CN105675407A - 一种滤饼强度分层测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滤饼强度分层测试装置及方法，该装置由刮刀组件、传感器组件、运动组件、岩芯夹持组件或平板夹持器、控制组件、数据采集与输出组件组成，伺服电机带动刮刀组件沿横向游梁进行水平运动，沿纵向游梁进行上下垂直运动，步进电机与岩芯夹持组件连接，传感器组件由压力传感器、位移传感器、旋转角度传感器组成，控制组件由可编程逻辑控制器、伺服驱动器、步进驱动器组成，数据采集与输出组件由数据采集器与人机界面构成。该装置可测试两类不同形状的滤饼试样：附着在圆柱形岩芯上的滤饼试样，附着在滤纸滤网等平面过滤介质上的滤饼试样。本发明可提供更准确的滤饼强度量化方法，为建立层间强度与壁面剪切应力关系提供依据，指导固井前的滤饼清除。

Description

一种滤饼强度分层测试装置及方法

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发过程中一种滤饼强度的测试装置和测试方法。

背景技术

油气井钻井过程中，钻井液在井壁滤失形成的滤饼是减少钻井液对储层损害、保持井壁稳定和井眼质量的重要因素。根据现有研究认为，由于钻井液固相颗粒尺寸差异，滤饼在厚度方向上存在强度、密实程度差异。靠近表面结构疏松的虚泥饼对固井质量非常不利，会降低水泥环与井壁胶结质量，后期可能形成流体窜流通道。因此，在循环洗井和顶替过程中希望尽可能清除井壁滤饼，或清除虚滤饼，留下结构致密部分。由于滤饼的强度、密实程度分布差异，通常在研究中根据其力学特征人为进行分层(实际泥饼中并不存在分层结构，是连续变化的)，不同层间滤饼的固相组成，颗粒粒径分布等是影响其物理性能(力学强度、渗透率、孔隙度等)的关键。根据分层研究方法，可认为当层与层间强度小于环空流体产生的壁面剪切应力时，滤饼可被破坏冲刷掉。因此，准确地评价滤饼层间强度可为滤饼清除提供更合理的依据。

目前滤饼强度的测量大多采用的是各种类型的针入方式，通过探针纵向插入滤饼，测量滤饼在纵向作用下的力学变化。这种方法优点在于能对同一试样进行多次测试，测试结果能直观反映滤饼强度沿纵向方向上的变化。但得到的强度并非滤饼层间强度，探针作用力方向垂直于滤饼，与环空流体流动产生的壁面剪切力作用方向不符，针入法得到的强度难以建立与壁面剪切应力的关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种滤饼强度分层测试装置，该装置原理可靠，结构简单，便于操作，可测试两类不同形状的滤饼试样：附着在圆柱形岩芯上的滤饼试样，附着在滤纸、滤网等平面过滤介质上的滤饼试样，克服了现有技术的缺陷。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对滤饼强度进行分层测试的方法，该方法可根据固井前滤饼清除的要求，提供更准确的滤饼强度量化方法，为建立层间强度与壁面剪切应力关系提供依据，指导固井前的滤饼清除。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

本发明的基本原理为刮削法，可测试两类不同形状的滤饼试样：附着在圆柱形岩芯上的滤饼试样，附着在滤纸、滤网等平面过滤介质上的滤饼试样。测试圆柱形试样时，刮刀刀刃平行于岩芯轴线方向，插入滤饼一定深度保持静止，圆柱形试样在电机带动下匀速转动，刮刀插入部分滤饼被刮下，装置记录下滤饼强度；测试平面试样时，试样固定在平板夹持器上，刮刀刀刃垂直于运动方向，插入滤饼一定深度，在水平伺服电机带动下作匀速水平运动，刮刀插入部分滤饼被刮下，装置记录下滤饼强度。

一种滤饼强度分层测试装置，由刮刀组件、传感器组件、运动组件、岩芯夹持组件或平板夹持器、控制组件、数据采集与输出组件组成。

所述刮刀组件由刮刀和夹具组成，刮刀刃口形状为水平线型，刮刀由夹具固定，可根据需要更换刮刀。夹具可旋转，刮刀组件与运动组件相连。

所述运动组件由两部伺服电机、横向游梁、纵向游梁、步进电机组成。一部伺服电机与刮刀组件相连接，伺服电机可带动刮刀组件沿横向游梁进行水平运动。另一部伺服电机连接在横向游梁两端，带动横向游梁、上一部伺服电机和刮刀组件整体沿纵向游梁进行上下垂直运动。步进电机与岩芯夹持组件中岩芯夹持器相连接。

所述传感器组件由压力传感器、位移传感器、旋转角度传感器组成。压力传感器安装于刮刀夹具上，与刮刀接触，用于采集刮刀刀头刮削时产生的力值。位移传感器与运动组件的水平伺服电机、纵向伺服电机连接，分别记录运动组件进行线性运动时的水平位移量和纵向位移量。旋转角度传感器连接运动组件的步进电机，记录旋转角度。

