CN102023118A - 一种对实体膨胀管进行复合载荷膨胀试验的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对实体膨胀管进行复合载荷膨胀试验的方法，包括如下步骤：1)试样及膨胀锥准备，2)端部起胀，3)膨胀试验准备，4)膨胀试验：按以下三种方式中任何一种来实现：a、机械拉伸膨胀试验，b、液压膨胀试验，c、机械液压复合膨胀试验，5)数据采集及分析。本发明通过轴向可控机械拉伸载荷和液压力，配合相应的膨胀锥头，实现对实体膨胀管整管进行机械拉伸膨胀或液压膨胀或机械拉伸与液压复合膨胀试验，并可实时测量膨胀试验过程中膨胀锥的位移、速度、拉伸载荷、液压压力和实体膨胀管径向变形数据，本发明为实体膨胀管膨胀性能检测、研究评价、膨胀管连接结构研究和改进提供了一种实验室内有效模拟实际工况的膨胀试验方法。

Description

一种对实体膨胀管进行复合载荷膨胀试验的方法

技术领域

本发明涉及石油天然气工业中实体膨胀管技术领域，特别涉及一种对实体膨胀管整管膨胀性能进行评价的试验方法，该试验方法用于在实验室内模拟现场工况对实体膨胀管进行多种方式复合膨胀性能试验研究，同时可用于开发膨胀管管材和配套工具。

背景技术

实体膨胀套管SET(Solid Expandable Tubular)技术是以实现“节省”井眼尺寸为目的，在井眼中将套管柱径向膨胀至所要求的直径尺寸的一种钻井、完井和修井新技术。应用该技术可以使得下入的套管层数增加，给深井、复杂地质条件的钻井和井身结构带来“革命性”的影响和重大技术经济效益。它可以将井眼变“瘦”显著降级开发成本。它将“单一井径”成为可能。实体膨胀管技术在全世界发展应用非常迅速，国外现已成功将实体膨胀管技术应用于裸眼井完井、膨胀套管补贴和膨胀尾管悬挂等方面。目前该技术由少数几个公司所垄断。

实体膨胀管有许多关键技术，如：实体膨胀管管材技术、膨胀管连接技术、实体膨胀管检测技术及其他配套技术等，国外公司在膨胀管系列产品的研发过程中，建立了较完善的试验检测技术体系，保障了其膨胀管相关产品的安全可靠性，并作为商业秘密进行管理，技术引进的成本较高。国内研制的膨胀管产品，只是按照膨胀工艺的需求，将管体和膨胀工具组装后，在地面进行了相关承内压、密封性等实物性能实验，缺乏对实体膨胀管进行膨胀性能进行试验评价的方法，无法确保膨胀管体在井下服役过程中的安全可靠性，同时不利于对实体膨胀管产品质量的控制，这也是国内的膨胀管技术与国外同类技术间的重要差距。

发明内容

本发明的目的是提供了一种对实体膨胀管进行复合载荷膨胀试验的方法，本发明能够模拟实际作业工况对多种规格的实体膨胀管进行机械膨胀、液压膨胀、机械液压复合膨胀试验。

本发明的技术解决方案如下：一种对实体膨胀管进行复合载荷膨胀试验的方法，本方法采用实体膨胀管复合加载膨胀试验装置来实现，所述的实验装置包括加载机架、膨胀试验系统、膨胀夹持系统、传感器系统，加载机架由端横梁(15)、导轨(2)、导向横梁(3)、中横梁(8)、机架侧壁组成，膨胀试验系统包括液压油缸(1)、活塞杆(23)、拉杆(6)、膨胀锥(17)、定位法兰(16)和高压注水机构(21)，液压油缸(1)、活塞杆(23)、拉杆(6)、膨胀锥(17)顺次连接构成机械拉伸膨胀实验装置，定位法兰(16)、高压注水机构(21)和膨胀锥(17)构成液压膨胀实验装置，膨胀夹持系统包括三抓卡盘(10)、起胀浮动夹具(12)、膨胀夹具(20)和定位法兰(16)，三抓卡盘(10)和起胀浮动夹具(12)作为端部起胀试验时夹持试验试样(11)的定径膨胀夹持装置，膨胀夹具(20)和定位法兰(16)作为膨胀管膨胀试验时夹持试验试样(11)的变径膨胀夹持装置，传感器系统包括位移及速度传感器(25)、力传感器(4)、径向变形传感器(13)和液压传感器(22)，位移及速度传感器(25)设于活塞杆(23)上，导向横梁(3)上设有力传感器(4)，膨胀夹持系统夹持的试样(11)外表面沿周向设有2～8个径向变形传感器(13)，密封法兰(19)上设有液压传感器(22)，所述的方法包括如下步骤：

