本發(fā)明涉及一種油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種油氣井爆炸射孔管柱力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

射孔作業(yè)的目的在于使井筒與油氣層之間形成通路，射孔技術(shù)的發(fā)展與完善對(duì)油氣田的高效開(kāi)采具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

油管傳輸射孔是常用的一種射孔方式，但是射孔時(shí)，射孔彈的爆炸沖擊波以及射孔載荷會(huì)使油管柱發(fā)生變形、封隔器損壞失效等井下事故，故對(duì)于射孔時(shí)管柱受力分析顯得尤為重要。然而國(guó)內(nèi)外的研究主要集中于動(dòng)靜力學(xué)的數(shù)值模擬，必要的實(shí)驗(yàn)手段和研究方法也不夠完善，傳統(tǒng)的模擬和測(cè)試方式難以全面的對(duì)管柱的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。

在爆炸沖擊及高溫高壓環(huán)境下，射孔槍的本體材料性能與常態(tài)下的材料性能會(huì)發(fā)生變化，目前的動(dòng)靜力學(xué)的數(shù)值模擬無(wú)法有效的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)進(jìn)行指導(dǎo)，時(shí)常會(huì)發(fā)生油管柱變形導(dǎo)致的管柱遇卡、或者射孔槍腔體炸裂等事故。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種油氣井爆炸射孔管柱力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，其能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提前進(jìn)行預(yù)判，指導(dǎo)施工作業(yè)以避免事故的發(fā)生。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種油氣井爆炸射孔管柱力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于：該裝置包括高溫高壓發(fā)生器、高溫高壓容器、射孔管柱、電纜、信號(hào)放大器、a/d轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)；所述高溫高壓發(fā)生器經(jīng)管道與所述高溫高壓容器連接；所述射孔管柱設(shè)置在所述高溫高壓容器內(nèi)，且所述射孔管柱與所述電纜連接；所述電纜將所述射孔管柱測(cè)量信號(hào)傳輸?shù)剿鲂盘?hào)放大器，同時(shí)通過(guò)所述電纜引爆射孔槍?zhuān)凰鯽/d轉(zhuǎn)換器將所述信號(hào)放大器傳輸至的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入給所述計(jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，得出整個(gè)管柱在爆炸時(shí)的振動(dòng)及受力情況。

所述高溫高壓發(fā)生器與所述高溫高壓容器之間的管道上設(shè)置有安全閥和泄壓裝置。

所述高溫高壓容器的內(nèi)部裝有壓力傳感器及溫度傳感器。

所述射孔管柱包括射孔槍、加速度測(cè)試短節(jié)a、減震器、加速度測(cè)試短節(jié)b、封隔器、油管和外部套管；所述射孔槍、加速度測(cè)試短節(jié)a、減震器、加速度測(cè)試短節(jié)b、封隔器以及油管均位于所述外部套管內(nèi)部；所述射孔槍頂部依次設(shè)置有所述加速度測(cè)試短節(jié)a、減震器、加速度測(cè)試短節(jié)b和油管，位于所述油管與所述外部套管之間設(shè)置有所述封隔器。

所述加速度測(cè)試短節(jié)a和加速度測(cè)試短節(jié)b內(nèi)部都固定有一個(gè)加速度傳感器支架，該支架與所述加速度測(cè)試短節(jié)a或所述和加速度測(cè)試短節(jié)b之間采用螺釘進(jìn)行連接，并在螺釘上涂抹有鎖固膠；沖擊加速度傳感器a、沖擊加速度傳感器b和沖擊加速度傳感器c按照?qǐng)A柱坐標(biāo)系的方位布置在所述加速度傳感器支架上。

所述沖擊加速度傳感器a與所述加速度測(cè)試短節(jié)a的回轉(zhuǎn)軸重合，用于測(cè)試軸向加速度；所述沖擊加速度傳感器b沿徑向布置，用于測(cè)試徑向加速度；所述沖擊加速度傳感器c與所述沖擊加速度傳感器b垂直，沿切向布置，用于測(cè)試周向加速度。

所述外部套管上設(shè)置有壓力傳感器a和壓力傳感器b；兩壓力傳感器均通過(guò)螺紋連接在所述外部套管的套管壁上，并涂抹螺紋鎖固膠，所述兩壓力傳感器的敏感元件朝向所述外部套管的內(nèi)部；所述壓力傳感器a位于靠近所述射孔槍的一側(cè)，位于所述封隔器下方；所述壓力傳感器b位于所述封隔器的上方。

