CN104458443A - 抗层间剪切强度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗层间剪切强度测试方法，包括步骤：1）将复合材料管材沿轴向剪切出若干个长度相同的测试试样，并通过夹具检测机构对试样及通过丢手工具对剩下的管材分别进行检测；2）通过夹具测试机构剪切出的多个试样分别进行测试，取多个试样的压力最大值中值最小的作为抗层间剪切强度F₁；以及通过丢手工具测得的丢手接头的剪切破坏载荷F₂；通过公式计算试样的抗层间剪切强度τ₁，通过公式计算丢手接头的剪切破坏强度τ₂；3）根据公式计算对应关系系数α；4）针对不同的复合材料制成的井下工具增加安全系数β，根据公式来得到井下工具层间破坏时的泵压P，即抗层间剪切强度；该测试方法能减少因管材抗层间剪切强度不够而造成的完井施工失败。

Description

抗层间剪切强度测试方法

技术领域

本发明涉及一种测试方法，具体涉及对用于加工制作非金属井下工具的复合材料的抗层间剪切强度测试方法。

背景技术

随着非常规油气藏及高温高压油气藏的大规模开发，对于完井工具的性能提出了更高的要求。由于非金属材料与金属材料相比，具有耐腐蚀、强度高、质量轻、易钻铣、易返排等优点，自20世纪90年代后，利用非金属材料制造井下工具的技术得到了快速发展。国内石油工业在进行井下工具研制及选择复合材料时，发现缠绕型玻璃纤维增强复合材料，用于制作易钻除、高强度井下工具具有较好的使用前景。

由于井下工况需要，该复合材料加工制作成井下工具后，在井下使用过程中不仅要承受高内压和高外压，而且在使用中往往还需嵌入剪钉，其既要通过剪钉在达到一定拉力的情况下使井下工具坐封坐卡，又要当拉力达到一定后，通过复合材料剪断剪钉，以使工具成功脱手，并起出送入管串，实现完井。在此过程中，复合材料要承受较大的轴向层间剪切力。同时，缠绕型复合材料管材制作成的井下工具还须具有可快速被钻头钻除的性能，故强度亦不能过高。因此，该管材须在具有一定抗剪切强度的安全系数的前提下，即使得井下工具能完成井下坐封坐卡动作，同时又可满足快速钻除的性能。

目前尚没有用于对制作井下工具的缠绕型复合材料管材进行轴向层间剪切强度检测的测试方法并根据测试方法判断该缠绕型复合材料管材的抗层间剪切强度是否符合要求。尤其是管材在制造过程中受到加工工艺参数变化的影响，如造成层间纤维粘接缺陷过多，造成层间抗剪切强度达不到要求，但由于肉眼难以分辨，若没有测试方法对层间剪切强度进行测试导致这样的管材被误用，容易造成完井施工失败。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种抗层间剪切强度测试方法，能检测复合材料管材轴向层间剪切强度，从而减少因管材抗层间剪切强度不够而造成的完井施工失败。

本发明的技术解决方案是，提供一种抗层间剪切强度测试方法，它包括以下步骤：

1）将用于制作井下工具的复合材料管材沿轴向剪切出若干个长度相同的测试试样，通过夹具测试机构测试试样的抗层间剪切强度；将剪切试样后的剩余的复合材料管材制作成井下工具用的丢手接头，采用丢手工具测试丢手接头的丢手强度；

2）通过夹具测试机构剪切出的多个试样分别进行测试，取多个试样的压力最大值中值最小的作为抗层间剪切强度F₁；以及通过丢手工具测得的丢手接头的剪切破坏载荷F₂；

3）通过公式计算试样的抗层间剪切强度τ₁，通过公式τ₂＝F₂/(nπR_J×H)计算丢手接头的剪切破坏强度τ₂，其中，R_B为夹具测试机构中的压力加载块的大端直径，R_A为压力加载块的小端直径，n为剪钉数量，H为剪钉吃入深度，R_J为剪钉直径；

4）根据公式α＝τ₂/τ₁计算复合材料管材制成的井下工具与复合材料管材试样的抗剪切强度的对应关系系数α；

5）针对不同的复合材料制成的井下工具增加安全系数β，根据公式F₃＝β×α×τ₁×nπR_J×H和P＝F₃/A来得到井下工具层间破坏时的泵压P，P即复合材料制成的井下工具的抗层间剪切强度；其中，β为无因次量，一般选择为1.10～1.30，A为丢手工具的活塞面积。

