技术领域
[0001] 本
发明涉及油气井钻采技术领域中对高曲率井段管柱进行研究的实验装置，具体涉及高曲率井段管柱通过能力模拟实验装置及其实验方法。
背景技术
[0002] 薄油层、稠油层、低渗透油气层和裂缝性油气层等已经变成我国油气资源开采的主要目标，对
水平井技术提出了更高的要求和挑战，不断衍生出多种不同类型的水平井，例如中短半径水平井、中短
曲率半径水平井和超短半径水平井等，这类高曲率井段为管柱的可下入性提出了更高的要求。管柱在下入弯曲井眼过程中，由于井斜
角的增加，造成推动力减小；另一方面使弯曲井眼对管柱的摩阻增大，同时弯曲的井眼迫使管柱沿井眼轨迹弯曲，管柱
刚度作用明显增强，使
套管受到较大的附加弯矩作用，严重时使管柱不能下达预定井段。管柱能否顺利地通过弯曲井段下到目的层是能否顺利钻完井的重要因素。因此，进行高曲率管柱通过能力研究，对钻完井设计及施工有重要意义。
[0003] 王德新建立了套管通过能力评价条件，赵域栋建立了管柱下入过程的有限元模型，对超长细比管柱的下入过程进行了分析，但仅从理论计算和数值模拟角度分析管柱的通过能力是不全面的。现在看来，用理论研究来解决此问题是很困难的，有效的办法是试验研究，长庆油田钻采工艺研究院与西安管材研究所联合进行了φ139.7mm套管的全尺寸弯曲试验，韩志勇研究了套管可通过的最大井眼曲率的确定方法。但还应当进行进一步试验研究，以便了解在不同轴向
应力下套管可承受弯曲应力的极限能力。有必要做几种不同尺寸的套管试验。只有在进一步试验研究的
基础上，才能真正建立起符合实际的计算模型。事实上，该试验目的限于研究在该油田的井深、井眼曲率(20°/30m)、固井和增产措施等条件下J55
钢级套管是否可用的问题，而非研究“套管可以通过的最大井眼曲率”的问题。
[0004] 徐金超设计了钻管弯曲转向室内实验装置，该装置采用滚轮组作为模拟滑道，16Mn无缝钢管作为模拟钻管，手压式
液压泵提供钻管下压力。通过游标卡尺测量钻管通过、拉回尺寸变化，压力表测量钻管下压力，从而对实现弯曲的不同规格钻管进行优选。但该实验装置滑道构建繁琐，井眼曲率改变困难。
[0005] 中国实用新型
专利ZL200720158882.X设计了大斜度井管柱弯曲
变形模拟试验装置，模拟大斜度井管柱受力弯曲变形，通过受力绞绳，提升管柱，检测管柱通过能力模拟井筒的受力大小和弯曲变形。该模拟试验装置只适合模拟上提管柱的通过能力，但不能模拟下放管柱的通过能力。
发明内容
[0006] 本发明的一个目的是提供高曲率井段管柱通过能力模拟实验装置，这种高曲率井段管柱通过能力模拟实验装置用于解决现有的实验装置不能模拟高曲率井段管柱下放通过的能力的问题，本发明的另一个目的是提供这种高曲率井段管柱通过能力模拟实验装置的实验方法。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种高曲率井段管柱通过能力模拟实验装置包括主底座、多组紧固装置、外管、
挡板组、加载装置、管柱试件，主底座上设置有第一
导轨，外管由直管段和弯管段连接成一体，外管的直管段一端连接挡板组的滑动挡板，管柱试件从外管的弯管段一端伸入，管柱试件的另一端连接加载装置，多组紧固装置可拆卸地将外管间隔卡固，多组紧固装置均滑动连接于第一导轨上；挡板组包括挡板底座、滑动挡板、第二导轨、拉压
传感器、固定挡板、挡板固定架，挡板底座上设置有第二导轨，滑动挡板通过其底部滑轨与第二导轨滑动连接，挡板螺杆立柱下端穿过挡板底座，挡板螺杆立柱的下端
螺纹连接挡板滑
块，挡板滑块与第一导轨滑动连接，固定挡板固定在挡板固定架上，挡板固定架也通过相应的挡板螺杆立柱和挡板滑块滑动连接于第一导轨上，拉压传感器两端通过变扣分别与滑动挡板和固定挡板连接。
