CN103308390B - 套管非均匀外压加载试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种套管非均匀外压加载试验装置及方法，包括：橡胶套为轴向中心设有截面为圆形的通道的管状橡胶套，橡胶套套设于一待测的套管外；橡胶套横截面的外周为非圆形的曲面；挤压缸套设于橡胶套外，形成容置高压介质的压力腔；机械封堵装置，密封设置于挤压缸的两端，其中心设有套管孔，套管穿过所述套管孔；橡胶套两端抵顶机械封堵装置的内侧面，且机械封堵装置的套管孔与套管外周壁之间密封设置；外压载荷系统，与挤压缸连通，并向挤压缸内注入高压介质；管端夹持机构用以夹持固定套管的两端；压力检测系统，通过设置于套管外壁的压力传感器检测套管外壁的压力；管端夹持机构固定于试验机架上。从而实现对套管施加非均匀外压下的复合载荷压力试验。

Description

套管非均匀外压加载试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种套管外压加载试验，尤其是涉及一种套管非均匀外压加载试验装置及方法。

背景技术

石油套管服役过程中在外压作用下发生挤毁是其主要失效形式之一，诸多实践和研究表明，大量套管的挤毁失效是由非均匀地层外压载荷造成的。套管在非均匀外压作用下内部发生应力集中，比受均匀外压时更容易导致套管变形或失稳而丧失承载能力。在油气井开发生产过程中，由于受到岩盐层、泥岩层等的蠕变作用及其他复杂地质因素、工程因素影响，使得套管围压存在非均匀分布的情况。尤其对于方兴未艾的煤层气及页岩气开发过程，由于涉及长距离的水平井段及其通常需采用反复多次酸化压裂工艺而导致地应力变化等因素更加剧了套管外压的非均匀效应。目前传统的套管产品质量检测及适用性评价试验中大都没有考虑非均匀外压的情况，国际通行的API(American Petroleum Institute美国石油学会)标准也只给出了均匀外压作用下套管抗挤毁能力的评价方法和指标，尚不能满足实际工程需要。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种套管非均匀外压加载试验装置及方法，能够检测套管在非均匀外压作用下的复合载荷实物性能。

本发明的技术解决方案是：

一种套管非均匀外压加载试验装置，其中，该试验装置包括：

橡胶套，其为轴向中心设有截面为圆形的通道的筒状橡胶套，该橡胶套套设于一待测的套管外；所述橡胶套横截面的外周为非圆形的曲面；所述橡胶套横截面的外周曲线为椭圆形；

挤压缸，其套设于所述橡胶套外，并且该挤压缸与所述橡胶套之间形成容置高压介质的压力腔；

机械封堵装置，密封设置于所述挤压缸的两端，其中心设有套管孔，所述套管穿过所述套管孔；所述橡胶套两端抵顶所述机械封堵装置的内侧面，且所述机械封堵装置的套管孔与所述套管外周壁之间密封设置；

外压载荷系统，与所述挤压缸连通，并向所述挤压缸内注入高压介质；

管端夹持机构，用以夹持固定所述套管的两端；

压力检测系统，通过设置于所述套管外壁的压力传感器检测所述套管外壁的压力；

试验机架，所述管端夹持机构固定于所述试验机架上；

其中，该试验装置设有轴向载荷液压动力系统，其与所述管端夹持机构连接，并驱动所述管端夹持机构对所述套管两端进行拉伸或挤压动作。

上述的套管非均匀外压加载试验装置，其中，所述橡胶套内径范围为116.3mm至510mm。

上述的套管非均匀外压加载试验装置，其中，其长轴外径范围为518mm至1100mm，其短轴外径范围为318mm至710mm。

上述的套管非均匀外压加载试验装置，其中，该试验装置包括多个用于替换的橡胶套，每个所述橡胶套具有对应不同压力检测需求的套管的不同的内径和外径的组合。

一种套管非均匀外压加载试验方法，其中，该方法包括以下步骤：

a、用一橡胶套套设于一待测套管外周侧，该橡胶套内径略大于或等于所述套管外径，且该橡胶套的截面环的外周为非圆形的曲线，所述橡胶套横截面的外周曲线为椭圆形，用以对上述套管施加非均匀的外压；于所述套管外壁安装压力传感器；

