CN109406257B - 分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置，涉及超深科学钻探力学测试领域，该实验装置包括实验台主体、第一加压泵、第二加压泵及数据采集与处理系统，第一加压泵向高温高压釜内注入钻井液，第二加压泵向钻杆接头内注入钻井液，形成高压及压差环境，实验台主体用于向钻杆接头传递轴向力及轴向扭矩，从而实现钻杆接头的扭转、拉伸、压缩、拉扭及压扭试验条件，本发明提供的力学实验台可实现钻杆接头高温高压条件下的力学测试与失效试验，且可实现钻杆接头内外的压差设置，能更好的模拟钻杆接头在特深井的高温高压环境下受力工况，从而实现钻杆接头的结构优化，以获得更好的力学性能及密封性能。

Description

分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置
技术领域
本发明涉及超深科学钻探力学测试领域，特别是涉及分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置。
背景技术
在深部科学钻探中，钻柱是连通地面设备与井底马达及钻头的枢纽，具有不可替代的核心作用。在钻井过程中，钻柱的基本作用是起下钻头、施加钻压、传递扭矩、输送钻井液等。而长达数千甚至上万米的钻柱是由钻杆、钻铤等钻具通过钻杆接头连接而成。钻杆接头作为钻柱最薄弱的环节，在钻进过程中极易失效，因此钻杆接头的性能直接影响整体钻柱的安全。
随着钻孔深度的加深，孔底环境变得更加复杂。钻杆接头的服役工况也变得更加复杂，主要体现在以下几个方面：
1、受力情况复杂，包括轴向拉压力、弯矩、扭矩以及交变应力的影响；
2、孔底高温的影响：孔底的高温不仅会产生热应力，热变形，增大螺纹应力，同时会对材料的力学性能产生影响，增加钻杆接头工况的复杂度；
3、高压的影响，以10000米的钻孔为例，其孔底钻井液的液柱压力可达到100MPa以上，同时钻柱存在压差，对钻杆接头的密封也提出了严峻考验。由于上述复杂性，高温高压下钻杆接头的力学研究一直是国内外的研究前沿。
现有对钻杆接头的研究主要集中于常温常压的力学研究，流体对钻杆接头力学性能影响的研究很少有报道，对于高温高压条件下钻杆接头的力学研究很少涉及。这很难满足我国深地计划的要求。因此，建立一套模拟高温高压下钻杆接头的力学实验台，已成为目前迫切需要解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置，用于模拟特深井井底钻杆接头受力工况，从而实现钻杆接头高温高压条件下的力学测试与失效试验。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置，其特征在于，包括：实验台主体、第一加压泵、第二加压泵及数据采集与处理系统，
所述实验台主体包括高温高压釜、传力轴、回转马达、定位盖、轴承、移动平台、加热电阻、液压缸、底座、第一碳化硅密封环、导向套、第二碳化硅密封环、第一夹具、钻杆接头及第二夹具，所述高温高压釜置于底座上，高温高压釜包括高温高压釜盖及高温高压釜体，于高温高压釜外侧包有加热电阻；所述钻杆接头设置在高温高压釜的内部并与高温高压釜同轴布置；所述第二夹具设置在高温高压釜底部中心位置，第二夹具用于固定钻杆接头；所述移动平台位于高温高压釜上方；所述液压缸安装于底座上，液压缸的活塞杆与移动平台连接，通过液压缸的活塞杆往复运动实现移动平台的上升和下降；所述导向套设置在移动平台的底部中心位置，导向套穿过高温高压釜盖延伸至高温高压釜内部，于导向套与高温高压釜盖连接处设置有第二碳化硅密封环；所述回转马达通过定位盖固定在移动平台的台面上，回转马达用于驱动传力轴回转；所述传力轴依次穿过定位盖、移动平台及导向套延伸至高温高压釜内部，且传力轴与定位盖、移动平台通过轴承定位，传力轴与移动平台之间设置有第一碳化硅密封环；所述第一夹具与传力轴的底部连接，第一夹具用于将钻杆接头上部夹紧；
所述第一加压泵通过第一高压管线与高温高压釜的内部相连，第一加压泵用于提供模拟深部地层钻杆接头工作时所承受的环空压力；
所述第二加压泵通过第二高压管线与钻杆接头的内部相连，第二加压泵用于提供模拟深部地层钻杆接头工作时所承受的内压；
所述数据采集与处理系统包括第一压力传感器、温度传感器、位移传感器、扭矩传感器、数据处理中心、拉压力传感器及第二压力传感器，且第一压力传感器、温度传感器、位移传感器、扭矩传感器、拉压力传感器及第二压力传感器均与数据处理中心通信连接，所述第一压力传感器与高温高压釜内部相连，第一压力传感器用于测量钻杆接头外部压力；所述第二压力传感器与钻杆接头的内部相连，第二压力传感器用于测量钻杆接头内部压力；所述温度传感器与高温高压釜内部相连，温度传感器用于测量高温高压釜内部的温度；所述位移传感器安装在移动平台上，位移传感器用于测量移动平台的位移量；所述拉压力传感器与液压缸相连，拉压力传感器用于测量液压缸所提供的轴向力；所述扭矩传感器与回转马达相连，扭矩传感器用于测量回转马达的扭矩。
