CN105259041A - 一种模拟注蒸汽井套管热强度的测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种模拟注蒸汽井套管热强度的测试方法及装置，其特点是：利用加热炉给两端用左堵头、右堵头(左堵头带有外螺纹和进气口，右堵头带有外螺纹、出气口和压力表)和刚性丝杆固定的套管(两端内壁上开有与左堵头和右堵头匹配的内螺纹)加热，加热到模拟注气温度时，通过左堵头的进气口缓慢向套管内注入惰性气体，同时采用应变仪记录不同注气压力下套管应变及对应时间，基于测试数据绘制注气压力与套管应变和等效应力的关系曲线，通过计算得到该温度下套管的抗内压屈服强度及泄压后的环向残余应力，改变注气温度可以得到不同温度下套管的抗内压屈服强度和环向残余应力。该装置适用于注蒸汽井套管抗内压屈服强度的测试研究。
Description
技术领域
本专利涉及石油与天然气钻井工程技术领域，具体是一种模拟注蒸汽井套管热强度的测试方法及装置。
技术背景
在油气钻井和生产过程中，石油套管起着保护井眼、加固井壁、隔绝井中的油、气、水层及封固各种复杂地层的作用。然而，在稠油井注高温蒸汽热采过程中,套管会同时受到蒸汽温度和压力的作用，其中温度及温度变化对套管抗内压屈服强度具有较大的影响，主要表现为以下两个方面：第一，较高的井筒温度影响套管抗拉屈服应力、弹性模量和线膨胀系数等材料性能；第二，温度变化即温差会导致套管受到附加的热载荷(主要包括轴向拉伸载荷或压缩载荷)；第三，注蒸汽井套管产生的环向残余应力会降低套管强度。由此可知，温度不仅会在套管柱上产生附加载荷，而且也会降低套管柱的材料性能，增加套管柱发生内压屈服失效的可能性。因此，准确测试并获取不同注气温度和压力下套管的热强度及环向残余应力是热采井套管柱强度设计的关键。
目前，关于套管强度的试验研究仅停留在常温常压条件下，而针对高温高压下套管热强度和热应力的研究，国内外学者也仅基于经验公式做了大量的理论研究，建立了相应计算模型，但由于缺乏试验数据的验证，模型计算结果的准确性和可靠性有待改进并完善。为此，本发明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，可准确测试并获取不同注气温度和压力下套管的热强度及环向残余应力，促进注蒸汽井套管热强度研究的进一步发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟注蒸汽井套管热强度的测试方法及装置，以解决注蒸汽井套管热强度难以准确获取的技术难题，为注蒸汽井套管强度设计提供重要参考，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：利用加热炉给两端用左堵头、右堵头(左堵头带有外螺纹和进气口，右堵头带有外螺纹和出气口)和刚性丝杆固定的套管(两端内壁上开有与左堵头和右堵头匹配的内螺纹)加热，加热到设定温度(模拟热采井注气温度)时，通过左堵头的进气口缓慢向套管内注入惰性气体(如二氧化碳或氮气，模拟注气压力)，同时采用应变仪记录不同注气压力下套管应变及对应时间，基于应变测试数据绘制注气压力与套管应变和等效应力的关系曲线，通过计算得到该温度下套管的抗内压屈服强度及泄压后的环向残余应力，改变注气温度可以得到不同温度下套管的抗内压屈服强度和环向残余应力，所述的模拟注蒸汽井套管热强度的测试方法包括以下步骤：
a.利用左堵头、右堵头及密封圈将套管进行密封，用刚性丝杆将套管两端进行固定，限制套管在加热过程中发生轴向变形；
