CN110878691A - 一种海洋完井产气管柱力学性能实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋完井产气管柱力学性能实验装置及实验方法，包括有蓄水池，蓄水池的下方设有底壳，两个带有推压板的液压缸分别设置在底壳的内侧壁，两个推压板之间设有模拟地层填充材料，模拟地层填充材料中设有测试管，测试管的一端设置在蓄水池内，测试管的另一端设置在底壳的外侧面,测试管的外表面设有应变片，蓄水池外设有储气罐，储气罐和测试管的另一端之间设有使两者连通在一起的输气管，蓄水池外设有第一水泵和第二水泵，第一水泵与蓄水池之间、第二水泵与蓄水池之间分别设有输水管。本发明的有益效果：测量海洋完井气井管柱所产生的振动和变形的数据，控制管柱的振动和变形，保证海洋油气输送工作的稳定和高效。

Description

一种海洋完井产气管柱力学性能实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及天然气开采技术领域，具体涉及一种海洋完井产气管柱力学性能实验装置及实验方法。

背景技术

在传统的海洋油气开采技术中，海洋环境中的高产完井气井管柱是高速气体的流通通道，由于海底地层中的地应力环境复杂，同时也由于海洋环境中的洋流作用，海洋完井产气管柱会一定程度上导致自身发生振动和弯曲变形，在振动剧烈和弯曲过度时，容易导致海洋完井产气管柱断裂，不仅无法继续从海底的地层中输送油气，而且增加额外的维修成本，油气泄漏到海洋中导致环境污染，在开采海洋油气的过程中产生极大的负面影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋完井产气管柱力学性能实验装置及实验方法，能够模拟海洋完井气井管柱输送油气的过程，测量海洋完井气井管柱在输送油气的过程中所产生的振动和变形的数据，便于工作人员合理改变海洋完井气井管柱的结构和约束、高速气体的流量，控制海洋完井气井管柱的振动和变形，保证海洋油气输送工作的稳定和高效。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种海洋完井产气管柱力学性能实验装置，包括有蓄水池，蓄水池的下方设有底壳，两个带有推压板的液压缸分别设置在底壳的内侧壁，两个推压板之间设有模拟地层填充材料，模拟地层填充材料中设有测试管，测试管的一端设置在蓄水池内，测试管的另一端设置在底壳的外侧面,测试管的外表面设有应变片，蓄水池外设有储气罐，储气罐和测试管的另一端之间设有使两者连通在一起的输气管，蓄水池外设有第一水泵和第二水泵，第一水泵与蓄水池之间、第二水泵与蓄水池之间分别设有输水管。

进一步地，测试管设有第一测试部和第二测试部，第一测试部位于蓄水池中，第二测试部位于模拟地层填充材料中，蓄水池的底部设有第一密封接头，第二测试部的一端通过第一密封接头与第一测试部的一端相互连接，底壳的底部设有第二密封接头，第二测试部的另一端通过第二密封接头与输气管相互连接。

进一步地，第一测试部的另一端与蓄水池之间设有固定器，第一测试部的一端与第一密封接头之间、第一测试部的另一端与固定器之间分别设有流体万向接头。

进一步地，底壳内设有隔板，液压缸位于隔板的一侧，推压板和模拟地层填充材料位于隔板的另一侧。

进一步地，模拟地层填充材料设有若干层，每层模拟地层填充材料的两侧对应于两个带有推压板的液压缸，上下相邻的两个带有推压板的液压缸之间设有液压缸固定架。

进一步地，输气管上设有流量计，输气管上设有调节阀。

进一步地，蓄水池外设有数据采集仪，数据采集仪与应变片之间设有电缆。

一种实验方法，包括以下步骤：

步骤一：启动数据采集仪，测试应变片和数据采集仪之间的通信情况，打开调节阀，使储气罐通过输气管往测试管输送气体，检验测试管和输气管的气密性，若是应变片和数据采集仪之间的通信情况、测试管和输气管的气密性都达到实验的标准要求，关闭数据采集仪和调节阀，执行步骤二，否则检查和修理实验装置。

