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专利名称：一种实体膨胀管复合加载膨胀试验装置的制作方法
技术领域：
本发明 涉及石油天然气工业中实体膨胀管技术领域，特别涉及一种对实体膨胀管 膨胀性能进行评价的装置，该装置用于在实验室内模拟现场工况对实体膨胀管进行多种复 合加载方式膨胀试验研究，同时可用于开发膨胀管管材和配套工具。
背景技术：
实体膨胀管SET (Solid Expandable Tubular)技术是以实现“节省”井眼尺寸为 目的，在井眼中将套管柱径向膨胀至所要求的直径尺寸的一种钻井、完井和修井新技术。应 用该技术可以使得下入的套管层数增加，给深井、复杂地质条件的钻井和井身结构带来“革 命性”的影响和重大技术经济效益。它可以将井眼变“瘦”显著降级开发成本。它将“单一 井径”成为可能。实体膨胀管技术在全世界发展应用非常迅速，国外现已成功将实体膨胀管 技术应用于裸眼井完井、膨胀套管补贴和膨胀尾管悬挂等方面。目前该技术由少数几个公 司所垄断。实体膨胀管有许多关键技术，如实体膨胀管管材技术、膨胀管连接技术、实体膨 胀管检测技术及其他配套技术等，国外公司在膨胀管系列产品的研发过程中，建立了较完 善的检测技术体系，保障了其膨胀管相关产品的安全可靠性，并作为商业秘密进行管理，技 术引进的成本较高。国内研制的膨胀管产品，只是按照膨胀工艺的需求，将管体和膨胀工具 组装后，在地面进行了相关承内压、密封性等实物性能实验，缺乏对实体膨胀管进行膨胀性 能试验的装置，无法确保膨胀管体在井下服役过程中的安全可靠性，同时不利于对实体膨 胀管产品质量的控制，这也是国内的膨胀管技术与国外同类技术间的重要差距。

发明内容
本发明的目的就是基于上述背景下而提供一种实体膨胀管复合加载膨胀试验装 置。本发明可以对实体膨胀管施加多种复合载荷进行膨胀试验，能够对多种规格的实体膨 胀管模拟作业工况进行液压膨胀、机械膨胀、机械液压复合加载膨胀试验。本发明的技术解决方案是一种实体膨胀管复合加载膨胀试验装置，包括加载机 架、膨胀试验系统、膨胀夹持系统、传感器系统，加载机架由端横梁(15)、导轨(2)、导向横 梁(3)、中横梁(8)、机架侧壁(26)组成，导向横梁(3)和中横梁⑶可沿导轨(2)轴向移 动，中横梁(8)横向上设有液压销钉(24)，可与机架侧壁(26)上的销孔(9)连接使中横梁 (8)固定，膨胀试验系统包括液压油缸(1)、活塞杆(23)、拉杆(6)、膨胀锥(17)、定位法兰 (16)和高压注水机构(21)，液压油缸(1)、活塞杆(23)、拉杆(5)、膨胀锥(17)顺次连接构 成机械拉伸膨胀实验装置，定位法兰(16)、高压注水机构(21)和膨胀锥(17)构成液压膨 胀实验装置，膨胀夹持系统包括三抓卡盘(10)、起胀浮动夹具(12)、膨胀夹具(20)和定位 法兰(16)，三抓卡盘(10)和起胀浮动夹具(12)作为端部起胀试验时夹持试验试样(11) 的定径膨胀夹持装置，膨胀夹具(20)和定位法兰(16)作为膨胀管膨胀试验时夹持试验试 样(11)的变径膨胀夹持装置，传感器系统包括位移传感器(25)、力传感器(4)、径向变形传感器(13)和液压传感器(22)，膨胀试验系统安装在加载机架上，加载机架一侧设有膨胀夹持系统，膨胀夹持系统夹持试验试样(11)，位移传感器(25)设于活塞杆(23)上，导向横梁 (3)上设有力传感器(4)，膨胀夹持系统夹持的试样(11)外表面沿周向设有2 8个径向 变形传感器(13)，密封法兰(19)上设有液压传感器(22)。所述的膨胀试验系统包括液压油缸(1)、活塞杆(23)、可更换拉杆(6)、膨胀锥 (17)、膨胀锥连接接头(14)、端部密封法兰(19)、定位法兰(16)和高压注水机构(21)，机械 拉伸膨胀实验装置由下述部分构成导向横梁(3) —端通过活塞杆(23)与液压油缸(1)连 接，导向横梁(3)的另一端通过铰接机构(5)连接拉杆6，拉杆(6)下方设有支撑小车(7)， 拉杆(6)的另一端通过膨胀锥连接接头(14)与膨胀锥(17)相连接；定位法兰(16)上设有 高压注水机构(21)和膨胀锥(17)构成液压膨胀实验装置。