一种井下套管形变模拟装置的制作方法

本申请属于油气田钻井技术领域，尤其涉及一种井下套管形变模拟装置。

背景技术：

页岩气是我国重点开发的非常规资源，我国页岩地层裂缝发育较大，井下易漏，页岩气井存在着井壁易缩径、破碎垮塌的问题。

在页岩气的开开采过程中，页岩气层井在压裂过程中吸水膨胀、蠕变后使得套管变形损坏严重。特别是在水平井段中，压裂后井筒的完整性差，而且随着压裂的压力越来越高，这种情况越来越严重，最终导致整个水平段无法正常开采，造成巨大的经济损失。现有技术中，无专门的套管变形物理模拟试验装置及其方法来揭示页岩气水平井大型体积压裂过程套变机理。因此，业内亟需一种能够对页岩气开采时，井下套管形变进行研究的实施方案。

技术实现要素：

本申请目的在于提供一种井下套管形变模拟装置，实现了高压条件下，页岩吸水膨胀、蠕变套管形变过程的监测，为套管形变的机理研究提供了准确的数据基础。

一方面本申请提供了一种井下套管形变模拟装置，包括：

压力仓，所述压力仓内设置有带有套管孔的页岩样品，所述套管孔内设置有套管，所述套管的内壁处设置有应变检测设备；

所述压力仓的内表面设置有压力加载设备，所述压力加载设备用于向所述页岩样品施加压力；

所述压力仓中设置有注水口，所述注水口连接有注水设备。

进一步地，所述装置的另一个实施例中，所述压力仓包括：压力仓主体，设置在所述压力仓主体下端面的压力仓底板，设置在所述压力仓主体上端面压力仓上盖，所述压力仓底板和所述压力仓上盖之间通过拉杆连接。

进一步地，所述装置的另一个实施例中，所述压力仓底板与所述压力仓主体之间、所述压力仓上盖与所述压力仓主体之间均设置有密封圈。

进一步地，所述装置的另一个实施例中，所述压力加载设备设置在所述压力仓主体的内侧表面和所述压力仓上盖的下表面。

进一步地，所述装置的另一个实施例中，所述压力仓底板的上表面设置有底部垫板。

进一步地，所述装置的另一个实施例中，所述应变检测设备包括：应变片，所述应变片还连接有应变仪，所述应变仪用于保存所述应变片的应变量。

进一步地，所述装置的另一个实施例中，所述应变仪还连接有数据采集处理设备。

进一步地，所述装置的另一个实施例中，所述注水设备包括注水泵、注水阀，所述注水泵与所述数据采集处理设备连接。

进一步地，所述装置的另一个实施例中，所述压力加载设备包括带有推杆的压力加载板，所述推杆与所述注水泵连接。

进一步地，所述装置的另一个实施例中，所述压力加载板与所述注水泵之间设置有压力传感器。

进一步地，所述装置的另一个实施例中，所述套管与所述套管孔之间注有水泥浆。

本申请提供的井下套管形变模拟装置，通过将页岩样品设置在压力仓内，并在页岩样品中设置套管，通过压力在加载设备向页岩样品施加压力，模拟套管、页岩样品等在实际环境中的状态。利用注水设备向压力仓内注水，模拟页岩样品吸水后膨胀，挤压套管，使得套管发上形变的过程。通过设置在套管上的应变检测设备，实时检测套管的形变过程。实现了高压条件下，页岩吸水膨胀、蠕变套管形变过程的监测，为套管形变的机理研究提供了准确的数据基础。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请提供的井下套管形变模拟装置一个实施例的结构示意图；

图2是本申请又一个实施例中井下套管形变模拟装置的结构示意图；

图3是本申请一个实施例中压力仓的俯视图的剖面示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

油气的开采过程中可以通过钻井将地下储层内的油气从井筒内开采出来，钻井过程中，需要将套管等油气井的设备下入到已经钻好的井筒内，套管的四周被页岩包围。在油气的勘探、开采过程中，可能需要注水压裂，以提高储层的渗透率，提高油气的开采效率以及产出率等。在压裂的过程中，套管四周的页岩会吸水膨胀挤压套管，使套管发生形变。随着压裂压力的增高，套管的形变越来越严重，可能会导致油气井无法正常开采。

本申请实施例提供了一种井下套管形变模拟装置，利用该装置模拟高压环境下，页岩吸水膨胀，并对套管进行挤压，套管变形的过程。利用应变检测设备对套管形变进行检测，以实时监测套管形变的情况，为井下套管形变的研究提供理论基础。