1)、试样及膨胀锥准备：准备试验用实体膨胀管试样一根，选择试验用膨胀锥，膨胀锥外径与实体膨胀管试样膨胀后内径相同，计算膨胀锥膨胀幅度：

膨胀锥膨胀幅度＝(膨胀锥外径-实体膨胀管试样内径)/实体膨胀管试样内径

2)、端部起胀：将准备实施膨胀试验的实体膨胀管试样内部穿入拉杆(6)，将拉杆(6)和膨胀管试样(11)一起装入膨胀试验装置，用三抓卡盘(10)和定位法兰(16)将膨胀管试样(11)固定，确保试样(11)中心、拉杆(6)和油缸活塞(23)中心同轴，调整试样(11)位置使试样(11)右端伸出定位法兰(16)外500～800mm，拉杆(6)右端装配上膨胀锥(17)，左端与导向横梁(3)铰接，将中横梁(8)通过液压销钉固定在机架侧壁的销孔(9)上，使膨胀管试样(11)左端固定，右端自由，在加载机架侧壁上的销孔(9)内装入起胀浮动夹具(12)，调整夹具(12)夹持直径与膨胀管试样(11)外径相符合并牢固夹持，在油缸活塞(23)的带动下，导向横梁(3)通过拉杆(6)牵引膨胀锥(17)以1～9m/s的速度由右向左对试样(11)完成端部起胀，起胀长度590～800mm；

3)、膨胀试验准备：端部起胀完成后，膨胀管试样(11)起胀端焊接端部密封法兰(19)，中横梁(8)上的液压销钉从销孔(9)收回，控制中横梁(8)和导向横梁(3)左移，将端部密封法兰(19)固定在定位法兰(16)上，从加载机架侧壁上的销孔(9)内卸去起胀浮动夹具(12)，合上膨胀夹具(20)，三抓卡盘(10)松开左移，此时膨胀管试样(11)右端固定，左端和径向自由，径向变形传感器(13)固定在膨胀管试样(11)的外表面，径向变形传感器数量2～8组，间距500～1500mm；

4)、膨胀试验：实体膨胀管膨胀试验可按以下三种方式中任何一种来实现：

a、机械拉伸膨胀试验：开动油缸(1)通过活塞杆(23)和导向横梁(3)带动拉杆(6)牵引膨胀锥(17)，控制油缸(1)施加拉伸载荷50KN～2000KN，或者控制膨胀锥(17)以1m/s～20m/s的膨胀速度由右向左完成整管膨胀，当膨胀至膨胀锥(17)从膨胀管试样(11)左端脱出时，完成膨胀试验；

b、液压膨胀试验：撤去拉杆(6)，收回导向横梁(3)，在端部密封法兰(19)中心接上高压水压系统(21)，高压水压系统(21)通入高压水，控制高压水压载荷10MPa～80MPa推动膨胀锥(17)由右向左完成整管膨胀，当膨胀至膨胀锥(17)从膨胀管试样(11)左端脱出时，完成膨胀试验；

c、机械液压复合膨胀试验：在端部密封法兰(19)中心接上高压水压系统(21)，高压水压系统(21)通入高压水，液压载荷为10MPa～50MPa，同时控制油缸(1)施加一定的拉伸载荷，使膨胀锥(17)在拉伸载荷和液压推动的复合作用下按1m/s～20m/s速度由右向左完成整管膨胀，当膨胀至膨胀锥(17)从膨胀管试样(11)左端脱出时，完成膨胀试验；

