CN112611640A - 一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置，主要由台架盖（1）、套管（3）、端胶筒（15）、应力应变片（12）、支撑座（2）、中胶筒（16）、胶筒（7）组成，在台架盖（1）内设置活塞（8）和推杆（9），用于推动上压缩胶筒（7）挤压胶筒（7），使胶筒（7）发生变形，利用套管（3）上的压力传感器（11）和应力应变片（12）检测压力和应变，通过向中心管（6）内输入热油的方式模拟地层温度，在上压缩胶筒（7）和套管（3）之间通入液体，并通过设置于下压缩胶筒（7）和套管（3）之间的湿度传感器（20）检测胶筒（7）的密封效果。本发明可测出胶筒（7）接触应力和密封性能变化情况，提供有效科研数据。

Description

一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置及方法
技术领域
本发明涉及井下封隔器胶筒性能测试领域，特别是一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置及方法。
背景技术
橡胶胶筒在井下工具技术领域应用广泛，其利用自身的弹性性能来密封一定空间，是应用广泛的密封元件，其密封性能的好坏直接影响井下工具的使用效率，影响开采产量和收益。为了提高油田产量，国内外许多学者对橡胶胶筒进行了研究，设计了许多实验装置，比如测试高温下橡胶胶筒的接触应力装置、橡胶胶筒密封性能检测装置。这些实验装置都能够测试出橡胶胶筒的接触应力和密封性能，但现有技术中的实验装置，存在缺少高温高压环境同时测试，以及测试胶筒规格单一问题，这些问题导致无法为井下开采活动提供准确的科学数据，导致油田开采采量减少，造成巨大的经济损失，提供因此迫切需要一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置。
专利201420267928.1所述的一种封隔器胶筒密封性能测试装置，使用试压泵对本装置打压，在坐封过程完成后，试压泵与试压孔相连接，测试孔与毛细钢管相连接，通过分析收集从测试孔出来的液体或者气体来判断胶筒的密封性能情况，仍没有解决橡胶胶筒在高温高压同时进行工况下橡胶胶筒密封性能变化，以及测试不同直径和高度胶筒的问题。
专利201320799677.7所述的一种封隔器胶筒接触应力试验装置，模拟了封隔器胶筒在井下的受力状况，通过应用光纤传感技术测量各级胶筒对套筒的接触应力大小和分布，但对各级胶筒接触应力的测量仍没有解决橡胶胶筒在高温高压同时进行工况下橡胶胶筒接触应力变化，以及测试出不同壁厚套管和不同直径胶筒的问题。
随着科技的进步，油田勘探的深度越来越深，橡胶胶筒面临的温度和压力越来越高，对具有高性能的橡胶胶筒的需求越来越大，因此迫切需要一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置，可检测橡胶胶筒的的接触应力和密封性能。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置，包括台架盖和支撑座，所述台架盖与支撑座之间设置有中心管、多组压缩套筒和多个套管，其中每组压缩套筒同轴设置，并且每组压缩套筒分为上压缩套筒和下压缩套筒，所述上压缩套筒和下压缩套筒之前设置有胶筒，所述每组压缩套筒与位于外圈的相邻套管之间存在环空，所述环空底部的支撑座上设置有湿度传感器，所述台架盖顶部设置有活塞孔，所述活塞孔内设置有活塞，所述活塞孔底部设置有若干通孔，所述若干通孔内均设置有推杆，所述推杆顶部与活塞下端相抵，推杆底部与上压缩套筒的顶部相抵，所述台架盖上设置有注油孔，所述注油孔与中心管连通，所述套管上设置有若干应力应变片和压力传感器，所述台架盖上设置有与环空连通的注水孔。
进一步地，所述胶筒有两种设置形式，并且胶筒的设置可以选取两种设置形式中的任意一种，所述两种设置形式中的一种为设置单个胶筒，另一种为设置同轴的三个胶筒，分别为两个端胶筒和一种中胶筒。