与现有技术相比，本发明的抗层间剪切强度测试方法具有以下优点：通过以上步骤可以测试得到复合材料管材制成的井下工具层间破坏时的泵压P，压力P即为复合材料管材所制成的井下工具的抗层间剪切强度，亦该井下工具能承受的最大压力为P。得到抗层间剪切强度后可以选择合适抗层间剪切强度的复合材料管材制成的井下工具，从而能减少甚至避免因管材抗层间剪切强度达不到要求而造成的完井施工失败。同时通过测试可得到多组平行数据，避免测试误差。

作为本发明的一种优选，所述试样包括分别取自管材两端的试样，所述试样的长度为2～20mm。由于管材两端容易出现缺陷而造成抗层间剪切强度不够，两端属于管材的抗层间剪切强度薄弱区域，选取管材两端进行测试，能更好地避免因选取了有缺陷的管材而造成的完井失败。而且选取自管材两端的试样的长度较短，剩余的管材可加工成井下工具，一方面减少管材的浪费，另一方面保证了测试试样与井下工具用复合材料的同一性，保障实验结果直接、可靠。

作为本发明的一种改进，通过夹具测试机构测试试样的抗层间剪切强度，包括以下步骤：

1）将测试试样轴向放置在夹具测试机构的支撑底座上，并进行装夹；

2）通过夹具测试机构的压力加载块和压力加载机分别对测试试样进行加压，其中压力加载块的小端圆柱的直径和大端圆柱的直径分别为R_A和R_B；

3）在测试试样层间未被剪切破坏前，逐步增加加载的压力值；在试样层间强度破坏后，压力加载块下沉进夹具内，压力值快速下降，此时停止加压，记录最大压力值；多个测试试样的最大压力值中最小的为抗层间剪切强度F₁。通过以上步骤可较简单地、较准确地得到试样的抗层间剪切强度。

作为本发明的另一种优选，压力加载块为T型圆柱台，大端圆柱的直径为R_B，小端圆柱的直径为R_A。方便压力加载和方便判断是否已经造成层间破坏。

作为本发明的还有一种优选，所述支撑底座包括设在下端并与小端圆柱配合的小孔和设在上端并与大端圆柱配合的大孔。所述压力加载块的小端与支撑底座的小孔配合能起到定位作用，使得压力加载准确。当试样在压力作用下被层间破坏后，压力加载块的大端掉入大孔内，压力值会迅速下降。

作为本发明的还有一种优选，所述支撑底座的小孔的直径比小端圆柱的直径R_A大0.5～1.0mm，所述支撑底座的大孔的直径比大端圆柱的直径R_B大0.5～1.0mm。方便压力加载块在层间破坏后落入支撑底座，减少摩擦力。

作为本发明的还有一种优选，所述测试试样为4～12组。能使测试结果更接近实际值，且测试工作量在合适的范围内。

作为本发明的另一种改进，所述对试样的测试在温度可调节的环境中进行。由于缠绕型复合材料管材制成的井下工具的抗层间剪切强度受温度影响，可通过调整温度来测试在不同温度下的抗层间剪切强度。

作为本发明的还有一种改进，所述对试样的测试在调温箱内进行。调温箱不仅可以较好地控制温度值，而且在调温箱内测试容易操作和实现。

作为本发明的还有一种优选，所述温度调整范围为10℃～150℃。缠绕型复合材料管材制成的井下工具所处的井下温度范围一般在这个范围内，可较好地模拟井下温度环境。

作为本发明的还有一种优选，所述压力加载机的加载速度为5mm/min～15mm/min。所述加载速度较慢时加载在试样上的压力比较均匀。

附图说明

图1所示是根据本发明的抗层间剪切测试方法进行测试的抗层间剪切测试装置的一种实施例。

图中所示：1、调温箱，2、压力加载机，3、压力加载块，4、试样，5、支撑底座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为根据本发明的抗层间剪切测试方法进行测试的一种抗层间剪切测试装置的实施例。在本实施例中，夹具测试机构包括调温箱1、压力加载机2、压力加载块3和支撑底座5，所述压力加载机2、压力加载块3和支撑底座5均设在调温箱1内。将缠绕型复合材料管材沿轴向剪切出4～12组长度为5mm的试样4。将所述试样4轴向放置在支撑底座5上，并通过压力加载块3对试样4进行装夹。

