本發(fā)明涉及測試設備，特別涉及一種深海膨脹材料性能測試系統(tǒng)以及方法。

背景技術(shù)：

1、深水油氣開發(fā)已成為能源領域的重要戰(zhàn)略方向，然而深海中的極端低溫和高壓等環(huán)境因素給油氣鉆探和開發(fā)帶來了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。在深海環(huán)境下，鉆井設備的作業(yè)穩(wěn)定性、設備耐用性以及材料性能的可靠性均受到了巨大的考驗。特別是表層套管，在深海鉆井設備中，表層套管作為支撐結(jié)構(gòu)和控制油氣流動的關(guān)鍵元件，表層套管的性能會直接影響到設備作業(yè)的成功和安全。在實際使用過程中，由于表層套管長期受到鉆井平臺、管柱等裝置的耦合作用，導致表層套管上的受力十分復雜，從而對表層套管的性能要求也較高。一般表層套管出現(xiàn)失穩(wěn)、下沉等問題，將大大增加現(xiàn)場作業(yè)風險，進而增加了作業(yè)成本，甚至導致整個鉆井作業(yè)失敗。

2、并且，由于深水淺層土質(zhì)松軟，并可能存在淺層氣、水等地質(zhì)災害，因此當使用常規(guī)表層套管進行作業(yè)時，表層套管容易發(fā)生入泥深度長或噴射不到位的問題。為了解決上述問題，現(xiàn)有技術(shù)中研發(fā)了一種新型的深海膨脹性表層套管，深海膨脹性表層套管具有較高的承載性能，并且通過膨脹材料的特性，有利用增加表層套管與海底土層之間的接觸面積，從而提高了表層套管的側(cè)向摩擦力、抗彎能力和水下井口的承載力，同時還帶了高強度和良好的承載能力。由于深海膨脹材料是膨脹性表層導提高承載力、改善性能的關(guān)鍵組成，因此如何更好地探究膨脹材料的研選機制、膨脹率、延時性及粘結(jié)力等性能成為了目前亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明實施例所要解決的技術(shù)問題是提供了一種深海膨脹材料性能測試系統(tǒng)以及方法，用于更好地對膨脹性表層套管進行測試分析。

2、本發(fā)明的上述目的可采用下列技術(shù)方案來實現(xiàn)，本發(fā)明提供了一種深海膨脹材料性能測試系統(tǒng)，包括：

3、釜體，所述釜體包括中空腔室，所述中空腔室用于填充測試液體和/或土層；

4、模擬表層套管，所述模擬表層套管的一端可運動地插接設置在所述釜體內(nèi)，所述模擬表層套管的另一端從所述釜體穿設而出，所述模擬表層套管與所述釜體之間呈密封設置；

5、膨脹材料件，所述膨脹材料件設置在所述模擬表層套管上，并置于所述釜體內(nèi)；

6、移動機構(gòu)，所述移動機構(gòu)與所述模擬表層套管的另一端相接，所述移動機構(gòu)能夠用于帶動所述模擬表層套管進行運動。

7、在本發(fā)明的一較佳實施方式中，還包括控壓機構(gòu)，所述控壓機構(gòu)包括控壓管路以及設置在所述控壓管路上的控壓組件，所述控壓管路連通所述釜體，所述控壓機構(gòu)能夠用于調(diào)節(jié)所述釜體內(nèi)的壓力大小。

8、在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述控壓組件包括氣罐、增壓裝置和壓力調(diào)節(jié)裝置，所述氣罐、所述增壓裝置和所述壓力調(diào)節(jié)裝置通過所述控壓管路串聯(lián)相接。

9、在本發(fā)明的一較佳實施方式中，還包括控溫機構(gòu)，所述控溫機構(gòu)包括控溫管路以及設置在所述控溫管路上的控溫組件，所述控溫管路與所述釜體可換熱地相接，所述控溫機構(gòu)能夠用于調(diào)節(jié)所述釜體內(nèi)的溫度大小。

10、在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述控溫組件包括水浴箱、制冷元件和溫控設備，所述水浴箱、所述制冷元件和所述溫控設備通過所述控溫管路串聯(lián)相接，所述制冷元件和所述溫控設備能夠用于調(diào)節(jié)所述水浴箱的溫度，至少部分的所述釜體被放置在所述水浴箱中。

11、在本發(fā)明的一較佳實施方式中，還包括數(shù)據(jù)采集模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、以及與所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電連接的數(shù)據(jù)采集單元，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠用于將采集的數(shù)據(jù)上傳至計算機，所述數(shù)據(jù)采集單元包括位移傳感器、拉力傳感器、壓力傳感器、液位傳感器和溫度傳感器中的一種或多種的組合；

12、其中，位移傳感器用于采集所述模擬表層套管的位移數(shù)據(jù)，所述拉力傳感器用于采集所述模擬表層套管的受力數(shù)據(jù)，所述壓力傳感器用于采集所述釜體內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)，所述液位傳感器用于采集所述釜體內(nèi)的液位數(shù)據(jù)，所述溫度傳感器用于采集所述釜體內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)。

13、在本發(fā)明的一較佳實施方式中，還包括粘結(jié)力測試機構(gòu)，所述粘結(jié)力測試機構(gòu)包括設置在所述釜體內(nèi)的限位件，所述限位件上設有供所述膨脹材料進入的測試通道。

14、在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述移動機構(gòu)包括固定架、以及設置在所述固定架上的驅(qū)動機構(gòu)，所述驅(qū)動機構(gòu)連接所述模擬表層套管的另一端，所述驅(qū)動機構(gòu)能夠用于帶動所述模擬表層套管進行運動。

