CN110702398A - 套管外环空采集器挤压力-流量关系曲线的地面标定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是套管外环空采集器挤压力‑流量关系曲线的地面标定装置，它包括大直径圆管段、挤压锥阀、细导管、顶杆手柄、螺杆顶杆、等效外弹簧，挤压锥阀通过弧形支承座安装于大直径圆管段中，挤压锥阀采集器由锥阀座、锥阀芯、锥芯弹簧、采集器内腔构成，大直径圆管段具有顶杆孔，顶杆孔与锥阀芯同轴线设置，顶杆孔处设置筒形支承座，筒形支承座具有内螺纹，螺杆顶杆与筒形支承座螺纹连接，螺杆顶杆的一端指向锥阀芯，等效外弹簧设置于顶杆手柄与螺杆顶杆之间并环绕在母顶杆外，等效外弹簧设置外置弹性压力计。本发明采用水压环境模拟等效原则，把复杂的套外环空环境改变成简单的大直径圆管内水环境，方便于采集器的水中测试。
Description
技术领域
本发明涉及采油领域中井下套外环空监测技术，具体涉及套管外环空采集器挤压力-流量关系曲线的地面标定装置。
背景技术
为了在线监测套外环空高压渗水压力、流量变化及推测地层移位对套管的挤压力，需要具有应力-应变功能的水参数采集器。
通过地面测得水参数(压力、流量、水样)的变化可以推测采集器水通道的应变及所受挤压应力。但在水参数采集器出厂前必须对该类型产品的特征参数(挤压力-孔道应变-通过的流量)之间的曲线变化规律进行标定测试。
因此，设计出水参数采集器应变性能参数的地面简易测试平台及测定方法十分重要。
发明内容
本发明的一个目的是提供套管外环空采集器挤压力-流量关系曲线的地面标定装置，这种套管外环空采集器挤压力-流量关系曲线地面标定装置用于研究与在线监测套损井的变化规律。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种套管外环空采集器挤压力-流量关系曲线的地面标定装置包括大直径圆管段、挤压锥阀、细导管、顶杆手柄、螺杆顶杆、等效外弹簧，挤压锥阀通过弧形支承座安装于大直径圆管段中，挤压锥阀采集器由锥阀座、锥阀芯、锥芯弹簧、采集器内腔构成，弧形支承座扣置于大直径圆管段内壁，采集器内腔为弧形的，采集器内腔底与弧形支承座相配合并固定于弧形支承座上，采集器内腔顶部具有开口，开口处设置锥阀座，锥阀座具有环形进水通道，锥芯弹簧一端固定于采集器内腔底上，锥芯弹簧另一端连接锥阀芯，锥阀芯与环形进水通道相配合，细导管一端位于采集器内腔中，细导管的直径与采集器内腔厚度相当，细导管另一端伸出大直径圆管段；大直径圆管段具有顶杆孔，顶杆孔与锥阀芯同轴线设置，顶杆孔处设置筒形支承座，筒形支承座具有内螺纹，螺杆顶杆与筒形支承座螺纹连接，螺杆顶杆的一端指向锥阀芯，螺杆顶杆另一端通过母顶杆连接顶杆手柄，等效外弹簧设置于顶杆手柄与螺杆顶杆之间并环绕在母顶杆外，等效外弹簧设置外置弹性压力计；弧形支承座对应的大直径圆管段处设置高压渗入水通道，高压渗入水通道上设置水压表，细导管伸出大直径圆管段的一端安装流量表。
上述方案中旋转顶杆手柄，顶杆手柄旋进时，螺杆顶杆前端顶压锥芯弹簧，使锥阀芯下移逐渐关闭环形进水通道，同时，顶杆手柄顶压等效外弹簧，使等效外弹簧移动，在外置弹性压力计上读取挤压力值F，在细导管上安装的流量表中读取对应流量值Q；
再次旋转顶杆手柄，读取新的挤压力F及对应的流量值Q，多次重复后，直至锥阀关闭，此时挤压力最大，得到挤压力最大值FM，而流量Q＝0，完成被测试型号挤压锥阀采集器的挤压力F与对应流量Q的标定关系曲线。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明建立了在深井套外确定采集器所受挤压力与对应过水流量之间的函数(曲线)关系。
2、本发明首次在地面设计建造套外采集器挤压力-流量关系的地面标定测试平台。
3、本发明用弹性锥阀芯及锥形阀座结构确定了所受外挤压力F与过水流量间的函数关系，从而实现了通过细导管地面流量的变化就能推测出井下地层溶胀移动对采集器及套管的挤压力。
4、本发明采用水压环境模拟等效原则，把复杂的套外环空环境改变成简单的大直径圆管内水环境，方便于采集器的水中测试。
