CN113188928B - 一种固井水泥冲击力学性能测试仪及测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固井水泥冲击力学性能测试仪及测试装置，测试仪，包括冲击模块、传感模块和用于连接外部结构的连接头，所述冲击模块可在转动并模拟钻头下放时对井壁的不同冲击状态，使得测试更为全面从而得到一个全面的测试数据。测试装置采用测试仪，还包括操作台和伸缩缸，所述伸缩缸通过多块固定板悬固与操作台；所述测试仪与所述伸缩缸的伸缩端相接。通过伸缩缸将测试仪送入井筒内需要进行水泥强度检测的位置完成检测工作，实现了井筒内水泥强度的现场检测。

Description

一种固井水泥冲击力学性能测试仪及测试装置

技术领域

本发明涉及固井技术领域，具体涉及一种固井水泥冲击力学性能测试仪及测试装置。

背景技术

在固井水泥的施工过程中，井内壁由表层套管，以及包裹在套管外围的水泥构成，即固井水泥，为了确保固井水泥的强度，以确保钻杆与钻头伸入井内时误触内壁不会造成井的崩塌，在开钻施工前需要对固井水泥的冲击力学性能进行测试，现有技术中没有专门针对现场井壁上水泥强度进行测试的仪器，而针对后续钻头的下放过程，冲击作用的撞击方向并非垂直于水泥表面，因此现有的水泥强度检测仪检测不适用固井水泥的测试，还有，撞击测试时仅针对水泥破碎时的作用力进行测试，测试过程难以整体观察，不全面。

发明内容

本发明目的在于提供一种固井水泥冲击力学性能测试仪及测试装置，实现对井壁水泥强度的现场测试，同时可模拟钻头下放时对井筒内壁不同的撞击状态。

本发明通过下述技术方案实现：

一种冲击力学性能测试仪，包括冲击模块、传感模块和用于连接外部结构的连接头，所述冲击模块包括气缸和接触球，所述气缸转动连接于连接头，且所述气缸能够在竖直平面内转动；

所述气缸的活塞杆a与接触球连接，所述接触球用于冲击被测试部位；

所述传感模块包括传感器安装板、碰撞块和用于检测冲击力大小的传感器，所述传感器安装板可调连接于气缸；

所述碰撞块设置于活塞杆a，所述传感器设置于传感器安装板，当所述碰撞块冲击传感器时完成冲击检测。为有效模拟钻头在下放时不同的撞击状态，本发明提供一种冲击力学性能测试仪，本测试仪通过控制驱动缸的活塞杆b的伸缩，从而确保当驱动缸的活塞杆b收缩时，气缸缸体能够以转轴为轴向下转动，当驱动缸活塞杆b伸长时，气缸缸体能够以转轴为轴向上转动，从而达到调节接触球撞击井壁时的施力角度的作用，使得测试更为灵活及全面，且有效的模拟出钻头下放时对井壁的不同状态的冲击。

进一步的技术方案：

所述传感器安装板包括水平段和折弯段，所述水平段滑动设置于气缸缸体侧壁，所述折弯段可沿活塞杆a的轴线方向移动；

进一步的：所述传感器设置于所述折弯段，且在检测过程中所述碰撞块能够对所述传感器形成冲击。

进一步的：所述气缸通过其底部的转动连接部连接于连接头，所述气缸可绕转动连接部实现竖直平面内的转动。

进一步的：还包括用于驱动气缸转动的驱动缸，所述驱动缸的缸体嵌于连接头内，所述驱动缸的活塞杆b与气缸铰接。

进一步的：测试仪还包括可伸缩支撑杆，所述可伸缩支撑杆设置于气缸，且所述可伸缩支撑杆的动作与接触球的动作互不影响；

进一步的：所述可伸缩支撑杆远离连接头的一端为电热杆；

进一步的：所述可伸缩支撑杆伸长后所述电热杆的支撑点靠近被测部位。

进一步的：所述水平段沿长轴方向开设有一道引导槽，所述气缸靠近所述水平段的侧面上设置有引导柱，所述引导柱插入引导槽，且所述引导柱可在引导槽内滑动；

进一步的：测试仪还包括用于固定所述传感器安装板的锁紧螺栓，所述锁紧螺栓穿过引导槽固定于气缸缸体，所述锁紧螺栓放松时可调节所述传感器安装板的位置，所述锁紧螺栓拧紧时可固定所述传感器安装板的位置。

