CN106248369B - 一种机械加载式封隔器胶筒单元实验测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械加载式封隔器胶筒单元实验测量装置，包括底座、支柱组件、基座、胶筒、套管和加载组件，支柱组件的下端与底座连接，上端与加载组件铰接，基座固定在下压力传感器上，胶筒装在基座上，在套管的侧壁上安装有接触压力传感器，加载组件包括加载横梁、加载头、推力球轴承、上压力传感器和传载筒，加载横梁的中部沿纵向通过螺纹配合安装有加载头，加载头的下方设有连接头，连接头与加载头之间安装有推力球轴承，加载头的下端与上压力传感器的上端连接，上压力传感器的下端与传载筒的上端面连接。本发明的优点在于：结构简单，加载及测量数据精确，测量参数种类较多，降低因胶筒个数增加所带来的装置改变所消耗的成本及时间。

Description

一种机械加载式封隔器胶筒单元实验测量装置

技术领域

本发明涉及石油行业井下工具模拟实验装置，特别是一种机械加载式封隔器胶筒单元实验测量装置。

背景技术

随着油气藏的不断开采，如今大多处于开采后期，而新开采的多为低渗透、高含水的油气藏。水平井分段压裂工艺已成为继续开采老油气井、低渗透、高含水的重要手段，封隔器胶筒作为分段压裂工艺中关键井下工具的密封部件，其密封能力直接关系到压裂工艺的成败。封隔器胶筒常常因接触压力不足、与套管间的摩擦太大导致的密封失效时有发生，所以事先测得胶筒与套管间的接触压力、摩擦力对后期密封失效的预测具有重大意义。

传统的封隔器胶筒单元实验装置仅限于测量固定个数胶筒接触压力，当需要测得不同胶筒个数与套管间的接触压力、摩擦力时，就必须设计多套不同规格的实验装置，这样导致实验成本的增加，耗费大量时间在封隔器胶筒实验准备过程中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种机械加载式封隔器胶筒单元实验测量装置，旨在解决已有封隔器胶筒单元实验施加载荷不精确，只能测量接触压力的问题，同时当胶筒个数改变时，只需更换上支柱和加装延伸轴即可实现，实验设备成本大幅度降低。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种机械加载式封隔器胶筒单元实验测量装置，包括底座、支柱组件、基座、胶筒、套管和加载组件，所述支柱组件设置于底座的两侧，支柱组件的下端与底座连接，上端与加载组件铰接，所述底座的上表面中心位置固定有下压力传感器，所述基座固定在下压力传感器上，所述胶筒装在基座上，所述套管套装于胶筒的外侧，并与胶筒形成间隙，在套管的侧壁上安装有接触压力传感器，所述加载组件包括加载横梁、加载头、推力球轴承、上压力传感器和传载筒，所述加载横梁的两侧分别与两根支柱组件的上端铰接相连，加载横梁的中部沿纵向通过螺纹配合安装有加载头，加载头的下方设有连接头，连接头与加载头之间安装有推力球轴承，加载头的下端与上压力传感器的上端连接，上压力传感器的下端与传载筒的上端面连接，传载筒的下端面与胶筒的上端面上下对齐。

所述支柱组件包括支柱座、下支柱、支柱连接套、上支柱和连接叉，支柱座固定在底座上，下支柱的下端固定在支柱座内，上端固定在支柱连接套的下端，上支柱的下端固定在支柱连接套的上端，上端与连接叉的下端固定连接，连接叉的上端通过销钉铰接安装在加载横梁上。

