CN210089993U - 套管串循环弹塑性热应力下零位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种套管串循环弹塑性热应力下零位移测量装置，该测量装置包括一对上刚度直角架和下刚度直角架、测量部件，所述一对上刚度直角架和下刚度直角架的竖边均分别对称设置在套管串位移测量段的上、下套管串两侧，横边分别对称设有安装测量部件的上、下定位装置，两侧测量部件在上、下定位装置之间与中间套管串位移测量段均垂直平行。本实用新型有益效果是：加载系统可及时加载抵抗套管串的热应力变化导致的收缩和膨胀，使套管串位移控制段在十次热循环下均可控制在0±0.01in零位移下。

Description

套管串循环弹塑性热应力下零位移测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种使整管套管串在循环弹塑性热应力下保持0±0.01in零位移的高精度位移测控装置和方法。加拿大区块SAGD和CSS井况下，封固的特殊扣接头套管串要经历室温到290℃十次弹塑性热应力循环。在此井况下，套管串会发生应力松弛。为了评价该井况下特殊扣接头是否发生泄漏，套管串是否发生失效，而发明该方法。

背景技术

近年来，国际石油天然气行业环境井况日趋复杂，对所用油套管及特殊扣接头提出了更严苛的要求，其中油套管特殊扣接头为高强度高密封性能的重要环节。加拿大区块SAGD和CSS井尤为苛刻，套管串除了承受普遍存在的弹性拉压载荷及内/外压复合力外，还承受更加严苛的循环塑性热应力。

一般井况，180℃以下即可将石油采出。但该井况下，石油为超稠油，需经高温蒸汽驱动才能采集出来。高温蒸汽的循环进出使井下套管串的温度从室温到290℃循环变化，这样的热循环最高要经历10次。套管串在加热冷却作用下，自由状态下会发生膨胀和收缩。但此井况下水泥将套管串封固，使套管串无法自由变形，从而由于加热冷却在套管串材料内部产生拉伸和压缩应力，并在高温和低温点发生塑性应力松弛。当发生塑性变形或松弛时，套管串可能会发生管体断裂、特殊扣接头泄漏、螺纹断裂等失效。一旦发生任意一种失效情况，将给石油生产造成巨大经济损失，甚至对环境造成严重污染。因此在使用特殊扣接头套管串前，必须在实验室，利用实物使用性能评价试验，测试整管抗该井况服役条件的能力。

为了模拟套管串的这一服役工况，实验室预采用位移控制载荷模拟套管串被水泥封固。采用加热设备对套管串加热模拟喷蒸汽过程。利用实验载荷架对套管串进行加载。通过压缩或拉伸载荷使套管串的长度在热循环过程中始终保持零位移不变。

根据各种实际工况，11家国际知名石油企业连同国际石油标准编著机构，对各区块井况进行了统一，并编写了热采井套管接头专用资质标准(ISO/PAS 12835标准TWCCEP)。规定零位移控制精度确定在0±0.01in或0±0.254mm。该精度对于整管使用性能评价试验是超高要求，可与材料力学小试样媲美。预通过查找目前国内外的文献和走访相似实验室，得到解决办法。

经过各种论文、专利等文献的搜索，尚未发现相关的资料报导或类似方法来解决该问题。经多方了解，国内尚无任何部门或单位能完成ISO/PAS12835标准(TWCCEP)规定的所有试验项目。然后在自己实验室进行研究开发，摸索了各种加热、热绝缘方法，均无法消除对位移传感器的影响，热效应会导致位移传感器的温度达到50到60度，超出位移传感器承受最高温度，致使位移传感器精度下降甚至损坏。设计了十多种位移安装装置，均无法消除拉/压换向时位移漂移造成的载荷失真。加载系统反应速率无法及时追踪热应力的变化。经很多次失败和总结，最终发明了本方法。

本实用新型就是针对ISO/PAS 12835标准(TWCCEP)中用于模拟SAGD和CSS井况的套管串循环弹塑性热应力试验中零位移测量控制的专用方法。

发明内容

针对目前国内的技术空白，本实用新型的目的是提供一种套管串循环弹塑性热应力下保持零位移测量装置，以实现测量和控制特殊扣套管串在循环热应力下保持零位移不变的功能和能力。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种套管串循环弹塑性热应力下保持零位移测量装置，该测量装置包括一对上刚度直角架和下刚度直角架、测量部件，所述一对上刚度直角架和下刚度直角架的竖边均分别对称设置在套管串位移测量段的上、下套管两侧，横边分别对称设有安装测量部件的上、下定位装置，两侧测量部件在上、下定位装置之间均与套管串位移测量段平行。

