CN211426111U - 一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置，包括釜体组件、实验组件、加压组件、数据采集组件。釜体组件包括釜体和釜盖；实验组件中的套管设置在釜体内，套管与套管上盖、套管下盖、橡胶筒组成养护水泥的密封夹层，橡胶筒外层包裹有双半圆缸套，水泥经套管上盖的水泥注口注入密封夹层中养护为水泥环；在釜体侧面，由气动液压泵、液压推杆和机械推手组成的加压组件向套管施加垂直于套管轴向的非均匀围压，模拟地层条件下的非均布载荷；所得实验数据由套管内侧数据采集组件中的应变片和机械推手表面应变贴片收集，经数据线实时传至计算机中，实验结果直观准确，可有效地模拟出套管在真实地层条件下受压情况。

Description

一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置

技术领域

本实用新型涉及石油天然气开发中的模拟实验领域，尤其涉及一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置。

背景技术

套管能够形成油气流动通道，广泛用于油气井固井与完井作业中，有效地保证了井壁稳定和钻井顺利进行。在实际油气井作业中，套管会面临塑性蠕变地层的非均布地应力作用以及复杂完井方式造成的高压差和交变应力作用，而在复杂地形条件下的套管失效，日益成为影响目前油井作业的重要问题。因此研究复杂井筒条件下水泥环与生产套管的力学行为，显得非常必要，需要有能够有一套模拟套管在复杂地层条件下受非均匀围压的实验装置。

目前，有许多装置可以模拟套管在地层条件下受均匀围压的情况，但缺少能够全面地模拟套管受非均布载荷情况的装置。

因此，需要一种可操作性强、实验结果直观准确，能够对套管施加非均匀载荷的装置，以满足目前相关实验研究的需要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种能对套管施加非均匀载荷的实验装置及方法，该装置可以对机械推头施加不同比例的径向压力，模拟出不同地层条件下的非均布载荷，并对非均布载荷条件下套管失效时套管的内外压力分布情况进行记录，为研究复杂地质条件下套管失效提供数据支持。

本实用新型采用如下技术方案：

一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置，其结构为：

釜体外侧设置加压组件，所述加压组件包括气阀、气动液压泵、液压推杆、机械推手、应变贴片和内置数据线。气动液压泵安装在釜体外侧，沿圆形釜体均匀分布。气动液压泵外侧部分与气体气路相连接，气路上使用气阀对气路进行开关控制。气动液压泵朝向釜体内侧部分设有液压推杆，液压推杆位于釜体上，其活塞杆部分与釜体内部的机械推手相连接，机械推手运动轴线与套管轴向方向垂直，机械推手的接触面呈弧形，与橡胶筒表面高度契合，机械推手表面贴有应变贴片，与气动液压泵和液压推杆内部埋设的内置数据线相连接，内置数据线又从气动液压泵泵体延伸出，与外接应力应变仪和计算机相连。加压组件工作是，打开气阀向气动液压泵中注入气体，使液压推杆中的活塞杆部分向前运动，带动机械推手压紧橡胶筒，给套管中的水泥环施加相应的围压。

优选的，所述套管以釜体为中心为圆心，位于釜体中央，釜体侧面有进水口，用于向釜体、釜盖和双半圆缸套组成的环形空间注水，以模拟真实地层条件下套管及外包水泥环所面临的复杂温度压力情况。套管上盖中设置有水泥注口，水泥经水泥注口注入所述套管与所述橡胶筒和套管上盖以及套管下盖组成的夹层中，并在其中养护成环。双半圆缸套紧贴橡胶筒外沿，在水泥养护成环之前起支撑作用，待水泥成环之后即可将外围双半圆缸套拆下，使橡胶筒作为水泥环的受压面。当所述压力组件对橡胶筒施加的压力逐渐增大时，橡胶筒与套管上盖和套管下盖组成的空间的密封性能也会相应提升。

优选的，所述数据采集组件由应变片，应变片数据线，外接应力应变仪和计算机组成，其中应力应变仪和计算机的数据线经套管上盖上部的孔进入釜体中与应变片相连接。应变片均匀贴在套管内壁，且应变片轴向位置位于该段套管的中部，以此准确获取套管内部应力的数据。

优选的，所述气动液压泵在釜体外沿的分布方式可以分为1/4圆形式和1/8圆形式两种，即设备中加压组件的数量分别为一共4组和8组，前后两种情况中相邻两气动液压泵指向釜体圆心的轴线形成的夹角分别呈90°和45°，各气动液压泵均匀分布在釜体的外沿。气动液压泵、所述液压推杆和所述机械推手均位于同一轴线上，其中机械推手运动轴线与套管的轴向方向相垂直，接触面呈弧形，与橡胶筒表面高度契合。