所述的膨胀夹持系统包括三抓卡盘(10)、起胀浮动夹具(12)、膨胀夹具(20)和定 位法兰(16)，中横梁(8)与三抓卡盘(10)焊接固定连接，三抓卡盘(10)和起胀浮动夹具 (12)作为端部起胀试验时夹持试验试样(11)的定径膨胀夹持装置，三抓卡盘(10)和定位 法兰(16)将试样(11)固定并确保试样(11)中心与活塞杆(23)中心同轴；起胀浮动夹具 (12)通过加载机架侧壁上的销孔(9)与加载机架连接，膨胀夹具(20)安装在机架的底座 上，膨胀夹具(20)和定位法兰(16)作为膨胀管膨胀试验时夹持试验试样(11)的变径膨胀 夹持装置。本发明的有益效果是本发明结构简单可靠，能提供0 2000kN的轴向可控机械 拉伸载荷和0 SOMpa的液压力，配合相应的膨胀锥头，可以实现对实体膨胀管整管进行机 械拉伸膨胀或液压膨胀或机械拉伸与液压复合膨胀试验，并可实时测量膨胀试验过程中膨 胀锥的位移、拉伸载荷、液压压力和实体膨胀管径向变形数据，本发明的加载机架和膨胀夹 持系统可以满足各种规格实体膨胀管整管或实体膨胀管连接结构膨胀试验，并在试验过程 中有效地避免了横向失稳，为实体膨胀管膨胀性能检测、研究评价、整管结构改进和膨胀工 艺优化提供了 一种有效地实验室试验装置。


图1为本发明结构示意图。图2为本发明对实体膨胀管复合膨胀试验时的的结构示意图。图3为图1中A-A剖面图。图4为图1中B-B剖面图。图5为图2中C-C剖面图。
具体实施例方式下面结合附图，详细说明本发明的具体实施例。本发明由加载机架、膨胀试验系统、膨胀夹持系统、传感器系统构成。加载机架由 端横梁15、导轨2、导向横梁3、中横梁8、机架侧壁26组成，导向横梁3和中横梁8可沿导轨 2轴向移动，中横梁8横向上设有液压销钉24，可与机架侧壁26上的销孔9连接使中横梁 8固定，膨胀试验系统包括液压油缸1、活塞杆23、拉杆6、膨胀锥17、定位法兰16和高压注 水机构21，液压油缸1、活塞杆23、拉杆5、膨胀锥17顺次连接构成机械拉伸膨胀实验装置，定位法兰16、高压注水机构21和膨胀锥17构成液压膨胀实验装置，膨胀夹持系统包括三抓 卡盘10、起胀浮动夹具12、膨胀夹具20和定位法兰16，三抓卡盘10和起胀浮动夹具12作 为端部起胀试验时夹持试验试样11的定径膨胀夹持装置，膨胀夹具20和定位法兰16作为 膨胀管膨胀试验时夹持试验试样11的变径膨胀夹持装置，传感器系统包括位移传感器25、 力传感器4、径向变形传感器13和液压传感器22，膨胀试验系统固定安装在加载机架上，力口 载机架侧壁(26)上设有膨胀夹持系统，膨胀夹持系统夹持试验试样11，位移传感器25设于 活塞杆23上，导向横梁3上设有力传感器4，膨胀夹持系统夹持的试样11外表面沿周向设 有2 8个径向变形传感器13，密封法兰19上设有液压传感器22加载机架采用卧式结构，由端横梁15、导轨2、导向横梁3、中横梁8、机架侧壁(26) 组成，加载机架采用钢焊结构，经过退火处理，可以满足2000KN的最大载荷，在机架侧壁 (26)上，等距布置一系列销孔9，用于安装膨胀夹持系统；加载机架上方和右侧设计有保护 罩18，可左右推拉，既可以防止试验过程中发生意外时液力和机械力造成的伤害，又不影响 试样的装卸。膨胀试验系统包括液压油缸1、活塞杆23、可更换拉杆6、膨胀锥17、膨胀锥连接接 头14、端部密封法兰19、定位法兰16和高压注水机构21。机械拉伸膨胀实验装置由下述 部分构成导向横梁3左端通过活塞杆23与2000KN液压油缸1相连，活塞杆23采用铆接 方式连接在导向横梁3上，可防止活塞在往复运动时由于横向载荷而发生摆动；导向横梁3 的右端通过铰接机构5连接拉杆6，支撑小车7在拉杆6的下方，在试验过程中可支撑拉杆 6 ；拉杆6的另一端通过膨胀锥连接接头14以螺纹连接的方式与膨胀锥17相连接。