CN106290146B - 一种拖拽式固结物强度测定仪及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种拖拽式固结物强度测定仪及其方法，属于井壁稳定剂对破碎地层封堵及胶结效果强弱的测试装置与评价领域。该拖拽式固结物强度测定仪包括：支架、底座：内杯放置在底座上，支架固定在底座上；在所述内杯内装有砂床胶结物，在所述砂床胶结物中埋有螺纹测力杆；螺纹测力杆的上端伸出砂床，在螺纹测力杆的最上端设有提拉环；测试单元：包括传动装置、测量装置和数据处理装置；所述测量装置用于测量螺纹测力杆的拉力；蜗杆升降装置：安装在支架上，与测试单元连接，用于调节与螺纹测力杆的提拉环的提升力，使测试单元的显示数值归零；所述传动装置用于提升所述测量装置；所述数据处理装置根据拉力传感器传来的数据获得砂床的固结物强度。

Description

一种拖拽式固结物强度测定仪及其方法

技术领域

本发明属于井壁稳定剂对破碎地层封堵及胶结效果强弱的测试装置与评价领域，具体涉及一种拖拽式固结物强度测定仪及其方法，主要用于测定沥青类井壁稳定剂以及类似材料对破碎地层的涂覆与胶结能力。

背景技术

地层失稳是钻井工程中十分常见的现象，水的作用结果会加剧地层的失稳进程，例如泥页岩与水接触以后其含水量会明显增加，密度下降，并使泥页岩表面首先产生微裂缝(沿井眼周围)，从而使泥页岩强度降低。实践表明，加入具有封堵功能的材料能够有效降低泥页岩渗透性和由于液柱压力穿透作用造成的井壁附近泥页岩孔隙压力的增加，进而降低地层的坍塌压力。随着助剂研发水平的不断提高，新型井壁稳定材料同时具备孔隙封堵和裂隙胶结的双重功能，如含沥青质的地层防塌剂。沥青具有在高温情况下变软直至成为流体的功能，在正向压差作用下，软化后的沥青类防塌剂能够比较容易的进入到地层裂缝中滞留并对裂隙产生物理粘结作用，从而提高破碎性和裂隙性地层的稳定性。但就实验评价方法及相关仪器的研发情况看，井壁稳定剂的封堵能力特别是裂隙胶结能力缺乏相应的评价手段，这直接导致了现场施工和相关材料研发中的盲目性。因此，研制开发封堵防塌材料模拟评价装置和提出相应的实验评价方法对施工现场合理制定井壁稳定技术方案和合理使用井壁稳定剂具有重大的技术指导意义。

关于封堵防塌剂对破碎地层封堵与胶结能力的评价目前尚未见到专用的实验装置，也没有成型的实验方法，在科研工作中，技术人员借助API滤失量测定仪对钻井液配伍沥青质材料以后形成的泥饼进行清水渗透性变化的实验评价，这种方法虽然与工程实际比较接近，但无法模拟井下环境对封堵防塌剂的技术效果进行评价，特别是无法评价封堵防塌剂经较高温度和压力作用后对破碎层的综合稳定效果。就现场施工和相关的研究探索趋势看，井壁防塌在重视材料封堵效果的同时，其胶结能力越来越受到重视，并已成为考查防塌材料技术性能的重要指标之一，这是因为在对付破碎性地层的工程实践中，具有良好胶结功能的材料能够有效提高地层的坍塌压力，进而延长地层的失稳周期。从上述实际需要看，相应的实验评价仪器的缺乏和实验方法与工程实际的脱节已经成为制约封堵防塌剂功能进一步改善和提高的主要障碍，急需在这方面有所突破。

从相关资料的检索情况看，现有的相关中国专利分别有：

①CN202583048 U(一种测试道路沥青与集料界面粘结强度的装置)，该实用新型专门用于道路沥青与集料界面粘结强度的测定，包括用于固定待测试件的上固石器和下固石器，所述上固石器的顶部固接有施力与测力装置。通过装置中的施力与测力装置对待测试件施加拉力，并记录待测试件被拉开时所用力的大小，进而结合其它参数计算界面粘结强度。该装置操作简单，且能准确测试道路沥青与集料界面粘结强度。

