[发明专利]地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置及其试验方法

权利要求书

1.一种地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，其特征在于，所述试验装置主要包括：压力传递机构(A)、密闭容腔机构(B)、控制系统(C)、检漏系统(D)和管柱试样(E)；所述压力传递机构(A)自上而下穿过所述管柱试样(E)内腔，所述管柱试样(E)上下两端通过所述密闭容腔机构(B)封装，所述密闭容腔机构(B)连接所述控制系统(C)，所述检漏系统(D)安装在所述管柱试样(E)上，由此构成模拟储气库完井管柱在注气和采气过程中的试验装置，以此获取完井管柱径向压力变化数据。

2.根据权利要求1所述的地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，其特征在于，所述压力传递机构(A)至少包括：上金属法兰(1)、活塞(2)、第一压力传感器(10)、通气孔(11)、弧形压力板(12)、压力杆(13)、压力缸(14)、下金属法兰(18)、电缆沟槽(19)；所述压力缸(14)内设置有所述活塞(2)，所述上金属法兰(1)、下金属法兰(18)分别联接在所述活塞(2)两端；所述压力缸(14)外壁上联接有所述压力杆(13)，所述压力杆(13)采用90°等相位布置于所述压力缸(14)外壁四周，所述压力杆(13)外端铰接在所述弧形压力板(12)上，所述弧形压力板(12)设置在所述管柱试样(E)的管体(8)内。

3.根据权利要求2所述的地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，其特征在于，所述弧形压力板(12)外半径为对应的所述管体(8)内壁半径r，周长为πr/2-（5～10mm）；所述弧形压力板(12)沿所述管体(8)内壁圆周均匀分布，所述每块弧形压力板(12)上沿径向均匀分布有通气孔(11)，所述各通气孔(11)等距、等相位布置；所述其中一个弧形压力板(12)外壁中间沿径向嵌装有所述第一压力传感器(10)，并设置有一电缆沟槽(19)，所述第一压力传感器(10)的导线铺设在所述电缆沟槽(19)里，并穿过所述密闭容腔机构(B)的上密封盖帽(4)上设置的密封电缆通道(3)与控制系统(C)的控制箱(24)和计算机(25)连接。

4.根据权利要求1所述的地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，其特征在于，所述密闭容腔机构(B)至少包括：封电缆通道(3)、上密封盖帽(4)、密弹性密封圈(5)、密封胶(6)、限位固定螺钉(7)、下密封盖帽(17)、介质注入孔(20)；所述上密封盖帽(4)和所述下密封盖帽(17)分别与所述压力传递机构(A)的压力缸(14)两端螺纹联接，且所述上密封盖帽(4)和所述下密封盖帽(17)与所述管柱试样(E)的管体(8)端部通过螺纹和所述弹性密封圈(5)、密封胶(6)共同密封；所述上密封盖帽(4)和所述下密封盖帽(17)的外径上等位设置有螺孔，通过所述限位所述固定螺钉(7)与所述管体(8)锁紧固定，且所述限位固定螺钉(7)处涂敷所述密封胶(6)，由此构成密闭容腔；所述上密封盖帽(4)上设置有所述密封电缆通道(3)和所述介质注入孔(20)。

5.根据权利要求1所述的地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，其特征在于，所述控制系统(C)至少包括：第二压力传感器(21)、高压导管(22)、压力泵(23)、控制箱(24)、计算机(25)；所述第二压力传感器(21)、所述高压导管(22)固联在所述密闭容腔机构(B)的上密封盖帽(4)的介质注入孔(20)上，所述高压导管(22)连接所述压力泵(23)，所述第二压力传感器(21)通过导线与所述控制箱(24)和所述计算机(25)连接。

6.根据权利要求1所述的地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，其特征在于，所述检漏系统(D)至少包括：检漏装置(15)、软管(16)、氦气监测仪；所述检漏装置(15)安装在所述管柱试样(E)上，所述检漏装置(15)中伸出的软管(16)与所述氦气监测仪连接，用以检测所述管柱试样(E)的密封效果。