一種采用上述裝置的油氣井爆炸射孔管柱力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于包括以下步驟：s1：將射孔彈裝入射孔槍中，并對(duì)彈型進(jìn)行記錄；s2：將三個(gè)沖擊加速度傳感器按照?qǐng)A柱坐標(biāo)系的方位固定在加速度傳感器固定支架上；s3：將壓力傳感器分別布置在外部套管內(nèi)部，并固定牢靠；s4：對(duì)射孔管柱進(jìn)行連接，從下往上依次為：射孔槍、加速度測(cè)試短節(jié)a、減震器、加速度測(cè)試短節(jié)b、封隔器以及油管，并將外部套管套設(shè)在上述部件之外；s5：檢查高溫高壓容器的頂部和側(cè)壁的溫度、壓力測(cè)點(diǎn)；s6：將裝配好的射孔管柱送入高溫高壓容器中，將從高溫高壓容器中引出的電纜與信號(hào)放大器連接；s7：將信號(hào)放大器、a/d轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)依次連接，測(cè)試和調(diào)節(jié)信號(hào)放大器，并對(duì)原始的信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于待工作狀態(tài)；s8：通過(guò)導(dǎo)爆索引爆射孔槍1上的射孔彈，壓力傳感器a和壓力傳感器b采集射孔管柱所受到的瞬時(shí)壓力場(chǎng)；加速度測(cè)試短節(jié)a和加速度測(cè)試短節(jié)b內(nèi)部的沖擊加速度傳感器實(shí)時(shí)采集軸向、徑向和切向三個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)；所有的壓力、加速度數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)放大器進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后匯入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)；s9：計(jì)算機(jī)根據(jù)采集的加速度數(shù)據(jù)計(jì)算出射孔作業(yè)時(shí)射孔管柱的速度變化曲線、位移變化曲線；同時(shí)，根據(jù)采集的壓力數(shù)據(jù)計(jì)算出射孔作業(yè)時(shí)射孔管柱的壓力變化曲線，通過(guò)對(duì)速度、加速度、位移以及壓力的分析，結(jié)合射孔管柱的材料本構(gòu)關(guān)系，分析出對(duì)射孔管柱的影響因素。

所述射孔槍的導(dǎo)爆索順次穿過(guò)所述加速度測(cè)試短節(jié)a、減震器、加速度測(cè)試短節(jié)b、封隔器、油管、外部套管以及高溫高壓容器，最后與所述信號(hào)放大器連接。

所述加速度測(cè)試短節(jié)a上的各加速度傳感器的數(shù)據(jù)線順次穿過(guò)所述加速度測(cè)試短節(jié)b、封隔器、油管、外部套管以及高溫高壓容器，最后與所述信號(hào)放大器連接；所述加速度測(cè)試短節(jié)b上的各加速度傳感器的數(shù)據(jù)線順次穿過(guò)所述封隔器、油管、外部套管以及高溫高壓容器，最后與所述信號(hào)放大器連接；所述壓力傳感器的數(shù)據(jù)線順次穿過(guò)所述外部套管以及高溫高壓容器，最后與所述信號(hào)放大器連接。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明真實(shí)模擬實(shí)際射孔作業(yè)工況，對(duì)因爆炸產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊以及壓力變化進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)測(cè)試管柱變形提供理論支持。2、本發(fā)明根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以對(duì)減震器以及測(cè)試聯(lián)合作業(yè)時(shí)井下儀器的選取提供科學(xué)的依據(jù)，減少因爆炸產(chǎn)生的管柱變形及儀器失效。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的套管射孔管柱結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的加速度測(cè)試短節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明壓力傳感器的安裝示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述，本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種油氣井爆炸射孔管柱力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其包括高溫高壓發(fā)生器1、高溫高壓容器2、射孔管柱3、電纜4、信號(hào)放大器5、a/d轉(zhuǎn)換器6和計(jì)算機(jī)7。高溫高壓發(fā)生器1經(jīng)管道與高溫高壓容器2連接，并在高溫高壓發(fā)生器1與高溫高壓容器2之間的管道上設(shè)置有安全閥和泄壓裝置(圖中未示出)。高溫高壓容器2的內(nèi)部裝有壓力傳感器及溫度傳感器(圖中未顯示)，形成對(duì)整個(gè)井底環(huán)境的真實(shí)模擬。射孔管柱3設(shè)置在高溫高壓容器2內(nèi)，且射孔管柱3與電纜4連接。電纜4將射孔管柱3測(cè)量信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)放大器5，同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)電纜4引爆射孔槍。a/d轉(zhuǎn)換器6將信號(hào)放大器5傳輸至的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入給計(jì)算機(jī)7。在計(jì)算機(jī)7中，通過(guò)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，得出整個(gè)管柱在爆炸時(shí)的振動(dòng)及受力情況。