②CN 202614659 U(一种混凝土块与橡胶沥青之间粘结力的拉伸测试装置)，本实用新型公开了一种混凝土与橡胶沥青之间粘结力拉伸测试装置，底座中心安装支撑柱；支撑柱两边对称安装两根导向圆柱；导向圆柱上部固定吊臂；丝杠穿过轴承座；丝杠下端与吊臂通过螺旋副连接；轴承座上端安装有轴承盖；第一吊钩安装在吊臂的中心下方；第一吊钩下方连接s型传感器，s型传感器下方连接第二吊钩，第二吊钩下方连接上夹紧盖，下夹紧盖安装在支撑柱；上夹紧盖的底部连接上夹紧块；下夹紧盖的顶部连接下夹紧块。本实用新型结构简单，使用维护方便，能够满足粘结力测试试验要求，可以替代万能材料试验机进行实验，且价格低廉，结果较精确，便于推广使用。

上述两个专利均属于沥青与被胶结物界面之间粘接力的测定装置，主要用于测定和评价沥青与固体表面粘接力的大小，无法用来测定具有胶结能力的物质对破碎块体成型强度的测定，和本发明所要获得的数据和所要达到的目标相差很大，两个装置在结构和数据处理上都与本发明专利存在着本质区别。

由上述分析可以看出，已公开的相关专利装置不具备沥青质材料稳定井壁效果的评价与测定功能，因此必须要以沥青质类具有粘接功能的材料特点为依据，研制开发适合于封堵胶结型井壁稳定剂效果评价的专用仪器以及相应的实验方法，为井壁稳定现场操作和新材料的研究奠定实验基础。国外也没有相关专利。

地层失稳与井壁稳定是一个非常复杂的技术问题，由于影响因素众多，并且各种因素之间又存在着复杂的制约关系，因此在关于井壁稳定材料和相关的技术评价上，一直难以开发出成型且为技术界所公认的实验方法和评价手段

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种拖拽式固结物强度测定仪及其方法，通过实验手段对井壁稳定材料尤其是具有粘接功能材料(诸如沥青质材料)的地层保护效果实现量化评价，在模拟地层条件(压力、温度)下，对经沥青质防塌材料胶结改造以后的松散(破碎)地层进行强度测定，并定性评价胶结材料对破碎地层的胶结能力。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种拖拽式固结物强度测定仪，包括：

支架、底座：内杯放置在底座上，支架固定在底座上；在所述内杯内装有砂床胶结物，在所述砂床胶结物中埋有螺纹测力杆；螺纹测力杆的上端伸出砂床，在螺纹测力杆的最上端设有提拉环；

测试单元：包括传动装置、测量装置和数据处理装置；所述测量装置用于测量螺纹测力杆的拉力；

蜗杆升降装置：安装在支架上，与测试单元连接，用于调节与螺纹测力杆的提拉环的提升力，使测试单元的显示数值归零；

所述传动装置用于提升所述测量装置；

所述数据处理装置根据拉力传感器传来的数据获得砂床的固结物强度。

所述螺纹测力杆带有螺纹的部分埋入到砂床中。

在所述底座上设有水平调节器；

在所述底座上设有限位凹槽，所述内杯放置在所述限位凹槽中。

所述测试单元的传动装置包括伺服马达、减速系统、滑轮组、提拉绳和吊钩；

所述伺服马达通过减速系统的减速，转换为扭矩用于提拉螺纹测力杆；

所述伺服马达的输出与提拉绳的一端连接，提拉绳的另一端跨过滑轮组后与吊钩连接；所述吊钩能够与螺纹测力杆上的提拉环连接。

所述测试单元的测量装置包括拉力传感器，其采用一组电磁线圈，当伺服马达产生的扭矩通过提拉绳以力的方式传递至测量装置时，电磁线圈产生一个与该力大小相等且方向相反的电磁力，这个力被转换为电信号实时传送至数据处理装置；