具体地，图1是本申请提供的井下套管形变模拟装置一个实施例的结构示意图，本申请提供的井下套管形变模拟装置包括：

压力仓15，所述压力仓15内设置有带有套管孔的页岩样品9，所述套管孔内设置有套管10，所述套管10的内壁处设置有应变检测设备11；

所述压力仓15的内表面设置有压力加载设备6，所述压力加载设备6用于向所述页岩样品9施加压力；

所述压力仓15中设置有注水口，所述注水口连接有注水设备16。

如图1所示，可以设置一个密闭的压力仓15，在压力仓15内设置页岩样品9，在页岩样品9中钻一个套管孔，套管孔可以模拟油气实际开采的过程中的井筒。套管孔的大小、深度以及在页岩样品9中的位置等，可以根据实际需要进行设置，本申请实施例不作具体限定。在套管孔内放置套管10，套管10四周被页岩样品包围，模拟油气开采过程中，套管10所处的环境。

本申请一个实施例中，还可以在套管孔和套管10之间注入水泥浆，可以在水泥浆凝固后，使用密封胶将套管10和套管孔之间密封，模拟油气开采过程中井筒套管10固井的过程。套管10的材质可以选择与油气实际开采中使用的套管相同的材质，以准确的模拟套管形变的过程。压力仓15、套管10等，可以准确的模拟油气开采过程中套管等实际的工作环境，使得套管形变检测结果更加准确。

在套管10的内壁处可以设置应变检测设备11，例如：应变传感器、应变片等能够检测套管10形变的设备。通过在套管10的内壁处设置应变检测设备，可以实时检测套管10的形变量。应变检测设备11可以均匀的设置在套管10的内壁处，以检测套管10各个部位受到应力而产生的形变。

本申请一个实施例中，应变检测设备11可以包括应变片，应变片可以包括敏感栅等构成用于测量应变的元件。应变片可以包括电阻应变片，如箔式电阻应变片。电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化。可以通过应变片的电阻变化，确定出套管10的形变量。图2是本申请又一个实施例中井下套管形变模拟装置的结构示意图，如图2所示，本申请一个实施例中，应变片11(即应变检测设备11)可以连接应变仪13，通过应变仪13保存应变片11产生的应变量。例如：可以利用应变仪13测得应变片11的电阻变化大小，将应变片11的电阻变化转换为测点的应变量。应变片11的应变量可以反映套管10的应变量，应变片在套管10内壁的具体位置可以根据实际需要设置，可以根据需要选择多个应变片设置在套管10的内壁，以更好的检测套管10的整体形变量。

可以对应变检测设备11采集到的数据进行分析，获得套管10形变的过程，用于研究井下套管形变的机理，为油气开采提供理论基础。本申请一个实施例中，可以将应变仪13连接在数据采集处理设备14上，数据采集处理设备14可以是计算机、处理器、PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)等具备数据处理能力的设备。应变仪13可以将采集到的套管10的形变量发送至数据采集处理设备14上，数据采集处理设备14对接收到的套管10的形变量数据进行分析处理，以研究套管10的形变机理。

如图1所示，压力仓15中还可以设置注水口，注水口处可以连接注水设备16，由注水设备16向压力仓15内注水，压力仓15内的页岩样品9会吸水膨胀，对设置在页岩样品9内的套管10进行挤压，使得套管10产生形变。套管10内设置的应变检测设备11，可以检测到套管10的形变量，完成井下套管形变的模拟过程。

如图2所示，注水设备16可以包括注水泵12，注水阀等设备，利用注水泵将清水注入压力仓15内，注水泵12可以是恒速恒压泵。根据实际需要，还可以调节注水泵12的压力，研究不同注水压力对套管10形变的影响等。可以利用注水阀控制注水泵12开始或停止向压力仓15内注水，还可以在注水泵12和压力仓15之间的注水管线上设置压力传感器，以实时检测注水泵12向压力仓12内输入水的压力大小，方便控制注水泵12向压力仓12内的注水压力。

此外，注水泵12可以与数据采集处理设备14连接，将注入压力仓15内的水压数据发送至数据采集处理设备14。数据采集处理设备14可以根据接收到的水压数据以及套管10的形变量数据，分析注水压力对套管10形变量的影响，为套管10形变机理的分析提供理论数据。

数据采集处理设备14还可以存储计算机程序，以控制注水泵12、应变仪13等的工作，利用可以利用数据采集处理设备14控制注水泵12向压力仓15注水的压力，控制应变仪13采集套管1形变的频率等。

本申请实施例提供的井下套管形变模拟装置，利用压力仓、页岩样品等，模拟在油气开采过程中套管的实际工作环境，并利用压力加载设备向页岩样品施加围压，模拟真实开采过程中套管等所处的高压环境。利用注水设备向压力仓内注水，压力仓内页岩样品吸水膨胀并挤压套管，通过设置在套管内壁的应变片等应变检测设备，实时检测套管受到挤压后的应变过程。实现了井下套管形变的模拟，通过模拟实验数据，可以实时监测套管的形变情况，分析套管形变的机理，为油气的开采、钻井等施工提供了理论基础。

