一种射孔管柱所受冲击载荷的模拟实验装置及方法与流程

本发明涉及一种油气勘探领域，特别是关于一种在模拟井下温压条件下的射孔管柱所受冲击载荷的模拟实验装置及方法。

背景技术：

在深水、超深水射孔作业中，大威力射孔弹、高密度射孔器得到广泛应用，导致爆炸冲击载荷强度进一步增加，使得射孔管串工作环境恶劣，极易出现管柱屈曲、断裂以及封隔器解封、失效等事故。因此，开展爆炸冲击载荷对射孔管柱的安全影响研究具有重要意义。目前，针对这方面的研究大多采用有限元模拟手段，对于射孔爆炸所产生的真实冲击载荷大小研究甚少，现有的实验方法不能充分模拟射孔管柱在不同温度和压力条件下所受到的载荷大小，无法为射孔管柱安全评估提供可靠的数据。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种射孔管柱所受冲击载荷的模拟实验装置及方法，其能有效真实的模拟井下在不同温度和压力条件下射孔管柱所受到的爆炸冲击载荷。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种射孔管柱所受冲击载荷的模拟实验装置，其特征在于：该装置包括套管，所述套管第一端和第二端上分别安装有可拆卸的上端密封丝扣和下端密封丝扣；位于所述套管内设置有油管，所述油管一端位于所述套管内，且所述油管该端与射孔管柱连接；所述油管另一端穿过所述套管第一端，且所述油管该端部与油管密封丝扣连接；在所述套管内，靠近所述套管第一端的所述油管与封隔器连接，所述封隔器通过第一高压泵进行加压坐封后与所述下端密封丝扣形成密闭的套管内腔；加热棒穿过所述套管第二端插入所述套管内腔中，所述套管内腔通过管路与第二高压泵连接。

进一步，所述油管另一端经管路与所述第一高压泵连接，位于所述第一高压泵与所述油管之间的管路上还设置有第一高压泵控制阀，并在所述第一高压泵控制阀与所述第一高压泵之间的管路上设置有第一高压泵压力传感器。

进一步，位于所述第二高压泵与所述套管内腔之间的管路上设置有第二高压泵控制阀，并在所述第二高压泵控制阀与所述第二高压泵之间的管路上设置有第二高压泵压力传感器。

进一步，还包括温度传感器、多个压电式压力传感器、连接件和多个压电式加速度传感器；所述温度传感器穿过所述套管第二端插入所述套管内腔中；各所述压电式压力传感器分别设置在所述封隔器底端、油管下端侧面以及射孔管柱底端；凹槽型结构的所述连接件设置在所述射孔管柱底端，各所述压电式加速度传感器都安装在所述连接件上。

进一步，各所述压电式加速度传感器分别设置在所述连接件侧面、连接件底端以及连接件下底面凹槽内；位于所述连接件下底面凹槽内的两个所述压电式加速度传感器成180度中心对称设置。

进一步，该装置还包括多通道数据采集仪、电荷放大器和示波器；所有所述压电式压力传感器和所有压电式加速度传感器均通过所述电荷放大器与所述多通道数据采集仪连接，且所述多通道数据采集仪与所述示波器连接；位于各传感器与所述电荷放大器之间采用高频传输电缆进行连接。

进一步，该装置还包括计算机；所述加热棒、温度传感器、多通道数据采集仪、第一高压泵、第一高压泵压力传感器、第二高压泵和第二高压泵压力传感器均与所述计算机连接。

进一步，还包括导爆索、雷管起爆器、电探针和同步触发器；所述射孔管柱内的射孔弹通过所述导爆索连接所述雷管起爆器，所述雷管起爆器还经所述电探针连接所述同步触发器，所述同步触发器触发所述多通道数据采集仪开始数据采集；所述雷管起爆器产生的枪管爆炸冲击响应由各所述压电式压力传感器和各压电式加速度传感器进行数据采集。

基于上述装置的射孔管柱所受冲击载荷的模拟实验方法，其特征在于包括以下步骤：1)将套管与下端密封丝扣、连接件与射孔管柱底端、射孔管柱与油管、油管与封隔器分别进行连接；2)将油管及射孔管柱下入套管内，向套管内腔注入井液,油管密封丝扣与油管进行连接；3)通过第一高压泵加压坐封，使封隔器坐封与套管内壁紧密接触，并和套管及下端密封丝扣形成密闭套管内腔，上端密封丝扣与套管连接；4)将安装好的实验装置放入土坑中并固定；5)第二高压泵向密闭的套管内腔施加至设定井液压力；6)加热棒将套管内腔中的井液加热至设定温度；7)通过导爆索连接的雷管起爆器起爆射孔弹，与雷管起爆器连接的电探针触发同步触发器，使多通道数据采集仪处于工作状态；同时，压电式压力传感器和压电式加速度传感器所测数据通过电荷放大器进行放大处理，传输到多通道数据采集仪进行数据采集，然后传输到计算机中储存，并在示波器上显示出数据曲线。

