一种水平井套管损伤模拟试验装置及方法与流程

本发明属于深层、深水、非常规油气资源开发，特别涉及一种水平井套管损伤模拟试验装置及方法。

背景技术：

1、目前套损模拟试验装置一般采用均匀载荷作用下套管抗挤毁能力的评价，不能满足“两深一非”油气资源开采环境，亟需一种新的套管损伤模拟试验装置以对水平井套管进行试验与损伤检测，从而发现套管的缺陷及损伤演化规律。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种水平井套管损伤模拟试验装置及方法能够测试套管在内压、拉压、弯曲、剪切等复合载荷作用下的实物性能，且能对水平井套管的应力集中和早期损伤进行检测，为套管的失效分析及寿命评估提供支持。

2、本发明提供一种水平井套管损伤模拟试验装置，包括实验支撑架、径向载荷系统、套管试样、套管装夹机构、套管损伤磁性检测系统和应力应变检测系统；

3、所述套管装夹机构设置在实验支撑架上；

4、所述套管试样通过套管装夹机构固定在实验支撑架上；

5、所述径向载荷系统设置在套管试样上；

6、所述套管损伤磁性检测系统与套管试样连接；

7、所述应力应变检测系统与套管试样连接。

8、进一步地，所述套管试样包括上层套管和下层套管，所述试验装置还包括套管密封机构、套管试压系统和管端夹持机构和轴向载荷液压动力系统；

9、所述套管密封机构中心设有施压孔与卸压孔，套管密封机构设置在套管试样的两端；

10、所述套管试压系统与套管密封机构连接；

11、两个所述管端夹持机构分别设置在下层套管的两端，并与实验支撑架的外侧面固定；

12、所述轴向载荷液压动力系统与管端夹持机构连接，驱动管端夹持机构对所述下层套管一端进行拉伸或挤压动作。

13、进一步地，所述径向载荷系统包括上支撑座、下支撑座、压力传感器和液压千斤顶；

14、所述上支撑座设置在上层套管的下侧；

15、所述下支撑座设置在下层套管的上侧；

16、所述压力传感器设置在所述下支撑座的上方；

17、所述液压千斤顶设置在压力传感器与上支撑座之间。

18、进一步地，所述实验支撑架包括上支撑架、下支撑架、套管支撑座和承力柱；

19、所述上支撑架与下支撑架活动连接，上支撑架与下支撑架之间设置上层套管；

20、所述下支撑架中心设有套管孔，下层套管穿过所述套管孔；

21、所述下支撑架中心两侧设有承力柱孔，所述两侧承力柱穿过所述承力柱孔抵顶下支撑架的内侧面；

22、所述套管支撑座设置在下层套管的下侧，用以支撑下层套管。

23、进一步地，所述上支撑架和下支撑架一侧通过合页机构连接，另一侧通过固定座连接。

24、进一步地，所述套管装夹机构包括上层套管装夹机构和下层套管装夹机构；

25、所述上层套管装夹机构用于固定上层套管；

26、所述下层套管装夹机构用于固定下层套管。

27、进一步地，所述上层套管装夹机构包括上夹具和下夹具；所述上支撑架的下端开设有圆弧形凹槽，所述下支撑架的上端开设有圆弧形凹槽；

28、所述上夹具设置在所述上支撑架的圆弧形凹槽内，

29、所述下夹具设置在所述下支撑架的圆弧形凹槽内，

30、所述上夹具与下夹具可拆卸连接。

31、进一步地，所述下层套管装夹机构包括固定套筒，固定套筒设置在下支撑架的内侧面。

32、本发明还涉及一种水平井套管损伤模拟试验方法，通过上述所述的水平井套管损伤模拟试验装置实现，包括以下步骤：

33、启动该试验装置的径向载荷系统对套管试样的套管表面施加径向的压力；

34、通过径向载荷系统检测套管试样外壁的压力，通过调节径向载荷系统的加载位置调整弯曲力矩，控制上层套管与下层套管的变形情况；

35、通过应力应变检测系统检测所述套管试样外壁的应力应变信息；

36、通过套管损伤磁性检测系统检测套管试样管体内侧与外侧的磁记忆信号，对套管试样管壁损伤部位进行定性、定位分析。

37、进一步地，检测步骤还包括：

38、通过控制轴向载荷液压动力系统的输出，使管端夹持机构沿轴向的拉伸或挤压下层套管，和/或驱动下层套管旋转；

39、控制套管试压系统通过套管密封机构对所述上层套管与下层套管内部施加压力。

40、本发明具有以下有益效果：

41、1、以套管试样外加套管支撑座并利用液压千斤顶的方式实现套管试样外壁径向集中载荷加载，可以实现在两个集中力之间的区域产生没有剪力且弯矩为定值的纯弯曲段，也可以实现在套管支撑座和集中力之间产生剪力为定值且弯矩线性变化的弯剪段，不均匀压力梯度连续均匀且过度平缓，并可通过调节液压千斤顶控制外压与变形量，试验方法简便易行。

