CN111929234B

CN111929234B - 一种钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置

Info

Publication number: CN111929234B
Application number: CN202011012107.XA
Authority: CN
Inventors: 佘继平; 韩凯; 张�浩; 倪建军; 杨斌
Original assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Current assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2020-12-15
Anticipated expiration: 2040-09-24
Also published as: CN111929234A

Abstract

本发明公开了一种钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置，其包括基座，基座上设置有速度传感器、位移传感器、电机控制器、数据采集器、加热组件和传感组件；基座的底部设置有水平调整组件。本发明采用测试车装堵漏材料，通过电机带动滑动块进而拉动测试车，同时测量测试车的移动速度、滑动块的位移量和对测试车的拉力大小，根据摩擦系数计算公式即可获取堵漏材料的摩擦系数值。同时本装置还可以通过加热层对堵漏材料进行加热，模拟室温至350℃的环境。第一导轨可以引导滑动块移动，避免滑动块偏离轨道。此外，加热控制器可根据设定的温度进行升温，并根据测温仪测得的实际温度自动决定是继续升温还是停止升温，进而自动维持所需温度。

Description

一种钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置

技术领域

本发明涉及勘探领域，具体涉及一种钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置。

背景技术

随着世界对油气资源的需要量不断增大与常规油气资源衰竭，油气勘探开发领域逐渐走向了深层超深层，相当一部分井的井底温度已超过150℃。另外随着地热井钻探也越来越多，部分井的井底温度甚至超过了300℃。目前在高温地层钻井中，漏失问题显著，常规封堵手段难以奏效，这是由于高温环境中，堵漏材料的性能及其形成的封堵带结构稳定性很难保证。而保持岩石表面与堵漏材料之间的高摩擦系数是保持封堵带稳定性的关键。因此设计模拟高温地层环境的堵漏材料滑动/滚动摩擦系数测量装置，形成滚动/滑动摩擦系数测量方法对高温环境下解决井漏问题以及储层保护有着重要的意义。但目前堵漏材料摩擦系数测量仍存在两个问题：

1）目前的设备测量堵漏材料需要将材料粘在钢板上，堵漏材料无法滚动，因此缺少测量滚动摩擦系数的装置；

2）现有装置不能模拟堵漏材料摩擦高于150℃的高温环境。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置提供了一种用于测量钻井堵漏材料摩擦系数的装置。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置，其包括基座，基座上设置有速度传感器、位移传感器、电机控制器、数据采集器、加热组件和传感组件；基座的底部设置有水平调整组件；

加热组件包括固定在基座上的加热基台，加热基台的顶端设置有载物台，载物台下设置有用于放置加热电阻丝的加热层；加热基台上设置有加热控制器、加热开关和温度显示与控制模块；载物台的上方设置有测温仪，载物台的上表面设置第二导轨；第二导轨上设置有用于放置被测材料的测试车；加热控制器分别与加热电阻丝、加热开关、温度显示与控制模块和测温仪相连接；

传感组件包括固定在基座上的第一导轨，第一导轨上设置有滑动块，滑动块上设置有拉力测量仪，拉力测量仪通过拉绳与测试车相连接；第一导轨的末端设置有电机，电机的转轴与丝杆相连接；丝杆贯穿滑动块并通过转动使滑动块移动；电机与电机控制器电连接；拉力测量仪与数据采集器电连接；

位移传感器用于检测滑动块的位移量，速度传感器用于检测测试车的移动速度，位移传感器和速度传感器均与数据采集器电连接。

进一步地，水平调整组件包括电子水平仪、水平控制器、液压装置和四个液压脚架，电子水平仪、水平控制器和液压装置设置在基座内，四个液压脚架均设置在基座的下表面；水平控制器分别电连接电子水平仪和液压装置；液压装置与四个液压脚架相连接。