压力加载机2通过压力加载块3分别对设有剪钉和丢手工具的试样4进行加压，其中压力加载块3为T型圆柱台，大端圆柱的直径为R_B，小端圆柱的直径为R_A。且所述压力加载块3与支撑底座5配合，所述支撑底座5内设有下沉孔，所述下沉孔中的大孔直径比大端圆柱的直径R_B大0.5mm，所述下沉孔中的小孔直径比小端圆柱的直径R_A大0.5mm，所述R_B大于1.5倍的R_A。

在加压测试过程中，在试样4未被层间破坏前，与压力加载机2连接的压力表的数值一直上升；在加压到某值，试样4被层间破坏后，压力加载块3下沉进入夹具的支撑底座5内，压力表的压力值急剧下降；此时停止加压，记录压力表的最大压力值。

通过对4～12组试样4进行加压测试，得到多组设有剪钉的试样4中最大压力值，并选取其中数值最小的作为试样的破坏载荷或抗层间剪切强度F₁。同理得到采用丢手工具检测的丢手接头的破坏载荷F₂。

通过公式计算试样的抗层间剪切强度τ₁，通过公式τ₂＝F₂/(nπR_J×H)计算丢手接头的剪切破坏强度τ₂，其中，R_B为夹具测试机构中的压力加载块的大端直径，R_A为压力加载块的小端直径，n为剪钉数量，H为剪钉吃入深度，R_J为剪钉直径。

根据公式α＝τ₂/τ₁计算复合材料管材制成的井下工具与复合材料管材试样的抗剪切强度的对应关系系数α。

针对不同的复合材料制成的井下工具增加安全系数β，根据公式F₃＝β×α×τ₁×nπR_J×H和P＝F₃/A来得到井下工具层间破坏时的泵压P，P即复合材料制成的井下工具的抗层间剪切强度；其中，A为丢手工具的活塞面积，β为无因次量，一般选择为1.10～1.30，如对于玻璃纤维增强树脂复合材料，β选择1.20。

如下面表1所示，分别为针对两种不同直径管材进行丢手工具式和剪钉嵌入式测试得到的泵压。在该测试中，将缠绕型复合材料管材沿轴向切割成长度为5mm、中间通孔直径为R_A的薄圆柱状，根据图1装夹后，在拉力机上做加压试验，根据试样的长度及中间通孔的直径尺寸加载力，可得出每根缠绕型复合材料管材的轴向层间剪切强度，依次可推断出缠绕型复合材料管材在嵌入剪钉后拉伸剪钉、克服阻力、产生位移、完成做功是否会引起缠绕型复合材料管材分层脱粘破坏。反过来，根据泵压和层间剪切强度数据、剪钉嵌入缠绕型复合材料管材后直径等数据，以及完成做功、克服阻力的数据，即可计算出完成做功所需缠绕型复合材料管的轴向长度。

（1）复合材料轴向抗层间剪切强度

采用夹具在室温条件下对两种不同材料加工的不同批次缠绕型复合材料分别截取5mm试样进行层间剪切力测试，测试结果如下表所示：

表1缠绕型复合材料抗层间剪切强度

两种不同材料加工的不同批次缠绕型复合材料层间剪切强度进行测试结果表明，1#试样的层间剪切强度明显优于2#试样，多次测试表明1#试样的平均层间剪切强度均大于2#试样的抗层间剪切强度34.4MPa。且多次测试结果均具有重复性，且测试离散系数较小，表明该测试方法具有可靠性。

（2）复合材料制成工具剪切试验

将上述对应的试样缠绕管材加工成相对应的井下工具中心管试件，安装规格为M10，钢级为12.8的剪切剪钉后，采用专用送入及丢手工具，对其抗层间剪切力进行测试，与夹具测试结果进行对比。测试结果如下表所示：

