[发明专利]一种模拟注蒸汽井套管热强度的测试方法及装置

说明书

技术领域

本专利涉及石油与天然气钻井工程技术领域，具体是一种模拟注蒸汽井套管热强度的测试方法及装置。

技术背景

在油气钻井和生产过程中，石油套管起着保护井眼、加固井壁、隔绝井中的油、气、水层及封固各种复杂地层的作用。然而，在稠油井注高温蒸汽热采过程中,套管会同时受到蒸汽温度和压力的作用，其中温度及温度变化对套管抗内压屈服强度具有较大的影响，主要表现为以下两个方面：第一，较高的井筒温度影响套管抗拉屈服应力、弹性模量和线膨胀系数等材料性能；第二，温度变化即温差会导致套管受到附加的热载荷(主要包括轴向拉伸载荷或压缩载荷)；第三，注蒸汽井套管产生的环向残余应力会降低套管强度。由此可知，温度不仅会在套管柱上产生附加载荷，而且也会降低套管柱的材料性能，增加套管柱发生内压屈服失效的可能性。因此，准确测试并获取不同注气温度和压力下套管的热强度及环向残余应力是热采井套管柱强度设计的关键。

目前，关于套管强度的试验研究仅停留在常温常压条件下，而针对高温高压下套管热强度和热应力的研究，国内外学者也仅基于经验公式做了大量的理论研究，建立了相应计算模型，但由于缺乏试验数据的验证，模型计算结果的准确性和可靠性有待改进并完善。为此，本发明提出一种热采井注气过程中套管热应力的测试方法及装置，可准确测试并获取不同注气温度和压力下套管的热强度及环向残余应力，促进注蒸汽井套管热强度研究的进一步发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟注蒸汽井套管热强度的测试方法及装置，以解决注蒸汽井套管热强度难以准确获取的技术难题，为注蒸汽井套管强度设计提供重要参考，并在达到上述目的的同时，简化测试装置的复杂性，降低设备的成本。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：利用加热炉给两端用左堵头、右堵头(左堵头带有外螺纹和进气口，右堵头带有外螺纹和出气口)和刚性丝杆固定的套管(两端内壁上开有与左堵头和右堵头匹配的内螺纹)加热，加热到设定温度(模拟热采井注气温度)时，通过左堵头的进气口缓慢向套管内注入惰性气体(如二氧化碳或氮气，模拟注气压力)，同时采用应变仪记录不同注气压力下套管应变及对应时间，基于应变测试数据绘制注气压力与套管应变和等效应力的关系曲线，通过计算得到该温度下套管的抗内压屈服强度及泄压后的环向残余应力，改变注气温度可以得到不同温度下套管的抗内压屈服强度和环向残余应力，所述的模拟注蒸汽井套管热强度的测试方法包括以下步骤：

a.利用左堵头、右堵头及密封圈将套管进行密封，用刚性丝杆将套管两端进行固定，限制套管在加热过程中发生轴向变形；

b.将高温直角应变片和单轴应变片粘贴在套管外壁，并与应变仪连接，其中高温直角应变片用于测量套管抗内压屈服强度，单轴应变片用于温度补偿；

c.将准备好的套管放入加热炉，加热套管至设定温度；

d.通过进气口向套管缓慢注入惰性气体，同时用应变仪记录不同注气压力下套管应变及对应时间；

e.当注气压力达到设定压力时，开始降压，直到降为大气压，观察大气压对应的环向应变，如果没有残余应变产生，增加注气压力，直到产生残余应变为止；

f.绘制注入压力与套管环向应变和等效应力的关系曲线，直接读取套管的抗内压屈服强度，基于环向残余应变计算得到套管环向残余应力；

g.套管屈服后，改变注气压力，重复步骤d、e和f得到套管抗内压屈服强度，对比分析循环注蒸汽对套管抗内压屈服强度和环向残余应力的影响规律；

h.改变加热温度及注气温度，重复步骤d、e、f、g可以得到不同注气温度下套管抗内压屈服强度和环向残余应力及循环注蒸汽对套管抗内压屈服强度和环向残余应力的影响规律。

为使用上述方法，本发明提供一种模拟注蒸汽井套管热强度的测试装置，主要包括：左堵头、右堵头、刚性丝杆、高温直角应变片、套管、加热炉、密封圈、高温导线、高温单轴应变片、应变仪，其中加热炉用于给套管施加温度，左堵头带有外螺纹和进气口，右堵头带有外螺纹、出气口和压力表，高温直角应变片用于测量套管的热强度，高温单轴应变片用于温度补偿，套管两端内壁上开有与左堵头和右堵头匹配的内螺纹，左堵头和右堵头与套管之间通过螺纹和密封圈进行密封，通过刚性丝杠连接左堵头和右堵头对套管两端进行固定，用于限制套管在加温过程中发生轴向变形。

本发明具有以下优点：