李東風(fēng)，王 蕊，馮耀榮，楊 鵬，張益銘，韓 軍，張 樂，賈盼龍

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 山東 青島 266580)

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)常規(guī)油氣田產(chǎn)能降低，己經(jīng)不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生產(chǎn)生活的需求。頁(yè)巖氣作為一種新型清潔能源資源，已成為全球油氣資源勘探開發(fā)的新亮點(diǎn)，未來將會(huì)成為推動(dòng)我國(guó)能源事業(yè)發(fā)展的主要力量。隨著我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)進(jìn)程不斷加快，各類失效風(fēng)險(xiǎn)事件也接踵而至。尤其是頁(yè)巖氣水平井分段壓裂過程中，一個(gè)突出問題是套管柱變形問題[1-7]，據(jù)不完全分析統(tǒng)計(jì)，威遠(yuǎn)-長(zhǎng)寧國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)自2009年到2016年初共壓裂101口井(其中水平井90口)，34口井壓裂期間出現(xiàn)了不同程度的套管擠毀變形(套管變形點(diǎn)達(dá)47個(gè))。因此，通過套管擠毀試驗(yàn)裝置對(duì)套管外壓擠毀試驗(yàn)性能進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，確保頁(yè)巖氣開采過程中用管質(zhì)量性能，對(duì)促進(jìn)頁(yè)巖氣開發(fā)專用管材設(shè)計(jì)開發(fā)具有非常重要的意義。

現(xiàn)階段，套管擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)多采用焊接堵頭或管子外表面與試驗(yàn)裝備間建立壓力腔的方式，通過水或油作為外壓介質(zhì)施加在套管管體，完成套管擠毀性能測(cè)試。試驗(yàn)過程中，焊接堵頭或者與管體表面接觸的裝置部位，會(huì)對(duì)管體試樣附加一定的徑向載荷，導(dǎo)致外壓擠毀試樣失效位置集中在試樣管體的中間部位，另外，焊接堵頭或管體表面與設(shè)備密封結(jié)構(gòu)直接接觸，加壓過程中，密封部位會(huì)對(duì)試樣產(chǎn)生附加的軸向應(yīng)力，進(jìn)而影響試樣外壓性能測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文討論了一種無附加載荷的套管復(fù)合擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)，并應(yīng)用該系統(tǒng)完成頁(yè)巖氣用套管外壓擠毀試驗(yàn)，通過與臥式復(fù)合擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)性能對(duì)比分析，進(jìn)一步表明無附加載荷的套管復(fù)合擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)更能有效地模擬實(shí)際工況，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、試驗(yàn)效率高。

1 無附加載荷的套管復(fù)合擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)

無附加載荷的套管復(fù)合擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)采用立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該試驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，試驗(yàn)系統(tǒng)主要由控制采集系統(tǒng)，氣驅(qū)水增壓系統(tǒng)、芯軸、外壓擠毀缸、試樣拆裝裝置，安全預(yù)警系統(tǒng)等部分組成。

圖1 試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)布局圖

1.1 試樣安裝、拆卸裝置

試樣安裝、拆卸裝置是由液壓升降機(jī)構(gòu)、試樣夾緊卡盤、升降導(dǎo)筒組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示，用于進(jìn)行試樣與芯軸的組裝和拆卸。試驗(yàn)前后，通過液壓升降機(jī)構(gòu)升降導(dǎo)筒和卡盤，完成試樣與芯軸兩端的組裝和拆卸。

圖2 試樣安裝、拆卸裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 外壓擠毀裝置

外壓擠毀缸是整個(gè)無附加載荷的套管復(fù)合擠毀試驗(yàn)裝置的核心組成部分，由擠毀缸體、缸體密封法蘭、鎖緊螺母及相關(guān)附件等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示，是外壓擠毀試驗(yàn)的主要承壓部件。在試驗(yàn)時(shí)，將組裝完成的試樣和芯軸整體置入外壓擠毀缸中，將缸體充滿加壓介質(zhì)水，封閉缸體密封法蘭、鎖緊螺母，形成密閉容腔，進(jìn)而開展擠毀試驗(yàn)。

圖3 外壓擠毀裝置示意圖

1.3 水增壓系統(tǒng)

水增壓系統(tǒng)采用壓縮空氣作為驅(qū)動(dòng)氣源，潔凈水作為增壓介質(zhì)，試驗(yàn)過程中控制加壓速率，確保試驗(yàn)系統(tǒng)以固定速率打壓直至試驗(yàn)完成，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)泄壓。

