CN105241596A - 一种热采井注气过程中套管热应力的测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种热采井注气过程中套管热应力的测试方法及装置，其特点是：利用高温烘箱给两端用左夹板和右夹板固定的水泥环套管(由外管、水泥环和内管组成，其中外管用于模拟地层或中间套管，内管用于模拟生产套管)加热，采用热电偶和温度采集器记录升温和降低过程的温度及对应的时间，同时采用应变仪记录在升温和降温过程中内管的轴向应变及对应时间，基于测试数据绘制温度与轴向应变的关系曲线，通过计算得到套管的承温极限(套管屈服时对应的温度)及对应的附加轴向热载荷和不同温度下的拉伸残余应力。该装置结构简单，制造成本低，适用于稠油热采井注气过程中套管热应力的测试。
Description
技术领域
本发明涉及稠油热采开发技术领域，具体是一种热采井注气过程中套管热应力的测试方法及装置。
背景技术
注高温蒸汽热采是开采稠油时应用广泛、效益较高的方法之一,辽河、胜利、克拉玛依等油田的许多油井均采用这种开采方式。然而，在稠油井注气开采过程中,套管会承受升温—降温的循环作用，其中升温后套管会受到附加轴向热载荷及热应力，降温后套管会受到拉伸残余应力，无论是附加轴向热载荷还是拉伸残余应力都会降低套管强度(主要包括：抗内压强度、抗挤毁强度和抗拉强度),从而导致许多热采井出现套管损坏，严重影响了热采井的开发效益。
目前针对稠油热采井套管柱热应力的研究主要集中在理论和有限元分析，且多数集中于热应力和结构应力的单独研究，没有同时考虑热应力与结构应力对套管强度的影响。然而，国内外普遍认为注汽井套管、水泥环和地层系统会同时受到热应力与结构应力的共同作用，故仅从某一方面进行研究将导致研究结果与实际工况相差较大。此外，当前关于稠油热采井套管柱热应力计算的理论模型也没有得到试验数据的验证，其准确性和可靠性有待完善。
为了优化热采井完井管柱的设计，完善套管柱热应力研究的理论模型，促进稠油热采井套管柱热应力及热强度研究的发展，迫切需要准确测试并获取热采井注气过程中套管-水泥环-岩层系统升温后套管产生的附加轴向热载荷和降温后产生的残余应力。目前，还没有一种测试方法及装置能够准确获取热采井注气过程中套管产生的热载荷及残余应力。因此，提出一种热采井注气过程中套管热应力的测试方法及装置，可为制定合理的热采井套管损坏预防措施提供了依据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热采井注气过程中套管热应力的测试装置及方法，以解决热采井注气过程中套管-水泥环-岩层系统升温后套管产生的附加轴向热载荷和降温后产生的残余应力难以准确获取的技术难题，并在达到上述目的的同时，简化测试装置的复杂性，降低设备的成本。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明采用以下技术方案：一种热采井注气过程中套管热应力的测试方法，其特征是：利用高温烘箱给两端用左、右夹板固定的水泥环套管(由外管、水泥环和内管组成，其中外管用于模拟地层或中间套管，内管用于模拟生产套管)加热，采用热电偶和温度采集器记录升温和降低过程的温度及对应的时间，同时采用应变仪记录在升温和降温过程中内管的轴向应变及对应时间，基于测试数据绘制温度与轴向应变的关系曲线，通过计算得到套管的承温极限(套管屈服对应的温度)及对应的附加轴向热载荷和不同温度下的拉伸残余应力，所述的热采井注气过程中套管热应力的测试方法包括以下步骤：
a.将内管和外管依次焊接在左夹板上，用于限制内管变形并固定内管和外管的位置，然后在内管和外管之间的环空浇注水泥，形成水泥环套管；
b.待水泥环养护成型后，将右夹板焊接在内管和外管上，并在外管中央开一个方形槽；
