本發(fā)明屬于石油勘探領(lǐng)域固完井設(shè)計(jì)，具體涉及一種模擬內(nèi)壓與外載荷復(fù)合工況下的管柱變形測(cè)試裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、頁巖氣開采過程中，水平井和大規(guī)模體積壓裂是其成功開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。在頁巖氣水平井壓裂過程中套管管柱會(huì)承受多頻次劇烈的內(nèi)壓循環(huán)載荷及外擠載荷，從而會(huì)導(dǎo)致套管管柱強(qiáng)度屈服失效，產(chǎn)生塑性小變形；此外，套管管柱在多級(jí)壓裂過程中可能承受斷層及裂縫造成的剪切應(yīng)力載荷的作用發(fā)生剪切變形。即頁巖氣井套管管柱受力載荷包括內(nèi)壓以及剪切、彎曲多種形式的外載荷，在內(nèi)壓及外載荷的復(fù)合工況作用下套管管柱會(huì)屈服失效產(chǎn)生變形，威脅井筒完整性，對(duì)生產(chǎn)安全造成惡劣影響。

2、因此，在下入管柱之前進(jìn)行多種載荷形式下的管柱變形測(cè)試以評(píng)價(jià)管柱強(qiáng)度是非常有必要的，管柱的變形測(cè)試能夠?yàn)槎嗉?jí)壓裂下套管管柱的失效判斷及變形量預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)。

3、目前，針對(duì)套管管柱變形試驗(yàn)的裝置及方法多針對(duì)常規(guī)油氣開發(fā)過程中的管柱受力場(chǎng)景，忽略了頁巖氣井壓裂過程中套管循環(huán)內(nèi)壓以及剪切、彎曲多種形式的外載荷并存的特點(diǎn)。

4、基于以上問題，本技術(shù)提出一種模擬內(nèi)壓與外載荷復(fù)合工況下的管柱變形測(cè)試裝置及方法，能夠進(jìn)行內(nèi)壓及剪切、彎曲多種形式的外載荷并存工況下的管柱變形測(cè)試。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種模擬內(nèi)壓與外載荷復(fù)合工況下的管柱變形測(cè)試裝置。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、模擬內(nèi)壓與外載荷復(fù)合工況下的管柱變形測(cè)試裝置，包括用來夾持管柱試樣的管柱夾具、用來對(duì)管柱試樣施加外載荷的加載組件、用來檢測(cè)管柱試樣變形量的變形檢測(cè)件、用來對(duì)管柱試樣施加內(nèi)壓的加壓組件；

