CN111965006B - 一种泥页岩颗粒强度测试仪及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种泥页岩颗粒强度测试仪及其测试方法。所述测试仪包括测试模块、控制模块和数据采集模块，测试模块包括支撑单元、施压单元、测试容器和样品收集器，施压单元包括通过由可拆卸连接方式相连的连接杆和施压盘组成的施压件，施压件能够在施压单元的驱动下上下移动，测试容器包括被配置为能够刚好容纳施压盘在其中上下自由滑动中空结构的样品室。本发明的泥页岩颗粒强度测试方法，可以对暴露于特定溶液中的泥页岩颗粒强度变化进行定量测试。对于泥页岩滚动回收率均大于90％的处理剂或钻井液配方，通过本发明可从泥页岩颗粒强度变化方面进行进一步的对比分析，从而筛选出更优的处理剂或钻井液配方。

Description

一种泥页岩颗粒强度测试仪及其测试方法

技术领域

本发明涉及石油及天然气行业试验设备技术领域，特别是涉及测定泥页岩颗粒强度的测试仪及其测试方法，用于评价不同处理方式对泥页岩颗粒强度的影响，便于对处理剂或钻井液体系进行评价与优选。

背景技术

黏土矿物大量存在于碎屑岩地层中，具有极强的亲水特性，易与水发生水合作用，导致黏土矿物水化，降低含黏土矿物岩石强度，同时黏土矿物不断细分散于钻井液中，极易引发多种工程技术问题。目前，国内外用于抑制黏土水化的处理剂种类繁多，其作用机理主要是通过晶格固定拉扯、压缩双电层、包被、表面改性、活度平衡、封堵等实现。不同的抑制剂其作用机理不同，因而抑制作用效果不同，现常采用主要包括膨润土抑制性测试、热滚回收试验、线性膨胀试验等方法对于抑制作用效果进行性能评价。膨润土抑制性测试主要是通过测定膨润土水溶液黏度变化实现定量分析，热滚回收试验主要是通过测试样品滚动回收率大小进行定量评价，线性膨胀试验则是通过测定测试样品膨胀率大小实现对比分析。膨润土抑制性测试与线性膨胀试验仅能从抑制膨胀方面进行评价分析，滚动回收实验虽能对泥页岩颗粒水化分散情况进行有效评价，但上述评价方法均不能定量分析泥页岩颗粒强度的变化。同时，在进行处理剂优选或钻井液配方评价时，当出现滚动回收率均大于90％以上的情况时，也并不一定能说明两者在泥页岩稳定性能上作用效果相近，因为较高的泥页岩滚动回收率并不能保证较高的泥页岩硬度。因此，开展泥页岩颗粒硬度评价可作为常规滚动回收试验的一个有效补充，同时也能反应泥页岩经水基流体浸泡以后其岩石颗粒强度大小的变化情况。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了了一种泥页岩颗粒强度测试仪，能够至少解决上述现有技术存在的至少一种缺陷和不足。所述测试仪包括测试模块，测试模块包括支撑单元、施压单元、测试容器、样品收集器、位移传感器和水准泡。其中，施压单元包括通过由可拆卸连接方式相连的连接杆和施压盘组成的施压件，施压件能够在施压单元的驱动下实现上下移动。测试容器包括样品室，样品室被配置为能够刚好容纳施压盘在其中上下自由滑动中空结构；所述支撑单元包括底座、横梁和支撑柱，横梁通过支撑柱与底座相固定，所述施压单元还包括液压供压泵和柱塞，液压供压泵固定于横梁上，柱塞设置在液压供压泵中且能够在液压驱动下实现上下移动，柱塞通过可拆卸连接方式与所述连接杆相连，所述位移传感器被安装在施压单元上，且能够反馈施压件上下移动的距离，所述样品收集器被设置在底座上，所述测试容器设置在样品收集器上，所述水准泡被设置在支撑单元上，且能够指示所述测试仪是否处于水位状态。

本发明另一方面还提供了一种使用上述泥页岩颗粒强度测试仪来实现对泥页岩颗粒强度测试的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：对于暴露于特定溶液中的泥页岩颗粒，可通过该测试仪对其颗粒强度大小变化进行定量测定，避免了原有的人为估判；对于泥页岩滚动回收率均大于90％的处理剂或钻井液配方，可通过本发明的测试仪和测试方法从泥页岩颗粒强度变化方面来进行进一步的对比分析，从而筛选出更优的处理剂或钻井液配方；可作为现有泥页岩水化评价方法的有效补充；可对泥页岩水化后颗粒强度定量评价，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的泥页岩颗粒强度测试仪的一个示例性实施例的结构示意图；