步骤二：底壳埋入到土地里，蓄水池和储气罐平整放置在土地的地面上；

步骤三：启动第一水泵，利用第一水泵和输水管，往蓄水池内大量注水，在水面达到适合实验的高度之后，关闭第一水泵，停止注水；

步骤四：启动带有推压板的液压缸，使液压缸通过推压板对模拟地层填充材料实施推压作用，且液压缸的推动力与实际井下水平地应力相等，模拟海底地层中的地应力环境；

步骤五：同时启动第一水泵和第二水泵，第一水泵对蓄水池进行注水工作，第二水泵则对蓄水池进行抽水工作，第一水泵的注水速率和第二水泵的抽水速率保持相等，模拟海洋中的洋流效果；

步骤六：打开调节阀，观察流量计，调整调节阀的开度大小使油气的流动压力和流量稳定在合适实验数值，模拟海洋高压产气；

步骤七：启动数据采集仪，采集应变片的变形数据，根据实验设定的数据采集时间来持续收集应变片的变形数据，应变片的变形数据采集完毕之后，关闭调节阀；

步骤八：根据在所述的步骤七中获取的应变片变形数据，通过模态分析法获得各个应变片所在点的位移和振幅，最终获取测试管的振动、变形等力学性能数据。

进一步地，在所述的步骤八中，应变片的变形数据处理时采用的模态分析法具体如下：假设测试管作小变形运动，则在一定时间测试管的轴线在流向上的位移可用如下公式表示：

其中，z表示为测试管的轴线坐标，t表示为实验时间，l表示为测试管的长度，w(z，t)表示为轴向上的位移，

表示为模态振型，P_i(t)表示为模态权重，i表示为模态阶次，n表示为模态数量；

由于测试管的运动为小变形运动，故测试管的曲率公式为：

第一测试部可简化为简支梁，第一测试部位移的模态振型可表示为：

将第一测试部位移的模态振型代入测试管的曲率公式中，则曲率可化为：

曲率与应变有如下关系：

其中，ε(t，z)表示为第一测试部流向表面应变，R表示为第一测试部的横截面半径；

结合公式

和公式

可得到：

其中，θ_i(z)表示为模态振型，e_i(t)表示为模态权重。

本发明的有益效果：本实验装置能够模拟实际海洋环境中的海洋完井产气管柱输送油气的过程，测试管模拟的是海洋完井产气管柱，由本实验装置所实现的实验方法能够测量海洋完井产气管柱在输送油气的过程中所产生的振动和变形的数据，工作人员可根据具体的振动和变形数据，合理和准确地改变海洋完井产气管柱的结构和约束、高速气体的流量，保证海洋油气输送工作的稳定和高效，本实验装置操作简单，测量数据准确，便于控制成本，对于实际作业场景安全可靠。

附图说明

图1是一种海洋完井产气管柱力学性能实验装置的整体结构示意图。

图2是一种海洋完井产气管柱力学性能实验装置中测试管的剖视图。

图3是模拟地层填充材料在带有推压板的液压缸的推压作用下的具体示意图。

图4是在海洋完井产气管柱力学性能实验中测试管长度方向不同位置处的位移变化曲线图。

图5是在海洋完井产气管柱力学性能实验中应变片的应变变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。

如图1和图2所示，一种海洋完井产气管柱力学性能实验装置，包括有蓄水池1，蓄水池1的下方设有底壳2，两个带有推压板3的液压缸4分别设置在底壳2的内侧壁，两个推压板3之间设有模拟地层填充材料5，模拟地层填充材料5中设有测试管6，测试管6的一端设置在蓄水池1内，测试管6的另一端设置在底壳2的外侧面,测试管6的外表面设有应变片7，蓄水池1外设有储气罐8，储气罐8和测试管6的另一端之间设有使两者连通在一起的输气管9，蓄水池1外设有第一水泵10和第二水泵11，第一水泵10与蓄水池1之间、第二水泵11与蓄水池1之间分别设有输水管12。

