CN105092108B - 一种可测量胶筒内外径向接触应力的测试环 - Google Patents
一种可测量胶筒内外径向接触应力的测试环 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可测量胶筒内外径向接触应力的测试环，解决了目前尚无有效手段测量胶筒与套管间径向接触应力的问题。具体包括外及内接触应力测试环，测试环基座上沿周向均开有若干径向阶梯孔，其中外接触应力测试环的阶梯孔内侧插有外传压活塞，外侧固定堵头，外传压活塞头部的传压接触面与环形基座的内环面在同一曲面上，而内接触应力测试环的内传压活塞及堵头安装方向与外接触应力测试环相反；上述各径向阶梯孔中传压活塞与堵头之间的密闭腔内装满液体，堵头体上开有与密闭腔连通的孔。本发明应用液体传递压力的性质，将径向接触应力测试转换为液压进行测量，并且接触应力测量数据真实可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种接触应力测量装置，具体的是测量胶筒与井壁接触应力的装置。
背景技术
油田注水、堵水、压裂作业中，封隔器是分隔地层的关键部件，主要零部件包括中心管、胶筒组（包括一只中胶筒、两只边胶筒）、三级活塞套等。封隔器通过螺纹连接到井下管柱上，下至预定井深后，由地面泵组将液体泵入管柱内，流体经中心管上的孔道进入活塞套内使其上行，胶筒受到轴向压缩后发生径向扩张变形，将中心管和套管内壁之间的环形间隙封堵。流体压力愈大，胶筒与套管和中心管之间产生接触压力愈大，当接触压力高于流体压力时，封隔器实现座封，流体进入封隔器所分隔的地层空间，为油井分层采油、堵水、注水注气等工艺提供保障。
胶筒与井壁接触时的接触应力大小直接决定封隔地层的效果，柔性体与刚体的接触属于材料、几何、接触三重非线性问题，理论求解难度大，因此需要设计出一套测量径向接触应力的装置，可以准确地测量胶筒与井壁间的接触应力大小及分布情况，从而有效地进行座封问题的实验分析。
对于胶筒与套管的径向接触应力测量，刘天良等在《断块油气田》（2000）上发表的“封隔器封隔时胶皮筒接触应力的模拟实验研究”中采用传感器与胶筒直接接触来测试胶筒的接触应力。这种测量办法的缺点一是会发生应力传感器的探针回缩从而测不到接触应力，二是若套管开孔稍大，则胶筒可能凸陷于套管内，改变了接触边界，与真实接触状态不相符；若套管开孔过小，传力杆的刚度会不足，无法测量较大的接触应力。
有的学者采用在套管外壁粘贴应变片的方式来测量，岳澄等在《实验力学》（1999）上发表的“高温封隔器胶筒与套管接触压力的实验研究”中将高温应变片环向粘贴于套管外壁上，测试120℃、座封力100kN工况下的套管外表面应变。夏元白等在《石油矿场机械》（1997）上发表的“井下封隔器封隔时套管应力的测试与计算”中应用液压加载、应变片测量的试验方法，测试了常温状态下20MPa液压力的套管应力。应变式测量办法的缺点是应变片只能粘贴在套管外壁上，由于套管的壁厚，套管外壁的应力与内壁应力相去甚远，无法实测出真实接触应力。
在胶筒座封实验研究中，在模拟井壁中（通常是套管）压缩超弹性材料制成的柔性胶筒，迫使胶筒与刚性井壁接触，由于套管不可透视，因此难以用光学方法测试胶筒变形，光弹性、电子应变计等测试方法也难以测试接触应力的大小，可见目前尚没有测试径向接触应力的有效方法和装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种可测量胶筒内外径向接触应力的测试环，解决了目前尚无有效手段测量胶筒与套管间径向接触应力的问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种可测量胶筒内外径向接触应力的测试环，包括外接触应力测试环及内接触应力测试环，所述外接触应力测试环及内接触应力测试环，它们的主体均为环形基座，环形基座上沿周向均开有若干径向阶梯孔，其中外接触应力测试环的径向阶梯孔内侧插有外传压活塞，径向阶梯孔外侧通过螺栓固定连接堵头，所述外传压活塞头部的传压接触面与环形基座的内环面在同一曲面上，而内接触应力测试环的径向阶梯孔外侧插有内传压活塞，径向阶梯孔内侧通过螺栓固定连接堵头，所述内传压活塞头部的传压接触面与环形基座的外环面在同一曲面上；上述外传压活塞、内传压活塞及堵头的侧壁与所在径向阶梯孔的孔壁间分别设置密封圈，各径向阶梯孔中的内或外传压活塞与堵头之间形成一个密闭空腔，密闭空腔内装满液体，且堵头体上开有与密闭空腔连通的两个螺纹孔。
优选内接触应力测试环的环形基座均分为两半，并在两半对合的连接面上设计有台肩。
本发明专利的可测量胶筒内外径向接触应力的测试环，其有益效果在于：
1）、本发明测试环传压活塞的传压接触面与基座的环形曲面是连续的，是在同一曲面内的，又由于液体具有不可压缩的特点，所以，在测试胶筒与套管间接触应力过程中，接触边界保持不变，传压活塞上的传压接触面受到和传递的是真实的接触应力，反映的是胶筒与套管间的真实接触状态；
2）、本发明应用液体传递压力的性质，将径向接触应力测试转换为液压进行测量，创新了思维，解决了问题；
