一種可測(cè)量膠筒內(nèi)外徑向接觸應(yīng)力的測(cè)試環(huán)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種接觸應(yīng)力測(cè)量裝置，具體的是測(cè)量膠筒與井壁接觸應(yīng)力的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]油田注水、堵水、壓裂作業(yè)中，封隔器是分隔地層的關(guān)鍵部件，主要零部件包括中心管、膠筒組(包括一只中膠筒、兩只邊膠筒)、三級(jí)活塞套等。封隔器通過(guò)螺紋連接到井下管柱上，下至預(yù)定井深后，由地面栗組將液體栗入管柱內(nèi)，流體經(jīng)中心管上的孔道進(jìn)入活塞套內(nèi)使其上行，膠筒受到軸向壓縮后發(fā)生徑向擴(kuò)張變形，將中心管和套管內(nèi)壁之間的環(huán)形間隙封堵。流體壓力愈大，膠筒與套管和中心管之間產(chǎn)生接觸壓力愈大，當(dāng)接觸壓力高于流體壓力時(shí)，封隔器實(shí)現(xiàn)座封，流體進(jìn)入封隔器所分隔的地層空間，為油井分層采油、堵水、注水注氣等工藝提供保障。
[0003]膠筒與井壁接觸時(shí)的接觸應(yīng)力大小直接決定封隔地層的效果，柔性體與剛體的接觸屬于材料、幾何、接觸三重非線(xiàn)性問(wèn)題，理論求解難度大，因此需要設(shè)計(jì)出一套測(cè)量徑向接觸應(yīng)力的裝置，可以準(zhǔn)確地測(cè)量膠筒與井壁間的接觸應(yīng)力大小及分布情況，從而有效地進(jìn)行座封問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)分析。
[0004]對(duì)于膠筒與套管的徑向接觸應(yīng)力測(cè)量，劉天良等在《斷塊油氣田》(2000)上發(fā)表的“封隔器封隔時(shí)膠皮筒接觸應(yīng)力的模擬實(shí)驗(yàn)研究”中采用傳感器與膠筒直接接觸來(lái)測(cè)試膠筒的接觸應(yīng)力。這種測(cè)量辦法的缺點(diǎn)一是會(huì)發(fā)生應(yīng)力傳感器的探針回縮從而測(cè)不到接觸應(yīng)力，二是若套管開(kāi)孔稍大，則膠筒可能凸陷于套管內(nèi)，改變了接觸邊界，與真實(shí)接觸狀態(tài)不相符；若套管開(kāi)孔過(guò)小，傳力桿的剛度會(huì)不足，無(wú)法測(cè)量較大的接觸應(yīng)力。
[0005]有的學(xué)者采用在套管外壁粘貼應(yīng)變片的方式來(lái)測(cè)量，岳澄等在《實(shí)驗(yàn)力學(xué)》(1999)上發(fā)表的“高溫封隔器膠筒與套管接觸壓力的實(shí)驗(yàn)研究”中將高溫應(yīng)變片環(huán)向粘貼于套管外壁上，測(cè)試120°C、座封力10kN工況下的套管外表面應(yīng)變。夏元白等在《石油礦場(chǎng)機(jī)械》(1997)上發(fā)表的“井下封隔器封隔時(shí)套管應(yīng)力的測(cè)試與計(jì)算”中應(yīng)用液壓加載、應(yīng)變片測(cè)量的試驗(yàn)方法，測(cè)試了常溫狀態(tài)下20MPa液壓力的套管應(yīng)力。應(yīng)變式測(cè)量辦法的缺點(diǎn)是應(yīng)變片只能粘貼在套管外壁上，由于套管的壁厚，套管外壁的應(yīng)力與內(nèi)壁應(yīng)力相去甚遠(yuǎn)，無(wú)法實(shí)測(cè)出真實(shí)接觸應(yīng)力。
[0006]在膠筒座封實(shí)驗(yàn)研究中，在模擬井壁中(通常是套管)壓縮超彈性材料制成的柔性膠筒，迫使膠筒與剛性井壁接觸，由于套管不可透視，因此難以用光學(xué)方法測(cè)試膠筒變形，光彈性、電子應(yīng)變計(jì)等測(cè)試方法也難以測(cè)試接觸應(yīng)力的大小，可見(jiàn)目前尚沒(méi)有測(cè)試徑向接觸應(yīng)力的有效方法和裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種可測(cè)量膠筒內(nèi)外徑向接觸應(yīng)力的測(cè)試環(huán)，解決了目前尚無(wú)有效手段測(cè)量膠筒與套管間徑向接觸應(yīng)力的問(wèn)題。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種可測(cè)量膠筒內(nèi)外徑向接觸應(yīng)力的測(cè)試環(huán)，包括外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)及內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)，所述外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)及內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)，它們的主體均為環(huán)形基座，環