在海洋完井产气管柱力学性能实验之前，工作人员需找到合适的土地25，蓄水池1、储气罐8、第一水泵10和第二水泵11均是平整地放置在土地25的表面上，底壳2是位于蓄水池1的下方，底壳2会嵌入到土地25内，两个带有推压板3的液压缸4分别设置在底壳2的内侧壁，两个推压板3之间设有模拟地层填充材料5，模拟地层填充材料5包括砂粒、碎石或泥土等，模拟地层填充材料5能够模拟出油气井下的实际地质环境，模拟地层填充材料5中设有测试管6，测试管6是模拟实际执行油气输送工作的海洋完井产气管柱，测试管6的一端设置在蓄水池1内，测试管6的另一端设置在底壳2的外侧面，储气罐8和测试管6的另一端之间设有使两者连通在一起的输气管9，储气罐8的内部储蓄油气，在海洋完井产气管柱力学性能实验的过程中，储气罐8内的油气会通过输气管12输送到测试管6内，油气会从测试管6的另一端流动到测试管6的一端，模拟实际油气输送工作，液压缸4是作为推压板3工作的动力来源，在液压缸4的推动作用下，两个相对的推压板3会推压着模拟地层填充材料5，制造围压，模拟油气井下的地应力环境，由于测试管6的外表面设有应变片7，应变片7是用于测量应变的元件，应变片7的工作原理是基于应变效应制作，应变效应是导体或者半导体材料在外界力的作用下产生机械形变时，其电阻值会相应的发生变化，因此在模拟油气井下的地应力环境时，推压板3的作用力会传递到测试管6外表面上的应变片7，使应变片7发生机械形变，应变片7会收集测试管6在受到地应力影响时所产生的振动和变形数据，测试测试管6在不同的油气气体流量下所能承受的地应力；第一水泵10与蓄水池1之间、第二水泵11与蓄水池1之间分别设有输水管12，第一水泵10的作用是将外部的水输送到蓄水池1，第二水泵11的作用是将蓄水池1内部储蓄的水向外抽出，在海洋完井产气管柱力学性能实验之前，第二水泵11处于关闭状态，第一水泵10处于启动状态，利用第一水泵10和输水管12，往蓄水池1内注水，直至水面达到海洋完井产气管柱力学性能实验所需的高度，而测试管6的一端必须是露出水面，防止因水进入到测试管6内而影响油气正常输送速率，在蓄水池1注水工作完成之后，调整第一水泵10和第二水泵11，使两者同时启动之后，第一水泵10的供水速率和第二水泵的抽水速率相等，制造水流流动，模拟海洋中的洋流效果，水流会不断冲击测试管6的外表面，应变片7会收集测试管6在受到水流冲击时所产生的振动和变形数据，测试测试管6在不同的油气气体流量下所能承受的水流冲击；本实验装置成功模拟出海底地层中的地应力环境和海洋环境中的洋流效果，并利用应变片7来测量测试管10在以上两者的影响下所产生的振动和变形数据，便于工作人员根据应变片7采集的变形数据来改变测试管6的结构和约束、高速气体的流量，保证海洋油气输送工作的稳定和高效。

测试管6设有第一测试部13和第二测试部14，第一测试部13位于蓄水池1中，第二测试部14位于模拟地层填充材料5中，蓄水池1的底部设有第一密封接头15，第二测试部14的一端通过第一密封接头15与第一测试部13的一端相互连接，底壳2的底部设有第二密封接头16，第二测试部14的另一端通过第二密封接头16与输气管9相互连接。测试管6可划分为第一测试部13和第二测试部14，第一测试部13和第二测试部14不仅能相互连接在一起，也能分开各自独立，由于第一测试部13位于蓄水池1中，第二测试部14位于模拟地层填充材料5中，因此第一测试部13是测试在不同的油气气体流量下所能承受的水流冲击，第二测试部14是测试在不同的油气气体流量下所能承受的地应力，第一测试部13的一端是通过第一密封接头15与第二测试部14的一端相互连接，输气管9是通过第二密封头16与第二测试部14的另一端相互连接，第一密封接头15能使第一测试部13和第二测试部14之间的连接处、输气管9与第二测试部14之间连接处都相互紧密地连接在一起，保证油气在输气管9、第一测试部13和第二测试部14三者之间流动时不会泄露出来，同时，第一密封接头15是位于蓄水池1的底部，第二密封接头16则是位于底壳2的底部，第一密封接头15的密封效果能使蓄水池1内的水和底壳2内的模拟地层填充材料5不会相互触碰，第二密封接头16的密封效果则能使底壳2内的模拟地层填充材料5和外界的土地25不会相互混合，这种测试管10可拆分设计能使蓄水池1、底壳2和输气管9各自分开独立，根据现场的实际情况和实验的需求，便于工作人员快速更换模拟填充材料5，改变为符合实际现场的地质环境，在实验过程中，测试管10的测试强度结果若是不适用于现场的实际情况，便于工作人员快速更换测试管10，重新开始实验。

