本发明专利技术提供了一种套管剪切强度与变形的试验装置及方法，属于石油勘探领域固完井设计领域。该装置包括：套管夹具，用于夹住套管，并能够带动套管进行上下移动；加载部件，用于对套管加载剪切载荷；应变检测部件，用于检测套管外壁的应变；固定支架，用于固定加载部件和套管夹具。本发明专利技术可模拟地层岩石滑动条件下不同硬度水泥环、不同滑动位移、套管几何尺寸等条件对套管剪切强度的影响，并且通过该实验装置能够测试局部载荷作用下套管的变形，并且该实验装置具有测试简单、可操作性强等特点。本发明专利技术对发生油气井内套管剪切变形区域的套管设计和套管变形的防护具有重要意义，具有较好的应用前景。的应用前景。的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
一种套管剪切强度与变形的试验装置及方法
[0001]本专利技术属于石油勘探领域固完井设计领域，具体涉及一种套管剪切强度与变形的试验装置及方法，可模拟地层岩石滑动作用下套管剪切强度和变形，用于评价井底套管承受地层岩石滑动产生剪切载荷时套管的抗剪切强度及变形。
技术介绍
[0002]油气井套管在油气田的开发过程中具有保护井眼稳定、封隔不同压力的地层，以保证钻井过程的顺利进行和完井后整个油井的正常运行的功能。而油气井套管剪切损坏，尤其需要采用压裂增产措施的非常规油气开发，套管的剪切变形已经严重影响到油气的高效开发，给油田企业造成了巨大的经济损失。随着高压注采、超高压压裂等各种增产措施的应用和油田开发时间的增长，我国各油田油水井套管剪切变形问题将越来越严重。
[0003]由剪切滑动造成套管变形呈S型弯曲状，较大的变形位移将导致套管整体性破坏。油水井套管剪切变形损坏的原因很多，但究其根本原因是由于地层岩石沿着层理、裂缝、断层等发生滑动位移，最终导致剪切载荷作用在套管上而发生的套管的剪切变形损坏。而产生这些位移的原因是在注入和采出过程中体积变化引起的应力集中。体积变化源自压力、温度变化、液体注入或产出。这样上覆岩层中弱胶结岩石界面之间的水平剪切、在采出和注入层段的顶部局部水平剪切引起套管的剪切变形损坏。目前对于套管剪切变形损坏的理论计算研究已经比较成熟，而尚无针评价套管剪切变形损坏的试验装置及试验方法。
[0004]中国专利公开文献CN110717284A公开了一种套管抗剪切承载能力分析及试验评价方法，其通过考虑地层岩石的剪切滑动，建立了三维刚体套管加载剪切块；对套管截面几何模型划分的每个单元上施加该环向残余应力；再将以套管两端相对位移变形量导致内径变形量超过API 5CT标准规定套管通径内径变形量为准作为接受准则，确定套管抗剪切承载能力，但是其无法测试套管在岩石剪切载荷作用下的套管应力和变形。中国专利公开文献CN106018125公开了一种钻井固井套管剪切实验系统，其包括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，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，但是其无法根据不同地层岩石和固井质量，模拟测试不同地层情况对套管变形的影响。中国公开文献《岩层倾角对钻井套管剪切变形的影响分析》(煤矿安全，2020年05月，51(05))针对钻井套管剪切破坏问题，基于煤层开采的上覆岩层移动规律，采用ANSYS数值模拟软件建立钻井套管剪切变形的有限元模型，模拟分析了不同的岩层倾角对钻井套管剪切变形区域应力分布的影响，但是其无法真实模拟剪切载荷作用下套管的应力和变形。
[0005]因此，针对目前出现的亟待解决的套管剪切变形问题，剪切载荷对于套管损坏具有重要的影响，且需要掌握剪切载荷对套管剪切变形的规律。为保障套管在存在剪切滑动的地层内保持完整性，需要对剪切载荷作用下套管的抗剪切强度进行测试。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，针对地层岩石剪切滑动作用下油气井中套管剪切变形严重的情况，提供一种套管剪切强度与变形的试验装置及方法，能够模拟套管承受地层岩石剪切载荷作用，测试抗剪切强度和剪切变形，以解决地层岩石剪切滑动作用下套管强度和变形不能准确确定的技术难题。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0008]本专利技术的第一个方面，提供了一种套管剪切强度与变形的试验装置，所述套管剪切强度与变形的试验装置包括：
[0009]套管夹具，用于夹住套管，并能够带动套管进行上下移动；
[0010]加载部件，用于对套管加载剪切载荷；
[0011]应变检测部件，用于检测套管外壁的应变；
[0012]固定支架，用于固定加载部件和套管夹具。
[0013]本专利技术的进一步改进在于，所述装置包括两套套管夹具，两套套管夹具同时夹住所述套管；
[0014]每套所述套管夹具均包括夹具内框和夹具外框；
[0015]所述夹具内框包括内部上框和内部下框，两者均为长方体，且在长方体的中部开有半圆形孔，当两者上下对称安装后，内部上框中的半圆形孔与内部下框中的半圆形孔形成一个圆形通孔；
