CN106908339B - 一种油气井井下射孔爆炸射孔管柱力学实验系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油气井井下射孔爆炸射孔管柱力学实验系统，它包括实验水池、设置于实验水池内的射孔管柱、设置于实验水池外且顺次电连接的信号放大器、A/D转换器和计算机，射孔管柱包括由上往下顺次连接的油管、封隔管、套管、加速度测试短节A、减震器、加速度测试短节B和射孔枪；它还公开了实验方法。本发明的有益效果是：能够采集射孔时井下压力场的动态数据，包括射孔时的环空压力场和管柱的径向、轴向以及周向的加速度时域变化值，为分析射孔时井下事故发生机理提供分析依据，指导施工作业以避免事故的发生，保证管柱强度需求、提高产油率有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及开发油气田过程中的测井技术领域，特别是一种油气井井下射孔爆炸射孔管柱力学实验系统及其方法。
背景技术
射孔作业的目的在于使井筒与油气层之间形成通路，是油气田开采的关键环节，射孔技术的发展与完善对油气田的高效开采具有重要的现实意义和实用价值。
油气管射孔完井是在井下射孔枪发射射孔弹射穿油层套管、水泥环并穿透油层某一深度，建立起油流的通道，提高产能效率的完井方式。但是射孔时，射孔弹的爆炸冲击波以及爆炸产生的高压气泡产生的脉动能会使油管柱发生变形，强烈的变形会导致卡柱、封隔器中心管断裂、油管发生塑性弯曲损坏或失效等井下事故，故对于射孔时井下压力场的研究显得尤为重要。
目前，实际油井射孔作业中多采用将有枪身的射孔枪接在油管尾部输送至射孔作业层进行射孔作业，相比较于电缆输送射孔作业，油管输送射孔作业有如下优点：对油气层伤害小；枪身在井中扶正好；可以进行高孔密、多相位、大孔径射孔；可以与地层测试、酸化压裂等联作。但是相比较于电缆输送作业，油管输送射孔作业在射孔引爆方式上存在不足，电缆输送采用的是电击火击发，而油管输送作业引爆比较复杂，当前有：重力引爆；油管加压引爆；环空加压引爆。然而国内外的研究主要集中于动静力学的数值模拟，必要的实验手段和研究方法也不够完善，传统的模拟和测试方式难以全面的对管柱的动力学响应进行测试。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，能够采集射孔时井下压力场的动态数据，包括射孔时的环空压力场和管柱的径向、轴向以及周向的加速度时域变化值，为分析射孔时井下事故发生机理提供分析依据，指导施工作业以避免事故的发生，提供一种保证管柱强度需求、提高产油率有重要意义、实验操作简单的油气井井下射孔爆炸射孔管柱力学实验系统及其方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种油气井井下射孔爆炸射孔管柱力学实验系统，它包括实验水池、设置于实验水池内的射孔管柱、设置于实验水池外且顺次电连接的信号放大器、A/D转换器和计算机；
所述的射孔管柱包括由上往下顺次连接的油管、封隔管、套管、加速度测试短节A、减震器、加速度测试短节B和射孔枪，所述的套管内安装有压力传感器，所述的套管的下端部设置有外螺纹，所述的加速度测试短节A和加速度测试短节B的结构相同，加速度测试短节A包括柱头和螺纹头，螺纹头固连于柱头底部，柱头的顶端开设有螺纹孔A，螺纹头的底部顺次设置有圆盘和加速度安装架，加速度安装架的左右侧均为平面，左右平面上均安装有径向加速度传感器，加速度安装架的前后侧均设置有相互错开的直角，两个直角上设置均安装有周向加速度传感器，圆盘上安装有轴向加速度传感器，加速度安装架上开设有连通螺纹孔A的通孔A；
所述的减震器包括筒体、设置于筒体内且位于上下端的上端盖和下端盖、设置于筒体内减震弹簧、滑套和导向轴，筒体内开设有位于上端盖上方的螺纹孔B，导向轴与上端盖相连，导向轴内开设有连通螺纹孔B的通孔B，滑套套装于导向轴上且贯穿下端盖设置，滑套的伸出端开设有外螺纹，导向轴还上套有抵压于滑套与上端盖之间的减震弹簧；
所述的套管的外螺纹与加速度测试短节A的螺纹孔A螺纹连接，加速度测试短节A的螺纹头与筒体的螺纹孔B螺纹连接，滑套的外螺纹与加速度测试短节B的螺纹孔A螺纹连接，加速度测试短节B的螺纹头与射孔枪连接；