优选的，所述气阀控制外接气路向气动液压泵中输入气体，气动液压泵在工作状态下推动所述液压推杆，带动机械推手对橡胶筒内的套管和水泥环施加非均匀的围压载荷，直至套管内部应变片所反馈的压力数据显示套管已出现失效或破损，此时在计算机上读取机械推手上应变贴片收集到的外部施加的压力数据，可得到套管内部应力随外部非均匀围压的施加而发生变化的实时数据曲线，以及外部非均匀围压与研究对象套管失效之间的关系。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型能更好地、更真实地模拟均匀地应力、地层温度及地层塑性，能够很好地模拟水泥浆在井下环空中带温度带压形成水泥环的过程，通过判断套管或水泥环承受的地层最大围压，防止套管失稳损坏，损害油气井的安全生产。

2.本实用新型通过液体增压泵将水泵入高压釜体内，液体通过橡胶套和水泥环将压力沿径向传递给套管时，套管会发生微小变形，套管内的应变片随之也发生变形，变形信号传递到计算机，就可以得知外挤压力对套管的挤压破坏。判断套管或水泥环承受的地层最大围压，防止套管失稳破坏，从而造成产能下降，甚至油井报废的严重后果。

3.模拟套管围压的设备一般是机械装置，不能够真实地模拟均匀地应力，地层及地层塑性，因此无法模拟水泥浆在井下环空中带温带压形成水泥环的过程，更无法模拟水泥环与套管及水泥环与地层之间的胶结，导致实验结果与井下实际情况同样存在较大差异。本实用新型通过模拟水泥浆在井下环空中带温带压形成水泥环的过程，判断套管或水泥环承受的地层最大围压，防止套管失稳损坏，为油气井安全高效生产提供依据。

4.本实用新型机械推手采用液压推杆，可以精确设置机械推手组合中不同液压推杆的施加压力，进一步模拟套管-水泥环所受的非均匀载荷，为套管-水泥环失效分析提供有效实验数据。

5.选择液压推杆向套管-水泥环施加模拟围压可精确设置不同推杆所施加的外力，可模拟不同形式的外部非均匀受力，结合套管内部应力应变数据，更有利于室内试验探究套管-水泥环的失效规律。本实用新型考虑非均匀受力的实际情况在形式和数量上无法准确模拟，非均匀受力形式复杂，加机械推手是模拟受力不均匀的理想化考虑，尽量模拟非均匀受力的影响，这种形式是并不是常规方法，目前，模拟套管围压的设备一般是机械装置(一种机械式模拟套管围压试验装置及其围压方法，公开号：CN105606455A)，其模拟非均匀受力是通过安装在水泥环-套管上的滑块与压盖的组合实现的，其模拟的水泥环-套管尺寸受限，以及模拟受力不精确，导致测试数据偏差大。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为机械推手结构示意图；

图3为设置有4组加压组件的俯视图；

图4为设置有8组加压组件的俯视图。

图中：1-釜盖、2-套管上盖、3-水泥注口、4-釜体、5-套管、6-水泥环、7-橡胶筒、8-双半圆缸套、9-内置数据线、10-气阀、11-气动液压泵、12-液压推杆、13-机械推手、14-应变贴片、15-应变片、16-应变片数据线、17-顶部密封胶圈、18-进水口、19-热电偶、20-出水口、21-底部密封胶圈、22-套管下盖。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置，所述实验装置包括釜体组件、实验组件、数据采集组件、加压组件。

釜体组件包括釜体4、釜盖1、进水口18、热电偶19和出水口20，所述进水口18、热电偶19和出水口20均位于釜体4一侧，釜盖1盖在釜体4的上侧。

所述实验组件设置在釜体4内部，实验组件包括套管上盖2、套管5、水泥环6、橡胶筒7、双半圆缸套8、套管下盖22、顶部密封橡胶圈17和底部密封胶圈21，所述套管5位于釜盖1下方，套管5上部和下部分别设有套管上盖2和套管下盖22，套管5外侧为水泥环6，水泥环6外侧橡胶筒7，橡胶筒7外侧为双半圆缸套8，顶部密封圈17安装于釜盖1与套管上盖2、橡胶套筒7、双半圆缸套8之间，用于套管5上部的水平方向密封，底部密封圈21安装于釜体4与套管下盖22、橡胶筒7、双半圆缸套8之间，用于套管5下部的水平方向的密封。

