一種高溫下封隔器膠筒接觸應(yīng)力測(cè)試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及井下工具測(cè)試裝置及方法領(lǐng)域中的一種用于高溫下封隔器膠筒接觸 應(yīng)力測(cè)試裝置及利用該測(cè)試裝置進(jìn)行接觸應(yīng)力測(cè)試的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 封隔器在井下高溫高壓的工況下，膠筒的耐高溫力學(xué)性能顯得尤為重要，因此對(duì) 井下工具模擬井下工況，進(jìn)行高溫強(qiáng)化試驗(yàn)和數(shù)據(jù)檢測(cè)，不僅對(duì)井下工具的開(kāi)發(fā)研制具有 重要意義，對(duì)已經(jīng)推廣使用的封隔器，定期進(jìn)行抽樣檢測(cè)，確保其使用安全可靠，也是必不 可少的。
[0003] 目前國(guó)內(nèi)外各油田和公司的井下工具試驗(yàn)設(shè)備都朝著模擬條件準(zhǔn)確、測(cè)試手段完 備、測(cè)試數(shù)據(jù)齊全、測(cè)試精度高等方向發(fā)展。目前，鉆采工具及工藝技術(shù)和裝備的模擬試驗(yàn) 已作為油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中鉆采工具研究的基礎(chǔ)和重要組成部分。建設(shè)封隔器的密封與錨定 性能測(cè)試裝置是進(jìn)行多種井下鉆采工具及工藝研究必不可少的試驗(yàn)手段。
[0004] 總之，只有物理模擬試驗(yàn)才能獲得現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)無(wú)法取得的或在短時(shí)期內(nèi)不可能取得 的中間試驗(yàn)數(shù)據(jù)；也只有模擬試驗(yàn)才能大大縮短科研周期，有效地克服未經(jīng)任何中間試驗(yàn) 就把新產(chǎn)品、新工藝投入現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)井使用的弊端。從而可以避免一些不必要的無(wú)功作業(yè)和 經(jīng)濟(jì)損失，使科研成果更具有科學(xué)性、可靠性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀，提出一種高效實(shí)用的高溫下封隔器膠筒 接觸應(yīng)力測(cè)試裝置及方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)路線是：由于封隔器膠筒接觸位置在套管內(nèi)部，一般無(wú)法直接測(cè)試 到其接觸力值，但是接觸力會(huì)使套管變形，套管表面的變形反應(yīng)了內(nèi)部接觸力的大小和分 布情況，因此只要測(cè)出套筒表面的變形，就可以推算出套管內(nèi)部接觸力。通過(guò)溫控表設(shè)定試 驗(yàn)溫度，高溫箱內(nèi)的電加熱器對(duì)試樣進(jìn)行加熱，溫度穩(wěn)定后，通過(guò)交流伺服系統(tǒng)裝置對(duì)封隔 器膠筒施加設(shè)定載荷，封隔膠筒外管壁環(huán)向粘貼高溫應(yīng)變片，交流伺服系統(tǒng)保持設(shè)定載荷 穩(wěn)定一段時(shí)間，測(cè)定該過(guò)程中封隔膠筒外管壁表面特征點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過(guò)應(yīng)變分析儀采 集應(yīng)變值傳輸給應(yīng)力數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算。
[0007] 其具體方案包括：
[0008] 首先，一種高溫下封隔器膠筒接觸應(yīng)力測(cè)試裝置包括，試驗(yàn)套管、封隔器膠筒、高 溫箱、加載裝置、加載桿、橫梁、壓力傳感器、應(yīng)變分析儀、應(yīng)變數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)和支撐體；其 中：試驗(yàn)套管被設(shè)置在底部加固封閉的實(shí)驗(yàn)套管內(nèi)；實(shí)驗(yàn)套管連同其內(nèi)的封隔器膠筒被設(shè) 置在高溫箱內(nèi)，高溫箱內(nèi)設(shè)置加熱器，高溫箱的外壁設(shè)置保溫材料，高溫箱的上部貫穿有加 載桿，加載桿連接在其上方的橫梁上，加載桿與橫梁之間連接有壓力傳感器，橫梁與高溫箱 外部的支撐體連接，加載桿與實(shí)驗(yàn)套管內(nèi)的封隔器膠筒構(gòu)成縱向擠壓配合；應(yīng)變分析儀帶 有多個(gè)應(yīng)變片，多個(gè)應(yīng)變片被間隔粘貼在實(shí)驗(yàn)套管的外壁上，應(yīng)變片通過(guò)耐高溫導(dǎo)線與應(yīng) 變分析儀連接，應(yīng)變分析儀與應(yīng)變數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)建立連接；所述的加載裝置設(shè)置在橫梁 與支撐體之間，或者是設(shè)置在橫梁與加載桿之間，或者是設(shè)置在實(shí)驗(yàn)套管底部與高溫箱底 部之間，或者是通過(guò)貫穿高溫箱底部的支撐桿連接在實(shí)驗(yàn)套管底部與支撐體之間。
[0009] 上述方案還包括：所述的加載裝置是由交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿組成的直線 驅(qū)動(dòng)電機(jī)。高溫箱采用熱電偶作為加熱器，并與溫控儀連接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫；高溫箱箱體前面 開(kāi)有活動(dòng)門(mén)，門(mén)邊采用耐高溫氟橡膠密封；高溫箱上、下需要貫穿加載桿時(shí)或支撐桿時(shí)，其 圓孔采用耐高溫石棉紗密封。橫梁與支撐體采用軌道和滑輪配合連接。
