[发明专利]一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置及方法

权利要求书

1.一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置，其特征在于，装置包括：加热套(1)、外套管(2)、第一环空(3)、第二环空(4)、内套管(5)、承压腔室(6)、圆环(7)、六头螺栓(8)、环向无线应变传感器(9)、径向无线应变传感器(10)、第一堵头(11)、第二堵头(12)、第三堵头(13)、橡胶密封圈(14)、红外CO₂传感器(15)、进气管线(16)、排气管线(17)、普通压力表(18)、第一阀门(19)、第二阀门(20)、CO₂管线(21)、精密压力表(22)、第三阀门(23)、第四阀门(24)、第一螺纹(25)、第二螺纹(26)、第三螺纹(27)、密封台阶(28)、测量元件(29)、水泥环(30)、螺纹盲孔(31)、检测腔室(32)、通孔(33)、定位台阶(34)；其中，承压腔室(6)由外壁周向均匀分布有4个含螺纹盲孔(31)的内套管(5)、第一堵头(11)和第二堵头(12)组成，内套管(5)通过第一螺纹(25)和第二螺纹(26)与第一堵头(11)和第二堵头(12)连接，实现承压腔室(6)的密封；用于养护形成水泥环(30)的第一环空(3)由内套管(5)、外套管(2)和橡胶密封圈(14)组成，外套管(2)通过第三螺纹(27)与第三堵头(13)连接，第二堵头(12)与第三堵头(13)的定位台阶(34)配合实现内套管(5)在外套管(2)内的居中；第二环空(4)由外套管(2)、第二堵头(12)、第三堵头(13)、橡胶密封圈(14)组成，橡胶密封圈(14)安装在内套管(5)和外套管(2)的密封台阶(28)上，用于防止第一环空(3)内水泥环(30)养护过程中水泥浆的渗漏，且养护成型后取掉橡胶密封圈(14)与第二环空(4)形成检测腔室(32)；测量元件(29)由带通孔(33)的圆环(7)、六头螺栓(8)、环向无线应变传感器(9)和径向无线应变传感器(10)组成，六头螺栓(8)与圆环(7)上的通孔(33)及螺纹盲孔(31)彼此匹配且沿周向90°间隔均匀分布，六头螺栓(8)穿过通孔(33)将圆环(7)固定于内套管(5)外壁的螺纹盲孔(31)上，周向固定在圆环(7)上的环向无线应变传感器(9)用于动态测量圆环(7)的环向应变，径向固定在六头螺栓(8)上的径向无线应变传感器(10)用于动态测量六头螺栓(8)的径向应变；第一阀门(19)、进气管线(16)及普通压力表(18)用于控制承压腔室(6)的压力加载，第二阀门(20)、排气管线(17)及普通压力表(18)用于控制承压腔室(6)的压力卸载；精密压力表(22)、CO₂管线(21)、第三阀门(23)和第四阀门(24)用于控制检测腔室(32)的压力加卸载并结合位于内套管(5)外壁的红外CO₂传感器(15)动态监测水泥环(30)的完整性。

2.一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价方法，其采用权利要求1所述的一种载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价装置，其特征在于，所述的载荷谱作用下水泥环环向及径向变形量化评价方法包括以下步骤：

步骤一：采用六头螺栓(8)穿过通孔(33)将圆环(7)固定于内套管(5)外壁的螺纹盲孔(31)上，环向无线应变传感器(9)周向固定在圆环(7)上，径向无线应变传感器(10)径向固定在六头螺栓(8)上，红外CO₂传感器(15)安装在内套管(5)外壁上；

步骤二：将装好测量元件(29)的内套管(5)置于外套管(2)内，涂有黄油的橡胶密封圈(14)安装在内套管(5)和外套管(2)的密封台阶(28)上，第二堵头(12)通过第二螺纹(26)与内套管(5)连接，第三堵头(13)通过第三螺纹(27)与外套管(2)连接，并使第二堵头(12)与第三堵头(13)的定位台阶(34)配合，加热套(1)套在外套管(2)外壁上；