所述数据采集组件设置在套管5上，包括应变片15和应变片数据线16，所述应变片15均匀贴合于套管5内壁，用于采集套管5上的压力变化数据，通过所述应变片数据线16传递至应力应变仪与计算机中。

釜体4外侧设置有加压组件，所述加压组件包括内置数据线9、气阀10、气动液压泵11、液压推杆12、机械推手13和应变贴片14，气动液压泵11设置在釜体4中部外侧，沿釜体1均匀分布，所述气动液压泵11朝向釜体4外侧面上连接管路上设有气阀10，朝向釜体内侧部分连接有液压推杆12，所述液压推杆12的杆体设置在釜体4内，液压推杆的活塞杆一端连接机械推手13，机械推手13位于釜体4与双半圆钢套8之间，并且在朝向双半圆缸套8的一侧上贴有应变片15。

进一步的技术方案是，所述套管上盖2中设置有水泥注口3。

进一步的技术方案是，套管上盖2的的中部具有一孔，应力应变仪的数据线16经过该孔伸入釜体4内与套管5内壁紧贴的应变片15相连。

进一步的技术方案是，气动液压泵11与其直接相连的液压推杆12和机械推手13均位于同一轴线上，其中机械推手13运动轴线与套管5的轴向方向相互垂直，锁住机械推手13与橡胶筒7的接触面呈弧形，以便与橡胶筒7表面高度契合。

进一步的技术方案是，设置在机械推手13表面的应变贴片14，与气动液压泵11和液压推杆12内部埋设的内置数据线相连，设置数据线9又从气动液压泵体延伸出，与外界应力应变仪和计算机相连。

进一步的技术方案是，所述釜盖1、釜体4、套管上盖2、套管下盖22与顶部的密封胶圈17和底部的密封胶圈21组成液压模拟套管非均匀围压的实验装置的密封空间。

一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置的使用方法，包括以下步骤：

将套管上盖2，套管下盖22，套管5，双半圆缸套8，橡胶筒7，应力片15，按照相应的位置在釜体中安装完成。

想釜体4中注水升温，并经水泥注口3向套管5与橡胶筒7夹层中注入水泥，盖上顶部密封胶圈17和釜盖1，等待水泥成环。

水泥成环后，拆掉双半圆缸套8，重新按照原结构组装釜体，设置气动液压泵11的预设压力，打开气阀10并启动气动液压泵11，开始进行实验。

将应变片15收集到套管5内压的数据传至计算机中，处理过后得出压力-时间数据曲线，得到套管5在地层中所受到的非均匀围压下的内部压力与时间关系曲线。

如果套管5中应力值发生突然变降，说明已经出现套管5失效或破碎，此时应记录下应变贴片所反馈的外加围压值，并与套管5内部反馈得到的压力值进行比较研究。

数据收集完成，通过出水口20排出釜体4内养护水，按照顺序拆除装置，结束实验。

实施例1.实施例1为4组加压组件的液压式模拟套管非均匀围压的实验装置

如图1、图2、图3所示，本实用新型的一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置，包括釜盖1、套管上盖2、水泥注口3、釜体4、套管5、水泥环6、橡胶筒7、双半圆缸套8、内置数据线9、气阀10、气动液压泵11、液压推杆12、机械推手13、应变贴片14、应变片15、应变片数据线16、顶部密封胶圈17、进水口18、热电偶19、出水口20、底部密封胶圈21、套管下盖22。

所述实验装置包括釜体组件、实验组件、数据采集组件、加压组件。

釜体组件包括釜体4、釜盖1、进水口18、热电偶19和出水口20，所述进水口18、热电偶19和出水口20均位于釜体4一侧，釜盖1盖在釜体4的上侧。

所述实验组件设置在釜体4内部，实验组件包括套管上盖2、水泥注口3、套管5、水泥环6、橡胶筒7、双半圆缸套8、套管下盖22、顶部密封橡胶圈17和底部密封胶圈21，所述套管5位于釜盖1下方，套管5上部和下部分别设有套管上盖2和套管下盖22，套管5外侧为水泥环6，水泥环6外侧橡胶筒7，水泥注口3安装于釜盖1与水泥环6之间，橡胶筒7外侧为双半圆缸套8，顶部密封圈17安装于釜盖1与套管上盖2、水泥注口3、橡胶套筒7、双半圆缸套8之间，用于套管5上部的水平方向密封，底部密封圈21安装于釜体4与套管下盖22、橡胶筒7、双半圆缸套8之间，用于套管5下部的水平方向的密封。

