一種模擬注蒸汽井套管熱強度的測試方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本專利涉及石油與天然氣鉆井工程技術領域，具體是一種模擬注蒸汽井套管熱強度的測試方法及裝置。
技術背景
[0002]在油氣鉆井和生產過程中，石油套管起著保護井眼、加固井壁、隔絕井中的油、氣、水層及封固各種復雜地層的作用。然而，在稠油井注高溫蒸汽熱采過程中，套管會同時受到蒸汽溫度和壓力的作用，其中溫度及溫度變化對套管抗內壓屈服強度具有較大的影響，主要表現為以下兩個方面:第一，較高的井筒溫度影響套管抗拉屈服應力、彈性模量和線膨脹系數等材料性能；第二，溫度變化即溫差會導致套管受到附加的熱載荷(主要包括軸向拉伸載荷或壓縮載荷)；第三，注蒸汽井套管產生的環向殘余應力會降低套管強度。由此可知，溫度不僅會在套管柱上產生附加載荷，而且也會降低套管柱的材料性能，增加套管柱發生內壓屈服失效的可能性。因此，準確測試并獲取不同注氣溫度和壓力下套管的熱強度及環向殘余應力是熱采井套管柱強度設計的關鍵。
[0003]目前，關于套管強度的試驗研究僅停留在常溫常壓條件下，而針對高溫高壓下套管熱強度和熱應力的研究，國內外學者也僅基于經驗公式做了大量的理論研究，建立了相應計算模型，但由于缺乏試驗數據的驗證，模型計算結果的準確性和可靠性有待改進并完善。為此，本發明提出一種熱采井注氣過程中套管熱應力的測試方法及裝置，可準確測試并獲取不同注氣溫度和壓力下套管的熱強度及環向殘余應力，促進注蒸汽井套管熱強度研究的進一步發展。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種模擬注蒸汽井套管熱強度的測試方法及裝置，以解決注蒸汽井套管熱強度難以準確獲取的技術難題，為注蒸汽井套管強度設計提供重要參考，并在達到上述目的的同時，簡化測試裝置的復雜性，降低設備的成本。
[0005]為達到上述目的，本發明采用以下技術方案:利用加熱爐給兩端用左堵頭、右堵頭(左堵頭帶有外螺紋和進氣口，右堵頭帶有外螺紋和出氣口)和剛性絲桿固定的套管(兩端內壁上開有與左堵頭和右堵頭匹配的內螺紋)加熱，加熱到設定溫度(模擬熱采井注氣溫度)時，通過左堵頭的進氣口緩慢向套管內注入惰性氣體(如二氧化碳或氮氣，模擬注氣壓力)，同時采用應變儀記錄不同注氣壓力下套管應變及對應時間，基于應變測試數據繪制注氣壓力與套管應變和等效應力的關系曲線，通過計算得到該溫度下套管的抗內壓屈服強度及泄壓后的環向殘余應力，改變注氣溫度可以得到不同溫度下套管的抗內壓屈服強度和環向殘余應力，所述的模擬注蒸汽井套管熱強度的測試方法包括以下步驟:
a.利用左堵頭、右堵頭及密封圈將套管進行密封，用剛性絲桿將套管兩端進行固定，限制套管在加熱過程中發生軸向變形；
b.將高溫直角應變片和單軸應變片粘貼在套管外壁，并與應變儀連接，其中高溫直角應變片用于測量套管抗內壓屈服強度，單軸應變片用于溫度補償；
C.將準備好的套管放入加熱爐，加熱套管至設定溫度；
d.通過進氣口向套管緩慢注入惰性氣體，同時用應變儀記錄不同注氣壓力下套管應變及對應時間；
e.當注氣壓力達到設定壓力時，開始降壓，直到降為大氣壓，觀察大氣壓對應的環向應變，如果沒有殘余應變產生，增加注氣壓力，直到產生殘余應變為止；
f.繪制注入壓力與套管環向應變和等效應力的關系曲線，直接讀取套管的抗內壓屈服強度，基于環向殘余應變計算得到套管環向殘余應力；
g.套管屈服后，改變注氣壓力，重復步驟d、e和f得到套管抗內壓屈服強度，對比分析循環注蒸汽對套管抗內壓屈服強度和環向殘余應力的影響規律；
h.改變加熱溫度及注氣溫度，重復步驟d、e、f、g可以得到不同注氣溫度下套管抗內壓屈服強度和環向殘余應力及循環注蒸汽對套管抗內壓屈服強度和環向殘余應力的影響規律。
[0006]為使用上述方法，本發明提供一種模擬注蒸汽井套管熱強度的測試裝置，主要包括:左堵頭、右堵頭、剛性絲桿、高溫直角應變片、套管、加熱爐、密封圈、高溫導線、高溫單軸應變片、應變儀，其中加熱爐用于給套管施加溫度，左堵頭帶有外螺紋和進氣口，右堵頭帶有外螺紋、出氣口和壓力表，高溫直角應變片用于測量套管的熱強度，高溫單軸應變片用于溫度補償，套管兩端內壁上開有與左堵頭和右堵頭匹配的內螺紋，左堵頭和右堵頭與套管之間通過螺紋和密封圈進行密封，通過剛性絲杠連接左堵頭和右堵頭對套管兩端進行固定，用于限制套管在加溫過程中發生軸向變形。
[0007]本發明具有以下優點:
本發明提供的測試方法及裝置可準確模擬測試并獲取注蒸汽井在不同注氣溫度下的套管抗內壓屈服強度和環向殘余應力，以及循環注蒸汽對套管抗內壓屈服強度和環向殘余應力的影響規律，可為注蒸汽井套管抗內壓屈服強度的優化設計及其理論研究提供有力的指導。
【附圖說明】
[0008]圖1為測試裝置示意圖。
【具體實施方式】
[0009]下面結合附圖，對本發明進行詳細描述。
[0010]本發明利用加熱爐給兩端用左堵頭、右堵頭(左堵頭帶有外螺紋和進氣口，右堵頭帶有外螺紋和出氣口)和剛性絲桿固定的套管(兩端內壁上開有與左堵頭和右堵頭匹配的內螺紋)加熱，加熱到設定溫度(模擬注氣溫度)時，通過左堵頭的進氣口緩慢向套管內注入惰性氣體(如二氧化碳或氮氣，模擬注氣壓力)，同時采用應變儀記錄不同注氣壓力下套管應變及對應時間，基于應變測試數據繪制注氣壓力與套管應變和等效應力的關系曲線，通過計算得到該溫度下套管的抗內壓屈服強度及泄壓后的環向殘余應力，改變注氣溫度可以得到不同溫度下套管的抗內壓屈服強度和環向殘余應力。
[0011]如圖1所示，為使用上述方法，本發明提供一種模擬注蒸汽