7.根据权利要求1所述的地下储气库完井管柱内压疲劳试验装置，其特征在于，所述管柱试样(E)至少包括：管体(8)、接箍(9)；所述管体(8)一端外壁设置有锥形外螺纹，另一端内外壁上设置有等边直角坡口(8-1)，用以安装密闭容腔机构(B)的弹性密封圈(5)；所述接箍(9)的中部设置有台肩，从台肩的两侧至所述接箍(9)内壁的两端设置有锥形内螺纹，所述两个管体(8)的外螺纹端相对并与所述接箍(9)内螺纹联接成所述管柱试样(E)。

8.一种地下储气库完井管柱内压疲劳试验方法，其特征在于，所述方法包括：1）试验用完井管柱准备、2）调整压力传递机构压力板、3）管柱试样封装、4）试验主要工艺步骤，其中：

1）试验用完井管柱准备

将所述两个套管或油管管体(8)的外螺纹端相对并与所述接箍(9)内螺纹联接成试验用完井管柱试样(E)；

2）调整压力传递机构压力板

步骤1，将所述第一压力传感器(10)嵌入所述弧形压力板(12)内，并用所述密封胶(6)将所述第一压力传感器(10)的导线封堵在所述电缆沟槽(19)内；

步骤2，将所述压力传递机构(A)放入试验用所述管柱试样(E)内，将所述上金属法兰(1)和所述下金属法兰(18)与疲劳试验机上相应夹具联接好，启动所述疲劳试验机缓慢加压，带动所述活塞(2)运动，支撑起所述压力杆(13)，并带动所述弧形压力板(12)慢慢靠近试验用管柱试样(E)的内壁后，停止所述疲劳试验机；

步骤3，从所述疲劳试验机上卸下所述压力传递机构(A)，将所述上金属法兰(1)和所述下金属法兰(18)从所述活塞(2)上拆卸;

3）管柱试样封装

步骤1，将所述上密封盖帽(4)、所述下密封盖帽(17)穿过所述活塞(2)，与所述压力缸(14)通过螺纹连接固定，并与所述管柱试样(E)端部紧密挤压；在固定前将所述第一压力传感器(10)的导线通过所述密封电缆通道(3)引出，经由所述控制箱(24)连接至所述计算机(25)；

步骤2，在所述上密封盖帽(4)、所述下密封盖帽(17)端部与所述管体(8)外表面接触四周及所述限位固定螺钉(7)处涂敷所述密封胶(6)，使所述管柱试样(E)内部形成以密闭容腔；

步骤3，将所述上金属法兰(1)和所述下金属法兰(18)与所述活塞(2)联接，并安装在所述疲劳试验机上；

4）试验

步骤1，将所述氦气和氮气混合气体，通过所述压力泵(23)经所述高压导管(22)和所述介质注入孔(20)泵入所述密闭容腔机构(B)，所述密闭容腔机构(B)内压力值由所述第二压力传感器(21)采集，传输给所述计算机(25)，并由所述计算机(25)通过所述控制箱(24)经由所述第二压力传感器(21)控制所述压力泵(23)；

步骤2，根据所述密闭容腔机构(B)运行压力，设定应力水平，最大运行压力Pmax，最小运行压力Pmin，应力比R=Pmin/Pmax，R在[0～1]之间取值，试验频率为0.01～15Hz；

步骤3，将所述检漏装置(15)安装于所述管柱试样(E)的所述接箍(9)两端，所述检漏装置(15)中的所述软管(16)与所述氦气监测仪连接，形成闭环泄漏检测，用以测定所述管柱试样(E)的密封性；

步骤4，启动所述疲劳试验机，由所述第一压力传感器(10)采集试验压力值，传输给所述计算机(25)控制应力水平，并由所述计算机(25)通过所述控制箱(24)经由所述第一压力传感器(10)控制所述活塞(2)运动行程和载荷变化；所述疲劳试验机载荷变化作用在所述管柱试样(E)内壁压力的变化，在多个周次循环过程中检查所述管柱试样(E)结构变化，同时观察所述氦气监测仪的显示，用以确定在一定载荷和周次下所述管柱试样(E)的强度和密封性能变化；

步骤5，观察所述管柱试样(E)变化，采集试验数据；当所述完井管柱试样(E)出现裂纹或所述氦气监测仪检测到有氦气显示，表明所述完井管柱试样(E)泄漏，或试验循环周次超过10⁵次，试验停止，记录此时的应力水平和循环周次。