如图2所示，本申请一个实施例中，压力仓15可以包括：压力仓主体1，设置在所述压力仓主体1下端面的压力仓底板2，设置在所述压力仓主体1上端面压力仓上盖3，所述压力仓底板2和所述压力仓上盖3之间通过拉杆4连接。

如图2所示，压力仓主体1的上端面可以与压力仓上盖3密封连接，压力仓主体1的下端面可以与压力仓底板2密封连接，压力仓主体1、压力仓底板2、压力仓上盖3共同组成密闭空间的压力仓15。压力仓上盖3和压力仓底板2之间可以采用拉杆4串联，即拉杆4可以一端连接压力仓上盖3一端连接压力仓底板2。如图2所示，拉杆4的两端还可以采用拉杆并帽5通过螺纹将压力仓上盖3和压力仓底板2两端备紧，以固定压力仓上盖3和压力仓底板2，提高压力仓15的密封性。

图3是本申请一个实施例中压力仓的俯视图的剖面示意图，如图3所示，拉杆4的数量可以根据实际需要进行设置，本申请实施例不作具体限定。如：可以设置多个拉杆4，拉杆4可以均匀对称设置，将压力仓上盖3和压力仓底板2连接固定住，以增加结构的稳定性。

压力仓主体1、压力仓上盖3、压力仓底板2等的材质，可以根据实际需要进行选择，例如可以选择强度较高的金属等。

此外，如图2所示，本申请一个实施例中，压力仓底板2与压力仓主体1之间、压力仓上盖3与压力仓主体1之间均设置有密封圈8。根据需要，也可以只在压力仓底板2与压力仓主体1之间设置密封圈，或者只在压力仓上盖3与压力仓主体1之间均设置有密封圈8。当然，也可以选择其他密封结构如：垫片等。通过设置密封圈8，可以提高压力仓15的密封性。

本申请实施例提供的压力仓的结构，可以方便拆卸、安装、移动等，结构简单，适用范围比较广。当然，根据实际使用的需要，也可以采用铸造等方式，将压力仓设置为一个整体结构，以增加压力仓的密封性，但是，这样的结构可能不方便移动，对于套管形变的模拟工作可能会带来一定的不便。

本申请一个实施例中，在压力仓底板2的上表面还可以设置底部垫板7，底部垫板7可以用于承载页岩样品9，避免因对页岩样品9施加压力，导致页岩样品9从压力仓15内脱落。底部垫板7可以选择承载能力比较强的金属板，底部垫板7的大小可以与页岩样品9的横截面相同，或者比页岩样品9的横截面大一些，以便能够完全承载页岩样品9。

如图2和图3所示，在本申请一个实施例中，可以将压力加载设备6如压力加载板设置在压力仓主体1的内侧表面以及压力仓上盖3的下表面。这样可以使得压力仓15内的页岩样品9在X、Y、Z三个方向都能受到压力，尽可能的模拟页岩在实际环境中所处的环境、压力等，使得套管形变量的分析更加准确。

本申请一个实施例中，压力加载设备6(如压力加载板)可以是液压缸组合在一个面板上的加载设备，可以将液压缸与高压泵连接，通过高压泵推动液压缸，进一步推动面板向页岩样品施加压力。如图2所示，压力加载设备6(如压力加载板)可以与注水泵12连接，通过注水泵12(如恒速恒压泵)加压将高压液体通过管线传输到压力加载板上，推动压力加载板上的推杆(如：液压杆)向页岩样品9施加压力。

如图2所示，注水泵12可以与压力仓15内的各个方向的压力加载设备6连接，分别构成X轴向加载单元、Y轴向加载单元、Z轴向加载单元，从三个方向向岩心样品9施加压力。

可以通过控制注水泵12的压力大小，控制压力加载板对页岩样品9施加的压力大小。并且可以通过数据采集处理设备14记录注水泵12施加的压力的大小，进一步记录出压力加载板向页岩样品9施加的压力的大小。结合记录的套管10的应变量，可以分析出套管10的形变量与施加压力的大小之间的关系，为套管形变的机理研究提供理论基础。

此外，如图2所示，本申请一个实施例中，压力加载板和注水泵12之间还可以设置压力传感器，通过压力传感器可以实时监测注水泵12通过管线传输到压力加载板上的压力的大小，提高监测数据的准确性。

还可以在各个压力加载板上连接位移传感器，利用位移传感器检测各个压力加载板的位移量，通过压力加载板的位移量确定压力加载板向页岩样品施加的压力的大小，以便分析页岩样品受力大小与套管形变之间的关系。

