CN105258828B - 水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置 - Google Patents

水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的是水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置，这种水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置包括下底座、传感器、上吊卡，下底座固定于钻井平台上，传感器固定在下底座上，上吊卡坐在传感器上，并形成贯通三者的套管通道；传感器由受力弹性体、测试电路、转换接头构成，受力弹性体是由两个半筒对扣在一起形成的筒状体，两个半筒通过螺栓紧固，受力弹性体上布置箔式应变片，箔式应变片与受力弹性体通过胶粘剂粘接，测试电路、转换接头其均设置在受力弹性体外。本发明可针对不同井深、不同水泥浆配比，对水泥浆侯凝期间套管轴向载荷进行现场动态监测，数据真实可靠。

Description

水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置
技术领域
本发明涉及对油田钻井设施套筒进行测试的装置，具体涉及水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置。
背景技术
水泥浆胶凝过程中会发生各种复杂的物理化学变化，体系逐渐形成空间网架结构，浆液与套管壁和井壁形成一定强度的连接，并随之出现失重。水泥浆的胶凝和失重对套管柱内部应力有很大影响。随着水泥的固化，套管柱应力和形变也会被固结在水泥封固段内，影响其使用性能，并成为影响套管寿命的重要因素。为了搞清水泥浆失重的机理，防止气窜现象的发生，国内外已经对水泥浆胶凝过程中温度和压力的变化规律进行了大量的研究，实现了水泥浆柱压力变化的动态预测。而随着水泥浆防气窜设计、套管柱结构设计和强度校核向更精确的方向发展，开展套管在水泥浆胶凝过程中的受力规律的研究尤为重要。目前，国内在此方面的研究多数停留在室内实验室测试上。由于实验室工况与实际井场存在着差别和水泥浆体系及配制的多样性，每种方法都有其一定适用范围，在水泥浆胶凝过程中由于水泥浆胶结过程中造成的套管轴向载荷变化、套管强度校核等方面都还不能达到令人满意的结果。
发明内容
本发明的目的是提供水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置，这种水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置用于解决现有技术中室内实验室测试套管受力与实际工况存在差别的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置包括下底座、传感器、上吊卡，下底座固定于钻井平台上，传感器固定在下底座上，上吊卡坐在传感器上，并形成贯通下底座、传感器、上吊卡三者的套管通道；传感器由受力弹性体、测试电路、转换接头构成，受力弹性体是由两个半筒对扣在一起形成的筒状体，两个半筒通过螺栓紧固，受力弹性体上布置箔式应变片，箔式应变片与受力弹性体通过胶粘剂粘接，测试电路、转换接头其均设置在受力弹性体外；
测试电阻为所述的箔式应变片，测试电路中的各测试电阻组成全桥电路，每个桥臂上串联两个电阻，全桥电路和温度灵敏度补偿电阻及平衡电阻串联连接，测试电路输出端转换接头连接，并通过多芯屏蔽信号线最终输出到动态信号测试***上。
上述方案中下底座由两个半体对合在一起构成，每个半体的内侧具有半环形槽，每个半体的外侧设置安装孔，两个半体对合后形成环形的固定槽及中心孔，传感器坐在固定槽中并通过两个半体紧固，这样可使传感器比较稳固，安装拆卸比较方便。
上述方案中箔式应变片外依次还设置有覆盖层、防护涂层，测试电路设置在保护罩内，保护罩环绕在受力弹性体；覆盖层为柔性704绝缘层，防护涂层为环氧树脂保护层。
上述方案中全桥电路中第一电阻R 1和第三电阻R 3串联在同一桥臂，第五电阻和第七电阻串联在同一桥臂，第六电阻和第八电阻串联在同一桥臂，第二电阻R 2和和第四电阻R 4串联在同一桥臂；第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻为测试环向力的箔式应变片；第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻为测试轴向力的箔式应变片。
上述方案中上吊卡为两侧带有侧翼的筒状体，两侧翼对称设置，每个侧翼具有吊钩孔，这样可方便地将上吊卡及其卡在内的套管吊起来。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明克服室内实验仅能对一小段套管，水泥浆凝固期间套管轴向载荷进行测试的缺点。可针对不同井深、不同水泥浆配比，对水泥浆侯凝期间套管轴向载荷进行动态监测。
2、本发明对水泥浆候凝期间套管轴向载荷进行动态监测，达到钻井平台承重、套管柱结构设计、强度校核、管柱工具强度和连接螺纹强度设计校核，提供真实可靠的数据。同时，还可指导施工，为固井过程中的水泥浆比例调配提供依据。并可通过对套管内循环液进行不同压力打压，通过对套管轴向载荷的监测，达到判断水泥浆是否完全凝固的目的。
