一種無附加載荷套管擠毀試驗系統研究

李東風，王 蕊，馮耀榮，楊 鵬，張益銘，韓 軍，張 樂，賈盼龍

(1.中國石油集團石油管工程技術研究院 陜西 西安 710077； 2.中國石油大學(華東) 山東 青島 266580)

0 引 言

目前，國內常規(guī)油氣田產能降低，己經不能滿足經濟發(fā)展和人們生產生活的需求。頁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，未來將會成為推動我國能源事業(yè)發(fā)展的主要力量。隨著我國頁巖氣開發(fā)進程不斷加快，各類失效風險事件也接踵而至。尤其是頁巖氣水平井分段壓裂過程中，一個突出問題是套管柱變形問題[1-7]，據不完全分析統計，威遠-長寧國家級頁巖氣示范區(qū)自2009年到2016年初共壓裂101口井(其中水平井90口)，34口井壓裂期間出現了不同程度的套管擠毀變形(套管變形點達47個)。因此，通過套管擠毀試驗裝置對套管外壓擠毀試驗性能進行有效評價，確保頁巖氣開采過程中用管質量性能，對促進頁巖氣開發(fā)專用管材設計開發(fā)具有非常重要的意義。

現階段，套管擠毀試驗系統多采用焊接堵頭或管子外表面與試驗裝備間建立壓力腔的方式，通過水或油作為外壓介質施加在套管管體，完成套管擠毀性能測試。試驗過程中，焊接堵頭或者與管體表面接觸的裝置部位，會對管體試樣附加一定的徑向載荷，導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備密封結構直接接觸，加壓過程中，密封部位會對試樣產生附加的軸向應力，進而影響試樣外壓性能測試結果的準確性。本文討論了一種無附加載荷的套管復合擠毀試驗系統，并應用該系統完成頁巖氣用套管外壓擠毀試驗，通過與臥式復合擠毀試驗系統性能對比分析，進一步表明無附加載荷的套管復合擠毀試驗系統更能有效地模擬實際工況，數據準確、試驗效率高。

1 無附加載荷的套管復合擠毀試驗系統

無附加載荷的套管復合擠毀試驗系統采用立式結構設計，該試驗系統總體結構如圖1所示，試驗系統主要由控制采集系統，氣驅水增壓系統、芯軸、外壓擠毀缸、試樣拆裝裝置，安全預警系統等部分組成。

圖1 試驗裝置總體結構布局圖

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構、試樣夾緊卡盤、升降導筒組成，結構如圖2所示，用于進行試樣與芯軸的組裝和拆卸。試驗前后，通過液壓升降機構升降導筒和卡盤，完成試樣與芯軸兩端的組裝和拆卸。

圖2 試樣安裝、拆卸裝置結構示意圖

1.2 外壓擠毀裝置

外壓擠毀缸是整個無附加載荷的套管復合擠毀試驗裝置的核心組成部分，由擠毀缸體、缸體密封法蘭、鎖緊螺母及相關附件等部分組成，結構如圖3所示，是外壓擠毀試驗的主要承壓部件。在試驗時，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水，封閉缸體密封法蘭、鎖緊螺母，形成密閉容腔，進而開展擠毀試驗。

圖3 外壓擠毀裝置示意圖

1.3 水增壓系統

水增壓系統采用壓縮空氣作為驅動氣源，潔凈水作為增壓介質，試驗過程中控制加壓速率，確保試驗系統以固定速率打壓直至試驗完成，自動實現泄壓。

1.4 控制采集系統

控制采集系統主要由工控機、控制軟件、采集模塊等部分組成，主要實現增壓系統等設備的啟?？刂?、試驗過程參數的實時采集存儲、報警信息記錄和處理、試驗數據后處理等功能，同時系統配備視頻監(jiān)控功能。系統設計手動運行控制與自動和手動控制兩種控制模式，手動運行控制模式主要用于試驗設備維護和手動測試模式，其可以對系統各執(zhí)行器件進行分別控制；自動運行控制模式是根據不同試驗項目，設定運行參數后，控制器根據設定參數自動對試驗設備中的執(zhí)行元件進行控制。

控制系統軟件主要實現數據采集及數據后處理，通過軟件實現人機交互。

2 工作原理

該試驗系統可以依據GB/T 20657[8]、GB/T 21267[9]、SY/T 6128[10]等標準，對外徑在127.00～244.48 mm之間的GB/T 19830[11]規(guī)格套管進行外壓擠毀試驗，套管試樣長度為8倍公稱直徑，加壓速率可調，最高試驗壓力可達275 MPa，滿足頁巖氣高抗擠強度檢測的需求。

