一种钻井固井套管剪切实验系统的制作方法
【专利摘要】一种钻井固井套管剪切实验系统有一个立方体的机架，机架的内部由上至下顺序连接安装有液压机、压力传导柱、压头、剪切刀、燕尾托块、燕尾托块槽、移动卡槽以及缓冲弹簧；液压机的顶部通过信号传输线与机架顶部的压力表相连接；液压机一侧与机架外部的控制接头相连接；机架中部两侧设置有装配孔。剪切力由液压机提供；不同的调节管和匹配调节管，可实现对不同管径的实验套管开展实验。该剪切实验系统不仅可提供3000kN以上的剪切力，还适用于剪切不同管径的固井套管，而且结构紧凑简单、操作安全方便；同时还能够模拟并测量采空区上覆错动岩层对固井套管的剪切作用。
【专利说明】
一种钻井固井套管剪切实验系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种固井套管剪切实验系统，尤其是一种钻井固井套管剪切实验系统。
【背景技术】
[0002]瓦斯抽采是煤矿瓦斯灾害治理的根本措施。与井下抽采相比，地面钻井抽采流量大、浓度高，是一种高效的抽采技术。钻井抽采过程中，采场上覆相邻岩层发生相对移动，将对钻井固井套管产生巨大的剪切作用，可能导致套管破坏甚至完全错断。当套管发生破坏时，瓦斯从井下向地面流动的通道被隔断，将造成钻井抽采瓦斯流量大幅度降低，甚至使钻井被迫停止抽采，极大影响钻井抽采效果。此外，由于地面钻井的施工成本较高，因此固井套管破坏也会造成了巨大的经济损失。
[0003]提高地面钻井井身稳定性是钻井高效抽采的关键难题。由于套管剪切破断是套管最主要的破坏形式，因此目前对套管剪切特性的研究较多，但是大多都是从理论和数值计算方面开展的研究，难以为井身设计优化提供科学指导。与此相比，对套管开展剪切实验是研究套管剪切特性更加直接和科学的方法。通过对不同几何尺寸和组合形式套管的剪切实验，可得到套管抗剪强度和最大相对移动量的变化规律，为工程提供技术支持。
[0004]目前，剪切实验机有很多，如应变控制式直剪仪、剪切万能实验机和三点抗剪切试验机等，但是这些实验装置主要是针对土、岩石、玻璃和金属材料等开展剪切实验，无法对钢管进行剪切实验。此外，地面钻井常用套管的材质为J55和N80，其抗剪强度分别为310MPa和410MPa以上。对于工程中常用的N80套管，以Φ 139.7 X 7.72 mm为例，若对其进行双剪切，其破坏时需要实验机提供的负荷在1300 kN以上，若是双层组合套管，需要的负荷更大。然而，目前的剪切实验机的最大负荷一般为300-500kN，根本无法使套管发生剪切破坏，因此无法达到套管剪切实验的要求。
【发明内容】
[0005]为了解决目前无针对固井套管的剪切实验系统，本发明提供一种剪切力大(3000kN以上)、适用于多个实验管径、结构紧凑的钻井固井套管剪切实验系统，一种钻井固井套管剪切实验系统不仅适用于剪切不同管径的固井套管，而且结构紧凑简单、操作安全方便;同时，该钻井固井套管剪切实验系统剪切压力在3000KN以上，不仅能够剪切不同管径的套管，而且还能够模拟测量采空区上覆发生相对位移的岩层对固井套管的剪切作用。
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种钻井固井套管剪切实验系统，包括:压力表，机架，移动卡槽，装配孔，液压机，压力传导柱，压头，剪切刀，调节管，燕尾托块，托块拉手，底座，缓冲弹簧，燕尾托块槽，实验套管，匹配调节管，控制接头，信号传输线;一种钻井固井套管剪切实验系统有一个立方体的机架，机架的内部由上至下顺序连接安装有液压机、压力传导柱、压头、剪切刀、燕尾托块、燕尾托块槽、移动卡槽以及缓冲弹簧;液压机的顶部通过信号传输线与机架顶部的压力表相连接，压力表用于显示压力值的大小;液压机一侧与机架外部的控制接头相连接;通过调节控制接头能够控制压力传导柱和压头的升降；剪切刀的底平面中部向上凹陷，形成半圆柱状的横向管槽，横向管槽下部连接着燕尾托块;燕尾托块的上平面中部向下凹陷，形成与半圆柱状的横向管槽;剪切刀与燕尾托块拼