一種射孔管柱所受衝擊載荷的模擬實驗裝置及方法與流程

2023-06-14 05:19:21

本發明涉及一種油氣勘探領域，特別是關於一種在模擬井下溫壓條件下的射孔管柱所受衝擊載荷的模擬實驗裝置及方法。

背景技術：

在深水、超深水射孔作業中，大威力射孔彈、高密度射孔器得到廣泛應用，導致爆炸衝擊載荷強度進一步增加，使得射孔管串工作環境惡劣，極易出現管柱屈曲、斷裂以及封隔器解封、失效等事故。因此，開展爆炸衝擊載荷對射孔管柱的安全影響研究具有重要意義。目前，針對這方面的研究大多採用有限元模擬手段，對於射孔爆炸所產生的真實衝擊載荷大小研究甚少，現有的實驗方法不能充分模擬射孔管柱在不同溫度和壓力條件下所受到的載荷大小，無法為射孔管柱安全評估提供可靠的數據。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明的目的是提供一種射孔管柱所受衝擊載荷的模擬實驗裝置及方法，其能有效真實的模擬井下在不同溫度和壓力條件下射孔管柱所受到的爆炸衝擊載荷。

為實現上述目的，本發明採取以下技術方案：一種射孔管柱所受衝擊載荷的模擬實驗裝置，其特徵在於：該裝置包括套管，所述套管第一端和第二端上分別安裝有可拆卸的上端密封絲扣和下端密封絲扣；位於所述套管內設置有油管，所述油管一端位於所述套管內，且所述油管該端與射孔管柱連接；所述油管另一端穿過所述套管第一端，且所述油管該端部與油管密封絲扣連接；在所述套管內，靠近所述套管第一端的所述油管與封隔器連接，所述封隔器通過第一高壓泵進行加壓坐封后與所述下端密封絲扣形成密閉的套管內腔；加熱棒穿過所述套管第二端插入所述套管內腔中，所述套管內腔通過管路與第二高壓泵連接。

進一步，所述油管另一端經管路與所述第一高壓泵連接，位於所述第一高壓泵與所述油管之間的管路上還設置有第一高壓泵控制閥，並在所述第一高壓泵控制閥與所述第一高壓泵之間的管路上設置有第一高壓泵壓力傳感器。

進一步，位於所述第二高壓泵與所述套管內腔之間的管路上設置有第二高壓泵控制閥，並在所述第二高壓泵控制閥與所述第二高壓泵之間的管路上設置有第二高壓泵壓力傳感器。

進一步，還包括溫度傳感器、多個壓電式壓力傳感器、連接件和多個壓電式加速度傳感器；所述溫度傳感器穿過所述套管第二端插入所述套管內腔中；各所述壓電式壓力傳感器分別設置在所述封隔器底端、油管下端側面以及射孔管柱底端；凹槽型結構的所述連接件設置在所述射孔管柱底端，各所述壓電式加速度傳感器都安裝在所述連接件上。

進一步，各所述壓電式加速度傳感器分別設置在所述連接件側面、連接件底端以及連接件下底面凹槽內；位於所述連接件下底面凹槽內的兩個所述壓電式加速度傳感器成180度中心對稱設置。

進一步，該裝置還包括多通道數據採集儀、電荷放大器和示波器；所有所述壓電式壓力傳感器和所有壓電式加速度傳感器均通過所述電荷放大器與所述多通道數據採集儀連接，且所述多通道數據採集儀與所述示波器連接；位於各傳感器與所述電荷放大器之間採用高頻傳輸電纜進行連接。

進一步，該裝置還包括計算機；所述加熱棒、溫度傳感器、多通道數據採集儀、第一高壓泵、第一高壓泵壓力傳感器、第二高壓泵和第二高壓泵壓力傳感器均與所述計算機連接。

進一步，還包括導爆索、雷管起爆器、電探針和同步觸發器；所述射孔管柱內的射孔彈通過所述導爆索連接所述雷管起爆器，所述雷管起爆器還經所述電探針連接所述同步觸發器，所述同步觸發器觸發所述多通道數據採集儀開始數據採集；所述雷管起爆器產生的槍管爆炸衝擊響應由各所述壓電式壓力傳感器和各壓電式加速度傳感器進行數據採集。

