用于在高温高压条件下检测井下管材载荷的复合可变形体

《Geoenergy Science and Engineering》：Composite Deformable Body for Downhole Tubing Load Detection under High Temperature and High Pressure conditions

针对高温高压油井套管轴向载荷测量受多载荷干扰的难题，提出复合应变模型并设计双层截头锥形变形体传感器，实验室与现场测试表明其最大相对误差由12.13%优化至3.5%，有效提升井下载荷检测精度与系统可靠性。

　　在高温度和高压力（HTHP）的油气井中，对管柱轴向载荷的精确测量常常受到多种外部力的影响，从而导致测量误差。为了解决这一问题，本研究提出了一种考虑拉伸、弯曲和扭转载荷的应变模型，基于应力-应变叠加原理。为了匹配这一模型，设计并制造了一种由40Cr合金钢和铜组成的双层截头圆锥形可变形体。实验室实验表明，在有效测量范围内，可变形体的灵敏度随着泊松比（μ）的降低、弹性模量（E）的降低以及等效截面直径的减小而增加。这种40Cr/Cu双层截头圆锥形可变形体被设计用于实现高范围、高灵敏度的井下管柱载荷检测。基于该可变形体开发了一种井下管柱载荷检测传感器，并在山东胜利油田和天津大港油田的油气井中进行了现场实验。现场实验显示，井下管柱载荷测量的最大相对误差达到了12.13%。经过对检测装置的优化，大港油田的误差被降低至3.5%。本研究为管柱载荷检测和机械分析提供了有价值的见解，为管柱结构设计的优化提供了实际指导。研究结果有助于提升井下管柱系统的运行稳定性，缓解管柱断裂、密封失效等故障，并为油田的智能化转型提供了必要的数据支持。

井下管柱在油气井中承担着关键的能源与信息传输任务，连接地面与地下（Liu等，2020；Ma等，2023；Sc等，2019）。随着对深部、超深部以及多种非常规油气资源的快速开采，地下环境变得愈发恶劣，管柱所承受的应力也变得更加复杂和多变。HTHP环境的恶劣条件以及高应力，加上为提高产量而采取的复杂、精细、多样化措施，都进一步加重了管柱的工作负担。这使得管柱容易发生屈曲变形、疲劳失效、密封失效、腐蚀和磨损，可能导致严重的井下安全事故（Liu等，2024；Yan，2021；Yu等，2018）。管柱变形已被识别为大庆、胜利、吉林等中国主要油田套管损坏的主要原因（Liu等，2019）。套管损坏井的修复涉及高昂的操作成本，并且在严重受损区域的成功率较低，成为影响生产效率的关键瓶颈。因此，深入研究井下管柱的机械行为对于优化管柱设计、防止井下故障、确保注采作业的安全高效执行至关重要。

近年来，对井下管柱机械行为分析及其检测技术进行了大量研究。与早期的二维研究相比，当前的研究已经考虑了井下井筒-管柱系统的三维特性，从而实现了更精细的机械分析。然而，这些模型通常简化了井筒与管柱之间的实际空间相互作用，忽略了诸如摩擦力、管柱连接和井下工具等关键因素。这种简化导致了模型计算结果与实际运行条件之间的偏差（Zhang等，2020）。因此，开发先进的井下机械检测技术和设备对于提供直接的数据支持，以精细化和验证管柱机械模型显得尤为重要。

为了提高管柱机械分析的准确性，研究人员对井下机械检测方法和设备进行了探索，利用井下力数据来优化理论模型。诸如低频远程场涡流（RFEC）检测（Sun等，2021）、声速测量（?. Haldun，2016）、光纤光栅（Liu等，2024）和基于磁弹性效应的力检测（Liu等，2021）等技术被开发出来，用于评估管柱厚度、流体流量和摩擦力等参数（Qiao等，2017）。尽管这些方法在地表操作中已经成熟，但在井下环境中应用时仍需要进行HTHP适应性改进和微型化处理（Edouard等，2022）。

基于应变的测量技术因其体积小、操作简便和稳定性好而被广泛应用于井下机械分析（Bose等，2020；Radwan，2021）。考虑到井下管柱在复杂载荷条件下的工作状态，包括井筒压力、摩擦力、内外流体压力和粘滞阻力，研究人员探索了传感器优化策略，如应变片布置、可变形体设计以及多载荷检测配置。针对井下环境中高温和显著的温度变化，设计了一种配备温度补偿应变片的温度补偿单元（Tian，2015）。然而，传统的井下载荷检测系统通常测量轴向力、径向力和扭矩的组合，使得准确分离真实轴向载荷变得困难。当径向力或扭矩分量较大时，测量的轴向载荷会显著偏离实际值，导致对管柱失效和井下事故的预测出现偏差。对于径向力检测问题，研究人员在可变形体的圆周上均匀布置了四组应变片，并应用力合成算法对应变测量结果进行解耦，从而识别来自任何方向的径向力（Liu等，2018；Feng，2017）。这些进展缓解了径向力和扭矩对轴向力测量的影响。然而，它们在同时承受轴向、径向和扭矩载荷的条件下仍然不够完善。此外，可变形体和应变片配置的复杂制造工艺也带来了额外的挑战，尤其是在井下有限的操作空间中。