所述下支柱的下端通过螺纹与支柱座配合连接，上端通过螺纹与支柱连接套的下端连接，所述上支柱的下端通过螺纹与支柱连接套的上端连接，上端通过螺纹与连接叉的下端连接。

所述下压力传感器的下端通过下连接螺栓与底座相连，所述基座的下端攻有外螺纹，基座通过外螺纹固定在下压力传感器的上端。

所述上压力传感器的下端通过上连接螺栓与传载筒相连，所述连接头的下端攻有外螺纹，连接头通过外螺纹固定在上压力传感器的上端。

所述连接头的上端面设有凹槽，推力球轴承的下环固定在该凹槽内，所述加载头的下端设有凸台，推力球轴承的上环固定在该凸台上。

所述传载筒为下部开口圆筒结构，且在传载筒的上部侧壁上开有通孔。

还包括延伸轴，所述延伸轴的下端攻有外螺纹，所述延伸轴的工作部分的外径与所述基座的工作部分的外径相同，所述基座的上端面沿轴向攻有内螺纹，延伸轴与基座通过螺纹配合连接。

所述传载筒的下端面与胶筒的上端面之间设有隔环。

所述套管为透明管。

本发明提供的一种机械加载式封隔器胶筒单元实验测量装置，能够用于不同胶筒个数的接触压力、摩擦力及胶筒变形过程数字化的测量。首先，上下安装压力传感器的设计能够测得封隔器胶筒与套管间的摩擦力，套接于基座外面的套管能够测得胶筒与套管间的接触压力，把套管换成透明管除了能够测得与胶筒间的摩擦力、接触压力外，还能相机拍摄并数字化胶筒的变形规律。当增加胶筒数量时，通过快速增加延伸轴的方式来测量胶筒受力和变形情况。此装置在传统的封隔器胶筒单元实验装置的基础上增加了可测数据的种类，降低了胶筒个数改变引起的实验装置重新设计、制造、装配的成本，减少了不同个数胶筒间转换实验准备过程所消耗的时间。因此本发明不仅节省了实验成本、准备时间，而且增加了可测数据的种类。

附图说明

图1是本发明实施例提供的机械加载式封隔器单个胶筒实验示意图；

图2是本发明实施例提供的两个胶筒实验示意图；

图中：1-底座；2-支柱座；3-下支柱；4-基座；5-接触压力传感器；6-支柱连接套；7-上支柱A；8-连接叉；9-销钉；10-加载横梁；11-加载头；12-推力球轴承；13-连接头；14-上压力传感器；15-上连接螺栓；16-传载筒；17-隔环；18-胶筒；19-套管；20-下压力传感器；21-下连接螺栓；22-上支柱B；23-延伸轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种机械加载式封隔器胶筒单元实验测量装置，包括底座1、支柱组件、基座4、胶筒18、套管19和加载组件，所述支柱组件设置于底座1的两侧，支柱组件的下端与底座1连接，上端与加载组件铰接，所述底座1的上表面中心位置固定有下压力传感器20，所述基座4固定在下压力传感器20上，所述胶筒18装在基座4上，所述套管19套装于胶筒18的外侧，并与胶筒18形成间隙，在套管19的侧壁上安装有接触压力传感器5，所述加载组件包括加载横梁10、加载头11、推力球轴承12、上压力传感器14和传载筒16，所述加载横梁10的两侧分别与两根支柱组件的上端铰接相连，加载横梁10的中部沿纵向通过螺纹配合安装有加载头11，加载头11的下方设有连接头13，连接头13与加载头11之间安装有推力球轴承12，加载头11的下端与上压力传感器14的上端连接，上压力传感器14的下端与传载筒16的上端面连接，传载筒16的下端面与胶筒18的上端面上下对齐。

所述支柱组件包括支柱座2、下支柱3、支柱连接套6、上支柱和连接叉8，支柱座2固定在底座1上，下支柱3的下端固定在支柱座2内，上端固定在支柱连接套6的下端，上支柱的下端固定在支柱连接套6的上端，上端与连接叉8的下端固定连接，连接叉8的上端通过销钉9铰接安装在加载横梁10上。

所述下支柱3的下端通过螺纹与支柱座2配合连接，上端通过螺纹与支柱连接套6的下端连接，所述上支柱的下端通过螺纹与支柱连接套6的上端连接，上端通过螺纹与连接叉8的下端连接。