基於上述裝置的射孔管柱所受衝擊載荷的模擬實驗方法，其特徵在於包括以下步驟：1)將套管與下端密封絲扣、連接件與射孔管柱底端、射孔管柱與油管、油管與封隔器分別進行連接；2)將油管及射孔管柱下入套管內，向套管內腔注入井液,油管密封絲扣與油管進行連接；3)通過第一高壓泵加壓坐封，使封隔器坐封與套管內壁緊密接觸，並和套管及下端密封絲扣形成密閉套管內腔，上端密封絲扣與套管連接；4)將安裝好的實驗裝置放入土坑中並固定；5)第二高壓泵向密閉的套管內腔施加至設定井液壓力；6)加熱棒將套管內腔中的井液加熱至設定溫度；7)通過導爆索連接的雷管起爆器起爆射孔彈，與雷管起爆器連接的電探針觸發同步觸發器，使多通道數據採集儀處於工作狀態；同時，壓電式壓力傳感器和壓電式加速度傳感器所測數據通過電荷放大器進行放大處理，傳輸到多通道數據採集儀進行數據採集，然後傳輸到計算機中儲存，並在示波器上顯示出數據曲線。

進一步，所述加熱棒向所述套管內腔中的井液施加的溫度數據為150℃；所述第二高壓泵向所述套管內腔施加40mpa的壓力。

本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點：1、本發明通過在套管第二端安裝下端密封絲扣，加入井液以及通過第一高壓泵加壓坐封封隔器形成密閉的套管內腔，通過第二高壓泵對套管內腔施加壓力，通過加熱棒加熱井液至設定溫度，通過高壓泵壓力傳感器、溫度傳感器進行數據採集，通過套管內腔的力學傳感器對射孔管柱所受到的爆炸衝擊載荷進行數據採集，通過電探針將雷管起爆器起爆時的信號傳給同步觸發器使多通道數據採集儀開始工作準備接受數據信號，通過高頻傳輸電纜將採集到的數據傳輸到電荷放大器，通過電荷放大器將放大後的數據傳輸到多通道數據採集儀進行數據採集，通過示波器觀察射孔彈起爆後的實驗數據曲線，通過計算機存儲實驗數據，從而模擬井下在不同溫度和壓力條件下射孔管柱所受到的爆炸衝擊載荷情況。2、本發明的模擬實驗方法能模擬井下在不同溫度和壓力條件下射孔管柱所受到的爆炸衝擊載荷情況，為射孔管柱、油管以及封隔器的損傷評價提供實驗數據，以便選擇更加合理的射孔完井方案。

附圖說明

圖1是本發明的模擬實驗裝置結構示意圖；

圖2是圖1的c-c截面圖；

圖3是本發明模擬實驗裝置中的雷管起爆器、電探針和同步觸發器結構示意圖；

圖4是本發明模擬實驗裝置中的射孔彈和雷管起爆器連接示意圖；

圖5是本發明的模擬實驗方法流程圖。

具體實施方式

鑑於現有技術不能充分模擬井下在不同溫度和壓力條件下射孔管柱所受到的爆炸衝擊載荷大小，本發明提供一種模擬井下溫壓條件下射孔管柱所受衝擊載荷的模擬實驗裝置，通過下放油管將射孔管柱放入套管，通過在套管下端安裝下端密封絲扣，以及對油管內進行加壓坐封封隔器形成密閉的套管內腔，通過高壓泵對套管內腔施加壓力至設定壓力，通過加熱棒加熱井液至設定溫度，通過高壓泵壓力傳感器、溫度傳感器進行數據採集，通過套管內腔的力學傳感器對射孔管柱所受到的爆炸衝擊載荷進行數據採集，從而模擬井下在不同溫度和壓力條件下射孔管柱所受到的爆炸衝擊載荷。下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。