5、本发明采用配对弹簧等效弹力原则，通过测试大直径水管外同一根顶杆上配对弹簧的弹性力代表了管内部水环境中的弹性力，也代表了地层移动的挤压力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是锥阀的位移与环形进水通道缩减宽度关系图；
图3是挤压力F与通道流量Q的标准关系曲线；
图4是采集器的挤压阀及细导管安装在深井套外环空内的示意图；
图5是挤压锥阀采集器受压示意图。
图中：1大直径圆管段；2细导管；3顶杆手柄；4螺杆顶杆；5等效外弹簧；6锥阀座；7锥阀芯；8锥芯弹簧；9采集器内腔；10弧形支承座；11筒形支承座；12母顶杆；13外置弹性压力计；14高压渗入水通道；15水压表；16环形进水通道；17套管；18挤压锥阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
结合图1-图5所示，这种套管外环空采集器挤压力-流量关系曲线的地面标定装置包括大直径圆管段1、挤压锥阀采集器、细导管2、顶杆手柄3、螺杆顶杆4、等效外弹簧5，挤压锥阀18通过弧形支承座10安装于大直径圆管段1内，挤压锥阀采集器由锥阀座6、锥阀芯7、锥芯弹簧8、采集器内腔9构成，弧形支承座10扣置于大直径圆管段1内壁，采集器内腔9为弧形，采集器内腔9底与弧形支承座10相配合并固定于弧形支承座10上，采集器内腔9顶部具有开口，开口处设置锥阀座6，锥阀座6具有环形进水通道16，锥芯弹簧8一端固定于采集器内腔9底上，锥芯弹簧8另一端连接锥阀芯7，锥阀芯7与环形进水通道16相配合，细导管2一端位于采集器内腔9中，细导管2的直径与采集器内腔9厚度相当，细导管2另一端伸出大直径圆管段1；大直径圆管段1具有顶杆孔，顶杆孔与锥阀芯7同轴线设置，顶杆孔处设置筒形支承座11，筒形支承座11具有内螺纹，螺杆顶杆4与筒形支承座内螺纹连接，螺杆顶杆4的一端指向锥阀芯7，螺杆顶杆4另一端连接手柄，等效外弹簧5设置于顶杆手柄3与螺杆顶杆4之间并环绕在母顶杆12外，等效外弹簧5设置外置弹性压力计13；弧形支承座10对应的大直径圆管段处设置高压渗入水通道14，高压渗入水通道14上设置水压表15，细导管2伸出大直径圆管段的一端安装流量表。
一、挤压锥阀采集器的功能：
锥阀芯7下连接锥芯弹簧8，挤压锥阀18设置于弧形支承座10外，弧形支承座10用来模拟套管，模仿当溶胀地层移动开始挤压突出位置的阀芯时，阀芯向内移动，减小进水通道截面积，参阅图5。
①挤压力逐渐增加
②锥阀芯7逐渐向内移动
③锥芯弹簧8受压缩后反向弹性力也增加，并与岩层挤压力数值大小相等，方向相反
④锥阀芯7受挤压向内移动后使得进水通道过流截面逐渐变小
⑤环形进水通道16截面变小使得进水流量(即地面细导管测试水流量)逐渐减小，直至挤压力很大时(锥阀关闭时的压力阈值)锥阀关闭，该采集器进水量为零。
在该类型采集器出厂前须对上述挤压力-通道变化-流量变化的关系曲线进行测量标定。在采集器下井后受挤压时，由地面测得的流量在上述标定曲线上反查出对应的地层挤压力。达到了通过地面细导管流量变化定量推出井下地层挤压力变化的目标。
二、挤压锥阀采集器弹力锥阀挤压力-流量关系曲线标定方法：
1.弹力锥阀的位移ΔL与所受压力F直接的定量关系
F＝K×ΔL，其中K为弹性系数
当无挤压力F＝0时，位移ΔL＝0
当位移最大(即锥阀关闭)ΔL＝ΔLM(最大行程)时,挤F＝FM压力达到测量能力的最大值FM。
2.弹力锥阀的位移ΔL与进水通道缩减宽度ΔW之间的比例关系，参阅图2，
ΔW/ΔL＝sinα α-锥阀锥芯体的倾斜角
即ΔW＝ΔL·sinα或
3.弹力挤压力F的增加，将挤压锥阀芯下移，使进水通道宽度减少Δl结合上面1及2中的公式，得到F与ΔL的关系
当挤压力F增大到某一域值FM时，进水通道宽度减小值ΔW此时将等于锥芯没有下移前环境进水通道宽度。此种工况下锥阀关闭，无进水量。
4.挤压力F与环形通道Q进水流量的关系式
简易估算方法：
(1)由上述3中的公式，给出了过流通道变化ΔW与挤压力F的函数式
F＝f(ΔW)
(2)由流体力学中环形通道中流量与过流断面的函数式
Q＝g(ΔW)
把上述(1)与(2)结合，就能计算出该型号采集器所受压力F与通过流量Q之间的定量关系。
在此类型采集器出厂前需用标定测试台，标定出锥阀的相关固定参数，则可用上述公式定量计算出挤压力F与通道流量Q的关系对应值。
或是用标定测试台直接测量并绘制出挤压力F与通道流量Q的标准关系曲线，以便查对。
