高曲率井段管柱通過能力模擬實驗裝置及其實驗方法與流程

2023-09-14 01:43:00

本發明涉及油氣井鑽採技術領域中對高曲率井段管柱進行研究的實驗裝置，具體涉及高曲率井段管柱通過能力模擬實驗裝置及其實驗方法。

背景技術：

薄油層、稠油層、低滲透油氣層和裂縫性油氣層等已經變成我國油氣資源開採的主要目標，對水平井技術提出了更高的要求和挑戰，不斷衍生出多種不同類型的水平井，例如中短半徑水平井、中短曲率半徑水平井和超短半徑水平井等，這類高曲率井段為管柱的可下入性提出了更高的要求。管柱在下入彎曲井眼過程中，由於井斜角的增加，造成推動力減小；另一方面使彎曲井眼對管柱的摩阻增大，同時彎曲的井眼迫使管柱沿井眼軌跡彎曲，管柱剛度作用明顯增強，使套管受到較大的附加彎矩作用，嚴重時使管柱不能下達預定井段。管柱能否順利地通過彎曲井段下到目的層是能否順利鑽完井的重要因素。因此，進行高曲率管柱通過能力研究，對鑽完井設計及施工有重要意義。

王德新建立了套管通過能力評價條件，趙域棟建立了管柱下入過程的有限元模型，對超長細比管柱的下入過程進行了分析，但僅從理論計算和數值模擬角度分析管柱的通過能力是不全面的。現在看來，用理論研究來解決此問題是很困難的，有效的辦法是試驗研究，長慶油田鑽採工藝研究院與西安管材研究所聯合進行了φ139.7mm套管的全尺寸彎曲試驗，韓志勇研究了套管可通過的最大井眼曲率的確定方法。但還應當進行進一步試驗研究，以便了解在不同軸向應力下套管可承受彎曲應力的極限能力。有必要做幾種不同尺寸的套管試驗。只有在進一步試驗研究的基礎上，才能真正建立起符合實際的計算模型。事實上，該試驗目的限於研究在該油田的井深、井眼曲率(20°/30m)、固井和增產措施等條件下J55鋼級套管是否可用的問題，而非研究「套管可以通過的最大井眼曲率」的問題。

徐金超設計了鑽管彎曲轉向室內實驗裝置，該裝置採用滾輪組作為模擬滑道，16Mn無縫鋼管作為模擬鑽管，手壓式液壓泵提供鑽管下壓力。通過遊標卡尺測量鑽管通過、拉回尺寸變化，壓力表測量鑽管下壓力，從而對實現彎曲的不同規格鑽管進行優選。但該實驗裝置滑道構建繁瑣，井眼曲率改變困難。

中國實用新型專利ZL200720158882.X設計了大斜度井管柱彎曲變形模擬試驗裝置，模擬大斜度井管柱受力彎曲變形，通過受力絞繩，提升管柱，檢測管柱通過能力模擬井筒的受力大小和彎曲變形。該模擬試驗裝置只適合模擬上提管柱的通過能力，但不能模擬下放管柱的通過能力。

技術實現要素：

本發明的一個目的是提供高曲率井段管柱通過能力模擬實驗裝置，這種高曲率井段管柱通過能力模擬實驗裝置用於解決現有的實驗裝置不能模擬高曲率井段管柱下放通過的能力的問題，本發明的另一個目的是提供這種高曲率井段管柱通過能力模擬實驗裝置的實驗方法。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：這種高曲率井段管柱通過能力模擬實驗裝置包括主底座、多組緊固裝置、外管、擋板組、加載裝置、管柱試件，主底座上設置有第一導軌，外管由直管段和彎管段連接成一體，外管的直管段一端連接擋板組的滑動擋板，管柱試件從外管的彎管段一端伸入，管柱試件的另一端連接加載裝置，多組緊固裝置可拆卸地將外管間隔卡固，多組緊固裝置均滑動連接於第一導軌上；擋板組包括擋板底座、滑動擋板、第二導軌、拉壓傳感器、固定擋板、擋板固定架，擋板底座上設置有第二導軌，滑動擋板通過其底部滑軌與第二導軌滑動連接，擋板螺杆立柱下端穿過擋板底座，擋板螺杆立柱的下端螺紋連接擋板滑塊，擋板滑塊與第一導軌滑動連接，固定擋板固定在擋板固定架上，擋板固定架也通過相應的擋板螺杆立柱和擋板滑塊滑動連接於第一導軌上，拉壓傳感器兩端通過變扣分別與滑動擋板和固定擋板連接。