一种固井水泥冲击力学性能测试装置，采用权利要求1～6任意一项所述测试仪，还包括操作台和伸缩缸，所述伸缩缸通过多块固定板悬固与操作台；所述测试仪与所述伸缩缸的伸缩端相接。针对目前固井施工作业中没有能够现场完成对水泥强度检测的设备，本发明提供一种采用上述测试仪的固井水泥冲击力学性能测试装置，本装置通过伸缩缸和活塞杆c将测试仪送入井筒内需要进行水泥强度检测的位置，并通过测试仪中的接触球、气缸和活塞杆a完成水泥的冲击测试，在测试过程中，由气缸缸体带动加长杆伸出，使得接触球与井内壁的套管接触，产生冲击实现冲击试验，与此同时碰撞块撞击传感器，由传感器将电信号反馈给信息处理单元对电信号进行处理，并输送给数显单元进行显示，方便操作人员直观准确的观察检测结果；

进一步的技术方案：

所述伸缩缸沿竖直方向设置，且所述活塞杆c朝下；

进一步的：所述活塞杆c与连接头相接。

进一步的：测试装置包括显示装置，所述显示装置包括信息处理单元、数显单元和供电单元，所述传感器、信息处理单元、数显单元和供电单元间均采用电连接。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种固井水泥冲击力学性能测试仪及测试装置，通过控制驱动缸的活塞杆b的伸缩，从而实现当驱动缸的活塞杆b收缩时，气缸缸体能够以转动部为轴向下转动，当驱动缸的活塞杆b伸长时，气缸缸体能够以转动部为轴向上转动，从而达到调节接触球撞击井壁时的施力角度的作用，使得测试更为灵活及全面，且有效的模拟出钻头下放时对井壁的不同状态的冲击；

2、本发明一种固井水泥冲击力学性能测试仪及测试装置，由气缸驱动接触球，使得接触球与井内壁的套管接触，产生冲击实现冲击试验，与此同时碰撞块撞击传感器，由传感器将电信号反馈给信息处理单元对电信号进行处理，并输送给数显单元进行显示，方便操作人员直观准确的观察检测结果；

3、本发明一种固井水泥冲击力学性能测试仪及测试装置，通过伸缩缸将测试仪送入井筒内需要进行水泥强度检测的位置完成检测工作，实现了井筒内水泥强度的现场检测。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为一种固井水泥冲击力学性能测试装置结构示意图；

图2为一种冲击力学性能测试仪结构示意图一；

图3为一种冲击力学性能测试仪结构示意图二；

图4为一种冲击力学性能测试仪结构示意图三；

图5为一种冲击力学性能测试仪结构局部示意图；

图6为图三A处结构放大示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-操作台，2-固定板，3-测试仪，4-伸缩缸，5-活塞杆c，6-连接头，7-气缸，8-活塞杆a，9-接触球，10-水平段，11-折弯段，12-传感器，13-碰撞块，14-引导槽，15-活塞杆b，16-锁紧螺栓，17-引导柱，18-驱动缸，19-铰接头，20-滑动盒，21-连接轴，22-引导杆，23-固定块，24-固接板，25-可伸缩支撑杆，26-电热杆，27-显示装置，28-嵌入槽，29-转动连接部，30-转轴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图2～6所示，本发明一种冲击力学性能测试仪，包括冲击模块、传感模块和用于连接外部结构的连接头6，所述冲击模块包括气缸7和接触球9，所述气缸7转动连接于连接头6，且所述气缸7能够在竖直平面内转动；本实施例中所述气缸7可在竖直平面内转动，从而带动连接与其上用于冲击力检测结构来模拟出钻头在下放过程中对井壁的不同冲击状态，来实现全面且准确地测试。

所述气缸7的活塞杆a8与接触球9连接，所述接触球9用于冲击被测试部位；

所述传感模块包括传感器安装板、碰撞块13和用于检测冲击力大小的传感器12，所述传感器安装板可调连接于气缸7；本实施例通过碰撞块13撞击传感器12的里来间接表示接触球9对井壁的冲击力大小。