进一步，所述加热电阻外侧包有保温层。
进一步，所述钻杆接头为异形钻杆接头，其公接头远螺纹端为实心圆柱，母接头远螺纹端为空心圆柱，母接头远螺纹端与第三碳化硅密封环配合密封形成钻杆接头内部相对密封的空间。
进一步，所述高温高压釜盖与所述高温高压釜体采用光滑圆柱面配合，配合面处安装有密封圈；高温高压釜盖及高温高压釜体通过呈圆周均布的数个螺栓固定连接。
进一步，所述导向套与移动平台焊为一体。
进一步，所述定位盖通过螺栓与移动平台固定。
进一步，所述第一夹具及第二夹具均与钻杆接头适配。
进一步，所述高温高压釜体与底座焊为一体。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提供的分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置可实现钻杆接头高温高压条件下的力学测试与失效试验，且可实现钻杆接头内外的压差设置，能更好的模拟钻杆接头在特深井的高温高压环境下受力工况，从而实现钻杆接头的结构优化，以获得更好的力学性能及密封性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明实施例中所述分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置的整体结构示意图；
图2是本发明实施例中实验台主体的结构示意图。
图中各标记如下：1-第一压力传感器；2-温度传感器；3-位移传感器；4-实验台主体；41-传力轴；42-回转马达；43-定位盖；44-轴承；45-移动平台；46-螺栓；47-保温层；48-加热电阻；49-液压缸；410-底座；411-第一碳化硅密封环；412-导向套；413-第二碳化硅密封环；414-高温高压釜盖；415-第一夹具；416-高温高压釜体；417-钻杆接头；418-第二夹具；419-第三碳化硅密封环；420-第一高压管线；421-第二高压管线；5-第一加压泵；6-扭矩传感器；7-数据处理中心；8-拉压力传感器；9-第二压力传感器；10-第二加压泵。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的描述中，井深超过9000m的井为特深井。
在本发明的描述中，需要理解的是，此外，术语“第一”、“第二”及“第三”仅用于描述目的，限定有“第一”、“第二”及“第三”的特征并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
如图1及图2所示，本实施例中所述的分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置包括实验台主体4、第一加压泵5、第二加压泵10及数据采集与处理系统，
所述实验台主体4包括高温高压釜、传力轴41、回转马达42、定位盖43、轴承44、移动平台45、加热电阻48、液压缸49、底座410、第一碳化硅密封环411、导向套412、第二碳化硅密封环413、第一夹具415、钻杆接头417及第二夹具418，所述高温高压釜置于底座410上，高温高压釜包括高温高压釜盖414及高温高压釜体416，于高温高压釜外侧包有加热电阻48；所述加热电阻48外侧包有保温层47，加热电阻48用以调节所述高温高压釜内的温度；所述钻杆接头417安装在高温高压釜的内部并与高温高压釜同轴布置；所述第二夹具418设置在高温高压釜底部中心位置，第二夹具418用于夹紧所述钻杆接头417的母接头，保证钻杆接头417固定；所述移动平台45位于高温高压釜上方；所述液压缸49安装于底座410上，液压缸49的活塞杆与移动平台45连接，通过液压缸49的活塞杆往复运动实现移动平台45的上升和下降；所述导向套412设置在移动平台45的底部中心位置，导向套412穿过高温高压釜盖414延伸至高温高压釜内部；所述回转马达42通过定位盖43固定在移动平台45的台面上，回转马达42用于驱动传力轴41回转；所述传力轴41依次穿过定位盖43、移动平台45、导向套412延伸至高温高压釜内部，且传力轴41与定位盖43、移动平台45通过轴承44定位，在液压缸49的作用下，传力轴41可随移动平台45向上提升和向下给进，同时由于轴承44的作用，使回转运动与直线运动可以相对独立，达到单独控制；所述第一夹具415与传力轴41的底部连接，第一夹具415用于将钻杆接头417上部夹紧，综上，回转马达42提供的扭矩及液压缸49提供的液压轴向力通过传力轴41传达到钻杆接头417，从而完成扭转、拉伸、压缩、拉扭、压扭等试验；
