一种机械式模拟套管围压的试验方法

石油机械
2017 年第 45 卷第 10 期 CHINA PETROLEUM MACHINERY
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一种机械式模拟套管围压的试验方法
徐璧华1张彪1谢应权1唐巍1谭元铭2
(1.西南石油大学石油与天然气工程学院2.中石化西南石油工程有限公司固井分公司）
摘要：套管围压的试验方法一般是通过液压向套管试件施加外载，由于液体的特性，液压装 置只能做到外载的均匀分布而不能模拟地层非均匀外载。

为此，提出了一种新的套管围压试验方 法并研制了相应的试验装置。

该装置在模拟套管受外挤力时，能够模拟套管受均匀地应力和非均 匀地应力作用。

当套管外载从均布外载、椭圆非均布外载、双向外载到单向外载，其抗挤强度依 次减小，其中，椭圆非均布外载导致套管抗挤强度降低13.2%，双向外载和单向外载分别导致套 管抗挤强度降低70. 4%和86. 8%。

利用该装置能够开展套管的安全设计工作和延长油井的作业寿 命，较以前的方法更符合井下实际情况，更具有实用价值。

关键词：套管围压；抗挤强度；非均匀外载；试验装置；模拟
中图分类号：TE925 文献标识码：A doi:10. 16082/ki.issn. 1001-4578.2017. 10.001
A Mechanical Casing Confining Pressure Simulation Method
Xu Bihua1Zhang Biao1Xie Yingquan1Tang Wei1Tan Yuanming2
(1. School o f Oil and Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University；2. Cementing Company of SINOPEC Southwest Petroleum Engineering Co., Ltd.)
Abstract:The casing confining pressure is usually applied to the casing by hydraulic pressure,which can on­ly provide uniform load and cannot simulate the non-uniform load of the formation due to the characteristics of the liquid.To address the issue,a new test method has been proposed and the test device has been developed.The de-vice can simulate the casing external pressure including the uniform and non-uniform formation stress.When the casing was loaded by uniform external pressure,the oval non-uniform external load,two-way external load and the one-way external load,the anti-collapse strength decreases.The anti-collapse strength of casing under oval non-uni-form load reduced by 13. 2%,while 70. 4%and 86. 8%for the two-way external load and the one-way external load,respectively.The device,which is more practical in simulating the downhole condition than previous method, could be used for casing safety design and prolong the well life.
Keywords ：casing confining pressure；anti-collapse strength；non-uniform loading；test device；simulation
0引言
油田生产实践表明，套管在井下主要受到非均 匀地层应力的作用[1_6]。

岩盐、泥岩塑性流变引起 的非均匀挤压及复杂完井方式造成的高压差和交变 应力是造成套管损坏的重要原因[7_1()]。

在复杂井筒条件下，生产套管失效日益增多，严重影响油井 作业寿命[11_13]。

研究复杂井筒条件下水泥环与生 产套管的力学行为显得非常必要，然而目前的测试 方法与装置虽然能模拟套管受均勻外挤力，但是不 能模拟套管受地层非均勻地应力的过程且液压装置 的购置成本较高，高液压设备可操作性也比较低[14]〇
*基金项目：国家“十三五”科技重大专项“复杂井筒条件油层套管力学行为影响因素研究”（2016ZX05002004-012)、“川西坳陷须 家河组完井技术研究”（2016ZX05002004-006-001)。

2石油机械2017年第45卷第10期
针对以前试验方法的不足，笔者提出了一种新 的试验方法并研制了相应的试验装置。

该试验装置 在模拟套管受外挤力时，能够模拟套管受均匀地应 力和非均勻地应力的作用，更加符合套管在井下的 受力情况，对套管的安全设计及延长油井作业寿命 具有重要意义。

1试验方法
1.1试验装置
试验装置为自行研制的机械式套管围压模拟装 置，它集2项功能于一体：①模拟套管受均匀外挤 力；②模拟套管受非均勻外挤力。

图1为机械式套 管围压模拟装置实物图。

该装置主要由底座、滑 块、压盖和压力监测系统等构成。

图1机械式套管围压模拟装置实物图
Fig. 1 The mechanical casing confining pressure
simulation device
试验装置原理如图2所示。