接后，形成了一个完整的圆柱状管槽，管槽内吻合放置有调节管;调节管内吻合放置有实验套管;调节管两侧设置有能够拆卸更换的匹配调节管，匹配调节管外径与机架中部两侧设置的装配孔吻合匹配，匹配调节管的内径匹配着不同管径的实验套管；调节管与匹配调节管联合配套使用，人们可以根据不同管径的实验套管，更换相互配套的调节管和匹配调节管，增强了该系统的通用性;燕尾托块的下部设有与之燕尾滑动匹配连接的燕尾托块槽;燕尾托块外表面上安装有托块拉手，托块拉手能够将燕尾托块从燕尾托块槽内拉出，取出被切断的实验套管;燕尾托块槽底部两侧设有移动卡槽即卡带，移动卡槽能够使燕尾托块槽卡在移动卡槽之下，防止燕尾托块槽上窜；燕尾托块槽的下部设置有缓冲弹簧，在实验过程中缓冲弹簧提供向上的支撑力，可以很好的模拟采空区上覆发生相对位移的岩层对固井套管的剪切；缓冲弹簧下部与机架连接的部分为半圆形，可以避免在剪切实验过程中机架下部分的应力集中，提高装置的安全性;机架的最底部设置有底座，底座与地面的接触面积较大，可以增强系统的稳定性。
[0007]使用时，调节控制接头使压力传导柱和压头向上移动，为安放剪切刀和实验套管留下足够的空间；将与实验套管外径匹配的调节管和匹配调节管分别从装配孔放入剪切实验系统;把实验套管放入调节管和匹配调节管中，使实验套管贯穿整个机架;将剪切刀置于调节管上部;调节控制接头使压力传导柱和压头向下移动，进行实验套管的剪切，液压机产生的压力会通过信号传输线传递给压力表;切断实验套管后，调节控制接头使压力传导柱和压头向上移动，取出剪切刀，通过托块拉手拉出燕尾托块，取出被剪切实验套管，再从装配孔中取出剩余的被剪切实验套管。
[0008]本发明的有益效果:一种钻井固井套管剪切实验系统，通过配置大压力的液压机，可提供3000kN以上的剪切力，为地面钻井固井套管和组合套管剪切实验提供了基础条件；此外，通过使用不同的调节管和匹配调节管，可对不同外径的实验套管开展实验，增强了该系统的通用性;该实验系统结构紧凑简单、操作安全方便;同时还能够模拟并测量采空区上覆错动岩层对固井套管的剪切作用。
【附图说明】
[0009]图1为本发明的正面结构原理剖视图图2为本发明的侧面结构原理剖视图
图中:1.压力表，2.机架，201.移动卡槽，202.装配孔，3.液压机，4.压力传导柱，5.压头，6.剪切刀，7.调节管，8.燕尾托块，801.托块拉手，9.底座，10.缓冲弹簧，11.燕尾托块槽，12.实验套管，13.匹配调节管，14.控制接头，15.信号传输线。
具体实施方案
[0010]一种钻井固井套管剪切实验系统，包括:压力表I，机架2，移动卡槽201，装配孔202，液压机3，压力传导柱4，压头5，剪切刀6，调节管7，燕尾托块8，托块拉手801，底座9，缓冲弹簧10，燕尾托块槽11，实验套管12，匹配调节管13，控制接头14，信号传输线15;—种钻井固井套管剪切实验系统有一个立方体的机架，机架2的内部由上至下顺序连接安装有液压机3、压力传导柱4、压头5、剪切刀6、燕尾托块8、燕尾托块槽11、移动卡槽201以及缓冲弹簧10;液压机3的顶部通过信号传输线15与机架2顶部的压力表I相连接，压力表I用于显示压力值的大小;液压机3—侧与机架2外部的控制接头14相连接;通过调节控制接头14能够控制压力传导柱4和压头5的升降;剪切刀6的底平面中部向上凹陷，形成半圆柱状的横向管槽，横向管槽下部连接着燕尾托块8;燕尾托块8的上平面中部向下凹陷，形成与半圆柱状的横向管槽;剪切刀6与燕尾托块8拼接后，形成了一个完整的圆柱状管槽，管槽内吻合放置有调节管7;调节管7内吻合放置有实验套管12;调节管7两侧设置有能够拆卸更换的匹配调节管13，匹配调节管13外径与机架2中部两侧设置的装配孔202吻合匹配，匹配调节管13的内径匹配着不同管径的实验套管12;调节管7与匹配调节管13联合配套使用，人们可以根据不同管径的实验套管12，更换相互配套的调节管7和匹配调节管13，增强了该系统的通用性；燕尾托块8的下部设有与之燕尾滑动匹配连接的燕尾托块槽11