所述第一加压泵5通过第一高压管线420与高温高压釜的内部相连，第一加压泵5用于提供模拟深部地层钻杆接头417工作时所承受的环空压力；
所述第二加压泵10通过第二高压管线421与钻杆接头417的内部相连，第二加压泵10用于提供模拟深部地层钻杆接头417工作时所承受的内压；
所述数据采集与处理系统包括第一压力传感器1、温度传感器2、位移传感器3、扭矩传感器6、数据处理中心7、拉压力传感器8及第二压力传感器9，且第一压力传感器1、温度传感器2、位移传感器3、扭矩传感器6、拉压力传感器8及第二压力传感器9均与数据处理中心7通信连接；
所述第一压力传感器1与高温高压釜内部相连，第二压力传感器9与钻杆接头417的内部相连，第一压力传感器1和第二压力传感器9用于测量钻杆接头417所承受的内外压力；
所述温度传感器2与高温高压釜内部相连，温度传感器2用于测量高温高压釜内部的温度；
所述位移传感器3安装在移动平台45上，位移传感器3用于测量移动平台45的位移量；
所述拉压力传感器8与液压缸49相连，拉压力传感器8用于测量液压缸49所提供的轴向力；
所述扭矩传感器6与回转马达42相连，扭矩传感器6用于测量回转马达42的扭矩。
本实施例中，所述钻杆接头417为异形钻杆接头，其公接头远螺纹端为实心圆柱，母接头远螺纹端为空心圆柱，母接头远螺纹端与第三碳化硅密封环419配合密封形成钻杆接头417内部相对密封的空间。
本实施例中，所述高温高压釜盖414与所述高温高压釜体416采用光滑圆柱面配合，配合面处安装有密封圈，此处密封圈为高温高压釜的配套设备；高温高压釜盖414及高温高压釜体416通过呈圆周均布的数个螺栓46固定连接，本发明的描述中，“数个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本实施例中，所述传力轴41与移动平台45之间设置有第一碳化硅密封环411，起回转密封作用；于所述导向套412与高温高压釜盖414连接处设置有第二碳化硅密封环413，起轴向密封作用，使回转密封与轴向密封相对独立，对密封环磨损更小，使密封更好实现，也更能保证密封性。
本实施例中，所述高温高压釜为可从市场上购买到的能承受100MPa压力与300℃高温的高温高压釜产品，例如可选用上海捷钛KT40L等高温高压实验釜进行改造。
本实施例中，所述第一高压管线420及第二高压管线421及均可承受100MPa压力。
本实施例中，第一碳化硅密封环411、第二碳化硅密封环413和第三碳化硅密封环419均可承受100MPa压力与300℃高温。第一碳化硅密封环411、第二碳化硅密封环413和第三碳化硅密封环419采用碳化硅特种陶瓷材料，碳化硅特种陶瓷具有极高的硬度、耐磨性高、摩擦系数低、抗氧化性强、热稳定性好、热膨胀系数低、热导率高以及耐化学腐蚀等优良特性，能适应在高压力、高碰撞、强腐蚀、多泥沙等特殊工况条件下工作。具体可采用SSiC无压烧结碳化硅密封环及RBSiC反应烧结碳化硅密封环。
本实施例中，所述导向套412与移动平台45焊为一体。
本实施例中，所述定位盖43通过螺栓与移动平台45固定，使所述定位盖43与移动平台45相对固定，达到对传力轴41的定位作用。
本实施例中，高温高压釜与钻杆接头417内的压力可通过第一加压泵5、第二加压泵10进行调节，构成钻杆接头417内外两种压力环境以及不同的压差组合，模拟特深井井孔底超高压及压差环境。
本实施例中，高温高压釜内的温度由温度传感器2进行采集，通过数据处理中心7实时监控，并对温度进行设定及控制。
本实施例中，所述第一夹具415及第二夹具418均与钻杆接头417适配，第一夹具415与第二夹具418大小均可调，第三碳化硅密封环419备有不同型号，可应用于不同直径的钻杆接头417。
本实施例中，高温高压釜体416与底座410焊为一体。