上述方案中緊固裝置橫梁、管卡、連接塊，管卡固定在橫梁下部，橫梁的兩端各自與相應的連接塊的水平孔螺紋連接，且通過鎖緊螺母緊固；每個連接塊的豎直孔各穿過一個支撐螺杆立柱，連接塊與相應的支撐螺杆立柱螺紋連接且通過鎖緊螺母緊固，每個支撐螺杆立柱的下端均螺紋連接一個方形滑塊，方形滑塊與第一導軌滑動連接；管卡由管卡底座和固定塊對扣後通過螺釘螺母固定形成，管卡底座和固定塊對扣後形成中心孔，接頭被卡固在中心孔處，接頭一端連接外管直管段，接頭另一端連接外管彎管段，由於緊固裝置為可拆卸的，可通過變換緊固裝置的位置，通過多個緊固裝置變換外管的曲率半徑，實現不同曲率半徑外管的固定。

上述方案中加載裝置包括電子萬能試驗機、自緊夾頭，電子萬能試驗機與自緊夾頭通過變扣連接，自緊夾頭另一端連接管柱試件，電子萬能試驗機負責提供通過壓力並實時測量壓力大小，自緊夾頭用於固定所述管柱試件。

上述方案中拉壓傳感器連接數據採集系統，數據採集系統設置在筆記本電腦上，通過筆記本電腦可隨時掌握實驗情況。

上述方案中第一導軌有兩條，第一導軌的縱截面為T型，兩條導軌通過緊固螺栓固定在主底座和電子萬能試驗機上。

上述方案中管卡與接頭之間設置有墊塊，墊塊也為分體的，每個半體外具有弧形凸肋，管卡底座和固定塊分別具有弧形凹槽，一個半體與管卡底座卡固，另一個半體與固定塊卡固，通過墊塊可實現不同直徑井眼中管柱通過能力模擬實驗，即改變外管直徑，在管卡內加入墊塊實現不同直徑外管的固定。

上述方案中外管是透明的。

上述高曲率井段管柱通過能力模擬實驗裝置的實驗方法，其包括步驟：

A、將主底座置於水平地面；第一導軌固定在電子萬能試驗機和主底座上；緊固裝置沿第一導軌方向滑動地連接在所述第一導軌上；外管，由直管段和彎管段組成，所述外管由緊固裝置固定；加載裝置通過電子萬能試驗機提供加載動力；管柱試件固定在所述電子萬能試驗機上；擋板組安裝在所述外管彎管段一端，所述擋板組有拉壓傳感器；

B、通過加載裝置緩慢地推動管柱試件下入外管內，記錄管柱試件承受的下壓力，記錄管柱試件下入的位移；

C、持續對管柱試件施加下壓力，直至管柱試件頂上擋板組，記錄擋板組承受的壓力；

D、同時記錄管柱試件承受的下壓力，壓力與下壓力之差為外管對管柱試件的摩阻；

E、改變加載裝置加載方向，通過加載裝置緩慢地拉動管柱試件至初始位置；

F、取下管柱試件，觀察並拍攝其變形；

G、採用其他型號管柱試件，重複實驗步驟A-F。

本發明具有以下有益效果：

1、本發明可驗證高曲率井段管柱通過能力理論中所提出的各種假設，還可以驗證相關分析模型和方法的有效性，還可以用於驗證管柱通過能力有限元數值模擬的可靠性。

2、由於本發明的實驗裝置不需要額外的加載裝置，可以直接應用現有的電子萬能試驗機原有的配置，實現管柱下入過程下壓力和位移的實時測量。因此，研製費用較低，利於推廣應用。

3、本發明結構設計巧妙、附件調整靈活、操作簡單安全，通過選擇不同曲率和管徑的彎管，通過緊固裝置固定，可以實現各種高曲率井段及其各種井眼直徑管柱通過能力模擬的實驗目的。