进一步地，拉力测量仪包括设置在滑动块上的立板，立板上设置有用于放置基体的存放槽，存放槽的至少一侧设置有限位槽；立板上设置有至少一个贯穿至限位槽的第一螺纹孔；

基体上设置有与限位槽相匹配的限位板，基体的前端设置有拉力传感器，拉力传感器朝向测试车的一端设置有第二拉绳连接器。

进一步地，基体上设置有至少一个定位板，定位板上设置有至少一个光束发生器。

进一步地，测试车包括顶部与底部均开口的车体和顶部与底部均开口的车兜；车体上设置有与第二导轨相配合的滚轮；车兜设置在车体内，车兜上设置有至少一个挂耳，挂耳位于车体外，挂耳上设置有至少一个第二螺纹孔，并通过螺栓穿过第二螺纹孔与车体挤压进而将车兜与车体相对固定。

进一步地，车体朝向拉力测量仪的一端设置有至少一个拉力测量仪定位参考点和用于连接拉绳的第一拉绳连接器。

进一步地，载物台上还设置有岩心固定器；加热基台的侧面设置有隔热保护带；加热基台内设置有位于加热层下方的隔热反射板。

进一步地，基座上设置有位于滑动块与电机之间、用于固定丝杆的固定器，丝杆穿过固定器通过联轴器与电机的转轴相连接。

进一步地，滑动块的侧面设置有侧板，位移传感器为拉绳传感器，拉绳传感器的绳索与侧板相连接。

进一步地，基座上设置有两个均与电机控制器电连接的限位开关，侧板位于两个限位开关之间。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用测试车装堵漏材料，通过电机带动滑动块进而拉动测试车，同时测量测试车的移动速度、滑动块的位移量（即测试车的位移量）和对测试车的拉力大小，根据摩擦系数计算公式即可获取堵漏材料和岩石的摩擦系数值。同时本装置还可以通过加热层对堵漏材料和岩石进行加热，模拟室温至350℃的环境。第一导轨可以引导滑动块移动，避免滑动块偏离轨道。此外，加热控制器可根据设定的温度进行升温，并根据测温仪测得的实际温度自动决定是继续升温还是停止升温，进而自动维持所需温度。

2、本装置设置的水平调整组件可以通过水平控制器获取电子水平仪的信号，通过液压装置驱动液压脚架，进而使本装置在不平或者存在倾角的环境中也可以自动保存水平状态，且液压脚架承重极限高、调节快速，可以对基座实现良好支撑。

3、本装置的拉力测量仪采用拉力传感器可拆卸式结构，使得在不同试验过程中可以更换不同量程的拉力传感器。通过存放槽和限位槽调整拉力传感器的高度，通过光束发生器实现对拉力传感器的高度定位，通过第一螺纹孔配合螺栓实现对拉力传感器高度的固定，使得调整后的拉力传感器、拉绳和测试车位于同一轴线上，减少拉力的分解与损失，可有效降低测量误差。

4、测试车采用定高的车体和可调整高度的车兜，该方式可以单独调整车兜高度进而调整测试高度，且不影响拉绳高度或角度的变化，使得测试车可以应对于不同直径的堵漏材料，且当车兜高度设置为大于堵漏材料直径小于堵漏材料2倍直径时，可以轻松实现单层铺设堵漏材料；当车兜高度设置为小于堵漏材料直径时，由于车兜内的堵漏材料实际处于离散状态，因此可以实现堵漏材料的滚动摩擦系数测试。挂耳的设置使得车兜高度可以在车体高度范围内任意调整，只需要螺栓通过第二螺纹孔与车体接触紧固即可。

5、本装置设置的隔热保护带和隔热反射板可以将加热层的热量进行集中避免散失，进而提高了对载物台上堵漏材料的加热效果，使得堵漏材料可以被加热至350℃，进而使得本装置满足深层超深层井的测试要求。

6、本装置通过固定器防止丝杆晃动，通过联轴器连接电机与丝杆，使得丝杆转动更加平稳，进而保证滑动块稳固移动，降低滑动块晃动造成的精度影响。

7、本装置通过限位开关防止滑动块脱轨，当滑动块移动到触动限位开关时，限位开关将控制电机停止工作，防止装置受损。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为拉力测量仪的结构示意图；