b.将高温直角应变片和单轴应变片粘贴在套管外壁，并与应变仪连接，其中高温直角应变片用于测量套管抗内压屈服强度，单轴应变片用于温度补偿；
c.将准备好的套管放入加热炉，加热套管至设定温度；
d.通过进气口向套管缓慢注入惰性气体，同时用应变仪记录不同注气压力下套管应变及对应时间；
e.当注气压力达到设定压力时，开始降压，直到降为大气压，观察大气压对应的环向应变，如果没有残余应变产生，增加注气压力，直到产生残余应变为止；
f.绘制注入压力与套管环向应变和等效应力的关系曲线，直接读取套管的抗内压屈服强度，基于环向残余应变计算得到套管环向残余应力；
g.套管屈服后，改变注气压力，重复步骤d、e和f得到套管抗内压屈服强度，对比分析循环注蒸汽对套管抗内压屈服强度和环向残余应力的影响规律；
h.改变加热温度及注气温度，重复步骤d、e、f、g可以得到不同注气温度下套管抗内压屈服强度和环向残余应力及循环注蒸汽对套管抗内压屈服强度和环向残余应力的影响规律。
为使用上述方法，本发明提供一种模拟注蒸汽井套管热强度的测试装置，主要包括：左堵头、右堵头、刚性丝杆、高温直角应变片、套管、加热炉、密封圈、高温导线、高温单轴应变片、应变仪，其中加热炉用于给套管施加温度，左堵头带有外螺纹和进气口，右堵头带有外螺纹、出气口和压力表，高温直角应变片用于测量套管的热强度，高温单轴应变片用于温度补偿，套管两端内壁上开有与左堵头和右堵头匹配的内螺纹，左堵头和右堵头与套管之间通过螺纹和密封圈进行密封，通过刚性丝杠连接左堵头和右堵头对套管两端进行固定，用于限制套管在加温过程中发生轴向变形。
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模拟测试并获取注蒸汽井在不同注气温度下的套管抗内压屈服强度和环向残余应力，以及循环注蒸汽对套管抗内压屈服强度和环向残余应力的影响规律，可为注蒸汽井套管抗内压屈服强度的优化设计及其理论研究提供有力的指导。
附图说明
图1为测试装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
本发明利用加热炉给两端用左堵头、右堵头(左堵头带有外螺纹和进气口，右堵头带有外螺纹和出气口)和刚性丝杆固定的套管(两端内壁上开有与左堵头和右堵头匹配的内螺纹)加热，加热到设定温度(模拟注气温度)时，通过左堵头的进气口缓慢向套管内注入惰性气体(如二氧化碳或氮气，模拟注气压力)，同时采用应变仪记录不同注气压力下套管应变及对应时间，基于应变测试数据绘制注气压力与套管应变和等效应力的关系曲线，通过计算得到该温度下套管的抗内压屈服强度及泄压后的环向残余应力，改变注气温度可以得到不同温度下套管的抗内压屈服强度和环向残余应力。
如图1所示，为使用上述方法，本发明提供一种模拟注蒸汽井套管热强度的测试装置，主要包括：左堵头2、右堵头6、刚性丝杆3、高温直角应变片4、套管5、加热炉8、密封圈10、高温单轴应变片11、应变仪12、高温导线13，其中加热炉8用于给套管5施加温度，左堵头2带有外螺纹15和进气口1，右堵头6带有外螺纹15、出气口7和压力表9，高温直角应变片4用于测量套管5的热强度，高温单轴应变片11用于温度补偿，套管5两端内壁上开有与左堵头2和右堵头6匹配的内螺纹14，左堵头2和右堵头6与套管5之间通过螺纹和密封圈10进行密封，采用刚性丝杠3连接左堵头2和右堵头6对套管5两端进行固定，用于限制套管5在加热过程中发生轴向变形。
利用本发明提供的测试方法及装置对注蒸汽井套管热强度及环向残余应力进行测试，具体测试过程包括以下步骤：
a.利用左堵头2、右堵头6及密封圈10将套管5进行密封，用刚性丝杆3将套管5两端进行固定，限制套管5在加热过程中发生轴向变形；