4、本發明自緊夾頭可實現4mm~12mm管柱直徑的固定，便於對比研究高曲率井段不同直徑管柱的通過能力。

5、本發明各結構中採用螺栓、螺釘、螺母等連接，因此可拆卸，便於運輸。

附圖說明

圖1是本發明的立體示意圖；

圖2是本發明的俯視圖；

圖3是本發明中主底座和第一導軌立體示意圖；

圖4是本發明中主底座和第一導軌局部放大示意圖，以顯示主底座和第一導軌的連接關係；

圖5是本發明中緊固裝置和外管立體示意圖；

圖6是本發明中擋板組立體示意圖；

圖7是本發明中擋板組上視圖；

圖8是本發明中固定350mm曲率彎管整體示意圖；

圖9是本發明中固定500mm曲率彎管整體示意圖；

圖10是本發明中墊塊。

圖中：1主底座；2第一導軌；3緊固裝置；4外管；5加載裝置；6管柱試件；7擋板組；

31橫梁；32連接塊；33鎖緊螺母；34支撐螺杆立柱；35方形滑塊；36管卡底座；37固定塊；38螺釘螺母；

41直管段；42彎管段；43接頭；

51自緊夾頭；52變扣；

71擋板底座；72滑動擋板；73第二導軌；74拉壓傳感器；75固定擋板；76擋板固定架；77擋板螺杆立柱；78擋板滑塊；79墊塊。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步的說明：

實施例1：

結合圖1、圖2所示，這種高曲率井段管柱通過能力模擬實驗裝置包括主底座1、多組緊固裝置3、外管4、擋板組7、加載裝置5、管柱試件6，主底座1上設置有第一導軌2，外管4由直管段41和彎管段42通過接頭43連接成一體，外管4的直管段41、彎管段42、和接頭43均由透明有機玻璃製成，便於觀察管柱試件6的狀態。外管4的直管段41一端連接擋板組7的滑動擋板72，管柱試件6從外管4的彎管段42一端伸入，管柱試件6的另一端連接加載裝置5，多組緊固裝置3可拆卸地將外管4間隔卡固，多組緊固裝置3均滑動連接於第一導軌2上，參閱圖3、圖4，第一導軌2有兩條，第一導軌2的縱截面為T型，兩條導軌通過緊固螺栓固定在主底座1和電子萬能試驗機上；擋板組7設置在所述外管4直管段41一端。加載裝置5包括電子萬能試驗機、自緊夾頭51，電子萬能試驗機與自緊夾頭51通過變扣52連接，自緊夾頭51另一端連接管柱試件6，電子萬能試驗機負責提供通過壓力並實時測量壓力大小，自緊夾頭51用於固定所述管柱試件6。本發明結合電子萬能試驗機設計製造，電子萬能試驗機提供一部分底座並為管柱試件6下入外管4內進行加載，其也可測量所述管柱受到的下壓力與位移。

本發明在實驗時，電子萬能試驗機推動管柱試件6不斷通過，直至管柱試件6穿過外管4頂到滑動擋板72，由於滑動擋板72是可移動的且另一端連接拉壓傳感器74，可測得管柱試件6施加在滑動擋板72上的推力。

參閱圖6、圖7，擋板組7包括擋板底座71、滑動擋板72、第二導軌73、拉壓傳感器74、固定擋板75、擋板固定架76，擋板底座71上設置有第二導軌73，滑動擋板72通過其底部滑軌與第二導軌73滑動連接，擋板螺杆立柱77下端穿過擋板底座71，擋板螺杆立柱77的下端螺紋連接擋板滑塊78，擋板滑塊78與第一導軌2滑動連接，通過擋板螺杆立柱77與擋板滑塊78之間的旋轉將所述擋板滑78塊貼合在T型第一導軌2內，實現所述擋板底座71在第一導軌73上任意位置的移動與固定；固定擋板75固定在擋板固定架76上，擋板固定架76也通過相應的擋板螺杆立柱77和擋板滑塊78滑動連接於第一導軌2上，擋板固定架76可沿第一導軌2上滑動，拉壓傳感器74兩端通過變扣52分別與滑動擋板72和固定擋板75連接。