(huán)形基座上沿周向均開(kāi)有若干徑向階梯孔，其中外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)的徑向階梯孔內(nèi)側(cè)插有外傳壓活塞，徑向階梯孔外側(cè)通過(guò)螺栓固定連接堵頭，所述外傳壓活塞頭部的傳壓接觸面與環(huán)形基座的內(nèi)環(huán)面在同一曲面上，而內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)的徑向階梯孔外側(cè)插有內(nèi)傳壓活塞，徑向階梯孔內(nèi)側(cè)通過(guò)螺栓固定連接堵頭，所述內(nèi)傳壓活塞頭部的傳壓接觸面與環(huán)形基座的外環(huán)面在同一曲面上；上述外傳壓活塞、內(nèi)傳壓活塞及堵頭的側(cè)壁與所在徑向階梯孔的孔壁間分別設(shè)置密封圈，各徑向階梯孔中的內(nèi)或外傳壓活塞與堵頭之間形成一個(gè)密閉空腔，密閉空腔內(nèi)裝滿(mǎn)液體，且堵頭體上開(kāi)有與密閉空腔連通的兩個(gè)螺紋孔。
[0009]優(yōu)選內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)的環(huán)形基座均分為兩半，并在兩半對(duì)合的連接面上設(shè)計(jì)有臺(tái)肩。
[0010]本發(fā)明專(zhuān)利的可測(cè)量膠筒內(nèi)外徑向接觸應(yīng)力的測(cè)試環(huán)，其有益效果在于:
I)、本發(fā)明測(cè)試環(huán)傳壓活塞的傳壓接觸面與基座的環(huán)形曲面是連續(xù)的，是在同一曲面內(nèi)的，又由于液體具有不可壓縮的特點(diǎn)，所以，在測(cè)試膠筒與套管間接觸應(yīng)力過(guò)程中，接觸邊界保持不變，傳壓活塞上的傳壓接觸面受到和傳遞的是真實(shí)的接觸應(yīng)力，反映的是膠筒與套管間的真實(shí)接觸狀態(tài)；
2)、本發(fā)明應(yīng)用液體傳遞壓力的性質(zhì)，將徑向接觸應(yīng)力測(cè)試轉(zhuǎn)換為液壓進(jìn)行測(cè)量，創(chuàng)新了思維，解決了問(wèn)題；
3)、應(yīng)用活塞效應(yīng)，利用接觸面和液壓面的面積差將液壓大幅度降低，從而降低系統(tǒng)的壓力、避免管線(xiàn)膨脹變形，增加了系統(tǒng)測(cè)試工作的可靠性與安全性；
4)、具體應(yīng)用時(shí)，可以依據(jù)被測(cè)試件的高度選擇一個(gè)或多個(gè)接測(cè)試環(huán)，并且內(nèi)或外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)可單獨(dú)使用，也可組合使用。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)的主視圖。
[0012]圖2是圖1中B-B截面視圖。
[0013]圖3是內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)縱剖面示意圖。
[0014]圖4是內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)橫剖面示意圖。
[0015]圖5標(biāo)定油缸的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖6是內(nèi)及外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)在測(cè)試膠筒徑向接觸應(yīng)力時(shí)的工作簡(jiǎn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明:
一種可測(cè)量膠筒內(nèi)外徑向接觸應(yīng)力的測(cè)試環(huán)，包括外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)I及內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)2。
[0018]由圖1結(jié)合圖2所示:所述外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)1，其主體為環(huán)形基座11，環(huán)形基座11上沿周向均開(kāi)有若干徑向階梯孔，徑向階梯孔內(nèi)側(cè)插有外傳壓活塞12，徑向階梯孔外側(cè)通過(guò)螺栓15固定連接第一堵頭13，所述外傳壓活塞頭部的傳壓接觸面16與環(huán)形基座的內(nèi)環(huán)面在同一曲面上，上述外傳壓活塞12及堵頭第一 13的側(cè)壁與所在徑向階梯孔的孔壁間分別設(shè)置密封圈，各徑向階梯孔中的外傳壓活塞12與第一堵頭13之間形成一個(gè)密閉空腔14，且堵頭體上開(kāi)有與密閉空腔14連通的兩個(gè)螺紋孔17。
