CN111795788B - 一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验装置及方法，加载系统包括底座、支撑元件、驱动机构，加压系统包括中心管、套管，所述底座上表面中心设置有承压台，所述支撑元件下端固定在承压台中心，所述胶筒总成套装在支撑元件外部，且胶筒总成底端面压在承压台上，所述套管将胶筒总成、承压台容纳进自身内腔，套管底端固定在底座上，所述中心管下端面进入套管内压在胶筒总成上；加热系统设置在套管外围。可以测量胶筒在不同工况下接触应力分布，以及胶筒的密封性能测试。解决已有封隔器胶筒试验装置施加载荷不精确，只能测量接触压力的问题。

Description

一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验装置及方法

技术领域

本发明涉及石油行业井下工具模拟实验装置，具体地说是一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验装置及方法。

背景技术

随着油田开发向中后期发展，石油、天然气钻探和开采难度不断加大，油气水井的油层特性及井下工况更加复杂，对封隔器工作性能提出了更高的要求。

封隔器作为油气开采必不可少的井下工具，其关键元件是具有超弹性和密封能力的胶筒，它是起密封承载的唯一组件，并广泛应用到完井、注水、卡堵水、酸化、压裂、防砂、机械采油、气举等采油工艺。油田目前常用的封隔器主要有套管外封隔器、压缩式封隔器、水力扩张式封隔器三种。套管外封隔器是安置在井下套管和裸眼地层井壁之间。压缩式封隔器是指压缩式胶筒通过管柱压重或水力载荷，使得承受轴向载荷产生径向变形，胶筒和套管内壁接触，将套管和油管之间的环空间隙封堵，从而实现采油工艺堵封的要求，这种接触密封质量的优劣，关键在于套管内壁与胶筒之间接触压力的大小。水利扩张式封隔器是依靠胶筒向外扩张来封隔油套环形空间。因而，封隔器工作性能的表现将直接影响着石油开采成本和企业的经济效益。

国内外学者高度重视封隔器失效问题的研究开发工作，但因密封胶筒属于复合非线性材料，橡胶材料在受力变形的过程中，其内部应力亦是呈高度非线性，在橡胶材料受压过程中，橡胶本身的力学性能都在发生变化，导致橡胶的性能参数不能像金属材料那样通过国家标准直接查询得到。胶筒受挤压时产生较大变形形成密封，其理论分析较难，目前研究中的理论公式只用于定性分析，不能精确描述橡胶压缩过程中的复杂力学行为。密封胶筒的研究主要集中在封隔器的井下工作性能分析和室内试验方面，如胶筒的耐温、耐压以及胶筒对套管接触应力模拟试验研究等。封隔器在井下高温、高压工况下，胶筒的耐高温力学性能显得尤为重要，因此模拟井下工具工作行为，进行高温、高压下不同温度，不同压力封隔器所承载的受力情况的实验研究，对井下工具的开发研究具有重要意义。另外，通过高温、高压工况的物理模拟实验可获取现场试验无法取得的中间试验数据，可大幅度的缩短科研周期，有效克服未经任何中间试验把新产品、新工艺投入现场使用的弊端。

申请号：201510365943.9涉及一种封隔器胶筒密封性能测试装置，包括实验箱，容纳于实验箱内的实验钻杆，以及连通到实验箱内的第一控压组件；其中，封隔器胶筒能以套接在实验钻杆外的方式容纳在实验箱内，封隔器胶筒能径向收缩并坐封在实验钻杆上，在封隔器胶筒的一侧形成与封隔器胶筒和实验钻杆的接触处相连的第一施压腔，第一控压组件连通到第一施压腔内，通过第一控压组件向第一施压腔内灌注流体而挤压封隔器胶筒和实验钻杆的接触处，以测试封隔器胶筒的密封性能。通过上述装置能够有效测得收缩式封隔器胶筒的密封性能。