4、所述管柱夾具包括支撐臺(tái)；

5、所述支撐臺(tái)上設(shè)置有兩個(gè)相平行的可以夾持不同長度管柱試樣的夾持支座；

6、所述加載組件包括兩個(gè)下固定座和一個(gè)上固定座；

7、所述下固定座的頂部可拆卸的連接有下壓頭刀具，所述下固定座設(shè)置在支撐臺(tái)上且可沿管柱試樣軸向方向進(jìn)行移動(dòng)；

8、所述上固定座的底部可拆卸的連接有上壓頭刀具，所述上固定座位于下固定座的上部；

9、所述下壓頭刀具、上壓頭刀具與管柱試樣相貼處的端面呈柱面結(jié)構(gòu)；

10、所述上固定座的頂端與加載油缸的活塞桿底端固定連接，所述加載油缸固定設(shè)置在支撐臺(tái)上。

11、優(yōu)選的，所述支撐臺(tái)的左右兩端垂直固定設(shè)置支撐板；

12、兩塊支撐板之間垂直固定設(shè)置導(dǎo)桿；

13、所述夾持支座與導(dǎo)桿進(jìn)行滑動(dòng)配合。

14、優(yōu)選的，兩塊支撐板背向的端部各設(shè)置有一個(gè)夾持油缸；

15、所述夾持油缸的活塞桿端部穿過相應(yīng)的支撐板后與相應(yīng)的夾持支座固定連接。

16、優(yōu)選的，兩塊支撐板背向的端部各設(shè)置有一個(gè)調(diào)整油缸；

17、所述調(diào)整油缸的活塞桿端部穿過相應(yīng)的支撐板后與相應(yīng)的下固定座固定連接。

18、優(yōu)選的，所述支撐臺(tái)的頂端垂直向上固定設(shè)置四根承載立柱；

19、所述承載立柱的頂端固定設(shè)置上橫梁；

20、所述加載油缸固定設(shè)置在上橫梁上。

21、優(yōu)選的，所述上固定座與加載油缸的活塞桿之間設(shè)置負(fù)荷傳感器。

22、優(yōu)選的，所述加壓組件包括水壓泵站，所述水壓泵站的出口連接供水管；

23、所述管柱試樣的兩端設(shè)置密封蓋，其中一個(gè)密封蓋上設(shè)置有連通至管柱試樣內(nèi)部的且能與供水管相連的注水口。

24、優(yōu)選的，所述變形檢測(cè)件為用來測(cè)量管柱試樣外徑變化的外壁夾持測(cè)距儀；

25、所述外壁夾持測(cè)距儀包括變形測(cè)量傳感器一、掛鉤以及設(shè)置在變形測(cè)量傳感器一、掛鉤之間的沿豎直方向延伸的形變線一；所述形變線一位于上固定座左右方向的豎直中心面上；

26、所述變形測(cè)量傳感器一固定設(shè)置在上固定座的前端面上；

27、所述掛鉤固定設(shè)置在其中一個(gè)下固定座上。

28、優(yōu)選的，所述變形檢測(cè)件為用來測(cè)量管柱試樣內(nèi)徑變化的內(nèi)壁多臂測(cè)距儀；

29、所述內(nèi)壁多臂測(cè)距儀包括支撐底座，所述支撐底座上固定設(shè)置豎直向上延伸的支撐導(dǎo)向柱；

30、所述支撐導(dǎo)向柱上設(shè)置有沿水平方向延伸的第一臂桿，所述第一臂桿在支撐導(dǎo)向柱豎直方向上的位置可調(diào)；

31、所述第一臂桿上部的支撐導(dǎo)向柱上設(shè)置有沿水平方向延伸的第二臂桿，所述第二臂桿與支撐導(dǎo)向柱進(jìn)行豎直方向的滑動(dòng)配合；

32、所述第一臂桿、第二臂桿之間的支撐導(dǎo)向柱上設(shè)置有彈簧托板，所述彈簧托板的上部固定設(shè)置能夠壓向第二臂桿的彈簧；

33、所述第一臂桿遠(yuǎn)離支撐導(dǎo)向柱的端部底側(cè)、第二臂桿遠(yuǎn)離支撐導(dǎo)向柱的端部頂側(cè)均設(shè)置牛眼軸承；

34、所述第一臂桿、第二臂桿之間設(shè)置有沿豎直方向延伸的形變線二，所述第二臂桿上設(shè)置有用來檢測(cè)形變線二形變量的變形測(cè)量傳感器二。

35、本發(fā)明還公開一種模擬曲面外載荷工況下的管柱變形測(cè)試方法。

36、模擬曲面外載荷工況下的管柱變形測(cè)試方法，采用模擬內(nèi)壓與外載荷復(fù)合工況下的管柱變形測(cè)試裝置進(jìn)行實(shí)施，包括以下步驟：

37、步驟11：確定與待測(cè)試管柱試樣相匹配的下壓頭刀具、上壓頭刀具；

38、步驟12：在步驟11中確定的下壓頭刀具、下壓頭刀具中選擇具有設(shè)定曲面夾角的刀具；

39、步驟13：在其中一個(gè)下固定座上安裝上步驟12中選定的下壓頭刀具，在上固定座上安裝上步驟12中選定上壓頭刀具；

40、步驟14：通過相應(yīng)的調(diào)整油缸使下壓頭刀具與上壓頭刀具上下對(duì)齊；

41、步驟15：將管柱試樣的中部放置在下壓頭刀具上；

42、步驟16：在管柱試樣上安裝用來測(cè)量管柱試樣外徑變化的內(nèi)壁多臂測(cè)距儀；

43、步驟17：加載油缸控制上壓頭刀具下移直至接觸管柱試樣表面；

44、步驟18：加載油缸控制下壓頭刀具以設(shè)定速度向下移動(dòng)以對(duì)管柱試樣施加壓力，直至管柱試樣屈服；

45、在該過程中，負(fù)荷傳感器檢測(cè)加載油缸對(duì)管柱試樣所施加的試驗(yàn)壓力，內(nèi)壁多臂測(cè)距儀測(cè)量管柱試樣的內(nèi)徑變化量；

