技术领域
[0001] 本发明涉及测试设备技术领域，特别涉及一种深海膨胀材料性能测试系统以及方法。
相关背景技术
[0002] 深水油气开发已成为能源领域的重要战略方向，然而深海中的极端低温和高压等环境因素给油气钻探和开发带来了极大的技术挑战。在深海环境下，钻井设备的作业稳定性、设备耐用性以及材料性能的可靠性均受到了巨大的考验。特别是表层套管，在深海钻井设备中，表层套管作为支撑结构和控制油气流动的关键元件，表层套管的性能会直接影响到设备作业的成功和安全。在实际使用过程中，由于表层套管长期受到钻井平台、管柱等装置的耦合作用，导致表层套管上的受力十分复杂，从而对表层套管的性能要求也较高。一般表层套管出现失稳、下沉等问题，将大大增加现场作业风险，进而增加了作业成本，甚至导致整个钻井作业失败。
[0003] 并且，由于深水浅层土质松软，并可能存在浅层气、水等地质灾害，因此当使用常规表层套管进行作业时，表层套管容易发生入泥深度长或喷射不到位的问题。为了解决上述问题，现有技术中研发了一种新型的深海膨胀性表层套管，深海膨胀性表层套管具有较高的承载性能，并且通过膨胀材料的特性，有利用增加表层套管与海底土层之间的接触面积，从而提高了表层套管的侧向摩擦力、抗弯能力和水下井口的承载力，同时还带了高强度和良好的承载能力。由于深海膨胀材料是膨胀性表层导提高承载力、改善性能的关键组成，因此如何更好地探究膨胀材料的研选机制、膨胀率、延时性及粘结力等性能成为了目前亟待解决的技术问题。
具体实施方式
[0061] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062] 实施方式一
[0063] 请结合参阅图1和图2所示，本发明的实施例中提供了一种深海膨胀材料性能测试系统，该深海膨胀材料性能测试系统包括釜体105、模拟表层套管110、膨胀材料件112和移动机构，釜体105包括中空腔室，中空腔室用于填充测试液体106和/或土层；模拟表层套管110的一端可运动地插接设置在釜体105内，模拟表层套管110的另一端从釜体105穿设而出，模拟表层套管110与釜体105之间呈密封设置；膨胀材料件112设置在模拟表层套管110上，并置于釜体105内；移动机构与模拟表层套管110的另一端相接，移动机构能够用于带动模拟表层套管110进行运动。
[0064] 设计人员可根据使用需要调整测试液体106的具体成分，在此不作具体限制。优选的，测试液体106为海水。
[0065] 整体上，该深海膨胀材料性能测试系统使用时，通过在釜体105内设置海水和/或土层，从而能够模拟出深海环境。并且，通过调节釜体105内的温度和压力参数，从而能够在釜体105内模拟出低温和高压等极端条件，具有更好的模拟精度，从而有助于更加准确地测量膨胀材料件112在不同深海环境下的性能参数，便于研究人员更好地了解不同膨胀材料的性能，从而筛选出更加经济环保、高耐压、高膨胀率的膨胀材料，进而为膨胀材料件112的后续改进和研究提供实验数据支持，以更好地改善膨胀材料的耐用性、稳定性和可靠性等性能。
[0066] 进一步的，通过数据采集模块4能够获取所需的实验数据，从而无需泄压开启釜体105即可计算获得不同阶段时膨胀材料件112的体积及重量，进而便于对膨胀材料件112的膨胀率、延时性进行准确测试。
[0067] 并且，通过利用移动机构与粘结力测试机构113相配合，能够模拟出膨胀材料件112在深海环境下的粘附与剥离行为，进而计算获得膨胀材料件112在不同深海环境下的粘结力数据。基于膨胀材料件112的粘结数据，能够更好地为后续深海膨胀表层套管的设计和选择进行理论指导，从而确保深海膨胀性表层套管能够在深海环境下正常并稳定地工作，显著地提高了深海膨胀性表层套管的安全性和可靠性。其中，釜体105、模拟表层套管110、膨胀材料件112和移动机构共同组成了测试机构1。
[0068] 进一步的，设计人员可根据使用需要调整海水和/或土层的具体成分以模拟不同水质调节，在此不作具体限制。
[0069] 在本发明是实施方式中，釜体105上设有密封盖107。并且，为了提高釜体105与密封盖107之间的密封稳定性，在釜体105与密封盖107之间设置有密封件。
[0070] 设计人员可根据使用需要调整密封件的具体构造，在此不作具体限制。优选的，密封件为密封胶圈109。其中，密封胶圈109应具备高耐腐蚀性和高弹性。
[0071] 并且，釜体105和密封盖107之间可通过密封螺栓108紧密连接，从而消除可能的泄漏点。
[0072] 在本发明的实施方式中，如图2所示的实施例，移动机构包括固定架、以及设置在固定架上的驱动机构，驱动机构连接模拟表层套管110的另一端，驱动机构能够用于带动模拟表层套管110进行运动。