图2为本发明的泥页岩颗粒强度测试仪的一个示例性实施例的剖面图；

图3为本发明的泥页岩颗粒强度测试仪的一个示例性实施例中的施压件的结构示意图；

图4为本发明的泥页岩颗粒强度测试仪的一个示例性实施例中的测试容器的结构示意图，其中，左图为测试容器的主视图，右图为剖视图；

图5为本发明的泥页岩颗粒强度测试仪的一个示例性实施例中的样品收集器的结构示意图，其中，左上图为样品收集器18的立体图，右上图为俯视图，左下图为剖视图。

附图标记说明如下：

1-测试模块，2-控制模块，3-数据采集模块，10-底座，11-支撑柱，12-横梁，13-液压供压泵，14-柱塞，15-位移传感器，16-施压件，161-连接杆，162-施压盘，17-测试容器，171-样品盖，172-样品室，18-样品收集器，181-方形承压刚体框架结构，182-高强度多孔隔离板，183-岩屑箱，19-水准泡，20-箱体，21-电源开关，22-电源指示灯，23-压力表，24-显示屏，25-操作面板，26-紧急制动按钮，27-泄压按钮，28-液压缸，29液压管路，30-数据线。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的泥页岩颗粒强度测试仪及其测试方法。

实施例1

在本示例性实施例中，泥页岩颗粒强度测试仪包括测试模块。测试模块包括支撑单元、施压单元、测试容器、样品收集器、位移传感器和水准泡。

支撑单元是整个测试仪的框架，可以包括底座、支撑柱和横梁。底座能够用于放置收集器和测试容器，且能够承受施压单元施加的压力。支撑柱连接底座和横梁，能够将横梁固定在底座上。横梁能够固定施压单元的一部分，如提供施压压力的供压件，如液压供压泵、气压供压泵等。支撑单元可以是由几部分组装构成的，如底座、支撑柱和横梁组成，也可以是一体化成型的，如机加成形。

施压单元包括通过由可拆卸连接方式相连的连接杆和施压盘组成的施压件，可拆卸连接方式可以是例如螺纹连接、卡扣连接等。连接杆能够连接施压盘和供压部件，使得施压盘能够将供压部件提供的力传递至测试样品上进行施压。施压单元还包括固定于横梁的供压件和柱塞，供压件能够提供预定数值的压力，柱塞能够将供压件提供的压力传递至施压件的连接杆和施压盘，使得施压件能够在施压单元的供压件的驱动下实现上下移动。上方向是指供压件供压时施压件的移动方向，下方向是指供压件泄压时施压件的移动方向。

测试容器包括样品室，样品室被配置为能够刚好容纳施压盘在其中上下自由滑动中空结构且样品室内设置有刻度线。如样品室为中空圆筒结构，施压盘为预定厚度的光滑圆盘，圆筒的内径刚好等于圆盘的外径，以达到能使得施压盘能够刚好在样品室内上下自由滑动。刻度线可以是一根刻度线或是均匀设置的若干根刻度线，以衡量样品室内测试样品的数量或高度变化。样品室还可以包括能够通过可拆卸连接方式，如螺纹连接，和样品室上端进行连接的样品盖，样品室上端指的是样品室以施压件移动方向为坐标系中的上端。样品盖上还设置有能够使连接杆进行上下滑动的小孔，如和圆形连接杆匹配的圆形小孔。

样品收集器可包括承压刚体框架结构、高强度多孔隔离板、岩屑箱和密封圈。承压刚体框架结构能够承受施压单元传递至样品收集器的压力，以保证样品收集器的结构完好，例如方形刚体框架结构。承压刚体框架结构上设置有与测试容器的样品室相匹配的收集入口，如和圆筒形样品室匹配的圆形收集入口。承压刚体框架结构能够通过该收集入口与样品室下端的可拆卸连接方式，如螺纹连接来实现与测试容器相连，样品室下端指的是样品室以施压件移动方向为坐标系中的下端。高强度多孔隔离板被配置为具有至少一个均匀分布圆形开孔。岩屑箱与高强度多孔隔离板能够重叠后设置于承压刚体框架结构内，使得岩屑箱能够收集在压力作用下从测试容器中通过高强度多孔隔离板的样品。高强度多孔隔离板与样品室可设置一个密封圈进行密封，使得测试样品能够更好地通过高强度多孔隔离板。

