一種測試特殊螺紋接頭密封性的試驗裝置及試驗方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及用于石油管材的特殊螺紋接頭技術領域，具體涉及一種測試特殊螺紋 接頭密封性的試驗裝置及試驗方法。
【背景技術】
[0002] 油、套管通過螺紋連接形成長達數千米的管柱，螺紋接頭同油套管柱一起在油氣 井中承受復雜井況的考驗，螺紋接頭質量的好壞直接影響了鉆采作業的成敗和油氣井的壽 命。調查顯示，國內油套管失效事故有高達86%發生在螺紋連接處。
[0003] 進入新世紀，隨著油氣井開采技術的不斷發展和井下工況的越來越復雜，傳統的 API螺紋接頭由于自身結構的缺陷而無法滿足油田客戶的使用要求。而特殊螺紋接頭通過 設計獨特的機械結構，可以很好的彌補API螺紋接頭的設計缺陷。通過現場應用證明，采用 特殊螺紋接頭是油田客戶解決石油套管過早失效的有效措施之一。為此，各生產廠家對特 殊螺紋接頭展開了大量的探宄和特殊螺紋接頭專利產品的開發。特殊螺紋接頭密封性能作 為接頭的主要考查指標，已引起越來越多科研人員的關注，國內外研發人員花費了大量的 人力、物力來研發不同特殊螺紋密封配合。
[0004] 目前對特殊螺紋性能研宄方法主要有實物試驗法和有限元分析法。但是實物試驗 法實驗周期長，同時試驗成本高、代價大，對特殊螺紋的研發帶來了巨大的困難；而有限元 分析法的基本思想是在理想情況下將連續的求解區域離散化，通過分開求解出這些未知量 來得到整個求解域的近似解，缺少了實物實驗法的逼真性，同時沒有考慮接頭材料本身的 很多偶然因素。
[0005] 本研宄開發了一種綜合實物試驗法和有限元分析法的測試特殊螺紋密封性的試 驗方法及裝置，既沿用了有限元分析法離散化的基本思想，同時又具有實物試驗法逼真性 的試驗裝置及試驗方法。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于克服了現有技術的缺點，提供了一種用于石油管材用特殊螺紋 接頭密封性的試驗裝置及試驗方法，能夠對特殊螺紋接頭金屬過盈密封帶處在不同的接觸 壓力下試驗材料的應力應變情況進行模擬測試，更加準確逼真的反映了特殊螺紋接頭金屬 過盈密封帶處材料的應力應變情況，為特殊螺紋接頭密封結構的開發提供指導，有效減少 實物試驗頻次。
[0007] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種測試特殊螺紋接頭密封性的 試驗裝置，包括壓力裝置主控制箱、固定壓力臂、活動壓力臂、支撐架、導力桿、支撐桿、管體 密封單元試樣、接箍密封單元試樣、數據收集系統和試驗臺面；所述壓力裝置主控制箱通過 電纜和高壓氣管與固定壓力臂相連，固定壓力臂與支撐架固定連接，固定壓力臂內設有氣 缸和電氣傳感器，高壓氣管通過電氣傳感器與氣缸連通，固定壓力臂與支撐架固定連接，活 動壓力臂位于固定壓力臂下方，活動壓力臂通過氣缸中的活塞桿與氣缸連接，活動壓力臂 與支撐架活動連接，活動壓力臂上固設有向下的導力桿，支撐桿位于活動壓力臂的下方，支 撐桿與支撐架固定連接，支撐桿中心設有與導力桿相配合的通孔，導力桿穿過支撐桿的通 孔，管體密封單元試樣安裝在導力桿的下端，接箍密封單元試樣通過高強度螺栓與試驗臺 面內試樣工位配合、數據收集系統通過信號線與試驗臺面連接。
[0008] 上述數據收集系統包括采集壓力及接觸位置的數據采集儀和數據顯示器；所述數 據采集儀和數據顯示器通過數據線相連，試驗臺面上設有信號線引出口，數據采集儀和試 驗臺面通過信號線相連。
[0009] 上述固定壓力臂兩端分別通過高強度緊固螺栓與支撐架兩立柱固定連接。
[0010] 上述支撐桿兩端分別通過高強度緊固螺栓與支撐架兩立柱固定連接。
[0011] 上述支撐架兩立柱上豎向設有活動槽，活動壓力臂通過活動槽沿支撐架兩立柱上 下移動。
[0012] 上述管體密封單元試樣通過高強度螺栓安裝在導力桿的下端。
[0013] 上述接箍密封單元試樣通過高強度磁鐵吸引與實驗臺面內試樣工位配合。
[0014] 上述壓力裝置主控制箱最高工作壓力為70KN。
[0015] 上述導力桿穿過支撐桿通孔處設有活動元件，活動元件用于減少導力桿垂直活動 受到的阻力。
[0016] 一種利用上述測試特殊螺紋接頭密封性的試驗裝置的試驗方法，包括以下步驟：
[0017] 首先，將研發的特殊螺紋接頭密封結構以相同材料嚴格按照1 :1制作成管體密封 單元試樣和接箍密封單元試樣；
[0018] 其次，將管體密封單元試樣安裝在導力桿的下端，將接箍密封單元試樣與試驗臺 面內試樣工位配合，通過調節壓力裝置主控制箱來施加壓力，來研宄特殊螺紋接頭密封結 構在不同的過盈配合情況下的材料應力應變情況；