附图说明
图1是本发明的立体图；
图2是本发明的主视图；
图3是本发明安装测试示意图；
图4 是本发明中底座的示意图；
图5是本发明中传感器的主视图；
图6是本发明中传感器的侧视图；
图7是本发明中传感器的俯视图；
图8是本发明中传感器测试原理图。
图中：1下底座；2传感器；3上吊卡；4受力弹性体；5测试电路；6保护罩；7转换接头；8应变片； 9固定槽；10中心孔；11吊钩孔；12钻井平台；13动态信号测试***；14水泥车；15水泥浆管线； 16套管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
如图1、图2所示，这种水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置包括下底座1、传感器2、上吊卡3，下底座1固定于钻井平台12上，传感器2固定在下底座1上，上吊卡3坐在传感器2上，并形成贯通下底座1、传感器2、上吊卡3三者的套管通道；下底座1在测试过程中安装在钻井平台12，主要起到固定传感器2的作用，如图4所示，下底座1由两个半体对合在一起构成，每个半体的内侧具有半环形槽，每个半体的外侧设置安装孔，两个半体对合后形成环形的固定槽9及中心孔10，传感器2坐在固定槽9中并通过两个半体紧固；上吊卡3为两侧带有侧翼的筒状体，两侧翼对称设置，每个侧翼具有吊钩孔11，上吊卡3在测试过程中卡住套管16，并可通过大勾进行吊装。在测试过程中首先将下底座1安装在钻井平台12上，再将传感器2固定在下底座1的固定槽9中，最后通过上吊卡3将套管16卡住，将管柱载荷作用在传感器2上端面。
结合图5、图6、图7所示，传感器2为整个测试装置的主体部分，起到载荷测试和传递的作用。传感器2由受力弹性体4、测试电路5、转换接头7构成，受力弹性体4是由两个半筒对扣在一起形成的筒状体，两个半筒通过螺栓紧固，受力弹性体4上布置箔式应变片8，箔式应变片8与受力弹性体4通过胶粘剂粘接，测试电路5、转换接头7均设置在受力弹性体4外。箔式应变片8外依次还设置有覆盖层、防护涂层，测试电路5设置在保护罩6内，保护罩6环绕在受力弹性体4。覆盖层是柔性704绝缘层，以保证不影响箔式应变片8的变形和保证其绝缘度，防护涂层是环氧树脂保护层，通过在柔性704绝缘层外侧附加环氧树脂保护层，可保证箔式应变片8在受到外力冲击时能够正常工作，适应钻井平台12复杂情况。
当传感器受力弹性基体初始受到套管轴向载荷时，传感器2测试电阻阻值发生变化，导致输出端电压发生变化，进而通过信号传递将电压信号转换为力信号；在水泥浆凝固期间，产生套管轴向载荷变化影响测试电阻阻值变化，导致输出电压发生变化。从而达到测试套管轴向载荷的目的。
测试电阻为所述的箔式应变片8，如图8所示，测试电路中的各测试电阻组成全桥电路，每个桥臂串联两个电阻，全桥电路和温度灵敏度补偿电阻及平衡电阻串联连接，并最终在1点输入(电源)+；2点输入(电源)-；3点输出(信号)+；4点输出(信号)-。测试电路5输出端与转换接头7连接，并通过多芯屏蔽信号线最终输出到动态信号测试***13上，显示为力信号。在测试水泥浆候凝期，所引起的套管轴向载荷变化传感器2是利用电阻应变原理构成，粘贴在测试装置弹性基体上的高档箔式应变片8组成全桥电路。当受到载荷作用时，弹性体产生变形，应变片8也相应感受应变，从而使电桥失去平衡，并输出与作用力大小成正比的电信号。由于钻井平台12外界环境温度变化较大，为了减少温度对传感器性能的影响，在电桥线路中增加了温度灵敏度补偿电阻T。同时，由于上吊卡3在卡紧套管16时，不能保证上吊卡3端面与传感器2接触表面平滑，即导致传感器2两半圆筒受力不均匀而产生附加弯矩，为了消除附加弯矩的影响，在传感器2电桥线路中增加了平衡电阻D。
全桥电路中第一电阻R 1和第三电阻R 3串联在同一桥臂，第五电阻和第七电阻串联在同一桥臂，第六电阻和第八电阻串联在同一桥臂，第二电阻R 2和和第四电阻R 4串联在同一桥臂；第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻为测试环向力的箔式应变片8；第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻为测试轴向力的箔式应变片8。
为了准确测量套管候凝期间轴向载荷的变化情况，将专用测试传感器2放在钻井平台12上端预留套管16所在位置。测试时，如图3所示，首先通过上吊卡3将整个管柱提离钻井平台12，将下底座1平稳安装在钻井平台12上，然后打开测试传感器2上的组装拆卸销钉，将其安装在下底座1上，并安装好销钉，此时下放上吊卡3，通过上吊卡3将套管16卡住，将管柱载荷作用在传感器2上端面。连接测试传感器2到动态信号测试***13，测试***调零并保证测试***正常工作；通过水泥车14将水泥浆通过水泥浆管线15注入套管16，测试过程开始。
水泥浆在候凝期轴向变化载荷传递到受力弹性体4上，当受力弹性体4在轴向变化载荷作用下发生弹性变形，产生应变，此应变信号通过测试电路5采集，并通过转换接头7将测试信号传递到动态信号测试***13，完成整个测试过程，实现水泥浆候凝期套管轴向载荷的动态监测。