位移传感器能够测量施压件上下移动的位移值，如直线位移传感器、光电式位移传感器等，且能够根据位移测量原理的不同安装在支撑单元或是施压单元的相应位置，例如使用激光测距原理的激光式位移传感器可以安装在柱塞上。

水准泡设置在支撑单元上，能够显示测试仪是否处于水平状态，以保证在测试时样品室内测试样品受到压力的方向固定且大小均匀。

使用本发明的测试仪进行测试时，先将测试样品放置于样品室内，使样品高度刚好与指定刻度线齐平，然后将连接杆穿过样品盖上的小孔分别与施压盘和柱塞相连。控制供压件施压，使施压盘刚好碰到测试样品，连接样品盖与样品室。将位移传感器记录的位移值清零，然后控制供压件继续供压，从而使得施压件能够对测试样品施加压力。控制方式可以是手动或者自动控制。在随后的试压过程中，记录位移传感器数值与压力变化值。施压结束后，拆卸样品盖与样品室。随后控制供压件泄压，使得施压件上移且远离测试样品。取出测试样品并测量其压实后的尺寸高度。清洁测试仪，结束测试。此时可通过综合分析位移变化距离与压力值大小对比测试岩样的颗粒强度。在相同位移变化距离下，压力值越大测试岩样其颗粒强度越强；或者相同压力值下，位移距离越短的测试岩样其颗粒强度越强。同时，可将压实后的岩样取出，通过对比压实高度与颗粒大小进行对比分析，压实高度越高、颗粒越大，其颗粒强度越高。

实施例2

在本发明的另一个示例性实施例中，泥页岩颗粒强度测试仪还可在上述实施例1的基础上，进一步包括控制模块和数据采集模块。

具体来讲，控制模块包括箱体、液压缸、液压管路、控制面板和显示模块。其中，液压缸通过液压管路与施压单元相连，液压缸内液压油能够通过液压管路往返于液压缸和施压单元，从而实现加压或泄压，液压缸和部分液压管路封装在所述箱体内。控制面板包括均嵌入所述箱体表面的电源开关、操作面板、紧急制动按钮和泄压按钮。

显示模块包括均嵌入所述箱体表面的电源指示灯、压力表和显示屏。压力表能够显示施压单元施压的压力和测试得到的颗粒强度值。显示屏能够实时显示所述位移传感器记录的位移和测试得到的颗粒强度值。控制模块与测试模块和数据采集模块相连。数据采集模块能够采集所述位移传感器和压力表的数值并通过数据线传递至外部数据分析系统。

实施例3

如图1～5所示，用于测定泥页岩颗粒强度的测试仪包括测试模块、控制模块与数据采集模块。

其中，测试模块包括底座10、支撑柱11、横梁12、液压供压泵13、柱塞14、位移传感器15、施压件16、测试容器17、样品收集器18、水准泡19。底座10用于支撑整个测试模块，其上连接有四根支撑柱11、样品收集器18、水准泡19，其中样品收集器18用于收集测试过程中挤压出的岩屑、水准泡19用于指示仪器是否处于水平状态。四根支撑柱11上支撑着横梁12，液压供压泵13固定在横梁12上，液压供压泵13中的柱塞14在液压驱动下可上下移动，向下移动可施加正向压力，向上移动实现压力泄压。位移传感器15安装在柱塞14上，测试过程中，通过位移传感器15监测柱塞14的移动距离变化情况。施压件16与柱塞14相连，并随柱塞14一起移动，通过压力传递将液压供压泵13提供的压力施加到测试样品上。施压件16是由连接杆161与施压盘162组成，连接杆161通过螺纹与柱塞14以及施压盘162相连，施压盘162为具一定厚度的光滑圆形部件，通过向下移动可对泥岩颗粒测试样品施压。测试容器17是由样品盖171与样品室172组成。样品盖171中部位置存在中空小孔，连接杆161可通过中空小孔上下自由活动。样品室172为中空圆筒结构，其中空内径大小可刚好容纳施压盘162上下自由活动。样品盖171通过螺纹与样品室172相连。样品收集器18是由方形承压刚体框架结构181、高强度多孔隔离板182、岩屑箱183、密封圈184组成。方形承压刚体框架结构181其强度可支撑上部加压操作，通过螺纹与样品室172连接。高强度多孔隔离板182为圆形结构，隔离板设有开孔，若测试样品强度低且软，在压力作用下测试样品变形后可通过开孔进入岩屑箱183。岩屑箱183用于收集由于变形、软化后通过高强度多孔隔离板182的测试岩样。密封圈184置于多孔隔离板182与样品室172之间，起密封作用。