[0019] 最后，將通過數據收集系統得到的數據進行分析，計算得出螺紋接頭密封穩定指 數1，其表達式為：
[0020]
【主權項】
1. 一種測試特殊螺紋接頭密封性的試驗裝置，其特征在于，包括壓力裝置主控制箱、固 定壓力臂、活動壓力臂、支撐架、導力桿、支撐桿、管體密封單元試樣、接箍密封單元試樣、數 據收集系統和試驗臺面； 所述壓力裝置主控制箱通過電纜和高壓氣管與固定壓力臂相連，固定壓力臂內設有氣 缸和電氣傳感器，高壓氣管通過電氣傳感器與氣缸連通，固定壓力臂與支撐架固定連接，活 動壓力臂位于固定壓力臂下方，活動壓力臂通過氣缸中的活塞桿與氣缸連接，活動壓力臂 與支撐架活動連接，活動壓力臂上固設有向下的導力桿，支撐桿位于活動壓力臂的下方，支 撐桿與支撐架固定連接，支撐桿中心設有與導力桿相配合的通孔，導力桿穿過支撐桿的通 孔，管體密封單元試樣安裝在導力桿的下端，接箍密封單元試樣通過高強度螺栓與試驗臺 面內試樣工位配合、數據收集系統通過信號線與試驗臺面連接。
2. 如權利要求書1所述測試特殊螺紋接頭密封性的試驗裝置，其特征在于，所述數據 收集系統包括采集壓力及接觸位置的數據采集儀和數據顯示器；所述數據采集儀和數據顯 示器通過數據線相連，試驗臺面上設有信號線引出口，數據采集儀和試驗臺面通過信號線 相連。
3. 如權利要求書1所述測試特殊螺紋接頭密封性的試驗裝置，其特征在于，所述固定 壓力臂兩端分別通過高強度緊固螺栓與支撐架兩立柱固定連接。
4. 如權利要求書1所述測試特殊螺紋接頭密封性的試驗裝置，其特征在于，所述支撐 桿兩端分別通過高強度緊固螺栓與支撐架兩立柱固定連接。
5. 如權利要求書1所述測試特殊螺紋接頭密封性的試驗裝置，其特征在于，所述支撐 架兩立柱上豎向設有活動槽，活動壓力臂通過活動槽沿支撐架兩立柱上下移動。
6. 如權利要求書1所述測試特殊螺紋接頭密封性的試驗裝置，其特征在于，所述管體 密封單元試樣試樣通過高強度螺栓安裝在導力桿的下端。
7. 如權利要求書1所述測試特殊螺紋接頭密封性的試驗裝置，其特征在于，所述接箍 密封單元試樣通過高強度磁鐵吸引與試驗臺面內試樣工位配合。
8. 如權利要求書1所述測試特殊螺紋接頭密封性的試驗裝置，其特征在于，所述壓力 裝置主控制箱最高工作壓力為70KN。
9. 如權利要求書1所述測試特殊螺紋接頭密封性的試驗裝置，其特征在于，導力桿穿 過支撐桿的通孔處設有活動元件，活動元件用于減少導力桿垂直活動受到的阻力。
10. -種利用權利要求1~9任一權利要求所述的測試特殊螺紋接頭密封性的試驗裝 置的試驗方法，其特征在于，包括以下步驟： 首先，將研發的特殊螺紋接頭密封結構以相同材料嚴格按照1:1比例制作成管體密封 單元試樣和接箍密封單元試樣； 其次，將管體密封單元試樣安裝在導力桿的下端，將接箍密封單元試樣與試驗臺面內 試樣工位配合，通過調節壓力裝置主控制箱來施加壓力，來研宄特殊螺紋接頭密封結構在 不同的過盈配合情況下的材料應力應變情況； 最后，將通過數據收集系統得到的數據進行分析，計算得出螺紋接頭密封穩定指數Wa， 其表達式為：
式中：Wa-螺紋接頭密封穩定指數； P。-螺紋接頭過盈密封段1范圍內的接觸壓力分布；n_關系指數； 1-螺紋接頭過盈密封段長度； 接頭密封判據為Wa。，服役環境不同，密封判據Wa。數值不同，將螺紋接頭密封穩定指數 13與Wa。進行比較得出試驗結論，若接頭密封穩定指數WWa。，同時沒有出現材料損傷，則 該密封結構為可靠密封配合，若接頭密封穩定指數wa<wa。，或者出現材料損傷，則該密封 結構為非可靠密封配合。
【專利摘要】本發明公開了一種測試特殊螺紋接頭密封性的試驗裝置及試驗方法，該裝置包括壓力裝置主控制箱、固定壓力臂、活動壓力臂、支撐架、導力桿、支撐桿、管體密封單元試樣、接箍密封單元試樣、數據收集系統和試驗臺面；本發明通過更換不同的管體密封單元試樣和接箍密封單元試樣，調節壓力裝置主控制箱施加壓力，可對金屬過盈密封帶在不同的接觸壓力下的應力應變進行模擬，研究石油套管、油管的管體與接箍之間螺紋接頭的密封性能，有效減少實物試驗頻次，本試驗裝置及試驗方法的管體密封單元試樣及接箍密封單元試樣直接采用了研發材料進行試驗，具有有限元分析法無法實現的逼真性，試驗結論有很好的重現性，對特殊螺紋接頭密封配合的研發具有很好的指導意義。
【IPC分類】G01M3-00, G01N3-08
【公開號】CN104697713
【申請號】CN201510082166
【發明人】畢宗岳, 魯碧為, 白鶴, 張峰, 李周波, 王軍, 何石磊, 韋奉, 李遠征, 周新義, 楊曉龍, 王亮, 趙勇, 苑清英
【申請人】寶雞石油鋼管有限責任公司
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年2月15日