[0073] 在一具体实施例中，固定架包括至少一根框架上横梁101、以及至少一根框架侧柱102。优选的，框架侧柱102设置有至少两根，框架上横梁101与多根框架侧柱102相接构成矩形框架结。
[0074] 并且，驱动机构包括设置在框架侧柱102上的导轨轨道1021、以及可滑动地设置在导轨轨道1021上的导轨横梁103。其中，导轨横梁103的两端分别连接两侧的导轨轨道1021，使得导轨横梁103在升降过程中具有更好的稳定性。
[0075] 并且，在框架侧柱102的下部设置有框架支撑以及驱动电机，驱动电机与导轨横梁103可传动地相接，从而利用驱动电机能够带动导轨横梁103进行升降运动。优选的，驱动电机为伺服电机104，伺服电机104具有更好的运动控制精度。
[0076] 进一步的，导轨横梁103设置在模拟表层套管110的上方，并与模拟表层套管110的另一端相接，使得导轨横梁103能够与模拟表层套管110同步进行升降运动。
[0077] 当然，在其他可行实施例中，设计人员可根据使用需要固定架和驱动机构的具体构造，在此不作具体限制。
[0078] 其中，设计人员可根据实验需要调整膨胀材料件112的具体形状以满足不同管道或结构的需要，在此不作具体限制。例如，膨胀材料件112可设置为环状、块状或其他形状。
[0079] 在本发明的一可行实施方式中，膨胀材料件112通过膨胀橡胶成型。优选的，膨胀橡胶为遇水膨胀橡胶(WSR)，遇水膨胀橡胶(WSR)具有独特的吸水膨胀性能和较强物理机械性能。
[0080] 通过将膨胀材料件112固定在模拟表层套管110的一端的预设位置，从而模拟膨胀性表层套管的特性。设计人员可根据实验需要调整膨胀材料件112的固定位置，在此不作具体限制。例如，膨胀材料件112可粘贴固定在模拟表层套管110的一端，或者膨胀材料件112也可通过连接结构固定在模拟表层套管110的一端。
[0081] 当然，在其他可行实施例中，设计人员可采用其他类型的膨胀材料替换膨胀橡胶，在此不作具体限制。
[0082] 在本发明的实施方式中，如图3所示的实施例，还包括控压机构2，控压机构2包括控压管路203以及设置在控压管路203上的控压组件，控压管路203连通釜体105，控压机构2能够用于调节釜体105内的压力大小。
[0083] 通过将控压机构2与釜体105相连通，从而利用控压机构2能够调节釜体105内的压力大小，进而更好地模拟出深海的高压环境。设计人员可根据实验需要调整釜体105内的压力，在此不作具体数值限制。
[0084] 在一具体实施例中，控压组件包括气罐201、增压装置204和压力调节装置205，气罐201、增压装置204和压力调节装置205通过控压管路203串联相接。
[0085] 并且，气罐201的出口可设置一个控压阀门202，压力调节装置205的出口7也可设置一个控压阀门202，从而通过控压阀门提高了控制便捷性。
[0086] 具体的，气罐201与增压装置204的进气孔通过控压管路203连通，通过气罐201能够用于提供气源。并且，增压装置204的出气孔与压力调节装置205也通过控压管路203连通，通过压力调节装置205用于确保釜体105内部气体压力能够在设定范围内稳定。而压力调节装置205通过控压管路203与釜体105连通，从而利用压力调节装置205能够对压力进行精准调节和控制。
[0087] 设计人员可根据使用需要确定增压装置204和压力调节装置205的具体型号，在此不作具体限制。优选的，增压装置204可设置为增压泵，压力调节装置205可设置为压力调节器。
[0088] 当然，在其他可行实施例中，设计人员可根据使用需要调整控压机构2的具体构造，在此不作具体限制。
[0089] 在本发明的实施方式中，如图4所示的实施例，还包括控温机构3，控温机构3包括控温管路302以及设置在控温管路302上的控温组件，控温管路302与釜体105可换热地相接，控温机构3能够用于调节釜体105内的温度大小。
[0090] 通过将控温机构3与釜体105可换热地相接，从而利用控温机构3能够调节釜体105内的环境温度，进而更好地模拟出深海的低温环境。设计人员可根据实验需要调整釜体105内的温度，在此不作具体数值限定。
[0091] 在一具体实施例中，控温组件包括水浴箱304、制冷元件301和温控设备303，水浴箱304、制冷元件301和温控设备303通过控温管路302串联相接，制冷元件301和温控设备303能够用于调节水浴箱304的温度，至少部分的釜体105被放置在水浴箱304中。