申请号：201721091409.4公开了一种耐高温自密封式封隔器胶筒实验工具，包括试压筒体和设置于所述试压筒体内部的胶筒组件及锁紧机构；所述锁紧机构包括通过外螺纹与所述试压筒体内壁连接的锁环，和设置在所述锁环下方的芯轴，所述芯轴上端设置有与所述锁环相配合的螺杆；所述胶筒组件设置在所述芯轴的外部，包括分别与所述芯轴外壁和所述试压筒体内壁密封的胶筒，所述胶筒的下部设置有对所述胶筒起支撑密封作用的压环，所述压环的下部与所述芯轴固定连接。本发明本发明能够解决自密封胶筒耐高温密封性能试验，解决试验后由于胶筒变形严重无法取出等问题，提高了工作可靠性，提高了工作效率。

申请号：201420267928.1是一种井下封隔器胶筒密封性能实验装置，用于在地面验证井下封隔器的密封性能。本装置包括中心管、外筒和底座，外筒上设有座封孔、测试孔和试压孔，外筒和中心管均与底座连接，在外筒与中心管之间自下而上依次套装胶筒、隔环和活塞；活塞与外筒之间套装止推环，套装在活塞上的压帽与外筒连接并对止推环限位；锁环安装在活塞的上端端部与中心管螺纹连接，锁帽套装在中心管的上端并与活塞连接，将中心管的下部插座在支撑座上，使用试压泵对本装置打压、实验。具有模拟井下实际工作环境的条件，使模拟实验更加科学严谨。本装置结构简单、拆装方便、工作可靠，有效提高了工作效率，降低劳动强度。

以上公开技术的技术方案以及所要解决的技术问题和产生的有益效果均与本发明不相同，本发明更多的技术特征和所要解决的技术问题以及有益效果，以上公开技术文件均不存在技术启示。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验装置及方法，可以测量胶筒在不同工况下接触应力分布，以及胶筒的密封性能测试。解决已有封隔器胶筒试验装置施加载荷不精确，只能测量接触压力的问题，本实验装置能较好的模拟封隔器在井下高温高压下不同温度、不同压力的工作环境，具有结构简单，操作方便的特点，为封隔器性能的改善与提升提供了重要保障。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验装置及方法，包括胶筒总成、加载系统、加压系统、检测系统，还包括加热系统；所述加载系统包括底座、支撑元件、驱动机构，所述加压系统包括中心管、套管，所述底座上表面中心设置有承压台，所述支撑元件下端固定在承压台中心，所述胶筒总成套装在支撑元件外部，且胶筒总成底端面压在承压台上，所述套管将胶筒总成、承压台容纳进自身内腔，套管底端固定在底座上，所述中心管下端面进入套管内压在胶筒总成上，同时支撑元件穿入中心管的中心孔中，所述中心管上端面与驱动机构上端连接，驱动机构下端固定在底座上，所述检测系统包括应变式传感器、拉力传感器、压力传感器，所述应变式传感器安装在套管上，所述拉力传感器安装在驱动机构上，所述压力传感器安装在套管上；所述加热系统设置在套管外围。

所述承压台周身与套管内壁具有空隙，同时未被压时的胶筒总成径向外壁与套管内壁也具有空隙，所述应变式传感器安装在套管开设的径向通孔上，且与胶筒总成径向外壁相对应，所述压力传感器安装在套管开设的径向通孔上，且与承压台和套管之间的空隙相对应。