进一步地，所述台架盖底部为多层台阶状的沉孔，每一层台阶的侧面与一个套管顶部连接，连接方式为螺纹连接，多层台阶可以使台架盖与多种不同尺寸的套管连接，所述套管顶端的外侧面设置有台阶，该台阶抵靠于台架盖上。
进一步地，所述支撑座上端面设置有若干环形凸起，套管与环形凸起的内侧面通过螺纹连接，所述套管下端的外侧面上设置有台阶，该台阶抵靠于环形凸起上，所述支撑座上设置有若干接地螺栓。
进一步地，所述压力传感器和应力应变片设置于与胶筒对应的高度上。
进一步地，所述中心管内设置有温度传感器。
进一步地，所述每组压缩套筒的内侧面与位于内圈的套管的外侧面相贴，位于最内侧的一组压缩套筒内侧面与中心管的外侧面相贴。
一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试方法，应用于上述的一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置上，包括以下步骤：
S1、根据需要测试的胶筒选着合适尺寸的压缩套筒和套管，若胶筒内径尺寸大于中心管尺寸，则选择与胶筒内径相匹配的套管代替中心管；
S2、将位于内侧的中心管或者套管固定于支撑座上，并依次在该中心管或者套管上套设下压缩套筒、胶筒和上压缩套筒；
S3、将位于外侧的套管固定于支撑座上，然后将台架盖与套管和中心管连接，若胶筒内侧为套管，则将台架盖与两个套管的顶部连接；
S4、向活塞加压，活塞下压推杆，使推杆向下推动上压缩套筒挤压胶筒，促使胶筒变形；
S5、通过注油孔向中心管或者内侧套管内注入热油，通过热油温度模拟地层温度，并通过温度传感器检测热油温度，使油温控制在指定范围内；
S6、将向活塞施加的压力增加到指定值，通过压力传感器和应力应变片检测外侧套管受到的压力和变形；
S7、通过注水孔向上压缩套筒与外侧套管之间的环空内注入液体，使液体压力与活塞受到的压力相同；
S8、检查下压缩胶筒与外侧套管之间的湿度传感器读数，若读数没有明显增加，则胶筒的密封性能好，若读数明显增加，则胶筒的密封性能不好。
所述活塞的加压方式是向活塞上方的活塞孔内注入液体进行加压，为使若干推杆承受压力相同，因此若干活塞孔内的注入液体管道并联，使活塞受到的压力相同。
基于上述加压方式，在所述步骤S7中，使环空中液体压力与活塞承受压力相同的方法是通过管道将二者的加注液体连通。
本发明具有以下优点：
1、 通过活塞和推杆推动上下压缩套筒，使上下压缩套筒的高度可不受胶筒高度的变化的影响，可测量多种高度的橡胶胶筒的高温压缩性能；
2、 本发明装置中台架盖和支撑座多个台阶，使得装置可组合多种规格橡胶胶筒；
3、 本发明装置可在高温高压环境下同时测试出橡胶胶筒的压缩性能；
4、 本发明中套管通过管螺纹装配可实现不同厚度套管下密封性能测试。
附图说明
图1 为本发明展示活塞孔的剖视图；
图2 为本发明展示注水孔的剖视图；
图3 为台架盖的展示活塞孔的剖视图；
图4 为台架盖的展示注水孔的剖视图；
图5为台架盖的俯视图；
图中：1-台架盖，2-支撑座，3-套管，4-上压缩套筒，5-下压缩套筒，6-中心管，7-胶筒，8-活塞，9-推杆，10-注油孔，11-压力传感器，12-应力应变片，13-环形凸起，14-地脚螺栓，15-端胶筒，16-中胶筒，17-温度传感器，18-活塞孔，19-注水孔，20-湿度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置，对胶筒7的压缩通过一组压缩套筒进行实施，一组压缩套筒包括上压缩套筒4和下压缩套筒5两个部分，胶筒7位于两个压缩套筒之间，缩短两个压缩套筒的距离，即可实现对胶筒7的压缩。为了使测试装置能够适用于多尺寸的胶筒7，因此在测试装置内设置有多组压缩套筒。
要实现胶筒7的压缩，需要胶筒7与两端的压缩套筒同轴设置，因此尺寸最小的胶筒7和压缩套筒均套设于一根中心管6上，而其余尺寸的胶筒7和压缩套筒，则是套设在其它套管3上。