c.通过方形槽将热电偶和两片高温应变片(一片用于温度补偿，一片用于测量轴向应变)和粘贴在内管外壁上，其中热电偶与温度采集器连接，高温应变片与应变仪连接；
d.将准备好的水泥环套管放进高温烘箱，设定加热温度，同时用应变仪记录轴向应变及对应时间，温度采集器记录温度及对应时间；
e.当温度达到设定温度时，开始降温，直到降为室温，观察室温对应的轴向应变，如果没有残余应变产生，增加加热温度，继续向水泥环套管加热，直到残余应变位置；
f.记录第一次产生残余应变对应的温度及残余应变，利用该温度下的拉伸-应力应变曲线拟合得到内管的本构关系：σ＝Aεn(A，n为常数，ε为轴向应变)；绘制温度与轴向应变的关系曲线，直接读取内管的承温极限，利用该温度下的本构关系计算得到残余应力和不同温度下对应的附加轴向热载荷，包括弹性变形阶段和塑性变形阶段的热载荷；
g.继续增加温度，用应变仪记录轴向应变及对应时间，温度采集器记录温度及对应时间，当温度达到设定温度时，开始降温，直到降为室温，记录残余应变，重复步骤f得到该温度下的残余应力和不同温度下对应的附加轴向热载荷；
h.重复步骤g可以得到不同加热温度下的残余应力及附加轴向热载荷。
为使用上述方法，本发明提供一种热采井注气过程中套管热应力的测试装置，主要包括：左夹板、右夹板、外管、水泥环、内管、中心孔、高温应变片、方形槽、热电偶、高温导线、高温烘箱、温度采集器、应变仪。内管和外管之间的环空浇注水泥环形成水泥环套管并放入高温烘箱；外管中央开有一方形槽，高温应变片和热电偶通过方形槽被粘贴在内管外壁上；左夹板和右夹板完全相同且其中心孔略小于内管内径，左夹板和右夹板分别被焊接在内管和外管的两端，用于限制内管变形。
本发明具有以下优点：
本发明提供的测试方法及装置可准确测试并获取热采井注气过程中套管-水泥环-岩层系统升温后套管产生的附加轴向热载荷和降温后产生的残余应力，可热采井完井管柱的优化设计及注气工艺参数的优化设计提供有力的指导。
附图说明
图1为测试装置示意图。
图2为水泥环截面的剖视图。
图3为左夹板和右夹板的左视图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
本发明利用高温烘箱给两端用左、右夹板固定的水泥环套管(由外管、水泥环和内管组成，其中外管用于模拟地层或中间套管，内管用于模拟生产套管)加热，采用热电偶和温度采集器记录升温和降低过程的温度及对应的时间，同时采用应变仪记录在升温和降温过程中内管的轴向应变及对应时间，基于测试数据绘制温度与轴向应变的关系曲线，通过计算得到套管的承温极限(套管屈服对应的温度)及对应的附加轴向热载荷和不同温度下的拉伸残余应力。
如图1所示，为使用上述方法，本发明提供一种热采井注气过程中套管热应力的测试装置，主要包括：左夹板1、右夹板9、外管2、水泥环3、内管4、中心孔5、高温应变片6、方形槽7、热电偶8、高温导线10、高温烘箱11、温度采集器12、应变仪13。内管4和外管2之间的环空浇注水泥环3形成水泥环套管并放入高温烘箱11；外管2中央开有一方形槽7，高温应变片6和热电偶8通过方形槽7被粘贴在内管4外壁上，其中左夹板1和右夹板9完全相同且其中心孔5略小于内管4内径，左夹板1和右夹板9分别被焊接在内管4和外管2的两端上，用于限制内管4变形。
利用本发明提供的测试方法及装置对热采井注气过程中水泥环套管的热载荷及残余应力进行测试，具体测试过程包括以下步骤：
a.将内管4和外管2依次焊接在左夹板1上，用于限制内管4变形并固定内管4和外管2的位置，然后在内管4和外管2之间的环空浇注水泥，形成水泥环套管；
b.待水泥环3养护成型后，将右夹板9焊接在内管4和外管2上，并在外管2中央开一个方形槽7；
c.通过方形槽7将热电偶8和两片高温应变片6(一片用于温度补偿，一片用于测量轴向应变)和粘贴在内管4外壁上，其中热电偶8与温度采集器12连接，高温应变片6与应变仪13连接；