所述电磁线圈通过线圈固定轴固定在测试单元内；

所述测试单元包括金属杆，其一端与所述拉力传感器连接，另一端从测量装置中伸出，在该端安装所述滑轮组。

所述测试单元进一步包括固定轴，其将整个测试单元支撑固定在蜗杆升降装置上。

利用上述拖拽式固结物强度测定仪进行固结物强度测定的方法，包括：

(1)将盛装砂床胶结物的内杯置于底座的限位凹环中摆放平稳，调节水平调节器使底座水平；

(2)连接吊钩和提拉环，微调蜗杆升降装置使测量装置的数值归零；

(3)操作伺服电机使吊钩缓慢上升，此时测量装置的电子面板显示数值不断变化，表示提升拉力不断升高；测量数值被实时传送到数据采集处理装置进行处理，并记录最大数值，然后数据采集处理装置根据该最大数值换算砂床的固结物强度；

(4)旋动蜗杆升降装置使吊钩与提拉环完全松开，取下内杯，更换另一个内杯进行下一组测定，本组实验结束。

所述步骤(3)中根据该最大数值换算砂床的固结物强度是利用下式实现的：

其中，F为提拉力，即步骤(3)获得的最大数值，单位为N；d为螺纹测力杆的直径，单位为mm；L为螺纹测力杆的埋入深度，单位为mm；c为螺纹深度，单位为mm；σ_c为砂床的固结物强度，单位为KPa；m为螺纹测力杆的质量，单位为g；g为重力常数，9.8m/s²。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明装置主要用于完成具有胶结功能的井壁稳定材料(如含沥青质材料)或具有类似功能的其它井壁稳定剂对破碎地层胶结效果的测定评价。

本装置的主要优点如下：

(1)结构紧凑，操作简便，自动化程度高，测定结果的可重复性好。

(2)可以将砂床对螺纹杆件的固结力直接以强度单位表示出来，测定结果的物理意义明确，便于科研工作直接使用。

附图说明

图1本发明的整体结构示意图。

图2本发明中的测试釜体的结构示意图。

图3本发明中的测试单元的放大图。

图4本发明中的测力杆埋入砂床部分的示意图。

图5固结强度随提拉力的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明装置主要是为了定性或定量的测定和评价井壁稳定材料对破碎地层的表面涂覆封堵能力以及胶结程度，以及对相应的测定过程提出了一种比较接近实际情况的井壁稳定材料质量和稳定效果评价方法，主要方法是通过测定埋入胶结砂床中螺纹杆件的提拉力评价防塌胶结材料对破碎地层的胶结稳定效果，本发明所涉及到的装置和方法能够有效提高实验数据的可参考性，能够促使与井壁稳定相关的科研工作由定性逐步向半定量以至于定量化方向发展，同时也可为现场技术方案的制定和实施提供很好的理论支持。

