一種模擬注蒸汽井套管熱強度的測試方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利涉及石油與天然氣鉆井工程技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種模擬注蒸汽井套管熱強度的測試方法及裝置。
技術(shù)背景
[0002]在油氣鉆井和生產(chǎn)過程中，石油套管起著保護井眼、加固井壁、隔絕井中的油、氣、水層及封固各種復(fù)雜地層的作用。然而，在稠油井注高溫蒸汽熱采過程中，套管會同時受到蒸汽溫度和壓力的作用，其中溫度及溫度變化對套管抗內(nèi)壓屈服強度具有較大的影響，主要表現(xiàn)為以下兩個方面:第一，較高的井筒溫度影響套管抗拉屈服應(yīng)力、彈性模量和線膨脹系數(shù)等材料性能；第二，溫度變化即溫差會導(dǎo)致套管受到附加的熱載荷(主要包括軸向拉伸載荷或壓縮載荷)；第三，注蒸汽井套管產(chǎn)生的環(huán)向殘余應(yīng)力會降低套管強度。由此可知，溫度不僅會在套管柱上產(chǎn)生附加載荷，而且也會降低套管柱的材料性能，增加套管柱發(fā)生內(nèi)壓屈服失效的可能性。因此，準(zhǔn)確測試并獲取不同注氣溫度和壓力下套管的熱強度及環(huán)向殘余應(yīng)力是熱采井套管柱強度設(shè)計的關(guān)鍵。
[0003]目前，關(guān)于套管強度的試驗研究僅停留在常溫常壓條件下，而針對高溫高壓下套管熱強度和熱應(yīng)力的研究，國內(nèi)外學(xué)者也僅基于經(jīng)驗公式做了大量的理論研究，建立了相應(yīng)計算模型，但由于缺乏試驗數(shù)據(jù)的驗證，模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性有待改進并完善。為此，本發(fā)明提出一種熱采井注氣過程中套管熱應(yīng)力的測試方法及裝置，可準(zhǔn)確測試并獲取不同注氣溫度和壓力下套管的熱強度及環(huán)向殘余應(yīng)力，促進注蒸汽井套管熱強度研究的進一步發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種模擬注蒸汽井套管熱強度的測試方法及裝置，以解決注蒸汽井套管熱強度難以準(zhǔn)確獲取的技術(shù)難題，為注蒸汽井套管強度設(shè)計提供重要參考，并在達到上述目的的同時，簡化測試裝置的復(fù)雜性，降低設(shè)備的成本。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:利用加熱爐給兩端用左堵頭、右堵頭(左堵頭帶有外螺紋和進氣口，右堵頭帶有外螺紋和出氣口)和剛性絲桿固定的套管(兩端內(nèi)壁上開有與左堵頭和右堵頭匹配的內(nèi)螺紋)加熱，加熱到設(shè)定溫度(模擬熱采井注氣溫度)時，通過左堵頭的進氣口緩慢向套管內(nèi)注入惰性氣體(如二氧化碳或氮氣，模擬注氣壓力)，同時采用應(yīng)變儀記錄不同注氣壓力下套管應(yīng)變及對應(yīng)時間，基于應(yīng)變測試數(shù)據(jù)繪制注氣壓力與套管應(yīng)變和等效應(yīng)力的關(guān)系曲線，通過計算得到該溫度下套管的抗內(nèi)壓屈服強度及泄壓后的環(huán)向殘余應(yīng)力，改變注氣溫度可以得到不同溫度下套管的抗內(nèi)壓屈服強度和環(huán)向殘余應(yīng)力，所述的模擬注蒸汽井套管熱強度的測試方法包括以下步驟:
a.利用左堵頭、右堵頭及密封圈將套管進行密封，用剛性絲桿將套管兩端進行固定，限制套管在加熱過程中發(fā)生軸向變形；
b.將高溫直角應(yīng)變片和單軸應(yīng)變片粘貼在套管外壁，并與應(yīng)變儀連接，其中高溫直角應(yīng)變片用于測量套管抗內(nèi)壓屈服強度，單軸應(yīng)變片用于溫度補償；
C.將準(zhǔn)備好的套管放入加熱爐，加熱套管至設(shè)定溫度；