[0016]所述夹具外框包括外部上框和外部下框，两者均为长方体，且在长方体的中部开有长方形孔，当两者上下对称安装后，外部上框中的长方形孔与外部下框中的长方形孔形成一个大长方形孔；
[0017]所述夹具内框安装在所述夹具外框的大长方形孔内，所述套管穿过所述夹具内框的圆形通孔。
[0018]本专利技术的进一步改进在于，在所述套管的外壁与夹具内框的圆形通孔的内壁之间设置有一套岩石模拟装置；
[0019]每套所述岩石模拟装置均包括两个直径相同的圆弧形橡胶块，两个橡胶块上下对称设置；
[0020]每个所述橡胶块的外壁与夹具内框的圆形通孔的内壁接触，每个所述橡胶块的内壁与套管的外壁接触；
[0021]每个所述橡胶块的外径与所述夹具内框的圆形通孔的内径相同；
[0022]每个所述橡胶块的内径与套管的外径相同。
[0023]本专利技术的进一步改进在于，在所述外部上框的两侧、外部下框的两侧分别设置有向外的翻边，当两者上下对称安装后，两者的翻边相接触，通过翻边将外部上框和外部下框固定住。
[0024]本专利技术的进一步改进在于，在每套所述套管夹具上均设置有一套加载部件；
[0025]每套所述加载部件均包括两个油压缸3、两个油压活塞和两个油压泵；
[0026]一个油压缸3设置在所述夹具外框的上方，另一个油压缸3设置在所述夹具外框的下方，两个油压活塞的中心轴线位于同一条直线上；
[0027]在所述夹具外框的上端面连接有上垫块，在所述上垫块的上端面上设置有凹槽，
位于夹具外框上方的油压活塞的端部伸入到该凹槽内；
[0028]在所述夹具外框的下端面连接有下垫块，在所述下垫块的下端面上设置有凹槽，位于夹具外框下方的油压活塞的端部伸入到该凹槽内；
[0029]每套加载部件中的两个油压缸3分别通过管线与两个油压泵连接。
[0030]本专利技术的进一步改进在于，所述固定支架包括顶板、底板；
[0031]所述顶板位于底板的上方；
[0032]每套加载部件中位于夹具外框上方的油压缸3的上端面与顶板连接，每套加载部件中位于夹具外框下方的油压缸3的下端面与底板连接。
[0033]本专利技术的进一步改进在于，在套管的两端的外侧分别设置有多个连接杆；
[0034]每个所述连接杆的上端与顶板固定连接，下端与底板固定连接。
[0035]优选的，在所述顶板、底板上分别设置有多个螺栓孔。
[0036]本专利技术的进一步改进在于，所述应变检测部件包括计算机和安装在所述套管的外壁上的多组应变传感器；
[0037]每组应变传感器包括四个在圆周上均布的应变片；
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种套管剪切强度与变形的试验装置，其特征在于：所述套管剪切强度与变形的试验装置包括：套管夹具，用于夹住套管，并能够带动套管进行上下移动；加载部件，用于对套管加载剪切载荷；应变检测部件，用于检测套管外壁的应变；固定支架，用于固定加载部件和套管夹具。2.根据权利要求1所述的套管剪切强度与变形的试验装置，其特征在于：所述装置包括两套套管夹具，两套套管夹具同时夹住所述套管；每套所述套管夹具均包括夹具内框和夹具外框；所述夹具内框包括内部上框和内部下框，两者均为长方体，且在长方体的中部开有半圆形孔，当两者上下对称安装后，内部上框中的半圆形孔与内部下框中的半圆形孔形成一个圆形通孔；所述夹具外框包括外部上框和外部下框，两者均为长方体，且在长方体的中部开有长方形孔，当两者上下对称安装后，外部上框中的长方形孔与外部下框中的长方形孔形成一个大长方形孔；所述夹具内框安装在所述夹具外框的大长方形孔内，所述套管穿过所述夹具内框的圆形通孔。3.根据权利要求2所述的套管剪切强度与变形的试验装置，其特征在于：在所述套管的外壁与夹具内框的圆形通孔的内壁之间设置有一套岩石模拟装置；每套所述岩石模拟装置均包括两个直径相同的圆弧形橡胶块，两个橡胶块上下对称设置；每个所述橡胶块的外壁与夹具内框的圆形通孔的内壁接触，每个所述橡胶块的内壁与套管的外壁接触；每个所述橡胶块的外径与所述夹具内框的圆形通孔的内径相同；每个所述橡胶块的内径与套管的外径相同。4.根据权利要求2所述的套管剪切强度与变形的试验装置，其特征在于：在所述外部上框的两侧、外部下框的两侧分别设置有向外的翻边，当两者上下对称安装后，两者的翻边相接触，通过翻边将外部上框和外部下框固定住。5.根据权利要求3所述的套管剪切强度与变形的试验装置，其特征在于：在每套所述套管夹具上均设置有一套加载部件；每套所述加载部件均包括两个油压缸3、两个油压活塞和两个油压泵；一个油压缸3设置在所述夹具外框的上方，另一个油压缸3设置在所述夹具外框的下方，两个油压活塞的中心轴线位于同一条直线上；在所述夹具外框的上端面连接有上垫块，在所述上垫块的上端面上设置有凹槽，位于夹具外框上方的油压活塞的端部伸入到该凹槽内；在所述夹具外框的下端面连接有下垫块，在所述下垫块的下端面上设置有凹槽，位于夹具外框下方的油压活塞的端部伸入到该凹槽内；每套加载部件中的两...
【专利技术属性】
技术研发人员：陶谦，刘奎，杜金龙，刘仍光，陆沛青，杜晓雨，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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