本申請(qǐng)屬于油氣開采，具體地涉及一種套管彎曲載荷相似性實(shí)驗(yàn)方法及彎矩加載裝置。

背景技術(shù)：

1、在鉆井過程中，套管可以隔離高風(fēng)險(xiǎn)地層、保護(hù)井眼和井下鉆具，是維持井壁完整性的重要設(shè)施。然而，套管損壞是一個(gè)在油氣資源開采過程中普遍存在的問題。選擇合適鋼材及強(qiáng)度的套管對(duì)油氣資源的鉆探開發(fā)十分重要。

2、目前，套管的參數(shù)選擇過程中僅對(duì)其抗拉強(qiáng)度和抗外擠強(qiáng)度進(jìn)行校核，往往忽略了套管彎曲帶來的附加應(yīng)力的影響。然而，在斜井段或地層具有蠕變性質(zhì)的井段(如鹽膏層或軟泥眼層)，套管往往會(huì)因井眼形狀或地層蠕變擠壓而彎曲。當(dāng)套管彎曲形變到一定程度時(shí)，則會(huì)發(fā)生塑性形變，導(dǎo)致套管損壞。因此，針對(duì)不同的彎曲工況，需要獲得套管彎曲屈服時(shí)的臨界徑向位移，以便選擇合適強(qiáng)度的套管。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)的目的是提供一種套管彎曲載荷相似性實(shí)驗(yàn)方法及彎矩加載裝置，用于解決如何獲取套管彎曲屈服時(shí)的臨界徑向位移的問題，達(dá)到完善套管參數(shù)選擇過程，減少套管彎曲損壞情況發(fā)生的效果。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本申請(qǐng)第一方面提供一種套管彎曲載荷相似性實(shí)驗(yàn)方法，具體包括：

3、獲取所述套管的外徑doutc、內(nèi)徑dinc、彎曲段長度lc，根據(jù)選擇的幾何相似比c1確定實(shí)驗(yàn)管材的外徑doutt、內(nèi)徑dint和有效長度lt1，并制作所述實(shí)驗(yàn)管材；

4、由所述套管的抗拉強(qiáng)度σtc0和所述實(shí)驗(yàn)管材的抗拉強(qiáng)度σtt0確定動(dòng)力相似比c2，根據(jù)所述動(dòng)力相似比c2和所述套管的軸向載荷σtc1確定所述實(shí)驗(yàn)管材的軸向載荷σtt1；

5、固定所述實(shí)驗(yàn)管材的兩端，并對(duì)所述實(shí)驗(yàn)管材的端部加載所述軸向載荷σtt1；

6、對(duì)所述實(shí)驗(yàn)管材中部的加載點(diǎn)逐步加載徑向壓力ft，所述實(shí)驗(yàn)管材產(chǎn)生彎曲，所述加載點(diǎn)產(chǎn)生徑向位移dt，獲得所述加載點(diǎn)的徑向壓力ft與徑向位移dt的關(guān)系圖；

7、由所述關(guān)系圖中的斜率轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定所述實(shí)驗(yàn)管材彎曲屈服時(shí)的臨界徑向位移dct，根據(jù)相似原理和所述實(shí)驗(yàn)管材的臨界徑向位移dct計(jì)算得到所述套管彎曲屈服時(shí)的臨界徑向位移dcc。

8、在一些實(shí)施方式中，以所述徑向壓力ft的數(shù)值點(diǎn)遞增或所述徑向位移dt的數(shù)值點(diǎn)遞增的方式逐步對(duì)所述加載點(diǎn)進(jìn)行彎曲載荷加載，所述徑向壓力ft的數(shù)值點(diǎn)包括所述實(shí)驗(yàn)管材彎曲屈服時(shí)的理論徑向壓力ft0，其計(jì)算公式為：

9、

10、其中l(wèi)t1為所述實(shí)驗(yàn)管材的有效長度，i為所述實(shí)驗(yàn)管材的慣性矩，σtt0為所述實(shí)驗(yàn)管材的抗拉強(qiáng)度，σtt1為所述實(shí)驗(yàn)管材的軸向載荷，doutt為所述實(shí)驗(yàn)管材的外徑。