所述岩芯夹持组件由岩芯夹持器、尾架组成。岩芯夹持器与尾架用于夹持和固定圆柱形试样，岩芯夹持器后端与步进电机相连接，前端为爪型卡盘，可夹持不同直径的岩芯试样，带动岩芯作旋转运动。尾架安装在底座滑轨上。

所述平板夹持器用于固定附着在滤纸、滤网等平面过滤介质上的试样，测试时，拆掉岩芯夹持组件，安装平板夹持器。

所述控制组件由可编程逻辑控制器(PLC)、伺服驱动器、步进驱动器组成。PLC通过接收输入的运动组件速度参数，经相应的运算和处理后输出指令至伺服驱动器和步进驱动器，驱动伺服电机和步进电机做出相应运动。

所述数据采集与输出组件由数据采集器与人机界面(HMI)构成，数据采集器实时采集传感器的位移、力、角度等数据，并传送至PLC进行处理；HMI用于实现数据的输入与输出，通过HMI输入测试样品尺寸、转速或者线速度等条件，同时负责接收、显示和输出经PLC处理后的数据结果。

利用上述装置对滤饼强度进行分层测试，能得到不同厚度位置上各层滤饼的强度-位移曲线(σ-L)曲线，帮助分析滤饼沿厚度方向上的强度分布变化，为建立滤饼强度-壁面剪切应力关系研究提供依据。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)刮削作用产生的作用力平行于滤饼，与滤饼在井下所受壁面剪切应力类似，测得力值通过换算可得到滤饼层间强度；

(2)测得的层间强度可以建立与壁面剪切应力的关系，为滤饼清除提供依据；

(3)采用伺服电机和PLC控制，能实现刮刀插入滤饼深度的高精度控制，单次测试完后刮削的单层滤饼可单独收集，用于分析测试，有助于滤饼分层结构的进一步研究。

附图说明

图1为一种滤饼强度分层测试装置的结构示意图。

图2为一种滤饼强度分层测试装置的平板夹持器的俯视图。

图3为一种滤饼强度分层测试装置的平板夹持器的正视图。

图4为一种滤饼强度分层测试装置的圆柱形试样测试示意图。

图5为一种滤饼强度分层测试装置的平面试样测试示意图。

图中：

1---底座；2---步进电机；3---岩芯夹持器；4---圆柱形试样(4a---为滤饼，4b---岩芯)；5---纵向伺服电机；6---横向伺服电机；7---刮刀夹具；8---压力传感器；9---刮刀；10---横向游梁；11---纵向游梁；12---尾架；13---活顶针；14---手轮；15---尾架底座；16---尾架固定螺柱；17---锁紧机构；18---滑轨；19---步进驱动器；20---伺服驱动器；21---可编程逻辑控制器(PLC)；22---数据采集器；23---平板夹持器；24---夹片；25---定位孔；26---试样固定螺柱；27---平面试样(27a---滤饼，27b---平面过滤介质)；28---平板夹持器夹具；29--夹具固定螺柱；30---位移传感器；31---旋转角度传感器；32---人机界面(HMI)

具体实施方法

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

参见图1。

一种滤饼强度分层测试装置，由刮刀组件、传感器组件、运动组件、岩芯夹持组件或平板夹持器、控制组件、数据采集与输出组件组成，位于装置下部的底座1上安装有滑轨18。

所述刮刀组件由刮刀9和刮刀夹具7组成，刮刀9由刮刀夹具7固定。所述刮刀刃口形状为水平线型，材质为不锈钢或合金钢，刮刀夹具7可旋转，当测试圆柱形试样时，刮刀9刀刃与试样轴线方向平行；当测试平面试样时，刮刀夹具7旋转90°，刮刀9刀刃与水平运动方向垂直。

所述运动组件由纵向伺服电机5、横向伺服电机6、横向游梁10、纵向游梁11、步进电机2组成，所述横向伺服电机6连接刮刀夹具7，可按设定速度带动刮刀夹具7和刮刀9沿横向游梁10作水平匀速运动，所述纵向伺服电机5位于横向游梁10两端，带动横向游梁10和刮刀组件沿纵向游梁11作垂直运动，所述纵向游梁11固定在底座1上。

所述岩芯夹持组件由岩芯夹持器3、尾架12组成，所述岩芯夹持器3(前端为爪型卡盘，卡盘爪齿位置可调)可夹持不同直径的圆柱形试样4，岩芯夹持器3与步进电机2连接，步进电机2带动岩芯夹持器3和圆柱形试样4按设定速度匀速旋转，所述尾架12通过尾架底座15、尾架固定螺柱16安装在滑轨18上，所述尾架12由活顶针13、手轮14、锁紧机构17构成，锁紧机构17锁紧活顶针13，手轮14通过活顶针13顶住岩芯试样端面，保证岩芯转动过程中不发生偏移，活顶针13内部有活动轴承，能随岩芯试样一起旋转。

