一种压缩式封隔器胶筒接触应力试验装置的制作方法

本实用新型涉及石油行业井下工具模拟试验装置技术领域，具体地说是一种压缩式封隔器胶筒接触应力试验装置。

背景技术：

封隔器作为油气开采必不可少的井下工具，其关键元件是具有超弹性和密封能力的胶筒，它是起密封承载的唯一组件，并广泛应用到完井、注水、卡堵水、酸化、压裂、防砂、机械采油、气举等采油工艺。油田目前常用的封隔器主要有套管外封隔器、压缩式封隔器、水力扩张式封隔器三种。套管外封隔器是安置在井下套管和裸眼地层井壁之间。压缩式封隔器是指压缩式胶筒通过管柱压重或水力载荷，使得承受轴向载荷产生径向变形，胶筒和套管内壁接触，将套管和油管之间的环空间隙封堵，从而实现采油工艺堵封的要求，这种接触密封质量的优劣，关键在于套管内壁与胶筒之间接触压力的大小。水利扩张式封隔器是依靠胶筒向外扩张来封隔油套环形空间。因而，封隔器工作性能的表现将直接影响着石油开采成本和企业的经济效益。

目前，国内外学者高度重视封隔器的研究工作，因密封胶筒属于复合非线性材料，橡胶材料在受力变形的过程中，其内部应力亦是呈高度非线性，在橡胶材料受压过程中，橡胶本身的力学性能都在发生变化，橡胶的性能参数不能像金属材料那样通过标准直接查询得到。另外橡胶材料的理论分析较难，且采用理论公式很难精确描述橡胶压缩过程中的复杂力学行为。针对封隔器存在的问题及油田实际情况，大多数科研工作者运用有限元和计算机数值模拟分析相结合的分析方法。

由于井下工况复杂，理论研究和胶筒密封有限元数值模拟均基于一定假设及简化，会产生一定的误差。另外，模型的建立、计算过程采用的算法、软件的研制是否正确，数值模拟结果是否和实际相符，必须通过现场试验或现场生产数据进行验证。因此，通过室内试验事先测试胶筒与套管接触压力，在结合有限元仿真研究胶筒的力学行为可更加准确的分析胶筒与套管管壁的接触应力曲线和胶筒的应力分布，对后期密封失效的预测有重要研究价值。

应变仪也称电阻应变仪。有线应变仪、箔应变仪、半导体应变仪等。随着变形会发生电阻值变化的应变片按规定方向贴在试件表面，由于试件表面应变造成应变片的电阻值变化。人们用高灵敏度检流计测出电阻值的变化。并用此推得应变值的大小变化。应变仪广泛应用于材料的力学性能检测中，例如测定材料拉伸模量，就是用所加负荷和同时由贴在试件表面的应变片测出的应变值经计算而得。

申请号：201310658537.2公开了封隔器胶筒接触应力试验装置及方法，其中装置包括中心管、胶筒、套筒，所述中心管置于套筒内腔中心，所述胶筒套在中心管外壁，所述胶筒与套筒之间在非坐封状态下时形成环空，还包括分别连接在胶筒上下端且同样套在中心管上的加载管和支撑管，所述胶筒与套筒之间的环空内还设置有定位筒，所述定位筒上紧密缠绕有光纤线，且光纤线两端胶粘固定在定位筒上，所述光纤线与外界的光纤传感分析仪相连。所述套筒上开有用于穿越光纤线的圆型阵列孔，所述套筒上的圆型阵列孔在轴向和径向上均匀分布在胶筒对应面的套筒壁上。本发明可模拟封隔器胶筒在井下工况的受力实验，以检测封隔器胶筒工作时的受力状态，为优化封隔器胶筒性能参数提供理论依据。

申请号：201410505340.x涉及一种高温下封隔器胶筒接触应力测试装置及方法。它通过高温箱设定试验温度，通过交流伺服系统装置施加稳定载荷，封隔器胶筒橡胶材料压缩变形与外管壁接触产生应力变形，通过测得外管壁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通过有限元方法反推计算得出封隔器胶筒橡胶与外管壁的接触应力分布规律，从而分析封隔器胶筒橡胶材料接触应力随温度变化的规律。本发明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。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。结构简单、操作方便、工作可靠、精确度较高。

以上公开技术得到的测试数据同样是要经过计算机的测试软件进行测试分析封隔器胶筒坐封时的应力、应变大小和分布规律，以及随温度的变化规律。所以本实用新型同样是对机械结构做出改进，然后用同样的计算机的测试软件进行测试分析。

以上公开技术的技术方案以及所要解决的技术问题和产生的有益效果均与本实用新型不相同，针对本实用新型更多的技术特征和所要解决的技术问题以及有益效果，以上公开技术文件均不存在技术启示。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种压缩式封隔器胶筒接触应力试验装置，可为优化封隔器胶筒结构和性能参数提供可靠的试验依据。

为了达成上述目的，本实用新型采用了如下技术方案，一种压缩式封隔器胶筒接触应力试验装置，包括中心管、胶筒总成、套筒，所述中心管置于套筒内腔中心，所述胶筒总成套在中心管外壁，所述胶筒总成与套筒之间在非坐封状态下时形成环形空间，所述胶筒总成下端面连接活塞式加载机构，所述套筒外表面由上至下沿着轴向方向粘贴有至少一列高温应变片组。

