CN109000913A - 一种高温高压高产深井完井管柱力学实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高压高产深井完井管柱力学实验装置，它包括桁架（1）、井筒（2）、空压压缩机（3）、油缸（4）、铰链座（5）和缓冲罐（6）和调压阀（7），油缸（4）位于桁架（1）的右侧，油缸（4）的缸筒铰接于地面山，油缸（4）的活塞杆铰接于桁架（1）上，桁架（1）内且位于其上下端部均设置有封隔器（8）；它还公开了实验方法。本发明的有益效果是：能够测出管柱振动的轴力、位移、应变、扭矩等响应数据；分析出不同产气井产量、不同倾斜角的井筒、不同端部轴力分别对管柱振动、屈曲变形的影响机理，验证理论模型的正确性。

Description

一种高温高压高产深井完井管柱力学实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高温高压高产深井完井管柱力学实验装置及方法。

背景技术

管柱的变形既影响了油田的安全生产，又会给油田造成严重经济损失，为研究管柱在井下复杂工况下的变形情况，国内外诸多学者分别基于理论依据，在不同前提下建立起了管柱力学的一系列研究理论及辅助实验手段，但这些研究理论一般都忽略了管柱倾斜下、不同进气量下对管柱振动的影响，并且需要在给定假设成立的前提下才近似成立，无法较综合并精确地给出管柱在实际工况下的变形情况；而且由于管柱屈曲现象本身的复杂性，在诸多辅助实验中通常难以分析诸如不同产气井产量、不同倾斜角的井筒、不同端部轴力分别对管柱振动对管柱屈曲的独立影响，并缺乏对实验结果的详细误差分析，这些都影响了实验结果对相应理论支持的可信度，无法对管柱在井下的真实受力变形情况进行研究。因此针对管柱在井下真实受力环境下力学行为研究的综合性实验装置还没有真正建立。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种高温高压高产深井完井管柱力学实验装置及方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种高温高压高产深井完井管柱力学实验装置，它包括桁架、井筒、空压压缩机、油缸、铰链座和缓冲罐和调压阀，所述桁架的下端部铰接于铰链座上，所述油缸位于桁架的右侧，油缸的缸筒铰接于地面山，油缸的活塞杆铰接于桁架上，桁架内且位于其上下端部均设置有封隔器，两个封隔器之间设置有井筒，井筒垂向设置，所述的空压压缩机的出气口与缓冲罐的入口端连接，缓冲罐的出口端与调压阀连接，调压阀的另一端与压力表连接，压力表的另一端经管线与井筒的底部连通，所述的井筒的四个周面上且沿其长度方向粘贴有多个光栅传感器；它还包括计算机，所述的计算机与光栅传感器通过信号线连接。

所述的井筒的顶部连接有压力表。在竖向方向上相邻两个光栅传感器的间距相等。

所述高温高压高产深井完井管柱力学实验装置的实验方法，它包括以下步骤：

S1、实验之前校准光纤光栅传感器并将数据清零；

S2、启动空压压缩机，空压压缩机产生高压气体并泵入于缓冲罐中，随后高压气体顺次穿过调压阀、压力表进入井筒内，通过调压阀将流速调整至实验设计的流速，待流速稳定后，启动光纤光栅传感器，光栅传感器采集井筒的变形数据，采集后光栅传感器将变形数据传递给计算机；

S3、计算机通过模态分析法得到垂直井筒上各个点的振动频率、位移和振幅，测试后对光栅传感器进行清零处理；

S4、改变调压阀的开度，重复步骤S1～S3即可得到不同气压下井筒的振动频率、位移和振幅，测试后对光栅传感器进行清零处理；

S5、启动油缸，使油缸活塞杆伸出，活塞杆带动桁架绕着铰链座转动，重复步骤S1～S3即可得到不同倾角井筒的振动频率、位移和振幅，测试后对光栅传感器进行清零处理；

S6、在井筒的上下端部施加不同大小的轴向力，重复步骤S1～S3即可得到井筒在不同轴向力下振动频率、位移和振幅。

本发明具有以下优点：本发明结构紧凑、能够测出管柱振动的轴力、位移、应变、扭矩等响应数据；分析出不同产气井产量、不同倾斜角的井筒、不同端部轴力分别对管柱振动、屈曲变形的影响机理，验证理论模型的正确性。