[0092] 具体的，制冷元件301被安装在控温管路302上，通过制冷元件301能够将控温管路302内的液体降温至设定温度。温控设备303连通控温管路302，通过温控设备303可精确控制控温管路302内的液体温度。并且，控温管路302与水浴箱304的侧壁相连通，从而控温管路302内的液体能够进入水浴箱304内以使水浴箱304降温至设定温度。当釜体105被放置在水浴箱304中时，水浴箱304能够与釜体105进行换热以降低釜体105内的温度，从而更好地模拟出深海的低温环境。
[0093] 设计人员可根据使用需要调整制冷元件301和温控设备303的具体型号，在此不作具体限制。优选的，制冷元件301可设置为制冷设备。
[0094] 当然，在其他可行实施例中，可通过制热元件替换制冷元件301，从而利用制热元件进行加热以模拟深海高温环境，在此不作具体限制。
[0095] 在本发明的实施方式中，如图5所示的实施例，还包括数据采集模块4，数据采集模块4包括数据采集系统、以及与数据采集系统电连接的数据采集单元，数据采集系统能够用于将采集的数据上传至计算机403，数据采集单元包括位移传感器114、拉力传感器111、压力传感器115、液位传感器116和温度传感器117中的一种或多种的组合。
[0096] 优选的，数据采集单元包括位移传感器114、拉力传感器111、压力传感器115、液位传感器116和温度传感器117。其中，位移传感器114用于采集模拟表层套管110的位移数据，拉力传感器111用于采集模拟表层套管110的受力数据，压力传感器115用于采集釜体105内的压力数据，液位传感器116用于采集釜体105内的液位数据，温度传感器117用于采集釜体105内的温度数据。
[0097] 具体的，位移传感器114为拉线式位移传感器，拉线式位移传感器设置在固定架的框架上横梁101上并通过拉线连接导轨横梁103，从而利用拉线式位移传感器能够采集模拟表层套管110的位移数据。
[0098] 拉力传感器111设置在模拟表层套管110与导轨横梁103的连接处，通过拉力传感器111能够采集并传输实验过程中的模拟表层套管110的受力情况。
[0099] 压力传感器115被安装在釜体105的密封盖107上并与釜体105的中空内腔相连接，通过压力传感器115能够检查釜体105内的压力变化情况。
[0100] 液位传感器116为超声波液位计，超声波液位计安装在釜体105的中空内腔的顶部，通过超声波液位计能够采集并传输实验过程中的水位数据。
[0101] 温度传感器117被安装在釜体105的侧壁上并与釜体105的中空内腔相连通，通过温度传感器117能够测量釜体105内的液体温度。
[0102] 当然，在其他可行实施方式中，设计人员可根据使用需要调整各传感器的型号和安装位置，在此不作具体限制。
[0103] 进一步的，所有与釜体105的中空腔室相通的部分，包括控压管路203、压力传感器115、温度传感器117及液位传感器116等，均设置有相应的密封结构。设计人员可以根据不同试验需求选择最适合的密封方式，例如密封环或填料密封等，以确保在极端低温高压环境下，试验装置始终维持着完全封闭的状态。
[0104] 这种严密的密封系统设计不仅有效防止了试验液体泄漏或受到外部污染的风险，同时也保障了试验环境的持续稳定性，为实验数据的精确性和可靠性提供了强有力的支持。
[0105] 在本发明的实施方式中，还包括粘结力测试机构113，粘结力测试机构113包括设置在釜体105内的限位件，限位件上设有供膨胀材料进入的测试通道。
[0106] 具体的，限位件通过固定架安装在釜体105内，从而提高了限位件的安装稳定性。其中，限位件包括限位块1131，限位块1131上设置有通孔以形成测试通道，安装架包括连接钢材1132，限位块1131通过连接钢材1132被固定在釜体105内。当然，设计人员可根据使用需要调整限位件和固定架的具体结构，在此不作具体限制。
[0107] 进一步的，限位件被固定在釜体105的中下部，并置于釜体105的中心位置，使得测试通道与模拟表层套管110大致呈同心设置。
[0108] 设计人员可根据实验需要调整测试通道的大小，在此不作具体限制。优选的，测试通道的内径与模拟表层套管110的外径完全匹配。
[0109] 实施方式二
[0110] 本发明的实施例中提供了一种深海膨胀材料性能测试方法，包括如下步骤：
[0111] 步骤1000：安装并检查深海膨胀材料性能测试系统。在安装深海膨胀材料性能测试系统后，通过对深海膨胀材料性能测试系统进行检测，从而有助于保障该深海膨胀材料性能测试系统在实验过程中的密封性和可靠性。
[0112] 步骤2000：在釜体105内设置模拟所需的深海环境，并记录釜体105内的预设水位。