42、2、套管试样外壁接触面积较大导致外压总载荷较高，如果采用水压加载会对装置的密封性提出较高要求，大大增加试验成本，本发明利用液压千斤顶方式实现径向集中载荷加载，加载效率高，操作方便，试验成本低。

43、3、本发明可同时对上层套管和下层套管进行弯曲变形加载试验，且下层套管还可进行套管拉伸、剪切与挤压变形试验，试验套管试样装卸方便，试验效率高。

44、4、本发明可在施加内压、径向不均匀外压的同时施加轴向拉伸/压缩载荷，实现复合加载，可以较真实的模拟套管井下实际工况环境。

45、总之本发明通过采用套管试样外加套管支撑座和液压千斤顶的方式实现套管试样外壁径向集中载荷加载问题，同时套管试样管端可施加内压与拉伸/压缩载荷，模拟井下套管实际工况，该试验装置对套管试样施加非均匀外压下的复合载荷，可用于套管试样的综合质量检测及适用性评价分析。

46、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种水平井套管损伤模拟试验装置，其特征在于：包括实验支撑架(1)、径向载荷系统(2)、套管试样(3)、套管装夹机构(4)、套管损伤磁性检测系统(7)和应力应变检测系统(8)；

2.如权利要求1所述的水平井套管损伤模拟试验装置，其特征在于：所述套管试样(3)包括上层套管和下层套管，所述试验装置还包括套管密封机构(5)、套管试压系统(6)和管端夹持机构(9)和轴向载荷液压动力系统；

3.如权利要求2所述的水平井套管损伤模拟试验装置，其特征在于：所述径向载荷系统(2)包括上支撑座(21)、下支撑座(22)、压力传感器(23)和液压千斤顶(24)；

4.如权利要求3所述的水平井套管损伤模拟试验装置，其特征在于：所述实验支撑架(1)包括上支撑架(11)、下支撑架(12)、套管支撑座(13)和承力柱(14)；

5.如权利要求4所述的水平井套管损伤模拟试验装置，其特征在于：所述上支撑架(11)和下支撑架(12)一侧通过合页机构(15)连接，另一侧通过固定座(16)连接。

6.如权利要求4所述的水平井套管损伤模拟试验装置，其特征在于：所述套管装夹机构(4)包括上层套管装夹机构和下层套管装夹机构；

7.如权利要求6所述的水平井套管损伤模拟试验装置，其特征在于：所述上层套管装夹机构包括上夹具(41)和下夹具(42)；所述上支撑架(11)的下端开设有圆弧形凹槽，所述下支撑架(12)的上端开设有圆弧形凹槽；

8.如权利要求6所述的水平井套管损伤模拟试验装置，其特征在于：所述下层套管装夹机构包括固定套筒(43)，固定套筒(43)设置在下支撑架(12)的内侧面。

9.一种水平井套管损伤模拟试验方法，其特征在于，通过权利要求1-8任一所述的水平井套管损伤模拟试验装置实现，包括以下步骤：

10.如权利要求9所述的水平井套管损伤模拟试验方法，其特征在于，检测步骤还包括：

技术总结
本发明提出一种水平井套管损伤模拟试验装置及方法，该实验装置包括：实验支撑架、径向载荷系统、套管试样、套管装夹机构、套管损伤磁性检测系统和应力应变检测系统；所述套管装夹机构设置在实验支撑架上；所述套管试样通过套管装夹机构固定在实验支撑架上；所述径向载荷系统设置在套管试样上；所述套管损伤磁性检测系统与套管试样连接；所述应力应变检测系统与套管试样连接。本发明采用套管试样外加套管支撑座和液压千斤顶的方式实现套管试样外壁径向集中载荷加载问题，同时套管试样管端可施加内压与拉伸/压缩载荷，模拟井下套管实际工况，该试验装置对套管试样施加非均匀外压下的复合载荷，可用于套管试样的综合质量检测及适用性评价分析。

技术研发人员：郑钰山,孙秉才,罗方伟,张波,张昱涵,高磊,李成政,罗有刚,李佩,辛熠平,郭生忠,王尚卫,文虎成,姜瑞景,邓金睿,梁爽,孙文勇,畅孝科,张雄涛,赵华,曹航博,杨啟桂
受保护的技术使用者：中国石油天然气集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22