11、在一些實(shí)施方式中，使用螺紋傳動(dòng)對(duì)所述實(shí)驗(yàn)管材中部的加載點(diǎn)逐步加載徑向壓力ft，記錄螺柱旋轉(zhuǎn)的角度θ，以及驅(qū)動(dòng)所述螺柱旋轉(zhuǎn)的扭矩m；

12、所述角度θ與所述徑向位移dt的換算公式為：

13、

14、所述扭矩m與所述徑向壓力ft的換算公式為：

15、ft＝mkh，

16、其中，p為螺紋傳動(dòng)的導(dǎo)程，k為螺紋傳動(dòng)的扭矩系數(shù)，h為螺紋傳動(dòng)的螺距。

17、在一些實(shí)施方式中，所述套管彎曲屈服時(shí)的臨界徑向位移dcc的計(jì)算公式為：

18、

19、其中，dct為所述實(shí)驗(yàn)管材的臨界徑向位移，c1為所述幾何相似比，c2為所述動(dòng)力相似比，et為所述實(shí)驗(yàn)管材的楊氏模量，ec為所述套管的楊氏模量。

20、在一些實(shí)施方式中，還包括：根據(jù)所述套管的臨界徑向位移dcc計(jì)算所述套管的臨界曲率cc，其計(jì)算公式為：

21、

22、其中l(wèi)t1為所述實(shí)驗(yàn)管材的有效長度。

23、在一些實(shí)施方式中，使用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)所述實(shí)驗(yàn)管材的端部加載所述軸向載荷σtt1。

24、本申請(qǐng)第二方面提供一種彎矩加載裝置，用于上述的套管彎曲載荷相似性實(shí)驗(yàn)方法，所述彎矩加載裝置包括：

25、主軸，平行間隔設(shè)置在所述實(shí)驗(yàn)管材的側(cè)方，所述主軸的中部設(shè)有沿其徑向貫穿的第一螺紋孔；

26、螺柱，螺紋連接所述主軸的第一螺紋孔；

27、壓頭，設(shè)置在所述螺柱的頭部，所述壓頭在所述螺柱旋轉(zhuǎn)推動(dòng)下沿徑向移動(dòng)，對(duì)所述實(shí)驗(yàn)管材加載徑向壓力ft；

28、夾持臂，位于所述主軸和所述實(shí)驗(yàn)管材的兩端，所述夾持臂的兩端分別緊固在所述主軸和所述實(shí)驗(yàn)管材上。

29、在一些實(shí)施方式中，所述彎矩加載裝置還包括套設(shè)于所述實(shí)驗(yàn)管材上的壓環(huán)，所述壓頭的正面設(shè)有用于嵌裝所述壓環(huán)的支座，所述壓頭通過所述壓環(huán)對(duì)所述實(shí)驗(yàn)管材加載徑向壓力。

30、在一些實(shí)施方式中，所述彎矩加載裝置還包括平行間隔設(shè)置在所述螺柱的側(cè)方的導(dǎo)向柱，所述主軸的第一螺紋孔的側(cè)方還設(shè)有徑向貫穿的導(dǎo)向孔，所述導(dǎo)向柱穿設(shè)于所述導(dǎo)向孔，所述導(dǎo)向柱的頭部與所述壓頭的背面固定連接。

31、在一些實(shí)施方式中，所述彎矩加載裝置還包括螺紋連接所述螺柱的尾部的螺母，所述螺柱的尾部設(shè)有軸肩，所述螺母緊固于所述軸肩處；或所述螺柱的尾部設(shè)有一對(duì)用于連接扳手的扳手平面。

32、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)的有益效果為：

33、本申請(qǐng)基于相似原理，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)管材進(jìn)行軸向載荷和徑向壓力的復(fù)合加載，模擬套管在井下受到彎曲作用破壞的過程，并通過實(shí)驗(yàn)管材的臨界徑向位移計(jì)算得到套管彎曲屈服時(shí)的臨界徑向位移，進(jìn)而解決如何獲取套管彎曲屈服時(shí)的臨界徑向位移的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)套管的抗彎曲能力的校核和評(píng)價(jià)，補(bǔ)充完善當(dāng)前在套管參數(shù)選擇過程中的不足，減少套管彎曲損壞的情況發(fā)生。

