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CN108106945A - 一种套管非均匀外挤加载试验装置及套管形变计算方法 - Google Patents

一种套管非均匀外挤加载试验装置及套管形变计算方法 Download PDF

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CN108106945A CN201711281045.0A CN201711281045A CN108106945A CN 108106945 A CN108106945 A CN 108106945A CN 201711281045 A CN201711281045 A CN 201711281045A CN 108106945 A CN108106945 A CN 108106945A
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韩礼红
王鹏
王建东
路彩虹
刘亚旭
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蒋龙
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Abstract

本发明公开了一种套管非均匀外挤加载试验装置及基于该试验装置的套管形变计算方法，属于钻完井技术领域。包括设置在待测套管上的夹具，夹具上设有位移传感器，在待测套管内设有用于测量非加载区域外径形变规律的光学引伸计，还包括与待测套管相连的用于增加管内压力的水压系统；在待测套管一端端部设有一个用于加载轴向载荷的电液伺服静态作动器，在夹具的上、下两个夹片上还各设有一个用于给待测套管加载径向载荷的电液伺服静态作动器。本发明能实现含缺陷工况下的套管剩余抗挤性能实物评价试验，确定不同缺陷工况下的套管实际剩余抗挤强度，且能够根据需要实时调整待测套管外挤载荷的非均匀程度。