所述测量部件包括无弹重力绳、磁感应位移传感器母端、磁感应传感棒，所述测量部件的无弹重力绳的一端连接在上定位装置上，另一端栓有所述磁感应传感棒，所述磁感应传感棒位于磁感应位移传感器母端的内孔内，自由移动，所述磁感应位移传感器母端固定在所述下刚度直角架的下定位装置上，且磁感应传感棒与磁感应位移传感器母端同轴。

所述上定位装置在直角边外侧面设有凸台，所述凸台上设有连接无弹重力绳的M6螺孔通过螺钉固定，且M6螺孔和螺钉之间设有调整垫片；所述下定位装置包括设置在直角边外侧面的卡弧，卡弧两侧的M10螺孔，卡弧通过M10螺钉被固定。

所述上、下刚度直角架选择35CrMo材料。

所述上、下刚度直角架的竖边和横边的垂直度为0.1mm。

所述下刚度直角架横边侧面螺孔的两孔中心距下刚度直角架横边上表面等距公差在±0.10mm范围内。

所述上刚度直角架的横边上凸台高度为位移传感器母端外半径-2mm。

所述调整垫片厚度为0.05mm、0.1mm、0.5mm、0.8mm或1.0mm，用于调节磁感应传感棒与磁感应位移传感器母端同心。

本实用新型的效果是采用套管串热塑性循环应力下保持零位移的测控方法，设计制作位移测量装置，选择高精度磁感应位移传感器、K型焊接式热电偶、高速迭代独特控制闭环技术的穆格控制器，成功完成了ISO 12835的热循环实验，达到了模拟加拿大区块SAGD井和CSS井况套管串服役情况的目的。位移控制段内温度误差控制在±1℃内，加载系统可及时加载抵抗套管串的热应力变化导致的收缩和膨胀，使套管串位移控制段在十次热循环下均可控制在0±0.01in零位移下。

