本發(fā)明屬于石油勘探領域固完井設計，具體涉及一種模擬內壓與外載荷復合工況下的管柱變形測試裝置及方法。

背景技術：

1、頁巖氣開采過程中，水平井和大規(guī)模體積壓裂是其成功開發(fā)的關鍵技術。在頁巖氣水平井壓裂過程中套管管柱會承受多頻次劇烈的內壓循環(huán)載荷及外擠載荷，從而會導致套管管柱強度屈服失效，產生塑性小變形；此外，套管管柱在多級壓裂過程中可能承受斷層及裂縫造成的剪切應力載荷的作用發(fā)生剪切變形。即頁巖氣井套管管柱受力載荷包括內壓以及剪切、彎曲多種形式的外載荷，在內壓及外載荷的復合工況作用下套管管柱會屈服失效產生變形，威脅井筒完整性，對生產安全造成惡劣影響。

2、因此，在下入管柱之前進行多種載荷形式下的管柱變形測試以評價管柱強度是非常有必要的，管柱的變形測試能夠為多級壓裂下套管管柱的失效判斷及變形量預測提供基礎。

3、目前，針對套管管柱變形試驗的裝置及方法多針對常規(guī)油氣開發(fā)過程中的管柱受力場景，忽略了頁巖氣井壓裂過程中套管循環(huán)內壓以及剪切、彎曲多種形式的外載荷并存的特點。

4、基于以上問題，本技術提出一種模擬內壓與外載荷復合工況下的管柱變形測試裝置及方法，能夠進行內壓及剪切、彎曲多種形式的外載荷并存工況下的管柱變形測試。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種模擬內壓與外載荷復合工況下的管柱變形測試裝置。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

3、模擬內壓與外載荷復合工況下的管柱變形測試裝置，包括用來夾持管柱試樣的管柱夾具、用來對管柱試樣施加外載荷的加載組件、用來檢測管柱試樣變形量的變形檢測件、用來對管柱試樣施加內壓的加壓組件；

4、所述管柱夾具包括支撐臺；

5、所述支撐臺上設置有兩個相平行的可以夾持不同長度管柱試樣的夾持支座；

6、所述加載組件包括兩個下固定座和一個上固定座；

7、所述下固定座的頂部可拆卸的連接有下壓頭刀具，所述下固定座設置在支撐臺上且可沿管柱試樣軸向方向進行移動；

8、所述上固定座的底部可拆卸的連接有上壓頭刀具，所述上固定座位于下固定座的上部；

9、所述下壓頭刀具、上壓頭刀具與管柱試樣相貼處的端面呈柱面結構；

10、所述上固定座的頂端與加載油缸的活塞桿底端固定連接，所述加載油缸固定設置在支撐臺上。

11、優(yōu)選的，所述支撐臺的左右兩端垂直固定設置支撐板；

12、兩塊支撐板之間垂直固定設置導桿；

13、所述夾持支座與導桿進行滑動配合。

14、優(yōu)選的，兩塊支撐板背向的端部各設置有一個夾持油缸；

15、所述夾持油缸的活塞桿端部穿過相應的支撐板后與相應的夾持支座固定連接。

16、優(yōu)選的，兩塊支撐板背向的端部各設置有一個調整油缸；

17、所述調整油缸的活塞桿端部穿過相應的支撐板后與相應的下固定座固定連接。

18、優(yōu)選的，所述支撐臺的頂端垂直向上固定設置四根承載立柱；

19、所述承載立柱的頂端固定設置上橫梁；

20、所述加載油缸固定設置在上橫梁上。

21、優(yōu)選的，所述上固定座與加載油缸的活塞桿之間設置負荷傳感器。

22、優(yōu)選的，所述加壓組件包括水壓泵站，所述水壓泵站的出口連接供水管；

23、所述管柱試樣的兩端設置密封蓋，其中一個密封蓋上設置有連通至管柱試樣內部的且能與供水管相連的注水口。

24、優(yōu)選的，所述變形檢測件為用來測量管柱試樣外徑變化的外壁夾持測距儀；

25、所述外壁夾持測距儀包括變形測量傳感器一、掛鉤以及設置在變形測量傳感器一、掛鉤之間的沿豎直方向延伸的形變線一；所述形變線一位于上固定座左右方向的豎直中心面上；