b、将所述橡胶套固定于一挤压缸中，所述挤压缸与一外压载荷系统连接；并将所述套管两端固定于一机架上；

c、启动所述外压载荷系统对所述套管表面施加压力，使用一压力检测系统通过所述压力传感器检测所述套管外壁的压力；

其中，在步骤c中还包括，通过一轴向载荷液压动力系统驱动所述管端夹持机构，使所述管端夹持机构对所述套管两端进行拉伸或挤压动作，对所述套管施加轴向的载荷。

上述的套管非均匀外压加载试验方法，其中，所述步骤c后，还包括根据所述套管不同压力检测的需求，更换截面环的外周为不同的形状曲线的橡胶套进行套管的另一压力检测。

由以上说明得知，本发明确实具有如下的优点：

本发明设计一种套管非均匀外压复合加载实物试验装置，采用套管外壁加椭圆形截面橡胶套并施加静水压的方式解决套管非均匀外压加载问题，同时管端可施加拉伸/压缩载荷，模拟井下套管实际工况。该试验装置对套管试样施加非均匀外压下的复合载荷，可用于套管的综合质量检测及适用性评价分析。

1，以套管外加截面为非规则圆形(例如椭圆形)的橡胶套并加水压的方式实现套管外壁不均匀外压加载，以橡胶套的几何各向异性产生加载的非均匀效应，不均匀压力梯度过度平缓，并可通过改变橡胶套几何尺寸控制外压不均匀系数。试验方法简便易行。

2，套管外壁接触面积较大导致外压总载荷较高，如果采用机械加载会大大增加试验成本。本发明利用水压方式实现非均匀外压加载，加载效率高，试验成本低。

3，本发明可在加不均匀外压的同时施加轴向拉伸/压缩载荷，实现复合加载。可以较真实的模拟套管井下实际工况环境。

附图说明

图1为本发明的总体装配示意图；

图2为本发明的挤压缸侧面剖视示意图；

图3为本发明的挤压缸横向剖视示意图。

附图标号说明：

1：试验机架                    2：管端夹持机构

3：挤压缸                      4：套管

5：压力检测系统                6：外压载荷系统

7：轴向载荷液压动力系统        8：橡胶套

9：机械封堵装置                10：高压介质

具体实施方式

本发明的一种套管非均匀外压加载试验装置，较佳实施例中该试验装置包括：橡胶套，其为轴向中心设有截面为圆形的通道的管状橡胶套，该橡胶套套设于一待测的套管外；所述橡胶套横截面的外周为非圆形的曲面；挤压缸套设于所述橡胶套外，并且该挤压缸与所述橡胶套之间形成容置高压介质的压力腔；机械封堵装置密封设置于所述挤压缸的两端，其中心设有套管孔，所述套管穿过所述套管孔；所述橡胶套两端抵顶所述机械封堵装置的内侧面，且所述机械封堵装置的套管孔与所述套管外周壁之间密封设置；外压载荷系统与所述挤压缸连通，并向所述挤压缸内注入高压介质；管端夹持机构用以夹持固定所述套管的两端；压力检测系统通过设置于所述套管外壁的压力传感器检测所述套管外壁的压力；试验机架所述管端夹持机构固定于所述试验机架上。

本发明的一种套管非均匀外压加载试验方法，较佳的，该方法包括以下步骤：

a、用一橡胶套套设于一待测套管外周侧，该橡胶套内径略大于或等于所述套管外径，且该橡胶套的截面环的外周为非圆形的曲线，用以对上述套管施加非均匀的外压；于所述套管外壁安装压力传感器；

b、将所述橡胶套固定于一挤压缸中，所述挤压缸与一外压载荷系统连接；并将所述套管两端固定于一机架上；

c、启动所述外压载荷系统对所述套管表面施加压力，使用一压力检测系统通过所述压力传感器检测所述套管外壁的压力。

本发明能够检测套管在非均匀外压作用下的复合载荷的实物性能；采用套管外壁加椭圆形截面橡胶套并施加静水压的方式解决套管非均匀外压加载问题，模拟井下套管实际工况。该试验装置对套管试样施加非均匀外压下的复合载荷，可用于套管的综合质量检测及适用性评价分析。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

请参阅图1至图3所示，本发明的一种套管非均匀外压加载试验装置，其较佳的实施例中，该试验装置包括：橡胶套8、挤压缸3、机械封堵装置9、外压载荷系统6、管端夹持机构2、压力检测系统5及试验机架1。