所述碰撞块13设置于活塞杆a8，所述传感器12设置于传感器安装板，当所述碰撞块13冲击传感器12时完成冲击检测。本实施例中所涉及的测试仪能够改变其接触球9对井壁的冲击角度，从而来较为全面模拟出钻井工作中，钻头在下放过程中对于井壁的冲击情况，然后针对不同的情况分别进行冲击力检测，从而实现较为全面的检测，并得到一个较为全面的检测结果，为后期施工提供有力的基础支撑，保障施工的安全有效的进行。

所述传感器安装板包括水平段10和折弯段11，所述水平段10滑动设置于气缸7缸体侧壁，所述折弯段11滑动套接于活塞杆a8；所述传感器12设置于所述折弯段11，且在检测过程中所述碰撞块13能够对所述传感器12形成冲击。在工作过程中因首先确定传感器12的位置，其位置应该保证在接触球9刚好对井壁产生冲击力时，碰撞块13也刚好对传感器12产生一个同等大小的冲击力。本实施例中传感器安装板主要用于确定在测试过程中传感器12的位置，保证传感器12能够准确的检测到接触球9对于井筒内壁的冲击力；水平段10起到水平定位的目的，确保接触球9对井壁产生冲击时，传感器12刚好能检测到冲击力大小；折弯段11为传感器的安装提供场所；具体的所述传感器安装板沿活塞杆a8的轴线方向移动进而确定传感器的安装位置。

所述气缸7通过其缸体底部的转动连接部29连接于连接头6，所述气缸7可绕转动连接部29实现竖直平面内的转动。为实现气缸7可在竖直平面内转动的目的，本实施例中在气缸7底部设置转动连接部29，使得气缸7能够绕着转动连接部29实现竖直平面内的转动，从而模拟钻头在下放过程中对井壁不同的冲击状态。

测试仪还包括用于驱动气缸7转动的驱动缸18，所述驱动缸18的缸体嵌于连接头6内，所述驱动缸18的活塞杆b15与气缸7铰接。为实现气缸7绕转动连接部29在竖直平面内转动的目的，本实施例采用驱动缸18为此动作提供动力，通过控制驱动缸的活塞杆b15的伸缩，从而实现当驱动缸的活塞杆b15收缩时，气缸7缸体能够以转动部为轴向下转动，当驱动缸18的活塞杆b15伸长时，气缸7缸体能够以转动部为轴向上转动，从而达到调节接触球9撞击井壁时的施力角度的作用。

测试仪还包括可伸缩支撑杆25，所述可伸缩支撑杆25设置于气缸7，且所述可伸缩支撑杆25的动作与接触球9的动作互不影响；所述可伸缩支撑杆25远离连接头6的一端为电热杆26；所述可伸缩支撑杆25伸长后所述电热杆26的支撑点靠近被测部位。本实施例中，为了满足不同尺寸井筒的使用，采用可伸缩支撑杆25来对测试仪进行限位，在测试时，通过控制可伸缩支撑杆25伸长，使得电热杆26与井筒内套管接触，电热杆26发热融化管壁并插入其中，从而实现对测试仪的限位，可以减轻撞击时晃动现象；且本实施例中为了更好的避免可伸缩支撑杆25和接触球9间的动作发生干涉，将可伸缩支撑杆25通过一块固接板24与气缸7的缸体相接，同时保证可伸缩支撑杆25与接触球9相对于井壁的角度一致，进而提高可伸缩支撑杆25的支撑效果。

所述水平段10沿长轴方向开设有一道引导槽14，所述气缸7靠近所述水平段10的侧面上设置有引导柱17，所述引导柱17插入引导槽14，且所述引导柱17可在引导槽14内滑动；还包括用于固定所述传感器安装板的锁紧螺栓16，所述锁紧螺栓16穿过引导槽14固定于气缸7缸体，所述锁紧螺栓16放松时可调节所述传感器安装板的位置，所述锁紧螺栓16拧紧时可固定所述传感器安装板的位置。为了实现传感器安装板位置的调节以及位置的固定，在冲击测试前需要先通过调整传感器安装板来调整传感器12的位置，此时松开锁紧螺栓16并且以引导柱17为导向来调整传感器安装板的水平位置，调整好位置后通过锁紧螺栓16对其进行固定，从而确定传感器12的位置，保证测试时接触球9冲击井壁的同时，碰撞块13能够冲击传感器12实现用传感器12的受力值来间接反映接触球9对井壁的冲击力大小。

