本發(fā)明屬于油氣田開發(fā)鉆井過程中的管柱磨損測試，具體涉及一種油氣管柱磨損測試裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著深層、超深層裂縫性氣藏的開發(fā)，定向井、大位移井、水平井、深井所占的比例上升，井眼曲率高、井壁變形度大、鉆井液體系復(fù)雜等特征突出，導(dǎo)致：(1)鉆進過程，鉆桿外壁與上開次套管內(nèi)壁多角度接觸，并在復(fù)雜鉆井液環(huán)境中(粘滯力增加)旋轉(zhuǎn)摩擦，損壞套管內(nèi)壁；(2)起下鉆過程，鉆桿外壁與套管內(nèi)壁正面接觸，往復(fù)摩擦，損壞套管內(nèi)壁；(3)下套管過程，套管外壁與井壁巖體接觸，存在上提下壓的往復(fù)和旋轉(zhuǎn)復(fù)合摩擦外壁磨損傷害。上述3個過程嚴(yán)重?fù)p害了套管壁，存在管壁磨穿失效的風(fēng)險，造成泄漏事故。因此迫切需要對套管的磨損進行測試，以預(yù)防后續(xù)泄露事故的發(fā)生。

2、現(xiàn)有的套管摩擦磨損的試驗裝置及方法，多由插銷式試驗機完成，插銷式試驗機所做的兩平面之間的對磨試驗不能有效地模擬現(xiàn)場工況(兩個曲面環(huán)摩擦)。

3、基于以上問題，本技術(shù)提出一種油氣管柱磨損測試裝置及方法，能夠模擬鉆桿與套管摩擦、套管與井壁巖體摩擦的曲面摩擦接觸，從而對后續(xù)套管的安全評價及全生命周期井筒安全保障提供實驗支撐提供實驗支撐。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種油氣管柱磨損測試裝置。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種油氣管柱磨損測試裝置，包括支撐座，所述支撐座上設(shè)置有用來模擬井筒物理環(huán)境的模擬井筒組件、用來帶動內(nèi)試樣進行上下往復(fù)運動或旋轉(zhuǎn)運動或上下往復(fù)旋轉(zhuǎn)復(fù)合運動的復(fù)合運動機構(gòu)、用來夾持外試樣并對外試樣和內(nèi)試樣之間接觸面施加側(cè)向力的接觸載荷施加機構(gòu)、用來測量內(nèi)試樣或外試樣磨損量的磨損測量機構(gòu)；

4、所述模擬井筒組件包括固定設(shè)置在支撐座上的模擬井筒腔，所述模擬井筒腔與用來提供模擬井筒流體的流體供給機構(gòu)相連；

5、所述復(fù)合運動機構(gòu)包括用來安裝內(nèi)試樣的定位軸以及帶動定位軸運動的動力組件，所述定位軸位于模擬井筒腔的上部；

6、所述接觸載荷施加機構(gòu)包括用來夾持外試樣的相對稱的兩塊夾持推力板以及用來提供夾持力及側(cè)向力的施加組件，所述夾持推力板中用來夾持外試樣的部分位于模擬井筒腔內(nèi)。

7、優(yōu)選的，所述支撐座包括透明罩，所述透明罩的頂部設(shè)置支撐架；

8、所述模擬井筒腔的頂端與透明罩的頂板底端固定連接，所述透明罩的頂板上設(shè)置有與模擬井筒腔的井口相適配的通孔。

9、優(yōu)選的，所述流體供給機構(gòu)包括用來儲存鉆井液的儲液罐以及用來儲存巖屑的加砂罐；

10、所述儲液罐的出口管、加砂罐的出口管匯集之后與液壓泵的入口管相連；

11、所述液壓泵的出口管與進液管線的一端相連，所述進液管線的另一端與模擬井筒腔的底端入口相連。

12、優(yōu)選的，所述進液管線上設(shè)置有單向閥，所述單向閥內(nèi)允許的流向是由液壓泵流向模擬井筒腔。

13、優(yōu)選的，所述模擬井筒腔的內(nèi)側(cè)底端設(shè)置微型攪拌器。

14、優(yōu)選的，所述模擬井筒腔的外壁上設(shè)置加熱絲。

15、優(yōu)選的，所述動力組件包括固定設(shè)置在支撐架上的往復(fù)加載缸，所述往復(fù)加載缸的活塞桿端部與轉(zhuǎn)盤進行轉(zhuǎn)動配合；

16、所述轉(zhuǎn)盤的底端垂直固定設(shè)置兩根導(dǎo)向桿；

17、所述導(dǎo)向桿與第一帶輪進行豎直方向的滑動配合；

18、所述第一帶輪的外側(cè)壁下部與支撐架進行轉(zhuǎn)動配合；所述第一帶輪的外側(cè)壁上部與用來驅(qū)動第一帶輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動組件相連；