步骤三：关闭所有阀门，打开气源开关，打开第三阀门(23)，向第二环空(4)通入CO₂对橡胶密封圈(14)提供支撑力，实现第二环空(4)的密封；

步骤四：根据现场实际需求制备水泥浆体系，向第一环空(3)浇筑水泥浆，启动加热套(1)加热至设定温度养护形成水泥环(30)；

步骤五：养护成型后，打开第四阀门(24)，将第二环空(4)压力卸掉，卸掉后打开第二堵头(12)和第三堵头(13)，取掉橡胶密封圈(14)与第二环空(4)形成检测腔室(32)；

步骤六：将第二堵头(12)和第三堵头(13)通过第二螺纹(26)和第三螺纹(27)分别与内套管(5)和外套管(2)连接，将第一堵头(11)通过第一螺纹(25)与内套管(5)连接实现承压腔室(6)的密封；

步骤七：打开第三阀门(23)，向检测腔室(32)通入一定压力的CO₂气体，关闭第三阀门(23)；

步骤八：关闭第二阀门(20)，打开第一阀门(19)，将承压腔室(6)压力加载至模拟压力，此过程为模拟承压腔室(6)压力加载过程，实时监测和记录环向无线应变传感器(9)和径向无线应变传感器(10)的数据；

步骤九：关闭第一阀门(19)，打开第二阀门(20)，此过程为模拟承压腔室(6)压力卸载过程，实时监测和记录环向无线应变传感器(9)和径向无线应变传感器(10)的数据；

步骤十：关闭所有阀门，重复步骤八和步骤九，当观察到精密压力表(22)有所下降，表明水泥环(30)已经开始发生失效，记录此时水泥环(30)开始失效时的载荷谱次数、径向应变、环向应变；

步骤十一：继续重复步骤八和步骤九，直到红外CO₂传感器(15)检测到CO₂且其浓度急剧上升，表明水泥环(30)完全失效，记录此时水泥环(30)完全失效时的载荷谱次数、径向应变、环向应变，停止实验；

步骤十二：打开第二阀门(20)和第四阀门(24)，将承压腔室(6)压力、检测腔室(32)压力及管线压力卸掉，保存实验数据；

步骤十三：基于胡克定律，通过圆环(7)上环向无线应变传感器(9)记录的应变数据，使用公式σ_θ＝E₁ε₁计算水泥环(30)受到的环向应力，拉为正，压为负，公式中σ_θ为水泥环(30)的环向应力，MPa，E₁为圆环(7)弹性模量，GPa，ε₁为圆环(7)上的环向应变；通过六头螺栓(8)上径向无线应变传感器(10)记录的应变数据，使用公式σ_r＝E₂ε₂计算水泥环(30)受到来自内套管(5)的径向应力，拉为正，压为负，公式中σ_r为水泥环(30)受到来自内套管(5)的径向应力，MPa，E₂为六头螺栓(8)弹性模量，GPa，ε₂为六头螺栓(8)上的径向应变；

步骤十四：根据实时记录数据反演加载过程中水泥环(30)的径向应力/变形、环向应力/变形、裂纹萌生、起裂、扩展及失效行为并诊断水泥环(30)的失效形式：如果水泥环(30)的径向压应力σ_r大于等于水泥环(30)的抗压强度σ_s，水泥环(30)发生屈服失效；如果水泥环(30)的环向拉应力σ_θ大于等于水泥环(30)的抗拉强度σ_m，水泥环(30)发生环向开裂；

步骤十五：根据实时记录数据反演卸载过程中水泥环(30)的径向应力/变形、环向应力/变形、裂纹萌生、起裂、扩展及失效行为并诊断水泥环(30)的失效形式：如果水泥环(30)的径向拉应力σ_r大于等于水泥环(30)的界面抗拉胶结强度σ_b，水泥环(30)与内套管(5)发生界面分离，出现微环隙。