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原文传递一种井筒失稳加载实验平台及其加载方法

专利名称：	一种井筒失稳加载实验平台及其加载方法
摘要：	本发明涉及的是一种井筒失稳加载实验平台及其加载方法，其中井筒失稳加载实验平台包括试验试件、加载系统、检测系统；试验试件为模拟井筒，由水泥环与套管胶结在一起形成，加载系统包括加载平台、径向加载油缸组件、轴向加载油缸组件、冷热水循环注入系统，每个径向加载油缸组件给试验试件提供径向载荷，轴向加载油缸组件给试验试件提供轴向载荷；冷水注入系统模拟井筒赋存在地层中的高低温环境，检测系统包括多个应力应变传感器、温度传感器、压力传感器、信号变送器、计算机，应力应变传感器分别贴置在套管外壁处和水泥环的内外壁处。本发明能真实模拟实际井筒失稳破坏过程并能准确、实时的监测和检测水泥环和套管变形失效的数据。
专利类型：	发明专利
申请人：	东北石油大学
发明人：	王雪飞;赵新宇;王素玲;姜民政;董康兴;王明;刘伟;卢秋羽;蒋微;张紫衡
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T08:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T17:00:00+0805
申请号：	CN202010019667.1
公开号：	CN111024510A
代理机构：	哈尔滨东方专利事务所
代理人：	曹爱华
分类号：	G01N3/12;G01N3/06;G;G01;G01N;G01N3;G01N3/12;G01N3/06
申请人地址：	163319 黑龙江省大庆市高新技术开发区学府街99号
主权项：	1.一种井筒失稳加载实验平台，其特征在于：这种井筒失稳加载实验平台包括试验试件（1）、加载系统（2）、检测系统；试验试件（1）为模拟井筒，由水泥环（12）与套管（11）胶结在一起形成，加载系统（2）包括加载平台（21）、径向加载油缸组件（22）、轴向加载油缸组件（23）、盖板（24）、固定块（25）、冷热水循环注入系统（26），加载平台（21）为箱型框架结构，加载平台（21）被隔板（212）分成前框架和后框架两部分，盖板（24）设置于前框架上，固定块（25）设置于隔板（212）上，试验试件（1）固定在盖板（24）与固定块（25）之间，固定块（25）后端连接轴向加载油缸组件（23）；前框架设置多条导轨，每条导轨设置在前板（211）与隔板（212）之间，每条导轨滑动连接一个径向加载油缸组件（22），每个径向加载油缸组件（22）给试验试件（1）提供径向载荷，实现沿着试验试件轴向任意位置加载径向载荷；冷热水循环注入系统（26）包括冷水注入系统和热水注入系统，固定块（25）设置有热水注入通道和冷水注入通道，冷水注入系统与冷水注入通道连接，热水注入系统与热水注入通道连接，热水注入通道和冷水注入通道汇集于混合通道，混合通道与试验试件相通，试验试件通过回流管线连接冷热水循环注入系统；检测系统包括多个应力应变传感器、温度传感器、压力传感器、信号变送器、计算机，应力应变传感器分别贴置在套管外壁处和水泥环的内外壁处，在实验加载过程中实时检测套管的应力应变情况和水泥环的应力应变情况；温度传感器分别检测热水注入系统、冷水注入系统和井筒温度；压力传感器检测井筒内压，信号变送器（34）把各个传感器的信号转化为电信号在计算机（35）上显示和记录。 2.根据权利要求1所述的井筒失稳加载实验平台，其特征在于：所述的径向加载油缸组件（22）包括油缸座（221）、径向加载油缸（222）、加载板组件（223），油缸座（221）一端与导轨装配，油缸座（221）另一端与径向加载油缸（222）螺栓连接，实现径向加载油缸组件（22）沿导轨滑动；加载板组件（223）包括耳板（223-1）、弧形板（223-2）和橡胶垫（223-3），耳板（223-1）与径向加载油缸（222）销轴连接，橡胶垫（223-3）安装在弧形板（223-2）端部起缓冲作用；油缸座（221）包括平板（221-1）和固定爪（221-2），平板开有螺纹孔，与径向加载油缸（222）螺栓连接；固定爪（221-2）为L型结构，一端与平板（221-1）螺栓连接，另一端与加载平台的导轨装配。 3.根据权利要求2所述的井筒失稳加载实验平台，其特征在于：所述的导轨（215）为T型导轨，T型导轨有四个，每个T型导轨上安装一个径向加载油缸组件（22），所述径向加载油缸组件（22）沿着T型导轨滑动，实现了径向载荷沿着试验试件轴向任意位置加载。 4.根据权利要求3所述的井筒失稳加载实验平台，其特征在于：所述的轴向加载油缸组件（23）包括轴向加载油缸（231）、连接法兰（232），连接法兰（232）焊接在轴向加载油缸（231）端部，用于连接轴向加载油缸组件（23）和固定块（25），轴向加载油缸（231）设置有中间法兰，中间法兰与加载平台的后板（213）通孔螺栓连接。 