图4为测试车的结构示意图；

图5为本装置的操作界面示意图。

其中：1、基座；2、加热基台；3、载物台；4、加热层；5、隔热反射板；6、隔热保护带；7、测温仪；8、加热开关；9、测试车；10、拉绳；11、拉力测量仪；12、第一导轨；13、滑动块；14、丝杆；15、固定器；16、联轴器；17、电机；18、液压脚架；19、液压装置；20、电机控制器；21、数据采集器；22、电子水平仪；23、温度显示与控制模块；24、岩心固定器；25、第一拉绳连接器；26、储物筐；27、第一限位器；28、滚轮；29、第二导轨；30、侧板；31、限位开关；32、位移传感器；33、立板；34、限位槽；35、第一螺纹孔；36、基体；37、限位板；38、定位板；39、光束发生器；40、拉力传感器；41、第二拉绳连接器；42、车体；43、车兜；44、第二螺纹孔；45、拉力测量仪定位参考点；46、挂耳。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图2所示，该钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置包括基座1，基座1上设置有速度传感器、位移传感器32、电机控制器20、数据采集器21、加热组件和传感组件；基座1的底部设置有水平调整组件；

加热组件包括固定在基座1上的加热基台2，加热基台2的顶端设置有载物台3，载物台3下设置有用于放置加热电阻丝的加热层4；加热基台2上设置有加热控制器、加热开关8和温度显示与控制模块23；载物台3的上方设置有测温仪7，载物台3的上表面设置第二导轨29；第二导轨29上设置有用于放置被测材料的测试车9；加热控制器分别与加热电阻丝、加热开关8、温度显示与控制模块23和测温仪7相连接；

传感组件包括固定在基座1上的第一导轨12，第一导轨12上设置有滑动块13，滑动块13上设置有拉力测量仪11，拉力测量仪11通过拉绳10与测试车9相连接；第一导轨12的末端设置有电机17，电机17的转轴与丝杆14相连接；丝杆14贯穿滑动块13并通过转动使滑动块13移动；电机17与电机控制器20电连接；拉力测量仪11与数据采集器21电连接；

位移传感器32用于检测滑动块13的位移量，速度传感器用于检测测试车9的移动速度，位移传感器32和速度传感器均与数据采集器21电连接。

为了实现对基座1的良好支撑，使本装置在不平或者存在倾角的环境中也可以自动保存水平状态，水平调整组件包括电子水平仪22、水平控制器、液压装置19和四个液压脚架18，电子水平仪22、水平控制器和液压装置19设置在基座1内，四个液压脚架18均设置在基座1的下表面；水平控制器分别电连接电子水平仪22和液压装置19；液压装置19与四个液压脚架18相连接。

如图3所示，为了在不同试验过程中可以更换不同量程的拉力传感器40，并实现更换后的高度定位，使调整后的拉力传感器40、拉绳10和测试车9位于同一轴线上，减少拉力的分解与损失，拉力测量仪11包括设置在滑动块13上的立板33，立板33上设置有用于放置基体36的存放槽，存放槽的至少一侧设置有限位槽34；立板33上设置有至少一个贯穿至限位槽34的第一螺纹孔35；基体36上设置有与限位槽34相匹配的限位板37，基体36的前端设置有拉力传感器40，拉力传感器40朝向测试车9的一端设置有第二拉绳连接器41。基体36上设置有至少一个定位板38，定位板38上设置有至少一个光束发生器39。

如图4所示，为了可以调整测试高度，不影响拉绳10高度或角度的变化，并使得测试车9可以应对于不同直径的堵漏材料，测试车9包括顶部与底部均开口的车体42和顶部与底部均开口的车兜43；车体42上设置有与第二导轨29相配合的滚轮28；车兜43设置在车体42内，车兜43上设置有至少一个挂耳46，挂耳46位于车体42外，挂耳46上设置有至少一个第二螺纹孔44，并通过螺栓穿过第二螺纹孔44与车体42挤压进而将车兜43与车体42相对固定。车体42朝向拉力测量仪11的一端设置有至少一个拉力测量仪定位参考点45和用于连接拉绳10的第一拉绳连接器25。

为了测量岩心的摩擦系数，载物台3上还设置有岩心固定器24；由于岩心的直径不同会导致测试平面的高度发生变化，因此也可以在测试岩心的器件上设置相应的定位点，使得该器件、拉绳10和拉力传感器40位于同一轴线。岩心固定器24可通过螺丝固定在载物台3上，岩心固定器24上部可放置岩心夹或黏结平板，通过拉绳10提供动力。如有需要，可用砝码调节作用在岩心摩擦面上的法向力。