所述加热系统包括保温壳体、电加热装置、外壳体，所述保温壳体罩扣在套管外围，且保温壳体下端与套管下端连接固定，在保温壳体内壁安装电加热装置。

所述保温壳体、外壳体同时开设相对应的上开孔和下开孔，该上开孔安装注水阀，下开孔安装出水阀。

所述套管还开设径向贯通的流体入口，流体入口安装高压流体注入头，且流体入口进入的流体首先流入承压台和套管之间的空隙内。

所述胶筒总成包括摞在一起的三层胶筒，每一个胶筒上端面均设置一个隔环。每一个胶筒至少与两个应变式传感器相对应。

所述驱动机构包括左螺杆、右螺杆、加载横梁、左螺母、右螺母，所述左螺杆、右螺杆结构相同且对称式固定在底座上，左螺杆上端穿过加载横梁开设的左通孔后安装左螺母，右螺杆上端穿过加载横梁开设的右通孔后安装右螺母，所述加载横梁下断面中心位置与中心管上端面连接固定，所述左螺杆、右螺杆上均安装拉力传感器。所述加载横梁中心开设贯通孔，与中心管的中心孔连通，便于放气，因为支撑元件在中心管中心孔向上运动会使中心孔中的气压压力变大。

为了达成上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验方法，包括以下步骤：

步骤一：测量胶筒接触应力的步骤，首先将胶筒和隔环依次安放于支撑元件上，然后安装中心管将胶筒压紧，随后安装加载横梁和螺母，调试应变式传感器和压力传感器的性能，确定传感器性能无误后，将应变式传感器和压力传感器的数字显示屏读数为零，开始用扳手旋动螺母向下移动，扭矩与轴向载荷传递给加载横梁，由于加载横梁的作用，上面的扭矩消除，正是这样设计，使中心管压紧隔环只受到轴向载荷不会受到扭矩载荷，而使胶筒产生变形，完全符合实际工况要求；轴向载荷向下传递给中心管、隔环、胶筒，胶筒受到轴向载荷的作用径向膨胀，当轴向载荷继续增加时，胶筒与套管内壁发生接触，产生接触压力，并通过接触应力传感传到外接数字显示屏上,当加载横梁继续向下压紧螺杆，安装在螺杆上面的拉力传感器可以测定出加载横梁向下传递的轴向载荷大小，当拉力传感器的示数达到预设定的初始值时，不再给螺母施加力，再记录应变式传感器的数值；

步骤二：测量胶筒的密封性能的步骤，从高压流体注入头内注入预设的压力气体，当空腔内压力达到要求时停止注入，此时记录压力传感数值随时间的变化规律，根据压力数值的变化判定胶筒的密封性能。

在进行步骤一或者步骤二的同时，增加测试温度对胶芯变形以及密封性能的影响的步骤，通过安装在保温壳体上的注水阀，往保温壳体内注适量水，然后电加热装置对水进行加热，电加热装置进行自动控制使水温维持在恒定温度，待步骤一或步骤二测试工作结束后，从出水阀中将水排出。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明实验装置可以测量胶筒在不同工况下接触应力分布，以及胶筒的密封性能测试。在测量胶筒接触应力时，首先将胶筒和隔环依次安放于支撑元件上，然后安装中心管将胶筒压紧，随后安装加载横梁和螺母，工具安装到位后调试应变式传感器和压力传感器，确定传感器无误后调节螺母使胶筒只受到轴向载荷，胶筒受到轴向载荷后径向膨胀变形，当拉力传感器的示数达到设定值时方可记录应变式传感器数值。为进一步确定胶筒的密封性能，可从高压流体注入头注入预设压力的气体，当空腔内压力达到要求时停止注入，此时记录压力传感器数值随时间的变化规律，根据压力数值的变化可判定该胶筒的密封性能。同时，为了测试温度对胶芯变形以及密封性能的影响，通过安装在套管上的注水阀，往保温壳内泵入适量水，然后开启加热系统对水进行加热，加热系统可进行自动控制使水温维持在恒定温度。该实验装置能较好地模拟封隔器实际工作环境，结构简单，对封隔器性能的改善与提升具有重要意义。

该装置结构简单，组合性能好，通过螺纹加载，相对于液压加载方式，机械加载方式更简单、更加灵活，便于操作，利于进行室内实验。

模拟封隔器胶筒在井下工况的受力实验，可通过压力传感器、温度传感器、应变片，可测出不同温度下、不同压力下，接触应力大小和分布的实验装置。

通过高压流体注入头注入预设压力的气体，测试空腔内压力数值的变化，能更精确的验证油气水井封隔器胶筒在工作状态下的密封可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的封隔器胶筒模拟加载密封实验装置示意图；