所述的压力传感器、径向加速度传感器、周向加速度传感器和轴向加速度传感器均与信号放大器电连接。
所述的油管与封隔管之间经油管卡箍锁紧。
所述的封隔管与套管之间经套管卡箍锁紧。
所述的实验水池内设置有三脚架，所述的射孔管柱位于三脚架所围成的区域内，且三脚架经连接杆与卡箍相连。
所述的螺纹孔A、螺纹孔B均匀为锥螺纹孔。
所述的系统在油气井井下射孔爆炸射孔管柱的力学实验方法，它包括以下步骤：
S1、按照标准将射孔弹装入射孔枪中；
S2、将射孔管柱下入实验水池中，当下入到一定深度后，将各个传感器输出线连接在信号放大器上，再将信号放大器连接在A/D转换器上，最后将A/D转换器连接在计算机上；
S3、测试和调节信号放大器，使整个实验系统处于待工作状态；
S4、通过导爆索引爆射孔枪上的射孔弹，压力传感器采集射孔管柱所受到的瞬时压力场，压力传感器将该数据传递给信号放大器，信号放大器再将数据传递给A/D转换器，A/D转换器压力信号转换为电信号后传递给计算机存储；径向加速度传感器、周向加速度传感器和轴向加速度传感器分别采集射孔管柱在其径向方向、周向方向、轴向方向的加速度，加速度传感器将该数据传递给信号放大器，信号放大器再将数据传递给A/D转换器，A/D转换器将加速度信号转换为电信号后传递给计算机存储；
S5、计算机根据收集的加速度数据计算出射孔作业时射孔管柱的速度变化曲线、位移变化曲线；计算机还可根据收集的压力数据计算出射孔作业时射孔管柱的压力变化曲线，最后通过分析曲线即可得出射孔管柱在射孔作业后管柱的失效机理，以保证管柱强度需求，对提高产油率有着积极意义。
本发明具有以下优点：本发明克服了传统的模拟和测试方式难以全面的对管柱的动力学响应进行测试，能够采集射孔时井下压力场的动态数据，包括射孔时的环空压力场和管柱的径向、轴向以及周向的加速度时域变化值，为分析射孔时井下事故发生机理提供分析依据，指导施工作业以避免事故的发生，通过本实验系统能够保证管柱强度需求，确保了如何提高产油率起到了重要意义。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图；
图2 为射孔管柱的结构示意图；
图3 为加速度测试短节A的结构示意图；
图4 为加速度传感器与加速度测试短节A的安装示意图；
图5 为图4的俯视图；
图6 为减震器的结构示意图；
图7 为压力传感器与套管的安装示意图；
图中，1-实验水池，2-射孔管柱，3-信号放大器，4- A/D转换器，5-计算机，6-油管，7-封隔管，8-套管，9-加速度测试短节A，10-减震器，11-加速度测试短节B，12-射孔枪，13-压力传感器，14-柱头，15-螺纹头，16-螺纹孔A，17-圆盘，18-加速度安装架，19-径向加速度传感器，20-周向加速度传感器，21-轴向加速度传感器，22-通孔A，23-筒体，24-减震弹簧，25-滑套，26-导向轴，27-螺纹孔B，28-油管卡箍，29-套管卡箍，30-三脚架，31-通孔B。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1~7所示，一种油气井井下射孔爆炸射孔管柱力学实验系统，它包括实验水池1、设置于实验水池1内的射孔管柱2、设置于实验水池1外且顺次电连接的信号放大器3、A/D转换器4和计算机5；所述的射孔管柱2包括由上往下顺次连接的油管6、封隔管7、套管8、加速度测试短节A9、减震器10、加速度测试短节B11和射孔枪12，所述的油管6与封隔管7之间经油管卡箍28锁紧，所述的封隔管7与套管8之间经套管卡箍29锁紧，所述的套管8内安装有压力传感器13，所述的套管8的下端部设置有外螺纹，所述的加速度测试短节A9和加速度测试短节B11的结构相同，加速度测试短节A9包括柱头14和螺纹头15，螺纹头15固连于柱头14底部，柱头14的顶端开设有螺纹孔A16，螺纹头15的底部顺次设置有圆盘17和加速度安装架18，加速度安装架18的左右侧均为平面，左右平面上均安装有径向加速度传感器19，加速度安装架18的前后侧均设置有相互错开的直角，两个直角上设置均安装有周向加速度传感器20，圆盘17上安装有轴向加速度传感器21，加速度安装架18上开设有连通螺纹孔A16的通孔A22。