所述橡胶套8为轴向中心设有截面为圆形的通道的管状橡胶套8，该橡胶套8用以套设于一待测的套管4外，通过橡胶套8作为中间传力机构，除了隔绝外部介质直接接触套管4外壁以外，还用以使套管4外壁受力均匀分散，不会产生集中的受力点，影响测试效果。另外，所述橡胶套8横截面的外周为非圆形的曲面，常用的圆形截面的橡胶套8，不能实现套管4的非均匀分布受力的特殊情况，故将橡胶套8设置为非均匀的外周曲面，使受力根据需要进行设计，能够极其精确地模拟再现套管4各部分受到不同压力情况的综合试验。

所述挤压缸3套设于所述橡胶套8外，并且该挤压缸3与所述橡胶套8之间形成容置高压介质10的压力腔；通过在挤压缸3与橡胶套8之间形成一密封的压力腔，容置高压介质10，挤压缸3的压力通过高压介质10作用于橡胶套8上，能够有效地保护橡胶套8，并且使橡胶套8的受力更为均匀。较佳的，所述高压介质10可以为水、油或者气体等。所述机械封堵装置9密封设置于所述挤压缸3的两端，其中心设有套管孔，所述套管4穿过所述套管孔，并向外延伸，所述管端夹持机构2用以夹持固定所述套管4的两端将其固定。所述管端夹持机构固定于所述试验机架1上，保证套管4试验过程中的稳定。所述橡胶套8两端抵顶所述机械封堵装置9的内侧面，且所述机械封堵装置9的套管孔与所述套管外周壁之间密封设置，使整个压力腔完全的密封，保证高压介质10在压力腔内不会泄露。所述外压载荷系统6与所述挤压缸3连通，并向所述挤压缸3内注入高压介质10，通过控制外压载荷系统6的输出压力大小，可以对挤压缸3的输出压力进行控制，使套管4承受设定的压力。同时所述压力检测系统5通过设置于所述套管外壁的压力传感器检测所述套管外壁的压力，通过对套管4施加预设压力，经由非均匀外周曲面的橡胶套8的压力传递，使套管受到非均匀的压力载荷能够更为真实地模拟实际生产中套管载荷的情况。

如上所述的本发明的套管非均匀外压加载试验装置，其中，较佳的，所述橡胶套8内径范围为116.3mm至510mm。该范围主要涵盖了产用套管的使用范围，但可以根据需要，对不同外径大小的套管进行配套制作相应内径的橡胶套8，以完成压力载荷试验。

如上所述的本发明的套管非均匀外压加载试验装置，其中，所述橡胶套8的非均匀的外周曲面能够在接收外力的作用后传递给套管4，并根据橡胶套8的形状和厚度对套管产生不同的压力，在本实施例中，较佳的，所述橡胶套8的截面为椭圆形截面。

如上所述的本发明的套管非均匀外压加载试验装置，较佳的，所述外周截面曲线为椭圆形的橡胶套8，其长轴外径范围为518mm至1100mm，其短轴外径范围为318mm至710mm。同样，该尺寸主要涵盖了较为普遍的外部载荷压力的需求，若有特殊外部载荷的需求，也可以具体设定长轴和短轴的比例，并不以此为限。

如上所述的本发明的套管非均匀外压加载试验装置，其中，为了使本试验装置能够适应不同的需求，该橡胶套8是可以更换的，并且易拆卸；较佳的，该试验装置包括多个用于替换的橡胶套8，每个所述橡胶套8具有对应不同压力检测需求的套管4的不同的内径和外径的组合；当需要对套管4进行不同外部载荷试验的时候，只需更换相应的橡胶套8即可。

如上所述的本发明的套管非均匀外压加载试验装置，其中，本试验装置中除了对套管垂直轴向的载荷进行试验外，较佳的，该试验装置设有轴向载荷液压动力系统7，其与所述管端夹持机构2连接，并驱动所述管端夹持机构2对所述套管4两端进行拉伸或挤压动作，借此，通过对轴向载荷液压动力系统7的输出控制，可以使管端夹持机构2对套管产生了沿轴向的拉伸或挤压的作用力。更进一步的，该管端夹持机构2在夹持套管4的同时还可以进行旋转动作，两端分别以不同方向拧转套管4，对套管4施加旋转扭曲的压力，更进一步的模拟特殊的套管外部载荷情况。

