一种砂岩油气井套管柱模拟试验装置及其评价方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种砂岩油气井套管柱模拟试验装置及其评价方法，将试验套管固定在试验架上，安装所述砂岩油气井套管柱模拟试验装置；通过轴向液压缸、弯曲液压缸、内压油源、温度箱和径向液压缸施加载荷，数据采集分析系统通过四个应变片采集试验套管柱监测点处温度、压力、弯曲度和变形情况；根据获取的数据对试验套管变形进行评价。本发明专利技术具有弯曲载荷、内压载荷、温度载荷和非均匀外挤复合加载工况套管柱变形模拟，能较好的贴近现场工况，可以较真实的模拟砂岩油井复杂压裂套管柱服役环境，便于现场施工套管柱选用。

A Simulated Test Device for Casing String of Sandstone Oil and Gas Well and Its Evaluation Method

【技术实现步骤摘要】
一种砂岩油气井套管柱模拟试验装置及其评价方法
本专利技术属于钻井
，具体涉及一种砂岩油气井套管柱模拟试验装置及其评价方法。
技术介绍
砂岩致密，地层压力系数高，水平向主应力差值较大，砂岩油气水平井压裂工艺采用套管压裂，套管复杂压裂工艺致使套管柱服役载荷环境复杂多变，显著特点表现为：压裂工艺高参数、外挤载荷非均匀性、剪切特性、弯曲特性和温度改变急剧。通过国内外大量文献及现场调研，针对套管柱在非均匀外挤、温度载荷、内压载荷、轴向载荷和弯曲载荷工况下复合加载实物评价装置尚未见报道。目前套管柱实物模拟试验装置可实现均匀外挤载荷、温度载荷和弯曲载荷复合加载研究，但无法实现套管柱外挤载荷非均匀性的加载。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种砂岩油气井套管柱模拟试验装置及其评价方法，在内压、轴向载荷、温度载荷和弯曲载荷作用下，确定套管柱在外挤载荷非均匀性工况下的抗挤强度。该装置可用于砂岩油气井复杂压裂过程套管柱服役性能精确模拟，实现该工况下套管柱设计与选材的优化。本专利技术采用以下技术方案：一种砂岩油气井套管柱模拟试验装置，包括轴向液压缸、温度箱、非均匀夹具、弯曲液压缸和数据采集分析系统，轴向液压缸设置在试验套管的一端，试验套管的另一端通过套管试样装样及固定固定，非均匀夹具设置在试验套管上，温度箱设置在非均匀夹具两侧的试验套管上，弯曲液压缸通过非均匀夹具与数据采集分析系统连接，数据采集分析系统还分别与轴向液压缸和套管试样装样及固定连接。具体的，非均匀夹具包括上非均匀夹具和下非均匀夹具，上非均匀夹具和下非均匀夹具与试验套管的连接处均设置有与数据采集分析系统连接的应变片。进一步的，应变片包括第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片，第一应变片和第三应变片紧靠上非均匀夹具与试验套管交汇位置对称安装于A-Aˊ截面处；第二应变片和第四应变片紧靠下非均匀夹具与试验套管交汇位置对称安装于A-Aˊ截面处。进一步的，上非均匀夹具和下非均匀夹具与试验套管之间设置有铅垫片。进一步的，弯曲液压缸与上非均匀夹具连接，下非均匀夹具与数据采集分析系统连接。具体的，温度箱包括第一温度箱和第二温度箱，第一温度箱设置在轴向液压缸和非均匀夹具之间的试验套管上；第二温度箱设置在非均匀夹具和套管试样装样及固定之间的试验套管上。具体的，还包括径向液压缸和内压油源，径向液压缸与非均匀夹具连接内压油源设置在试验套管上，分别与数据采集分析系统连接。本专利技术的另一技术方案是，一种砂岩油气井套管柱模拟试验评价方法，包括以下步骤：S1、将试验套管固定在试验架上，安装所述砂岩油气井套管柱模拟试验装置；S2、通过轴向液压缸、弯曲液压缸、内压油源、温度箱和径向液压缸施加载荷，数据采集分析系统通过四个应变片采集试验套管柱监测点处温度、压力、弯曲度和变形情况；S3、根据步骤S2获取的数据对试验套管变形进行评价。具体的，步骤S2具体如下：S201、通过轴向液压缸和弯曲液压缸分别向试验套管管柱施加轴向载荷和弯曲载荷，利用内压油源、第一温度箱和第二温度箱分别施加内压和温度载荷，再通过径向液压缸施加载荷于非均匀夹具，各载荷平稳后，数据采集分析系统实时获取试验套管套管柱监测点处温度、压力、弯曲度和变形情况；S202、改变上非均匀夹具和下非均匀夹具的尺寸L，其它载荷环境保持不变，确定外挤载荷的非均匀程度对试验套管管柱变形的影响，具备模拟砂岩油气井复杂压裂过程中外挤载荷非均匀程度套管柱服役状态。具体的，步骤S3中，建立试验套管外挤载荷非均匀系数δ与l(r,θ)的对应关系，得到套管最大变形评价公式dmax如下：dmax＝g(l(r,θ),σs,r,t)其中：dmax为套管径向最大变形，l(r,θ)为夹具间距，σs、r、t分别为套管屈服强度、内外径和壁厚。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种砂岩油气井套管柱模拟试验装置，通过模拟套管柱在非均匀外挤载荷工况下的变形失效过程，量化套管柱在不同非均匀外挤系数工况下套管柱的承载能力，可模拟砂岩油气井复杂压裂过程套管柱承受非均匀外挤载荷工况服役状态，填补了现有套管柱无法进行非均匀外挤试验模拟的空白，可用于砂岩油气井复杂压裂套管柱设计和选用研究，借助非均匀夹具采用机械加载的方式实现了套管柱外挤载荷非均匀施加，填补了试验模拟方法的空白。进一步的，套管柱横截面与非均匀夹具内表面有四个位置发生点接触，因此设置四个应变片，便于分别检测。进一步的，非均匀夹具与套管之间添加有铅垫片，能够避免局部应力集中对套管变形的影响。进一步的，温度箱的目的在于给套管施加温度，用2个温度箱能较好的控制两温度箱之间的温度。进一步的，径向液压缸用于给非均匀外挤夹具提供动力，内压油源用于给套管柱施加内压载荷。本专利技术还公开了一种砂岩油气井套管柱模拟试验装置的评价方法，根据砂岩储层实际情况，针对复杂压裂套管外部载荷环境，借助实物试验方法开展套管柱服役过程性能评价，形成评价方法，为油田套管柱设计和选用提供技术支撑。进一步的，现场工况套管柱外部载荷非均匀程度不同，需针对实际研究不同外挤载荷非均匀程度时套管柱的服役性能。综上所述，本专利技术具有弯曲载荷、内压载荷、温度载荷和非均匀外挤复合加载工况套管柱变形模拟，能较好的贴近现场工况，可以较真实的模拟砂岩油井复杂压裂套管柱服役环境，便于现场施工套管柱选用。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为本专利技术装置示意图；图2为非均匀夹具形状示意图；图3为应变片安装位置示意图；图4为套管柱外挤非均匀系数δ与承载能力和径向最大变形对应关系。其中：1.轴向液压缸；2.试验套管；3.上非均匀夹具；4.套管试样；5.铅垫片；6.弯曲液压缸；7.第一应变片；8.第二应变片；9.第三应变片；10.第四应变片；11.数据采集分析系统；12.第一温度箱；13.第二温度箱；14.下非均匀夹具；20.内压油源。具体实施方式在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位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专利技术和简化描述，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专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。请参阅图1，本专利技术一种砂岩油气井套管柱模拟试验装置，包括轴向液压缸1、弯曲液压缸6、径向液压缸、内压油源本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种砂岩油气井套管柱模拟试验装置，其特征在于，包括轴向液压缸(1)、温度箱、非均匀夹具、弯曲液压缸(6)和数据采集分析系统(11)，轴向液压缸(1)设置在试验套管(2)的一端，试验套管(2)的另一端通过套管试样装样及固定(4)固定，非均匀夹具设置在试验套管(2)上，温度箱设置在非均匀夹具两侧的试验套管(2)上，弯曲液压缸(6)通过非均匀夹具与数据采集分析系统(11)连接，数据采集分析系统(11)还分别与轴向液压缸(1)和套管试样装样及固定(4)连接。

