本發(fā)明涉及井下套管開窗，尤其涉及一種井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置及方法。
背景技術(shù)：
1、隨著國(guó)內(nèi)油氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，大批老井因長(zhǎng)期服役出現(xiàn)套管變形、腐蝕穿孔及層間竄流等問題，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)淺層水竄流污染環(huán)境。同時(shí)，在儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)及老井封堵工程中，常規(guī)射孔擠注水泥技術(shù)難以滿足長(zhǎng)效密封要求，而套管外開窗技術(shù)結(jié)合救援井重入工藝，成為解決復(fù)雜井況的有效手段。該技術(shù)對(duì)開窗質(zhì)量要求極高，其工藝參數(shù)的合理性直接影響后續(xù)井眼重入和封堵效果。
2、然而，套管為凸平面，地層和套管硬度相差大，鉆頭約束條件少，由于缺乏針對(duì)不同材質(zhì)套管的開窗工具的匹配以及開窗工具與套管在不同角度下的扭矩、切削壓力等參數(shù)，直接開展機(jī)械式套管外開窗成功率極低。若想在井下通過實(shí)驗(yàn)獲取這些關(guān)鍵參數(shù)，需在井下反復(fù)作業(yè)，成本高昂，同時(shí)容易會(huì)造成井眼垮塌等事故，嚴(yán)重時(shí)造成井眼報(bào)廢等嚴(yán)重后果。
3、因此，亟需提供一種井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置及方法以解決上述問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置及方法，以模擬井下套管外開窗作業(yè)，獲取全面且可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為優(yōu)化實(shí)際開窗工藝提供有力支撐，提高開窗質(zhì)量。
2、如上構(gòu)思，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
3、井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置，包括：
4、實(shí)驗(yàn)臺(tái)架；
5、角度控制機(jī)構(gòu)，包括兩個(gè)固定組件，兩個(gè)所述固定組件套設(shè)于套管兩端，其中一個(gè)所述固定組件能夠相對(duì)于所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)所述固定組件位置可調(diào)地固定于所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架；
6、鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)，包括第一驅(qū)動(dòng)組件、工作板和第一壓力傳感器，所述驅(qū)動(dòng)組件設(shè)于所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上用于驅(qū)動(dòng)所述工作板朝靠近所述套管外壁的方向移動(dòng)，所述第一壓力傳感器設(shè)于所述工作板與所述第一驅(qū)動(dòng)組件之間，用于檢測(cè)所述第一驅(qū)動(dòng)組件的推力；
7、鉆柱機(jī)構(gòu)，包括第一伺服電機(jī)、鉆桿、磨鞋、扭矩傳感器和第二壓力傳感器，所述第一伺服電機(jī)設(shè)置于所述工作板上，所述鉆桿一端通過所述扭矩傳感器連接所述第一伺服電機(jī)輸出軸，另一端安裝所述磨鞋，所述第一伺服電機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)所述鉆桿帶動(dòng)所述磨鞋轉(zhuǎn)動(dòng)以從所述套管外壁進(jìn)行開窗，所述扭矩傳感器用于檢測(cè)所述磨鞋的切削扭矩，所述第二壓力傳感器設(shè)置于所述工作板上，用于檢測(cè)所述磨鞋對(duì)所述套管的切削壓力。
8、進(jìn)一步地，所述井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置還包括冷卻機(jī)構(gòu)，所述冷卻機(jī)構(gòu)設(shè)置于所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，用于向所述套管外壁噴射冷卻液。
9、進(jìn)一步地，所述角度控制機(jī)構(gòu)還包括刻度板，所述刻度板固定于所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上且以其中一個(gè)所述固定組件的轉(zhuǎn)動(dòng)軸為中心環(huán)周向均勻間隔設(shè)置有多個(gè)刻度孔，另一個(gè)所述固定組件上設(shè)有定位孔，所述定位孔和不同的所述刻度孔連通并穿設(shè)緊固件時(shí)，所述套管相對(duì)于所述鉆桿的角度不同。
10、進(jìn)一步地，所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上設(shè)置有導(dǎo)軌，所述導(dǎo)軌的延伸方向與所述套管的軸向呈夾角設(shè)置，所述工作板滑動(dòng)連接于所述導(dǎo)軌。