所述下压力传感器20的下端通过下连接螺栓21与底座1相连，所述基座4的下端攻有外螺纹，基座4通过外螺纹固定在下压力传感器20的上端。

所述上压力传感器14的下端通过上连接螺栓15与传载筒16相连，所述连接头13的下端攻有外螺纹，连接头13通过外螺纹固定在上压力传感器14的上端。

所述连接头13的上端面设有凹槽，推力球轴承12的下环固定在该凹槽内，所述加载头11的下端设有凸台，推力球轴承12的上环固定在该凸台上。

所述传载筒16为下部开口圆筒结构，且在传载筒16的上部侧壁上开有通孔。

如图2所示，本装置还包括延伸轴23，所述延伸轴23的下端攻有外螺纹，所述延伸轴23的工作部分的外径与所述基座4的工作部分的外径相同，所述基座4的上端面沿轴向攻有内螺纹，延伸轴23与基座4通过螺纹配合连接。

所述传载筒16的下端面与胶筒18的上端面之间设有隔环17。

所述套管19为透明管。

下面结合具体的实施步骤对本发明的结构及功能进行描述：

实施例1：

进行封隔器单胶筒与套管间的接触压力、摩擦力实验时，首先进行实验装置的装配，支柱座2焊接于底座1上，保证支柱座2的中心线与底座1孔中心线同一平面，通过下连接螺栓21把下压力传感器20固定在底座1上，基座4的外螺纹与下压力传感器20内螺纹连接，胶筒18、隔环17套接在基座4的中径轴上，胶筒18与隔环17端面接触，上下排布，把安装有接触压力传感器5的套管19套接在胶筒18外面，并保持同轴线。上连接螺栓15把上压力传感器14固定在传载筒16端面上，连接头13的外螺纹与上压力传感器14的另一端内螺纹连接，把装配好的传载筒16、上压力传感器14、连接头13通过传载筒16的内腔套接在基座4中径轴上面，并且与隔环17接触，把推力球轴承12放置于连接头13的凹槽内。相同长度的下支柱3螺纹连接在支柱座2上，支柱连接套6分别与上支柱A7和下支柱3通过螺纹配合连接，连接叉8内螺纹与上支柱A7的外螺纹连接，形成整个装置的支撑结构。加载头11外螺纹与加载横梁10内螺纹连接，且保证加载头11凸台面与加载横梁10距离最小。加载横梁10端部放于连接叉8两个瓣体中间并用销钉9把加载横梁10固定在连接叉8上面，至此完成整个装置的装配。

进行实验时，首先旋转加载头11使其凸台端面与推力球轴承接触但无压力作用，此时调节上压力传感器14、下压力传感器20外接的数字显示屏读数为零，上压力传感器14调零是为了记录实验过程中的每次加载，下压力传感器20调零是为了除去传感器上端各零件的重力示数。扳手旋动加载头11向下移动，扭矩与轴向载荷传递给推力球轴承12，由于推力球轴承12的作用，上面的扭矩消除，正是这样的设计使胶筒只受到轴向载荷不会受到扭矩载荷，完全符合实际工况要求，轴向载荷通过连接头13传递到上压力传感器14并显示在数字显示屏上，载荷的大小可通过数字显示屏准确显示，轴向载荷继续向下传递给传载筒16、隔环17、胶筒18，胶筒18受到轴向载荷的作用径向膨胀，当载荷逐渐增加时，胶筒18与套管19内壁发生接触，产生接触压力，并通过接触压力传感器5传到外接数字显示屏上。胶筒18完成坐封后，能得到三组不同类型的数据，分别为加载数据（上压力传感器14测得）、接触压力数据（接触压力传感器5测得）、余量数据（下压力传感器20测得）。由于金属间的摩擦系数范围在0.03-0.08之间，所以金属之间的摩擦力可以忽略不计。那么加载数据与余量数据的差值即为胶筒18与套管19之间的摩擦力。

