一种高温下封隔器胶筒接触应力测试装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及井下工具测试装置及方法领域中的一种用于高温下封隔器胶筒接触 应力测试装置及利用该测试装置进行接触应力测试的方法。
【背景技术】
[0002] 封隔器在井下高温高压的工况下，胶筒的耐高温力学性能显得尤为重要，因此对 井下工具模拟井下工况，进行高温强化试验和数据检测，不仅对井下工具的开发研制具有 重要意义，对已经推广使用的封隔器，定期进行抽样检测，确保其使用安全可靠，也是必不 可少的。
[0003] 目前国内外各油田和公司的井下工具试验设备都朝着模拟条件准确、测试手段完 备、测试数据齐全、测试精度高等方向发展。目前，钻采工具及工艺技术和装备的模拟试验 已作为油气田开发过程中钻采工具研究的基础和重要组成部分。建设封隔器的密封与锚定 性能测试装置是进行多种井下钻采工具及工艺研究必不可少的试验手段。
[0004] 总之，只有物理模拟试验才能获得现场试验无法取得的或在短时期内不可能取得 的中间试验数据；也只有模拟试验才能大大缩短科研周期，有效地克服未经任何中间试验 就把新产品、新工艺投入现场生产井使用的弊端。从而可以避免一些不必要的无功作业和 经济损失，使科研成果更具有科学性、可靠性、实用性和经济性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是针对现有技术现状，提出一种高效实用的高温下封隔器胶筒 接触应力测试装置及方法。
[0006] 本发明的技术路线是：由于封隔器胶筒接触位置在套管内部，一般无法直接测试 到其接触力值，但是接触力会使套管变形，套管表面的变形反应了内部接触力的大小和分 布情况，因此只要测出套筒表面的变形，就可以推算出套管内部接触力。通过温控表设定试 验温度，高温箱内的电加热器对试样进行加热，温度稳定后，通过交流伺服系统装置对封隔 器胶筒施加设定载荷，封隔胶筒外管壁环向粘贴高温应变片，交流伺服系统保持设定载荷 稳定一段时间，测定该过程中封隔胶筒外管壁表面特征点的应变数据，通过应变分析仪采 集应变值传输给应力数据分析系统进行分析计算。
[0007] 其具体方案包括：
[0008] 首先，一种高温下封隔器胶筒接触应力测试装置包括，试验套管、封隔器胶筒、高 温箱、加载装置、加载杆、横梁、压力传感器、应变分析仪、应变数据分析计算机和支撑体；其 中：试验套管被设置在底部加固封闭的实验套管内；实验套管连同其内的封隔器胶筒被设 置在高温箱内，高温箱内设置加热器，高温箱的外壁设置保温材料，高温箱的上部贯穿有加 载杆，加载杆连接在其上方的横梁上，加载杆与横梁之间连接有压力传感器，横梁与高温箱 外部的支撑体连接，加载杆与实验套管内的封隔器胶筒构成纵向挤压配合；应变分析仪带 有多个应变片，多个应变片被间隔粘贴在实验套管的外壁上，应变片通过耐高温导线与应 变分析仪连接，应变分析仪与应变数据分析计算机建立连接；所述的加载装置设置在横梁 与支撑体之间，或者是设置在横梁与加载杆之间，或者是设置在实验套管底部与高温箱底 部之间，或者是通过贯穿高温箱底部的支撑杆连接在实验套管底部与支撑体之间。
[0009] 上述方案还包括：所述的加载装置是由交流伺服电机和驱动滚珠丝杆组成的直线 驱动电机。高温箱采用热电偶作为加热器，并与温控仪连接实现自动控温；高温箱箱体前面 开有活动门，门边采用耐高温氟橡胶密封；高温箱上、下需要贯穿加载杆时或支撑杆时，其 圆孔采用耐高温石棉纱密封。横梁与支撑体采用轨道和滑轮配合连接。
[0010] 其次，按照上述的高温下封隔器胶筒接触应力测试装置的测试方法是：设定高温 箱内试验温度，试验温度稳定后，通过加载装置给实验套管内的封隔器胶筒设定加载力和 加载力稳定时间，测得封隔胶筒表面特征点在外载作用力下的应变数据，应变分析仪将采 集到的试验数据传输到应变数据分析计算机上，通过应力数据分析系统计算出应力、应变 的大小和分布规律，以及随温度变化的规律。
[0011] 所述应力数据分析系统的计算方法如下：
[0012] 设套管表面有η个测试点，套管内壁作用沿有环向方向的作用力P，作用在任一测 试点i处的接触力Pi，在Pi单独作用下各测试点的应变分别为ε i，当Ρ连续分布在测试点 1~i上时，则任一测试点i处应变等于各点接触力对i点引起的应变ε之和，通过有限元 方法计算出该值；
[0013] 设1到15号应变片的应变依次为ε ΑΙΟ6，ε2Χ1〇6，ε3Χ1〇6， ε4Χ1〇6,……ε 15Χ1〇6,套筒内部与各应变片对应处的内压分别记SPi，P2，P 3......P15， 单位为MPa，用以反算封隔器胶筒和实验套管接触应力的数据矩阵设为J，记J的逆矩阵为 J1，且
[0014] 令{ ε } = [ ε ! ε 2 ε 3 ε 4 ε 5 ε 6 ε 7 ε s ε 9 ε 10 ε η ε 12 ε 13 ε 14 ε 15]τ
[0015] {ρ} = [ρ! ρ2 ρ3 ρ4 ρ5 ρ6 ρ7 ρ8 ρ9 ρ10 ρη ρ12 ρ13 ρ14 ρ15]τ
[0016] 则{ρ}:】1。}
[0017] 将试验测得应变数值代入上式，即可算得对应应变片处的套筒内壁压应力。
[0018] 本发明的原理为通过高温箱设定试验温度，通过加载装置施加载荷，测得封隔胶 筒外管壁表面特征点在外载作用力下的应变数据，利用有限元应力计算系统得出应力、应 变的大小和分布规律，以及随温度变化的规律，测试包括封隔器胶筒应变、轴向位移、试验 温度等数据。
[0019] 本发明的优势和技术效果：
[0020] (1)可以模拟井下的高温工况，使得试验过程更符合实际工作情况。
[0021] (2)实现了封隔器胶筒接触应力的测试，可测得封隔胶筒表面特征点在外载作用 力下的应变数据，利用应力数据分析系统得出应力、应变的大小和分布规律，测试数据包括 封隔器胶筒的应变，轴向位移，试验温度。
[0022] (3)本发明的装置结构简单、操作方便、工作可靠、精确度较高、使用寿命较长，实 现了高温条件下橡胶性能测试装置的小型多功能特点，设备占用范围小，试验成本低，适于 室内实验评价。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明的一种装置实施例结构简图。
[0024] 图1中：21、封隔器胶筒和试验套管部分；22、高温箱；23、加载装置；24、应变分析 仪；25、应变数据分析计算机；26、横梁；27、压力传感器；28、加载杆；29、触摸显示器。
[0025] 图2为图1中的封隔器胶筒和试验套管部分的放大图。
[0026] 图2中：1、2、3、4……15、高温应变片；16、试验套管；17、封隔器胶筒。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明：
[0028] 按照图1、2所示，本试验装置中封隔器胶筒17装在试验套管16里面。试验套管 16安置在高温箱22里，高压箱22设置在支撑体内部。试验套管16由下至上沿轴向方向每 隔10mm粘贴高温应变片（1……15)，为方便测试时数据的记录，对其编号后通过高温导线 连接到应变分析仪24上。加载装置23内设有交流伺服电机和驱动滚珠丝