第一测试部13的另一端与蓄水池1之间设有固定器17，第一测试部13的一端与第一密封接头15之间、第一测试部13的另一端与固定器18之间分别设有流体万向接头18。固定器17用于支撑第一测试部13，能使第一测试部13在受到水流冲击时保持竖直的状态，流体万向接头18不仅能起到连接管道和输送油气的作用，而且能补偿轴向位移和径向位移，在水流不断冲击第一测试部13时，流体万向接头18能使第一测试部13形成一定角度位移，提高第一测试部13的承压能力，且能有效吸收第一测试部13所产生的振动。

底壳2内设有隔板19，液压缸4位于隔板19的一侧，推压板3和模拟地层填充材料5位于隔板19的另一侧。模拟地层填充材料5是用于模拟油气井下的地质环境，模拟地层填充材料5包含砂粒、碎石或泥土等细小又坚硬的物质，在液压缸4通过推压板3来推压模拟地层填充材料5时，部分的模拟地层填充材料5难免会被挤压到液压缸4所在的位置，并且损坏液压缸4或者阻碍液压缸4的活塞运动，而隔板19的作用是将液压缸4和模拟地层填充材料5隔开，隔板19能够避免模拟地层填充材料5影响液压缸4的正常工作。

如图3所示，模拟地层填充材料5设有若干层，每层模拟地层填充材料5的两侧对应于两个带有推压板3的液压缸4，上下相邻的两个带有推压板3的液压缸4之间设有液压缸固定架20。在实际油气井的现场中，若是需要开采的油气位于地下较深的位置，油气井下的地质环境可能存在多个不同的地层，各地层物质的体积大小相差较大，在相同的推压力作用下，各地层物质形成的位移会有所不同，为了保证测试管10整体能够受到相同的推压力，完整模拟出实际现场的地应力环境，针对各个地层物质，设计对应的多层模拟地层填充材料5，每层模拟地层填充材料5的两侧均对应于两个带有推压板3的液压缸4，上下相邻的两个带有推压板3的液压缸4之间通过液压缸固定架20来固定，保证推压板3的推压位置不会改变。

输气管9上设有流量计21，输气管9上设有调节阀22。流量计21能测量输气管9内的油气流量，调节阀22能改变油气在输气管9内的气体流量。

蓄水池1外设有数据采集仪23，数据采集仪23与应变片7之间设有电缆24。应变片7采集的变形数据均通过电缆24输送到数据采集仪23，便于工作人员通过数据采集仪23来分析和处理实验数据。

下面将描述由本实验装置所实现的海洋完井产气管柱力学性能实验的具体实施例，本实施例将设定三组油气气体流量的测试数据，油气气体流量分别为10m³/h、20m³/h和30m³/h，结合上述的测试数据和海洋完井产气管柱力学性能实验来获取测试管10的力学性能数据。

一种实验方法，包括以下步骤：

步骤一：启动数据采集仪23，测试应变片7和数据采集仪23之间的通信情况，打开调节阀21，使储气罐8通过输气管9往测试管6输送气体，检验测试管6和输气管9的气密性，若是应变片7和数据采集仪23之间的通信情况、测试管6和输气管9的气密性都达到实验的标准要求，关闭数据采集仪23和调节阀21，执行步骤二，否则检查和修理实验装置。

步骤二：底壳2埋入到土地25里，蓄水池1和储气罐8平整放置在土地25的地面上；

步骤三：启动第一水泵10，利用第一水泵10和输水管12，往蓄水池1内大量注水，在水面达到适合实验的高度之后，关闭第一水泵10，停止注水；

步骤四：启动带有推压板3的液压缸4，使液压缸4通过推压板3对模拟地层填充材料5实施推压作用，且液压缸4的推动力与实际井下水平地应力相等，推动力设置为45MPa，模拟海底地层中的地应力场环境；