图2是本发明实施提供的封隔器胶筒模拟加载密封实验装置工作示意图；

图中：螺母1、加载横梁2、螺杆3、中心管4、隔环5、Φ139.7套管6、应变式传感器7、胶筒8、拉力传感器9、底座10、高压流体注入头11、出水阀12、压力传感器13、支撑元件14、保温壳体15、电加热装置16、注水阀17、外壳体18。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图2，本发明提供一种技术方案：

一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验装置，包括胶筒总成、加载系统、加压系统、检测系统，还包括加热系统；所述加载系统包括底座10、支撑元件14、驱动机构，所述加压系统包括中心管4、套管6，所述底座上表面中心设置有承压台，所述支撑元件14下端固定在承压台中心，所述胶筒总成套装在支撑元件外部，且胶筒总成底端面压在承压台上，所述套管将胶筒总成、承压台容纳进自身内腔，套管6底端固定在底座10上，所述中心管4下端面进入套管6内压在胶筒总成上，同时支撑元件14穿入中心管4的中心孔中，所述中心管4上端面与驱动机构上端连接，驱动机构下端固定在底座10上，所述检测系统包括应变式传感器7、拉力传感器9、压力传感器13，所述应变式传感器安装在套管上，所述拉力传感器安装在驱动机构上，所述压力传感器安装在套管上；所述加热系统设置在套管6外围。

所述承压台周身与套管内壁具有空隙，同时未被压时的胶筒总成径向外壁与套管内壁也具有空隙，所述应变式传感器7安装在套管开设的径向通孔上，且与胶筒总成径向外壁相对应，所述压力传感器13安装在套管开设的径向通孔上，且与承压台和套管之间的空隙相对应。

所述加热系统包括保温壳体15、电加热装置16、外壳体18，所述保温壳体罩扣在套管外围，且保温壳体下端与套管下端连接固定，在保温壳体内壁安装电加热装置。

所述保温壳体、外壳体同时开设相对应的上开孔和下开孔，该上开孔安装注水阀17，下开孔安装出水阀12。

所述套管还开设径向贯通的流体入口，流体入口安装高压流体注入头11，且流体入口进入的流体首先流入承压台和套管之间的空隙内。

所述胶筒总成包括摞在一起的三层胶筒8，每一个胶筒上端面均设置一个隔环5。

每一个胶筒至少与两个应变式传感器7相对应。

所述驱动机构包括左螺杆、右螺杆、加载横梁、左螺母、右螺母，所述左螺杆、右螺杆结构相同且对称式固定在底座上，左螺杆上端穿过加载横梁开设的左通孔后安装左螺母，右螺杆上端穿过加载横梁开设的右通孔后安装右螺母，所述加载横梁下断面中心位置与中心管上端面连接固定，所述左螺杆、右螺杆上均安装拉力传感器。

所述加载横梁2中心开设贯通孔，与中心管的中心孔连通，便于放气，因为支撑元件在中心管中心孔向上运动会使中心孔中的气压压力变大。

所述加载系统包括螺母1、加载横梁2、螺杆3、拉力传感器9、支撑元件14和底座10，所述螺杆3设置于底座10的两侧，两侧螺杆3的下端与底座10连接，所述在两侧螺杆3上分别装有一对拉力传感器9，螺杆上端穿过加载横梁开设的通孔与加载横梁2连接，所述底座10的上表面中心位置固定支撑元件14，底座10的上表面中心与螺杆3中间位置分别与套管6下端固定于两旁，所述螺杆3与加载横梁2连接上端用螺母1拧紧。