压盖在压力机的作 用下向下移动，接触压件后压件受力向中心移动给 套管施加一个外挤力。

通过改变滑块与压盖的接触 角度来改变滑块对套管施加外挤力的大小。

1一应变片；2—套管；3—底座；4一滑
槽；5—水泥环；6 —滑块；7—压盖。

图2模拟套管受外挤力过程
Fig. 2 Simulation process of the casing
loaded by the external force 1.2装置可行性分析
如图2所示，由于滑块大小和滑块间隙的影 响，机械式加压装置没有液压装置施压均匀。

通过 优化选取滑块大小和滑块间隙减小机械式加压装置 施加压力的不均匀度，以满足试验需求。

滑块间隙 部分的试件没有受到压力，滑块间隙越小，施加压 力的不均匀度越小，然而滑块间隙不能无限度减 小，因为试验过程中套管挤压变形滑块会靠拢，取 滑块间隙为1.5 mm。

其次是均分滑块数的选择，最 少的滑块数是2块，然而采用2个滑块，套管受压 段的分布力最不均勻，这一点通过滑块挤压套管的 受力分析来说明。

以均分4块的滑块来分析试验过 程中套管的受力，如图3所示。

图中的圆代表套管，圆周角为77/4的黑色实体为滑块的俯视示意图。

squeezing the specimen
滑块从径向挤压套管，滑块对称轴线上的力没 有被分解，在其余位置分解为对试件的径向力^和 对套管的切向摩擦力f2。

因为只有径向力对试件的 挤压有作用，套管上受到的力不均勻，所以滑块弧 面越窄，即滑块数越多，受压段的分布力越均匀，滑块越多，滑块间隙也越多，间隙增加又使得整个 套管受力不均，这里就需要优选一个合理的均分滑 ±夬数。

优选方法采用施加压力的均布系数来评价，均布系数是指套管受到的力对角度的积分除以均布 力与圆周角（277)的乘积。

均布系数计算公式为：360° _ a
2n j2n2Fcosddd + 4a x 〇
式中：F为滑块外挤力，N;l为均布系数，取值范 围是0〜1，当系数为1时代表均布载荷，无因次；n 为均分滑块数，无因次；a为滑块间隙的角度，（°)。

公式（1)
中，受到试件大小和滑块间隙的影
2017年第45卷第10期徐璧华等：一种机械式模拟套管围压的试验方法
响，根据试验需要定套管外径为50 mm ，滑块间隙 为1.5 mm ，可以计算得到不同滑块数的施加压力 均布系数，结果如图4所示。

4
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7 8
9
10
16
均分滑块数
图4
不同滑块数的施加压力均布系数
Fig. 4 The applied pressure uniformity coefficient under
different number of sliding blocks
由图4可知，均分滑块数为6、7、8块时，施 加压力的均布系数都在0.9以上，基本上都达到了 模拟均布外载的效果，其中均分为6块和7块的均 布系数要高于均分为8块的均布系数。

值得注意的 是，采用6块和7块不利于非均布外载的大小主应 力配置，因为试验装置的底座应具有通用性，用不 同滑块的组合达到各种外载的效果，其中一种主应 力外载模型就是相互垂直的大小主应力，2组滑块 相互垂直，用到的4条滑槽也相互垂直，需要均布外 载就用到全部滑槽，此时只有均分8块的滑块设计满 足这2种要求。

综上所述，均分8块的滑块施加的外 载均布系数在〇. 9以上，对应8条滑槽的底座还能配 置相互垂直的大小主应力，故该装置具有可行性。

2
评价试验及分析
2. 1
试验材料及设备
试验所需材料及设备包括机械式套管受力模拟
试验装置、ASMB 1-16静态电阻应变仪、DZE -300
数字式抗折抗压试验机、LM -02数字式测力仪、 0WC -118双温强度养护箱、BWS -3-SXR 电子计 重秤、DS -1高速组织捣碎机、套管-水泥环试件 养护模具、BSQ 120-20AA 应变片、“II ”形及条形 接线端子、套管（外径50 mm ，厚5 mm ，长60
mm )、嘉华G 级油井水泥以及油井水泥添加剂。