在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施例中，如圖2所示，射孔管柱3根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行組合，圖中為套管射孔完井的部分射孔管柱。射孔管柱3包括射孔槍301、加速度測(cè)試短節(jié)a302、減震器303、加速度測(cè)試短節(jié)b304、封隔器305、油管306和外部套管307；射孔槍301、加速度測(cè)試短節(jié)a302、減震器303、加速度測(cè)試短節(jié)b304、封隔器305以及油管306均位于外部套管307內(nèi)部。射孔槍301頂部依次設(shè)置有加速度測(cè)試短節(jié)a302、減震器303、加速度測(cè)試短節(jié)b304和油管306，位于油管306與外部套管307之間設(shè)置有封隔器305。本發(fā)明采用兩個(gè)加速度測(cè)試短節(jié)可以方便布置傳感器，布線簡(jiǎn)單。在油管306輸送射孔與地層測(cè)試聯(lián)合作業(yè)時(shí)，經(jīng)查需要在射孔管柱3上連接壓力計(jì)、時(shí)鐘等井下儀器。而在連接有減震器303之后，射孔槍301爆炸的瞬間，減震器303的下部以及上部的振動(dòng)及加速度情況的區(qū)別不是很清楚，因此在減震器303的上部和下部均安裝有加速度測(cè)試短節(jié)。減震器303上部可能安裝的一些井下儀器(壓力計(jì)、時(shí)鐘等)并未在該管柱中出現(xiàn)，只是對(duì)爆炸后的振動(dòng)和加速度情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施例中，加速度測(cè)試短節(jié)a302與加速度測(cè)試短節(jié)b304結(jié)構(gòu)相同，以加速度測(cè)試短節(jié)a302為例作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖3所示，加速度測(cè)試短節(jié)a302內(nèi)部固定有一個(gè)加速度傳感器支架401，該支架與加速度測(cè)試短節(jié)a302之間采用螺釘進(jìn)行連接，并在螺釘上涂抹有鎖固膠。沖擊加速度傳感器a402、沖擊加速度傳感器b403和沖擊加速度傳感器c405按照?qǐng)A柱坐標(biāo)系的方位(軸向、徑向和切向)布置在加速度傳感器支架401上。沖擊加速度傳感器具有剛度高、響應(yīng)快、g值大的特點(diǎn)，廣泛用于爆炸試驗(yàn)等場(chǎng)合。

上述實(shí)施例中，沖擊加速度傳感器a402與加速度測(cè)試短節(jié)a302的回轉(zhuǎn)軸重合，用于測(cè)試軸向加速度(縱向振動(dòng))；沖擊加速度傳感器b403沿徑向布置，用于測(cè)試徑向加速度；沖擊加速度傳感器c405與沖擊加速度傳感器b403垂直，沿切向布置，用于測(cè)試周向加速度。用于連接三個(gè)沖擊加速度傳感器的三條電纜a404一起綁扎成一捆后作為電纜4。

在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施例中，如圖4所示，外部套管307上設(shè)置有壓力傳感器a406和壓力傳感器b407。兩壓力傳感器均通過(guò)螺紋連接在外部套管307的套管壁上(并涂抹螺紋鎖固膠)，壓力傳感器的敏感元件朝向外部套管307的內(nèi)部，用于測(cè)量套管307內(nèi)部的壓力。壓力傳感器a406位于靠近射孔槍301的一側(cè)，位于封隔器305下方；壓力傳感器b407位于封隔器305的上方。當(dāng)射孔槍301爆炸時(shí)，可以測(cè)得封隔器305兩側(cè)的瞬時(shí)壓力，進(jìn)而分析爆炸的封隔器密封性能的影響。

采用上述實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行爆炸射孔管柱力學(xué)的實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明還提供一種油氣井爆炸射孔管柱力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，該方法通過(guò)已知的油井的壓力和溫度梯度設(shè)置實(shí)驗(yàn)的溫度和壓力，對(duì)射孔管柱在高溫高壓下爆炸后產(chǎn)生的沖擊進(jìn)行測(cè)量，改變以往僅僅對(duì)常態(tài)下管柱的軸向振動(dòng)(即縱向振動(dòng))的影響，綜合判斷不同彈型、射孔槍在不同壓力和溫度下對(duì)射孔管柱的影響。而且本發(fā)明試驗(yàn)方法也可用于裸眼射孔完井的管柱力學(xué)測(cè)量。