附图说明

图1是本实用新型中位移和温度测试示意图；

图2是本实用新型位移测量装置示意图；

图3是本实用新型上刚度直角架的示意图；

图4是图3的俯视示意图；

图5是本实用新型下刚度直角架的示意图；

图6是图5的俯视示意图；

图7是本实用新型测量装置安装在立式加载实验机上的示意图；

图8是本实用新型的总装示意图；

图9是第一个循环中位移、温度、载荷、内压随时间变化曲线；

图10是第2-4个循环位移、温度、载荷、内压随时间变化曲线；

图11是第6-10个循环位移、温度、载荷、内压随时间变化曲线。

图中：

1、特殊扣接箍 2、管体 3、上端塞

4、下端塞 5、测温点 6、保温石棉布

7、加热感应线圈 8、刚度螺丝 9、上刚度直角架A

10、下刚度直角架A 11、上刚度直角架B 12、下刚度直角架B

13、无弹重力绳 14、磁感应位移传感器母端 15、磁感应传感棒

16、加强筋 17、凸台 18、M6螺纹孔

19、缠绕螺钉 20、调整垫片 21、调整螺母

22、M10螺纹孔 23、卡弧 24、M10螺钉

25、端塞的平端面 26、立式加载实验机 27、球形垫片A

28、上丝杠 29、丝杠螺母 30、上平台

31、下丝杠 35、下丝杠螺母 36、球形垫片C

37、弹簧垫圈 38、长度调节螺母 39、穆格伺服控制器

40、计算机 41、通讯线

具体实施方式

结合附图对本实用新型的套管串循环弹塑性热应力下保持零位移测量装置及测控方法加以说明。

如图1至图6所示，一种套管串循环弹塑性热应力下保持零位移测量装置，包括刚度螺丝、上刚度直角架、测量部件、下刚度直角架、套管串位移测控段，刚度螺丝点焊到套管串表面的位移测量端点处，刚度螺丝即套管串位移测量端点，所述上刚度直角架位于套管串位移测控段上端点处的刚度螺丝上，下刚度直角架位于套管串位移测量段下端点处的刚度螺丝上。上刚度直角架的横边设计安装测量部件的上定位装置，下刚度直角架设计下定位装置。用于调节和固定测量部件。测量部件在上、下定位装置之间与套管串位移测控段平行；上、下刚度直角架选择35CrMo材料，上、下刚度直角架的水平边和竖直边的垂直度为0.1mm，下刚度直角架水平边侧面螺孔的两孔中心距下刚度直角架水平边上表面等距公差在±0.10mm范围内；上刚度直角架的水平边上凸台17高度为磁感应位移传感器母端外半径-2mm；调整垫片20厚度为0.05mm、0.1mm、0.5mm、0.8mm或1.0mm，用于调节磁感应传感棒15与磁感应位移传感器母端14同心。

测量部件包括无弹重力绳13、磁感应位移传感器母端14、磁感应传感棒15。测量部件的无弹重力绳13的一端连接在上定位装置上，另一端栓磁感应传感棒15，磁感应传感棒15在磁感应位移传感器母端14孔内，磁感应位移传感器母端14固定在所述下刚度直角架的下定位装置上，磁感应传感棒15与磁感应位移传感器母端14同轴。

上定位装置在上刚度直角架的水平边外侧面设计凸台17，凸台17上设计连接无弹重力绳13的M6螺纹孔通过缠绕螺钉固定，且M6螺孔和缠绕螺钉之间设计调整垫片和调整螺母；下定位装置在下刚度直角架的水平边的外侧面设计卡弧23，卡弧23的两侧的M10螺纹孔，卡弧23通过M10螺钉被固定。

如图7、图8所示，一种套管串循环弹塑性热应力下保持零位移测控方法，包括步骤：

1、确定套管串位移测控段端点。根据ISO 12835标准要求计算位移测控段的长度，用直角尺一边靠在端塞的平端面25上，另一边靠在套管串上，划位移测量段端点，即A侧(0°)的两个测量端点，并画两点之间的连线。将分度盘置于上端塞3上，以A侧位移测量段划线为基准，转180°，在B侧划直线，按计算的位移测量段长度，划点，即B侧(180°)的两个测量端点。

2、点焊刚度螺丝。在步骤1确定的A、B两侧的四个位移测量段端点处，点焊刚度螺丝8。点焊时，用直角尺靠在管体2的表面，观察刚度螺丝8与套管串管体2表面垂直。

3、安装保温和测温装置。在ISO 12835标准要求的18个测温点42，点焊K型热电偶，然后用保温石棉布6包裹整个套管串。安装后如图5所示。

4、吊进加载实验机。上端塞3上拧接上丝杠28，将球形垫片B32穿进上丝杠28，上丝杠28端部拧接吊环。在立式加载实验机26的下平台31上放好平垫片33。用天车吊住吊环，将准备好的套管串吊进立式加载实验机，上丝杠28穿进上平台30的孔内，另下端塞4放在平垫片33上。

拧接下丝杠34与下端塞4连接，球形垫片C36穿进下丝杠34，拧接下丝杠螺母35至目测球形垫片C与下平台31的下表面接触。手动下降上平台30至球形垫片B32与上平台30轻接触。去掉吊带，将球形垫片A27穿进上丝杠28，拧接上丝杠螺母29至与球形垫片A27接触。

5、调整套管串。加10％的套管串的屈服拉伸载荷，然后加10％的套管串的屈服压缩载荷。循环三次后卸载，再次拧接上丝杠螺母29和下丝杠螺母35至拧不动为止。

6、安装加热器。将加热感应线圈7螺旋等距缠绕于保温石棉布6外，范围包括两个端塞之间的全部套管串，等间距为200mm。

7、安装位移测量装置所有部件。四个刚度螺丝8上穿垫片，上刚度直角架A、下刚度直角架A的竖边孔分别穿进套管串A侧(0°)的两个刚度螺丝8。上刚度直角B、下刚度直角架B的竖边孔分别穿进套管串B侧(180°)的两个刚度螺丝8。加垫片，用螺母拧紧。将水平尺放在上刚度直角架A9的横边上表面，观察横边是否水平，如不水平，调整上刚度直角架A9，直到水平。下刚度直角架A、上刚度直角架B、下刚度直角架B也用以上所述方法，调整横边至水平，并固定。