控制模块2包括箱体20、液压缸28、液压管路29、控制面板和显示面板。液压缸28通过液压管路29与施压单元的液压供压泵13相连，液压缸28内液压油能够通过液压管路29往返于液压缸28和施压单元的液压供压泵13，从而实现加压或泄压，液压缸28和部分液压管路29封装在箱体20内。

控制面板包括均嵌入箱体表面的电源开关21、操作面板25、紧急制动按钮26和泄压按钮27。电源开关21可以开关测试仪器。操作面板25能够控制施压单元的加压和泄压，从而控制施压件的上移、下移和移动速度，还能够对位移传感器15进行复位清零。紧急制动按钮26能够立即暂停施压单元供压件的供压和泄压，从而实现施压件16的制动，在本实施例中的供压件为液压供压泵13。泄压按钮能够快速实现供压件的泄压，从而实现施压件的快速上移。

显示模块能够提供人机交互功能，包括均嵌入箱体表面的电源指示灯22、压力表23和显示屏24。电源指示灯22能够指示测试仪的供电情况，即电源开关是否打开或电源开关所接入的电力系统是否成功提供电力。电源指示灯22能够方便操作员判断测试仪的供电情况。压力表23能够读取施压单元施压的压力值，该值即代表当前位移条件下测试样品的颗粒强度值。显示屏24能够实时显示并记录位移传感器15记录的位移值与压力表23读取的压力值即当前位移条件下测试得到的颗粒强度值。

数据采集模块3与控制模块和测试模块相连，并且能够采集记录位移传感器15记录的位移数据以及压力表23记录的压力值，从而得到位移距离变化与颗粒强度间的对应关系，即不同位移变化对应的颗粒强度值。数据采集模块3可通过数据线与外部数据分析系统相连接，从而实现测试数据的采集。

控制模块和采集模块的加入能够实现测试仪的自动化和更优的操作体验，同时自动记录数据也能够保证在多次测量中的数据记录的可靠性和高效性。

在本发明的另一个示例性实施例中，泥页岩颗粒强度的测试方法通过如上述实施例3的泥页岩颗粒强度测试仪来实现，其具体步骤可包括：

①样品制备：筛取6-10目泥页岩岩样烘干待用，将上述岩样采用滚动回收实验方法进行样品处理后，筛取颗粒尺寸≥10目的处理岩样(可称为待测样)用于测试。

②测试前准备：将待测样放置于泥页岩颗粒强度测试仪样品室172中，测试样品用量需与样品室172中的刻度线齐平；连接施压盘162与连接杆161，连接杆161穿过样品盖171上的中空小孔与柱塞14连接；打开电源开关21，由操作面板25设置柱塞14下移速度，按下行键，柱塞14下移，当施压盘162与测试岩样间刚好接触时，按停止键，停止移动；将样品盖171与样品室172相连。

③测试：通过操作面板25，将位移数据归零，按下行键，开始测试；测试过程中，显示屏24实时显示位移与颗粒强度值，数据采集模块3通过数据线30获取实时位移与颗粒强度数值；

④测试结束：通过操作面板25，按停止键，拆卸样品盖171与样品室172，调节柱塞14上移速度，按上行键使柱塞14上移，当柱塞14移出样品室172后，按停止键停止移动；拆卸连接杆161与柱塞14、测试容器17与样品收集器18间的连接，取出样品室172中的压制岩样，测量其压实后的尺寸高度；最后，关闭电源开关21，清洁测试仪器，结束实验。

测试结果分析时，可对比分析相同位移变化条件下测试岩样的颗粒强度值以及相同位移变化条件下压实后的测试岩样高度进行分析；相同位移变化条件下，颗粒强度值或压实后的测试岩样高度越高，处理剂或钻井液性能越优越。

综上所述，本发明提供的泥页岩颗粒强度测试仪及其测试方法，能够定量测量暴露于特定溶液中的泥页岩颗粒强度，进而可以对泥页岩滚动回收率均大于90％的处理剂或钻井液配方进行评价筛选，具有广阔的应用前景。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (6)

1.一种泥页岩颗粒强度测试仪，其特征在于，包括具有支撑单元、施压单元、测试容器、样品收集器、位移传感器和水准泡的测试模块，其中，

所述施压单元包括由通过可拆卸连接方式相连的连接杆和施压盘组成的施压件，所述施压件能够在施压单元的驱动下实现上下移动，所述测试容器包括样品室，所述样品室被配置为具有能够刚好容纳施压盘在其中上下自由滑动的中空结构；