需要说明的是，本申请实施例中的井下套管形变模拟装置还可以包括其他结构：如保护壳、支撑结构等，本申请实施例不作具体限定。

下面结合附图，以一个加工好的规则页岩样品9(500×500×500mm)吸水膨胀、蠕变导致套管挤压变形的评价试验方法为例，对本申请一个示例中的实施方案进行详细说明。

如图2所示，恒速恒压泵12(即注水泵12)一端与压力仓15连接，另一端与数据采集处理设备14连接。在页岩样品9上钻一个内径Φ72mm，深400mm的套管孔，向套管孔内注入水泥浆后放入套管10，待水泥浆凝固，使用密封胶密封。将页岩样品9置于压力仓15内。在套管10内壁上均匀放置内置式应变片11，应变仪13一端与应变片11连接，另一端与数据采集处理设备14连接。

如图2所示，压力仓15，主要由压力仓主体1，压力仓底板2，压力仓上盖3，拉杆4，拉杆并帽5，压力加载板6(压力加载设备6)，底部垫板7，密封圈8组成。压力仓主体1一端与压力仓底板2端面密封连接，一端与压力仓上盖3端面密封连接。压力仓底板2和压力仓上盖3有密封结构，通过密封圈8与压力仓主体1形成密封的空间。压力仓底板2和压力仓上盖3通过拉杆4串联，使用拉杆并帽5通过螺纹将压力仓底板2和压力仓上盖3两端备紧。压力仓主体1内表面和压力仓上盖3的下表面有压力加载板6，为页岩样品9施加围压约50MPa，模拟地应力。压力仓底板2的上表面有底部垫板7，用于承载页岩样品9。

简述本申请实施方案的工作原理：

将页岩样品9放置于压力仓15中，压力仓底板2和压力仓上盖3通过密封机构与压力仓主体1形成密封的空间。通过压力加载板6向页岩样品施加围压，将清水通过恒速恒压泵12注入到页岩样品9和压力仓15的空间内。页岩样品9吸水引起页岩颗粒发生膨胀相互挤压，其作用力对套管10进行挤压，使套管10发生形变。通过套管10内壁的内置式应变片11将采集到的数据信息传送给应变仪13，应变仪13将采集到的套管10的应变信息发送至数据采集处理设备14，通过数据采集处理设备14实时监测套管10的形变情况。

本申请实施例提供的井下套管形变模拟装置，通过将页岩样品设置在压力仓内，并在页岩样品中设置套管，通过压力加载设备向页岩样品施加压力，模拟套管、页岩样品等在实际环境中的状态。利用注水设备向压力仓内注水，模拟页岩样品吸水后膨胀，挤压套管，使得套管发上形变的过程。通过设置在套管上的应变检测设备，实时检测套管的形变过程。实现了高压条件下，页岩吸水膨胀、蠕变套管形变过程的监测，为套管形变的机理研究提供了准确的数据基础。

本申请一个实施例中还提供了上述实施例中井下套管形变模拟装置的具体使用过程，包括：

首先，通过压力加载设备向设置在压力仓内的页岩样品施加压力。压力加载设备可以是压力加载板，压力加载板可以是一种液压结构，具体结构可以参考上述实施例的记载，此处不再赘述。可以将压力加载板连接在液压泵上，利用液压泵控制压力加载板向设置在压力仓内的页岩样品施加压力。当然，压力加载设备也可以是其他的结构，能向页岩样品施加压力即可。还可以控制压力加载板向页岩样品施加不同大小的压力，以研究不同压力对套管形变的影响。

其次，通过注水设备向所述压力仓内注水。通过注水设备如注水泵向压力仓内注水，压力仓内的页岩样品吸水后，会膨胀，进一步挤压设置在页岩样品中的套管，使得套管发生形变。可以通过注水设备控制向压力仓注水的速度、压力等，以研究不同注水速度、注水压力条件下，套管的形变情况。

最后，通过设置在套管内壁的应变检测设备，检测所述页岩样品吸水后，对所述套管的挤压力引起所述套管的形变，所述套管设置在所述页岩样品中。页岩样品吸水膨胀后，挤压套管，使得套管发生形变。设置在套管内的应变检测设备如应变片也会随着发生形变，通过设置在套管内壁的应变检测设备可以实时检测出套管的形变量。

本申请实施例，利用井下套管形变模拟装置，可以实现高压条件下，页岩吸水膨胀、蠕变套管形变过程的监测，为套管形变的机理研究提供了准确的数据基础。方法简单，容易操作。

需要说明的是，上述所述的方法根据井下套管形变模拟装置实施例的描述还可以包括其他的实施方式，具体的实现方式可以参照相关井下套管形变模拟装置实施例的描述，在此不作一一赘述。

上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

虽然本说明书一个或多个实施例提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或终端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的实施例而已，并不用于限制本本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在权利要求范围之内。