所述数据采集组件设置在套管5上，包括应变片15和应变片数据线16，所述应变片15均匀贴合于套管5内壁，用于采集套管5上的压力变化数据，通过所述应变片数据线16传递至应力应变仪与计算机中。

釜体4外侧设置有4组连心线角度呈90°的加压组件，所述加压组件包括内置数据线9、气阀10、气动液压泵11、液压推杆12、机械推手13和应变贴片14，气动液压泵11设置在釜体4中部外侧，沿釜体1均匀分布，所述气动液压泵11朝向釜体4外侧面上连接管路上设有气阀10，朝向釜体内侧部分连接有液压推杆12，所述液压推杆12的杆体设置在釜体4内，液压推杆的活塞杆一端连接机械推手13，机械推手13位于釜体4与双半圆钢套8之间，并且在朝向双半圆缸套8的一侧上贴有应变贴片。

进一步的技术方案是，套管上盖2的的中部具有一孔，应力应变仪的数据线16经过该孔伸入釜体4内与套管5内壁紧贴的应变片15相连。

进一步的技术方案是，气动液压泵11与其直接相连的液压推杆12和机械推手13均位于同一轴线上，其中机械推手13运动轴线与套管5的轴向方向相互垂直，锁住机械推手13与橡胶筒7的接触面呈弧形，以便与橡胶筒7表面高度契合。

实施例1的测试方法为：

首先，所述应变片15均匀贴合于套管5内壁相应位置，应变片15通过应变片数据线16从套管上盖2上部开口与外接应力应变仪和计算机组成的压力监测系统相连接。

再将套管5、橡胶筒7、双半圆缸套8、套管上盖2、套管下盖14、底部密封胶圈21按照从里至外的方式组合安装，确保密封性完好，经注水18向釜体4内注水，由热电偶19加温至设定温度，当注入水充满釜体4与双半圆缸套8形成的空间后，将水温升至相应的工作温度，再把水泥经过套管上盖2中的水泥注口3注入套管5与橡胶筒7组成的夹层中，依次盖上顶部密封胶圈17和釜盖1，使水泥在套管5与橡胶筒7形成的夹层中养护成水泥环6。

待水泥成环之后将外围双半圆缸套8拆下，橡胶筒7将作为水泥环6的受压面。水泥注口3上方与釜盖1和釜体4之间由顶部密封胶圈17密封。

此时的压力是由4组连心线角度呈90°的加压组件对套管5施加的围压，根据需要模拟套管受到地层非均匀围压，把气动液压泵11调到设定值，打开气阀10，向气动液压泵11中注入压缩空气至预设压力值，气动液压泵11获得气压后开始对液压推杆12加压，液压推杆12的活塞杆部分开始运动，带动机械推手13向橡胶筒7移动，逐渐接近并完全附着与橡胶筒7上，使筒体从气动液压泵11所在的4个方向稳定而均匀地承受预设压力。

根据实验方案，根据应变贴片14上反馈的压力信号，不断调节气动液压泵11，直至其施加的外部压力使得套管5中应变片15反馈的信号显示套管5已经失效或破损。分别记录下外部施加压力和套管5内部所受压力随时间变化的曲线，分析不同的曲线，即可得出套管受到非均匀围压时内部压力与外部施加压力之间随时间变化的关系，并反映出套管失效与外部非均匀围压之间的联系。

实验完成后，橡胶筒7与釜体4夹层中的水经出水口20排出。

实施例2.实施例2为8组加压组件的液压式模拟套管非均匀围压的实验装置

如图1、图2、图4所示，本实施例2与实施例1的结构基本相同，不同之处在于加压组件的数目为8组，加压组件与釜体圆心连心线的夹角角度为45°，分布密度更高，使得加压组件在对套管5施加压力时能够实现的围压的分布情况更多，更加真实地模拟地层中非均匀围压对套管5和水泥环6产生的影响。

实施例2的测试方法为：

首先，所述应变片15均匀贴合于套管5内壁相应位置，应变片15通过应变片数据线16从套管上盖2上部开口与外接应力应变仪和计算机组成的压力监测系统相连接。

再将套管5、橡胶筒7、双半圆缸套8、套管上盖2、套管下盖14、底部密封胶圈21按照从里至外的方式组合安装，确保密封性完好，经注水18向釜体4内注水，由热电偶19加温至设定温度，当注入水充满釜体4与双半圆缸套8形成的空间后，将水温升至相应的工作温度，再把水泥经过套管上盖2中的水泥注口3注入套管5与橡胶筒7组成的夹层中，依次盖上顶部密封胶圈17和釜盖1，使水泥在套管5与橡胶筒7形成的夹层中养护成水泥环6。