3）、应用活塞效应，利用接触面和液压面的面积差将液压大幅度降低，从而降低系统的压力、避免管线膨胀变形，增加了系统测试工作的可靠性与安全性；
4）、具体应用时，可以依据被测试件的高度选择一个或多个接测试环，并且内或外接触应力测试环可单独使用，也可组合使用。
附图说明
图1是外接触应力测试环的主视图。
图2是图1中B-B截面视图。
图3是内接触应力测试环纵剖面示意图。
图4是内接触应力测试环横剖面示意图。
图5标定油缸的结构示意图。
图6是内及外接触应力测试环在测试胶筒径向接触应力时的工作简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
一种可测量胶筒内外径向接触应力的测试环，包括外接触应力测试环1及内接触应力测试环2。
由图1结合图2所示：所述外接触应力测试环1，其主体为环形基座11，环形基座11上沿周向均开有若干径向阶梯孔，径向阶梯孔内侧插有外传压活塞12，径向阶梯孔外侧通过螺栓15固定连接第一堵头13，所述外传压活塞头部的传压接触面16与环形基座的内环面在同一曲面上，上述外传压活塞12及第一堵头13的侧壁与所在径向阶梯孔的孔壁间分别设置密封圈，各径向阶梯孔中的外传压活塞12与第一堵头13之间形成一个密闭空腔14，且堵头体上开有与密闭空腔14连通的两个螺纹孔17。
上述外接触应力测试环1，主要测量圆柱形试件外圆弧面间与约束物体的接触应力，对于胶筒来说即为胶筒与井壁的接触应力。第一堵头13上的两个螺纹孔17，用来连接液压管路。实验时，首先通过液压管路向基座的密闭空腔14内注入液体，充满后即可将液压管路关闭，液体不再流动。当试件与测试环发生接触后，即通过传压活塞11压迫基座的密闭空腔14内液体，由于液体的不可压缩性质，液体压力升高，通过液压管路上的液压传感器获取即时液体压力。
由图3结合图4所示：所述内接触应力测试环2，其主体也是环形基座21，环形基座21上沿周向均开有若干径向阶梯孔，径向阶梯孔外侧插有内传压活塞22，径向阶梯孔内侧通过螺栓24固定连接第二堵头23，所述内传压活塞头部的传压接触面27与环形基座21的外环面在同一曲面上；上述内传压活塞22及第二堵头23的侧壁与所在径向阶梯孔的孔壁间分别设置密封圈，各径向阶梯孔中的内传压活塞22与第二堵头23之间形成一个密闭空腔26，堵头体上开有与密闭空腔27连通的两个螺纹孔25。
上述内接触应力测试环2，主要测量圆柱形试件内圆弧面间与约束物体的接触应力，对于胶筒来说即为胶筒与中心管的接触应力。其工作原理与外接触应力测试环相同，为便于内传压活塞和堵头安装及液压管路的连接，将内接触应力测试环均分为两半，并在两半对合的连接面上设计有台肩28，以防试件不均匀接触时将测试环相互推离，保障试件与测试环的接触面完整性。
为了消除因密封圈与接触应力测试环基座间接触引起的摩擦力带来的误差，初次使用内接触应力环及外接触应力环测试接触应力前，先用标定装置标定接触应力P1与液压P2间的关系作为基础数据库，对于以后的接触应力测量试验，即可依据液压和基础数据库得知接触应力的大小。具体建立基础数据库需由标定油缸完成，标定油缸的结构由图5所示，当电子万能试验机施加压力到压头31上时，液压缸32密闭空间的压力通过液压传感器34记录在电脑33中。
使用本发明的内接触应力测试环及外接触应力测试环测试胶筒的内外径向接触应力，具体测试方法由图6所示，将胶筒组（胶筒45之间有钢制隔环46）置于内、外接触应力测试环之间，由电子万能试验机43经压头42将轴向压力作用于胶筒组使其径向膨胀与内、外接触应力测试环接触，内、外径向接触应力环的液腔压力经液压传感器41测得，随着轴向压力的逐渐升高，不同接触位置的液压经液压传感器41传递到电脑44中实时显示与记录，应用测得的液体压力与基础数据库即可得到各个接触位置的接触应力数值。
测试装置可以依据被测试件的高度选择一个或多个接触应力测试环，内、外接触应力测试环可单独使用，也可组合使用。
Claims (2)
1.一种可测量胶筒内外径向接触应力的测试环，包括外接触应力测试环及内接触应力测试环，其特征在于：所述外接触应力测试环及内接触应力测试环，它们的主体均为环形基座，环形基座上沿周向均开有若干径向阶梯孔，其中外接触应力测试环的径向阶梯孔内侧插有外传压活塞，径向阶梯孔外侧通过螺栓固定连接堵头，所述外传压活塞头部的传压接触面与环形基座的内环面在同一曲面上，而内接触应力测试环的径向阶梯孔外侧插有内传压活塞，径向阶梯孔内侧通过螺栓固定连接堵头，所述内传压活塞头部的传压接触面与环形基座的外环面在同一曲面上；上述外传压活塞、内传压活塞及堵头的侧壁与所在径向阶梯孔的孔壁间分别设置密封圈，各径向阶梯孔中的内或外传压活塞与堵头之间形成一个密闭空腔，密闭空腔内装满液体，且堵头体上开有与密闭空腔连通的两个螺纹孔。
2.根据权利要求1所述的可测量胶筒内外径向接触应力的测试环，其特征在于：所述内接触应力测试环的环形基座均分为两半，并在两半对合的连接面上设计有台肩。
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