一種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)有一個立方體的機架，機架的內部由上至下順序連接安裝有液壓機、壓力傳導柱、壓頭、剪切刀、燕尾托塊、燕尾托塊槽、移動卡槽以及緩沖彈簧；液壓機的頂部通過信號傳輸線與機架頂部的壓力表相連接；液壓機一側與機架外部的控制接頭相連接；機架中部兩側設置有裝配孔。剪切力由液壓機提供；不同的調節(jié)管和匹配調節(jié)管，可實現對不同管徑的實驗套管開展實驗。該剪切實驗系統(tǒng)不僅可提供3000kN以上的剪切力，還適用于剪切不同管徑的固井套管，而且結構緊湊簡單、操作安全方便；同時還能夠模擬并測量采空區(qū)上覆錯動巖層對固井套管的剪切作用。
【專利說明】
一種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種固井套管剪切實驗系統(tǒng)，尤其是一種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]瓦斯抽采是煤礦瓦斯災害治理的根本措施。與井下抽采相比，地面鉆井抽采流量大、濃度高，是一種高效的抽采技術。鉆井抽采過程中，采場上覆相鄰巖層發(fā)生相對移動，將對鉆井固井套管產生巨大的剪切作用，可能導致套管破壞甚至完全錯斷。當套管發(fā)生破壞時，瓦斯從井下向地面流動的通道被隔斷，將造成鉆井抽采瓦斯流量大幅度降低，甚至使鉆井被迫停止抽采，極大影響鉆井抽采效果。此外，由于地面鉆井的施工成本較高，因此固井套管破壞也會造成了巨大的經濟損失。
[0003]提高地面鉆井井身穩(wěn)定性是鉆井高效抽采的關鍵難題。由于套管剪切破斷是套管最主要的破壞形式，因此目前對套管剪切特性的研究較多，但是大多都是從理論和數值計算方面開展的研究，難以為井身設計優(yōu)化提供科學指導。與此相比，對套管開展剪切實驗是研究套管剪切特性更加直接和科學的方法。通過對不同幾何尺寸和組合形式套管的剪切實驗，可得到套管抗剪強度和最大相對移動量的變化規(guī)律，為工程提供技術支持。
[0004]目前，剪切實驗機有很多，如應變控制式直剪儀、剪切萬能實驗機和三點抗剪切試驗機等，但是這些實驗裝置主要是針對土、巖石、玻璃和金屬材料等開展剪切實驗，無法對鋼管進行剪切實驗。此外，地面鉆井常用套管的材質為J55和N80，其抗剪強度分別為310MPa和410MPa以上。對于工程中常用的N80套管，以Φ 139.7 X 7.72 mm為例，若對其進行雙剪切，其破壞時需要實驗機提供的負荷在1300 kN以上，若是雙層組合套管，需要的負荷更大。然而，目前的剪切實驗機的最大負荷一般為300-500kN，根本無法使套管發(fā)生剪切破壞，因此無法達到套管剪切實驗的要求。

【發(fā)明內容】

[0005]為了解決目前無針對固井套管的剪切實驗系統(tǒng)，本發(fā)明提供一種剪切力大(3000kN以上)、適用于多個實驗管徑、結構緊湊的鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)，一種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)不僅適用于剪切不同管徑的固井套管，而且結構緊湊簡單、操作安全方便;同時，該鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)剪切壓力在3000KN以上，不僅能夠剪切不同管徑的套管，而且還能夠模擬測量采空區(qū)上覆發(fā)生相對位移的巖層對固井套管的剪切作用。
[0006]本發(fā)明所采用的技術方案是:一種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)，包括:壓力表，機架，移動卡槽，裝配孔，液壓機，壓力傳導柱，壓頭，剪切刀，調節(jié)管，燕尾托塊，托塊拉手，底座，緩沖彈簧，燕尾托塊槽，實驗套管，匹配調節(jié)管，控制接頭，信號傳輸線;一種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)有一個立方體的機架，機架的內部由上至下順序連接安裝有液壓機、壓力傳導柱、壓頭、剪切刀、燕尾托塊、燕尾托塊槽、移動卡槽以及緩沖彈簧;液壓機的頂部通過信號傳輸線與機架頂部的壓力表相連接，壓力表用于顯示壓力值的大小;液壓機一側與機架外部的控制接頭相連接;通過調節(jié)控制接頭能夠控制壓力傳導柱和壓頭的升降；剪切刀的底平面中部向上凹陷，形成半圓柱狀的橫向管槽，橫向管槽下部連接著燕尾托塊;燕尾托塊的上平面中部向下凹陷，形成與半圓柱狀的橫向管槽;剪切刀與燕尾托塊拼接后，形成了一個完整的圓柱狀管槽，管槽內吻合放置有調節(jié)管;調節(jié)管內吻合放置有實驗套管;調節(jié)管兩側設置有能夠拆