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

圖4 工作原理圖

進行試驗時，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，在控制系統中設置試樣參數，并依據計算數據設置外壓擠毀最大數值，控制采集系統通過電磁閥等控制水增壓系統往擠毀缸中進行增壓，直至試樣發(fā)生擠毀失效，控制采集系統通過壓力傳感器等采集壓力、流量等信息，并自動記錄試驗數據及壓力-時間曲線，同時監(jiān)控實驗裝置的工作狀態(tài)，具備跳出報警菜單功能，可避免不正常操作和參數異常現象，如超壓，泄漏等危險狀況會自動報警并停機，試樣擠毀后系統會自動卸壓并同時記錄擠毀壓力，試驗完成后進行拆卸工作。

使用該系統，需將試樣與設備芯軸組裝在一起放入立式擠毀缸中，在試驗過程中，外壓擠毀試樣不會與密封結構直接接觸，可以有效避免軸向和徑向等附加應力的產生，實現高鋼級大壁厚頁巖氣用管的外壓試驗研究，能夠模擬實際的外壓工況條件，更為真實的測試出試樣的抗擠強度。

3 試驗研究

運用該系統開展了頁巖氣用套管試驗100余次，均得到了有效且準確的擠毀試驗數據值，這其中，最高試驗壓力達到210 MPa，這里列舉三種典型規(guī)格試樣的外壓擠毀試驗結果：規(guī)格為Ф114.30 mm×7.37 mm P110鋼級套管擠毀壓力值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鋼級套管擠毀壓力值58 MPa(8 421 psi)，擠毀試驗典型曲線及形貌如圖5、圖6所示。從試驗曲線可以看出，試驗過程中對試樣持續(xù)加壓，當壓力達到試樣發(fā)生擠毀失效的壓力值時，試樣擠毀失效，系統自動泄壓至基礎壓力值。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臥式擠毀試驗系統試樣發(fā)生局部擠毀形貌(典型形貌如圖7所示)不同。試驗結果進一步表明，試驗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 傳統臥式擠毀試樣形貌

4 試驗系統性能分析

通過對無軸向載荷的套管擠毀試驗系統進行的試驗測試，結果表明試樣均發(fā)生整體均勻擠毀，應用該系統可以得到有效且準確的擠毀試驗數據值。與傳統的擠毀系統相比具有以下幾點突出的特點。

1)自動化程度及安全可靠性高 試驗系統采用立式結構、軟密封結構設計與傳統擠毀系統相比，這種結構及密封設計更科學、合理。通過軟密封結構設計使試樣安裝、拆卸方便，減少試驗人員前期安裝及試驗后拆卸的大量工作時間，減少試驗前、后試驗人員的大量準備時間。自動化程度高，試驗效率高，與傳統系統相比試驗效率提高近50倍。在整個試驗過程中，減少了試驗人員的參與，降低安全風險。同時結合智能報警功能，進一步提升系統的安全可靠性能。

2)精確化程度提高 試驗過程中，外壓擠毀試樣不會與密封結構直接接觸，可以有效避免軸向和徑向等附加應力的產生，大大提高試驗結果的準確度，能夠模擬實際的外壓工況條件，更為真實的測試出試樣的抗擠強度。

3)系統試驗能力更強 無軸向載荷的套管擠毀試驗系統與傳統擠毀系統相比，性能不但沒有降低反而在擠毀能力方面有很大提高，該試驗系統最高試驗壓力可達275 MPa，滿足高鋼級大壁厚頁巖氣用管的外壓試驗需求。

無軸向載荷的套管擠毀試驗系統與傳統擠毀系統的性能指標對比情況見表1。

表1 試驗裝置性能指標對比

5 結 論

1)無附加載荷套管復合擠毀實驗系統，可以依據GB/T 20657、GB/T 21267、SY/T 6128等標準，對外徑在114.30～244.48 mm之間的API Spec 5CT規(guī)格套管進行外壓擠毀試驗，最高試驗壓力可達275 MPa。

2)試樣安裝、拆卸方便，控制系統能對監(jiān)測數據在線顯示和自動存儲，試驗效率高，同時具備泄漏、超壓等異常狀態(tài)檢測報警提示功能，安全性好。

3)試驗系統結構原理及試驗結果表明，該系統運行可靠，試驗過程無附加軸向載荷，壓力滿足頁巖氣用套管擠毀試驗需求，試驗結果準確。

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