46、負(fù)荷傳感器、內(nèi)壁多臂測(cè)距儀監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)，得到管柱試樣的曲面外載荷試驗(yàn)壓力-內(nèi)徑變化量的關(guān)系曲線。

47、本發(fā)明還公開一種模擬內(nèi)壓與曲面外載荷復(fù)合工況下的管柱變形測(cè)試方法。

48、模擬內(nèi)壓與曲面外載荷復(fù)合工況下的管柱變形測(cè)試方法，采用模擬內(nèi)壓與外載荷復(fù)合工況下的管柱變形測(cè)試裝置進(jìn)行實(shí)施，包括以下步驟：

49、步驟21：確定與待測(cè)試管柱試樣相匹配的下壓頭刀具、上壓頭刀具；

50、步驟22：在其中一個(gè)下固定座上安裝步驟21中選定的下壓頭刀具，在上固定座上安裝上步驟21中選定上壓頭刀具；

51、步驟23：通過相應(yīng)的調(diào)整油缸使下壓頭刀具與上壓頭刀具上下對(duì)齊；

52、步驟24：將管柱試樣的中部放置在下壓頭刀具上，在管柱試樣的兩端安裝密封蓋，然后通過兩個(gè)夾持油缸調(diào)整兩個(gè)夾持支座的位置使其對(duì)管柱試樣進(jìn)行夾持；

53、步驟25：在管柱試樣上安裝用來測(cè)量管柱試樣外徑變化的外壁夾持測(cè)距儀；

54、步驟26：將供水管與其中一個(gè)密封蓋的注水口相連，通過水壓泵站向管柱試樣內(nèi)注水加壓，使管柱試樣內(nèi)的液壓載荷值達(dá)到設(shè)定內(nèi)壓值；

55、步驟27：加載油缸控制上壓頭刀具下移直至接觸管柱試樣表面；

56、步驟28：加載油缸控制下壓頭刀具向下移動(dòng)達(dá)到設(shè)定的外擠載荷最大力值；

57、在該過程中，負(fù)荷傳感器檢測(cè)加載油缸對(duì)管柱試樣所施加的外擠載荷值，外壁夾持測(cè)距儀測(cè)量管柱試樣的外徑變化量；

58、負(fù)荷傳感器、外壁夾持測(cè)距儀監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)，得到管柱試樣的內(nèi)壓與曲面外載荷復(fù)合工況下外載荷值-外徑變化量的關(guān)系曲線。

59、本發(fā)明還公開一種模擬內(nèi)壓與剪切載荷復(fù)合工況下的管柱變形測(cè)試方法。

60、模擬內(nèi)壓與剪切載荷復(fù)合工況下的管柱變形測(cè)試方法，采用模擬內(nèi)壓與外載荷復(fù)合工況下的管柱變形測(cè)試裝置進(jìn)行實(shí)施，包括以下步驟：

61、步驟31：確定與待測(cè)試管柱試樣相匹配的下壓頭刀具、上壓頭刀具；

62、步驟32：在其中一個(gè)下固定座上安裝上步驟31中選定的下壓頭刀具，在上固定座上安裝上步驟31中選定上壓頭刀具；

63、步驟33：通過相應(yīng)的調(diào)整油缸使下壓頭刀具與上壓頭刀具之間的距離達(dá)到設(shè)定的偏移距離；

64、步驟34：將管柱試樣放置在下壓頭刀具上，且使上壓頭刀具位于管柱試樣的中部；在管柱試樣的兩端安裝密封蓋，然后通過兩個(gè)夾持油缸調(diào)整兩個(gè)夾持支座的位置使其對(duì)管柱試樣進(jìn)行夾持；

