[发明专利]井筒内管柱压扭屈曲模拟实验装置及其实验方法

说明书

技术领域

本发明涉及油气井钻采技术领域中实现井筒内管柱在轴向压力和扭矩作用下屈曲行为的模拟和测量的实验装置，具体涉及井筒内管柱压扭屈曲模拟实验装置及其实验方法。

背景技术

井筒内管柱包括钻柱、套管柱、测试管柱、抽油杆管柱、连续管等，常受到轴向压力和扭矩作用，容易导致屈曲，其屈曲力学行为是石油工程中的关键问题，对石油工程中的诸多方面(如钻井、完井、测井、压裂、采油等)都有不良影响，会引起钻头方向改变及井下摩阻和扭矩显著增加(甚至使管柱“锁死”)，导致钻具疲劳破坏、油管密封失效、管柱连接失效、连续油管无法下入以及采油杆管柱偏磨等。因此，研究井筒内管柱的屈曲行为具有重要意义。

东北石油大学翟继东设计的管柱屈曲实验装置，管柱为不锈钢，采用万能试验机提供轴向压力，并记录管柱轴向位移，可模拟井筒内两端固定管柱在轴向压力作用下的屈曲行为。管锋，段梦兰等人设计连续油管井下力学行为模拟实验台架，管柱用高强弹簧钢丝模拟，采用电动缸在首端提供推力和回拉力，由传感器获得不同位移下首末端轴向压力，可实现水平井内一端固定管柱分别在推力和回拉力作用下的屈曲行为模拟。中国发明专利201210101723.1设计了双层管整体屈曲模拟实验装置，对双层管实现轴向和侧向加载，由检测的轴向压力、轴端位移及各应变反映双层管的屈曲特性。该装置可模拟两端固定双层管在轴向和侧向加载作用下的整体屈曲行为。中国实用新型专利201420542160.4设计了一种多功能加载管道整体屈曲实验系统，可分别模拟温、压、机械加载管道整体屈曲情况。该试验装置可实现管道在温度，轴向压力以及机械方面轴向及侧向轴向压力作用下的整体屈曲。王宇，高国华等人设计的井筒内管柱小尺寸模拟实验台，采用有机玻璃管模拟井眼，弹簧作为模拟管柱，采用步进电机或人工方式，通过滚珠丝杠实现对模拟管柱的轴向加载，分别测量加载端和固定端发生正弦屈曲和螺旋屈曲的载荷与位移。设计的以上实验装置均可实现井筒内管柱轴向压力载荷加载，测量管柱的屈曲行为，但没有实现井筒内管柱受扭矩作用的屈曲实验模拟。

张广清设计斜直井段旋转钻柱稳定性试验研究装置，上端配有调速电机实现钻柱旋转运动，用扭矩传感器测量施加的扭矩；下端配有手动螺旋机构、位移传感器和压力传感器，实现轴向压力施加，并测量受压钻柱的轴向压力和位移。该实验装置能够研究旋转钻柱稳定性，但轴向压力为手动加载，施加不方便。由于管柱屈曲受到井筒摩擦力的影响，上下两端的载荷存在差异，该装置上端不能实现轴向压力测量，下端不能实现扭矩测量。

发明内容

本发明的一个目的是提供井筒内管柱压扭屈曲模拟实验装置，这种井筒内管柱压扭屈曲模拟实验装置用于解决现有的实验装置不能实现轴向压力和扭矩的同时施加与测量，以及不能实现管柱两端轴向压力和扭矩各自独立测量的问题，本发明的另一个目的是提供这种井筒内管柱压扭屈曲模拟实验装置的实验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种井筒内管柱压扭屈曲模拟实验装置包括轴向压力加载装置、扭矩加载装置、夹持装置、外管、静态管柱试件、固定接头、受载装置，轴向压力加载装置固定于第一底座上，轴向压力加载装置连接扭矩加载装置，扭矩加载装置滑动连接于第二底座上，静态管柱试件设置于外管内，外管由至少一个夹持装置夹持，静态管柱试件两端分别通过固定接头连接在扭矩加载装置和受载装置之间；轴向压力加载装置设置有第一压力传感器和拉线传感器，扭矩加载装置包括动态扭矩传感器和角位移传感器，第一压力传感器连接扭矩加载装置的减速器，拉线传感器拉线连接在减速器的底座上；受载装置包括第三底座、静态扭矩传感器、第二压力传感器、前挡板、后挡板，第三底座上设置导轨，前挡板通过小轴承安装在小轴承座上，小轴承座通过导轨滑块与导轨滑动连接，后挡板通过导轨滑块与导轨滑动连接，前挡板通过连接杆与相应的固定接头连接，静态扭矩传感器一端与前挡板键连接，静态扭矩传感器另一端固定在后挡板上，后挡板另一侧连接第二压力传感器，第二压力传感器与第三底座固定连接，前挡板与后挡板之间设置有大轴承。