缠绕螺钉19套上调整垫片20和调整螺母21，拧进上刚度直角架A9的M6螺孔18内。位移传感器母端14放在下刚度直角架A10水平边的两个M10螺纹孔22之间，用卡弧23卡住，拧紧两个M10螺钉24，将位移传感器母端14竖直固定。无弹重力绳13一端拴磁感应传感棒15，另一端缠绕在缠绕螺钉19上，磁感应传感棒15自然下垂进入位移传感器母端14的孔内。用0.01mm精度游标卡尺测量观察磁感应传感棒与位移传感器母端孔之间的空隙是否四周均等，如不均等，更换调整垫片20，直到上述空隙四周均等。

位移测量装置中的重要部件上刚度直角架和下刚度直角架，采用点焊刚度螺丝8于套管串管体上达到试验过程中位移测量端点不变的目的。利用磁感应传感器8无阻力测位移的特性，排除了其他位移传感器拉压转换时的漂移失真。利用立式载荷架加载实验机26加载方向与套管串轴线及位移测量方向同时垂直于地面的特性，用物体重力实现磁感应传感棒15在磁感应位移传感器母端内无任何阻力自由移动。采用电感应加热，200mm等间距布置加热感应线圈7，使磁场只产生在套管串内。从而使TWCCEP热循环试验得以成功实现。解决了位移控受热辐射、拉伸/压缩加载换向时位移测控系统不能及时反映、加热不均匀导致的位移反复问题、加载系统无法及时抵制热应力变化等问题。试验完成后，载荷与温度曲线符合工况，零位移在0±0.254mm或0±0.01in范围内。

以K55钢级、Φ244.48*8.94mm规格、特殊扣TP-TW套管串为例，说明具体实施方式。

在拧接机上完成特殊扣TP-TW套管串的连接后，两端用端塞封堵。在套管串的管体2表面，以端塞平端面25为基准，用直角尺画与套管串中心线的平行线。分别以套管串特殊扣接箍1的两侧端面为基准，用游标卡尺测量534.30mm，在已画好的线上点点儿确定位移测控段的两个端点。然后将分度盘置于端塞上，在180度的另一侧划点。以同样的端塞的平端面25为基准在套管串管体2的180度表面划与套管串轴线平行的线。再用游标卡尺测量534.3mm，在已画好的线上点点儿，确定套管串180°表面上的位移测控段的两个端点。至此套管串上0°和180°的表面上两个位移测控段确定完毕。

将M20的刚度螺丝8点焊在上述确定的套管串上的四个位移测量端点上。点焊时，用直角尺靠在管体2的表面，观察刚度螺丝8与套管串管体2表面垂直。四个刚度螺丝8即为位移测量端点。此方法保证，位移测量的是真正套管串的位移。

在ISO 12835标准推荐的18个位置，安装点焊式K形热电偶。然后用玻璃棉保温布6包裹两个端塞之间的所有套管串。

将上丝杠28与上端塞3连接，球形垫片A27套到上丝杠28上，在上丝杠28的端部拧接吊环。将以上准备好的套管串装到立式加载实验机26上。安装时，在套管串进入立式加载实验机26内时，将套管串竖直吊起，使套管串自由悬挂。然后慢速将套管串放置于立式加载实验机26的下平台30的平垫片25上，缓慢下降立式加载实验机26的上平台30，使球形垫片B32与上平台30接触但无压力。将球形垫片A27放到立式加载实验机26的上平台30上，预拧接上丝杠螺母35直到与球形垫片A27接触。下丝杠34与下端塞4完全连接，拧紧下丝杠螺母35，使下平台31与球形垫片C36接触。

安装完成后，对套管串施加10％屈服强度的拉伸载荷，再加10％屈服强度的压缩载荷。循环两次后，卸载至零。将上丝杠螺母29和下丝杠螺母35最终拧紧。到此，可保证套管串相对立式加载实验机26是同轴的，即垂直于地面。

将感应加热线圈7均匀缠绕在套管串上保温石棉布6外。缠绕线圈的螺旋等间距为200mm，保证在套管串上产生的磁场是均匀的，并且在线圈外无磁场。用万用表检测线圈外无磁场。

