[發明專利]分析高溫高壓鉆井環境下鉆桿接頭力學性能的實驗裝置

有效

• 申請號: 201811567493.1
• 申請日: 2018-12-20
• 公開（公告）號: CN109406257B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 程錦華;孫友宏;于永平;李冰;時元玲
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01N3/18;G01N3/26
• 代理公司: 長春市吉利專利事務所(普通合伙) 22206
• 代理人: 李曉莉

本發明公開的分析高溫高壓鉆井環境下鉆桿接頭力學性能的實驗裝置，涉及超深科學鉆探力學測試領域，該實驗裝置包括實驗臺主體、第一加壓泵、第二加壓泵及數據采集與處理系統，第一加壓泵向高溫高壓釜內注入鉆井液，第二加壓泵向鉆桿接頭內注入鉆井液，形成高壓及壓差環境，實驗臺主體用于向鉆桿接頭傳遞軸向力及軸向扭矩，從而實現鉆桿接頭的扭轉、拉伸、壓縮、拉扭及壓扭試驗條件，本發明提供的力學實驗臺可實現鉆桿接頭高溫高壓條件下的力學測試與失效試驗，且可實現鉆桿接頭內外的壓差設置，能更好的模擬鉆桿接頭在特深井的高溫高壓環境下受力工況，從而實現鉆桿接頭的結構優化，以獲得更好的力學性能及密封性能。

技術領域

本發明涉及超深科學鉆探力學測試領域，特別是涉及分析高溫高壓鉆井環境下鉆桿接頭力學性能的實驗裝置。

背景技術

在深部科學鉆探中，鉆柱是連通地面設備與井底馬達及鉆頭的樞紐，具有不可替代的核心作用。在鉆井過程中，鉆柱的基本作用是起下鉆頭、施加鉆壓、傳遞扭矩、輸送鉆井液等。而長達數千甚至上萬米的鉆柱是由鉆桿、鉆鋌等鉆具通過鉆桿接頭連接而成。鉆桿接頭作為鉆柱最薄弱的環節，在鉆進過程中極易失效，因此鉆桿接頭的性能直接影響整體鉆柱的安全。

隨著鉆孔深度的加深，孔底環境變得更加復雜。鉆桿接頭的服役工況也變得更加復雜，主要體現在以下幾個方面：

1、受力情況復雜，包括軸向拉壓力、彎矩、扭矩以及交變應力的影響；

2、孔底高溫的影響：孔底的高溫不僅會產生熱應力，熱變形，增大螺紋應力，同時會對材料的力學性能產生影響，增加鉆桿接頭工況的復雜度；

3、高壓的影響，以10000米的鉆孔為例，其孔底鉆井液的液柱壓力可達到100MPa以上，同時鉆柱存在壓差，對鉆桿接頭的密封也提出了嚴峻考驗。由于上述復雜性，高溫高壓下鉆桿接頭的力學研究一直是國內外的研究前沿。

現有對鉆桿接頭的研究主要集中于常溫常壓的力學研究，流體對鉆桿接頭力學性能影響的研究很少有報道，對于高溫高壓條件下鉆桿接頭的力學研究很少涉及。這很難滿足我國深地計劃的要求。因此，建立一套模擬高溫高壓下鉆桿接頭的力學實驗臺，已成為目前迫切需要解決的難題。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種分析高溫高壓鉆井環境下鉆桿接頭力學性能的實驗裝置，用于模擬特深井井底鉆桿接頭受力工況，從而實現鉆桿接頭高溫高壓條件下的力學測試與失效試驗。

為達到上述目的，本發明采用如下的技術方案：分析高溫高壓鉆井環境下鉆桿接頭力學性能的實驗裝置，其特征在于，包括：實驗臺主體、第一加壓泵、第二加壓泵及數據采集與處理系統，

所述實驗臺主體包括高溫高壓釜、傳力軸、回轉馬達、定位蓋、軸承、移動平臺、加熱電阻、液壓缸、底座、第一碳化硅密封環、導向套、第二碳化硅密封環、第一夾具、鉆桿接頭及第二夾具，所述高溫高壓釜置于底座上，高溫高壓釜包括高溫高壓釜蓋及高溫高壓釜體，于高溫高壓釜外側包有加熱電阻；所述鉆桿接頭設置在高溫高壓釜的內部并與高溫高壓釜同軸布置；所述第二夾具設置在高溫高壓釜底部中心位置，第二夾具用于固定鉆桿接頭；所述移動平臺位于高溫高壓釜上方；所述液壓缸安裝于底座上，液壓缸的活塞桿與移動平臺連接，通過液壓缸的活塞桿往復運動實現移動平臺的上升和下降；所述導向套設置在移動平臺的底部中心位置，導向套穿過高溫高壓釜蓋延伸至高溫高壓釜內部，于導向套與高溫高壓釜蓋連接處設置有第二碳化硅密封環；所述回轉馬達通過定位蓋固定在移動平臺的臺面上，回轉馬達用于驅動傳力軸回轉；所述傳力軸依次穿過定位蓋、移動平臺及導向套延伸至高溫高壓釜內部，且傳力軸與定位蓋、移動平臺通過軸承定位，傳力軸與移動平臺之間設置有第一碳化硅密封環；所述第一夾具與傳力軸的底部連接，第一夾具用于將鉆桿接頭上部夾緊；

所述第一加壓泵通過第一高壓管線與高溫高壓釜的內部相連，第一加壓泵用于提供模擬深部地層鉆桿接頭工作時所承受的環空壓力；