定位法 兰(16)上设有高压注水机构(21)和膨胀锥(17)构成液压膨胀实验装置。膨胀夹持系统由三抓卡盘10、起胀浮动夹具12、膨胀夹具20、定位法兰16组成； 中横梁8与三抓卡盘10焊接相连，其中心部位沿纵向贯通可让拉杆6可通过，三抓卡盘10 和起胀浮动夹具12作为端部起胀试验时夹持试验试样11的定径膨胀夹持装置，三抓卡盘 10和定位法兰16将试样11固定并确保试样中心与活塞杆23中心同轴；起胀浮动夹具12 通过加载机架侧壁上的销孔9液压穿销装卸，用于在起胀过程中对试样11进行定径夹持， 膨胀夹具20安装在机架的底座上，膨胀夹具20上设有弹簧机构，可实现对膨胀管试样11 的变径膨胀加持，膨胀夹具20和定位法兰16作为膨胀管膨胀试验时夹持试验试样11的变 径膨胀夹持装置。能适应一定的管径变化。为防止起胀和膨胀过程中试样受力失稳而发生 横向移动，起胀浮动夹具12和膨胀夹具20可根据试样的直径和长短可调整夹具的位置和 夹持直径。传感器系统包括位移传感器25、力传感器4、径向变形传感器13和液压传感器22。 其中位移传感器25内置于活塞杆23内，运动灵活不受外来干扰；力传感器4固定在导向横 梁3上，使拉伸力值准确并且不受各种摩擦力的影响；径向变形传感器13在试样11的外表 面沿周向固定，数量2 8个，位置可调，可测量实体膨胀管径向的应力和应变；液压传感器 22安装在端部密封法兰19上，在液压膨胀过程中可测量水压。膨胀管膨胀试验时，打开保护罩18，将拉杆6穿入膨胀管试样11内部，将拉杆6和 膨胀管试样11 一起吊入装置右侧内，控制三抓卡盘10和定位法兰16将膨胀管试样11固 定，确保试样11中心同活塞杆23中心同轴，调整中横梁8位置，试样11右端伸出定位法兰 16外700 800mm，拉杆6右端通过螺纹装配上膨胀锥17，左端通过铰接方式5与导向横梁3连接。
在加载机架侧壁上的销孔9内装入起胀浮动夹具12，调整夹具12夹持直径与膨胀 管试样11外径相符合并牢固夹持，将径向变形传感器13固定在膨胀管试样11的外表面， 传感器数量4组，间距1000mm。关闭保护罩18，将中横梁8上的液压销钉24穿入销孔9，控制油缸1活塞杆23 带动导向横梁3，通过拉杆6牵引膨胀锥17由右向左对试样11进行端部起胀，起胀长度 500mmo起胀完成后，膨胀管试样11起胀端焊接端部密封法兰19，中横梁8上的液压销钉 24从销孔9收回，控制中横梁8和导向横梁3左移，将端部密封法兰19固定在定位法兰16 上，从加载机架侧壁上的销孔9内卸去起胀浮动夹具12，合上膨胀夹具20，三抓卡盘10松 开左移，此时膨胀管试样11右端固定，左端和径向自由。通过高压注水管21注入液压水推动膨胀锥17膨胀试样11或油缸1通过活塞杆 23和导向横梁3带动拉杆6拉伸膨胀锥17对实体膨胀管试样11进行膨胀或两者同步配合 进行，通过控制油缸1的拉伸载荷或者高压注水管21注入液压水的压力，或者膨胀锥17的 速度来进行膨胀试验，当膨胀至膨胀锥17从膨胀管试样11左端脱出时，完成膨胀试验。试验过程中传感器系统记录并输出膨胀锥17位移、膨胀速度、拉伸载荷、液压大 小以及实体膨胀管试样径向的应力和应变，实现对实体膨胀管膨胀性能进行试验评价。本发明结构简单、安全可靠，可以对不同规格、不同钢级、不同膨胀率的膨胀管进 行复合膨胀试验，具有广泛的应用前景。本发明可实现机械拉伸膨胀、液压膨胀、机械拉伸与液压复合膨胀三种方式的膨 胀试验。拉杆6、膨胀锥17和端部密封法兰19可根据实体膨胀管试样11不同规格、不同膨 胀率的需求而更换，以满足实验需要。油缸1可提供0 2000KN的轴向可控机械拉伸载荷，水压系统可提供0 80MPa 的液压力，并可实现可调控制。本发明采用微机电液伺服系统控制方式实现力、位移闭环控制，且两种方式可平 滑切换。
权利要求