本发明的一种套管非均匀外压加载试验方法，其较佳的实施例中，请一并参照图1至图3所示，该方法包括以下步骤：

a、用一橡胶套8套设于一待测套管外周侧，该橡胶套8内径略大于或等于所述套管外径，且该橡胶套8的截面环的外周为非圆形的曲线，用以对上述套管4施加非均匀的外压；于所述套管4外壁安装压力传感器。较佳的情况下，采用截面环的外周为非圆形的曲线的橡胶套8对套管进行包覆，通过非均匀外表面的作用，套管4能够接受非均匀外力的作用。

b、将所述橡胶套8固定于一挤压缸3中，所述挤压缸3与一外压载荷系统6连接；并将所述套管两端固定于一机架上。通过控制外压载荷系统6，对挤压缸3的输出压力进行控制，使其施加于载荷橡胶套8上，从而作用于套管外表面。较佳的，所述挤压缸3与所述橡胶套8之间通过高压介质10传递压力。

c、启动所述外压载荷系统6对所述套管表面施加压力，使用一压力检测系统5通过所述压力传感器检测所述套管外壁的压力。经由压力传感器检测得到的位于套管表面的压力大小能够直观地得到套管各部分所受压力大小的状况，借以对套管经受压力过程中所产生的变化进行有效分析。

如上所述的本发明的套管非均匀外压加载试验方法，较佳的，所述橡胶套8的截面环的外周为椭圆形曲线，采用具有椭圆形的外周曲线截面的橡胶套8，能够较为直接地模拟上下两侧及水平两侧不同压力的情况。

如上所述的本发明的套管非均匀外压加载试验方法，较佳的，所述步骤c后，还包括根据所述套管不同压力检测的需求，更换截面环的外周为不同的形状曲线的橡胶套8进行套管的另一压力检测。使本试验装置能够适应不同的需求，该橡胶套8是能够被更换的，并且易拆卸；当需要对套管进行不同外部载荷试验的时候，则更换相应外形的橡胶套8。

如上所述的本发明的套管非均匀外压加载试验方法，较佳的，在步骤c中还包括，通过一轴向载荷液压动力系统7驱动所述管端夹持机构2，使所述管端夹持机构2对所述套管两端进行拉伸或挤压动作，对所述套管施加轴向的载荷。该方法除了对套管垂直轴向的载荷进行试验外，通过对轴向载荷液压动力系统7的输出控制，可以使管端夹持机构2对套管产生了沿轴向的拉伸或挤压的作用力。

更进一步的，该方法还包括使该管端夹持机构2在夹持套管的同时还可以进行旋转动作，两端分别以不同方向拧转套管，对套管施加旋转扭曲的压力，更进一步的模拟特殊的套管外部载荷对套管性能的影响的各种情况。

如上所述本发明的一种套管非均匀外压复合加载实物试验装置，下面以其一较佳的试试方式为例，对该装置的工作内容和过程进行举例说明，该实施例中：

(1)该试验装置结构包括：椭圆形截面橡胶套8、挤压缸3、机械封堵装置9、试验机架1、管端夹持机构2、轴向载荷液压动力系统7、外压载荷系统6(水压)以及压力检测系统5。试验装置总装图如图1所示。

(2)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检测。试验机架1的尺寸为8000mm×3500mm×3500mm；挤压缸3的尺寸为Φ2000mm×400mm；橡胶套8设置为不同规格系列，以匹配于不同规格的套管并适应于试验的外压不均匀性要求，橡胶套8内径涵盖Φ116.30mm～Φ510.00mm，其长轴外径518mm～1100mm、短轴外径318mm～710mm。

(3)试验准备：首先将规格匹配的橡胶套8装配于套管试样外壁，并安装用于检测套管外壁压力的传感器。然后将装配橡胶套8的套管试样置于挤压缸3内，并在挤压缸3两侧端部安装机械封堵装置9。最后通过管端夹持机构2将试样安装于试验机架1内，并连接轴向载荷液压动力系统7和外压载荷系统。安装完毕的挤压缸3剖视图如图2及图3所示。