[0019]上述外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)1，主要測(cè)量圓柱形試件外圓弧面間與約束物體的接觸應(yīng)力，對(duì)于膠筒來(lái)說(shuō)即為膠筒與井壁的接觸應(yīng)力。第一堵頭13上的兩個(gè)螺紋孔17，用來(lái)連接液壓管路。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先通過(guò)液壓管路向基座的密閉空腔14內(nèi)注入液體，充滿(mǎn)后即可將液壓管路關(guān)閉，液體不再流動(dòng)。當(dāng)試件與測(cè)試環(huán)發(fā)生接觸后，即通過(guò)傳壓活塞11壓迫基座的密閉空腔14內(nèi)液體，由于液體的不可壓縮性質(zhì)，液體壓力升高，通過(guò)液壓管路上的液壓傳感器獲取即時(shí)液體壓力。
[0020]由圖3結(jié)合圖4所示:所述內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)2，其主體也是環(huán)形基座21，環(huán)形基座21上沿周向均開(kāi)有若干徑向階梯孔，徑向階梯孔外側(cè)插有內(nèi)傳壓活塞22，徑向階梯孔內(nèi)側(cè)通過(guò)螺栓24固定連接第二堵頭23，所述內(nèi)傳壓活塞頭部的傳壓接觸面27與環(huán)形基座21的外環(huán)面在同一曲面上；上述內(nèi)傳壓活塞22及第二堵頭23的側(cè)壁與所在徑向階梯孔的孔壁間分別設(shè)置密封圈，各徑向階梯孔中的內(nèi)傳壓活塞22與第二堵頭23之間形成一個(gè)密閉空腔26，堵頭體上開(kāi)有與密閉空腔27連通的兩個(gè)螺紋孔25。
[0021]上述內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)2，主要測(cè)量圓柱形試件內(nèi)圓弧面間與約束物體的接觸應(yīng)力，對(duì)于膠筒來(lái)說(shuō)即為膠筒與中心管的接觸應(yīng)力。其工作原理與外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)相同，為便于內(nèi)傳壓活塞和堵頭安裝及液壓管路的連接，將內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)均分為兩半，并在兩半對(duì)合的連接面上設(shè)計(jì)有臺(tái)肩28，以防試件不均勻接觸時(shí)將測(cè)試環(huán)相互推離，保障試件與測(cè)試環(huán)的接觸面完整性。
[0022]為了消除因密封圈與接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)基座間接觸引起的摩擦力帶來(lái)的誤差，初次使用內(nèi)接觸應(yīng)力環(huán)及外接觸應(yīng)力環(huán)測(cè)試接觸應(yīng)力前，先用標(biāo)定裝置標(biāo)定接觸應(yīng)力P1與液壓P2間的關(guān)系作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于以后的接觸應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)，即可依據(jù)液壓和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)得知接觸應(yīng)力的大小。具體建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)需由標(biāo)定油缸完成，標(biāo)定油缸的結(jié)構(gòu)由圖5所示，當(dāng)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)施加壓力到壓頭31上時(shí)，液壓缸32密閉空間的壓力通過(guò)液壓傳感器33記錄在電腦34中。
[0023]使用本發(fā)明的內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)及外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)測(cè)試膠筒的內(nèi)外徑向接觸應(yīng)力，具體測(cè)試方法由圖6所示，將膠筒組(膠筒45之間有鋼制隔環(huán)46)置于內(nèi)、外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)之間，由電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)43經(jīng)壓頭42將軸向壓力作用于膠筒組使其徑向膨脹與內(nèi)、外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)接觸，內(nèi)、外徑向接觸應(yīng)力環(huán)的液腔壓力經(jīng)液壓傳感器41測(cè)得，隨著軸向壓力的逐漸升高，不同接觸位置的液壓經(jīng)液壓傳感器41傳遞到電腦44中實(shí)時(shí)顯示與記錄，應(yīng)用測(cè)得的液體壓力與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)即可得到各個(gè)接觸位置的接觸應(yīng)力數(shù)值。