所述圆柱形试样4包括圆柱形岩芯4b和附着于表面的滤饼4a。

所述岩芯夹持组件用于固定圆柱形试样，测试附着在滤纸、滤网等平面过滤介质上的试样时，拆掉岩芯夹持组件，安装平板夹持器23(见图2、图3)。

所述平板夹持器23通过平板夹持器夹具28、夹具固定螺柱29安装在滑轨18上，平板夹持器23包括夹片24、定位孔25、试样固定螺柱26，夹片24为带弹性的钢片，可绕固定轴旋转，用于固定薄片状的平面试样27(如附着在滤失、薄滤板上的滤饼)，定位孔25和试样固定螺柱26用于固定具有一定厚度和硬度的块状、板状的平面试样27(如方形、圆形岩石、厚滤板等)。

所述平面试样27包括平面过滤介质27b和附着于表面的滤饼27a。

所述传感器组件由压力传感器8、位移传感器30、旋转角度传感器31组成。压力传感器8为微压力传感器，安装于刮刀夹具7上，与刮刀9接触，用于采集刮削滤饼产生的力值；位移传感器30分别与横向伺服电机6、纵向伺服电机5连接，记录线性运动时的水平位移量和纵向位移量；旋转角度传感器31与步进电机2连接，记录旋转角度。

所述控制组件由可编程逻辑控制器(PLC)21、伺服驱动器20、步进驱动器19组成，PLC21与伺服驱动器20和步进驱动器19连接，伺服驱动器20又连接纵向伺服电机5、横向伺服电机6，步进驱动器19又连接步进电机2，PLC21通过接收输入的运动组件速度参数，经相应的运算和处理后输出指令至伺服驱动器20和步进驱动器19，驱动纵向伺服电机5、横向伺服电机6和步进电机2执行设定运动。

所述数据采集与输出组件由数据采集器22与人机界面(HMI)32构成，数据采集器22实时采集各个传感器的位移、力、角度等数据，并传送至PLC21进行处理；HMI用于实现数据的输入与输出，通过HMI输入测试样品尺寸、转速或者线速度等条件，同时负责接收、显示和输出经PLC处理后的数据结果。

利用上述装置对滤饼强度进行分层测试的方法，依次包括以下步骤：

测试附着在圆柱形岩芯上的滤饼试样(见图4)：

(1)固定试样：通过岩芯夹持组件固定圆柱形试样；

(2)设定单次测试厚度：刮刀位置调整至滤饼表面后，通过HMI输入刮刀插入厚度h(通常为10^-1mm级)，使刮刀按输入值向下运动相同位移量，插入滤饼；

(3)设定刮刀尺寸及运动参数：通过HMI继续输入刮刀宽度d、岩芯轴心到刮刀刀刃的半径r、步进电机角速度γ；

(4)测试及数据输出：岩芯按设定角速度γ转动，装置自动记录力值F、转动角度θ，并根据步骤(2)、步骤(3)中输入参数，通过下式计算滤饼强度σ和r处位置相对于刮刀转动的线位移量L：

$\mathrm{\σ}=\frac{F}{hd}$

$L=\frac{\mathrm{\π}r\mathrm{\γ}t}{180};$

(5)数据处理：根据输出的参数可作σ-θ曲线或σ-L曲线，得到单层滤饼的强度分布；

(6)继续重复步骤(2)至(5)，可测得同一滤饼在不同厚度位置上各层的σ-L曲线和强度σ，用于后续研究。

测试附着在平面过滤介质上的滤饼试样(见图5)：

(1)固定试样：将试样固定在平板夹持器上，保持试样水平；

(2)设定单次测试厚度：刮刀位置调整至滤饼表面后，通过HMI输入刮刀插入厚度h(通常为10_- ¹mm级)，使刮刀按输入值向下运动相同位移量，插入滤饼；

(3)设定刮刀尺寸及运动参数：通过HMI继续输入刮刀宽度d、刮刀水平运动速度v；

(4)测试及数据输出：刮刀按设定速度v水平运动，装置自动记录力值F、转动角度θ，并根据步骤(2)、步骤(3)中输入参数，通过下式计算滤饼强度σ和刮刀水平位移量L：

$\mathrm{\σ}=\frac{F}{hd}$

L＝vt；

(5)数据处理：根据输出的参数可作σ-L曲线，得到单层滤饼的强度分布；

(6)继续重复步骤(2)至(5)，可测得同一滤饼在不同厚度位置上各层的σ-L曲线和强度σ，用于后续研究。

Claims (6)