中心管6的作用除了使胶筒7和压缩套筒同轴，还具有装入热油模拟地层温度的作用。
中心管6底端与支撑座2螺纹连接，顶端与台架盖1螺纹连接，台架盖1上设置有注油孔10，注油孔10与中心管6连通，使热油能够注入到中心管6中，为了能够实时检测控制热油温度，因此在中心管6内设置有温度传感器17。采用螺纹连接的方式，可以使热油不进入压缩套筒所在的空间内。
套管3的两端也是分别通过螺纹分别与台架盖1和支撑座2连接，为了便于与多种不同直径的套管3螺纹连接，因此台架盖1底端设置有台阶状的沉孔，每个台阶的侧面上设置螺纹，使套管3顶端的外侧面与台阶螺纹连接。在套管3顶端的外侧面也设置一个台阶，使套管3上的台阶端面能够抵靠于台架盖1下端，能够起到限位和支撑的作用。限位指限制套管3与台架盖1的配合深度，支撑指台架盖1的重量主要由台阶部分承受，减少螺纹部分的受力。
支撑座2上则设置了若干同心的环形凸起13，每个环形凸起13的内侧面加工有螺纹，用于与套管3下端的外侧面连接，套管3下端依然设置有台阶，该台阶的端面抵靠于环形凸起13的顶部，起到支撑和限位的作用。
为了模拟井内管柱，因此在测试时胶筒7外侧套设有一个套管3，在胶筒7受压变形时，中部膨胀抵靠于外侧套管3的内壁上。在外侧套管3上设置压力传感器11和应力应变片12，可以测量外侧套管3受到的压力和变形。由于胶筒7有多种直径，因此在对最小直径的胶筒7进行测试时，是采用内部中心管6、外部套管3的组合方式，压缩套筒套设在中心管6上，在对其它直径的胶筒7进行测试时，采用内部套管3和外部套管3的组合方式，压缩套筒套设在内部套管3上。
胶筒7的设置方式有两种，一种是直接在上压缩套管4和下压缩套管5之间设置一个胶筒7；另外一种设置方式是在上压缩套管4和下压缩套管5之间设置两个端胶筒15和一个中胶筒16，其中两个端胶筒15位于中胶筒16的两端。
由于套管3底部与台架盖1连接，而压缩套管3又需要被压缩，因此在台盖架上设置有若干活塞孔18，每个活塞孔18内设置有活塞8，并且活塞孔18的排布方式呈环形，以满足对不同直径的胶筒7进行压缩。活塞8可以在台架盖1内上下移动，活塞8的下压通过液力驱动，向活塞8所在的活塞孔18内加注液体，即可向活塞8加压，使活塞8下压。活塞8的压力是通过若干推杆9传递给上压缩套筒4，若干推杆9呈圆周均匀布置于台架盖1底端，是活塞8的推理均匀传递给上压缩套筒4，从而使上压缩套筒4下移压缩胶筒7。
其中上压缩套筒4顶部无需抵靠于台架盖1的下端面，只需要与推杆9底部接触即可。推杆9与台架盖1之间滑动连接并且密封，使液体无法从推杆9处落入上压缩套筒4处。在测试不同高度的胶筒7时，对于高度尺寸大的胶筒7，上压缩套筒4也存在上移的空间，对于高度尺寸小的胶筒7，上压缩套筒4也可以继续下移，只要推杆9的两端能够分别抵靠于活塞8底部和上压缩套筒4顶部即可。
在压缩胶筒7时，为了模拟地层温度，因此需要通过台架盖1上的注油孔10向中心管6内注入热油，而对于直径大的胶筒7，测试时没有设置中心管6，因此热油从注油孔10进入，落在内部套管3内，对内部套管3进行加热，也可以将温度传递给胶筒7。由于套管3与支撑座2螺纹连接，因此热油不会泄漏。
在向活塞8施加指定的压力时，即可测得胶筒7在指定压力和温度的条件下，对外部套管3形成的压力和变形。外部套管3即模拟井内的井筒。
此时向上压缩套筒4与外部套管3之间的环形空间内加入液体，即可测试胶筒7的密封性能。因此在台架盖1上开设有注液孔，通过注液孔可以向上压缩套筒4和外部套管3之间加注液体。为了使测试数据更为准确，因此加注液体的压力与活塞8受到的压力相同。因此在注液孔压力加注到指定值，在稳定一段时间后，使注液孔和活塞8的加注管道连通，确保二者的压力相同。若胶筒7的密封性好，则液体不会进入下压缩套筒5与外部套管3之间的环空中，反之，则液体会进入下压缩套筒5与外部套管3之间的环空中。为了使测量数据更精确，因此在下压缩套筒5与外部套管3之间的环空中设置湿度传感器20，湿度传感器20固定于支撑座2上。观察湿度传感器20检测数据的变化，若没有明显变化，则密封效果好，若数据明显变化，则密封效果不好。通过湿度的变化来检测胶筒7的密封性能，相比肉眼观察精度更高。