Description

一种套管非均匀外挤加载试验装置及套管形变计算方法
技术领域
本发明属于钻完井技术领域，具体涉及一种套管非均匀外挤加载试验装置及基于该试验装置的套管形变计算方法。
背景技术
页岩气水平井复杂压裂过程中套管在外压作用下会发生挤毁变形，导致桥塞不能下入，进而舍弃该压裂段，造成了投入成本及能源的极大浪费。现场调研及理论研究表明，套管的挤毁失效是由非均匀地层外压载荷和复杂压裂导致的近井筒应力干扰共同造成的。国内外现在通用标准和实物试验评价方法都是基于均匀外挤载荷下的套管服役安全评价，且都是基于强度准则进行失效判断。尚缺乏符合我国页岩气复杂压裂工况的套管柱试验评价装置及其评价方法。
可以看出，页岩气水平井复杂压裂过程套管变形严重，如何准确评估套管抗非均匀外挤工况下内径变形特性对套管设计及选材技术的形成至关重要。现有试验装置及评价方法存在的主要问题：①套管实物评价装置载荷不能施加定量的非均匀外挤载荷；②现存变形监测手段都只针对套管外径进行测量，无法实现套管柱在非均匀载荷工况下的内径变形评价。
发明内容
本发明的目的在于提供一种套管非均匀外挤加载试验装置及套管形变计算方法，该试验装置结构设计合理，操作简单，通过机械加载的方式解决套管外壁载荷非均匀性分布的问题，能够实现精确调控及套管柱在非均匀载荷工况下的内径变形评价。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开的一种套管非均匀外挤加载试验装置，包括设置在待测套管上的夹具，夹具上设有位移传感器，在待测套管内设有用于测量非加载区域外径形变规律的光学引伸计，还包括与待测套管相连的用于增加管内压力的水压系统；在待测套管一端端部设有一个用于加载轴向载荷的电液伺服静态作动器，在夹具的上、下两个夹片上还各设有一个用于给待测套管加载径向载荷的电液伺服静态作动器。
优选地，在夹具与待测套管之间还设有内衬。
优选地，在待测套管的一端设有机械封堵装置，另一端设有管端夹持机构。
优选地，还包括试验反力架，待测套管通过管端夹持机构固定在试验反力架上。
优选地，试验反力架的尺寸为9000mm×4000mm×4000mm。
优选地，电液伺服静态作动器的尺寸为Φ2000mm×600mm。
优选地，待测套管的长度为9000mm。
优选地，夹具设置在待测套管的4500mm位置处。
本发明还公开了采用上述装置进行套管内径变形计算的方法，包括以下步骤：
1)将电液伺服静态作动器和夹具移动到待测位置处，连接水压系统，通过电液伺服静态作动器给待测套管施加轴向和径向加载，通过水压系统增加待测套管的内压，直至达到压裂工况需求；
2)保持待测套管的内压及轴向载荷不变，持续加载径向载荷，直至待测套管发生挤毁失效；
3)通过光学引伸计监测待测套管未加载区域的外径变形规律，根据光学引伸计的监测结果，依据下述公式计算得到套管内径变化规律，建立非均匀外挤载荷与内径变形的对应关系，完成测试；
δ(t)＝f(R,t,R′,θ)-w(t) (1)
式中，δ(t)为待测套管内径的形变量，f(R,t,R′,θ)表示四个变量的函数，即在t时刻，夹具夹角θ工况下的外径变形；R为待测套管外半径，t为加载时间，R′为光学引伸计监测数值，θ为待测套管未加载区域对应夹角，w(t)为加载t时间对应待测套管的实际厚度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的套管非均匀外挤加载试验装置，通过在待测套管上设置夹具，通过夹具上设置的位移传感器，同时还设置三个电液伺服静态作动器，其中两个对称设置在夹具的上下夹片上用于施加径向载荷，另一个设置在待测套管的一端端部用于施加轴向载荷。这种结合设置易于实现机械加载，通过机械加载方式能实现含缺陷工况下的套管剩余抗挤性能实物评价试验，确定不同缺陷工况下的套管实际剩余抗挤强度，且能够根据需要实时调整待测套管外挤载荷的非均匀程度。
本发明公开的测试方法，主要通过机械加载的方式实现套管外挤载荷的非均匀性，可通过改变夹具形状的方式量化套管外挤载荷的非均匀性程度，建立夹具形状与载荷非均匀程度的关系，在此基础上，形成相应的套管柱评价方法。本专利优势在于能够直接采用机械加载的方式，施加量化的非均匀外挤载荷，并评价套管柱的适应性，与现场套管柱载荷工况统一性更好，能够实现非均匀外挤载荷下的套管内径变形准确评价，为页岩气井复杂压裂过程套管设计及选材提供依据。
附图说明
图1为本发明的套管非均匀外挤加载试验装置结构示意图；
图2为套管非均匀外挤加载试验装置的剖视图；
图3为套管内外径变形等效关系变化图。
其中，1为套管；2为夹具；3为内衬；4为电液伺服静态作动器；5为位移传感器；6为机械封堵装置；7为管端夹持机构；8为水压系统；9为光学引伸计；10为试验反力架。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，本发明公开的套管非均匀外挤加载试验装置，包括夹具2、内衬3、电液伺服静态作动器4、机械封堵装置6、试验反力架10、光学引伸计9、位移传感器5、管端夹持机构7及水压系统8。
具体位置连接关系为：机械封堵装置6设置在待测套管1的一端，夹具2夹持在待测套管1上，且位置可调。在夹具2上设有位移传感器5，在待测套管1内还设有用于测量非加载区域外径形变规律的光学引伸计9；还包括用于增加待测套管内压的水压系统8。在待测套管1一端端部设有一个用于加载轴向载荷的电液伺服静态作动器4，在夹具2的上、下两个夹片上还各设有一个用于给待测套管1加载径向载荷的电液伺服静态作动器4。
还包括设置在待测套管1另一端的管端夹持机构7，待测套管1通过管端夹持机构7固定在试验反力架10上。
优选地，参见图2，在夹具2和待测套管1之间设有内衬3，采用夹具-内衬形式的机械加载方式容易实现，并可实时调整套管外挤载荷的非均匀程度。
装置规格：该试验装置适用于《API Spec 5CT套管和油管规范》中规定的所有规格套管的评价。试验反力架10的尺寸为9000mm×4000mm×4000mm；电液伺服静态作动器4的尺寸为Φ2000mm×600mm；夹具2及内衬3为不同规格系列，以匹配不同规格套管外径并适应外压非均匀性要求；本实施例涉及的待测套管长度1为9000mm。优选地，夹具2设置在待测套管1的4500mm位置处，即中间位置处(施加在中间位置主要是基于圣维南原理避免端部约束对套管变形监测结果的影响)。
利用上述装置进行套管内径变形测试的方法，具体包括：
1)试验准备：在待测套管1端部安装机械封堵装置6，并放置规格匹配的夹具2、内衬3于待测套管1的4500mm位置外壁处；
用管端夹持结构7夹持待测套管1的一端，另一端安装1个电液伺服静态作动器4；将其余两个垂直放置的电液伺服静态作动器4移动到夹具2和内衬3装置位置处，连接水压系统8。安装后的套管非均匀外挤加载装置如图1和图2所示。
2)试验过程：通过三个电液伺服静态作动器对待测套管1施加轴向及径向加载，同时，通过水压系统8增加套管内压，达到现场压裂过程工况需求。然后，保持待测套管1内压及轴向载荷不变，持续用在夹具上下对称设置的电液伺服静态作动器4增加径向电液伺服静态作动器载荷，直至待测套管1发生挤毁失效。
3)套管内径变形评价过程：整个实验过程中通过光学引伸计9监测待测套管1未加载区域外径变形规律，根据光学引伸计9的监测结果，依据公式(1)的转化关系及图3所示的对应关系，得到待测套管1内径变化规律，建立非均匀外挤载荷与内径变形的对应关系，形成待测套管1变形评价方法。
δ(t)＝f(R,t,R′,θ)-w(t)
其中：δ(t)为套管内径的形变量，R为套管外半径，t为加载时间，R′为光学引伸计监测数值，θ为套管未加载区域对应夹角，w(t)为加载t时间对应套管实际厚度。
综上所述，本发明的套管非均匀外挤加载试验装置及形变计算方法，能实现页岩气井复杂压裂工况下套管实物试验评价，并形成套管内径变形测试方法。填补了国内外无法通过试验方法确定套管在非均匀载荷下的极限抗挤毁性能的空白，为页岩气井复杂压裂过程套管设计及选材提供技术支撑。本发明具有如下优点：
1、采用夹具-内衬形式的机械加载方式容易实现，并可实时调整套管外挤载荷的非均匀程度。
2、通过机械加载方式能实现含缺陷工况下的套管剩余抗挤性能实物评价试验，确定不同缺陷工况下的套管实际剩余抗挤强度。
3、本发明可实现非均匀外挤载荷下的套管内径变形准确评价，为页岩气井复杂压裂过程套管设计及选材提供依据。