11、進(jìn)一步地，所述鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)還包括間隔設(shè)置于所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上的第一固定件和第二固定件，所述第一驅(qū)動(dòng)組件包括第二伺服電機(jī)、絲桿筒和絲桿，所述第二伺服電機(jī)設(shè)置于所述第一固定件，所述絲桿筒的兩端對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)連接于所述第一固定件和所述第二固定件，且一端與所述第二伺服電機(jī)的輸出軸傳動(dòng)連接，所述絲桿螺接于所述絲桿筒，所述第一壓力傳感器夾設(shè)于所述工作板與所述絲桿之間。
12、進(jìn)一步地，所述鉆柱機(jī)構(gòu)還包括傳感器支架、軸承支架、小軸和兩個(gè)聯(lián)軸器，所述傳感器支架固定于所述工作板，所述軸承支架通過所述第二壓力傳感器連接所述傳感器支架，所述小軸依次穿設(shè)所述傳感器支架和所述軸承支架的軸承安裝孔，所述小軸一端通過其中一個(gè)所述聯(lián)軸器連接所述扭矩傳感器的輸出端，另一端連接所述鉆桿，所述扭矩傳感器的輸入端通過另一個(gè)所述聯(lián)軸器連接所述第一伺服電機(jī)的輸出軸。
13、進(jìn)一步地，所述鉆柱機(jī)構(gòu)還包括鉆桿支架，所述鉆桿支架固定安裝于所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，所述鉆桿穿設(shè)于所述鉆桿支架。
14、進(jìn)一步地，所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架包括相連接的前機(jī)架和后機(jī)架，所述前機(jī)架的寬度小于所述后機(jī)架的寬度，所述鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)置于所述前機(jī)架，所述角度控制機(jī)構(gòu)設(shè)置于所述后機(jī)架。
15、進(jìn)一步地，所述井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置還包括保護(hù)罩，所述保護(hù)罩圍設(shè)于所述后機(jī)架的外周。
16、井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)方法，采用上述的井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置，包括：
17、s1、設(shè)定初始實(shí)驗(yàn)參數(shù)：選擇特定材質(zhì)的套管；調(diào)整角度控制機(jī)構(gòu)，設(shè)定套管與工作板移動(dòng)方向的初始夾角；選擇初始規(guī)格的磨鞋；
18、s2、執(zhí)行單次開窗實(shí)驗(yàn)：?jiǎn)?dòng)第一驅(qū)動(dòng)組件，推動(dòng)工作板向套管外壁方向移動(dòng)；啟動(dòng)鉆柱機(jī)構(gòu)的伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)鉆桿帶動(dòng)磨鞋旋轉(zhuǎn)；通過第一壓力傳感器檢測(cè)推力，通過扭矩傳感器和第二壓力傳感器分別檢測(cè)切削扭矩和切削壓力；完成開窗后，觀察并記錄開窗效果以及推力、切削扭矩和切削壓力；
19、s3、更換不同規(guī)格的磨鞋，重復(fù)步驟s2；
20、s4、調(diào)整角度控制機(jī)構(gòu)設(shè)定新的夾角，重復(fù)步驟s2；
21、s5、更換不同材質(zhì)的套管，重復(fù)步驟s2-s4；
22、s6、匯總所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立開窗工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。
23、本發(fā)明的有益效果：
24、本發(fā)明提出的井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置，利用角度控制機(jī)構(gòu)的兩個(gè)固定組件套設(shè)并固定套管兩端，通過使其中一個(gè)固定組件相對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架轉(zhuǎn)動(dòng)、另一個(gè)固定組件位置可調(diào)地固定于實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，實(shí)現(xiàn)對(duì)套管不同角度的精準(zhǔn)控制；通過鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)的第一驅(qū)動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)工作板帶動(dòng)鉆柱機(jī)構(gòu)靠近套管外壁，第一壓力傳感器可檢測(cè)該過程中的推力從而得到推進(jìn)速度；通過鉆柱機(jī)構(gòu)的第一伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆桿帶動(dòng)磨鞋轉(zhuǎn)動(dòng)以對(duì)套管外壁開窗，扭矩傳感器檢測(cè)磨鞋的切削扭矩，第二壓力傳感器檢測(cè)磨鞋對(duì)套管的切削壓力。如此，能在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中模擬不同材質(zhì)套管、不同角度下的開窗過程，獲取磨鞋的推進(jìn)速度、磨鞋與套管匹配的扭矩和切削壓力，無需井下實(shí)驗(yàn)，避免了成本高昂和風(fēng)險(xiǎn)問題，為實(shí)際作業(yè)提供可靠依據(jù)，進(jìn)而解決開窗尺寸偏差、套管破裂等問題。