所述加压系统包括压力传感器13、应变式传感器7、套管6、中心管4、隔环5，所述底座10的中心位置上表面靠近支撑元件14的两侧装有三对胶筒8，套管6装于胶筒8的外侧，并与安装在套管6上面的应变式传感器7相连接，三对胶筒8的上表面分别与三对隔环5相连接，所述套管6的上端与外壳体18相连接，所述中心管4的下方与隔环5的上端面上下对齐连接，中心管4的上方与加载横梁2的下表面连接。

所述加热系统包括高压流体注入头11、保温壳体15、电加热装置16、注水阀17、出水阀12、外壳体18，所述保温壳体15装于套管6的外侧，并与套管6形成环空，所述在保温壳体15的侧壁上安装有高压流体注入头11，安装有注水阀17，出水阀12，在套管6内装有密封腔直接与高压流体注入头11连接，所述保温壳体15下方与底座10相连接，上方与外壳体18相连接，在套管6外侧和外壳体18与保温壳体15的内侧部位装有电加热装置16连接；

所述检测系统包括拉力传感器9、压力传感器13、应变式传感器7，所述拉力传感器9安装于螺杆3和底座10连接处的上方，与螺杆3相连接；所述压力传感器12安装在套管6的外侧，位于保温壳体15与套管6所连接的密封腔上方，在应变式传感器7的下方；所述应变式传感器安装与套管6外侧，在隔环5与胶筒8的中间位置，应变式传感器7底部直接与胶筒8相连；所述中心管4下端面与胶筒8的上端面之间设有隔环5。

下面结合具体的实施步骤对本发明的结构及功能进行描述：

实施例1：

图1所示的封隔器试验装置，可以测量胶筒8在不同载荷下接触应力分布情况，在测量胶筒8接触应力时，首先将胶筒8和隔环5依次安放于支撑元件14上，然后安装中心管4将胶筒8压紧，随后安装加载横梁2和螺母1，工具安装到位后调试应变式传感器7和压力传感器13的性能，确定传感器性能无误后，将应变式传感器7和压力传感器13的数字显示屏读数为零，开始用扳手旋动螺母1向下移动，扭矩与轴向载荷传递给加载横梁2，由于加载横梁2的作用，上面的扭矩消除，正是这样设计，使中心管4压紧隔环5只受到轴向载荷不会受到扭矩载荷，而使胶筒8产生变形，完全符合实际工况要求。轴向载荷向下传递给中心管4、隔环5、胶筒8，胶筒8受到轴向载荷的作用径向膨胀，当轴向载荷继续增加时，胶筒8与套管6内壁发生接触，产生接触压力，并通过接触应力传感7传到外接数字显示屏上,当加载横梁2继续向下压紧螺杆3，安装在螺杆3上面的拉力传感器9可以测定出加载横梁2向下传递的轴向载荷大小，当拉力传感器9的示数达到预设定的初始值时，可不再给螺母1施加力，方可记录应变式传感器7的数值。

实施例2：

当需要测得胶筒8的密封性能时，可从高压流体注入头11内注入预设的压力气体，当空腔内压力达到要求时停止注入，此时记录压力传感数值随时间的变化规律，根据压力数值的变化可判定胶筒8的密封性能。

实施例3：

测试温度对胶芯变形以及密封性能的影响，通过安装在保温壳体14上的注水阀16，可往保温壳体14内注适量水，然后电加热装置15对水进行加热，电加热装置15可进行自动控制使水温维持在恒定温度。待测试结束后，可从出水阀12中将水排出。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位指示或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验装置，包括胶筒总成、加载系统、加压系统、检测系统，其特征在于，还包括加热系统；所述加载系统包括底座、支撑元件、驱动机构，所述加压系统包括中心管、套管，所述底座上表面中心设置有承压台，所述支撑元件下端固定在承压台中心，所述胶筒总成套装在支撑元件外部，且胶筒总成底端面压在承压台上，所述套管将胶筒总成、承压台容纳进自身内腔，套管底端固定在底座上，所述中心管下端面进入套管内压在胶筒总成上，同时支撑元件穿入中心管的中心孔中，所述中心管上端面与驱动机构上端连接，驱动机构下端固定在底座上，所述检测系统包括应变式传感器、拉力传感器、压力传感器，所述应变式传感器安装在套管上，所述拉力传感器安装在驱动机构上，所述压力传感器安装在套管上；所述加热系统设置在套管外围；