附图说明

图1为井筒上光栅传感器的安装示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为实验装置的结构示意图；

图中，1-桁架，2-井筒，3-空压压缩机，4-油缸，5-铰链座，6-缓冲罐，7-调压阀，8-封隔器，9-压力表，10-光栅传感器。

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1～3所示，一种高温高压高产深井完井管柱力学实验装置，它包括桁架1、井筒2、空压压缩机3、油缸4、铰链座5和缓冲罐6和调压阀7，所述桁架1的下端部铰接于铰链座5上，所述油缸4位于桁架1的右侧，油缸4的缸筒铰接于地面山，油缸4的活塞杆铰接于桁架1上，桁架1内且位于其上下端部均设置有封隔器8，两个封隔器8之间设置有井筒2，井筒2垂向设置，所述的空压压缩机3的出气口与缓冲罐6的入口端连接，缓冲罐6的出口端与调压阀7连接，调压阀7的另一端与压力表9连接，压力表9的另一端经管线与井筒2的底部连通，所述的井筒2的四个周面上且沿其长度方向粘贴有多个光栅传感器10；它还包括计算机，所述的计算机与光栅传感器10通过信号线连接。

所述的井筒2的顶部连接有压力表9。

在竖向方向上相邻两个光栅传感器10的间距相等。

所述高温高压高产深井完井管柱力学实验装置的实验方法，它包括以下步骤：

S1、实验之前校准光纤光栅传感器10并将数据清零；

S2、启动空压压缩机3，空压压缩机3产生高压气体并泵入于缓冲罐6中，随后高压气体顺次穿过调压阀7、压力表9进入井筒2内，通过调压阀7将流速调整至实验设计的流速，待流速稳定后，启动光纤光栅传感器10，光栅传感器10采集井筒2的变形数据，采集后光栅传感器10将变形数据传递给计算机；

S3、计算机通过模态分析法得到垂直井筒2上各个点的振动频率、位移和振幅，测试后对光栅传感器10进行清零处理；

S4、改变调压阀7的开度，重复步骤S1～S3即可得到不同气压下井筒2的振动频率、位移和振幅，测试后对光栅传感器10进行清零处理；

S5、启动油缸4，使油缸4活塞杆伸出，活塞杆带动桁架1绕着铰链座5转动，重复步骤S1～S3即可得到不同倾角井筒2的振动频率、位移和振幅，测试后对光栅传感器10进行清零处理；

S6、在井筒2的上下端部施加不同大小的轴向力，重复步骤S1～S3即可得到井筒2在不同轴向力下振动频率、位移和振幅。能够测出管柱振动的轴力、位移、应变、扭矩等响应数据；分析出不同产气井产量、不同倾斜角的井筒、不同端部轴力分别对管柱振动、屈曲变形的影响机理，验证理论模型的正确性。

纤光栅传感器测试结果的数据处理方法包括：

(1)波长与应变转换

首先需要将波长数据转化为微应变，表达式如下：

式中με——微应变；

λ——光信号波长值(nm)。

(2)预张力影响的消除

预张力也会周期性的振动进而影响实验数据，因此必须消除预张力带来的影响。CF方向的振动呈对称性，预张力产生的应变也是相等，因此，CF方向振动产生的弯曲应变为：

式中ε_VIV-——CF方向产生的弯曲应变；

ε_CF1——CF1方向产生的弯曲应变；

ε_CF2——CF2方向产生的弯曲应变。

稳定的时间段内，可认为振动产生的弯曲应变时间历程均值为零，则可假设：

式中——振动产生的弯曲应变时间历程均值。

由式(3-10)(3-11)得到

因此IL方向振动产生的弯曲应变为：

(3)实验数据处理的模态分析法

假设管柱作小变形运动，则在一定时间内管柱轴线在流向上的位移可用下式表示^[104-106]：

式中t——时间(s)；

z——管柱轴向坐标；

l——管柱长度(m)；

w(t，z)——轴线上的位移(m)；

φ_i(z)——模态振型；

P_i(t)——模态权重。

管柱轴线流向的曲率为：

管柱可简化为简支梁，其振型可表示为：

将位移的模态振型带入式(3-16)，则曲率可化为：

曲率与应变有如下关系：

式中ε(t，z)——管柱流向表面应变；

R——管柱半径(m)。

结合式(3.21)和式(3.22)，可以得到

式中θ_i(z)——模态振型；

e₁(t)——模态权重。

沿长度方向坐标为Z_m，m＝1，2，3......M，测量得到的信号表示为：

式中C_m(t)——测量信号；

ε(t，Z_m)——应变信号；

η_m(t)——噪声信号。

假设固有振型为正弦函数，并假设使用N阶模态进行分析可以满足要求，则，

首先，第i阶模态振型在M个测试点出的展开式为：

φ_i＝[φ_i(z₁)，φ_i(z₁)，...，φ_i(z_M)]^T (3.28)