15、在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述膨脹材料件通過膨脹橡膠成型。

16、本發(fā)明還提供了一種深海膨脹材料性能測試方法，包括如下步驟：

17、安裝并檢查深海膨脹材料性能測試系統(tǒng)；

18、在釜體內(nèi)設置模擬所需的深海環(huán)境，并記錄釜體內(nèi)的預設水位；

19、將膨脹材料件固定在模擬表層套管的預設位置，并記錄膨脹材料件的初始體積和重量；

20、利用控溫機構(gòu)調(diào)節(jié)釜體內(nèi)的溫度至預設溫度和/或利用控壓機構(gòu)調(diào)節(jié)釜體內(nèi)的壓力至預設壓力；

21、當釜體內(nèi)的環(huán)境參數(shù)達到預設值后，啟動數(shù)據(jù)獲取模塊進行數(shù)據(jù)采集；

22、控制所述模擬表層套管進行測試作業(yè)，并記錄模擬表層套管在測試作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)參數(shù)；其中，數(shù)據(jù)參數(shù)包括模擬表層套管上的拉力和/或釜體內(nèi)的水位；

23、基于所述數(shù)據(jù)參數(shù)計算所述膨脹材料件的性能數(shù)據(jù)。

24、在本發(fā)明的一較佳實施方式中，控制所述模擬表層套管進行測試作業(yè)，并記錄模擬表層套管在測試作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)參數(shù)，具體包括如下步驟：

25、控制模擬表層套管運動至第一預設位置，并記錄模擬表層套管上的拉力f1、以及釜體內(nèi)的水位l1；其中，在第一預設位置，模擬表層套管位于釜體內(nèi)的液面之上；

26、控制模擬表層套管由第一預設位置運動至第二預設位置，使膨脹材料件完全浸泡在釜體內(nèi)的液面下，并記錄模擬表層套管上的拉力f1’、以及釜體內(nèi)的水位l1’；

27、當?shù)竭_第一測試時間點，記錄此時模擬表層套管上的拉力f2’、以及釜體內(nèi)的水位l2’；

28、將模擬表層套管向上移動至第一預設位置，記錄此時模擬表層套管上的拉力f2、以及釜體內(nèi)的水位l2；

29、重復上述測試操作，直至第i個測試時間點，并記錄模擬表層套管上的拉力fi+1’、拉力fi+1，釜體內(nèi)的水位li+1’、li+1。

30、在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述膨脹材料件的性能數(shù)據(jù)至少包括膨脹材料吸水量、膨脹材料自身損失質(zhì)量、膨脹材料質(zhì)量率、膨脹材料吸水率和膨脹材料膨脹率；

31、其中，具體計算公式為：

32、在測試時間點i時，膨脹材料吸水量：v吸＝(li+1-l1)πr2；

33、在測試時間點i時，膨脹材料自身損失質(zhì)量：

34、在測試時間點i時，

35、在測試時間點i時，

36、在測試時間點i時，

37、式中：r表示反應釜體內(nèi)中空腔室的半徑，ρ測表示釜體內(nèi)的測試液體的密度。

38、在本發(fā)明的一較佳實施方式中，在重復上述測試操作，直至第i個測試時間點，并記錄模擬表層套管上的拉力fi+1’、拉力fi+1，釜體內(nèi)的水位li+1’、li+1之后，還包括如下步驟：

39、控制模擬表層套管持續(xù)向下運動，使模擬表層套管穿過粘結(jié)力測試機構(gòu)上的測試通道，使得膨脹材料件均被從模擬表層套管上剝離，記錄在這一過程中，模擬表層套管的位移及受力情況，并記錄模擬表層套管所受的最大壓力fmax。

40、在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述膨脹材料件的性能數(shù)據(jù)還包括膨脹材料粘結(jié)強度，具體計算公式為：

41、在測試時間點i時，

42、式中：s表示膨脹材料粘結(jié)面積。

43、本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下顯著有益效果：

44、本發(fā)明所述深海膨脹材料性能測試系統(tǒng)使用時，通過在釜體內(nèi)設置海水和/或土層，從而能夠模擬出深海環(huán)境。并且，通過調(diào)節(jié)釜體內(nèi)的溫度和壓力參數(shù)，從而能夠在釜體內(nèi)模擬出低溫和高壓等極端條件，具有更好的模擬精度，從而有助于更加準確地測量膨脹材料件在不同深海環(huán)境下的性能參數(shù)，便于研究人員更好地了解不同膨脹材料的性能，從而篩選出更加經(jīng)濟環(huán)保、高耐壓、高膨脹率的膨脹材料，進而有助于為膨脹材料件的后續(xù)改進和研究提供實驗支撐，以更好地改善膨脹材料的耐用性、穩(wěn)定性和可靠性等性能。

45、進一步的，通過數(shù)據(jù)采集模塊能夠獲取所需的實驗數(shù)據(jù)，從而無需泄壓開啟釜體即可計算獲得不同階段時膨脹材料件的體積及重量，進而便于對膨脹材料件的膨脹率、延時性進行準確測試。并且，通過利用移動機構(gòu)與粘結(jié)力測試機構(gòu)相配合，能夠模擬出膨脹材料件在深海環(huán)境下的粘附與剝離行為，進而計算獲得膨脹材料件在不同深海環(huán)境下的粘結(jié)力數(shù)據(jù)?；谂蛎洸牧霞恼辰Y(jié)數(shù)據(jù)，能夠更好地為后續(xù)深海膨脹表層套管的設計和選擇作為理論支撐，從而確保深海膨脹性表層套管能夠在深海環(huán)境下正常并穩(wěn)定地工作，顯著地提高了深海膨脹性表層套管的安全性和可靠性。