[0008] 上述方案中紧固装置横梁、管卡、连接块，管卡固定在横梁下部，横梁的两端各自与相应的连接块的水平孔
螺纹连接，且通过
锁紧
螺母紧固；每个连接块的竖直孔各穿过一个
支撑螺杆立柱，连接块与相应的支撑螺杆立柱螺纹连接且通过锁紧螺母紧固，每个支撑螺杆立柱的下端均螺纹连接一个方形滑块，方形滑块与第一导轨滑动连接；管卡由管卡底座和固定块对扣后通过螺钉螺母固定形成，管卡底座和固定块对扣后形成中心孔，接头被卡固在中心孔处，接头一端连接外管直管段，接头另一端连接外管弯管段，由于紧固装置为可拆卸的，可通过变换紧固装置的
位置，通过多个紧固装置变换外管的曲率半径，实现不同曲率半径外管的固定。
[0009] 上述方案中加载装置包括
电子万能试验机、自紧夹头，电子万能试验机与自紧夹头通过变扣连接，自紧夹头另一端连接管柱试件，电子万能试验机负责提供通过压力并实时测量压力大小，自紧夹头用于固定所述管柱试件。
[0010] 上述方案中拉压传感器连接
数据采集系统，数据采集系统设置在
笔记本电脑上，通过笔记本电脑可随时掌握实验情况。
[0011] 上述方案中第一导轨有两条，第一导轨的纵截面为T型，两条导轨通过紧固
螺栓固定在主底座和电子万能试验机上。
[0012] 上述方案中管卡与接头之间设置有
垫块，垫块也为分体的，每个半体外具有弧形凸肋，管卡底座和固定块分别具有弧形凹槽，一个半体与管卡底座卡固，另一个半体与固定块卡固，通过垫块可实现不同直径井眼中管柱通过能力模拟实验，即改变外管直径，在管卡内加入垫块实现不同直径外管的固定。
[0013] 上述方案中外管是透明的。
[0014] 上述高曲率井段管柱通过能力模拟实验装置的实验方法，其包括步骤：
[0015] A、将主底座置于水平地面；第一导轨固定在电子万能试验机和主底座上；紧固装置沿第一导轨方向滑动地连接在所述第一导轨上；外管，由直管段和弯管段组成，所述外管由紧固装置固定；加载装置通过电子万能试验机提供加载动力；管柱试件固定在所述电子万能试验机上；挡板组安装在所述外管弯管段一端，所述挡板组有拉压传感器；
[0016] B、通过加载装置缓慢地推动管柱试件下入外管内，记录管柱试件承受的下压力，记录管柱试件下入的位移；
[0017] C、持续对管柱试件施加下压力，直至管柱试件顶上挡板组，记录挡板组承受的压力；
[0018] D、同时记录管柱试件承受的下压力，压力与下压力之差为外管对管柱试件的摩阻；
[0019] E、改变加载装置加载方向，通过加载装置缓慢地拉动管柱试件至初始位置；
[0020] F、取
下管柱试件，观察并拍摄其变形；
[0021] G、采用其他型号管柱试件，重复实验步骤A-F。
[0022] 本发明具有以下有益效果：
[0023] 1、本发明可验证高曲率井段管柱通过能力理论中所提出的各种假设，还可以验证相关分析模型和方法的有效性，还可以用于验证管柱通过能力有限元数值模拟的可靠性。
[0024] 2、由于本发明的实验装置不需要额外的加载装置，可以直接应用现有的电子万能试验机原有的配置，实现管柱下入过程下压力和位移的实时测量。因此，研制
费用较低，利于推广应用。
[0025] 3、本发明结构设计巧妙、附件调整灵活、操作简单安全，通过选择不同曲率和管径的弯管，通过紧固装置固定，可以实现各种高曲率井段及其各种井眼直径管柱通过能力模拟的实验目的。
[0026] 4、本发明自紧夹头可实现4mm 12mm管柱直径的固定，便于对比研究高曲率井段不~同直径管柱的通过能力。
[0027] 5、本发明各结构中采用螺栓、螺钉、螺母等连接，因此可拆卸，便于运输。
附图说明
[0028] 图1是本发明的立体示意图；