5.根据权利要求4所述的井筒失稳加载实验平台，其特征在于：所述的盖板（24）是圆形平板，与加载平台前板通孔（211-1）螺栓连接，盖板（24）中心开设水孔，水孔是冷热水循环注入系统的回流通道，盖板一侧设有凸台（242），凸台上开安装孔，试验试件通过安装孔与盖板固定连接；固定块（25）是一圆柱体，固定块安装在加载平台（21）的隔板中心孔中，固定块（25）一端与轴向加载油缸（231）的连接法兰螺栓连接，另一端开安装孔，安装孔为试验试件通过安装孔与固定块（25）连接。 6.根据权利要求5所述的井筒失稳加载实验平台，其特征在于：所述的冷水注入系统包括水箱（261）、高压泵（262）、开关阀（263），所述冷水注入系统负责向试验试件内注入高压冷水实现模拟井筒内低温高压环境，模拟注水、压裂、酸化等工艺条件下模拟井筒内温度骤降和内压升高的工况；热水注入系统包括加热炉（264）、水箱、热水泵（265）、开关阀，所述热水注入系统负责向试验试件内注入热水实现对模拟井筒的加温，模拟井筒赋存在地层中的高温环境。 7.一种权利要求6所述的井筒失稳加载实验平台的加载方法，其特征在于： S1：开启热水泵向模拟井筒内部注入热水，同时打开模拟井筒另一端的开关阀使热水回流，保持热水循环一定时间，当模拟井筒达到热水温度，关闭热水泵，停止注入热水，完成一次对井筒的加热，模拟地层中的高温环境使模拟井筒升温； S2：打开高压泵（262）向模拟井筒内注入冷水，冷水循环实现模拟井筒降温，当模拟井筒温度降至冷水温度时，关闭开关阀并继续注入冷水，井筒内压升高，观测压力传感器，当井筒内压达到设计压力P1时，憋压t时间，卸掉压力，完成一次对井筒的降温和施加内压，模拟注水、压裂、酸化等工艺条件下井筒内温度骤降和内压升高； S3：持续重复S1-S2，检测套管（11）和水泥环（12）上的应力应变曲线，当曲线变化不一致时，保持一定内压P2并停止S1-S2，套管和水泥环在温度、内压交替变化时不断地发生变形又恢复变形，由于套管水泥环材料属性不同，在所述过程中变形不协调导致交界面发生分离破坏，所述S1-S3模拟在实际工况井筒温度和内压交替变化情况下，套管水泥环交界面分离破坏，水泥环失去保护套管的作用过程； S4：启动轴向加载油缸组件（23）对试验试件（1）施加轴向载荷，模拟井筒在地层中所受的轴向载荷作用； S5：启动径向加载油缸组件（22）对试验试件（1）施加径向载荷，径向加载油缸组件加载不同的载荷形式和不同动作组合实现施加不同形式的非均匀载荷，模拟施工扰动、油气开采等对井筒施加的非均匀外载； S6:对试验试件施加外载同时，记录套管应力应变数据直至套管变形损坏； S7:卸载，首先动作轴向加载油缸组件（23）卸载轴向载荷，再动作径向加载油缸组件（22）卸载径向载荷，最后打开关阀卸掉模拟井筒内压； S8:拆卸试验试件，观察水泥环和套管的变形损坏情况。 8.根据权利要求7所述的井筒失稳加载实验平台，其特征在于：所述的径向加载油缸组件（22）的加载板组件为直接与试验试件接触的构件，弧形板（223-2）是小圆柱体时，施加在试验试件上的载荷为点载荷；弧形板是一细长条形板时，施加在试验试件上的载荷为线载荷；弧形板是有一定包角和一定长度的弧形板时，径向加载油缸动作，施加在试验试件上的载荷为面载荷。 9.根据权利要求8所述的井筒失稳加载实验平台，其特征在于：S5中径向加载油缸组件动作组合有：单独动作一个径向加载油缸加载，模拟施加一个集中载荷作用；对角线位置的两个径向加载油缸组件对称布置一起动作进行加载，模拟施加对称载荷作用；对角线位置的两个径向加载油缸组件非对称布置一起动作进行加载，模拟施加非对称载荷作用；四个径向加载油缸组件两两对称布置一起动作加载，模拟施加双向对称载荷作用。 10.根据权利要求9所述的井筒失稳加载实验平台，其特征在于：更换不同形式的加载板组件（223）实现不同载荷形式，四个径向加载油缸组件不同动作组合实现不同加载形式，径向加载油缸组件更换不同加载板组件同时配合四个径向加载油缸组件的不同动作组合实现套管的剪切、挤毁和屈曲变形，模拟真实地层中套管发生的剪切、挤毁和屈曲变形情况；更换径向加载油缸组件的加载板组件对试验试件施加面载荷，对角线位置两个径向加载油缸组件对称布置，使两个径向加载油缸的加载板组件在试验试件两侧对称一起动作加载，此时对试验试件施加对称的非均匀载荷，模拟套管在地层中受挤压作用，套管发生挤毁变形；更换径向加载油缸组件的加载板组件对试验试件施加面载荷，对角线位置两个径向加载油缸组件非对称布置，使两个径向加载油缸的加载板组件在试验试件两侧上下正好错开并一起动作加载，此时在试验试件上存在一个剪切面，模拟套管在地层中受剪切作用，套管发生剪切变形损坏；更换径向加载油缸组件的加载板组件对试验试件施加面载荷，处于对角线位置两个径向加载油缸组件非对称布置，在实验试件两侧上下位置错开一定距离并一起加载，在套管轴线方向不同位置施加径向载荷，在轴向载荷共同作用下模拟套管发生屈曲变形。
所属类别：	发明专利