所述的减震器10包括筒体23、设置于筒体23内且位于上下端的上端盖和下端盖、设置于筒体23内减震弹簧24、滑套25和导向轴26，筒体23内开设有位于上端盖上方的螺纹孔B27，导向轴26与上端盖相连，导向轴26内开设有连通螺纹孔B27的通孔B31，滑套25套装于导向轴26上且贯穿下端盖设置，滑套25的伸出端开设有外螺纹，导向轴26还上套有抵压于滑套25与上端盖之间的减震弹簧24，当引爆射孔枪12上的射孔弹后，加速度测试短节B11随着滑套25做向上运动，滑套25沿着导向轴26向上移动，在移动过程中，滑套25压缩减震弹簧24，避免射孔枪12上产生的震动直接传递到加速度短节A9上而导致整个射孔管柱损坏，起到了很好的减震效果，保证了实验的顺利进行。
所述的套管8的外螺纹与加速度测试短节A9的螺纹孔A16螺纹连接，由于套管8与加速度测试短节A9螺纹连接，因此当在做不同实验时，只需更换套管8下部的结构，操作非常简便。加速度测试短节A9的螺纹头15与筒体23的螺纹孔B27螺纹连接，滑套25的外螺纹与加速度测试短节B11的螺纹孔A16螺纹连接，加速度测试短节B11的螺纹头15与射孔枪12连接。
所述的压力传感器13、径向加速度传感器19、周向加速度传感器20和轴向加速度传感器21均与信号放大器3电连接。所述的压力传感器13的数据线顺次穿过套管8、封隔管7和油管6最后与信号放大器3连接；所述的加速度测试短节A9上的各加速度传感器的数据线顺次穿过通孔A22、螺纹孔A16、套管8、封隔管7和油管6最后与信号放大器3连接；所述的加速度测试短节B11上的各加速度传感器的数据线顺次穿过滑套25、通孔B31、加速度测试短节A9、套管8、封隔管7和油管6最后与信号放大器3连接；所述的射孔枪12的导爆索顺次穿过加速度测试短节B11、减震器10、加速度测试短节A9、套管8、封隔管7和油管6最后与信号放大器3连接。
所述的实验水池1内设置有三脚架30，所述的射孔管柱2位于三脚架30所围成的区域内，且三脚架30经连接杆与卡箍相连；所述的螺纹孔A16、螺纹孔B27均匀为锥螺纹孔，因此当在实验时可改变三脚架30的位置来实现射孔作业时封隔器位置变化对管柱力学响应的影响。
如图1所示，所述的系统在油气井井下射孔爆炸射孔管柱的力学实验方法，它包括以下步骤：
S1、按照标准将射孔弹装入射孔枪12中；
S2、将射孔管柱2下入实验水池1中，当下入到一定深度后，将各个传感器输出线连接在信号放大器3上，再将信号放大器3连接在A/D转换器4上，最后将A/D转换器4连接在计算机5上；
S3、测试和调节信号放大器3，使整个实验系统处于待工作状态；
S4、通过导爆索引爆射孔枪12上的射孔弹，压力传感器13采集射孔管柱2所受到的瞬时压力场，压力传感器13将该数据传递给信号放大器3，信号放大器3再将数据传递给A/D转换器4，A/D转换器4压力信号转换为电信号后传递给计算机5存储；径向加速度传感器19、周向加速度传感器20和轴向加速度传感器21分别采集射孔管柱2在其径向方向、周向方向、轴向方向的加速度，加速度传感器将该数据传递给信号放大器3，信号放大器3再将数据传递给A/D转换器4，A/D转换器4将加速度信号转换为电信号后传递给计算机5存储；
S5、计算机5根据收集的加速度数据计算出射孔作业时射孔管柱2的速度变化曲线、位移变化曲线；计算机5还可根据收集的压力数据计算出射孔作业时射孔管柱2的压力变化曲线，最后通过分析曲线即可得出射孔管柱在射孔作业后管柱的失效机理，以保证管柱强度需求，对提高产油率有着积极意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种油气井井下射孔爆炸射孔管柱力学实验系统，其特征在于：它包括实验水池（1）、设置于实验水池（1）内的射孔管柱（2）、设置于实验水池（1）外且顺次电连接的信号放大器（3）、A/D转换器（4）和计算机（5）；