A.装置简述

本专利装置主要包括以下四部分：①支架及底座；②蜗杆升降调节装置；③釜体及砂床总成；④提拉力测定及数据处理系统。装置组成与结构简述如下：

如图1、图2、图3所示，包括底座及台架1用于放置待测定胶结强度的胶结砂床7-14；水平调节器2可以使底座及台架1处于水平状态，提高测定数据的准确性；蜗杆升降装置3用于调节与埋入式螺纹杆件7-13(如图2所示)相连接的提拉环7-12的提升力，使数据测试与采集系统归零，埋入式螺纹杆件7-13规格如图3所示，螺纹杆的直径、螺纹部分的长度都是和内杯7-10的尺寸相对应的，是经过测算后得出的，例如可以如图4所示；螺纹部分原则上要全部埋入砂床的，由于实验时砂床的厚度不可能很精确，因此螺纹部分的长度一般要稍微长一些，以确保埋入砂床部分的杆件都是螺纹杆，而不是光滑杆，目的是保证胶结物与杆件尽可能有效的结合，提高实验的精确度，例如可取直径为13Mm，螺纹部分的长度为80-90mm的螺纹杆件，采用三角形螺纹牙型，螺纹标准为M20x30，相应的螺纹深度为1.65mm；经过高温高压环境作用后的釜体及砂床总成7(进行胶结物强度测定时，只需要把内杯7-10取出置于底座的限位凹槽5内即可；内杯7-10的底部设置有40目的不锈钢筛网，根据实验需要上置高温高压(HTHP)滤纸或者不放，用于在高温高压环境下形成胶结物的过程中排出滤液；回压阀7-3的上端止于内杯7-10的筛网下面，并且不和筛网接触)经泄压后，由放浆阀7-9排出剩余的流体，之后置于底座及台架1的定位凹环5内，釜体的滤液排出杆阀(即回压阀)7-3经由定位凹环中部的通孔6穿过使其坐落于定位凹环5中；提拉力测定及数据处理系统4如图3所示，包括传动装置4-1(包括伺服马达4-3，其功率为200W，和减速系统同处于一个箱体中，减速系统主要是一个高速比(输入端转速∶输出端转速≥2000∶1)的，可以是涡轮蜗杆系统，也可以是行星轮系统或者是内啮合式的高速比齿轮系统。伺服马达4-3通过减速系统的减速，转换为扭矩用于提拉螺纹测力杆7-13)、测量装置4-2(测量装置4-2内置一组电磁线圈作为拉力传感器4-8，当伺服马达4-3产生的扭矩通过绳4-5以力的方式传递至测量系统4-2时，电磁线圈产生一个与该力大小相等方向相反的电磁力，这个力被转换为电信号实时传送至电脑系统进行处理，最终被转换为强度数据输出打印)、滑轮系统4-4四部分(采用普通的定滑轮即可)。测量操作时，提拉绳4-5一端连接伺服马达4-3，另一端跨过滑轮系统后与吊钩4-6连接。使用时，首先调节蜗杆升降装置3使提拉力归零，之后开启伺服马达4-3，测量系统4-2同时开始工作并记录拉力的变化情况(测量过程开始以后，随着提拉力的不断增大，测量系统4-2中的电磁线圈所产生的反向平衡力也随之增大，该力的变化过程被实时传送至电脑终端进行记录和处理)，直到测得最大提拉力。数据处理系统根据最大提拉力测定结果换算出固结物的固结强度。

固定轴4-7将整个测试单元4支撑固定在蜗杆升降装置3上，固定轴4-9则是支撑固定产生反向平衡电磁力的电磁线圈的，是置于测量系统4-2内部的。

本发明根据实验需要对HTHP釜体尺寸进行了优化，以便能够内置砂床杯，实验时直接以砂床作为过滤层，能够使得井壁固结剂充分进入到人工砂床的缝隙中，在HTHP环境下对砂床形成胶结，给井壁固结剂技术性能的测定和破碎岩石固结效果的评价提供了测试实物。

测试釜体7是整个装在加热套7-2内，然后将内杯7-10置于测试釜7-1内，盖上釜盖7-4，并用固定螺丝7-5将釜盖与测试釜固定；在釜盖上插入温度谭政7-6、注入管7-7以及压力探针7-8，内杯中装有7-14砂床，在内杯上设有内杯提手7-11，主要作用是在砂床胶结实验结束以后，可以方便的将内杯从HTHP釜体中取出，其结构就是一个钩挂在内杯上的不锈钢材质的提手。

放浆阀7-9处于内杯上部，不能伸入到内杯中，内杯中是砂床，实验用工作液充满内杯上部测试釜的内空间。

B.操作方法描述

(1)接通测试系统电源，连接并检查测量装置4-2与数据采集处理系统(数据采集处理系统包括整个4-2测量装置和电脑系统)，将盛装砂床胶结物的内杯7-10置于底座1的限位凹环5中摆放平稳，，调节水平调节器使水平气泡2(附图3)居中。

(2)连接吊钩4-6和提拉环7-12，旋动蜗杆升降装置3使测量装置4-2的数值显示为零。

(3)操作精控电机4-3使吊钩4-6缓慢上升，此时测量装置4-2的电子面板显示数值不断变化，表示提升拉力不断升高。测量数值被实时传送到数据采集处理系统进行处理，并记录最大数值，用以换算砂床胶结物的固结强度。适合于本发明装置的拉力与强度换算用数学模型如下：