b.将高温直角应变片4和单轴应变片11粘贴在套管5外壁，并通过高温导线13与应变仪12连接，其中高温直角应变片4用于测量套管5抗内压屈服强度，高温单轴应变片11用于温度补偿；
c.将准备好的套管5放入加热炉8，加热套管5至设定温度；
d.通过进气口1向套管5缓慢注入惰性气体，同时用应变仪12记录不同注气压力下套管5环向应变及对应时间；
e.当注气压力达到设定压力时，通过出气口7降压，直到降为大气压，观察大气压对应的环向应变，如果没有残余应变产生，增加注气压力，直到产生残余应变为止；
f.绘制注入压力与套管5环向应变和等效应力的关系曲线，直接读取套管5的抗内压屈服强度，基于环向残余应变计算得到套管5环向残余应力；
g.套管5屈服后，改变注气压力，重复步骤d、e和f得到套管5抗内压屈服强度，对比分析循环注气对套管5抗内压屈服强度和环向残余应力的影响规律；
h.改变加热温度及注气温度，重复步骤d、e、f、g可以得到不同注气温度下套管5抗内压屈服强度和环向残余应力及循环注气对抗内压屈服强度和环向残余应力的影响规律。
Claims (2)
1.一种模拟注蒸汽井套管热强度的测试方法，其特征在于，所述的模拟注蒸汽井套管热强度的测试方法包括以下步骤：
a.利用左堵头(2)、右堵头(6)及密封圈(10)将套管(5)进行密封，用刚性丝杆(3)将套管(5)两端进行固定，限制套管(5)在加热过程中发生轴向变形；
b.将高温直角应变片(4)和单轴应变片(11)粘贴在套管(5)外壁，并与应变仪(12)连接，其中高温直角应变片(4)用于测量套管(5)抗内压屈服强度，高温单轴应变片(11)用于温度补偿；
c.将准备好的套管(5)放入加热炉(8)，加热套管(5)至设定温度；
d.通过进气口(1)向套管(5)缓慢注入惰性气体，同时用应变仪(12)记录不同注气压力下套管(5)环向应变及对应时间；
e.当注气压力达到设定压力时，通过出气口(7)开始降压，直到降为大气压，观察大气压对应的环向应变，如果没有残余应变产生，增加注气压力，直到产生残余应变为止；
f.绘制注入压力与套管(5)环向应变和等效应力的关系曲线，直接读取套管(5)的抗内压屈服强度，基于环向残余应变计算得到套管(5)环向残余应力；
g.套管(5)屈服后，改变注气压力，重复步骤d、e和f得到套管(5)抗内压屈服强度，对比分析循环注气对套管(5)抗内压屈服强度和环向残余应力的影响规律；
h.改变加热温度及注气温度，重复步骤d、e、f、g可以得到不同注气温度下套管(5)抗内压屈服强度和环向残余应力及循环注气对抗内压屈服强度和环向残余应力的影响规律。
2.一种为权利要求1所述的方法使用的模拟注蒸汽井套管热强度的测试装置，其特征在于：主要包括：左堵头(2)、右堵头(6)、刚性丝杆(3)、高温直角应变片(4)、套管(5)、加热炉(8、密封圈(10)、高温单轴应变片(11)、应变仪(12)，其中加热炉(8)用于给套管(5)施加温度，左堵头(2)带有外螺纹(15)和进气口(1)，右堵头(6)带有外螺纹(15)、出气口(7)和压力表(9)，高温直角应变片(4)用于测量套管(5)的抗内压屈服强度，高温单轴应变片(11)用于温度补偿，套管(5)两端内壁上开有与左堵头(2)和右堵头(6)匹配的内螺纹(14)，左堵头(2)和右堵头(6)与套管(5)之间通过螺纹和密封圈(10)进行密封，采用刚性丝杠(3)连接左堵头(2)和右堵头(6)对套管(5)两端进行固定，用于限制套管(5)在加热过程中发生轴向变形。
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