1.4 控制采集系統(tǒng)

控制采集系統(tǒng)主要由工控機(jī)、控制軟件、采集模塊等部分組成，主要實(shí)現(xiàn)增壓系統(tǒng)等設(shè)備的啟?？刂啤⒃囼?yàn)過程參數(shù)的實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)、報(bào)警信息記錄和處理、試驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理等功能，同時(shí)系統(tǒng)配備視頻監(jiān)控功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)手動(dòng)運(yùn)行控制與自動(dòng)和手動(dòng)控制兩種控制模式，手動(dòng)運(yùn)行控制模式主要用于試驗(yàn)設(shè)備維護(hù)和手動(dòng)測(cè)試模式，其可以對(duì)系統(tǒng)各執(zhí)行器件進(jìn)行分別控制；自動(dòng)運(yùn)行控制模式是根據(jù)不同試驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)定運(yùn)行參數(shù)后，控制器根據(jù)設(shè)定參數(shù)自動(dòng)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備中的執(zhí)行元件進(jìn)行控制。

控制系統(tǒng)軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)后處理，通過軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2 工作原理

該試驗(yàn)系統(tǒng)可以依據(jù)GB/T 20657[8]、GB/T 21267[9]、SY/T 6128[10]等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)外徑在127.00～244.48 mm之間的GB/T 19830[11]規(guī)格套管進(jìn)行外壓擠毀試驗(yàn)，套管試樣長(zhǎng)度為8倍公稱直徑，加壓速率可調(diào)，最高試驗(yàn)壓力可達(dá)275 MPa，滿足頁(yè)巖氣高抗擠強(qiáng)度檢測(cè)的需求。

工作原理：通過控制采集系統(tǒng)控制增壓系統(tǒng)往外壓擠毀缸中增壓，通過外壓擠毀缸上的壓力傳感器測(cè)試壓力值，其工作原理圖如圖4所示。

圖4 工作原理圖

進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，首先通過試樣安裝拆卸裝置完成試樣與芯軸的組裝，并將其吊裝入外壓擠毀缸中，然后安裝擠毀缸密封法蘭，接著，在外壓擠毀缸及試樣之間充滿加壓介質(zhì)水，并排出外壓擠毀缸中的空氣，完成試樣的安裝；再然后，在控制系統(tǒng)中設(shè)置試樣參數(shù)，并依據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)設(shè)置外壓擠毀最大數(shù)值，控制采集系統(tǒng)通過電磁閥等控制水增壓系統(tǒng)往擠毀缸中進(jìn)行增壓，直至試樣發(fā)生擠毀失效，控制采集系統(tǒng)通過壓力傳感器等采集壓力、流量等信息，并自動(dòng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)及壓力-時(shí)間曲線，同時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)裝置的工作狀態(tài)，具備跳出報(bào)警菜單功能，可避免不正常操作和參數(shù)異常現(xiàn)象，如超壓，泄漏等危險(xiǎn)狀況會(huì)自動(dòng)報(bào)警并停機(jī)，試樣擠毀后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)卸壓并同時(shí)記錄擠毀壓力，試驗(yàn)完成后進(jìn)行拆卸工作。

使用該系統(tǒng)，需將試樣與設(shè)備芯軸組裝在一起放入立式擠毀缸中，在試驗(yàn)過程中，外壓擠毀試樣不會(huì)與密封結(jié)構(gòu)直接接觸，可以有效避免軸向和徑向等附加應(yīng)力的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)高鋼級(jí)大壁厚頁(yè)巖氣用管的外壓試驗(yàn)研究，能夠模擬實(shí)際的外壓工況條件，更為真實(shí)的測(cè)試出試樣的抗擠強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)研究