[0113] 其中，通过在釜体105内注入海水，从而能够在釜体105内模拟出深海环境。设计人员可根据实验需要确定海水的注入量以使釜体105内具有预设水位，在此不作具体限制。
[0114] 步骤3000：将膨胀材料件112固定在模拟表层套管110的预设位置，并记录膨胀材料件112的初始体积和重量。
[0115] 通过记录膨胀材料件112的初始体积和重量，从而为膨胀材料件112的后续性能计算提供数据支持。
[0116] 步骤4000：利用控温机构3调节釜体105内的温度至预设温度和/或利用控压机构2调节釜体105内的压力至预设压力。
[0117] 优选的，将釜体105内的温度调节至预设温度，并将釜体105内的压力调节至预设压力，从而能够模拟出深海的低温和高压环境，有助于提高膨胀材料件112的实验精度。
[0118] 步骤5000：当釜体105内的环境参数达到预设值后，启动数据获取模块进行数据采集。
[0119] 其中，数据获取模块包括位移传感器114、拉力传感器111、压力传感器115、液位传感器116和温度传感器117中的一种或多种的组合。
[0120] 优选的，数据获取模块包括位移传感器114、拉力传感器111、压力传感器115、液位传感器116和温度传感器117。
[0121] 步骤6000：控制所述模拟表层套管110进行测试作业，并记录模拟表层套管110在测试作业过程中的数据参数；其中，数据参数包括模拟表层套管110上的拉力和/或釜体105内的水位。
[0122] 设计人员可根据实验需要调整模拟表层套管110的运动方式，从而能够更好地测试膨胀材料件112在不同运动场景下的性能数据，在此不作具体限制。
[0123] 步骤7000：基于所述数据参数计算所述膨胀材料件112的性能数据。
[0124] 在本发明的实施方式中，控制所述模拟表层套管110进行测试作业，并记录模拟表层套管110在测试作业过程中的数据参数，具体包括如下步骤：
[0125] 步骤6100：控制模拟表层套管110运动至第一预设位置，并记录模拟表层套管110上的拉力F1、以及釜体105内的水位L1；其中，在第一预设位置，模拟表层套管110位于釜体105内的液面之上；
[0126] 步骤6200：控制模拟表层套管110由第一预设位置运动至第二预设位置，使膨胀材料件112完全浸泡在釜体105内的液面下，并记录模拟表层套管110上的拉力F1’、以及釜体105内的水位L1’；
[0127] 步骤6300：当到达第一测试时间点，记录此时模拟表层套管110上的拉力F2’、以及釜体105内的水位L2’；
[0128] 步骤6400：将模拟表层套管110向上移动至第一预设位置，记录此时模拟表层套管110上的拉力F2、以及釜体105内的水位L2；
[0129] 步骤6500：重复上述测试操作，直至第i个测试时间点，并记录模拟表层套管110上的拉力Fi+1’、拉力Fi+1，釜体105内的水位Li+1’、Li+1。
[0130] 在本发明的实施方式中，所述膨胀材料件112的性能数据至少包括膨胀材料吸水量、膨胀材料自身损失质量、膨胀材料质量率、膨胀材料吸水率和膨胀材料膨胀率；
[0131] 其中，具体计算公式为：
[0132] 在测试时间点i时，膨胀材料吸水量：V吸＝(Li+1‑L1)πr2；
[0133] 在测试时间点i时，膨胀材料自身损失质量：
[0134] 在测试时间点i时，
[0135] 在测试时间点i时，
[0136] 在测试时间点i时，
[0137] 式中：r表示反应釜体105内中空腔室的半径，ρ测表示釜体105内的测试液体106的密度。
[0138] 在本发明的实施方式中，在重复上述测试操作，直至第i个测试时间点，并记录模拟表层套管110上的拉力Fi+1’、拉力Fi+1，釜体105内的水位Li+1’、Li+1之后，还包括如下步骤：
[0139] 步骤6600：控制模拟表层套管110持续向下运动，使模拟表层套管110穿过粘结力测试机构113上的测试通道，使得膨胀材料件112均被从模拟表层套管110上剥离，记录在这一过程中，模拟表层套管110的位移及受力情况，并记录模拟表层套管110所受的最大压力Fmax。
[0140] 在本发明的实施方式中，膨胀材料件的性能数据还包括膨胀材料粘结强度，具体计算公式为：
[0141] 在测试时间点i时，
[0142] 式中：S表示膨胀材料粘结面积。
[0143] 披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
[0144] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