Claims (5)

1.一种水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置，其特征在于：这种水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置包括下底座（1）、传感器（2）、上吊卡（3），下底座（1）固定于钻井平台（12）上，传感器（2）固定在下底座（1）上，上吊卡（3）坐在传感器（2）上，并形成贯通下底座（1）、传感器（2）、上吊卡（3）三者的套管通道；传感器（2）由受力弹性体（4）、测试电路（5）、转换接头（7）构成，受力弹性体（4）是由两个半筒对扣在一起形成的筒状体，两个半筒通过螺栓紧固，受力弹性体（4）上布置箔式应变片（8），箔式应变片（8）与受力弹性体（4）通过胶粘剂粘接，测试电路（5）、转换接头（7）均设置在受力弹性体（4）外；
测试电阻为所述的箔式应变片（8），测试电路（5）中的各测试电阻组成全桥电路，每个桥臂上串联两个电阻，全桥电路和温度灵敏度补偿电阻及平衡电阻串联连接，测试电路（5）输出端与转换接头（7）连接，并通过多芯屏蔽信号线最终输出到动态信号测试***（13）上。
2.根据权利要求1所述的水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置，其特征在于：所述的下底座（1）由两个半体对合在一起构成，每个半体的内侧具有半环形槽，每个半体的外侧设置安装孔，两个半体对合后形成环形的固定槽（9）及中心孔（10），传感器（2）坐在固定槽（9）中并通过两个半体紧固。
3.根据权利要求2所述的水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置，其特征在于：所述的箔式应变片（8）外依次还设置有覆盖层、防护涂层，测试电路（5）设置在保护罩（6）内，保护罩（6）环绕在受力弹性体（4）；覆盖层为柔性704绝缘层，防护涂层为环氧树脂保护层。
4.根据权利要求3所述的水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置，其特征在于：所述的全桥电路中第一电阻R 1和第三电阻R 3串联在同一桥臂，第五电阻和第七电阻串联在同一桥臂，第六电阻和第八电阻串联在同一桥臂，第二电阻R 2和和第四电阻R 4串联在同一桥臂；第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻为测试环向力的箔式应变片（8）；第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻为测试轴向力的箔式应变片（8）。
5.根据权利要求4所述的水泥浆候凝期套管轴向载荷测试装置，其特征在于：所述的上吊卡（3）为两侧带有侧翼的筒状体，两侧翼对称设置，每个侧翼具有吊钩孔（11）。
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