步骤五：同时启动第一水泵10和第二水泵11，第一水泵10对蓄水池1进行注水工作，第二水泵11则对蓄水池1进行抽水工作，第一水泵10的注水速率和第二水泵11的抽水速率保持相等，模拟海洋中的洋流效果，水流速率稳定在12m/s；

步骤六：打开调节阀22，观察流量计21，调整调节阀22的开度大小使油气的流动压力和流量稳定在合适实验数值，模拟海洋高压产气；

步骤七：启动数据采集仪23，采集应变片7的变形数据，数据采集时间为3min，一组应变片7的变形数据采集完毕之后，关闭调节阀22，返回步骤六，准备测试下一组油气气体流量的测试数据；

步骤八：根据在所述的步骤七中获取的三组应变片7的变形数据，通过模态分析法获得各个应变片7所在点的位移和振幅，最终获取测试管6的振动、变形等力学性能数据。

在所述的步骤八中，应变片7的变形数据处理时采用的模态分析法具体如下：假设测试管6作小变形运动，则在一定时间测试管6的轴线在流向上的位移可用如下公式表示：

其中，z表示为测试管6的轴线坐标，t表示为实验时间，l表示为测试管6的长度，w(z，t)表示为轴向上的位移，

表示为模态振型，P_i(t)表示为模态权重，i表示为模态阶次，n表示为模态数量；

由于测试管6的运动为小变形运动，故测试管6的曲率公式为：

第一测试部13可简化为简支梁，第一测试部13位移的模态振型可表示为：

将第一测试部13位移的模态振型代入测试管6的曲率公式中，则曲率可化为：

曲率与应变有如下关系：

其中，ε(t，z)表示为第一测试部13流向表面应变，R表示为第一测试部13的横截面半径；

结合公式

和公式

可得到：

其中，θ_i(z)表示为模态振型，e_i(t)表示为模态权重。

经由上述的海洋完井产气管柱力学性能实验的实验方法，在不同的油气气体流量的测试条件下，基于应变片11所在点的位移，测试管10不同位置的位移曲线如图4所示，由图4可知测试管10整体的变形数据，如图5所示，基于应变片11在数据采集时间内所发生的应变效应，可获取测试管10整体的振动数据，工作人员可根据测试管10的振动和变形数据，合理和准确地改变测试管10的结构和约束、高速气体的流量，保证海洋油气输送工作的稳定和高效。

Claims (9)

1.一种海洋完井产气管柱力学性能实验装置，包括有蓄水池(1)，其特征在于蓄水池(1)的下方设有底壳(2)，两个带有推压板(3)的液压缸(4)分别设置在底壳(2)的内侧壁，两个推压板(3)之间设有模拟地层填充材料(5)，模拟地层填充材料(5)中设有测试管(6)，测试管(6)的一端设置在蓄水池(1)内，测试管(6)的另一端设置在底壳(2)的外侧面,测试管(6)的外表面设有应变片(7)，蓄水池(1)外设有储气罐(8)，储气罐(8)和测试管(6)的另一端之间设有使两者连通在一起的输气管(9)，蓄水池(1)外设有第一水泵(10)和第二水泵(11)，第一水泵(10)与蓄水池(1)之间、第二水泵(11)与蓄水池(1)之间分别设有输水管(12)。

2.根据权利要求1所述的海洋完井产气管柱力学性能实验装置，其特征在于测试管(6)设有第一测试部(13)和第二测试部(14)，第一测试部(13)位于蓄水池(1)中，第二测试部(14)位于模拟地层填充材料(5)中，蓄水池(1)的底部设有第一密封接头(15)，第二测试部(14)的一端通过第一密封接头(15)与第一测试部(13)的一端相互连接，底壳(2)的底部设有第二密封接头(16)，第二测试部(14)的另一端通过第二密封接头(16)与输气管(9)相互连接。

3.根据权利要求2所述的海洋完井产气管柱力学性能实验装置，其特征在于第一测试部(13)的另一端与蓄水池(1)之间设有固定器(17)，第一测试部(13)的一端与第一密封接头(15)之间、第一测试部(13)的另一端与固定器(18)之间分别设有流体万向接头(18)。