運(yùn)用該系統(tǒng)開展了頁(yè)巖氣用套管試驗(yàn)100余次，均得到了有效且準(zhǔn)確的擠毀試驗(yàn)數(shù)據(jù)值，這其中，最高試驗(yàn)壓力達(dá)到210 MPa，這里列舉三種典型規(guī)格試樣的外壓擠毀試驗(yàn)結(jié)果：規(guī)格為Ф114.30 mm×7.37 mm P110鋼級(jí)套管擠毀壓力值95 MPa(13 776 psi)，規(guī)格為Ф139.70 mm×12.7 mm Q125鋼級(jí)套管擠毀壓力值202 MPa(29 319 psi)，規(guī)格為Ф244.48 mm×11.99 mm P110鋼級(jí)套管擠毀壓力值58 MPa(8 421 psi)，擠毀試驗(yàn)典型曲線及形貌如圖5、圖6所示。從試驗(yàn)曲線可以看出，試驗(yàn)過程中對(duì)試樣持續(xù)加壓，當(dāng)壓力達(dá)到試樣發(fā)生擠毀失效的壓力值時(shí)，試樣擠毀失效，系統(tǒng)自動(dòng)泄壓至基礎(chǔ)壓力值。從圖6試樣失效后擠毀形貌可以看出，試樣均發(fā)生整管擠毀變形。試樣的擠毀形貌與傳統(tǒng)臥式擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)試樣發(fā)生局部擠毀形貌(典型形貌如圖7所示)不同。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明，試驗(yàn)過程中試樣處于自由狀態(tài)，無軸向附加載荷。

圖5 無軸向載荷擠毀過程曲線

圖6 無軸向載荷擠毀試樣形貌

圖7 傳統(tǒng)臥式擠毀試樣形貌

4 試驗(yàn)系統(tǒng)性能分析

通過對(duì)無軸向載荷的套管擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行的試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明試樣均發(fā)生整體均勻擠毀，應(yīng)用該系統(tǒng)可以得到有效且準(zhǔn)確的擠毀試驗(yàn)數(shù)據(jù)值。與傳統(tǒng)的擠毀系統(tǒng)相比具有以下幾點(diǎn)突出的特點(diǎn)。

1)自動(dòng)化程度及安全可靠性高 試驗(yàn)系統(tǒng)采用立式結(jié)構(gòu)、軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)擠毀系統(tǒng)相比，這種結(jié)構(gòu)及密封設(shè)計(jì)更科學(xué)、合理。通過軟密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使試樣安裝、拆卸方便，減少試驗(yàn)人員前期安裝及試驗(yàn)后拆卸的大量工作時(shí)間，減少試驗(yàn)前、后試驗(yàn)人員的大量準(zhǔn)備時(shí)間。自動(dòng)化程度高，試驗(yàn)效率高，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比試驗(yàn)效率提高近50倍。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，減少了試驗(yàn)人員的參與，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)結(jié)合智能報(bào)警功能，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的安全可靠性能。

2)精確化程度提高 試驗(yàn)過程中，外壓擠毀試樣不會(huì)與密封結(jié)構(gòu)直接接觸，可以有效避免軸向和徑向等附加應(yīng)力的產(chǎn)生，大大提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，能夠模擬實(shí)際的外壓工況條件，更為真實(shí)的測(cè)試出試樣的抗擠強(qiáng)度。

3)系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)芰Ω鼜?qiáng) 無軸向載荷的套管擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)擠毀系統(tǒng)相比，性能不但沒有降低反而在擠毀能力方面有很大提高，該試驗(yàn)系統(tǒng)最高試驗(yàn)壓力可達(dá)275 MPa，滿足高鋼級(jí)大壁厚頁(yè)巖氣用管的外壓試驗(yàn)需求。

無軸向載荷的套管擠毀試驗(yàn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)擠毀系統(tǒng)的性能指標(biāo)對(duì)比情況見表1。

表1 試驗(yàn)裝置性能指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié) 論

1)無附加載荷套管復(fù)合擠毀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以依據(jù)GB/T 20657、GB/T 21267、SY/T 6128等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)外徑在114.30～244.48 mm之間的API Spec 5CT規(guī)格套管進(jìn)行外壓擠毀試驗(yàn)，最高試驗(yàn)壓力可達(dá)275 MPa。

2)試樣安裝、拆卸方便，控制系統(tǒng)能對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在線顯示和自動(dòng)存儲(chǔ)，試驗(yàn)效率高，同時(shí)具備泄漏、超壓等異常狀態(tài)檢測(cè)報(bào)警提示功能，安全性好。

3)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，試驗(yàn)過程無附加軸向載荷，壓力滿足頁(yè)巖氣用套管擠毀試驗(yàn)需求，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確。

4)系統(tǒng)能夠有效模擬套管外壓加載過程，完成頁(yè)巖氣用高抗擠毀套管外壓性能測(cè)試，為套管外壓擠毀失效研究提供有效的技術(shù)支撐。