(4)试验过程：通过外压载荷系统向挤压缸3内高压注水，静水压力作用于橡胶套8外壁，由橡胶套8的椭圆形结构产生了其内壁与套管外壁接触压力的不均匀效应，不同的规格的橡胶套8受力后产生不同的压力不均匀性系数。压力检测系统5实时获取套管外壁的压力信息。通过轴向载荷液压动力系统7对套管试样施加拉伸、压缩载荷。从而试验模拟了套管在井下承受非均匀外压及轴向载荷的复合载荷状态，该试验装置具备将套管试样挤毁的能力。

所发明的套管非均匀外压复合加载实物试验装置，可模拟井下套管承受的非均匀外压并轴向拉伸/压缩的复合载荷状态，填补了现有套管实物试验方法、装备和标准中不涉及非均匀外压情况的空白，可用于套管的综合质量检测及适用性评价分析。本发明具有如下的优点：

1，以套管外加椭圆形橡胶套并加水压的方式实现套管外壁不均匀外压加载，以橡胶套的几何各向异性产生加载的非均匀效应，不均匀压力梯度过度平缓，并可通过改变橡胶套几何尺寸控制外压不均匀系数。试验方法简便易行。

2，套管外壁接触面积较大导致外压总载荷较高，如果采用机械加载会大大增加试验成本。本发明利用水压方式实现非均匀外压加载，加载效率高，试验成本低。

3，本发明可在加不均匀外压的同时施加轴向拉伸/压缩载荷，实现复合加载。可以较真实的模拟套管井下实际工况环境。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种套管非均匀外压加载试验装置，其特征在于，该试验装置包括：

橡胶套，其为轴向中心设有截面为圆形的通道的管状橡胶套，该橡胶套套设于一待测的套管外；所述橡胶套横截面的外周为非圆形的曲面；所述橡胶套横截面的外周曲线为椭圆形；

挤压缸，其套设于所述橡胶套外，并且该挤压缸与所述橡胶套之间形成容置高压介质的压力腔；

机械封堵装置，密封设置于所述挤压缸的两端，其中心设有套管孔，所述套管穿过所述套管孔；所述橡胶套两端抵顶所述机械封堵装置的内侧面，且所述机械封堵装置的套管孔与所述套管外周壁之间密封设置；

外压载荷系统，与所述挤压缸连通，并向所述挤压缸内注入高压介质；

管端夹持机构，用以夹持固定所述套管的两端；

压力检测系统，通过设置于所述套管外壁的压力传感器检测所述套管外壁的压力；

试验机架，所述管端夹持机构固定于所述试验机架上；

其中，该试验装置设有轴向载荷液压动力系统，其与所述管端夹持机构连接，并驱动所述管端夹持机构对所述套管两端进行拉伸或挤压动作。

2.如权利要求1所述的套管非均匀外压加载试验装置，其特征在于，所述橡胶套内径范围为116.3mm至510mm。

3.如权利要求2所述的套管非均匀外压加载试验装置，其特征在于，其长轴外径范围为518mm至1100mm，其短轴外径范围为318mm至710mm。

4.如权利要求3所述的套管非均匀外压加载试验装置，其特征在于，该试验装置包括多个用于替换的橡胶套，每个所述橡胶套具有对应不同压力检测需求的套管的不同的内径和外径的组合。

5.一种套管非均匀外压加载试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a、用一橡胶套套设于一待测套管外周侧，该橡胶套内径略大于或等于所述套管外径，且该橡胶套的截面环的外周为非圆形的曲线，所述橡胶套横截面的外周曲线为椭圆形，用以对上述套管施加非均匀的外压；于所述套管外壁安装压力传感器；

b、将所述橡胶套固定于一挤压缸中，所述挤压缸与一外压载荷系统连接；并将所述套管两端固定于一机架上；

c、启动所述外压载荷系统对所述套管表面施加压力，使用一压力检测系统通过所述压力传感器检测所述套管外壁的压力；其中，在步骤c中还包括，通过一轴向载荷液压动力系统驱动管端夹持机构，使所述管端夹持机构对所述套管两端进行拉伸或挤压动作，对所述套管施加轴向的载荷。

6.如权利要求5所述的套管非均匀外压加载试验方法，其特征在于，所述步骤c后，还包括根据所述套管不同压力检测的需求，更换截面环的外周为不同的形状曲线的橡胶套进行套管的另一压力检测。