如圖1所示，本發明的模擬實驗裝置包括套管1，套管1第一端和第二端上分別安裝有可拆卸的上端密封絲扣2和下端密封絲扣3。位於套管1內設置有油管4，油管4一端位於套管1內，且該端與射孔管柱5連接；油管4另一端穿過套管1第一端，且油管4該端部與油管密封絲扣6連接。在套管1內，靠近套管1第一端的油管4與封隔器7連接，封隔器7通過第一高壓泵8進行加壓坐封后與下端密封絲扣3形成密閉的套管內腔9。加熱棒10穿過套管1第二端插入套管內腔9中，用於加熱井液至設定溫度，令熱量向外傳遞，模擬高溫流體和井中的溫度環境；加熱棒10可以採用電加熱的方式加熱，井液根據實際情況可以更換。套管內腔9通過管路與第二高壓泵11連接，通過第二高壓泵11向密閉後的套管內腔9中施加設定壓力。

在一個優選地實施例中，油管4另一端經管路與第一高壓泵8連接，位於第一高壓泵8與油管4之間的管路上還設置有第一高壓泵控制閥12，並在第一高壓泵控制閥12與第一高壓泵8之間的管路上設置有第一高壓泵壓力傳感器13，用於採集高壓泵數據。

在一個優選地實施例中，位於第二高壓泵11與套管內腔9之間的管路上設置有第二高壓泵控制閥14，並在第二高壓泵控制閥14與第二高壓泵11之間的管路上設置有第二高壓泵壓力傳感器15，用於採集高壓泵壓力數據。

在一個優選地實施例中，本發明的模擬實驗裝置還包括溫度傳感器16，溫度傳感器16穿過套管1第二端插入套管內腔9中，用於採集溫度數據。

在一個優選地實施例中，本發明的模擬實驗裝置還包括多個壓電式壓力傳感器17、一連接件18和多個壓電式加速度傳感器19。位於封隔器7底端設置的壓電式壓力傳感器17，用於採集環空軸向壓力數據；位於油管4下端側面設置的壓電式壓力傳感器17，用於採集環空徑向壓力數據；位於射孔管柱5底端設置的壓電式壓力傳感器17，用於採集射孔管柱軸向壓力數據。連接件18採用凹槽型結構，與射孔管柱5底端連接，各壓電式加速度傳感器19都安裝在連接件18上；位於連接件18側面的壓電式加速度傳感器19，用於採集射孔管柱在徑向的運動數據；位於連接件18底端的壓電式加速度傳感器19，用於採集射孔管柱在軸向的運動數據；位於連接件18下底面凹槽內的兩個壓電式加速度傳感器19成180度中心對稱設置(如圖2所示)，用於採集射孔管柱在環向的運動數據。

在一個優選地實施例中，本發明的模擬實驗裝置還包括電荷放大器20、多通道數據採集儀21和示波器22。所有壓電式壓力傳感器17和所有壓電式加速度傳感器19均通過電荷放大器20與多通道數據採集儀21連接，且多通道數據採集儀21與示波器22連接，將採集到的數據在示波器22上進行數據曲線顯示。其中，位於各傳感器與電荷放大器20之間採用高頻傳輸電纜23進行連接(如圖3所示)。

在一個優選地實施例中，本發明的模擬實驗裝置還包括計算機24。加熱棒10、溫度傳感器16、多通道數據採集儀21、第一高壓泵8、第一高壓泵壓力傳感器13、第二高壓泵11和第二高壓泵壓力傳感器15均與計算機24連接，由計算機24控制各器件工作，並採集相關數據：控制加熱棒10加熱井液；控制第一高壓泵8向油管4內進行加壓坐封封隔器7，使封隔器7和下端密封絲扣3之間形成密閉的套管內腔9；控制第二高壓泵11向密閉的套管內腔9施加設定壓力，採集來自溫度傳感器16的溫度數據、來自第二高壓泵壓力傳感器15的壓力數據、來自第一高壓泵壓力傳感器13的壓力數據、來自多通道數據採集儀21的壓力和加速度數據。

在一個優選地實施例中，如圖3、圖4所示，本發明的模擬實驗裝置還包括導爆索25、雷管起爆器26、電探針27和同步觸發器28。射孔管柱5內的射孔彈29通過導爆索25連接雷管起爆器26，雷管起爆器26用於引爆射孔彈27以便進行起爆射孔作業；雷管起爆器26產生的槍管爆炸衝擊響應由各壓電式壓力傳感器17和各壓電式加速度傳感器19進行數據採集，且雷管起爆器26還經電探針27連接同步觸發器28，由同步觸發器28觸發多通道數據採集儀21開始數據採集。