34、本申請(qǐng)實(shí)施方式的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說明。

技術(shù)特征：

1.一種套管彎曲載荷相似性實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，具體包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的套管彎曲載荷相似性實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，以所述徑向壓力ft的數(shù)值點(diǎn)遞增或所述徑向位移dt的數(shù)值點(diǎn)遞增的方式逐步對(duì)所述加載點(diǎn)進(jìn)行彎曲載荷加載，所述徑向壓力ft的數(shù)值點(diǎn)包括所述實(shí)驗(yàn)管材彎曲屈服時(shí)的理論徑向壓力ft0，其計(jì)算公式為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的套管彎曲載荷相似性實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，使用螺紋傳動(dòng)對(duì)所述實(shí)驗(yàn)管材中部的加載點(diǎn)逐步加載徑向壓力ft，記錄螺柱旋轉(zhuǎn)的角度θ，以及驅(qū)動(dòng)所述螺柱旋轉(zhuǎn)的扭矩m；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的套管彎曲載荷相似性實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述套管彎曲屈服時(shí)的臨界徑向位移dcc的計(jì)算公式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的套管彎曲載荷相似性實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，還包括：根據(jù)所述套管的臨界徑向位移dcc計(jì)算所述套管的臨界曲率cc，其計(jì)算公式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的套管彎曲載荷相似性實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，使用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)所述實(shí)驗(yàn)管材的端部加載所述軸向載荷σtt1。

7.一種彎矩加載裝置，其特征在于，用于權(quán)利要求1至6任意一項(xiàng)所述的套管彎曲載荷相似性實(shí)驗(yàn)方法，所述彎矩加載裝置包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的彎矩加載裝置，其特征在于，所述彎矩加載裝置還包括套設(shè)于所述實(shí)驗(yàn)管材(8)上的壓環(huán)(5)，所述壓頭(3)的正面設(shè)有用于嵌裝所述壓環(huán)(5)的支座(31)，所述壓頭(3)通過所述壓環(huán)(5)對(duì)所述實(shí)驗(yàn)管材(8)加載徑向壓力。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的彎矩加載裝置，其特征在于，所述彎矩加載裝置還包括平行間隔設(shè)置在所述螺柱(2)的側(cè)方的導(dǎo)向柱(6)，所述主軸(1)的第一螺紋孔(11)的側(cè)方還設(shè)有徑向貫穿的導(dǎo)向孔(12)，所述導(dǎo)向柱(6)穿設(shè)于所述導(dǎo)向孔(12)，所述導(dǎo)向柱(6)的頭部與所述壓頭(3)的背面固定連接。

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的彎矩加載裝置，其特征在于，所述彎矩加載裝置還包括螺紋連接所述螺柱(2)的尾部的螺母(7)，所述螺柱(2)的尾部設(shè)有軸肩(21)，所述螺母(7)緊固于所述軸肩(21)處；或所述螺柱(2)的尾部設(shè)有一對(duì)用于連接扳手的扳手平面。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及油氣開采領(lǐng)域，公開了一種套管彎曲載荷相似性實(shí)驗(yàn)方法及彎矩加載裝置。具體包括：根據(jù)選擇的幾何相似比確定實(shí)驗(yàn)管材的參數(shù)，并制作實(shí)驗(yàn)管材；根據(jù)動(dòng)力相似比和套管的軸向載荷確定實(shí)驗(yàn)管材的軸向載荷；固定實(shí)驗(yàn)管材的兩端，并對(duì)實(shí)驗(yàn)管材的端部加載軸向載荷；使用彎矩加載裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)管材中部的加載點(diǎn)逐步加載徑向壓力，獲得加載點(diǎn)的徑向壓力與徑向位移的關(guān)系圖；由關(guān)系圖中的斜率轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定實(shí)驗(yàn)管材彎曲屈服時(shí)的臨界徑向位移，根據(jù)相似原理和實(shí)驗(yàn)管材的臨界徑向位移計(jì)算得到套管彎曲屈服時(shí)的臨界徑向位移。本申請(qǐng)用于解決如何獲取套管彎曲屈服時(shí)的臨界徑向位移的問題，達(dá)到完善套管參數(shù)選擇過程，減少套管彎曲損壞情況發(fā)生的效果。

技術(shù)研發(fā)人員：韋世明,盧運(yùn)虎,羅仁坤,李集,文亮,梁紅軍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國石油大學(xué)（北京）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2