行设置，将4个连接杆的两端分别插入到两侧的支护板上的安装孔内。将套管从一侧插入，使得套管的两端分别位于两个支护板的圆孔内，并且使套管沿轴向上的中点位于两个支护板的中心连线的中点处，先放垫块13，然后在垫块13上放置凹槽垫块12，在凹槽垫块12上放置一个橡胶块，将套管的中部放置在橡胶块上，然后将垫块13两侧的连接凸起与下方的两个连接杆连接；将油压缸5两侧的连接凸起与上方的两个连接杆连接，在油压缸5的油压活塞的下方放置另一个橡胶块，通过两个橡胶块将套管支撑起来。
109.(4)将套管夹具固定在厚壁筒2的内腔中，并将油压缸5通过管路与位于厚壁筒外部的油压泵连接；
110.(5)开启油压泵，并微调油压活塞伸出量使单弧面橡胶块贴在套管外壁；
111.(6)将液压厚壁筒的两端密封，并连接液压泵；
112.(7)启动液压泵向液压厚壁筒2内注入水，控制液压厚壁筒2内的压力等于设计压力，可以通过液压泵上的压力表显示液压厚壁2筒内的水压；
113.(8)缓慢增加油压泵的压力，使油压活塞伸出，油压活塞推动单弧面橡胶块挤压套管，在套管上形成对套管的局部载荷；
114.(9)应变检测部件跟踪记录所述油压泵增压过程中套管的应变数据。
115.本发明可以模拟存在水泥环缺失条件下的局部载荷，套管圆周上的载荷更符合实际情况。同时考虑了水泥环和地层岩石在加载过程中的变形对套管载荷和强度的影响。并且可改变弹性垫片的力学性能，模拟不同水泥石硬度条件下的套管载荷。
116.本发明提供了一种局部载荷作用套管抗挤强度的试验装置，水压厚壁筒外壁连接液压泵以维持液压环境，套管外壁布置应变片，并将套管固定在水压厚壁筒中心线位置，安装油压活塞并将单弧面橡胶块在油压活塞与套管外壁的空隙之间，在油压泵的驱动下，油压活塞推动单弧面橡胶块在套管外壁产生局部载荷，同时套管在局部载荷作用下产生应变。应变检测部件监测并记录应变大小。本发明还提供了上述局部载荷作用套管抗挤强度的试验装置的试验方法。本发明可以测试井底液压环境下局部载荷作用套管的抗挤强度，测试结果精确度高，为油气井套管设计、固井、完井提供实验依据。
117.本发明适用存在固井质量的油气井套管载荷的测试，可模拟不同地应力和水泥环缺失状态下的套管应力状态，并开展不同岩石性质和水泥浆体系条件下的套管载荷，可为油气井套管强度设计提供实验基础，为油气井井筒套管和水泥环完整性控制提供指导与参考，具有良好的应用前景。
118.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
119.在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
120.最后应说明的是，上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。