5)、数据采集及分析：膨胀过程中传感器系统记录并输出膨胀锥(17)的位移值、速度值、膨胀时的拉伸载荷值、膨胀管试样膨胀过程中径向的应力应变与膨胀后的回弹变形，液压膨胀时的液压大小，使用常规超声波测厚仪及游标卡尺测量膨胀后试样的壁厚、外径以及轴向收缩量，通过这些参数的分析，对实体膨胀管试样的膨胀性能进行评价。

本发明的有益效果是：本发明通过轴向可控机械拉伸载荷和液压力，配合相应的膨胀锥头，可以实现对实体膨胀管整管进行机械拉伸膨胀或液压膨胀或机械拉伸与液压复合膨胀试验，并可实时测量膨胀试验过程中膨胀锥的位移、速度、拉伸载荷、液压压力和实体膨胀管径向变形数据，本试验方法可以满足各种规格实体膨胀管整管或实体膨胀管连接部位膨胀试验，并在试验过程中有效地避免了横向方向失稳，为实体膨胀管膨胀性能检测、研究评价、膨胀管连接结构研究和改进提供了一种实验室内有效模拟实际工况的膨胀试验方法。

附图说明

图1为本发明所采用装置端部起胀时的结构示意图。

图2为本发明所采用装置膨胀试验时的的结构示意图。

具体实施方式

本发明发法所采用的试验装置包括加载机架、膨胀试验系统、膨胀夹持系统、传感器系统，加载机架由端横梁15、导轨2、导向横梁3、中横梁8、机架侧壁组成，导向横梁3和中横梁8可沿导轨2轴向移动，中横梁8横向上设有液压销钉，可与机架侧壁上的销孔9连接使中横梁8固定，膨胀试验系统包括液压油缸1、活塞杆23、拉杆6、膨胀锥17、定位法兰16和高压注水机构21，液压油缸1、活塞杆23、拉杆5、膨胀锥17顺次连接构成机械拉伸膨胀实验装置，定位法兰16、高压注水机构21和膨胀锥17构成液压膨胀实验装置，膨胀夹持系统包括三抓卡盘10、起胀浮动夹具12、膨胀夹具20和定位法兰16，三抓卡盘10和起胀浮动夹具12作为端部起胀试验时夹持试验试样11的定径膨胀夹持装置，膨胀夹具20和定位法兰16作为膨胀管膨胀试验时夹持试验试样11的变径膨胀夹持装置，传感器系统包括位移及速度传感器25、力传感器4、径向变形传感器13和液压传感器22，膨胀试验系统安装在加载机架上，加载机架一侧设有膨胀夹持系统，膨胀夹持系统夹持试验试样11，位移及速度传感器25设于活塞杆23上，导向横梁3上设有力传感器4，膨胀夹持系统夹持的试样11外表面沿周向设有2～8个径向变形传感器13，密封法兰19上设有液压传感器22。

下面通过实施例具体说明。

实施例1：

1)、试样及膨胀锥准备。准备J55钢级实体膨胀管11Φ139.7mm×7.72mm×10000mm一根，经检查无表面缺陷，试样11两端截面与管体轴向垂直，试样两端打磨无毛刺及缺失，选择膨胀锥外径为143mm，膨胀锥外径与实体膨胀管11试样膨胀后内径相同，膨胀锥角为8度，计算膨胀锥膨胀幅度：