d.将准备好的水泥环套管放进高温烘箱11，设定加热温度，同时用应变仪13记录轴向应变及对应时间，温度采集器12记录温度及对应时间；
e.当温度达到设定温度时，开始降温，直到降为室温，观察室温对应的轴向应变，如果没有残余应变产生，增加加热温度，继续向水泥环套管加热，直到残余应变位置；
f.记录第一次产生残余应变对应的温度及残余应变，利用该温度下的拉伸-应力应变曲线拟合得到内管4的本构关系：σ＝Aεn(A，n为常数，ε为轴向应变)；绘制温度与轴向应变的关系曲线，直接读取内管4的承温极限(套管屈服对应的温度)，利用该温度下的本构关系计算得到残余应力和不同温度下对应的附加轴向热载荷，包括弹性变形阶段和塑性变形阶段的热载荷；
g.继续增加温度，用应变仪13记录轴向应变及对应时间，温度采集器12记录温度及对应时间，当温度达到设定温度时，开始降温，直到降为室温，记录残余应变，重复步骤f得到该温度下的残余应力和不同温度下对应的附加轴向热载荷；
h.重复步骤g可以得到不同加热温度下的残余应力及附加轴向热载荷。
Claims (2)
1.一种热采井注气过程中套管热应力的测试方法，其特征在于，所述的热采井注气过程中套管热应力的测试方法包括以下步骤：
a.将内管(4)和外管(2)依次焊接在左夹板(1)上，用于限制内管(4)变形并固定内管(4)和外管(2)的位置，然后在内管(4)和外管(2)之间的环空浇注水泥，形成水泥环套管，其中外管(2)用于模拟地层或中间套管，内管(4)用于模拟生产套管；
b.待水泥环养护成型后，将右夹板(9)焊接在内管(4)和外管(2)上，并在外管(1)中央开一个方形槽(7)；
c.通过方形槽(7)将热电偶(8)和两片高温应变片(6)粘贴在内管(4)外壁上，其中热电偶(8)与温度采集器(12)连接，高温应变片(6)与应变仪(13)连接；
d.将准备好的水泥环套管放进高温烘箱(11)，设定加热温度，同时用应变仪(13)记录轴向应变及对应时间，温度采集器(12)记录温度及对应时间；
e.当温度达到设定温度时，开始降温，直到降为室温，观察室温对应的轴向应变，如果没有残余应变产生，增加加热温度，继续向水泥环套管加热，直到残余应变位置；
f.记录第一次产生残余应变对应的温度及残余应变，利用该温度下的拉伸-应力应变曲线拟合得到内管(4)的本构关系：σ＝Aεn(A，n为常数，ε为轴向应变)；绘制温度与轴向应变的关系曲线，直接读取内管(4)的承温极限(套管屈服对应的温度)，利用该温度下的本构关系计算得到残余应力和不同温度下对应的附加轴向热载荷，包括弹性变形阶段和塑性变形阶段的热载荷；
g.继续增加温度，用应变仪(13)记录轴向应变及对应时间，温度采集器(12)记录温度及对应时间，当温度达到设定温度时，开始降温，直到降为室温，记录残余应变，重复步骤e得到该温度下的残余应力和不同温度下对应的附加轴向热载荷；
h.重复步骤g可以得到不同加热温度下的残余应力及附加轴向热载荷。
2.一种为权利要求1所述的方法使用的热采井注气过程中套管热应力的测试装置，其特征在于：主要包括：左夹板(1)、右夹板(9)、外管(2)、水泥环(3)、内管(4)、中心孔(5)、高温应变片(6)、方形槽(7)、热电偶(8)、高温导线(10)、高温烘箱(11)、温度采集器(12)、应变仪(13)，内管(4)和外管(2)之间的环空浇注水泥环(3)形成水泥环套管并放入高温烘箱(11)；外管(2)中央开有一方形槽(7)，高温应变片(6)和热电偶(8)通过方形槽(7)被粘贴在内管(4)外壁上，左夹板(1)和右夹板(9)完全相同且其中心孔(5)略小于内管(4)内径，左夹板(1)和右夹板(9)分别被焊接在内管(4)和外管(2)的两端，用于限制内管(4)变形。
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