实施例2：

如图2所示，当需要测得两个或两个以上胶筒18与套管间的接触压力、摩擦力时，只需要拔掉销钉9，取下加载横梁10，将上支柱A7从支柱连接套6上拧下，换成事先加工的较长的上支柱B22，一端拧上连接叉8另一端拧在支柱连接套6上。取下传载筒16等连接体，在基座4上端面螺纹连接延伸轴23，分别在基座4中径轴、延伸轴23外面套接隔环17、胶筒18，再在胶筒18、隔环17外面套接带相应接触压力传感器5的套管19，接着把传载筒16等连接体通过传载筒16内腔套接在延伸轴23外壁。通过销钉9把加载横梁10固定在支架上，如实施例1一样进行传感器调零步骤，完成所有实验准备即可进行实验，分别获得上、下胶筒与套管间的接触压力、两个胶筒与套管间的总摩擦力。

需测得多个胶筒与套管间的相互作用力时，只需要增加相应的延伸轴23个数、上支柱长度及套管即可。

实施例3：

根据实施例1，在进行装置装配过程中，套管19选用透明管，其它步骤按照实施例1进行，记录上压力传感器14，下压力传感器20，接触压力传感器5外接数字显示屏数值，停止加载，采用高素摄像机拍摄胶记录下此载荷下胶筒表面形貌并测得胶筒的高度，继续加载，重复上述方法，继续加载、记录数据和拍摄图片，直到完成胶筒的坐封。通过这样的方法可获得胶筒与透明管之间的接触压力、摩擦力，胶筒轴向载荷与轴向变形量之间的关系，还能获得坐封过程中，胶筒表面变形规律。

同理，增加胶筒个数时，除了把套管换成透明管外，其它操作步骤均按照实施例2，测得的数据类型和实施例2相同。

Claims (7)

1.一种机械加载式封隔器胶筒单元实验测量装置，其特征在于：包括底座(1)、支柱组件、基座(4)、胶筒(18)、套管(19)和加载组件，所述支柱组件设置于底座(1)的两侧，支柱组件的下端与底座(1)连接，上端与加载组件铰接，所述底座(1)的上表面中心位置固定有下压力传感器(20)，所述基座(4)固定在下压力传感器(20)上，所述胶筒(18)装在基座(4)上，所述套管(19)套装于胶筒(18)的外侧，并与胶筒(18)形成间隙，在套管(19)的侧壁上安装有接触压力传感器(5)，所述加载组件包括加载横梁(10)、加载头(11)、推力球轴承(12)、上压力传感器(14)和传载筒(16)，所述加载横梁(10)的两侧分别与两根支柱组件的上端铰接相连，加载横梁(10)的中部沿纵向通过螺纹配合安装有加载头(11)，加载头(11)的下方设有连接头(13)，连接头(13)与加载头(11)之间安装有推力球轴承(12)，加载头(11)的下端与上压力传感器(14)的上端连接，上压力传感器(14)的下端与传载筒(16)的上端面连接，传载筒(16)的下端面与胶筒(18)的上端面上下对齐，所述支柱组件包括支柱座(2)、下支柱(3)、支柱连接套(6)、上支柱和连接叉(8)，支柱座(2)固定在底座(1)上，下支柱(3)的下端固定在支柱座(2)内，上端固定在支柱连接套(6)的下端，上支柱的下端固定在支柱连接套(6)的上端，上端与连接叉(8)的下端固定连接，连接叉(8)的上端通过销钉(9)铰接安装在加载横梁(10)上，所述下支柱(3)的下端通过螺纹与支柱座(2)配合连接，上端通过螺纹与支柱连接套(6)的下端连接，所述上支柱的下端通过螺纹与支柱连接套(6)的上端连接，上端通过螺纹与连接叉(8)的下端连接；