进一步，所述加热棒向所述套管内腔中的井液施加的温度数据为150℃；所述第二高压泵向所述套管内腔施加40mpa的压力。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过在套管第二端安装下端密封丝扣，加入井液以及通过第一高压泵加压坐封封隔器形成密闭的套管内腔，通过第二高压泵对套管内腔施加压力，通过加热棒加热井液至设定温度，通过高压泵压力传感器、温度传感器进行数据采集，通过套管内腔的力学传感器对射孔管柱所受到的爆炸冲击载荷进行数据采集，通过电探针将雷管起爆器起爆时的信号传给同步触发器使多通道数据采集仪开始工作准备接受数据信号，通过高频传输电缆将采集到的数据传输到电荷放大器，通过电荷放大器将放大后的数据传输到多通道数据采集仪进行数据采集，通过示波器观察射孔弹起爆后的实验数据曲线，通过计算机存储实验数据，从而模拟井下在不同温度和压力条件下射孔管柱所受到的爆炸冲击载荷情况。2、本发明的模拟实验方法能模拟井下在不同温度和压力条件下射孔管柱所受到的爆炸冲击载荷情况，为射孔管柱、油管以及封隔器的损伤评价提供实验数据，以便选择更加合理的射孔完井方案。

附图说明

图1是本发明的模拟实验装置结构示意图；

图2是图1的c-c截面图；

图3是本发明模拟实验装置中的雷管起爆器、电探针和同步触发器结构示意图；

图4是本发明模拟实验装置中的射孔弹和雷管起爆器连接示意图；

图5是本发明的模拟实验方法流程图。

具体实施方式

鉴于现有技术不能充分模拟井下在不同温度和压力条件下射孔管柱所受到的爆炸冲击载荷大小，本发明提供一种模拟井下温压条件下射孔管柱所受冲击载荷的模拟实验装置，通过下放油管将射孔管柱放入套管，通过在套管下端安装下端密封丝扣，以及对油管内进行加压坐封封隔器形成密闭的套管内腔，通过高压泵对套管内腔施加压力至设定压力，通过加热棒加热井液至设定温度，通过高压泵压力传感器、温度传感器进行数据采集，通过套管内腔的力学传感器对射孔管柱所受到的爆炸冲击载荷进行数据采集，从而模拟井下在不同温度和压力条件下射孔管柱所受到的爆炸冲击载荷。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的模拟实验装置包括套管1，套管1第一端和第二端上分别安装有可拆卸的上端密封丝扣2和下端密封丝扣3。位于套管1内设置有油管4，油管4一端位于套管1内，且该端与射孔管柱5连接；油管4另一端穿过套管1第一端，且油管4该端部与油管密封丝扣6连接。在套管1内，靠近套管1第一端的油管4与封隔器7连接，封隔器7通过第一高压泵8进行加压坐封后与下端密封丝扣3形成密闭的套管内腔9。加热棒10穿过套管1第二端插入套管内腔9中，用于加热井液至设定温度，令热量向外传递，模拟高温流体和井中的温度环境；加热棒10可以采用电加热的方式加热，井液根据实际情况可以更换。套管内腔9通过管路与第二高压泵11连接，通过第二高压泵11向密闭后的套管内腔9中施加设定压力。

在一个优选地实施例中，油管4另一端经管路与第一高压泵8连接，位于第一高压泵8与油管4之间的管路上还设置有第一高压泵控制阀12，并在第一高压泵控制阀12与第一高压泵8之间的管路上设置有第一高压泵压力传感器13，用于采集高压泵数据。

在一个优选地实施例中，位于第二高压泵11与套管内腔9之间的管路上设置有第二高压泵控制阀14，并在第二高压泵控制阀14与第二高压泵11之间的管路上设置有第二高压泵压力传感器15，用于采集高压泵压力数据。

在一个优选地实施例中，本发明的模拟实验装置还包括温度传感器16，温度传感器16穿过套管1第二端插入套管内腔9中，用于采集温度数据。

在一个优选地实施例中，本发明的模拟实验装置还包括多个压电式压力传感器17、一连接件18和多个压电式加速度传感器19。位于封隔器7底端设置的压电式压力传感器17，用于采集环空轴向压力数据；位于油管4下端侧面设置的压电式压力传感器17，用于采集环空径向压力数据；位于射孔管柱5底端设置的压电式压力传感器17，用于采集射孔管柱轴向压力数据。连接件18采用凹槽型结构，与射孔管柱5底端连接，各压电式加速度传感器19都安装在连接件18上；位于连接件18侧面的压电式加速度传感器19，用于采集射孔管柱在径向的运动数据；位于连接件18底端的压电式加速度传感器19，用于采集射孔管柱在轴向的运动数据；位于连接件18下底面凹槽内的两个压电式加速度传感器19成180度中心对称设置(如图2所示)，用于采集射孔管柱在环向的运动数据。