为了将加热层4的热量进行集中避免散失，提高对载物台3上堵漏材料的加热效果，使堵漏材料可以被加热至350℃，进而使本装置满足深层超深层井的测试要求，因此本装置在加热基台2的侧面设置有隔热保护带6，在加热基台2内设置有位于加热层4下方的隔热反射板5，并取消现有测量装置中设置的恒温液槽。

为了防止丝杆14晃动，使丝杆14转动更加平稳，保证滑动块13稳固移动，降低滑动块13晃动造成的精度影响，因此在基座1上设置位于滑动块13与电机17之间、用于固定丝杆14的固定器15，丝杆14穿过固定器15通过联轴器16与电机17的转轴相连接。固定器15内可以通过设置轴承来减少丝杆14的磨损。

为了防止滑动块13脱轨，在滑动块13的侧面设置有侧板30，位移传感器32为拉绳传感器，拉绳传感器的绳索与侧板30相连接。基座1上设置有两个均与电机控制器20电连接的限位开关31，侧板30位于两个限位开关31之间。

在本发明的一个实施例中，温度显示与控制模块23包括温度设定按键和LED显示屏，LED显示屏用于显示设定温度和实际温度，设定按键用于设置加热温度。测温仪7为主动式红外探头并位于载物台3的边缘或上方，将实时温度数据采集并反馈至加热控制器，加热控制器接收红外探头传感数据并作出相应操作：若实际温度已达或超过设定温度，则控制加热电阻丝停止工作，若实际温度未达设定温度，则继续加热。导轨、滚轮28和车兜43均采用耐腐蚀的不锈钢材料制作。

在具体实施过程中，如图5所示，本装置可通过上位机进行控制与数据搜集，测试前可以进行位移校零和拉力校零，可以以时间为横坐标持续记录测试数据并绘制相应图表，还可以设定运行速度，实现测量过程全方位控制和直观显示。

本装置在使用时，先可以在载物台3上固定一个用于存放堵漏材料的盒子，该盒子的高度低于车体42与载物台3之间的间距，以保证车体42在移动过程中与该盒子无接触。然后通过确定堵漏材料的直径，调节车兜43与盒子内部表面的间距，使该间距大于堵漏材料直径但小于堵漏材料的方式，在车兜43中放入堵漏材料，移动车兜43使堵漏材料单层平铺在小盒中，或者使用胶粘等方式实现堵漏材料单层平铺于小盒中。接着将车兜43放回至测试起点（测试起点已铺设了堵漏材料），在车兜43内添加相同的堵漏材料，将车兜43与盒子内部表面的间距调制为小于堵漏材料直径，防止堵漏材料在测试车9移动过程中从车兜43中漏出。通过本装置带动测试车9移动，并获取相关数据，即可根据摩擦系数计算公式获得被测堵漏材料的相对滑动（胶粘方法）摩擦系数或滚动（平铺方式）摩擦系数，测试过程中可根据需求设置温度，根据需求在车兜43中添加砝码对堵漏材料施加压力。

综上所述，本发明采用测试车9装堵漏材料，通过电机17带动滑动块13进而拉动测试车9，同时测量测试车9的移动速度、滑动块13的位移量（即测试车9的位移量）和对测试车9的拉力大小，根据摩擦系数计算公式即可获取堵漏材料的摩擦系数值。同时本装置还可以通过加热层4对堵漏材料进行加热，模拟室温至350℃的环境。第一导轨12可以引导滑动块13移动，避免滑动块13偏离轨道。此外，加热控制器可根据设定的温度进行升温，并根据测温仪7测得的实际温度自动决定是继续升温还是停止升温，进而自动维持所需温度。

Claims

1.一种钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置，其特征在于，包括基座（1），所述基座（1）上设置有速度传感器、位移传感器（32）、电机控制器（20）、数据采集器（21）、加热组件和传感组件；所述基座（1）的底部设置有水平调整组件；