【技术特征摘要】
1.一种砂岩油气井套管柱模拟试验装置，其特征在于，包括轴向液压缸(1)、温度箱、非均匀夹具、弯曲液压缸(6)和数据采集分析系统(11)，轴向液压缸(1)设置在试验套管(2)的一端，试验套管(2)的另一端通过套管试样装样及固定(4)固定，非均匀夹具设置在试验套管(2)上，温度箱设置在非均匀夹具两侧的试验套管(2)上，弯曲液压缸(6)通过非均匀夹具与数据采集分析系统(11)连接，数据采集分析系统(11)还分别与轴向液压缸(1)和套管试样装样及固定(4)连接。2.根据权利要求1所述的砂岩油气井套管柱模拟试验装置，其特征在于，非均匀夹具包括上非均匀夹具(3)和下非均匀夹具(14)，上非均匀夹具(3)和下非均匀夹具(14)与试验套管(2)的连接处均设置有与数据采集分析系统(11)连接的应变片。3.根据权利要求2所述的砂岩油气井套管柱模拟试验装置，其特征在于，应变片包括第一应变片(7)、第二应变片(8)、第三应变片(9)和第四应变片(10)，第一应变片(7)和第三应变片(9)紧靠上非均匀夹具(3)与试验套管(2)交汇位置对称安装于A-Aˊ截面处；第二应变片(8)和第四应变片(10)紧靠下非均匀夹具(14)与试验套管(2)交汇位置对称安装于A-Aˊ截面处。4.根据权利要求2所述的砂岩油气井套管柱模拟试验装置，其特征在于，上非均匀夹具(3)和下非均匀夹具(14)与试验套管(2)之间设置有铅垫片(5)。5.根据权利要求2所述的砂岩油气井套管柱模拟试验装置，其特征在于，弯曲液压缸(6)与上非均匀夹具(3)连接，下非均匀夹具(14)与数据采集分析系统(11)连接。6.根据权利要求1所述的砂岩油气井套管柱模拟试验装置，其特征在于，温度箱包括第一温度箱(12)和第二温度箱(13)，第一温度箱(12)设置在轴向液压缸(1)和非均匀夹具之间的试验套管(2)上...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨尚谕，韩礼红，王建军，王航，路彩虹，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，中国石油天然气集团公司管材研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11