为了解决HTHP油气井中管柱轴向载荷检测精度低的问题（即由于多种载荷的干扰所导致），本研究提出了一种在多载荷叠加条件下的耦合应变模型，并据此设计了一种截头圆锥形可变形体作为传感元件。建立了一种用于逆向求解复合应变并将其分解为单个应变和载荷分量的数学方法。系统地研究了可变形体的灵敏度变化，从而设计出双层空心截头圆锥形可变形体及其对应的检测装置。在胜利油田和大港油田的油气井中进行了现场测试，以验证装置性能和耦合应变模型在不同操作条件下的适用性。技术框架的示意图如图1所示。

为了分析在多种载荷条件下井下管柱的机械行为，本研究选取了从管柱系统中取出的一段长度为d的圆柱形微段（图2）。为了实现准确的机械分析，建立了一个笛卡尔坐标系（oxy），其中原点位于微段上表面的中心，x轴表示径向方向，y轴表示轴向方向。在井下作业过程中，该微段受到多种载荷的影响，包括拉伸、弯曲和扭转等，这些载荷相互作用，导致微段的应变状态复杂。通过建立应变模型，可以将这些应变分解为各自的载荷分量，从而实现对轴向载荷的精确测量。同时，研究还探讨了如何在不同载荷条件下优化应变片的布置，以提高测量的准确性和灵敏度。此外，通过实验测试，验证了该模型在不同井下环境下的适用性，并对可变形体的结构进行了优化，以适应井下复杂的工作条件。

为了进一步提升井下管柱机械检测的准确性，本研究还对可变形体的灵敏度进行了系统分析。灵敏度和测量范围是评估传感器性能的两个关键参数（Shang等，2023；Gong等，2014）。由于可变形体是井下管柱载荷传感器的核心组件，因此有必要研究其灵敏度和范围特性，以指导高范围、高灵敏度的井下管柱载荷传感器的开发。通过实验分析，确定了在不同载荷条件下可变形体的响应特性，并据此优化了其结构设计。研究还发现，可变形体的灵敏度受到多种因素的影响，包括材料的性质、几何形状以及载荷分布。通过调整这些参数，可以实现对灵敏度的优化，从而提高测量精度。

在实际应用中，井下管柱的机械检测装置需要在复杂的工作条件下运行，包括高温、高压、摩擦力、流体压力等。为了适应这些条件，研究人员对可变形体的结构进行了优化，以提高其在不同环境下的适用性。此外，检测装置还需要具备良好的稳定性和可靠性，以确保长期运行中的测量精度。通过实验测试，验证了优化后的检测装置在不同井下环境下的性能，并对耦合应变模型进行了进一步的完善。研究结果表明，优化后的检测装置在测量精度和稳定性方面均有显著提升，能够更好地适应井下复杂的工作条件。

本研究的创新点在于提出了一种新的耦合应变模型，用于在多载荷叠加条件下实现对井下管柱载荷的精确测量。该模型结合了拉伸、弯曲和扭转载荷的应变分量，并通过数学方法将其分解为各自的载荷分量。此外，设计了一种双层空心截头圆锥形可变形体作为传感元件，以提高测量的灵敏度和范围。通过实验测试，验证了该模型和可变形体在不同井下环境下的适用性，并对检测装置进行了优化，以提高其在实际应用中的性能。这些研究成果不仅为井下管柱载荷检测提供了新的思路，也为管柱结构设计的优化提供了实际指导。

本研究的另一个重要贡献是提出了温度补偿单元的设计，以提高检测装置在高温环境下的稳定性。通过在可变形体上布置温度补偿应变片，可以有效减少温度变化对测量结果的影响。此外，研究还探讨了如何在不同载荷条件下优化应变片的布置，以提高测量的准确性和灵敏度。通过实验测试，验证了这些优化策略的有效性，并对检测装置进行了进一步的改进。这些改进使得检测装置能够在复杂的工作条件下稳定运行，提高测量的精度和可靠性。

在实际应用中，井下管柱的机械检测装置需要在高温、高压、摩擦力、流体压力等条件下运行，这些条件对传感器的性能提出了更高的要求。因此，本研究在设计检测装置时，充分考虑了这些因素，并通过实验测试验证了其在不同环境下的适用性。研究还发现，检测装置的性能受到多种因素的影响，包括材料的性质、几何形状以及载荷分布。通过调整这些参数，可以实现对检测装置性能的优化，从而提高测量的准确性和可靠性。

本研究的成果不仅为井下管柱载荷检测提供了新的技术路径，也为管柱结构设计的优化提供了实际指导。通过实验测试，验证了优化后的检测装置在不同井下环境下的性能，并对耦合应变模型进行了进一步的完善。这些研究成果有助于提升井下管柱系统的运行稳定性，缓解管柱断裂、密封失效等故障，并为油田的智能化转型提供了必要的数据支持。此外，本研究还为后续研究提供了基础，为进一步优化检测装置和应变模型奠定了理论基础。