所述加热组件包括固定在基座（1）上的加热基台（2），所述加热基台（2）的顶端设置有载物台（3），所述载物台（3）下设置有用于放置加热电阻丝的加热层（4）；所述加热基台（2）上设置有加热控制器、加热开关（8）和温度显示与控制模块（23）；所述载物台（3）的上方设置有测温仪（7），载物台（3）的上表面设置第二导轨（29）；所述第二导轨（29）上设置有用于放置被测材料的测试车（9）；所述加热控制器分别与加热电阻丝、加热开关（8）、温度显示与控制模块（23）和测温仪（7）相连接；

所述传感组件包括固定在基座（1）上的第一导轨（12），所述第一导轨（12）上设置有滑动块（13），所述滑动块（13）上设置有拉力测量仪（11），所述拉力测量仪（11）通过拉绳（10）与测试车（9）相连接；所述第一导轨（12）的末端设置有电机（17），所述电机（17）的转轴与丝杆（14）相连接；所述丝杆（14）贯穿所述滑动块（13）并通过转动使滑动块（13）移动；所述电机（17）与电机控制器（20）电连接；所述拉力测量仪（11）与数据采集器（21）电连接；

所述位移传感器（32）用于检测滑动块（13）的位移量，所述速度传感器用于检测测试车（9）的移动速度，位移传感器（32）和速度传感器均与数据采集器（21）电连接；

所述测试车（9）包括顶部与底部均开口的车体（42）和顶部与底部均开口的车兜（43）；所述车体（42）上设置有与第二导轨（29）相配合的滚轮（28）；所述车兜（43）设置在车体（42）内，车兜（43）上设置有至少一个挂耳（46），所述挂耳（46）位于车体（42）外，挂耳（46）上设置有至少一个第二螺纹孔（44），并通过螺栓穿过第二螺纹孔（44）与车体（42）挤压进而将车兜（43）与车体（42）相对固定；所述载物台（3）上设置有用于存放堵漏材料的盒子，所述盒子的高度低于车体（42）与载物台（3）之间的间距。

2.根据权利要求1所述的钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置，其特征在于，所述水平调整组件包括电子水平仪（22）、水平控制器、液压装置（19）和四个液压脚架（18），所述电子水平仪（22）、水平控制器和液压装置（19）设置在基座（1）内，四个所述液压脚架（18）均设置在基座（1）的下表面；所述水平控制器分别电连接电子水平仪（22）和液压装置（19）；液压装置（19）与四个液压脚架（18）相连接。

3.根据权利要求1所述的钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置，其特征在于，所述拉力测量仪（11）包括设置在滑动块（13）上的立板（33），所述立板（33）上设置有用于放置基体（36）的存放槽，所述存放槽的至少一侧设置有限位槽（34）；所述立板（33）上设置有至少一个贯穿至限位槽（34）的第一螺纹孔（35）；

所述基体（36）上设置有与所述限位槽（34）相匹配的限位板（37），所述基体（36）的前端设置有拉力传感器（40），所述拉力传感器（40）朝向测试车（9）的一端设置有第二拉绳连接器（41）。

4.根据权利要求3所述的钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置，其特征在于，所述基体（36）上设置有至少一个定位板（38），所述定位板（38）上设置有至少一个光束发生器（39）。

5.根据权利要求1所述的钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置，其特征在于，所述车体（42）朝向拉力测量仪（11）的一端设置有至少一个拉力测量仪定位参考点（45）和用于连接拉绳（10）的第一拉绳连接器（25）。

6.根据权利要求1所述的钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置，其特征在于，所述载物台（3）上还设置有岩心固定器（24）；所述加热基台（2）的侧面设置有隔热保护带（6）；加热基台（2）内设置有位于加热层（4）下方的隔热反射板（5）。

7.根据权利要求1所述的钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置，其特征在于，所述基座（1）上设置有位于滑动块（13）与电机（17）之间、用于固定丝杆（14）的固定器（15），所述丝杆（14）穿过固定器（15）通过联轴器（16）与电机（17）的转轴相连接。

8.根据权利要求1所述的钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置，其特征在于，所述滑动块（13）的侧面设置有侧板（30），所述位移传感器（32）为拉绳传感器，所述拉绳传感器的绳索与侧板（30）相连接。

9.根据权利要求8所述的钻井堵漏材料摩擦系数的测量装置，其特征在于，所述基座（1）上设置有两个均与电机控制器（20）电连接的限位开关（31），所述侧板（30）位于两个限位开关（31）之间。