d.通過進氣口向套管緩慢注入惰性氣體，同時用應(yīng)變儀記錄不同注氣壓力下套管應(yīng)變及對應(yīng)時間；
e.當(dāng)注氣壓力達到設(shè)定壓力時，開始降壓，直到降為大氣壓，觀察大氣壓對應(yīng)的環(huán)向應(yīng)變，如果沒有殘余應(yīng)變產(chǎn)生，增加注氣壓力，直到產(chǎn)生殘余應(yīng)變?yōu)橹梗?br> f.繪制注入壓力與套管環(huán)向應(yīng)變和等效應(yīng)力的關(guān)系曲線，直接讀取套管的抗內(nèi)壓屈服強度，基于環(huán)向殘余應(yīng)變計算得到套管環(huán)向殘余應(yīng)力；
g.套管屈服后，改變注氣壓力，重復(fù)步驟d、e和f得到套管抗內(nèi)壓屈服強度，對比分析循環(huán)注蒸汽對套管抗內(nèi)壓屈服強度和環(huán)向殘余應(yīng)力的影響規(guī)律；
h.改變加熱溫度及注氣溫度，重復(fù)步驟d、e、f、g可以得到不同注氣溫度下套管抗內(nèi)壓屈服強度和環(huán)向殘余應(yīng)力及循環(huán)注蒸汽對套管抗內(nèi)壓屈服強度和環(huán)向殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。
[0006]為使用上述方法，本發(fā)明提供一種模擬注蒸汽井套管熱強度的測試裝置，主要包括:左堵頭、右堵頭、剛性絲桿、高溫直角應(yīng)變片、套管、加熱爐、密封圈、高溫導(dǎo)線、高溫單軸應(yīng)變片、應(yīng)變儀，其中加熱爐用于給套管施加溫度，左堵頭帶有外螺紋和進氣口，右堵頭帶有外螺紋、出氣口和壓力表，高溫直角應(yīng)變片用于測量套管的熱強度，高溫單軸應(yīng)變片用于溫度補償，套管兩端內(nèi)壁上開有與左堵頭和右堵頭匹配的內(nèi)螺紋，左堵頭和右堵頭與套管之間通過螺紋和密封圈進行密封，通過剛性絲杠連接左堵頭和右堵頭對套管兩端進行固定，用于限制套管在加溫過程中發(fā)生軸向變形。
[0007]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
本發(fā)明提供的測試方法及裝置可準(zhǔn)確模擬測試并獲取注蒸汽井在不同注氣溫度下的套管抗內(nèi)壓屈服強度和環(huán)向殘余應(yīng)力，以及循環(huán)注蒸汽對套管抗內(nèi)壓屈服強度和環(huán)向殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，可為注蒸汽井套管抗內(nèi)壓屈服強度的優(yōu)化設(shè)計及其理論研究提供有力的指導(dǎo)。
【附圖說明】
[0008]圖1為測試裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0009]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進行詳細描述。
[0010]本發(fā)明利用加熱爐給兩端用左堵頭、右堵頭(左堵頭帶有外螺紋和進氣口，右堵頭帶有外螺紋和出氣口)和剛性絲桿固定的套管(兩端內(nèi)壁上開有與左堵頭和右堵頭匹配的內(nèi)螺紋)加熱，加熱到設(shè)定溫度(模擬注氣溫度)時，通過左堵頭的進氣口緩慢向套管內(nèi)注入惰性氣體(如二氧化碳或氮氣，模擬注氣壓力)，同時采用應(yīng)變儀記錄不同注氣壓力下套管應(yīng)變及對應(yīng)時間，基于應(yīng)變測試數(shù)據(jù)繪制注氣壓力與套管應(yīng)變和等效應(yīng)力的關(guān)系曲線，通過計算得到該溫度下套管的抗內(nèi)壓屈服強度及泄壓后的環(huán)向殘余應(yīng)力，改變注氣溫度可以得到不同溫度下套管的抗內(nèi)壓屈服強度和環(huán)向殘余應(yīng)力。
[0011]如圖1所示，為使用上述方法，本發(fā)明提供一種模擬注蒸汽