膨胀锥膨胀幅度＝(膨胀锥外径-实体膨胀管试样内径)/实体膨胀管试样内径

膨胀锥膨胀幅度为15％。

2)、端部起胀。将试样11内穿入拉杆6装入膨胀试验装置内，控制三抓卡盘10和定位法兰16将膨胀管试样固定，确保试样中心、拉杆6同活塞23中心同轴，调整试样位置使试样11右端伸出定位法兰600mm，拉杆6右端通过螺纹装配上膨胀锥17，左端通过铰接方式5与导向横梁3连接。将中横梁8通过销孔9固定，使膨胀管试样左端固定，右端自由，在加载机架侧壁上的销孔9内装入起胀浮动夹具12，调整夹具12夹持直径与膨胀管试样11外径相符合并牢固夹持，在油缸活塞23的带动下，导向横梁3通过拉杆6牵引膨胀锥17以1m/s的速度由右向左对试样完成端部起胀，起胀长度500mm。

3)、膨胀试验准备。端部起胀完成后，膨胀管试样11起胀端焊接端部密封法兰19，中横梁8上的液压销钉从销孔9收回，控制中横梁8和导向横梁3左移，将端部密封法兰19固定在定位法兰16上，从加载机架侧壁上的销孔9内卸去起胀浮动夹具12，合上膨胀夹具20，三抓卡盘10松开左移，此时膨胀管试样11右端固定，左端和径向自由。径向变形传感器13固定在膨胀管试样11的外表面，传感器数量4组，间距1000mm。

4)、膨胀试验。开动油缸1通过活塞杆23和导向横梁3带动拉杆6牵引膨胀锥17，控制膨胀锥17以9.1m/s的膨胀速度由右向左完成整管膨胀，当膨胀至膨胀锥17从膨胀管试样11左端脱出时，完成膨胀试验。

5)、数据采集及分析。传感器系统记录并输出膨胀锥17起胀拉伸载荷为477.4kN，在起胀之后的位移值为9503.52mm、速度值为9.1m/s，拉伸载荷为501.7kN，膨胀管试样径向膨胀应力平均值为412.6MPa，实体膨胀管试样11通过15％膨胀试验，径向回弹量为0.172mm，膨胀后外径为157.8mm，膨胀后壁厚为7.06mm，通过试验评价，此规格实体膨胀管在膨胀速度9.1m/s作业施工时所需膨胀拉伸载荷为477～502kN，未发生开裂等失效，径向回弹较小，满足井下膨胀作业队对膨胀管性能要求，同时可根据膨胀后外径及壁厚设计膨胀工艺和管柱。

实施例2：

1)、试样及膨胀锥准备。准备L80钢级实体膨胀管Φ177.8mm×9.19mm×5000mm试样两根，其中一根带直连型公螺纹，一根带直连型母螺纹，将两根试样螺纹上紧后组成试验用膨胀管试样11，经检查无表面缺陷，选择膨胀锥外径为180.3mm，膨胀锥角为8度，膨胀锥膨胀幅度为13.1％。

2)、端部起胀。打开保护罩18，将实体膨胀管试样11内装入拉杆6一起吊入膨胀实验装置右侧内，控制三抓卡盘10和定位法兰16将膨胀管试样固定，确保试样中心同拉杆6、活塞杆23中心同轴，调整中横梁位置使试样右端伸出定位法兰700mm，拉杆6右端通过螺纹装配上膨胀锥17，左端通过铰接方式5与导向横梁3连接。将中横梁8通过销孔9固定，使膨胀管试样左端固定，右端自由，同时在右边几个销孔9内装上起胀浮动夹具12牢固加持住膨胀管试样防止轴向失稳，在油缸活塞23的带动下，导向横梁3通过拉杆6牵引膨胀锥17以2m/s的速度由右向左对试样完成端部起胀，起胀长度600mm。

3)、膨胀试验准备。端部起胀完成后，膨胀管试样11起胀端焊接端部密封法兰19，解除中横梁8在销孔9上的固定，控制中横梁8和导向横梁3左移，将端部密封法兰19和定位法兰16固定在一起，卸去起胀浮动夹具12，合上膨胀夹具20，膨胀夹具可随膨胀管径向膨胀动态加持，三抓卡盘10松开左移，此时膨胀管试样右端固定，左端和径向自由。径向变形传感器13固定在膨胀管试样11的外表面，传感器数量6组，在螺纹连接处间距300mm布置2组传感器，其余传感器间距1500mm。