则N阶模态在M个测试点展开得到M×N的矩阵为：

φ＝[φ₁，φ₁，...，φ_N] (3.29)

测量信号、噪声信号以及模态权重的矩阵如下：

c(t)＝[c₁(t)，c₂(t)，...，c_M(t)]^T (3.30)

η(t)＝[η₁(t)，η₂(t)，...，η_M(t)]^T (3.31)

e(t)＝[e₁(t)，e₂(t)，...，e_N(t)]^T (3.32)

式(3-24)可以写成：

c(t)＝φe(t)+η(t) (3.33)

对于上式来说，仅当测量点数等于参与计算模态数时，即M＝N时有精确解，不考虑噪声误差的情况下，解为：

式中用表示求解得到的位移权重，由于噪声的影响，与真实解e(t)之间有一定的偏差。当参与计算的模态数小于测量点数时，此时式(3-32)不成立，需要用最小二乘法求解，可以得到：

式中，H＝(φ^Tφ)^-1φ^T，由式(3.24)得到后，则隔水管轴线流向位移w(t，z)可由式(3.20)和式(3.22)求得。

(4)频率分析法

振动发生时，管柱会在横向及流向同时发生周期性的振动，可用傅里叶级数表示为：

式中A_n——振幅；

n——角频；

t——某一时刻；

θ——初相角。

由于振动过程中，振动频率是不随时间变化的周期函数，因此，信号原始波形可分解为正弦波或者余弦波，等间隔取样后，连续信号即为N个离散的点，此时可将级数表示为^[30]：

式中A₀、A_k、B_k、A_N/2——常数；

N——某个时刻对应连续信号的序号。

对式(3-35)求解，拟合的频率序号n最高即为N/2，这个频率称为Nyquist频率。综上听述，通过对采集的信号进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform)，可获得对应的张力响应幅值与响应频率。

Claims (4)

1.一种高温高压高产深井完井管柱力学实验装置，其特征在于：它包括桁架（1）、井筒（2）、空压压缩机（3）、油缸（4）、铰链座（5）和缓冲罐（6）和调压阀（7），所述桁架（1）的下端部铰接于铰链座（5）上，所述油缸（4）位于桁架（1）的右侧，油缸（4）的缸筒铰接于地面山，油缸（4）的活塞杆铰接于桁架（1）上，桁架（1）内且位于其上下端部均设置有封隔器（8），两个封隔器（8）之间设置有井筒（2），井筒（2）垂向设置，所述的空压压缩机（3）的出气口与缓冲罐（6）的入口端连接，缓冲罐（6）的出口端与调压阀（7）连接，调压阀（7）的另一端与压力表（9）连接，压力表（9）的另一端经管线与井筒（2）的底部连通，所述的井筒（2）的四个周面上且沿其长度方向粘贴有多个光栅传感器（10）；它还包括计算机，所述的计算机与光栅传感器（10）通过信号线连接。

2.根据权利要求1所述的一种高温高压高产深井完井管柱力学实验装置，其特征在于：所述的井筒（2）的顶部连接有压力表（9）。

3.根据权利要求1所述的一种高温高压高产深井完井管柱力学实验装置，其特征在于：在竖向方向上相邻两个光栅传感器（10）的间距相等。

4.根据权利要求1~3中任意一项所述高温高压高产深井完井管柱力学实验装置的实验方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、实验之前校准光纤光栅传感器（10）并将数据清零；

S2、启动空压压缩机（3），空压压缩机（3）产生高压气体并泵入于缓冲罐（6）中，随后高压气体顺次穿过调压阀（7）、压力表（9）进入井筒（2）内，通过调压阀（7）将流速调整至实验设计的流速，待流速稳定后，启动光纤光栅传感器（10），光栅传感器（10）采集井筒（2）的变形数据，采集后光栅传感器（10）将变形数据传递给计算机；

S3、计算机通过模态分析法得到垂直井筒（2）上各个点的振动频率、位移和振幅，测试后对光栅传感器（10）进行清零处理；

S4、改变调压阀（7）的开度，重复步骤S1~S3即可得到不同气压下井筒（2）的振动频率、位移和振幅，测试后对光栅传感器（10）进行清零处理；

S5、启动油缸（4），使油缸（4）活塞杆伸出，活塞杆带动桁架（1）绕着铰链座（5）转动，重复步骤S1~S3即可得到不同倾角井筒（2）的振动频率、位移和振幅，测试后对光栅传感器（10）进行清零处理；

S6、在井筒（2）的上下端部施加不同大小的轴向力，重复步骤S1~S3即可得到井筒（2）在不同轴向力下振动频率、位移和振幅。