所述套管还开设径向贯通的流体入口，流体入口安装高压流体注入头，且流体入口进入的流体首先流入承压台和套管之间的空隙内；

所述驱动机构包括左螺杆、右螺杆、加载横梁、左螺母、右螺母，所述左螺杆、右螺杆结构相同且对称式固定在底座上，左螺杆上端穿过加载横梁开设的左通孔后安装左螺母，右螺杆上端穿过加载横梁开设的右通孔后安装右螺母，所述加载横梁下断面中心位置与中心管上端面连接固定，所述左螺杆、右螺杆上均安装拉力传感器，所述加载横梁中心开设贯通孔，与中心管的中心孔连通。

2.根据权利要求1所述的一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验装置，其特征在于，所述承压台周身与套管内壁具有空隙，同时未被压时的胶筒总成径向外壁与套管内壁也具有空隙，所述应变式传感器安装在套管开设的径向通孔上，且与胶筒总成径向外壁相对应，所述压力传感器安装在套管开设的径向通孔上，且与承压台和套管之间的空隙相对应。

3.根据权利要求1或2所述的一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验装置，其特征在于，所述加热系统包括保温壳体、电加热装置、外壳体，所述保温壳体罩扣在套管外围，且保温壳体下端与套管下端连接固定，在保温壳体内壁安装电加热装置。

4.根据权利要求3所述的一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验装置，其特征在于，所述保温壳体、外壳体同时开设相对应的上开孔和下开孔，该上开孔安装注水阀，下开孔安装出水阀。

5.根据权利要求4所述的一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验装置，其特征在于，所述胶筒总成包括摞在一起的三层胶筒，每一个胶筒上端面均设置一个隔环，每一个胶筒至少与两个应变式传感器相对应。

6.一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验方法，其特征在于，使用权利要求5所述的一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验装置，包括以下步骤：

步骤一：测量胶筒接触应力的步骤，首先将胶筒和隔环依次安放于支撑元件上，然后安装中心管将胶筒压紧，随后安装加载横梁和螺母，调试应变式传感器和压力传感器的性能，确定传感器性能无误后，将应变式传感器和压力传感器的数字显示屏读数为零，开始用扳手旋动螺母向下移动，扭矩与轴向载荷传递给加载横梁，由于加载横梁的作用，上面的扭矩消除，正是这样设计，使中心管压紧隔环只受到轴向载荷不会受到扭矩载荷，而使胶筒产生变形，完全符合实际工况要求；轴向载荷向下传递给中心管、隔环、胶筒，胶筒受到轴向载荷的作用径向膨胀，当轴向载荷继续增加时，胶筒与套管内壁发生接触，产生接触压力，并通过接触应力传感传到外接数字显示屏上,当加载横梁继续向下压紧螺杆，安装在螺杆上面的拉力传感器可以测定出加载横梁向下传递的轴向载荷大小，当拉力传感器的示数达到预设定的初始值时，不再给螺母施加力，再记录应变式传感器的数值；

步骤二：测量胶筒的密封性能的步骤，从高压流体注入头内注入预设的压力气体，当空腔内压力达到要求时停止注入，此时记录压力传感数值随时间的变化规律，根据压力数值的变化判定胶筒的密封性能。

7.根据权利要求6所述的一种机械加载式封隔器胶筒模拟加载密封实验方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在进行步骤一或者步骤二的同时，增加测试温度对胶芯变形以及密封性能的影响的步骤，通过安装在保温壳体上的注水阀，往保温壳体内注适量水，然后电加热装置对水进行加热，电加热装置进行自动控制使水温维持在恒定温度，待测试结束后，从出水阀中将水排出。