4)、膨胀试验。在端部密封法兰19中心接上高压水压系统21，高压水压系统21通入高压水，液压载荷保持在20.1MPa，同时控制油缸1施加一定的拉伸载荷，使膨胀锥17在拉伸载荷和液压推动的复合作用下按8m/s速度由右向左完成整管膨胀，当膨胀至膨胀锥17从膨胀管试样11左端脱出时，完成膨胀试验。

5)、数据采集及分析。传感器系统记录并输出膨胀锥17起胀液压力为628.1kN，在起胀之后的位移值为9388mm、速度值为8m/s，液压载荷保持在20.1MPa时通过管体时的拉伸载荷为251.0kN，通过螺纹连接部位时的拉伸载荷为327.7kN，膨胀管试样11管体径向膨胀应力平均值为633.9MPa，膨胀管试样11螺纹接头径向膨胀应力平均值为737.4MPa，实体膨胀管试样11通过13.1％膨胀试验，径向回弹量为0.298mm，膨胀后外径为197.36mm，膨胀后壁厚为8.52mm。

通过试验评价，此规格带螺纹连接结构的实体膨胀管经过膨胀后螺纹结构仍可满足20.1MPa的密封能力，螺纹接头未发生泄漏失效，实体膨胀管管体未发生开裂等失效，在膨胀速度为8m/s的液压拉伸复合膨胀作业施工时，液压20.1MPa时膨胀所需最大拉伸载荷约为330kN，径向回弹较小，膨胀性能良好，满足井下膨胀作业对膨胀管性能要求，

拉杆6、膨胀锥17和端部密封法兰19可根据试样规格的不同而更换，以满足实体膨胀管不同规格、不同膨胀率的需求。

油缸可提供0～2000KN轴向可控机械拉伸载荷；水压系统可提供0～80MPa液压力，并可实现可调控制。

本发明装置采用微机电液伺服系统控制方式实现力、位移闭环控制，且两种方式可平滑切换。

Claims (1)

1.一种对实体膨胀管进行复合载荷膨胀试验的方法，本方法通过实体膨胀管复合加载膨胀试验装置来实现，所述的实验装置包括加载机架、膨胀试验系统、膨胀夹持系统、传感器系统，加载机架由端横梁(15)、导轨(2)、导向横梁(3)、中横梁(8)、机架侧壁组成，膨胀试验系统包括液压油缸(1)、活塞杆(23)、拉杆(6)、膨胀锥(17)、定位法兰(16)和高压注水机构(21)，液压油缸(1)、活塞杆(23)、拉杆(6)、膨胀锥(17)顺次连接构成机械拉伸膨胀实验装置，定位法兰(16)、高压注水机构(21)和膨胀锥(17)构成液压膨胀实验装置，膨胀夹持系统包括三抓卡盘(10)、起胀浮动夹具(12)、膨胀夹具(20)和定位法兰(16)，三抓卡盘(10)和起胀浮动夹具(12)作为端部起胀试验时夹持试验试样(11)的定径膨胀夹持装置，膨胀夹具(20)和定位法兰(16)作为膨胀管膨胀试验时夹持试验试样(11)的变径膨胀夹持装置，传感器系统包括位移及速度传感器(25)、力传感器(4)、径向变形传感器(13)和液压传感器(22)，位移及速度传感器(25)设于活塞杆(23)上，导向横梁(3)上设有力传感器(4)，膨胀夹持系统夹持的试样(11)外表面沿周向设有2～8个径向变形传感器(13)，密封法兰(19)上设有液压传感器(22)，其特征在于：所述的方法包括如下步骤：