4.根据权利要求3所述的海洋完井产气管柱力学性能实验装置，其特征在于底壳(2)内设有隔板(19)，液压缸(4)位于隔板(19)的一侧，推压板(3)和模拟地层填充材料(5)位于隔板(19)的另一侧。

5.根据权利要求4所述的海洋完井产气管柱力学性能实验装置，其特征在于模拟地层填充材料(5)设有若干层，每层模拟地层填充材料(5)的两侧对应于两个带有推压板(3)的液压缸(4)，上下相邻的两个带有推压板(3)的液压缸(4)之间设有液压缸固定架(20)。

6.根据权利要求5所述的海洋完井产气管柱力学性能实验装置，其特征在于输气管(9)上设有流量计(21)，输气管(9)上设有调节阀(22)。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的海洋完井产气管柱力学性能实验装置，其特征在于蓄水池(1)外设有数据采集仪(23)，数据采集仪(23)与应变片(7)之间设有电缆(24)。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的海洋完井产气管柱力学性能实验装置的实验方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：启动数据采集仪(23)，测试应变片(7)和数据采集仪(23)之间的通信情况，打开调节阀(21)，使储气罐(8)通过输气管(9)往测试管(6)输送气体，检验测试管(6)和输气管(9)的气密性，若是应变片(7)和数据采集仪(23)之间的通信情况、测试管(6)和输气管(9)的气密性都达到实验的标准要求，关闭数据采集仪(23)和调节阀(21)，执行步骤二，否则检查和修理实验装置。

步骤二：底壳(2)埋入到土地(25)里，蓄水池(1)和储气罐(8)平整放置在土地(25)的地面上；

步骤三：启动第一水泵(10)，利用第一水泵(10)和输水管(12)，往蓄水池(1)内大量注水，在水面达到适合实验的高度之后，关闭第一水泵(10)，停止注水；

步骤四：启动带有推压板(3)的液压缸(4)，使液压缸(4)通过推压板(3)对模拟地层填充材料(5)实施推压作用，且液压缸(4)的推动力与实际井下水平地应力相等，模拟海底地层中的地应力场环境；

步骤五：同时启动第一水泵(10)和第二水泵(11)，第一水泵(10)对蓄水池(1)进行注水工作，第二水泵(11)则对蓄水池(1)进行抽水工作，第一水泵(10)的注水速率和第二水泵(11)的抽水速率保持相等，模拟海洋中的洋流效果；

步骤六：打开调节阀(22)，观察流量计(21)，调整调节阀(22)的开度大小使油气的流动压力和流量稳定在合适实验数值，模拟海洋高压产气；

步骤七：启动数据采集仪(23)，采集应变片(7)的变形数据，根据实验设定的数据采集时间来持续收集应变片(7)的变形数据，应变片(7)的变形数据采集完毕之后，关闭调节阀(22)；

步骤八：根据在所述的步骤七中获取的应变片(7)变形数据，通过模态分析法获得各个应变片(7)所在点的位移和振幅，最终获取测试管(6)的振动、变形等力学性能数据。

9.根据权利要求8所述的实验方法，其特征在于在所述的步骤八中，应变片(7)的变形数据处理时采用的模态分析法具体如下：假设测试管(6)作小变形运动，则在一定时间测试管(6)的轴线在流向上的位移可用如下公式表示：

其中，z表示为测试管(6)的轴线坐标，t表示为实验时间，l表示为测试管(6)的长度，w(z，t)表示为轴向上的位移，

表示为模态振型，P_i(t)表示为模态权重，i表示为模态阶次，n表示为模态数量；

由于测试管(6)的运动为小变形运动，故测试管(6)的曲率公式为：

第一测试部(13)可简化为简支梁，第一测试部(13)位移的模态振型可表示为：

将第一测试部(13)位移的模态振型代入测试管(6)的曲率公式中，则曲率可化为：

曲率与应变有如下关系：

其中，ε(t，z)表示为第一测试部(13)流向表面应变，R表示为第一测试部(13)的横截面半径；

结合公式

和公式

可得到：

其中，θ_i(z)表示为模态振型，e_i(t)表示为模态权重。

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