[0010] 其次，按照上述的高溫下封隔器膠筒接觸應(yīng)力測(cè)試裝置的測(cè)試方法是：設(shè)定高溫 箱內(nèi)試驗(yàn)溫度，試驗(yàn)溫度穩(wěn)定后，通過(guò)加載裝置給實(shí)驗(yàn)套管內(nèi)的封隔器膠筒設(shè)定加載力和 加載力穩(wěn)定時(shí)間，測(cè)得封隔膠筒表面特征點(diǎn)在外載作用力下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，應(yīng)變分析儀將采 集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)變數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)上，通過(guò)應(yīng)力數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)計(jì)算出應(yīng)力、應(yīng)變 的大小和分布規(guī)律，以及隨溫度變化的規(guī)律。
[0011] 所述應(yīng)力數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的計(jì)算方法如下：
[0012] 設(shè)套管表面有η個(gè)測(cè)試點(diǎn)，套管內(nèi)壁作用沿有環(huán)向方向的作用力P，作用在任一測(cè) 試點(diǎn)i處的接觸力Pi，在Pi單獨(dú)作用下各測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變分別為ε i，當(dāng)Ρ連續(xù)分布在測(cè)試點(diǎn) 1~i上時(shí)，則任一測(cè)試點(diǎn)i處應(yīng)變等于各點(diǎn)接觸力對(duì)i點(diǎn)引起的應(yīng)變?chǔ)胖?，通過(guò)有限元 方法計(jì)算出該值；
[0013] 設(shè)1到15號(hào)應(yīng)變片的應(yīng)變依次為ε ΑΙΟ6，ε2Χ1〇6，ε3Χ1〇6， ε4Χ1〇6,……ε 15Χ1〇6,套筒內(nèi)部與各應(yīng)變片對(duì)應(yīng)處的內(nèi)壓分別記SPi，P2，P 3......P15， 單位為MPa，用以反算封隔器膠筒和實(shí)驗(yàn)套管接觸應(yīng)力的數(shù)據(jù)矩陣設(shè)為J，記J的逆矩陣為 J1，且
[0014] 令{ ε } = [ ε ! ε 2 ε 3 ε 4 ε 5 ε 6 ε 7 ε s ε 9 ε 10 ε η ε 12 ε 13 ε 14 ε 15]τ
[0015] {ρ} = [ρ! ρ2 ρ3 ρ4 ρ5 ρ6 ρ7 ρ8 ρ9 ρ10 ρη ρ12 ρ13 ρ14 ρ15]τ
[0016] 則{ρ}:】1。}
[0017] 將試驗(yàn)測(cè)得應(yīng)變數(shù)值代入上式，即可算得對(duì)應(yīng)應(yīng)變片處的套筒內(nèi)壁壓應(yīng)力。
[0018] 本發(fā)明的原理為通過(guò)高溫箱設(shè)定試驗(yàn)溫度，通過(guò)加載裝置施加載荷，測(cè)得封隔膠 筒外管壁表面特征點(diǎn)在外載作用力下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，利用有限元應(yīng)力計(jì)算系統(tǒng)得出應(yīng)力、應(yīng) 變的大小和分布規(guī)律，以及隨溫度變化的規(guī)律，測(cè)試包括封隔器膠筒應(yīng)變、軸向位移、試驗(yàn) 溫度等數(shù)據(jù)。
[0019] 本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)和技術(shù)效果：
[0020] (1)可以模擬井下的高溫工況，使得試驗(yàn)過(guò)程更符合實(shí)際工作情況。
[0021] (2)實(shí)現(xiàn)了封隔器膠筒接觸應(yīng)力的測(cè)試，可測(cè)得封隔膠筒表面特征點(diǎn)在外載作用 力下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，利用應(yīng)力數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)得出應(yīng)力、應(yīng)變的大小和分布規(guī)律，測(cè)試數(shù)據(jù)包括 封隔器膠筒的應(yīng)變，軸向位移，試驗(yàn)溫度。
[0022] (3)本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、工作可靠、精確度較高、使用壽命較長(zhǎng)，實(shí) 現(xiàn)了高溫條件下橡膠性能測(cè)試裝置的小型多功能特點(diǎn)，設(shè)備占用范圍小，試驗(yàn)成本低，適于 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的一種裝置實(shí)施例結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0024] 圖1中：21、封隔器膠筒和試驗(yàn)套管部分；22、高溫箱；23、加載裝置；24、應(yīng)變分析 儀；25、應(yīng)變數(shù)據(jù)分析計(jì)算機(jī)；26、橫梁；27、壓力傳感器；28、加載桿；29、觸摸顯示器。
[0025] 圖2為圖1中的封隔器膠筒和試驗(yàn)套管部分的放大圖。
[0026] 圖2中：1、2、3、4……15、高溫應(yīng)變片；16、試驗(yàn)套管；17、封隔器膠筒。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：
[0028] 按照?qǐng)D1、2所示，本試驗(yàn)裝置中封隔器膠筒17裝在試驗(yàn)套管16里面。試驗(yàn)套管 16安置在高溫箱22里，高壓箱22設(shè)置在支撐體內(nèi)部。試驗(yàn)套管16由下至上沿軸向方向每 隔10mm粘貼高溫應(yīng)變片（1……15)，為方便測(cè)試時(shí)數(shù)據(jù)的記錄，對(duì)其編號(hào)后通過(guò)高溫導(dǎo)線 連接到應(yīng)變分析儀24上。加載裝置23內(nèi)設(shè)有交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)滾珠絲