CN108918266B - 一种模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验装置及方法,具有实验箱,所述的实验箱内设有实验地层,实验地层中心设有模拟井筒,所述的模拟井筒具有埋设于实验地层内的管套、井口装置以及井筒,模拟井筒管路连接有加压泵和温度控制装置,实验地层通过管线分别连接有给实验地层注水的加压水泵和注气的气体压缩机,井筒上端设有驱动模拟井筒产生震动的震动机构,所述震动机构具有夹持于井筒上端部的夹块,管套内设有测定模拟井筒震动应力的应力片。本发明可真实模拟深水“三浅”地质灾害对浅层管套强度的影响并加以疲劳强度分析,同时通过对实验结果的分析,得出深水浅层管套损坏机制并提出预防措施。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气勘探设备技术领域,尤其是一种模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验装置及其实验方法。
背景技术
世界范围内,深水油气资源量占总资源的60%,深水油气开发已成为世界石油工业的主要关注点。深水钻采工程中,管套变形问题一直制约着工程发展,关系着深水生产效率和安全,尤其深水浅层区域,“三浅”(浅层气、浅水流、天然气水合物)地质灾害频发,一方面,若存在隐藏的“三浅”问题,在井筒与浅部地层的温差作用下,其相态改变会对井筒外壁及水泥环产生挤压;另一方面,“三浅”地质灾害发生时,将导致浅部土层的性质改变,此时管套外部地基反力发生变化。管套外部压力的改变与多变的环空带压耦合后,更加剧了浅层管套的损坏。但是目前针对深水“三浅”灾害导致管套变形的研究相对较少、研究方法还不完善,因此亟待开发一种模拟深水“三浅”灾害导致管套变形的实验装置及方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:为了克服现有技术中之不足,本发明提供一种模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验装置及其实验方法,以便对管套进行疲劳强度分析,得出深水浅层地质灾害管套损坏机制并提出预防措施。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验装置,具有实验箱,所述的实验箱内设有实验地层,实验地层中心设有模拟井筒,所述的模拟井筒具有埋设于实验地层内的管套、井口装置以及井筒,井口装置下平面中心固定有与所述管套内壁构成环空的油杆,模拟井筒管路连接有加压泵和温度控制装置,实验地层通过管线分别连接有给实验地层注水的加压水泵和注气的气体压缩机,井筒上端设有驱动模拟井筒产生震动的震动机构,所述震动机构具有夹持于井筒上端部的夹块,夹块上线路连接有加速度测量装置,管套内设有测定模拟井筒震动应力的应力片。
优选地,所述的管套包括由上至下依次套接的表层管套、技术管套和油层管套,表层管套上端伸出实验地层与井口装置下平面固定,井筒与井口装置上平面固定。
所述的加压泵进口端连接有液相水箱,加压泵出口端的管路接入所述环空内,温度控制装置的控制管路与表层管套侧壁连接,井口装置上安装有压力表、安全控制阀以及泄压阀,通过加压泵向环空内注入液相来模拟环空内的高压,温度控制装置可以对环空进行分段分别加温,以达到环空内温度梯度的效果。
所述的表层管套、技术管套和油层管套的内壁面均开设有凹槽,所述的应力片嵌入安装于凹槽内,应力片线路连接有感应装置和计算机,方便应力数据的记录和调节。
所述的加压水泵进口端连接有水箱,气体压缩机通向实验地层的管线上设有气罐,通过水箱、加压水泵和气体压缩机给实验地层进行注水、注气,根据实验要求调节气相和液相的量以及之间的比例,可以分别模拟浅层气、浅层水、天然气水合物地质灾害。
具体说,所述的震动机构包括由电机驱动的转盘,从转盘中心向转盘外缘延伸设有滑槽,滑槽与夹块之间设有连接杆,连接杆两端分别与滑槽和夹块转动连接;同时为起到震动缓冲效果,所述的井筒外壁套装有橡胶套,夹块夹持在橡胶套外周。
一种使用上述实验装置进行模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验方法,包括以下步骤:
a、实验准备阶段:按照实验需求材料,将模拟井筒的管套稳定地安插在实验地层中央,往实验地层内进行填料,根据实验需求,填满饱和淤泥土层,在填料过程中,铺设管线,在管套上层用井口装置密封,打开加压泵前的阀门,通过加压泵向环空内加压;根据实验要求调节夹块的震动幅度和加速度;
b、实验进行阶段:
当环空内压力达到实验标准,关闭加压泵前的阀门停止加压并记录压力数据;根据实验要求,开启设在气体压缩机和加压水泵上的阀门向实验地层内注水注气以模拟浅层气、浅层水、天然气水合物地质灾害;根据实验要求设定温度控制装置对环空内温度的控制并记录,记录加速度测量装置上模拟井筒顶部的加速度,通过应力片记录模拟井筒上的震动应力数;
c、实验结束阶段:
排出环空内的压力,关闭气体压缩机和加压水泵,排出实验箱内的部分液相和固相颗粒,剩余的排不出的用铁铲取出,将模拟井筒的管套从实验地层中拔出,观察并测量管套的形变情况。
本发明的有益效果是:本发明可真实模拟深水“三浅”地质灾害对浅层管套强度的影响,可根据测量结果,在一定时间范围内对管套进行疲劳强度分析,同时通过对实验结果的分析,以得出深水浅层管套损坏机制并提出预防措施,从而达到延长钻井管套使用寿命的目的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明所述震动机构的结构示意图。
图中:1.实验箱 2.排空阀 3.实验地层 4.模拟井筒 4-1.管套 4-2.井口装置 4-3.井筒 4-4.环空 4-5.油杆 5.加压泵 6.温度控制装置 7.液相水箱 8.压力表 9.安全控制阀 10.泄压阀 11.加压水泵 12.气体压缩机 13.水箱 14.气罐 15.震动机构 15-1.转盘 15-2.夹块 15-3.橡胶套 15-4.滑槽 15-5.连接杆 15-6.加速度测量装置 16.凹槽17.应力片 18.感应装置 19.计算机
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图,仅以示意方式说明本发明的基本结构,因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1、图2所示,一种模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验装置,具有实验箱1,实验箱1底部设有用于排出实验后实验箱1内的液相和固相颗粒的排空阀2,实验箱1可以根据实验要求的地层性质进行选择性分层填充。
所述的实验箱1内设有实验地层3,实验地层3中心设有模拟井筒4,所述的模拟井筒4具有埋设于实验地层3内的管套4-1、井口装置4-2以及井筒4-3,井口装置4-2下平面中心固定有与所述管套4-1内壁构成环空4-4的油杆4-5,所述的管套4-1包括由上至下依次套接的表层管套、技术管套和油层管套,表层管套上端伸出实验地层3与井口装置4-2下平面固定,井筒4-3与井口装置4-2上平面固定。
模拟井筒4管路连接有加压泵5和温度控制装置6,所述的加压泵5进口端连接有液相水箱7,加压泵5出口端的管路接入所述环空4-4内,温度控制装置6的控制管路与表层管套侧壁连接,井口装置4-2上安装有压力表8、安全控制阀9以及泄压阀10。加压泵5将液相水箱7内的液相介质不断注入密封的环空4-4内,以模拟环空4-4内的高压,温度控制装置6可以对环空4-4内部进行分段分别加温,以达到环空4-4内温度梯度的效果。
实验地层3通过管线分别连接有给实验地层3注水的加压水泵11和注气的气体压缩机12,所述的加压水泵11进口端连接有水箱13,气体压缩机12通向实验地层3的管线上设有气罐14,加压水泵11抽取水箱13内的水向实验地层3注水,气体压缩机12将气罐14内的气体加压后向实验地层3内注气,并根据实验要求调节气相和液相的量以及气液相之间的比例,从而分别模拟浅层气、浅层水、天然气水合物地质灾害状况。
所述的井筒4-3上端设有驱动模拟井筒4产生震动的震动机构15,所述的震动机构15包括由电机驱动安装在底座15-7上的转盘15-1和夹块15-2,井筒4-3外壁套装有橡胶套15-3,夹块15-2夹持在橡胶套15-3外周而夹紧井筒4-3上,以起到震动时的缓冲作用,从转盘15-1中心向转盘15-1外缘延伸设有滑槽15-4,滑槽15-4与夹块15-2之间设有连接杆15-5,连接杆15-5两端分别与滑槽15-4和夹块15-2转动连接,所述夹块15-2上线路连接有加速度测量装置15-6。震动时,转盘15-1带动连接杆15-5摆动而使夹块15-2产生震动,以达到管套4-1震动的效果,并可通过移动连接杆15-5在滑槽15-4上的位置来调节管套4-1的震动幅度,并通过调节转盘15-1的转速改变管套4-1顶部的加速度。
所述的表层管套、技术管套和油层管套的内壁面均开设有凹槽16,所述的凹槽16内嵌入安装有测定模拟井筒4震动应力的应力片17,应力片17线路连接有感应装置18和计算机19,计算机19记录应力片17上的应力数据,所述应力片17、感应装置18和计算机19构成了实验装置的管套应变测量系统。
一种使用上述实验装置进行模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验方法,包括以下步骤:
a、实验准备阶段:按照实验需求材料,将模拟井筒4的管套4-1稳定地安插在实验地层3中央,往实验地层3内进行填料,根据实验需求,填满饱和淤泥土层,在填料过程中,铺设管线,在管套4-1上层用井口装置4-2密封,打开加压泵5前的阀门,通过加压泵5向环空4-4内加压;启动电机带动转盘15-1转动,根据实验要求的震动幅度调节连接杆15-5在滑槽15-4上的位置,并调节转盘15-1的转速以调节夹块15-2的震动速度。
b、实验进行阶段:
观察压力表8,当环空4-4内压力达到实验标准,关闭加压泵5前的阀门停止加压并记录压力数据;根据实验要求,开启设在气体压缩机12和加压水泵11上的阀门向实验地层3内注水注气以模拟浅层气、浅层水、天然气水合物地质灾害;根据实验要求设定温度控制装置6对环空4-4内温度的控制并记录,记录加速度测量装置15-6上模拟井筒4顶部的加速度,如需进行多组震动幅度,可调节连接杆15-5在滑槽15-4上的位置和转盘15-4的转速,通过应力片17由计算机19记录模拟井筒4上的震动应力数。
c、实验结束阶段:
打开泄压阀10,排出环空4-4内的压力,关闭气体压缩机12和加压水泵11,开启排空阀2排出实验箱1内的部分液相和固相颗粒,剩余的排不出的用铁铲取出,将模拟井筒4的管套4-1从实验地层3中拔出,观察并测量管套4-1的形变情况。
本发明可真实模拟深水“三浅”地质灾害对管套4-1强度的影响,可根据测量结果,在一定时间范围内对管套4-1进行疲劳强度分析,同时通过对实验结果的分析,以得出深水浅层管套4-1损坏机制并提出预防措施,从而达到延长钻井管套4-1使用寿命的目的。
以上述依据本发明的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (8)
1.一种模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验装置,具有实验箱,其特征是:所述的实验箱内设有实验地层,实验地层中心设有模拟井筒,所述的模拟井筒具有埋设于实验地层内的管套、井口装置以及井筒,井口装置下平面中心固定有与所述管套内壁构成环空的油杆,模拟井筒管路连接有向所述环空内注入液相而使模拟井筒内实现高压的加压泵和实现环空内分段加温的温度控制装置,实验地层通过管线分别连接有给实验地层注水的加压水泵和注气的气体压缩机,井筒上端设有驱动模拟井筒产生震动的震动机构,所述震动机构具有夹持于井筒上端部的夹块,夹块上线路连接有加速度测量装置,管套内设有测定模拟井筒震动应力的应力片。
2.如权利要求1所述的模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验装置,其特征是:所述的管套包括由上至下依次套接的表层管套、技术管套和油层管套,表层管套上端伸出实验地层与井口装置下平面固定,井筒与井口装置上平面固定。
3.如权利要求2所述的模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验装置,其特征是:所述的加压泵进口端连接有液相水箱,加压泵出口端的管路接入所述环空内,温度控制装置的控制管路与表层管套侧壁连接,井口装置上安装有压力表、安全控制阀以及泄压阀。
4.如权利要求2所述的模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验装置,其特征是:所述的表层管套、技术管套和油层管套的内壁面均开设有凹槽,所述的应力片嵌入安装于凹槽内,应力片线路连接有感应装置和计算机。
5.如权利要求1所述的模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验装置,其特征是:所述的加压水泵进口端连接有水箱,气体压缩机通向实验地层的管线上设有气罐。
6.如权利要求1所述的模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验装置,其特征是:所述的震动机构包括由电机驱动的转盘,从转盘中心向转盘外缘延伸设有滑槽,滑槽与夹块之间设有连接杆,连接杆两端分别与滑槽和夹块转动连接。
7.如权利要求6所述的模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验装置,其特征是:所述的井筒外壁套装有橡胶套,夹块夹持在橡胶套外周。
8.一种使用权利要求1所述实验装置进行模拟深水地质灾害对管柱强度影响的实验方法,其特征是:包括以下步骤:
a、实验准备阶段:按照实验需求材料,将模拟井筒的管套稳定地安插在实验地层中央,往实验地层内进行填料,根据实验需求,填满饱和淤泥土层,在填料过程中,铺设管线,在管套上层用井口装置密封,打开加压泵前的阀门,通过加压泵向环空内加压;根据实验要求调节夹块的震动幅度和加速度;
b、实验进行阶段:
当环空内压力达到实验标准,关闭加压泵前的阀门停止加压并记录压力数据;根据实验要求,开启设在气体压缩机和加压水泵上的阀门向实验地层内注水注气以模拟浅层气、浅层水、天然气水合物地质灾害;根据实验要求设定温度控制装置对环空内温度的控制并记录,记录加速度测量装置上模拟井筒顶部的加速度,通过应力片记录模拟井筒上的震动应力数;
c、实验结束阶段:
排出环空内的压力,关闭气体压缩机和加压水泵,排出实验箱内的部分液相和固相颗粒,剩余的排不出的用铁铲取出,将模拟井筒的管套从实验地层中抽出,观察并测量管套的形变情况。
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