卸更換的匹配調節(jié)管，匹配調節(jié)管外徑與機架中部兩側設置的裝配孔吻合匹配，匹配調節(jié)管的內徑匹配著不同管徑的實驗套管；調節(jié)管與匹配調節(jié)管聯合配套使用，人們可以根據不同管徑的實驗套管，更換相互配套的調節(jié)管和匹配調節(jié)管，增強了該系統(tǒng)的通用性;燕尾托塊的下部設有與之燕尾滑動匹配連接的燕尾托塊槽;燕尾托塊外表面上安裝有托塊拉手，托塊拉手能夠將燕尾托塊從燕尾托塊槽內拉出，取出被切斷的實驗套管;燕尾托塊槽底部兩側設有移動卡槽即卡帶，移動卡槽能夠使燕尾托塊槽卡在移動卡槽之下，防止燕尾托塊槽上竄；燕尾托塊槽的下部設置有緩沖彈簧，在實驗過程中緩沖彈簧提供向上的支撐力，可以很好的模擬采空區(qū)上覆發(fā)生相對位移的巖層對固井套管的剪切；緩沖彈簧下部與機架連接的部分為半圓形，可以避免在剪切實驗過程中機架下部分的應力集中，提高裝置的安全性;機架的最底部設置有底座，底座與地面的接觸面積較大，可以增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0007]使用時，調節(jié)控制接頭使壓力傳導柱和壓頭向上移動，為安放剪切刀和實驗套管留下足夠的空間；將與實驗套管外徑匹配的調節(jié)管和匹配調節(jié)管分別從裝配孔放入剪切實驗系統(tǒng);把實驗套管放入調節(jié)管和匹配調節(jié)管中，使實驗套管貫穿整個機架;將剪切刀置于調節(jié)管上部;調節(jié)控制接頭使壓力傳導柱和壓頭向下移動，進行實驗套管的剪切，液壓機產生的壓力會通過信號傳輸線傳遞給壓力表;切斷實驗套管后，調節(jié)控制接頭使壓力傳導柱和壓頭向上移動，取出剪切刀，通過托塊拉手拉出燕尾托塊，取出被剪切實驗套管，再從裝配孔中取出剩余的被剪切實驗套管。
[0008]本發(fā)明的有益效果:一種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)，通過配置大壓力的液壓機，可提供3000kN以上的剪切力，為地面鉆井固井套管和組合套管剪切實驗提供了基礎條件；此外，通過使用不同的調節(jié)管和匹配調節(jié)管，可對不同外徑的實驗套管開展實驗，增強了該系統(tǒng)的通用性;該實驗系統(tǒng)結構緊湊簡單、操作安全方便;同時還能夠模擬并測量采空區(qū)上覆錯動巖層對固井套管的剪切作用。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明的正面結構原理剖視圖圖2為本發(fā)明的側面結構原理剖視圖
圖中:1.壓力表，2.機架，201.移動卡槽，202.裝配孔，3.液壓機，4.壓力傳導柱，5.壓頭，6.剪切刀，7.調節(jié)管，8.燕尾托塊，801.托塊拉手，9.底座，10.緩沖彈簧，11.燕尾托塊槽，12.實驗套管，13.匹配調節(jié)管，14.控制接頭，15.信號傳輸線。
具體實施方案
[0010]一種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)，包括:壓力表I，機架2，移動卡槽201，裝配孔202，液壓機3，壓力傳導柱4，壓頭5，剪切刀6，調節(jié)管7，燕尾托塊8，托塊拉手801，底座9，緩沖彈簧10，燕尾托塊槽11，實驗套管12，匹配調節(jié)管13，控制接頭14，信號傳輸線15;—種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)有一個立方體的機架，機架2的內部由上至下順序連接安裝有液壓機3、壓力傳導柱4、壓頭5、剪切刀6、燕尾托塊8、燕尾托塊槽11、移動卡槽201以及緩沖彈簧10;液壓機3的頂部通過信號傳輸線15與機架2頂部的壓力表I相連接，壓力表I用于顯示壓力值的大小;液壓機3—側與機架2外部的控制接頭14相連接;通過調節(jié)控制接頭14能夠控制壓力傳導柱4和壓頭5的升降;剪切刀6的底平面中部向上凹陷，形成半圓柱狀的橫向管槽，橫向管槽下部連接著燕尾托塊8;燕尾托塊8的上平面中部向下凹陷，形成與半圓柱狀的橫向管槽;剪切刀6與燕尾托塊8拼接后，形成了一個完整的圓柱狀管槽，管槽內吻合放置有調節(jié)管7;調節(jié)管7內吻合放置有實驗套管12;調節(jié)管7兩側設置有能夠拆卸更換的匹配調節(jié)管13，匹配調節(jié)管13外徑與機架2中部兩側設置的裝配孔202吻合匹配，匹配調節(jié)管13的內徑匹配著不同管徑的實驗套管12;調節(jié)管7與匹配調節(jié)管13聯合配套使用，人們可以根據不同管徑的實驗套管12，更換相互配套的調節(jié)管7和匹配調節(jié)管13，增強了該系統(tǒng)的通用性；燕尾托塊8的下部設有與之燕尾滑動匹配連接的燕尾托塊槽11;燕尾托塊8外表面上安裝有托塊拉手