;燕尾托块8外表面上安装有托块拉手801，托块拉手801能够将燕尾托块8从燕尾托块槽11内拉出，取出被切断的实验套管12;燕尾托块槽11的下部设置有缓冲弹簧10，在实验过程中缓冲弹簧10提供向上的支撑力，可以很好的模拟采空区上覆发生相对位移的岩层对固井套管的剪切;缓冲弹簧10下部与机架2连接的部分为半圆形，可以避免在剪切实验过程中机架2下部分的应力集中，提高装置的安全性;燕尾托块槽11底部两侧设有移动卡槽201即卡带，移动卡槽201能够使燕尾托块槽11卡在移动卡槽201之下，防止燕尾托块槽11在缓冲弹簧10向上支撑力的作用下上窜;机架2的最底部设置有底座9，底座9与地面的接触面积较大，可以增强系统的稳定性。
[0011]使用时，调节控制接头14使压力传导柱4和压头5向上移动，为安放剪切刀6和实验套管12留下足够的空间；将与实验套管12外径匹配的调节管7和匹配调节管13分别从装配孔202放入剪切实验系统;把实验套管12放入调节管7和匹配调节管13中，使实验套管12贯穿整个机架2;将剪切刀6置于调节管7上部;调节控制接头14使压力传导柱4和压头5向下移动，进行实验套管12的剪切，液压机3产生的压力会通过信号传输线15传递给压力表I;切断实验套管12后，调节控制接头14使压力传导柱4和压头5向上移动，取出剪切刀6，通过托块拉手801拉出燕尾托块8，取出被剪切实验套管12，再从装配孔202中取出剩余的被剪切实验套管12。
【主权项】
1.一种钻井固井套管剪切实验系统，包括:压力表(I)，机架(2)，移动卡槽(201)，装配孔(202)，液压机(3)，压力传导柱(4)，压头(5)，剪切刀(6)，调节管(7)，燕尾托块(8)，托块拉手(801)，底座(9)，缓冲弹簧(10)，燕尾托块槽(11)，实验套管(12)，匹配调节管(13)，控制接头(14)，信号传输线(15);—种钻井固井套管剪切实验系统有一个立方体的机架(2)，其特征是:机架(2)的内部由上至下顺序连接安装有液压机(3)、压力传导柱(4)、压头(5)、剪切刀(6)、燕尾托块(8)、燕尾托块槽(I I)、移动卡槽(201)以及缓冲弹簧(10)；液压机(3)的顶部通过信号传输线(15)与机架(2)顶部的压力表(I)相连接;液压机(3)—侧与机架(2)外部的控制接头(14)相连接;机架(2)中部两侧设置有装配孔(202)。2.根据权利要求1所述的一种钻井固井套管剪切实验系统，其特征是:剪切刀(6)的底平面中部向上凹陷，形成半圆柱状的横向管槽，横向管槽下部连接着燕尾托块(8);燕尾托块(8)的上平面中部向下凹陷，形成与半圆柱状的横向管槽;剪切刀(6)与燕尾托块(8)拼接后，形成了一个完整的圆柱状管槽，管槽内吻合放置有调节管(7);调节管(7)内吻合放置有实验套管(12);调节管(7)两侧设置有能够拆卸更换的匹配调节管(13)，匹配调节管(13)外径与机架(2)中部两侧设置的装配孔(202)吻合匹配。3.根据权利要求1所述的一种钻井固井套管剪切实验系统，其特征是:燕尾托块(8)的下部设有与之燕尾滑动匹配连接的燕尾托块槽(11);燕尾托块(8)外表面上安装有托块拉手(801)。4.根据权利要求1所述的一种钻井固井套管剪切实验系统，其特征是:燕尾托块槽(11)底部两侧设有移动卡槽(201)即卡带，移动卡槽(201)能够使燕尾托块槽(11)卡在移动卡槽(201)之下，防止燕尾托块槽(11)上窜。5.根据权利要求1所述的一种钻井固井套管剪切实验系统，其特征是:燕尾托块槽(11)的下部设置有缓冲弹簧(10)，缓冲弹簧(10)下部与机架(2)连接的部分为半圆形。6.根据权利要求1所述的一种钻井固井套管剪切实验系统，其特征是:机架(2)的最底部设置有底座(9)。
【文档编号】G01N3/24GK106018125SQ201610333516
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】刘应科, 周福宝, 张绍峰, 王建龙, 昌立鹏
【申请人】中国矿业大学