所述的射孔管柱（2）包括由上往下顺次连接的油管（6）、封隔管（7）、套管（8）、加速度测试短节A（9）、减震器（10）、加速度测试短节B（11）和射孔枪（12），所述的套管（8）内安装有压力传感器（13），所述的套管（8）的下端部设置有外螺纹，所述的加速度测试短节A（9）和加速度测试短节B（11）的结构相同，加速度测试短节A（9）包括柱头（14）和螺纹头（15），螺纹头（15）固连于柱头（14）底部，柱头（14）的顶端开设有螺纹孔A（16），螺纹头（15）的底部顺次设置有圆盘（17）和加速度安装架（18），加速度安装架（18）的左右侧均为平面，左右平面上均安装有径向加速度传感器（19），加速度安装架（18）的前后侧均设置有相互错开的直角，两个直角上设置均安装有周向加速度传感器（20），圆盘（17）上安装有轴向加速度传感器（21），加速度安装架（18）上开设有连通螺纹孔A（16）的通孔A（22）；
所述的减震器（10）包括筒体（23）、设置于筒体（23）内且位于上下端的上端盖和下端盖、设置于筒体（23）内减震弹簧（24）、滑套（25）和导向轴（26），筒体（23）内开设有位于上端盖上方的螺纹孔B（27），导向轴（26）与上端盖相连，导向轴（26）内开设有连通螺纹孔B（27）的通孔B（31），滑套（25）套装于导向轴（26）上且贯穿下端盖设置，滑套（25）的伸出端开设有外螺纹，导向轴（26）上套有抵压于滑套（25）与上端盖之间的减震弹簧（24）；
所述的套管（8）的外螺纹与加速度测试短节A（9）的螺纹孔A（16）螺纹连接，加速度测试短节A（9）的螺纹头（15）与筒体（23）的螺纹孔B（27）螺纹连接，滑套（25）的外螺纹与加速度测试短节B（11）的螺纹孔A（16）螺纹连接，加速度测试短节B（11）的螺纹头（15）与射孔枪（12）连接；
所述的压力传感器（13）、径向加速度传感器（19）、周向加速度传感器（20）和轴向加速度传感器（21）均与信号放大器（3）电连接。
2.根据权利要求1所述的一种油气井井下射孔爆炸射孔管柱力学实验系统，其特征在于：所述的油管（6）与封隔管（7）之间经油管卡箍（28）锁紧。
3.根据权利要求1所述的一种油气井井下射孔爆炸射孔管柱力学实验系统，其特征在于：所述的封隔管（7）与套管（8）之间经套管卡箍（29）锁紧。
4.根据权利要求1所述的一种油气井井下射孔爆炸射孔管柱力学实验系统，其特征在于：所述的实验水池（1）内设置有三脚架（30），所述的射孔管柱（2）位于三脚架（30）所围成的区域内，且三脚架（30）经连接杆与卡箍相连。
5.根据权利要求1所述的一种油气井井下射孔爆炸射孔管柱力学实验系统，其特征在于：所述的螺纹孔A（16）、螺纹孔B（27）均为锥螺纹孔。
6.根据权利要求1~5中任意一项所述的系统在油气井井下射孔爆炸射孔管柱的力学实验方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、按照标准将射孔弹装入射孔枪（12）中；
S2、将射孔管柱（2）下入实验水池（1）中，当下入到一定深度后，将各个传感器输出线连接在信号放大器（3）上，再将信号放大器（3）连接在A/D转换器（4）上，最后将A/D转换器（4）连接在计算机（5）上；
S3、测试和调节信号放大器（3），使整个实验系统处于待工作状态；
S4、通过导爆索引爆射孔枪（12）上的射孔弹，压力传感器（13）采集射孔管柱（2）所受到的瞬时压力场数据，压力传感器（13）将该数据传递给信号放大器（3），信号放大器（3）再将数据传递给A/D转换器（4），A/D转换器（4）将压力信号转换为电信号后传递给计算机（5）存储；径向加速度传感器（19）、周向加速度传感器（20）和轴向加速度传感器（21）分别采集射孔管柱（2）在其径向方向、周向方向、轴向方向的加速度数据，加速度传感器将该数据传递给信号放大器（3），信号放大器（3）再将数据传递给A/D转换器（4），A/D转换器（4）将加速度信号转换为电信号后传递给计算机（5）存储；
S5、计算机（5）根据收集的加速度数据计算出射孔作业时射孔管柱（2）的速度变化曲线、位移变化曲线；计算机（5）还可根据收集的压力数据计算出射孔作业时射孔管柱（2）的压力变化曲线，最后通过分析曲线即可得出射孔管柱在射孔作业后管柱的失效机理，以保证管柱强度需求，对提高产油率有着积极意义。
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