[0029] 图2是本发明的俯视图；
[0030] 图3是本发明中主底座和第一导轨立体示意图；
[0031] 图4是本发明中主底座和第一导轨局部放大示意图，以显示主底座和第一导轨的连接关系；
[0032] 图5是本发明中紧固装置和外管立体示意图；
[0033] 图6是本发明中挡板组立体示意图；
[0034] 图7是本发明中挡板组上视图；
[0035] 图8是本发明中固定350mm曲率弯管整体示意图；
[0036] 图9是本发明中固定500mm曲率弯管整体示意图；
[0037] 图10是本发明中垫块。
[0038] 图中：1主底座；2第一导轨；3紧固装置；4外管；5加载装置；6管柱试件；7挡板组；
[0039] 31横梁；32连接块；33锁紧螺母；34支撑螺杆立柱；35方形滑块；36管卡底座；37固定块；38螺钉螺母；
[0040] 41直管段；42弯管段；43接头；
[0041] 51自紧夹头；52变扣；
[0042] 71挡板底座；72滑动挡板；73第二导轨；74拉压传感器；75固定挡板；76挡板固定架；77挡板螺杆立柱；78挡板滑块；79垫块。
具体实施方式
[0043] 下面结合附图对本发明作进一步的说明：
[0045] 结合图1、图2所示，这种高曲率井段管柱通过能力模拟实验装置包括主底座1、多组紧固装置3、外管4、挡板组7、加载装置5、管柱试件6，主底座1上设置有第一导轨2，外管4由直管段41和弯管段42通过接头43连接成一体，外管4的直管段41、弯管段42、和接头43均由透明有机玻璃制成，便于观察管柱试件6的状态。外管4的直管段41一端连接挡板组7的滑动挡板72，管柱试件6从外管4的弯管段42一端伸入，管柱试件6的另一端连接加载装置5，多组紧固装置3可拆卸地将外管4间隔卡固，多组紧固装置3均滑动连接于第一导轨2上，参阅图3、图4，第一导轨2有两条，第一导轨2的纵截面为T型，两条导轨通过紧固螺栓固定在主底座1和电子万能试验机上；挡板组7设置在所述外管4直管段41一端。加载装置5包括电子万能试验机、自紧夹头51，电子万能试验机与自紧夹头51通过变扣52连接，自紧夹头51另一端连接管柱试件6，电子万能试验机负责提供通过压力并实时测量压力大小，自紧夹头51用于固定所述管柱试件6。本发明结合电子万能试验机设计制造，电子万能试验机提供一部分底座并为管柱试件6下入外管4内进行加载，其也可测量所述管柱受到的下压力与位移。
[0046] 本发明在实验时，电子万能试验机推动管柱试件6不断通过，直至管柱试件6穿过外管4顶到滑动挡板72，由于滑动挡板72是可移动的且另一端连接拉压传感器74，可测得管柱试件6施加在滑动挡板72上的推力。
[0047] 参阅图6、图7，挡板组7包括挡板底座71、滑动挡板72、第二导轨73、拉压传感器74、固定挡板75、挡板固定架76，挡板底座71上设置有第二导轨73，滑动挡板72通过其底部滑轨与第二导轨73滑动连接，挡板螺杆立柱77下端穿过挡板底座71，挡板螺杆立柱77的下端螺纹连接挡板滑块78，挡板滑块78与第一导轨2滑动连接，通过挡板螺杆立柱77与挡板滑块78之间的旋转将所述挡板滑78块贴合在T型第一导轨2内，实现所述挡板底座71在第一导轨73上任意位置的移动与固定；固定挡板75固定在挡板固定架76上，挡板固定架76也通过相应的挡板螺杆立柱77和挡板滑块78滑动连接于第一导轨2上，挡板固定架76可沿第一导轨2上滑动，拉压传感器74两端通过变扣52分别与滑动挡板72和固定挡板75连接。
[0048] 本发明中拉压传感器74连接数据采集系统，数据采集系统设置在笔记本电脑上，通过笔记本电脑可随时掌握实验情况。