65、步驟35：在管柱試樣上安裝用來測(cè)量管柱試樣內(nèi)徑變化的外壁夾持測(cè)距儀；

66、步驟36：將供水管與其中一個(gè)密封蓋的注水口相連，通過水壓泵站向管柱試樣內(nèi)注水加壓，使管柱試樣內(nèi)的液壓載荷值達(dá)到設(shè)定內(nèi)壓值；

67、步驟37：加載油缸控制上壓頭刀具下移直至接觸管柱試樣表面；

68、步驟38：加載油缸控制下壓頭刀具向下移動(dòng)達(dá)到設(shè)定的剪切載荷最大值；

69、在該過程中，負(fù)荷傳感器檢測(cè)加載油缸對(duì)管柱試樣所施加的剪切載荷值，外壁夾持測(cè)距儀測(cè)量管柱試樣的外徑變化量；

70、負(fù)荷傳感器、外壁夾持測(cè)距儀監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)，得到管柱試樣的內(nèi)壓與剪切載荷復(fù)合工況下剪切載荷值-外徑變化量的關(guān)系曲線。

71、本發(fā)明還公開一種模擬內(nèi)壓與彎曲載荷復(fù)合工況下的管柱變形測(cè)試方法。

72、模擬內(nèi)壓與彎曲載荷復(fù)合工況下的管柱變形測(cè)試方法，采用模擬內(nèi)壓與外載荷復(fù)合工況下的管柱變形測(cè)試裝置進(jìn)行實(shí)施，包括以下步驟：

73、步驟41：確定與待測(cè)試管柱試樣相匹配的下壓頭刀具、上壓頭刀具；

74、步驟42：在兩個(gè)下固定座上分別安裝上步驟41中選定的下壓頭刀具，在上固定座上安裝上步驟41中選定上壓頭刀具；

75、步驟43：通過相應(yīng)的調(diào)整油缸使兩個(gè)下壓頭刀具對(duì)稱分布在上壓頭刀具兩側(cè)，且使兩個(gè)下壓頭刀具之間的距離達(dá)到設(shè)定的刀具間距；

76、步驟44：將管柱試樣放置在下壓頭刀具上，且使上壓頭刀具位于管柱試樣的中部；在管柱試樣的兩端安裝密封蓋，然后通過兩個(gè)夾持油缸調(diào)整兩個(gè)夾持支座的位置使其對(duì)管柱試樣進(jìn)行夾持；

77、步驟45：在管柱試樣上安裝用來測(cè)量管柱試樣內(nèi)徑變化的外壁夾持測(cè)距儀；

78、步驟46：將供水管與其中一個(gè)密封蓋的注水口相連，通過水壓泵站向管柱試樣內(nèi)注水加壓，使管柱試樣內(nèi)的液壓載荷值達(dá)到設(shè)定內(nèi)壓值；

79、步驟47：加載油缸控制上壓頭刀具下移直至接觸管柱試樣表面；

80、步驟48：加載油缸控制下壓頭刀具向下移動(dòng)達(dá)到設(shè)定的彎曲載荷最大值；

81、在該過程中，負(fù)荷傳感器檢測(cè)加載油缸對(duì)管柱試樣所施加的彎曲載荷值，外壁夾持測(cè)距儀測(cè)量管柱試樣的外徑變化量；

82、負(fù)荷傳感器、外壁夾持測(cè)距儀監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)，得到管柱試樣的內(nèi)壓與彎曲載荷復(fù)合工況下彎曲載荷值-外徑變化量的關(guān)系曲線。

83、本發(fā)明的有益效果是：

84、本發(fā)明測(cè)試裝置能夠針對(duì)管柱試樣進(jìn)行內(nèi)壓及剪切、彎曲多種形式的外載荷并存工況下的變形測(cè)試，其測(cè)試的結(jié)果和規(guī)律可用于后續(xù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管柱可靠性、安全使用壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，從而為頁巖氣井開發(fā)過程中井筒完整性安全保障技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)支撐。