安装上刚度直角架A9，垫片和螺母套在刚度螺丝8上，并拧紧。将上刚度直角架A9的竖边口穿入刚度螺丝8，用弹簧垫圈和螺母拧接固定。水平尺放在上刚度直角架A9的水平边上表面，检查上刚度直角架A9是否安装水平。下刚度直角架A10、上刚度直角架B11、下刚度直角架B12用同样方法固定在相应的位置。

安装磁感应位移传感器母端14于下刚度直角架A10的卡弧23内，然后紧固M10螺钉24于M10螺纹孔22内。磁感应传感棒15与无弹重力绳13系扣，缠绕螺钉19套上调整垫片20，拧进上刚度直角架A9的M6螺纹孔18内。无弹重力绳13的另一端缠到上刚度直角架A9的缠绕螺钉19上，拧紧调整螺母21，使其不可滑动。将磁感应传感棒15放入磁感应位移传感器母端14孔内，待静止不动，用0.01mm精度的游标卡尺测量四周孔隙，孔隙均等为结束。不均等时，更换调整垫片20，使磁感应传感棒15与磁感应位移传感器母端14之间孔隙均等。

磁感应位移传感器母端14和热电偶等连接通讯线41，再与穆格伺服控制器40连接，穆格伺服控制器39与计算机40连接。开启加热设备，启动计算机专用位移控载荷软件，自动控制载荷，开始试验。

本试验为30℃到290℃十次热循环，应力随温度变化曲线如图8、图9和图10所示，过程中应力变化符合ISO12835中应力随温度变化过程。位移始终控制在0±0.254mm或0±0.01in内。成功模拟290级别热采井井况。

Claims (8)

1.一种套管串循环弹塑性热应力下零位移测量装置，其特征是：该测量装置包括一对上刚度直角架和下刚度直角架、测量部件，所述一对上刚度直角架和下刚度直角架的竖边均分别对称设置在套管串位移测量段的上、下套管两侧，横边分别对称设有安装测量部件的上、下定位装置，两侧测量部件在上、下定位装置之间均与套管串位移测量段平行。

2.根据权利要求1所述的一种套管串循环弹塑性热应力下零位移测量装置，其特征是：所述测量部件包括无弹重力绳、磁感应位移传感器母端、磁感应传感棒，所述测量部件的无弹重力绳的一端连接在上定位装置上，另一端栓有所述磁感应传感棒，所述磁感应传感棒位于磁感应位移传感器母端的内孔内，自由移动，所述磁感应位移传感器母端固定在所述下刚度直角架的下定位装置上，且磁感应传感棒与磁感应位移传感器母端同轴。

3.根据权利要求1或2所述的一种套管串循环弹塑性热应力下零位移测量装置，其特征是：所述上定位装置在直角边外侧面设有凸台，所述凸台上设有连接无弹重力绳的M6螺孔通过螺钉固定，且M6螺孔和螺钉之间设有调整垫片；所述下定位装置包括设置在直角边外侧面的卡弧，卡弧两侧的M10螺孔，卡弧通过M10螺钉被固定。

4.根据权利要求1或2所述的一种套管串循环弹塑性热应力下零位移测量装置，其特征是：所述上、下刚度直角架选择35CrMo材料。

5.根据权利要求1或2所述的一种套管串循环弹塑性热应力下零位移测量装置，其特征是：所述上、下刚度直角架的竖边和横边的垂直度为0.1mm。

6.根据权利要求3所述的一种套管串循环弹塑性热应力下零位移测量装置，其特征是：所述下刚度直角架横边侧面螺孔的两孔中心距下刚度直角架横边上表面等距公差在±0.10mm范围内。

7.根据权利要求3所述的一种套管串循环弹塑性热应力下零位移测量装置，其特征是：所述上刚度直角架的横边上凸台高度为位移传感器母端外半径-2mm。

8.根据权利要求3所述的一种套管串循环弹塑性热应力下零位移测量装置，其特征是：所述调整垫片厚度为0.05mm、0.1mm、0.5mm、0.8mm或1.0mm，用于调节磁感应传感棒与磁感应位移传感器母端同心。

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