1.一种滤饼强度分层测试装置，由刮刀组件、传感器组件、运动组件、岩芯夹持组件、控制组件、数据采集与输出组件组成，位于装置下部的底座(1)上安装有滑轨(18)，其特征在于，所述刮刀组件由刮刀(9)和刮刀夹具(7)组成；所述运动组件由纵向伺服电机(5)、横向伺服电机(6)、横向游梁(10)、纵向游梁(11)、步进电机(2)组成，所述横向伺服电机(6)连接刮刀夹具(7)，带动刮刀夹具(7)和刮刀(9)沿横向游梁(10)作水平运动，所述纵向伺服电机(5)位于横向游梁(10)两端，带动横向游梁(10)和刮刀组件沿纵向游梁(11)作垂直运动，所述纵向游梁(11)固定在底座(1)上；所述岩芯夹持组件由岩芯夹持器(3)、尾架(12)组成，所述岩芯夹持器(3)夹持圆柱形试样(4)，岩芯夹持器(3)与步进电机(2)连接，所述尾架(12)通过尾架底座(15)、尾架固定螺柱(16)安装在滑轨(18)上，尾架(12)由活顶针(13)、手轮(14)、锁紧机构(17)构成；所述传感器组件由压力传感器(8)、位移传感器(30)、旋转角度传感器(31)组成；所述控制组件由可编程逻辑控制器(21)、伺服驱动器(20)、步进驱动器(19)组成，伺服驱动器(20)连接纵向伺服电机(5)、横向伺服电机(6)，步进驱动器(19)连接步进电机(2)；所述数据采集与输出组件由数据采集器(22)与人机界面(32)构成。

2.如权利要求1所述的一种滤饼强度分层测试装置，其特征在于，安装平板夹持器(23)测试平面试样(27)，所述平板夹持器(23)通过平板夹持器夹具(28)、夹具固定螺柱(29)安装在滑轨(18)上，平板夹持器(23)包括夹片(24)、定位孔(25)、试样固定螺柱(26)。

3.如权利要求1、2所述的一种滤饼强度分层测试装置，其特征在于，所述刮刀(9)刃口形状为水平线型，刮刀夹具(7)可旋转，当测试圆柱形试样时，刮刀(9)刀刃与试样轴线方向平行，当测试平面试样时，刮刀夹具(7)旋转90°，刮刀(9)刀刃与水平运动方向垂直。

4.如权利要求1、2、3所述的一种滤饼强度分层测试装置，其特征在于，压力传感器(8)安装于刮刀夹具(7)上，位移传感器(30)分别与横向伺服电机(6)、纵向伺服电机(5)连接，旋转角度传感器(31)与步进电机(2)连接。

5.利用权利要求1所述的装置对滤饼强度进行分层测试的方法，依次包括以下步骤：

(1)固定试样：通过岩芯夹持组件固定圆柱形试样；

(2)设定单次测试厚度：刮刀位置调整至滤饼表面后，通过HMI输入刮刀插入厚度h，使刮刀按输入值向下运动相同位移量，插入滤饼；

(3)设定刮刀尺寸及运动参数：通过HMI继续输入刮刀宽度d、岩芯轴心到刮刀刀刃的半径r、步进电机角速度γ；

(4)测试及数据输出：岩芯按设定角速度γ转动，装置自动记录力值F、转动角度θ，通过下式计算滤饼强度σ和r处位置相对于刮刀转动的线位移量L：

$\mathrm{\σ}=\frac{F}{hd}$

$L=\frac{\mathrm{\π}r\mathrm{\γ}t}{180};$

(5)数据处理：根据输出的参数作σ-θ曲线或σ-L曲线，得到单层滤饼的强度分布；

(6)继续重复步骤(2)至(5)，测得同一滤饼在不同厚度位置上各层的σ-L曲线和强度σ。

6.利用权利要求2所述的装置对滤饼强度进行分层测试的方法，依次包括以下步骤：

(1)固定试样：将试样固定在平板夹持器上，保持试样水平；

(2)设定单次测试厚度：刮刀位置调整至滤饼表面后，通过HMI输入刮刀插入厚度h，使刮刀按输入值向下运动相同位移量，插入滤饼；

(3)设定刮刀尺寸及运动参数：通过HMI继续输入刮刀宽度d、刮刀水平运动速度v；

(4)测试及数据输出：刮刀按设定速度v水平运动，装置自动记录力值F、转动角度θ，通过下式计算滤饼强度σ和刮刀水平位移量L：

$\mathrm{\σ}=\frac{F}{hd}$

L＝vt；

(5)数据处理：根据输出的参数可作σ-L曲线，得到单层滤饼的强度分布；

(6)继续重复步骤(2)至(5)，可测得同一滤饼在不同厚度位置上各层的σ-L曲线和强度σ。