26、所述變形測量傳感器一固定設置在上固定座的前端面上；

27、所述掛鉤固定設置在其中一個下固定座上。

28、優(yōu)選的，所述變形檢測件為用來測量管柱試樣內徑變化的內壁多臂測距儀；

29、所述內壁多臂測距儀包括支撐底座，所述支撐底座上固定設置豎直向上延伸的支撐導向柱；

30、所述支撐導向柱上設置有沿水平方向延伸的第一臂桿，所述第一臂桿在支撐導向柱豎直方向上的位置可調；

31、所述第一臂桿上部的支撐導向柱上設置有沿水平方向延伸的第二臂桿，所述第二臂桿與支撐導向柱進行豎直方向的滑動配合；

32、所述第一臂桿、第二臂桿之間的支撐導向柱上設置有彈簧托板，所述彈簧托板的上部固定設置能夠壓向第二臂桿的彈簧；

33、所述第一臂桿遠離支撐導向柱的端部底側、第二臂桿遠離支撐導向柱的端部頂側均設置牛眼軸承；

34、所述第一臂桿、第二臂桿之間設置有沿豎直方向延伸的形變線二，所述第二臂桿上設置有用來檢測形變線二形變量的變形測量傳感器二。

35、本發(fā)明還公開一種模擬曲面外載荷工況下的管柱變形測試方法。

36、模擬曲面外載荷工況下的管柱變形測試方法，采用模擬內壓與外載荷復合工況下的管柱變形測試裝置進行實施，包括以下步驟：

37、步驟11：確定與待測試管柱試樣相匹配的下壓頭刀具、上壓頭刀具；

38、步驟12：在步驟11中確定的下壓頭刀具、下壓頭刀具中選擇具有設定曲面夾角的刀具；

39、步驟13：在其中一個下固定座上安裝上步驟12中選定的下壓頭刀具，在上固定座上安裝上步驟12中選定上壓頭刀具；

40、步驟14：通過相應的調整油缸使下壓頭刀具與上壓頭刀具上下對齊；

41、步驟15：將管柱試樣的中部放置在下壓頭刀具上；

42、步驟16：在管柱試樣上安裝用來測量管柱試樣外徑變化的內壁多臂測距儀；

43、步驟17：加載油缸控制上壓頭刀具下移直至接觸管柱試樣表面；

44、步驟18：加載油缸控制下壓頭刀具以設定速度向下移動以對管柱試樣施加壓力，直至管柱試樣屈服；

45、在該過程中，負荷傳感器檢測加載油缸對管柱試樣所施加的試驗壓力，內壁多臂測距儀測量管柱試樣的內徑變化量；

46、負荷傳感器、內壁多臂測距儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳遞給計算機，得到管柱試樣的曲面外載荷試驗壓力-內徑變化量的關系曲線。

47、本發(fā)明還公開一種模擬內壓與曲面外載荷復合工況下的管柱變形測試方法。

48、模擬內壓與曲面外載荷復合工況下的管柱變形測試方法，采用模擬內壓與外載荷復合工況下的管柱變形測試裝置進行實施，包括以下步驟：

49、步驟21：確定與待測試管柱試樣相匹配的下壓頭刀具、上壓頭刀具；

50、步驟22：在其中一個下固定座上安裝步驟21中選定的下壓頭刀具，在上固定座上安裝上步驟21中選定上壓頭刀具；

51、步驟23：通過相應的調整油缸使下壓頭刀具與上壓頭刀具上下對齊；

52、步驟24：將管柱試樣的中部放置在下壓頭刀具上，在管柱試樣的兩端安裝密封蓋，然后通過兩個夾持油缸調整兩個夾持支座的位置使其對管柱試樣進行夾持；

53、步驟25：在管柱試樣上安裝用來測量管柱試樣外徑變化的外壁夾持測距儀；

54、步驟26：將供水管與其中一個密封蓋的注水口相連，通過水壓泵站向管柱試樣內注水加壓，使管柱試樣內的液壓載荷值達到設定內壓值；

55、步驟27：加載油缸控制上壓頭刀具下移直至接觸管柱試樣表面；

56、步驟28：加載油缸控制下壓頭刀具向下移動達到設定的外擠載荷最大力值；

57、在該過程中，負荷傳感器檢測加載油缸對管柱試樣所施加的外擠載荷值，外壁夾持測距儀測量管柱試樣的外徑變化量；

58、負荷傳感器、外壁夾持測距儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳遞給計算機，得到管柱試樣的內壓與曲面外載荷復合工況下外載荷值-外徑變化量的關系曲線。