25、本發(fā)明提供的井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)方法，能系統(tǒng)探究不同因素對(duì)開窗效果的影響，并將所有工藝參數(shù)數(shù)據(jù)匯總建立工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，為實(shí)際井下套管外開窗作業(yè)提供精準(zhǔn)的參考依據(jù)，便于根據(jù)具體工況快速選擇最優(yōu)工藝參數(shù)，提高作業(yè)效率和成功率，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)方法的科學(xué)性和實(shí)用性。
1.井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置還包括冷卻機(jī)構(gòu)(5)，所述冷卻機(jī)構(gòu)(5)設(shè)置于所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架(1)上，用于向所述套管(100)外壁噴射冷卻液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述角度控制機(jī)構(gòu)(2)還包括刻度板(22)，所述刻度板(22)固定于所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架(1)上且以其中一個(gè)所述固定組件(21)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸為中心環(huán)周向均勻間隔設(shè)置有多個(gè)刻度孔(220)，另一個(gè)所述固定組件(21)上設(shè)有定位孔，所述定位孔和不同的所述刻度孔(220)連通并穿設(shè)緊固件時(shí)，所述套管(100)相對(duì)于所述鉆桿(42)的角度不同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架(1)上設(shè)置有導(dǎo)軌(34)，所述導(dǎo)軌(34)的延伸方向與所述套管(100)的軸向呈夾角設(shè)置，所述工作板(32)滑動(dòng)連接于所述導(dǎo)軌(34)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)(3)還包括間隔設(shè)置于所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架(1)上的第一固定件(35)和第二固定件(36)，所述第一驅(qū)動(dòng)組件(31)包括第二伺服電機(jī)(311)、絲桿筒(312)和絲桿(313)，所述第二伺服電機(jī)(311)設(shè)置于所述第一固定件(35)，所述絲桿筒(312)的兩端對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)連接于所述第一固定件(35)和所述第二固定件(36)，且一端與所述第二伺服電機(jī)(311)的輸出軸傳動(dòng)連接，所述絲桿(313)螺接于所述絲桿筒(312)，所述第一壓力傳感器(33)夾設(shè)于所述工作板(32)與所述絲桿(313)之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述鉆柱機(jī)構(gòu)(4)還包括傳感器支架(46)、軸承支架(47)、小軸(48)和兩個(gè)聯(lián)軸器(49)，所述傳感器支架(46)固定于所述工作板(32)，所述軸承支架(47)通過所述第二壓力傳感器(45)連接所述傳感器支架(46)，所述小軸(48)依次穿設(shè)所述傳感器支架(46)和所述軸承支架(47)的軸承安裝孔，所述小軸(48)一端通過其中一個(gè)所述聯(lián)軸器(49)連接所述扭矩傳感器(44)的輸出端，另一端連接所述鉆桿(42)，所述扭矩傳感器(44)的輸入端通過另一個(gè)所述聯(lián)軸器(49)連接所述第一伺服電機(jī)(41)的輸出軸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述鉆柱機(jī)構(gòu)(4)還包括鉆桿支架(410)，所述鉆桿支架(410)固定安裝于所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架(1)上，所述鉆桿(42)穿設(shè)于所述鉆桿支架(410)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一所述的井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述實(shí)驗(yàn)臺(tái)架(1)包括相連接的前機(jī)架(11)和后機(jī)架(12)，所述前機(jī)架(11)的寬度小于所述后機(jī)架(12)的寬度，所述鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)(3)設(shè)置于所述前機(jī)架(11)，所述角度控制機(jī)構(gòu)(2)設(shè)置于所述后機(jī)架(12)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置還包括保護(hù)罩(6)，所述保護(hù)罩(6)圍設(shè)于所述后機(jī)架(12)的外周。
10.井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)方法，采用權(quán)利要求1-9任意一項(xiàng)所述的井下套管外開窗實(shí)驗(yàn)裝置，包括：