所述支撑单元包括底座、横梁和支撑柱，横梁通过支撑柱与底座相固定，所述施压单元还包括液压供压泵和柱塞，液压供压泵固定于横梁上，柱塞设置在液压供压泵中且能够在液压驱动下实现上下移动，柱塞通过可拆卸连接方式与所述连接杆相连，所述位移传感器被安装在施压单元上，且能够反馈施压件上下移动的距离，所述样品收集器被设置在底座上，所述测试容器设置在样品收集器上，所述水准泡被设置在支撑单元上，且能够指示所述测试仪是否处于水平状态；

所述样品收集器包括承压刚体框架结构、高强度多孔隔离板、岩屑箱和密封圈，所述承压刚体框架结构上设置有与测试容器相匹配的收集入口，且承压刚体框架结构能够通过该收集入口与样品室下端的可拆卸连接方式来实现与测试容器相连，所述高强度多孔隔离板被配置为具有至少一个均匀分布的圆形开孔，所述岩屑箱与高强度多孔隔离板能够重叠后设置于承压刚体框架结构内，高强度多孔隔离板与样品室下端通过所述密封圈以密封方式连接，且所述岩屑箱能够收集在压力作用下从测试容器中通过高强度多孔隔离板的样品。

2.根据权利要求1所述的泥页岩颗粒强度测试仪，其特征在于，所述施压盘为预设厚度的光滑圆形部件，所述样品室为中空圆筒结构，且样品室内设置有刻度线，所述测试容器还包括能够通过可拆卸连接方式和样品室连接的样品盖，样品盖上设置有能够供所述连接杆进行上下滑动的小孔。

3.根据权利要求1所述的泥页岩颗粒强度测试仪，其特征在于，所述样品收集器还能够半嵌入底座内或完全嵌入底座内。

4.根据权利要求1所述的泥页岩颗粒强度测试仪，其特征在于，还包括控制模块和数据采集模块，所述控制模块包括箱体、液压缸、液压管路、控制面板和显示模块，所述液压缸通过液压管路与施压单元相连，液压缸内液压油能够通过液压管路往返于液压缸和施压单元，从而实现加压或泄压，液压缸和部分液压管路封装在所述箱体内；所述控制面板包括均嵌入所述箱体表面的电源开关、操作面板、紧急制动按钮和泄压按钮；所述显示模块包括均嵌入所述箱体表面的电源指示灯、压力表和显示屏，所述压力表能够显示施压单元施压的压力和测试得到的颗粒强度值，所述显示屏能够实时显示所述位移传感器记录的位移和测试得到的颗粒强度值；所述控制模块与测试模块和数据采集模块相连；所述数据采集模块能够采集所述位移传感器和压力表的数值并通过数据线传递至外部数据分析系统。

5.一种泥页岩颗粒强度的测试方法，其特征在于，所述测试方法使用如权利要求1至4中任意一项所述的测试仪来实现对泥页岩颗粒强度的测试。

6.根据权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述方法包括样品制备、测试前准备、测试、测试结束和测试结果分析四个顺序步骤，其中，

所述样品制备步骤包括：筛取颗粒尺寸为6至10目泥页岩岩样烘干，将烘干后的上述岩样采用滚动回收试验方法处理，选取颗粒尺寸大于或等于10目的岩样作为待测岩样；

所述测试前准备步骤包括：将上述待测岩样放置于样品室中且待测岩样需与样品室刻度线齐平，将连接杆穿过样品盖上小孔与施压盘和柱塞相连，打开电源开关，由操作面板设置柱塞下移速度，按下行键使柱塞开始下移，当柱塞下移使施压盘与待测岩样刚好接触时按停止键使柱塞停止移动，将样品盖与样品室相连；

所述测试步骤包括：通过操作面板将位移数据归零，按下行键使柱塞开始下移；

所述测试结束步骤包括：通过操作面板按停止键停止柱塞下移，调节柱塞上移速度，按上行键使柱塞上移，当施压盘移出样品室刻度线后按停止键停止柱塞移动，拆卸样品盖与样品室、连接杆与柱塞和测试容器与样品收集器间的连接，取出样品室中的压制岩样，关闭电源开关、清洁测试仪器并结束测试；

所述测试结果分析步骤包括：测量测试岩样压实后的尺寸高度，对比分析相同位移变化条件下测试岩样的颗粒强度值以及相同位移变化条件下压实后的测试岩样高度进行分析；相同位移变化条件下，颗粒强度值或压实后的测试岩样高度越高，处理剂或钻井液性能越优越。