由于活塞8的移动需要加压，因此支撑座2通过地脚螺栓14进行固定，防止在测试时整个装置发生移动。
因为注水孔19要与压缩套筒和套管3之间的环空连通，因此注水孔19设置于两个活塞孔18之间的位置，注水孔19与活塞孔18位于同一圆周上。
一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试方法，应用于上述的一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置上，包括以下步骤：
S1、根据需要测试的胶筒7选着合适尺寸的压缩套筒和套管3，若胶筒7内径尺寸大于中心管6尺寸，则选择与胶筒7内径相匹配的套管3代替中心管6；
S2、将位于内侧的中心管6或者套管3固定于支撑座2上，并依次在该中心管6或者套管3上套设下压缩套筒5、胶筒7和上压缩套筒4；
S3、将位于外侧的套管3固定于支撑座2上，然后将台架盖1与套管3和中心管6连接，若胶筒7内侧为套管3，则将台架盖1与两个套管3的顶部连接；
S4、向活塞8加压，活塞8下压推杆9，使推杆9向下推动上压缩套筒4挤压胶筒7，促使胶筒7变形；
S5、通过注油孔10向中心管6或者内侧套管3内注入热油，通过热油温度模拟地层温度，并通过温度传感器17检测热油温度，使油温控制在指定范围内；
S6、将向活塞8施加的压力增加到指定值，通过压力传感器11和应力应变片12检测外侧套管3受到的压力和变形；
S7、通过注水孔19向上压缩套筒4与外侧套管3之间的环空内注入液体，使液体压力与活塞8受到的压力相同；
S8、检查下压缩胶筒7与外侧套管3之间的湿度传感器20读数，若读数没有明显增加，则胶筒7的密封性能好，若读数明显增加，则胶筒7的密封性能不好。
所述活塞8的加压方式是向活塞8上方的活塞孔18内注入液体进行加压，为使若干推杆9承受压力相同，因此若干活塞孔18内的注入液体管道并联，使活塞8受到的压力相同。
基于上述加压方式，在所述步骤S7中，使环空中液体压力与活塞8承受压力相同的方法是通过管道将二者的加注液体连通。

Claims (10)

1.一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置，其特征在于：包括台架盖（1）和支撑座（2），所述台架盖（1）与支撑座（2）之间设置有中心管（6）、多组压缩套筒和多个套管（3），其中每组压缩套筒同轴设置，并且每组压缩套筒分为上压缩套筒（4）和下压缩套筒（5），所述上压缩套筒（4）和下压缩套筒（5）之前设置有胶筒（7），所述每组压缩套筒与位于外圈的相邻套管（3）之间存在环空，所述环空底部的支撑座（2）上设置有湿度传感器（20），所述台架盖（1）顶部设置有若干活塞孔（18），所述活塞孔（18）内均设置有活塞（8），所述活塞孔（18）底部均设置有通孔，所述通孔内均设置有推杆（9），所述推杆（9）顶部与活塞（8）下端相抵，推杆（9）底部与上压缩套筒（4）的顶部相抵，所述台架盖（1）上设置有注油孔（10），所述注油孔（10）与中心管（6）连通，所述套管（3）上设置有若干应力应变片（12）和压力传感器（11），所述台架盖（1）上设置有与环空连通的注水孔（19）。
2.根据权利要求1所述的一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置，其特征在于：所述胶筒（7）有两种设置形式，并且胶筒（7）的设置可以选取两种设置形式中的任意一种，所述两种设置形式中的一种为设置单个胶筒（7），另一种为设置同轴的三个胶筒（7），分别为两个端胶筒（15）和一种中胶筒（16）。