59、本發(fā)明還公開一種模擬內壓與剪切載荷復合工況下的管柱變形測試方法。

60、模擬內壓與剪切載荷復合工況下的管柱變形測試方法，采用模擬內壓與外載荷復合工況下的管柱變形測試裝置進行實施，包括以下步驟：

61、步驟31：確定與待測試管柱試樣相匹配的下壓頭刀具、上壓頭刀具；

62、步驟32：在其中一個下固定座上安裝上步驟31中選定的下壓頭刀具，在上固定座上安裝上步驟31中選定上壓頭刀具；

63、步驟33：通過相應的調整油缸使下壓頭刀具與上壓頭刀具之間的距離達到設定的偏移距離；

64、步驟34：將管柱試樣放置在下壓頭刀具上，且使上壓頭刀具位于管柱試樣的中部；在管柱試樣的兩端安裝密封蓋，然后通過兩個夾持油缸調整兩個夾持支座的位置使其對管柱試樣進行夾持；

65、步驟35：在管柱試樣上安裝用來測量管柱試樣內徑變化的外壁夾持測距儀；

66、步驟36：將供水管與其中一個密封蓋的注水口相連，通過水壓泵站向管柱試樣內注水加壓，使管柱試樣內的液壓載荷值達到設定內壓值；

67、步驟37：加載油缸控制上壓頭刀具下移直至接觸管柱試樣表面；

68、步驟38：加載油缸控制下壓頭刀具向下移動達到設定的剪切載荷最大值；

69、在該過程中，負荷傳感器檢測加載油缸對管柱試樣所施加的剪切載荷值，外壁夾持測距儀測量管柱試樣的外徑變化量；

70、負荷傳感器、外壁夾持測距儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳遞給計算機，得到管柱試樣的內壓與剪切載荷復合工況下剪切載荷值-外徑變化量的關系曲線。

71、本發(fā)明還公開一種模擬內壓與彎曲載荷復合工況下的管柱變形測試方法。

72、模擬內壓與彎曲載荷復合工況下的管柱變形測試方法，采用模擬內壓與外載荷復合工況下的管柱變形測試裝置進行實施，包括以下步驟：

73、步驟41：確定與待測試管柱試樣相匹配的下壓頭刀具、上壓頭刀具；

74、步驟42：在兩個下固定座上分別安裝上步驟41中選定的下壓頭刀具，在上固定座上安裝上步驟41中選定上壓頭刀具；

75、步驟43：通過相應的調整油缸使兩個下壓頭刀具對稱分布在上壓頭刀具兩側，且使兩個下壓頭刀具之間的距離達到設定的刀具間距；

76、步驟44：將管柱試樣放置在下壓頭刀具上，且使上壓頭刀具位于管柱試樣的中部；在管柱試樣的兩端安裝密封蓋，然后通過兩個夾持油缸調整兩個夾持支座的位置使其對管柱試樣進行夾持；

77、步驟45：在管柱試樣上安裝用來測量管柱試樣內徑變化的外壁夾持測距儀；

78、步驟46：將供水管與其中一個密封蓋的注水口相連，通過水壓泵站向管柱試樣內注水加壓，使管柱試樣內的液壓載荷值達到設定內壓值；

79、步驟47：加載油缸控制上壓頭刀具下移直至接觸管柱試樣表面；

80、步驟48：加載油缸控制下壓頭刀具向下移動達到設定的彎曲載荷最大值；

81、在該過程中，負荷傳感器檢測加載油缸對管柱試樣所施加的彎曲載荷值，外壁夾持測距儀測量管柱試樣的外徑變化量；

82、負荷傳感器、外壁夾持測距儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳遞給計算機，得到管柱試樣的內壓與彎曲載荷復合工況下彎曲載荷值-外徑變化量的關系曲線。

83、本發(fā)明的有益效果是：

84、本發(fā)明測試裝置能夠針對管柱試樣進行內壓及剪切、彎曲多種形式的外載荷并存工況下的變形測試，其測試的結果和規(guī)律可用于后續(xù)對現(xiàn)場管柱可靠性、安全使用壽命進行評價和預測，從而為頁巖氣井開發(fā)過程中井筒完整性安全保障技術的發(fā)展提供理論依據(jù)和實驗支撐。