表2中心管抗剪切剪钉层间剪切强度

通过将缠绕型复合材料管材制成井下工具中心管接头试样并用工具用剪切剪钉测试其抗层间剪切强度表明，用夹具测试的5mm试样性能与中心管实际抗层间剪切性能具有良好的对应性，采用该方法选用1#配方管材制作井下工具，并在模拟井筒中进行了坐封、丢手及耐压试验，实验过程中工具丢手顺利，井下工具坐封后耐液压压差最高可达到70MPa，满足井下工具的使用要求。表明采用本发明的抗层间剪切测试方法对缠绕型复合材料制成的井下工具的抗剪切力进行测试可靠，可通过该方法来优选及检测复合材料抗层间剪切强度，从而减少了材料的浪费，避免了因不合格的井下工具造成的完井失败，保证施工安全。

虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，然而可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进或替换。尤其是，只要不存在结构上的冲突，各实施例中的特征均可相互结合起来，所形成的组合式特征仍属于本发明的范围内。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (11)

1.一种抗层间剪切强度测试方法，包括以下步骤：

1）将用于制作井下工具的复合材料管材沿轴向剪切出若干个长度相同的测试试样，通过夹具测试机构测试试样的抗层间剪切强度；将剪切试样后的剩余的复合材料管材制作成井下工具用的丢手接头，采用丢手工具测试丢手接头的丢手强度；

2）通过夹具测试机构剪切出的多个试样分别进行测试，取多个试样的压力最大值中值最小的作为抗层间剪切强度F₁；以及通过丢手工具测得的丢手接头的剪切破坏载荷F₂；

3）通过公式计算试样的抗层间剪切强度τ₁，通过公式τ₂＝F₂/(nπR_J×H)计算丢手接头的剪切破坏强度τ₂，其中，R_B为夹具测试机构中的压力加载块的大端直径，R_A为压力加载块的小端直径，n为剪钉数量，H为剪钉吃入深度，R_J为剪钉直径；

4）根据公式α＝τ₂/τ₁计算复合材料管材制成的井下工具与复合材料管材试样的抗剪切强度的对应关系系数α；

5）针对不同的复合材料制成的井下工具增加安全系数β，根据公式F₃＝β×α×τ₁×nπR_J×H和P＝F₃/A来得到井下工具层间破坏时的泵压P，P即复合材料制成的井下工具的抗层间剪切强度；其中，β为无因次量，一般选择为1.10～1.30，A为丢手工具的活塞面积。

2.根据权利要求1所述的抗层间剪切强度测试方法，其特征在于，所述试样包括分别取自管材两端的试样，所述试样的长度为2～20mm。

3.根据权利要求1或2所述的抗层间剪切强度测试方法，其特征在于，通过夹具测试机构测试试样的抗层间剪切强度，包括以下步骤：

1）将测试试样轴向放置在夹具测试机构的支撑底座上，并进行装夹；

2）通过夹具测试机构的压力加载块和压力加载机分别对测试试样进行加压，其中压力加载块的小端圆柱的直径和大端圆柱的直径分别为R_A和R_B；

3）在测试试样层间未被剪切破坏前，逐步增加加载的压力值；在试样层间强度破坏后，压力加载块下沉进夹具内，压力值快速下降，此时停止加压，记录最大压力值；多个测试试样的最大压力值中最小的为抗层间剪切强度F₁。

4.根据权利要求3所述的抗层间剪切强度测试方法，其特征在于，压力加载块为T型圆柱台，大端圆柱的直径为R_B，小端圆柱的直径为R_A。

5.根据权利要求4所述的抗层间剪切强度测试方法，其特征在于，所述支撑底座包括设在下端并与小端圆柱配合的小孔和设在上端并与大端圆柱配合的大孔。

6.根据权利要求5所述的抗层间剪切强度测试方法，其特征在于，所述支撑底座的小孔的直径比小端圆柱的直径R_A大0.5～1.0mm，所述支撑底座的大孔的直径比大端圆柱的直径R_B大0.5～1.0mm。

7.根据权利要求1所述的抗层间剪切强度测试方法，其特征在于，所述测试试样为4～12组。

8.根据权利要求1所述的抗层间剪切强度测试方法，其特征在于，所述对试样的测试在温度可调节的环境中进行。

9.根据权利要求8所述的抗层间剪切强度测试方法，其特征在于，所述对试样的测试在调温箱内进行。

10.根据权利要求9所述的抗层间剪切强度测试方法，其特征在于，所述温度调整范围为10℃～150℃。

11.根据权利要求3～10中任一项所述的抗层间剪切强度测试方法，其特征在于，所述压力加载机的加载速度为5mm/min～15mm/min。