2. 2
试验过程
2. 2. 1
套管受外挤力测试件的制备
将配制好的水泥浆倒入模具中，将模具放入双 温强度养护箱，75 T 养护3
d 后取出，常温下阴干。

根据测点的数量在压盖与压件接触点所对应的 套管内壁弧面中心位置画出应变片大小的矩形框， 用胶水将应变片贴于矩形框内。

将应变片的2条接 线与贴于水泥环-套管内壁的接线端子的一端的2 个接口焊接，另一端的2个接口分别用2条低噪声 线焊接，焊接完成后用万用表测量接线端子两端电 阻是否是应变片电阻。

用类似的贴片方式制备1个 只含1个测点的补偿件。

2.2.2套管围压测试
将套管围压测试装置底座放于压力试验机平台 上，接着将制备好的水泥环-套管试件坐于底座圆 槽上，将滑块分别放于相应滑槽上，使得滑块内侧 紧贴试件，将压盖盖在滑块形成的锥面上；用数据 采集线将低噪声线一端的连接端子与应力应变仪的 测试通道连接，用数据采集线将补偿件与应力应变 仪的公共补偿接口连接起来；将应力应变仪与电脑 连接，启动应力应变仪，打开数据采集软件，查找 试验装置，设置相关参数，点击平衡和清零。

点击 保存开始试验，将加载速度控制在〇. 6 kN /s 逐步加 载，当压力增加到250 kN 时停止保存，结束试验。

2.3试验结果分析
模拟不同外载的装配方式如图5所示。

不同非 均布外载下的套管抗挤强度见表1。

a .均布外载
b .椭圆外载
c .双向外载
d .单向外载
图5
模拟不同外载的装配方式
Fig. 5 The assembly way of simulating different external loads
210987
654321
999888888880o .o .o .o .o .o .o .o .o .o .o .
c
— 4 —石油机械2017年第45卷第10期
表1套管抗挤强度MPa
Table 1Anti-collapse strength of casing MPa 外载类型最大值最小值平均值
均布载荷74.9268.2171.65
椭圆外载65. 3859.7162.19
双向载荷23. 5619.6321.18
单向载荷10.258.149,46
由表1可以看出，当套管外载从均布外载、
椭圆非均布外载、双向外载到单向外载，其抗挤
强度依次减小，其中，椭圆非均布外载导致套管
抗挤强度降低13.2%,双向外载和单向外载分别
导致套管抗挤强度降低70. 4%和86. 8%。

套管在
单向外载下被挤变形，整个试验时间很短，当发
现软件上的曲线陡变且压力机加不上力，此时套
管已经变形，即停止试验。

从试验结果可以看
出，非均布外载对套管的抗挤强度影响非常大。

椭圆非均布外载是比较常规的非均布外载模型，
即便如此，它的影响程度都达到了 10%以上；双
向外载和单向外载是井筒条件比较恶劣情况下出
现的局部载荷，它甚至使得套管抗挤强度降低
70%以上。

实际上，近井地层的地应力都呈非均匀分布，
都会呈现一定比例和方向的大小主应力分布，甚至
会遇到高硬度地层中的不规则井眼情况，这将导致
套管受到局部载荷。

为了应对上述种种情况，除了
采用高抗挤强度套管外，那就只有依靠水泥环的保
护和卸载作用。

3结论及建议
(1)研制出一套机械式地应力模拟试验装置，该装置能够实现均匀地应力模拟以及非均匀地应力
模拟。

(2)地应力模拟试验装置可以定量地分析出 套管受到均匀地应力作用、非均匀地应力作用和套
管的受力变化情况。

(3)该地应力模拟试验装置提拱了一种新的 研究套管围压的测量手段，能够模拟均匀地应力和
非均匀地应力对套管的作用，一定程度上更符合现
场实际情况，更具有实用价值。

要探究均匀地应力
与非均匀地应力对套管承载能力的影响，还需利用
该装置做深入研究。

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第一作者简介：徐璧华，副教授，生于1964年，1991 年毕业于西南石油学院石油工程系，获硕士学位，现从事油气井固井研究与教学工作。

地址：（610500)四川省成都市。

电话：（028) 83033218。

E-mail: xubh@。

收稿日期：2017-05-19
(本文编辑刘峰）。