基於上述模擬實驗裝置，本發明還提供了一種模擬井下溫壓條件下射孔管柱所受衝擊載荷的模擬實驗方法，如下面實施例所述。由於該方法解決問題的原理與模擬井下溫壓條件下射孔管柱所受衝擊載荷的實驗裝置相似，因此該方法的實施可以參見模擬井下溫壓條件下射孔管柱所受衝擊載荷的實驗裝置，重複之處不再贅述。

如圖5所示，本發明的實驗方法包括以下步驟：

1)將套管1與下端密封絲扣3、連接件18與射孔管柱5底端、射孔管柱5與油管4、油管4與封隔器7分別進行連接；

2)將油管4及射孔管柱5下入套管1內，向套管內腔9注入井液,油管密封絲扣6與油管4進行連接；

3)通過第一高壓泵8加壓坐封，使封隔器7坐封與套管1內壁緊密接觸，並和套管1及下端密封絲扣3形成密閉套管內腔9，上端密封絲扣2與套管1連接；

4)將安裝好的實驗裝置放入土坑中並固定；

5)第二高壓泵11向密閉的套管內腔9施加至設定井液壓力；

6)加熱棒10將套管內腔9中的井液加熱至設定溫度；

7)通過導爆索25連接的雷管起爆器26起爆射孔彈29，與雷管起爆器26連接的電探針27觸發同步觸發器28，使多通道數據採集儀21處於工作狀態；與此同時，壓電式壓力傳感器17和壓電式加速度傳感器19所測數據通過電荷放大器20進行放大處理，傳輸到多通道數據採集儀21，進行數據採集，然後傳輸到計算機24中儲存，並可在示波器22上顯示出數據曲線。

上述步驟1)中，各壓電式壓力傳感器17和壓電式加速度傳感器19都通過螺紋進行固定。其中，壓電式加速度傳感器19表面進行隔熱處理，使其能在高溫環境下正常工作。

上述步驟2)中，通過改變射孔管柱5的型號來測試不同型號的射孔管柱5所受到的爆炸衝擊載荷，射孔彈29的相位根據實際需要可以適當調整；井液可以根據實驗要求進行更換。

上述步驟4)中，封隔器7的座封位置可以根據井底口袋長度進行調整，用於模擬井底口袋長度對射孔管柱5所受衝擊載荷的影響。

上述步驟5)、步驟6)中，加熱棒10向套管內腔9中的井液施加的溫度數據可以為150℃，用以模擬地層溫度；第二高壓泵11可以向套管內腔9施加40mpa的壓力，用以模擬地層壓力。

綜上所述，本發明的模擬實驗方法在使用時，其主要技術指標可以設置如下：實驗溫度：100-170℃；內壓：0-50mpa；射孔槍尺寸：外徑127mm(5寸)，壁厚13mm，長度1300mm；射孔彈規格：37g，rdx火藥裝填，共16枚射孔彈；射孔相位：60度；油管尺寸：外徑73.02mm(27/8寸)，內徑59mm，壁厚7.01mm，長度1300mm或根據實驗情況自行選擇油管尺寸、規格；封隔器尺寸：最大外徑145mm，最小通徑65mm，長度500mm，兩端連接絲扣為27/8寸tbg或根據實際情況自行選擇封隔器尺寸、規格；套管尺寸：外徑177.8mm(7寸)，內徑157.07mm；壁厚10.36mm，長度4000mm或根據實驗情況自行選擇長度；高壓泵加壓範圍0-50mpa；壓電式壓力傳感器量程：250mpa；壓電式加速度傳感器量程：10×104g。

上述各實施例僅用於說明本發明，各部件的結構、尺寸、設置位置及形狀都是可以有所變化的，在本發明技術方案的基礎上，凡根據本發明原理對個別部件進行的改進和等同變換，均不應排除在本發明的保護範圍之外。