式中符号说明：

F—提拉力，N；d—埋入式螺纹杆直径，mm；L—埋入深度，mm；c—螺纹深度，mm；螺纹深度与埋入深度没有直接的数量关系，由于计算模型中需要涉及到螺纹深度，以便确定某些变量，故按照机械制图国家标准中规定的螺纹与螺距标准给出相应的数值。理论上螺纹部分应该全部埋入砂床中，但实际上不可能这么精确，一般情况下螺纹部分埋入长度不小于螺纹部分总长度的95％。

σ_c—砂床胶结强度，KPa；m—螺纹杆质量，g；g—重力常数，9.8m/s²。

(4)旋动蜗杆升降装置3使吊钩4-6与提拉环7-12(附图1)完全松开，取下砂床胶结物的内杯7-10，更换另一砂床胶结物内杯进行下一组测定，本组实验结束。

固结强度随提拉力变化的趋势线如图5所示。

为了证实本发明装置的效果，下面通过实施例做详细说明。

实施例1：沥青防塌剂单剂固结效果实验评价

基本配方：35g/l膨润土+3g/l LV-PAC+25g/lSML-4+20g/l SMP-2+20g/l SMC+15g/l SMS-19+10g/lSPNH+10g/lNaOH+50g/l KCl+5g/l XJA-1+重晶石(ρ1.75～1.80kg/l)。

在110℃/5MPa环境下经过2h后形成的砂床固结物强度测定值如表1所示，

表1

实施例2：不同软化点沥青防塌剂复合以后固结效果实验评价，基本配方同实施例1。在140℃/5MPa环境下经过2h后形成的砂床固结物强度测定值如表2所示：

表2

实施例3：不同软化点沥青防塌剂复合以后固结效果实验评价，基本配方同实施例1。在125℃/5MPa环境下经过2h后形成的砂床固结物强度测定值如表3所示：

表3

以实施例3为例：在第一组实验中，当SMFF-2加量由15g/l增加至25g/l时，由本专利仪器测出的螺纹测力杆的提拉力由2713N增加到了2857N，经过数据处理以后的强度数值则由819KPa升高到了907KPa，表明SMFF-2在该加量范围内仍具有继续强化胶结效果的作用。以下第二组、第三组以及其它类似测试结果所显示的趋势均与本例相同。

本发明的特点如下：

1.破碎岩石经过沥青质井壁稳定剂胶结处理以后，能够具有一定的抗破碎强度，这一处理结果可用于定性模拟破碎带地层经过沥青质材料处理以后井壁稳定性的变化情况。

2.沥青质井壁稳定剂对破碎地层的胶结效果与胶结体破碎时的作用力成正比，胶结效果越好，胶结体破坏时的作用力也越高。

3.为了使胶结体抵抗外力破坏的作用力数量化，以便用于材料性能和工艺参数的实验评价，预先将外表凹凸不平的金属杆件埋入被胶结的破碎岩石中，待胶结体形成以后通过测定提拉金属杆件的最大提拉力换算得到相应的胶结体强度。在金属杆件被拉出时，胶结体会受到破坏，彻底破坏前的瞬间提拉力值最大，由此可以测得胶结体的抗破碎强度。

本发明为一种用于测定和评价石油钻井(或地质钻探)以及相关行业用井壁防塌剂对易破碎地层以及裂隙发育地层稳定效果的测定评价装置。本装置的特点是通过测定经井壁稳定剂作用以后的破碎块体胶结物对埋入其中的螺纹杆件的固结力，定性或定量的评价防塌剂对裂缝性地层、破碎地层的胶结强化效果，测定结果可直接以强度数值表示，测定结果的可重复性较好，方便用于科研实验工作，对生产实际也具有比较明确的指导意义。本发明装置主要由支架及底座，蜗杆升降调节装置，釜体及砂床总成，提拉力测定及数据处理系统四部分组成，其特征在于最终结果具有明确的物理意义，结构紧凑，操作方便，自动化程度高，数据处理过程与实际情况吻合度较高，具有很好的实用性，填补了井壁稳定剂胶结能力实验评价装置缺乏的空白。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (6)