在油田井下应用中，利用上述公式或标定出的关系曲线，就能用地面监测的导管流量Q的变化来推测深井套外环空泥岩层溶胀移动对井下采集器及套管的挤压力F。
三、本发明通过水流环境等效法实现装置的设计：
实际应用中，采集器的挤压阀(锥阀)及进水端安装在深井套外环空内，参阅图4，本发明采集器内腔底与弧形支承座10相配合并固定于弧形支承座10上来模拟，其中弧形支承座10用来模拟套管17。
套外环空中的高压渗漏水经锥形阀的水孔道进入采集器内腔9，在经其上连接的细导管2流到地面测量系统中。
细导管2的长度实际上近千米，但因其沿程阻力系数的均匀性，地面标定测量时，只需选用一小段(如1米长)，水平放置，利用公式：
ΔPL＝δL·QL，
δL＝ΔPL/QL
式中：QL——1米细管流量
ΔPL-1米细管两端压差
δL-1米细管的沿程阴力系数
而采集器的水环境可等效地放置在一段(如1米)大直径圆管中。其内部水环境效果与套外环空一样，可实现大直径管内水环境模拟其内部套管外水环境。
四、本发明标定测量采集器锥阀所受挤压力F与通道流量Q定量关系：
为了测定锥阀芯上压力弹簧的压力值，可在螺杆顶杆4外侧(大直径管外侧)安放同类型、同工况(设置相同初始预紧力，比如，预紧力为零)的配对弹簧(即等效外弹簧5)。
当旋转顶杆手柄3旋进时，螺杆顶杆4前端顶压锥芯弹簧8，使锥阀芯7下移逐渐关闭环形进水通道16，同时，顶杆手柄3顶压等效外弹簧5，使等效外弹簧5移动，在外置弹性压力计13上读取挤压力值F，在细导管2上安装的流量表中读取对应流量值Q；
再次旋转顶杆手柄3，读取新的挤压力F及对应的流量值Q，多次重复后，直至锥阀关闭，挤压力最大，得到挤压力最大值FM，此时流量Q＝0，完成被测试型号挤压锥阀采集器的挤压力F与对应流量Q的标定关系曲线，参阅图3。
Claims (2)
1.一种套管外环空采集器挤压力-流量关系曲线的地面标定装置，其特征在于：这种套管外环空采集器挤压力-流量关系曲线的地面标定装置包括大直径圆管段（1）、挤压锥阀（18）、细导管（2）、螺杆顶杆（4）、等效外弹簧（5），挤压锥阀（18）通过弧形支承座（10）安装于大直径圆管段（1）中，挤压锥阀采集器由锥阀座（6）、锥阀芯（7）、锥芯弹簧（8）、采集器内腔（9）构成，弧形支承座（10）扣置于大直径圆管段（1）内壁，采集器内腔（9）为弧形的，采集器内腔底与弧形支承座（10）相配合并固定于弧形支承座（10）上，采集器内腔（9）顶部具有开口，开口处设置锥阀座（6），锥阀座（6）具有环形进水通道（16），锥芯弹簧（8）一端固定于采集器内腔（9）底上，锥芯弹簧（8）另一端连接锥阀芯（7），锥阀芯（7）与环形进水通道（16）相配合，细导管（2）一端位于采集器内腔（9）中，细导管（2）的直径与采集器内腔（9）厚度相当，细导管（2）另一端伸出大直径圆管段（1）；大直径圆管段（1）具有顶杆孔，顶杆孔与锥阀芯（7）同轴线设置，顶杆孔处设置筒形支承座（11），筒形支承座（11）具有内螺纹，螺杆顶杆（4）与筒形支承座（11）螺纹连接，螺杆顶杆（4）的一端指向锥阀芯（7），螺杆顶杆（4）另一端通过母顶杆（12）连接顶杆手柄（3），等效外弹簧（5）设置于顶杆手柄（3）与螺杆顶杆（4）之间并环绕在母顶杆（12）外，等效外弹簧（5）设置外置弹性压力计（13）；弧形支承座（10）对应的大直径圆管段处设置高压渗入水通道（14），高压渗入水通道（14）上设置水压表（15），细导管（2）伸出大直径圆管段的一端安装流量表。
2.根据权利要求1所述的套管外环空采集器挤压力-流量关系曲线的地面标定装置，其特征在于：所述旋转顶杆手柄（3），顶杆手柄（3）旋进时，螺杆顶杆（4）前端顶压锥芯弹簧（8），使锥阀芯（7）下移逐渐关闭环形进水通道（16），同时，顶杆手柄（3）顶压等效外弹簧（5），使等效外弹簧（5）移动，在外置弹性压力计（13）上读取挤压力值F，在细导管（2）上安装的流量表中读取对应流量值Q；
再次旋转顶杆手柄（3），读取新的挤压力F及对应的流量值Q，多次重复后，直至锥阀关闭时，挤压力最大，得到挤压力最大值FM，其流量Q=0，完成被测试型号挤压锥阀采集器的挤压力F与对应流量Q的标定关系曲线。
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