在一个优选地实施例中，本发明的模拟实验装置还包括电荷放大器20、多通道数据采集仪21和示波器22。所有压电式压力传感器17和所有压电式加速度传感器19均通过电荷放大器20与多通道数据采集仪21连接，且多通道数据采集仪21与示波器22连接，将采集到的数据在示波器22上进行数据曲线显示。其中，位于各传感器与电荷放大器20之间采用高频传输电缆23进行连接(如图3所示)。

在一个优选地实施例中，本发明的模拟实验装置还包括计算机24。加热棒10、温度传感器16、多通道数据采集仪21、第一高压泵8、第一高压泵压力传感器13、第二高压泵11和第二高压泵压力传感器15均与计算机24连接，由计算机24控制各器件工作，并采集相关数据：控制加热棒10加热井液；控制第一高压泵8向油管4内进行加压坐封封隔器7，使封隔器7和下端密封丝扣3之间形成密闭的套管内腔9；控制第二高压泵11向密闭的套管内腔9施加设定压力，采集来自温度传感器16的温度数据、来自第二高压泵压力传感器15的压力数据、来自第一高压泵压力传感器13的压力数据、来自多通道数据采集仪21的压力和加速度数据。

在一个优选地实施例中，如图3、图4所示，本发明的模拟实验装置还包括导爆索25、雷管起爆器26、电探针27和同步触发器28。射孔管柱5内的射孔弹29通过导爆索25连接雷管起爆器26，雷管起爆器26用于引爆射孔弹27以便进行起爆射孔作业；雷管起爆器26产生的枪管爆炸冲击响应由各压电式压力传感器17和各压电式加速度传感器19进行数据采集，且雷管起爆器26还经电探针27连接同步触发器28，由同步触发器28触发多通道数据采集仪21开始数据采集。

基于上述模拟实验装置，本发明还提供了一种模拟井下温压条件下射孔管柱所受冲击载荷的模拟实验方法，如下面实施例所述。由于该方法解决问题的原理与模拟井下温压条件下射孔管柱所受冲击载荷的实验装置相似，因此该方法的实施可以参见模拟井下温压条件下射孔管柱所受冲击载荷的实验装置，重复之处不再赘述。

如图5所示，本发明的实验方法包括以下步骤：

1)将套管1与下端密封丝扣3、连接件18与射孔管柱5底端、射孔管柱5与油管4、油管4与封隔器7分别进行连接；

2)将油管4及射孔管柱5下入套管1内，向套管内腔9注入井液,油管密封丝扣6与油管4进行连接；

3)通过第一高压泵8加压坐封，使封隔器7坐封与套管1内壁紧密接触，并和套管1及下端密封丝扣3形成密闭套管内腔9，上端密封丝扣2与套管1连接；

4)将安装好的实验装置放入土坑中并固定；

5)第二高压泵11向密闭的套管内腔9施加至设定井液压力；

6)加热棒10将套管内腔9中的井液加热至设定温度；

7)通过导爆索25连接的雷管起爆器26起爆射孔弹29，与雷管起爆器26连接的电探针27触发同步触发器28，使多通道数据采集仪21处于工作状态；与此同时，压电式压力传感器17和压电式加速度传感器19所测数据通过电荷放大器20进行放大处理，传输到多通道数据采集仪21，进行数据采集，然后传输到计算机24中储存，并可在示波器22上显示出数据曲线。

上述步骤1)中，各压电式压力传感器17和压电式加速度传感器19都通过螺纹进行固定。其中，压电式加速度传感器19表面进行隔热处理，使其能在高温环境下正常工作。

上述步骤2)中，通过改变射孔管柱5的型号来测试不同型号的射孔管柱5所受到的爆炸冲击载荷，射孔弹29的相位根据实际需要可以适当调整；井液可以根据实验要求进行更换。

上述步骤4)中，封隔器7的座封位置可以根据井底口袋长度进行调整，用于模拟井底口袋长度对射孔管柱5所受冲击载荷的影响。

上述步骤5)、步骤6)中，加热棒10向套管内腔9中的井液施加的温度数据可以为150℃，用以模拟地层温度；第二高压泵11可以向套管内腔9施加40mpa的压力，用以模拟地层压力。

综上所述，本发明的模拟实验方法在使用时，其主要技术指标可以设置如下：实验温度：100-170℃；内压：0-50mpa；射孔枪尺寸：外径127mm(5寸)，壁厚13mm，长度1300mm；射孔弹规格：37g，rdx火药装填，共16枚射孔弹；射孔相位：60度；油管尺寸：外径73.02mm(27/8寸)，内径59mm，壁厚7.01mm，长度1300mm或根据实验情况自行选择油管尺寸、规格；封隔器尺寸：最大外径145mm，最小通径65mm，长度500mm，两端连接丝扣为27/8寸tbg或根据实际情况自行选择封隔器尺寸、规格；套管尺寸：外径177.8mm(7寸)，内径157.07mm；壁厚10.36mm，长度4000mm或根据实验情况自行选择长度；高压泵加压范围0-50mpa；压电式压力传感器量程：250mpa；压电式加速度传感器量程：10×10⁴g。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。