3.根据权利要求1所述的一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置，其特征在于：所述台架盖（1）底部为多层台阶状的沉孔，每一层台阶的侧面与一个套管（3）顶部连接，连接方式为螺纹连接，多层台阶可以使台架盖（1）与多种不同尺寸的套管（3）连接，所述套管（3）顶端的外侧面设置有台阶，该台阶抵靠于台架盖（1）上。
4.根据权利要求1所述的一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置，其特征在于：所述支撑座（2）上端面设置有若干环形凸起（13），套管（3）与环形凸起（13）的内侧面通过螺纹连接，所述套管（3）下端的外侧面上设置有台阶，该台阶抵靠于环形凸起（13）上，所述支撑座（2）上设置有若干接地螺栓。
5.根据权利要求1所述的一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置，其特征在于：所述压力传感器（11）和应力应变片（12）设置于与胶筒（7）对应的高度上。
6.根据权利要求1所述的一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置，其特征在于：所述中心管（6）内设置有温度传感器（17）。
7.根据权利要求1所述的一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置，其特征在于：所述每组压缩套筒的内侧面与位于内圈的套管（3）的外侧面相贴，位于最内侧的一组压缩套筒内侧面与中心管（6）的外侧面相贴。
8.一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试方法，应用于权利要求1-7任意一项所述的一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试装置上，其特征在于：包括以下步骤：
S1、根据需要测试的胶筒（7）选着合适尺寸的压缩套筒和套管（3），若胶筒（7）内径尺寸大于中心管（6）尺寸，则选择与胶筒（7）内径相匹配的套管（3）代替中心管（6）；
S2、将位于内侧的中心管（6）或者套管（3）固定于支撑座（2）上，并依次在该中心管（6）或者套管（3）上套设下压缩套筒（5）、胶筒（7）和上压缩套筒（4）；
S3、将位于外侧的套管（3）固定于支撑座（2）上，然后将台架盖（1）与套管（3）和中心管（6）连接，若胶筒（7）内侧为套管（3），则将台架盖（1）与两个套管（3）的顶部连接；
S4、向活塞（8）加压，活塞（8）下压推杆（9），使推杆（9）向下推动上压缩套筒（4）挤压胶筒（7），促使胶筒（7）变形；
S5、通过注油孔（10）向中心管（6）或者内侧套管（3）内注入热油，通过热油温度模拟地层温度，并通过温度传感器（17）检测热油温度，使油温控制在指定范围内；
S6、将向活塞（8）施加的压力增加到指定值，通过压力传感器（11）和应力应变片（12）检测外侧套管（3）受到的压力和变形；
S7、通过注水孔（19）向上压缩套筒（4）与外侧套管（3）之间的环空内注入液体，使液体压力与活塞（8）受到的压力相同；
S8、检查下压缩胶筒（7）与外侧套管（3）之间的湿度传感器（20）读数，若读数没有明显增加，则胶筒（7）的密封性能好，若读数明显增加，则胶筒（7）的密封性能不好。
9.根据权利要求8所述的一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试方法，其特征在于：所述活塞（8）的加压方式是向活塞（8）上方的活塞孔（18）内注入液体进行加压，为使若干推杆（9）承受压力相同，因此若干活塞孔（18）内的注入液体管道并联，使活塞（8）受到的压力相同。
10.根据权利要求9所述的一种变规格多尺寸橡胶胶筒高温压缩性能测试方法，其特征在于：所述步骤S7中，使环空中液体压力与活塞（8）承受压力相同的方法是通过管道将二者的加注液体连通。
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