本發(fā)明的方法包括以下步驟：

s1：將射孔彈裝入射孔槍301中，并對(duì)彈型進(jìn)行記錄；在高溫高壓環(huán)境下，火藥的分解與常溫常壓相比會(huì)加快，可能會(huì)導(dǎo)致爆炸的能量不集中，從而導(dǎo)致射孔槍局部失效，對(duì)管柱產(chǎn)生新的振動(dòng)源。

s2：將三個(gè)沖擊加速度傳感器按照?qǐng)A柱坐標(biāo)系的方位固定在加速度傳感器固定支架上，務(wù)必固定牢靠。

s3：將壓力傳感器分別布置在外部套管內(nèi)部，并固定牢靠。

s4：對(duì)射孔管柱3進(jìn)行連接，從下往上依次為：射孔槍301、加速度測(cè)試短節(jié)a302、減震器303、加速度測(cè)試短節(jié)b304、封隔器305以及油管306，并將外部套管307套設(shè)在上述部件之外。

s5：檢查高溫高壓容器2的頂部和側(cè)壁的溫度、壓力測(cè)點(diǎn)，壓力傳感器能夠準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)容器在射孔瞬間壓力變化，分析射孔瞬間的壓力變化規(guī)律，繪制精確的壓力-時(shí)間曲線步驟。

s6：步驟s5結(jié)束后，將裝配好的射孔管柱3送入高溫高壓容器2中，將從高溫高壓容器2中引出的電纜與信號(hào)放大器5連接。

s7：將信號(hào)放大器5、a/d轉(zhuǎn)換器6和計(jì)算機(jī)7依次連接，測(cè)試和調(diào)節(jié)信號(hào)放大器5，并對(duì)原始的信號(hào)進(jìn)行處理，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)處于待工作狀態(tài)。

s8：通過(guò)導(dǎo)爆索引爆射孔槍301上的射孔彈，壓力傳感器a406和壓力傳感器b407采集射孔管柱所受到的瞬時(shí)壓力場(chǎng)。加速度測(cè)試短節(jié)a302和加速度測(cè)試短節(jié)b304內(nèi)部的沖擊加速度傳感器實(shí)時(shí)采集軸向、徑向和切向三個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)。所有的壓力、加速度數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)放大器5進(jìn)行放大，經(jīng)過(guò)a/d轉(zhuǎn)換器6轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后匯入計(jì)算機(jī)7進(jìn)行存儲(chǔ)。

s9：計(jì)算機(jī)7根據(jù)采集的加速度數(shù)據(jù)計(jì)算出射孔作業(yè)時(shí)射孔管柱的速度變化曲線、位移變化曲線；同時(shí)，根據(jù)采集的壓力數(shù)據(jù)計(jì)算出射孔作業(yè)時(shí)射孔管柱的壓力變化曲線。通過(guò)對(duì)速度、加速度、位移以及壓力的分析，結(jié)合射孔管柱的材料本構(gòu)關(guān)系，分析出對(duì)射孔管柱的影響因素。通過(guò)減震器上部和下部的加速度的測(cè)量，為后續(xù)射孔管柱匹配時(shí)，減震器剛度的選擇、在與地層測(cè)試聯(lián)合作業(yè)時(shí)的井下儀器的選擇提供指導(dǎo)。

上述實(shí)施例中，射孔槍301的導(dǎo)爆索順次穿過(guò)加速度測(cè)試短節(jié)a302、減震器303、加速度測(cè)試短節(jié)b304、封隔器305、油管306、外部套管307以及高溫高壓容器2，最后與信號(hào)放大器5連接。

上述實(shí)施例中，加速度測(cè)試短節(jié)a302上的各加速度傳感器的數(shù)據(jù)線順次穿過(guò)加速度測(cè)試短節(jié)b304、封隔器305、油管306、外部套管307以及高溫高壓容器2，最后與信號(hào)放大器9連接；加速度測(cè)試短節(jié)b304上的各加速度傳感器的數(shù)據(jù)線順次穿過(guò)封隔器305、油管306、外部套管307以及高溫高壓容器2，最后與信號(hào)放大器9連接；壓力傳感器的數(shù)據(jù)線順次穿過(guò)外部套管307以及高溫高壓容器2，最后與信號(hào)放大器9連接。

綜上所述，本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的模擬和測(cè)試方式難以全面的對(duì)管柱的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，能夠采集射孔時(shí)井下壓力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，包括射孔時(shí)的環(huán)空壓力場(chǎng)和管柱的徑向、軸向以及周向的加速度時(shí)域變化值。

上述各實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，各部件的結(jié)構(gòu)、尺寸、設(shè)置位置及形狀都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對(duì)個(gè)別部件進(jìn)行的改進(jìn)和等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。