[0024]測(cè)試裝置可以依據(jù)被測(cè)試件的高度選擇一個(gè)或多個(gè)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)，內(nèi)、外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)可單獨(dú)使用，也可組合使用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可測(cè)量膠筒內(nèi)外徑向接觸應(yīng)力的測(cè)試環(huán)，包括外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)及內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)，其特征在于:所述外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)及內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)，它們的主體均為環(huán)形基座，環(huán)形基座上沿周向均開(kāi)有若干徑向階梯孔，其中外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)的徑向階梯孔內(nèi)側(cè)插有外傳壓活塞，徑向階梯孔外側(cè)通過(guò)螺栓固定連接堵頭，所述外傳壓活塞頭部的傳壓接觸面與環(huán)形基座的內(nèi)環(huán)面在同一曲面上，而內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)的徑向階梯孔外側(cè)插有內(nèi)傳壓活塞，徑向階梯孔內(nèi)側(cè)通過(guò)螺栓固定連接堵頭，所述內(nèi)傳壓活塞頭部的傳壓接觸面與環(huán)形基座的外環(huán)面在同一曲面上；上述外傳壓活塞、內(nèi)傳壓活塞及堵頭的側(cè)壁與所在徑向階梯孔的孔壁間分別設(shè)置密封圈，各徑向階梯孔中的內(nèi)或外傳壓活塞與堵頭之間形成一個(gè)密閉空腔，密閉空腔內(nèi)裝滿(mǎn)液體，且堵頭體上開(kāi)有與密閉空腔連通的兩個(gè)螺紋孔。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可測(cè)量膠筒內(nèi)外徑向接觸應(yīng)力的測(cè)試環(huán)，其特征在于:所述內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)的環(huán)形基座均分為兩半，并在兩半對(duì)合的連接面上設(shè)計(jì)有臺(tái)肩。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種可測(cè)量膠筒內(nèi)外徑向接觸應(yīng)力的測(cè)試環(huán)，解決了目前尚無(wú)有效手段測(cè)量膠筒與套管間徑向接觸應(yīng)力的問(wèn)題。具體包括外及內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)，測(cè)試環(huán)基座上沿周向均開(kāi)有若干徑向階梯孔，其中外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)的階梯孔內(nèi)側(cè)插有外傳壓活塞，外側(cè)固定堵頭，外傳壓活塞頭部的傳壓接觸面與環(huán)形基座的內(nèi)環(huán)面在同一曲面上，而內(nèi)接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)的內(nèi)傳壓活塞及堵頭安裝方向與外接觸應(yīng)力測(cè)試環(huán)相反；上述各徑向階梯孔中傳壓活塞與堵頭之間的密閉腔內(nèi)裝滿(mǎn)液體，堵頭體上開(kāi)有與密閉腔連通的孔。本發(fā)明應(yīng)用液體傳遞壓力的性質(zhì)，將徑向接觸應(yīng)力測(cè)試轉(zhuǎn)換為液壓進(jìn)行測(cè)量，并且接觸應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。
【IPC分類(lèi)】G01L1/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105092108
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510475156
【發(fā)明人】李治淼, 徐斯塬, 陳淑艷, 劉巨保, 赫廣田, 安永慶
【申請(qǐng)人】東北石油大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年8月6日