1.一种拖拽式固结物强度测定仪，其特征在于：所述拖拽式固结物强度测定仪包括：

支架、底座：内杯放置在底座上，支架固定在底座上；在所述内杯内装有砂床胶结物，在所述砂床胶结物中埋有螺纹测力杆；螺纹测力杆的上端伸出砂床，在螺纹测力杆的最上端设有提拉环；

还包括测试釜体，所述内杯设置于所述测试釜体的加热套内，所述内杯底部设有不锈钢筛网，所述测试釜体的顶部设有釜盖，所述测试釜体的底部设有回压阀，所述回压阀的进液口设置于所述不锈钢筛网的下部，所述回压阀的出液口穿过所述内杯的底部和所述测试釜体的底部，设置于所述测试釜体底部的外部，所述测试釜体的侧壁设有放浆阀；

测试单元：包括传动装置、测量装置和数据处理装置；所述测量装置用于测量螺纹测力杆的拉力；

蜗杆升降装置：安装在支架上，与测试单元连接，用于调节与螺纹测力杆的提拉环的提升力，使测试单元的显示数值归零；

所述传动装置用于提升所述螺纹测力杆；

所述数据处理装置根据拉力传感器传来的数据获得砂床的固结物强度；

所述测试单元的传动装置包括伺服马达、减速系统、滑轮组、提拉绳和吊钩；

所述伺服马达通过减速系统的减速，转换为扭矩用于提拉螺纹测力杆；

所述伺服马达的输出与提拉绳的一端连接，提拉绳的另一端跨过滑轮组后与吊钩连接；所述吊钩能够与螺纹测力杆上的提拉环连接；

所述测试单元的测量装置包括拉力传感器，其采用一组电磁线圈，当伺服马达产生的扭矩通过提拉绳以力的方式传递至测量装置时，电磁线圈产生一个与该力大小相等且方向相反的电磁力，这个力被转换为电信号实时传送至数据处理装置；

所述电磁线圈通过线圈固定轴固定在测试单元内；

所述测试单元包括金属杆，其一端与所述拉力传感器连接，另一端从测量装置中伸出，在该端安装所述滑轮组。

2.根据权利要求1所述的拖拽式固结物强度测定仪，其特征在于：所述螺纹测力杆带有螺纹的部分埋入到砂床中。

3.根据权利要求2所述的拖拽式固结物强度测定仪，其特征在于：在所述底座上设有水平调节器；

在所述底座上设有限位凹槽，所述内杯放置在所述限位凹槽中。

4.根据权利要求3所述的拖拽式固结物强度测定仪，其特征在于：所述测试单元进一步包括固定轴，其将整个测试单元支撑固定在蜗杆升降装置上。

5.一种利用权利要求1至4任一所述拖拽式固结物强度测定仪进行固结物强度测定的方法，其特征在于：所述方法包括：

(1)将内杯置于测试釜体内，釜盖与测试釜体固定，通过注入管将沥青质防塌材料注入到内杯，将螺纹测力杆的上端埋入沥青质防塌材料内，经高温高压环境作用形成砂床胶结物后，将内杯从测试釜体内取出；

(2)将盛装砂床胶结物的内杯置于底座的限位凹环中摆放平稳，调节水平调节器使底座水平；

(3)连接吊钩和提拉环，微调蜗杆升降装置使测量装置的数值归零；

(4)操作伺服电机使吊钩缓慢上升，此时测量装置的电子面板显示数值不断变化，表示提升拉力不断升高；测量数值被实时传送到数据采集处理装置进行处理，并记录最大数值，然后数据采集处理装置根据该最大数值换算砂床的固结物强度；

(5)旋动蜗杆升降装置使吊钩与提拉环完全松开，取下内杯，更换另一个内杯进行下一组测定，本组实验结束。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中根据该最大数值换算砂床的固结物强度是利用下式实现的：

其中，F为提拉力，即步骤(3)获得的最大数值，单位为N；d为螺纹测力杆的直径，单位为mm；L为螺纹测力杆的埋入深度，单位为mm；c为螺纹深度，单位为mm；σ_c为砂床的固结物强度，单位为KPa；m为螺纹测力杆的质量，单位为g；g为重力常数，9.8m/s²。

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