本發明中拉壓傳感器74連接數據採集系統，數據採集系統設置在筆記本電腦上，通過筆記本電腦可隨時掌握實驗情況。

參閱圖5，緊固裝置3包括橫梁31、管卡、連接塊32，管卡固定在橫梁31下部，橫梁31的兩端各自與相應的連接塊32的水平孔螺紋連接，且橫梁31採用鎖緊螺母33緊固，這樣一是兩端的連接塊32可根據需要旋轉到橫梁31的某個位置，以與相應的支撐螺杆立柱34下端的方形滑塊35相適應，二是通過橫梁31的旋轉，實現實驗需要的橫梁31下固定的管卡的方向（如外管4直管段41中管卡的中心孔為水平的、外管4彎管段42中管卡的中心孔是傾斜的）；連接塊32的豎直孔有螺紋，連接塊32與相應的支撐螺杆立柱34螺紋連接，實現連接塊32旋轉到支撐螺杆立柱34任意位置，連接塊32採用鎖緊螺母33緊固，以根據實驗需要的外管4曲率半徑調節每組緊固裝置3中橫梁31的高度，以實現通過多組緊固裝置3的布置，實現某個需要的曲率半徑外管4的固定；每個支撐螺杆立柱34的下端均螺紋連接一個方形滑塊35，方形滑塊35攻有螺紋孔，實現支撐螺杆立柱34可旋轉地與方形滑塊35連接，通過支撐螺杆立柱34與方形滑塊35之間的旋轉將所述方形滑塊35貼合在T型第一導軌2內，實現方形滑塊35與第一導軌2滑動連接；管卡由管卡底座36和固定塊37對扣後通過螺釘螺母38固定形成，管卡底座36和固定塊37對扣後形成中心孔，接頭43被卡固在中心孔處，接頭43一端連接外管4直管段41，接頭43另一端連接外管4彎管段42，實現所述管卡對所述外管4的固定。

本發明由於緊固裝置3為可拆卸的，可通過變換緊固裝置3的位置，通過多個緊固裝置3變換外管4的曲率半徑，實現不同曲率半徑外管4的固定。即改變外管4的曲率半徑，通過調整緊固裝置3各部件的布置位置（包括相鄰兩個緊固裝置3之間的距離、每組緊固裝置3中橫梁31的高度、橫梁31下固定的管卡的方向）實現不同曲率半徑外管4的固定，如圖8和圖9所示。

上述高曲率井段管柱通過能力模擬實驗裝置的實驗方法，其包括步驟：

A、將主底座1置於水平地面；第一導軌2固定在電子萬能試驗機和主底座1上；緊固裝置3沿第一導軌2方向滑動地連接在所述第一導軌2上；外管4由直管段41和彎管段42組成，所述外管4由緊固裝置3固定；加載裝置5通過電子萬能試驗機提供加載動力；管柱試件6固定在所述電子萬能試驗機上；擋板組7安裝在所述外管4彎管段42一端，所述擋板組7有拉壓傳感器74；

B、通過加載裝置5緩慢地推動管柱試件6下入外管4內，記錄管柱試件6承受的下壓力，記錄管柱試件6下入的位移；

C、持續對管柱試件6施加下壓力，直至管柱試件6頂上擋板組7，記錄擋板組7承受的壓力；

D、同時記錄管柱試件6承受的下壓力，壓力與下壓力之差為外管4對管柱試件6的摩阻；

E、改變加載裝置5加載方向，通過加載裝置5緩慢地拉動管柱試件6至初始位置；

F、取下管柱試件6，觀察並拍攝其變形；

G、採用其他型號管柱試件6，重複實驗步驟A-F。

實施例2：

本實施方式中管卡與接頭43之間設置有墊塊79，墊塊79也為分體的，每個半體外具有弧形凸肋，管卡底座36和固定塊37分別具有弧形凹槽，一個半體與管卡底座36卡固，另一個半體與固定塊37卡固，其它結構與實施例1相同。

本實施例提出的高曲率井段管柱通過能力模擬實驗裝置，可以實現管柱通過高曲率井段的實驗模擬，實現不同直徑井眼中管柱通過能力模擬實驗。

本實施方式是在實施方式一的實驗裝置的基礎上進行改造，即改變外管4直徑，在管卡內加入墊塊79實現不同直徑外管4的固定，如圖10所示。

本實施方式的實驗裝置可用於研究外管4直徑對於管柱通過能力的影響，其步驟流程與實施方式一的實驗流程相同。