1)、试样及膨胀锥准备：准备试验用实体膨胀管试样一根，选择试验用膨胀锥，膨胀锥外径与实体膨胀管试样膨胀后内径相同，计算膨胀锥膨胀幅度：

膨胀锥膨胀幅度＝(膨胀锥外径-实体膨胀管试样内径)/实体膨胀管试样内径

2)、端部起胀：将准备实施膨胀试验的实体膨胀管试样(11)内部穿入拉杆(6)，将拉杆(6)和膨胀管试样(11)一起装入膨胀试验装置，用三抓卡盘(10)和定位法兰(16)将膨胀管试样(11)固定，确保试样(11)中心、拉杆(6)和油缸活塞(23)中心同轴，调整试样(11)位置使试样(11)右端伸出定位法兰(16)外500～800mm，拉杆(6)右端装配上膨胀锥(17)，左端与导向横梁(3)铰接，将中横梁(8)通过液压销钉固定在机架侧壁的销孔(9)上，使膨胀管试样(11)左端固定，右端自由，在加载机架侧壁上的销孔(9)内装入起胀浮动夹具(12)，调整夹具(12)夹持直径与膨胀管试样(11)外径相符合并牢固夹持，在油缸活塞(23)的带动下，导向横梁(3)通过拉杆(6)牵引膨胀锥(17)以1～9m/s的速度由右向左对试样(11)进行端部起胀，起胀长度500～800mm；

3)、膨胀试验准备：端部起胀完成后，膨胀管试样(11)起胀端焊接端部密封法兰(19)，中横梁(8)上的液压销钉从销孔(9)收回，控制中横梁(8)和导向横梁(3)左移，移动至使端部密封法兰(19)固定在定位法兰(16)上，从加载机架侧壁上的销孔(9)内卸去起胀浮动夹具(12)，合上膨胀夹具(20)，三抓卡盘(10)松开左移，此时膨胀管试样(11)右端固定，左端和径向自由，径向变形传感器(13)固定在膨胀管试样(11)的外表面，径向变形传感器数量2～8组，间距500～1500mm；

4)、膨胀试验：实体膨胀管膨胀试验按以下三种方式中任何一种来实现：

a、机械拉伸膨胀试验：开动油缸(1)通过活塞杆(23)和导向横梁(3)带动拉杆(6)牵引膨胀锥(17)，控制油缸(1)施加拉伸载荷50KN～2000KN，或者控制膨胀锥(17)以1m/s～20m/s的膨胀速度由右向左完成整管膨胀，当膨胀至膨胀锥(17)从膨胀管试样(11)左端脱出时，完成膨胀试验；

b、液压膨胀试验：撤去拉杆(6)，收回导向横梁(3)，在端部密封法兰(19)中心接上高压水压系统(21)，高压水压系统(21)通入高压水，控制高压水压载荷10MPa～80MPa推动膨胀锥(17)由右向左完成整管膨胀，当膨胀至膨胀锥(17)从膨胀管试样(11)左端脱出时，完成膨胀试验；

c、机械液压复合膨胀试验：在端部密封法兰(19)中心接上高压水压系统(21)，高压水压系统(21)通入高压水，液压载荷为10MPa～50MPa，同时开动油缸(1)通过活塞杆(23)和导向横梁(3)带动拉杆(6)牵引膨胀锥(17)，控制油缸(1)施加拉伸载荷50KN～2000KN，使膨胀锥(17)在拉伸载荷和液压推动的复合作用下按1m/s～20m/s速度由右向左完成整管膨胀，当膨胀至膨胀锥(17)从膨胀管试样(11)左端脱出时，完成膨胀试验；

5)、数据采集及分析：膨胀过程中传感器系统记录并输出膨胀锥(17)的位移值、速度值、膨胀时的拉伸载荷值、膨胀管试样膨胀过程中径向的应力应变与膨胀后的回弹变形，液压膨胀时的液压大小，使用常规超声波测厚仪及游标卡尺测量膨胀后试样的壁厚、外径以及轴向收缩量，通过这些参数的分析，对实体膨胀管试样的膨胀性能进行评价。

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