19、所述導(dǎo)向桿的底端與連接板固定連接；

20、所述定位軸固定設(shè)置在連接板的底端，所述定位軸與第一帶輪同軸設(shè)置。

21、優(yōu)選的，所述驅(qū)動組件包括固定設(shè)置在支撐架上的驅(qū)動電機，所述驅(qū)動電機的輸出軸端部與第二帶輪進行同軸固定連接；

22、所述第一帶輪的外側(cè)壁上部與第二帶輪的外側(cè)壁之間設(shè)置傳動皮帶。

23、優(yōu)選的，所述施加組件包括兩個分別與相應(yīng)夾持推力板相連接的加載缸；

24、所述加載缸固定設(shè)置在支撐架上；

25、所述加載缸的活塞桿與相應(yīng)的夾持推力板固定連接。

26、優(yōu)選的，所述夾持推力板包括用來與加載缸相連的連接部、用來安裝外試樣的安裝部以及用來連接安裝部與連接部的轉(zhuǎn)接板；

27、所述安裝部位于模擬井筒腔內(nèi)。

28、優(yōu)選的，所述安裝部上設(shè)置有用來放置外試樣的卡槽，兩個夾持推力板的卡槽相向設(shè)置。

29、優(yōu)選的，所述磨損測量機構(gòu)包括位移傳感器以及用來對內(nèi)試樣、外試樣試驗前后進行稱重的測重儀；

30、所述位移傳感器共有兩個，分別設(shè)置在兩個加載缸上。

31、本發(fā)明還公開一種油氣管柱磨損測試方法。

32、一種油氣管柱磨損測試方法，采用油氣管柱磨損測試裝置進行實施，包括以下步驟：

33、步驟11：根據(jù)目標(biāo)工區(qū)實際的套管、鉆桿、井壁的尺寸，根據(jù)相似性原理確定內(nèi)試樣、外試樣的尺寸，其中內(nèi)試樣、外試樣所用材質(zhì)與目標(biāo)工區(qū)相同；根據(jù)尺寸和材質(zhì)制備相應(yīng)的內(nèi)試樣、外試樣并通過測重儀分別進行稱重，獲得內(nèi)試樣的初始重量、外試樣的初始重量；

34、步驟12：根據(jù)目標(biāo)工區(qū)的井下溫度、鉆井液體系、巖屑粒徑確定模擬井筒腔內(nèi)的試驗溫度及進入到模擬井筒腔內(nèi)流體的攜砂量；

35、步驟13：根據(jù)鉆桿轉(zhuǎn)速或者下套管轉(zhuǎn)速，按照尺寸縮放比例確定內(nèi)試樣的旋轉(zhuǎn)速度。

36、步驟14：利用landmark?wellplan軟件對目標(biāo)工區(qū)內(nèi)鉆桿或者套管所受側(cè)向力進行計算，然后根據(jù)應(yīng)力相似原理確定試樣接觸側(cè)向力；

37、步驟15：根據(jù)目標(biāo)工區(qū)內(nèi)的鉆桿鉆進速度或者套管提放速度，基于相似性原理確定內(nèi)試樣的上下往復(fù)運動速度；

38、步驟16：根據(jù)目標(biāo)工區(qū)內(nèi)的井筒井眼軌跡井斜角確定外試樣內(nèi)孔中心線的傾斜角；

39、步驟17：按照步驟12中確定的鉆井液、巖屑粒徑、流體的攜砂量向模擬井筒腔內(nèi)注入混合流體，同時打開微型攪拌器；

40、步驟18：通過加熱絲使模擬井筒腔內(nèi)的溫度達到步驟12中確定的試驗溫度；

41、步驟19：將步驟11中確定的內(nèi)試樣與定位軸固定連接，將步驟11中確定的外試樣夾持在兩個夾持推力板之間；

42、步驟20：首先通過其中一個加載缸向內(nèi)試樣、外試樣之間的接觸面施加步驟14確定的試樣接觸側(cè)向力；

43、然后啟動往復(fù)加載缸，使內(nèi)試樣以步驟15中確定的上下往復(fù)運動速度進行上下往復(fù)運動；

44、最后啟動驅(qū)動電機，使內(nèi)試樣以步驟13中確定的旋轉(zhuǎn)速度進行旋轉(zhuǎn)運動；

45、從內(nèi)試樣開始運動時計時，直至摩擦磨損試驗達到設(shè)定的試驗時間；在該過程中，位移傳感器檢測相應(yīng)側(cè)夾持推力板相對定位軸的位距離變化值；

46、步驟21：到達設(shè)定的試驗時間后，依次關(guān)閉加載缸、往復(fù)加載缸及驅(qū)動電機；

47、步驟22：停止加熱絲的加熱，溫度冷卻后，拆除單向閥，放空模擬井筒腔內(nèi)的攜砂泥漿；

48、步驟23：取出外試樣，拆除內(nèi)試樣，通過測重儀對試驗之后的內(nèi)試樣、外試樣分別進行稱重，獲得內(nèi)試樣的最終重量、外試樣的最終重量。

49、步驟24：將兩個夾持推力板相對定位軸的距離變化值之和作為試樣接觸面的磨損深度；

50、將內(nèi)試樣初始重量、最終重量之間的差值作為內(nèi)試樣的磨損變化量；

51、將外試樣初始重量、最終重量之間的差值作為外試樣的磨損變化量。

52、本發(fā)明的有益效果是：

53、本發(fā)明充分考慮了井筒作業(yè)過程中套管柱所面對的復(fù)雜工況耦合的磨損環(huán)境，改變了以往只能模擬單一旋轉(zhuǎn)摩擦運動形式，通過復(fù)合運動機構(gòu)的設(shè)置實現(xiàn)了內(nèi)試樣、外試樣之間的往復(fù)-旋轉(zhuǎn)復(fù)合式摩擦運動形式，可以用于模擬旋轉(zhuǎn)、往復(fù)及兩者復(fù)合形式下的套管壁磨損過程，進而能夠模擬鉆桿與套管摩擦、套管與井壁巖體摩擦的多介質(zhì)曲面摩擦接觸，從而對后續(xù)套管的安全評價及全生命周期井筒安全保障提供實驗支撐。