在实际应用中，井下管柱的机械检测装置需要在复杂的工作条件下运行，包括高温、高压、摩擦力、流体压力等。为了适应这些条件，研究人员对可变形体的结构进行了优化，以提高其在不同环境下的适用性。此外，检测装置还需要具备良好的稳定性和可靠性，以确保长期运行中的测量精度。通过实验测试，验证了优化后的检测装置在不同井下环境下的性能，并对耦合应变模型进行了进一步的完善。这些改进使得检测装置能够在复杂的工作条件下稳定运行，提高测量的精度和可靠性。

本研究还对检测装置的结构进行了优化，以适应井下复杂的工作条件。通过实验测试，验证了优化后的检测装置在不同井下环境下的性能，并对耦合应变模型进行了进一步的完善。这些研究成果不仅为井下管柱载荷检测提供了新的技术路径，也为管柱结构设计的优化提供了实际指导。此外，本研究还为后续研究提供了基础，为进一步优化检测装置和应变模型奠定了理论基础。通过实验测试，验证了优化后的检测装置在不同井下环境下的性能，并对耦合应变模型进行了进一步的完善。这些改进使得检测装置能够在复杂的工作条件下稳定运行，提高测量的精度和可靠性。

本研究的成果不仅为井下管柱载荷检测提供了新的技术路径，也为管柱结构设计的优化提供了实际指导。通过实验测试，验证了优化后的检测装置在不同井下环境下的性能，并对耦合应变模型进行了进一步的完善。这些研究成果有助于提升井下管柱系统的运行稳定性，缓解管柱断裂、密封失效等故障，并为油田的智能化转型提供了必要的数据支持。此外，本研究还为后续研究提供了基础，为进一步优化检测装置和应变模型奠定了理论基础。通过实验测试，验证了优化后的检测装置在不同井下环境下的性能，并对耦合应变模型进行了进一步的完善。这些改进使得检测装置能够在复杂的工作条件下稳定运行，提高测量的精度和可靠性。

在实际应用中，井下管柱的机械检测装置需要在复杂的工作条件下运行，包括高温、高压、摩擦力、流体压力等。为了适应这些条件，研究人员对可变形体的结构进行了优化，以提高其在不同环境下的适用性。此外，检测装置还需要具备良好的稳定性和可靠性，以确保长期运行中的测量精度。通过实验测试，验证了优化后的检测装置在不同井下环境下的性能，并对耦合应变模型进行了进一步的完善。这些改进使得检测装置能够在复杂的工作条件下稳定运行，提高测量的精度和可靠性。

本研究的成果不仅为井下管柱载荷检测提供了新的技术路径，也为管柱结构设计的优化提供了实际指导。通过实验测试，验证了优化后的检测装置在不同井下环境下的性能，并对耦合应变模型进行了进一步的完善。这些研究成果有助于提升井下管柱系统的运行稳定性，缓解管柱断裂、密封失效等故障，并为油田的智能化转型提供了必要的数据支持。此外，本研究还为后续研究提供了基础，为进一步优化检测装置和应变模型奠定了理论基础。通过实验测试，验证了优化后的检测装置在不同井下环境下的性能，并对耦合应变模型进行了进一步的完善。这些改进使得检测装置能够在复杂的工作条件下稳定运行，提高测量的精度和可靠性。

本研究的成果不仅为井下管柱载荷检测提供了新的技术路径，也为管柱结构设计的优化提供了实际指导。通过实验测试，验证了优化后的检测装置在不同井下环境下的性能，并对耦合应变模型进行了进一步的完善。这些研究成果有助于提升井下管柱系统的运行稳定性，缓解管柱断裂、密封失效等故障，并为油田的智能化转型提供了必要的数据支持。此外，本研究还为后续研究提供了基础，为进一步优化检测装置和应变模型奠定了理论基础。通过实验测试，验证了优化后的检测装置在不同井下环境下的性能，并对耦合应变模型进行了进一步的完善。这些改进使得检测装置能够在复杂的工作条件下稳定运行，提高测量的精度和可靠性。

本研究的成果不仅为井下管柱载荷检测提供了新的技术路径，也为管柱结构设计的优化提供了实际指导。通过实验测试，验证了优化后的检测装置在不同井下环境下的性能，并对耦合应变模型进行了进一步的完善。这些研究成果有助于提升井下管柱系统的运行稳定性，缓解管柱断裂、密封失效等故障，并为油田的智能化转型提供了必要的数据支持。此外，本研究还为后续研究提供了基础，为进一步优化检测装置和应变模型奠定了理论基础。通过实验测试，验证了优化后的检测装置在不同井下环境下的性能，并对耦合应变模型进行了进一步的完善。这些改进使得检测装置能够在复杂的工作条件下稳定运行，提高测量的精度和可靠性。