Claims (9)

1.一种套管非均匀外挤加载试验装置，其特征在于，包括设置在待测套管(1)上的夹具(2)，夹具(2)上设有位移传感器(5)，在待测套管(1)内设有用于测量非加载区域外径形变规律的光学引伸计(9)，还包括与待测套管(1)相连的用于增加管内压力的水压系统(8)；
在待测套管(1)一端端部设有一个用于机械加载轴向载荷的电液伺服静态作动器(4)，在夹具(2)的上、下两个夹片上还各设有一个用于给待测套管(1)机械加载径向载荷的电液伺服静态作动器(4)。
2.根据权利要求1所述的套管非均匀外挤加载试验装置，其特征在于，在夹具(2)与待测套管(1)之间还设有内衬(3)。
3.根据权利要求1所述的套管非均匀外挤加载试验装置，其特征在于，在待测套管(1)的一端设有机械封堵装置(6)，另一端设有管端夹持机构(7)。
4.根据权利要求3所述的套管非均匀外挤加载试验装置，其特征在于，还包括试验反力架(10)，待测套管(1)通过管端夹持机构(7)固定在试验反力架(10)上。
5.根据权利要求4所述的套管非均匀外挤加载试验装置，其特征在于，试验反力架(10)的尺寸为9000mm×4000mm×4000mm。
6.根据权利要求1所述的套管非均匀外挤加载试验装置，其特征在于，电液伺服静态作动器(4)的尺寸为Φ2000mm×600mm。
7.根据权利要求1所述的套管非均匀外挤加载试验装置，其特征在于，待测套管(1)的长度为9000mm。
8.根据权利要求7所述的套管非均匀外挤加载试验装置，其特征在于，夹具(2)设置在待测套管(1)的4500mm位置处。
9.采用权利要求1～8中任意一项所的装置进行套管内径变形计算的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将电液伺服静态作动器(4)和夹具(2)移动到待测位置处，连接水压系统(8)，通过电液伺服静态作动器(4)给待测套管(1)施加轴向和径向机械加载，通过水压系统(8)增加待测套管(1)的内压，直至达到压裂工况需求；
2)保持待测套管(1)的内压及轴向载荷不变，持续机械加载径向载荷，直至待测套管(1)发生挤毁失效；
3)通过光学引伸计(9)监测待测套管(1)未加载区域的外径变形规律，根据光学引伸计(9)的监测结果，依据下述公式(1)计算得到套管内径变化规律，建立非均匀外挤载荷与内径变形的对应关系，完成测试；
δ(t)＝f(R,t,R′,θ)-w(t) (1)
式中，δ(t)为待测套管内径的形变量，f(R,t,R′,θ)表示四个变量的函数，即在t时刻，夹具夹角θ工况下的外径变形；R为待测套管外半径，t为加载时间，R′为光学引伸计监测数值，θ为待测套管未加载区域对应夹角，w(t)为加载t时间对应待测套管的实际厚度。
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