801，托塊拉手801能夠將燕尾托塊8從燕尾托塊槽11內拉出，取出被切斷的實驗套管12;燕尾托塊槽11的下部設置有緩沖彈簧10，在實驗過程中緩沖彈簧10提供向上的支撐力，可以很好的模擬采空區(qū)上覆發(fā)生相對位移的巖層對固井套管的剪切;緩沖彈簧10下部與機架2連接的部分為半圓形，可以避免在剪切實驗過程中機架2下部分的應力集中，提高裝置的安全性;燕尾托塊槽11底部兩側設有移動卡槽201即卡帶，移動卡槽201能夠使燕尾托塊槽11卡在移動卡槽201之下，防止燕尾托塊槽11在緩沖彈簧10向上支撐力的作用下上竄;機架2的最底部設置有底座9，底座9與地面的接觸面積較大，可以增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0011]使用時，調節(jié)控制接頭14使壓力傳導柱4和壓頭5向上移動，為安放剪切刀6和實驗套管12留下足夠的空間；將與實驗套管12外徑匹配的調節(jié)管7和匹配調節(jié)管13分別從裝配孔202放入剪切實驗系統(tǒng);把實驗套管12放入調節(jié)管7和匹配調節(jié)管13中，使實驗套管12貫穿整個機架2;將剪切刀6置于調節(jié)管7上部;調節(jié)控制接頭14使壓力傳導柱4和壓頭5向下移動，進行實驗套管12的剪切，液壓機3產生的壓力會通過信號傳輸線15傳遞給壓力表I;切斷實驗套管12后，調節(jié)控制接頭14使壓力傳導柱4和壓頭5向上移動，取出剪切刀6，通過托塊拉手801拉出燕尾托塊8，取出被剪切實驗套管12，再從裝配孔202中取出剩余的被剪切實驗套管12。
【主權項】
1.一種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)，包括:壓力表(I)，機架(2)，移動卡槽(201)，裝配孔(202)，液壓機(3)，壓力傳導柱(4)，壓頭(5)，剪切刀(6)，調節(jié)管(7)，燕尾托塊(8)，托塊拉手(801)，底座(9)，緩沖彈簧(10)，燕尾托塊槽(11)，實驗套管(12)，匹配調節(jié)管(13)，控制接頭(14)，信號傳輸線(15);—種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)有一個立方體的機架(2)，其特征是:機架(2)的內部由上至下順序連接安裝有液壓機(3)、壓力傳導柱(4)、壓頭(5)、剪切刀(6)、燕尾托塊(8)、燕尾托塊槽(I I)、移動卡槽(201)以及緩沖彈簧(10)；液壓機(3)的頂部通過信號傳輸線(15)與機架(2)頂部的壓力表(I)相連接;液壓機(3)—側與機架(2)外部的控制接頭(14)相連接;機架(2)中部兩側設置有裝配孔(202)。2.根據權利要求1所述的一種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)，其特征是:剪切刀(6)的底平面中部向上凹陷，形成半圓柱狀的橫向管槽，橫向管槽下部連接著燕尾托塊(8);燕尾托塊(8)的上平面中部向下凹陷，形成與半圓柱狀的橫向管槽;剪切刀(6)與燕尾托塊(8)拼接后，形成了一個完整的圓柱狀管槽，管槽內吻合放置有調節(jié)管(7);調節(jié)管(7)內吻合放置有實驗套管(12);調節(jié)管(7)兩側設置有能夠拆卸更換的匹配調節(jié)管(13)，匹配調節(jié)管(13)外徑與機架(2)中部兩側設置的裝配孔(202)吻合匹配。3.根據權利要求1所述的一種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)，其特征是:燕尾托塊(8)的下部設有與之燕尾滑動匹配連接的燕尾托塊槽(11);燕尾托塊(8)外表面上安裝有托塊拉手(801)。4.根據權利要求1所述的一種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)，其特征是:燕尾托塊槽(11)底部兩側設有移動卡槽(201)即卡帶，移動卡槽(201)能夠使燕尾托塊槽(11)卡在移動卡槽(201)之下，防止燕尾托塊槽(11)上竄。5.根據權利要求1所述的一種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)，其特征是:燕尾托塊槽(11)的下部設置有緩沖彈簧(10)，緩沖彈簧(10)下部與機架(2)連接的部分為半圓形。6.根據權利要求1所述的一種鉆井固井套管剪切實驗系統(tǒng)，其特征是:機架(2)的最底部設置有底座(9)。
【文檔編號】G01N3/24GK106018125SQ201610333516
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】劉應科, 周福寶, 張紹峰, 王建龍, 昌立鵬
【申請人】中國礦業(yè)大學