[0049] 参阅图5，紧固装置3包括横梁31、管卡、连接块32，管卡固定在横梁31下部，横梁31的两端各自与相应的连接块32的水平孔螺纹连接，且横梁31采用锁紧螺母33紧固，这样一是两端的连接块32可根据需要旋转到横梁31的某个位置，以与相应的支撑螺杆立柱34下端的方形滑块35相适应，二是通过横梁31的旋转，实现实验需要的横梁31下固定的管卡的方向（如外管4直管段41中管卡的中心孔为水平的、外管4弯管段42中管卡的中心孔是倾斜的）；连接块32的竖直孔有螺纹，连接块32与相应的支撑螺杆立柱34螺纹连接，实现连接块32旋转到支撑螺杆立柱34任意位置，连接块32采用锁紧螺母33紧固，以根据实验需要的外管4曲率半径调节每组紧固装置3中横梁31的高度，以实现通过多组紧固装置3的布置，实现某个需要的曲率半径外管4的固定；每个支撑螺杆立柱34的下端均螺纹连接一个方形滑块
35，方形滑块35攻有
螺纹孔，实现支撑螺杆立柱34可旋转地与方形滑块35连接，通过支撑螺杆立柱34与方形滑块35之间的旋转将所述方形滑块35贴合在T型第一导轨2内，实现方形滑块35与第一导轨2滑动连接；管卡由管卡底座36和固定块37对扣后通过螺钉螺母38固定形成，管卡底座36和固定块37对扣后形成中心孔，接头43被卡固在中心孔处，接头43一端连接外管4直管段41，接头43另一端连接外管4弯管段42，实现所述管卡对所述外管4的固定。
[0050] 本发明由于紧固装置3为可拆卸的，可通过变换紧固装置3的位置，通过多个紧固装置3变换外管4的曲率半径，实现不同曲率半径外管4的固定。即改变外管4的曲率半径，通过调整紧固装置3各部件的布置位置（包括相邻两个紧固装置3之间的距离、每组紧固装置3中横梁31的高度、横梁31下固定的管卡的方向）实现不同曲率半径外管4的固定，如图8和图9所示。
[0051] 上述高曲率井段管柱通过能力模拟实验装置的实验方法，其包括步骤：
[0052] A、将主底座1置于水平地面；第一导轨2固定在电子万能试验机和主底座1上；紧固装置3沿第一导轨2方向滑动地连接在所述第一导轨2上；外管4由直管段41和弯管段42组成，所述外管4由紧固装置3固定；加载装置5通过电子万能试验机提供加载动力；管柱试件6固定在所述电子万能试验机上；挡板组7安装在所述外管4弯管段42一端，所述挡板组7有拉压传感器74；
[0053] B、通过加载装置5缓慢地推动管柱试件6下入外管4内，记录管柱试件6承受的下压力，记录管柱试件6下入的位移；
[0054] C、持续对管柱试件6施加下压力，直至管柱试件6顶上挡板组7，记录挡板组7承受的压力；
[0055] D、同时记录管柱试件6承受的下压力，压力与下压力之差为外管4对管柱试件6的摩阻；
[0056] E、改变加载装置5加载方向，通过加载装置5缓慢地拉动管柱试件6至初始位置；
[0057] F、取下管柱试件6，观察并拍摄其变形；
[0058] G、采用其他型号管柱试件6，重复实验步骤A-F。
[0059] 实施例2：
[0060] 本实施方式中管卡与接头43之间设置有垫块79，垫块79也为分体的，每个半体外具有弧形凸肋，管卡底座36和固定块37分别具有弧形凹槽，一个半体与管卡底座36卡固，另一个半体与固定块37卡固，其它结构与实施例1相同。
[0061] 本实施例提出的高曲率井段管柱通过能力模拟实验装置，可以实现管柱通过高曲率井段的实验模拟，实现不同直径井眼中管柱通过能力模拟实验。
[0062] 本实施方式是在实施方式一的实验装置的基础上进行改造，即改变外管4直径，在管卡内加入垫块79实现不同直径外管4的固定，如图10所示。
[0063] 本实施方式的实验装置可用于研究外管4直径对于管柱通过能力的影响，其步骤流程与实施方式一的实验流程相同。