所述一列高温应变片组至少包括三个高温应变片，高温应变片互不接触，且对每个高温应变片进行编号。

所述活塞式加载机构包括柱塞、外缸，所述外缸上端丝扣式连接套筒下端口，柱塞密封滑动于外缸内部，柱塞顶住胶筒总成下端面。

所述外缸及柱塞均为u形筒，柱塞上端口内径与中心管外径相一致，外缸底端中心开设打压口，打压口安装打压接头。

所述打压接头通过打压管路连接打压源，打压管路上设置阀门和压力表。

所述套筒上端丝扣式连接丝堵外壁，中心管上端外壁丝扣式连接丝堵内壁，胶筒总成上端顶住丝堵下端面。

所述中心管、套筒、胶筒总成、活塞式加载机构、高温应变片均位于加热系统内。

所述加热系统为保温烘箱。

所述高温应变片通过高温导线连接应变仪，应变仪再连接计算机中的测试软件。

所述胶筒总成包括至少两个胶筒，胶筒两端面分别连接隔环。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)实验室内除了进行常温实验测试，还可模拟井下高温工况，使得更符合实际工程情况。

(2)通过更换中心管和柱塞，解决油、水井不同胶筒直径、不同胶筒个数的压缩式封隔器胶筒实验。

(3)本实用新型结构简单，组合性能好，易于制造及安装，可与便携式液压增压系统相连接，既可以方便验证胶筒密封性，也可获得实验数据分析胶筒接触应力，预测胶筒寿命。

(4)本实用新型避免了因油、水井胶筒直径、胶筒个数改变引起实验装置零件设计、制造、装配所带来的成本，因此本实用新型既节约了实验成本又减少了时间消耗，大大缩短科研周期。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的压缩式封隔器胶筒接触应力试验装置示意图；

图2是本实用新型实施例提供的压缩式封隔器胶筒接触应力试验装置坐封示意图。

图中标记：1、丝堵；2、隔环；3、胶筒；4、中心管；5、套筒；6、外缸；7、柱塞；8、o型密封圈；9、打压接头；10、应变片；11、高温导线；12、应变仪；13、计算机；14、高温烘箱；15、阀门；16、压力表。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

请参阅图1至图2，本实用新型提供一种技术方案：

一种压缩式封隔器胶筒接触应力试验装置，包括中心管4、胶筒总成、套筒5，所述中心管置于套筒内腔中心，所述胶筒总成套在中心管外壁，所述胶筒总成与套筒之间在非坐封状态下时形成环形空间，所述胶筒总成下端面连接活塞式加载机构，所述套筒外表面由上至下沿着轴向方向粘贴有至少一列高温应变片组。

所述一列高温应变片组至少包括三个高温应变片10，高温应变片互不接触，且对每个高温应变片进行编号。

所述活塞式加载机构包括柱塞7、外缸6，所述外缸上端丝扣式连接套筒下端口，柱塞密封滑动于外缸内部，柱塞顶住胶筒总成下端面。

所述外缸及柱塞均为u形筒，柱塞上端口内径与中心管外径相一致，外缸底端中心开设打压口，打压口安装打压接头9。

所述打压接头通过打压管路连接打压源，打压管路上设置阀门15和压力表16。

所述套筒上端丝扣式连接丝堵1外壁，中心管上端外壁丝扣式连接丝堵内壁，胶筒总成上端顶住丝堵下端面。

所述中心管、套筒、胶筒总成、活塞式加载机构、高温应变片均位于加热系统内。

所述加热系统为保温烘箱14。

所述高温应变片通过高温导线11连接应变仪12，应变仪再连接计算机13中的测试软件。

所述胶筒总成包括至少两个胶筒3，胶筒两端面分别连接隔环2。

本实验装置中封隔器胶筒3装在中心管4上，中心管4上端、套筒5上端都与丝堵1通过螺纹连接，与中心管一起放入套筒5里面，套筒外表面由上至下沿着轴向方向每隔一定距离粘贴高温应变片，为方便测试时数据的记录，对贴置的应变片进行编号。每个胶筒用隔环2隔离分开，上隔环表面与丝堵接触，下隔环表面与柱塞7接触，柱塞外表面与外缸6表面接触，接触面通过o型密封圈密封，外缸6和套筒5通过螺纹连接。由此组成的实验工装放入高温烘箱14内部，通过外缸6下端的打压接头9接入毛细管并与外部水力试压泵相连接，对已编号的应变片通过高温导线11连接到应变分析仪12上，应变分析仪12将试验数据通过数据线连接到应变数据分析计算机13上，在计算机13上打开测试软件即可开始试验。应变分析仪12和计算机上的测试软件均属于本领域内的常规技术，直接连接应用即可。

其测试方法：通过高温烘箱14设定试验温度，试验温度稳定后，在计算机上13上运行测试软件，通过水利试压泵进行打压对封隔器胶筒施加载荷，并保持打压压力稳定10分钟，通过压力表16读取每次进行打压的压力值，测试软件会记录封隔器胶筒表面特征点在外载作用力下的应变数据，将测试数据到处，便可分析封隔器胶筒坐封时的应力、应变大小和分布规律，以及随温度的变化规律。

所以本实用新型同样是对机械结构做出改进，然后用本领域公知技术同样的计算机的测试软件进行测试分析。通过以上构造的试验装置能够得到更为准确的数据，从而分析更加准确，可为优化封隔器胶筒结构和性能参数提供可靠的试验依据。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位指示或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。