本发明的基本原理是：通过第一加压泵5、第二加压泵10向高温高压釜及钻杆接头417内注入钻井液，形成高压及压差环境，通过加热电阻48加热，形成高温环境，液压缸49的活塞杆带动移动平台45运动，通过传力轴41将轴向力及轴向运动传给钻杆接头417，回转马达42驱动传力轴41回转，将扭矩传递给钻杆接头417。轴承44将回转、轴向运动分解成移动平台45的导向套412相对高温高压釜做轴向运动，传力轴41相对移动平台45做回转运动，移动平台45底部的导向套412相对高温高压釜做轴向运动通过第二碳化硅密封环413实现密封，传力轴41相对移动平台45做回转运动通过第一碳化硅密封环412实现密封。基于上述结构，本发明构建一个能模拟特深井井底钻杆接头417受力工况的实验装置。为钻杆接头417在高温高压环境下的破坏机理提供试验条件，为设计更高性能的钻杆接头提供理论基础。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所做的同等结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置，其特征在于，包括：实验台主体、第一加压泵、第二加压泵及数据采集与处理系统，
所述实验台主体包括高温高压釜、传力轴、回转马达、定位盖、轴承、移动平台、加热电阻、液压缸、底座、第一碳化硅密封环、导向套、第二碳化硅密封环、第一夹具、钻杆接头及第二夹具，所述高温高压釜置于底座上，高温高压釜包括高温高压釜盖及高温高压釜体，于高温高压釜外侧包有加热电阻；所述钻杆接头设置在高温高压釜的内部并与高温高压釜同轴布置；所述第二夹具设置在高温高压釜底部中心位置，第二夹具用于固定钻杆接头；所述移动平台位于高温高压釜上方；所述液压缸安装于底座上，液压缸的活塞杆与移动平台连接，通过液压缸的活塞杆往复运动实现移动平台的上升和下降；所述导向套设置在移动平台的底部中心位置，导向套穿过高温高压釜盖延伸至高温高压釜内部，于导向套与高温高压釜盖连接处设置有第二碳化硅密封环；所述回转马达通过定位盖固定在移动平台的台面上，回转马达用于驱动传力轴回转；所述传力轴依次穿过定位盖、移动平台及导向套延伸至高温高压釜内部，且传力轴与定位盖、移动平台通过轴承定位，传力轴与移动平台之间设置有第一碳化硅密封环；所述第一夹具与传力轴的底部连接，第一夹具用于将钻杆接头上部夹紧；
所述第一加压泵通过第一高压管线与高温高压釜的内部相连，第一加压泵用于提供模拟深部地层钻杆接头工作时所承受的环空压力；
所述第二加压泵通过第二高压管线与钻杆接头的内部相连，第二加压泵用于提供模拟深部地层钻杆接头工作时所承受的内压；
所述数据采集与处理系统包括第一压力传感器、温度传感器、位移传感器、扭矩传感器、数据处理中心、拉压力传感器及第二压力传感器，且第一压力传感器、温度传感器、位移传感器、扭矩传感器、拉压力传感器及第二压力传感器均与数据处理中心通信连接，所述第一压力传感器与高温高压釜内部相连，第一压力传感器用于测量钻杆接头外部压力；所述第二压力传感器与钻杆接头的内部相连，第二压力传感器用于测量钻杆接头内部压力；所述温度传感器与高温高压釜内部相连，温度传感器用于测量高温高压釜内部的温度；所述位移传感器安装在移动平台上，位移传感器用于测量移动平台的位移量；所述拉压力传感器与液压缸相连，拉压力传感器用于测量液压缸所提供的轴向力；所述扭矩传感器与回转马达相连，扭矩传感器用于测量回转马达的扭矩。
2.根据权利要求1所述的分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置，其特征在于：所述加热电阻外侧包有保温层。
3.根据权利要求1所述的分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置，其特征在于：所述钻杆接头为异形钻杆接头，其公接头远螺纹端为实心圆柱，母接头远螺纹端为空心圆柱，母接头远螺纹端与第三碳化硅密封环配合密封形成钻杆接头内部相对密封的空间。
4.根据权利要求1所述的分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置，其特征在于：所述高温高压釜盖与所述高温高压釜体采用光滑圆柱面配合，配合面处安装有密封圈；高温高压釜盖及高温高压釜体通过呈圆周均布的数个螺栓固定连接。
5.根据权利要求1所述的分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置，其特征在于：所述导向套与移动平台焊为一体。
6.根据权利要求1所述的分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置，其特征在于：所述定位盖通过螺栓与移动平台固定。
7.根据权利要求1所述的分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置，其特征在于：所述第一夹具及第二夹具均与钻杆接头适配。
8.根据权利要求1所述的分析高温高压钻井环境下钻杆接头力学性能的实验装置，其特征在于：所述高温高压釜体与底座焊为一体。
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