一种实体膨胀管复合加载膨胀试验装置，包括加载机架、膨胀试验系统、膨胀夹持系统、传感器系统，其特征在于加载机架由端横梁(15)、导轨(2)、导向横梁(3)、中横梁(8)、机架侧壁(26)组成，导向横梁(3)和中横梁(8)可沿导轨(2)轴向移动，中横梁(8)横向上设有液压销钉(24)，可与机架侧壁(26)上的销孔(9)连接使中横梁(8)固定，膨胀试验系统包括液压油缸(1)、活塞杆(23)、拉杆(6)、膨胀锥(17)、定位法兰(16)和高压注水机构(21)，液压油缸(1)、活塞杆(23)、拉杆(5)、膨胀锥(17)顺次连接构成机械拉伸膨胀实验装置，定位法兰(16)、高压注水机构(21)和膨胀锥(17)构成液压膨胀实验装置，膨胀夹持系统包括三抓卡盘(10)、起胀浮动夹具(12)、膨胀夹具(20)和定位法兰(16)，三抓卡盘(10)和起胀浮动夹具(12)作为端部起胀试验时夹持试验试样(11)的定径膨胀夹持装置，膨胀夹具(20)和定位法兰(16)作为膨胀管膨胀试验时夹持试验试样(11)的变径膨胀夹持装置，传感器系统包括位移传感器(25)、力传感器(4)、径向变形传感器(13)和液压传感器(22)，膨胀试验系统安装在加载机架上，加载机架一侧设有膨胀夹持系统，膨胀夹持系统夹持试验试样(11)，位移传感器(25)设于活塞杆(23)上，导向横梁(3)上设有力传感器(4)，膨胀夹持系统夹持的试样(11)外表面沿周向设有2～8个径向变形传感器(13)，密封法兰(19)上设有液压传感器(22)。
2.如权利要求1所述的一种实体膨胀管复合加载膨胀试验装置，其特征在于所述的 膨胀试验系统包括液压油缸(1)、活塞杆(23)、可更换拉杆(6)、膨胀锥(17)、膨胀锥连接接 头(14)、端部密封法兰(19)、定位法兰(16)和高压注水机构(21)，机械拉伸膨胀实验装置 由下述部分构成导向横梁⑶一端通过活塞杆(23)与液压油缸⑴连接，导向横梁(3) 的另一端通过铰接机构(5)连接拉杆6，拉杆(6)下方设有支撑小车(7)，拉杆(6)的另一 端通过膨胀锥连接接头(14)与膨胀锥(17)相连接；定位法兰(16)上设有高压注水机构 (21)和膨胀锥(17)构成液压膨胀实验装置。
3.如权利要求1所述的一种实体膨胀管复合加载膨胀试验装置，其特征在于所述的 膨胀夹持系统包括三抓卡盘(10)、起胀浮动夹具(12)、膨胀夹具(20)和定位法兰(16)，中 横梁(8)与三抓卡盘(10)固定连接，三抓卡盘(10)和起胀浮动夹具(12)作为端部起胀试 验时夹持试验试样(11)的定径膨胀夹持装置，三抓卡盘(10)和定位法兰(16)将试样(11) 固定并确保试样(11)中心与活塞杆(23)中心同轴；起胀浮动夹具(12)通过加载机架侧壁 上的销孔(9)与加载机架连接，膨胀夹具(20)安装在机架的底座上，膨胀夹具(20)和定位 法兰(16)作为膨胀管膨胀试验时夹持试验试样(11)的变径膨胀夹持装置。
全文摘要
本发明涉及一种实体膨胀管复合加载膨胀试验装置，包括加载机架、膨胀试验系统、膨胀夹持系统和传感器系统，膨胀试验系统固定在加载机架上，加载机架一侧设有膨胀夹持系统。本发明结构简单可靠，能提供0～2000kN的轴向可控机械拉伸载荷和0～80Mpa的液压力，可实现对实体膨胀管整管进行机械拉伸膨胀或液压膨胀或机械拉伸与液压复合膨胀试验，并可实时测量膨胀试验过程中膨胀锥的位移、拉伸载荷、液压压力和实体膨胀管径向变形数据，本发明可以满足各种规格实体膨胀管整管或实体膨胀管连接结构膨胀试验，并在试验过程中有效地避免了横向失稳，为实体膨胀管膨胀性能检测、研究评价、整管结构改进和膨胀工艺优化提供了一种有效地试验装置。
文档编号G01N3/04GK101957293SQ20101028591
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者上官丰收, 冯耀荣, 刘强, 林凯, 申昭熙, 白强 申请人:西安三环科技开发总公司