进行实验时，首先旋转加载头(11)使其凸台端面与推力球轴承接触但无压力作用，此时调节上压力传感器(14)、下压力传感器(20)外接的数字显示屏读数为零；扳手旋动加载头(11)向下移动，轴向载荷通过连接头(13)传递到上压力传感器(14)并显示在数字显示屏上，轴向载荷继续向下传递给传载筒(16)、隔环(17)、胶筒(18)，胶筒(18)受到轴向载荷的作用径向膨胀，当载荷逐渐增加时，胶筒(18)与套管(19)内壁发生接触，产生接触压力，并通过接触压力传感器(5)传到外接数字显示屏上，胶筒(18)完成坐封后，能得到三组不同类型的数据，分别为上压力传感器(14)测得的加载数据、接触压力传感器(5)测得的接触压力数据、下压力传感器(20)测得的余量数据；

当需要测得两个以上胶筒(18)与套管间的接触压力、摩擦力时，只需要拔掉销钉(9)，取下加载横梁(10)，将上支柱A(7)从支柱连接套(6)上拧下，换成事先加工的较长的上支柱B(22)，一端拧上连接叉(8)另一端拧在支柱连接套(6)上，取下传载筒(16)、加载头(11)、推力球轴承(12)、连接头(13)、上压力传感器(14)和上连接螺栓(15)，在基座(4)上端面螺纹连接延伸轴(23)，分别在基座(4)中径轴、延伸轴(23)外面套接隔环(17)、胶筒(18)，再在胶筒(18)、隔环(17)外面套接带相应接触压力传感器(5)的套管(19)，接着把传载筒(16)、加载头(11)、推力球轴承(12)、连接头(13)、上压力传感器(14)和上连接螺栓(15)通过传载筒(16)内腔套接在延伸轴(23)外壁，通过销钉(9)把加载横梁(10)固定在支架上；需测得多个胶筒与套管间的相互作用力时，只需要增加相应的延伸轴(23)个数、上支柱长度及套管即可；

所述套管(19)为透明管，采用高速摄像机拍摄胶记录下此载荷下胶筒表面形貌并测得胶筒的高度，继续加载，重复上述加载、拍摄和记录的过程，继续加载、记录数据和拍摄图片，直到完成胶筒的坐封，通过这样的方法可获得胶筒与透明管之间的接触压力、摩擦力，胶筒轴向载荷与轴向变形量之间的关系，还能获得坐封过程中，胶筒表面变形规律。

2.根据权利要求1所述一种机械加载式封隔器胶筒单元实验测量装置，其特征在于：所述下压力传感器(20)的下端通过下连接螺栓(21)与底座(1)相连，所述基座(4)的下端攻有外螺纹，基座(4)通过外螺纹固定在下压力传感器(20)的上端。

3.根据权利要求1所述一种机械加载式封隔器胶筒单元实验测量装置，其特征在于：所述上压力传感器(14)的下端通过上连接螺栓(15)与传载筒(16)相连，所述连接头(13)的下端攻有外螺纹，连接头(13)通过外螺纹固定在上压力传感器(14)的上端。

4.根据权利要求1所述一种机械加载式封隔器胶筒单元实验测量装置，其特征在于：所述连接头(13)的上端面设有凹槽，推力球轴承(12)的下环固定在该凹槽内，所述加载头(11)的下端设有凸台，推力球轴承(12)的上环固定在该凸台上。

5.根据权利要求1所述一种机械加载式封隔器胶筒单元实验测量装置，其特征在于：所述传载筒(16)为下部开口圆筒结构，且在传载筒(16)的上部侧壁上开有通孔。

6.根据权利要求1所述一种机械加载式封隔器胶筒单元实验测量装置，其特征在于：所述延伸轴(23)的下端攻有外螺纹，所述延伸轴(23)的工作部分的外径与所述基座(4)的工作部分的外径相同，所述基座(4)的上端面沿轴向攻有内螺纹，延伸轴(23)与基座(4)通过螺纹配合连接。

7.根据权利要求1或6所述一种机械加载式封隔器胶筒单元实验测量装置，其特征在于：所述传载筒(16)的下端面与胶筒(18)的上端面之间设有隔环(17)。

Images