待水泥成环之后将外围双半圆缸套8拆下，橡胶筒7将作为水泥环6的受压面。水泥注口3上方与釜盖1和釜体4之间由顶部密封胶圈17密封。

此时的压力是由8组连心线角度呈45°的加压组件对套管5施加的围压，根据需要模拟套管受到地层非均匀围压，把气动液压泵11调到设定值，打开气阀10，向气动液压泵11中注入压缩空气至预设压力值，气动液压泵11获得气压后开始对液压推杆12加压，液压推杆12的活塞杆部分开始运动，带动机械推手13向橡胶筒7移动，逐渐接近并完全附着与橡胶筒7上，使筒体从气动液压泵11所在的4个方向稳定而均匀地承受预设压力。

根据实验方案，根据应变贴片14上反馈的压力信号，不断调节气动液压泵11，直至其施加的外部压力使得套管5中应变片15反馈的信号显示套管5已经失效或破损。分别记录下外部施加压力和套管5内部所受压力随时间变化的曲线，分析不同的曲线，即可得出套管8受到非均匀围压时内部压力与外部施加压力之间随时间变化的关系，并反映出套管8失效与外部非均匀围压之间的联系。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置，所述实验装置包括釜体组件、实验组件、数据采集组件、加压组件；

釜体组件包括釜体、釜盖、进水口、热电偶和出水口，所述进水口、热电偶和出水口均位于釜体一侧，釜盖盖在釜体的上侧；

所述实验组件设置在釜体内部，实验组件包括套管上盖、套管、水泥环、橡胶筒、双半圆缸套、套管下盖、顶部密封橡胶圈和底部密封胶圈，所述套管位于釜盖下方，套管上部和下部分别设有套管上盖和套管下盖，套管外侧为水泥环，水泥环外侧橡胶筒，橡胶筒外侧为双半圆缸套，顶部密封圈安装于釜盖与套管上盖、橡胶套筒、双半圆缸套之间，用于套管上部的水平方向密封，底部密封圈安装于釜体与套管下盖、橡胶筒、双半圆缸套之间，用于套管下部的水平方向的密封；

所述数据采集组件设置在套管上，包括应变片和应变片数据线，所述应变片均匀贴合于套管内壁，用于采集套管上的压力变化数据，通过所述应变片数据线传递至应力应变仪与计算机中；

其特征在于，釜体外侧设置有加压组件，所述加压组件包括内置数据线、气阀、气动液压泵、液压推杆、机械推手和应变贴片，气动液压泵设置在釜体中部外侧，沿釜体均匀分布，所述气动液压泵朝向釜体外侧面上连接管路上设有气阀，朝向釜体内侧部分连接有液压推杆，所述液压推杆的杆体设置在釜体内，液压推杆的活塞杆一端连接机械推手，机械推手位于釜体与双半圆钢套之间，并且在朝向双半圆缸套的一侧上贴有应变贴片，应变贴片与气动液压泵和液压推杆内部埋设的内置数据线相连接，内置数据线又从气动液压泵泵体延伸出，与外接应力应变仪和计算机相连。

2.根据权利要求1所述的一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置，其特征在于，所述套管上盖中设置有水泥注口。

3.根据权利要求1所述的一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置，其特征在于，套管上盖的中部具有一孔，应力应变仪的数据线经过该孔伸入釜体内与套管内壁紧贴的应变片相连。

4.根据权利要求1所述的一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置，其特征在于，气动液压泵与其直接相连的液压推杆和机械推手均位于同一轴线上，其中机械推手运动轴线与套管的轴向方向相互垂直，锁住机械推手与橡胶筒的接触面呈弧形，以便与橡胶筒表面高度契合。

5.根据权利要求1所述的一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置，其特征在于，所述气动液压泵在釜体外沿的分布方式为1/4圆形式，即设备中加压组件的数量一共4组，气动液压泵间指向釜体圆心的连线形成的夹角呈90°，各气动液压泵均匀分布在釜体外沿。

6.根据权利要求1所述的一种液压式模拟套管非均匀围压的实验装置，其特征在于，所述气动液压泵在釜体外沿的分布方式可分为1/8圆形式，即设备中加压组件的数量一共8组，气动液压泵间指向釜体圆心的连线形成的夹角呈45°，各气动液压泵均匀分布在釜体外沿。

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