实施例2：

如图1所示，一种固井水泥冲击力学性能测试装置，采用权利要求1～6任意一项所述测试仪3，还包括操作台1和伸缩缸4，所述伸缩缸4通过多块固定板2悬固与操作台1；所述测试仪3与所述伸缩缸4的伸缩端相接。本实施例中提供一种采用上述测试仪的固井水泥冲击力学性能测试装置，本装置通过伸缩缸4和活塞杆c5将测试仪3送入井筒内需要进行水泥强度检测的位置，并通过测试仪3中的接触球9、气缸7和活塞杆a8完成水泥的冲击测试，在测试过程中，由气缸7缸体带动活塞杆a8伸出，使得接触球9与井内壁的套管接触，产生冲击实现冲击试验，与此同时碰撞块13撞击传感器12，由传感器12将电信号反馈给信息处理单元对电信号进行处理，并输送给数显单元进行显示，方便操作人员直观准确的观察检测结果；

所述伸缩缸4沿竖直方向设置，且所述活塞杆c5朝下；所述活塞杆c5与连接头6相接。

包括显示装置27，所述显示装置包括信息处理单元、数显单元和供电单元，所述传感器12、信息处理单元、数显单元和供电单元间均采用电连接。本实施例中传感器12所采集到的冲击力信息，反馈给信息处理单元进行处理，并输送给竖线单元进行显示，方便操作人员支管准确的观察检测结果。

实施例3：

在实施例1的基础上，本实施例中提供一种气缸7与连接头6间的具体连接关系，具体技术特征如下：在所述连接头6上开设嵌入槽28，所述转动连接部29上设置有转轴30，所述转动连接部29嵌入所述嵌入槽28内，且所述转轴30与嵌入槽28实现转动连接；所述嵌入槽28在竖直方向内存在空间能够保证所述转动连接部29能够绕着所述转轴30在竖直方向内转动，进而调整接触球9冲击井壁的角度，来满足模拟钻头下放过程中钻头对井壁形成冲击的不同状态。本实施例提供的这种连接方式将转动部位隐藏于连接头6内，其能够在提高此处转动连接顺畅性的同时有效的保护转动连接的具体结构，延长其使用寿命。

实施例4：

在实施例1的基础上，本实施例中提供一种气缸7与驱动缸18间的具体连接关系，所述连接结构包括驱动缸18、铰接头19、滑动盒20、连接轴21和引导杆22，所述驱动缸18的活塞杆b端头设置有铰接头19，所述铰接头19通过连接轴21与滑动盒20可转动连接；所述滑动盒20与所述引导杆22滑动连接；两个所述固定块23设置于所述气缸7缸体的一侧，且两个所述固定块23之间的距离与引导杆22适配，所述引导杆22卡接于两个所述固定块23之间。本实施例中，引导杆22能够保证与其连接的滑动盒20沿气缸7缸体长轴方向移动，且连接头19与滑动盒20进行可转动连接，结合两者的结构关系能够保证气缸7缸体在驱动缸18的驱动下稳定的实现其在竖直平面内的转动。本实施例中在引导杆22两端设置固定块23的目的主要在于限位，防止滑动盒20在滑动过程中超出引导杆的有效导程，滑动盒20与引导杆22间失去配合关系从而影响装置的正常使用。

实施例5：

基于所述实施例2的一种固井水泥冲击力学性能测试装置的使用方法：首先通过伸缩缸4和伸缩柱5的配合工作将测试仪送入井筒内需要进行检测的位置，然后通过驱动缸18调整接触球9撞击井壁时施力的角度；然后气缸7缸体提供一个较小的压力推活塞杆a8，待活塞杆a8端部的接触球9接触到井筒内壁后，确定此刻传感器12的位置，并拧紧缩紧螺栓16；然后活塞杆a8回收，此时气缸7缸体内的气压产生一个较小的压力作用于接触球9，此时进行第一次测试，并通过信息处理单元对传感器12采集的信息进行处理与存储，然后依次增大气缸7缸体内的气压，进行多次测试直至井壁水泥遭到破坏，此时停止测试，信息处理单元综合所有采集到的信息，最终将其整合处理并传输给数显单元进行显示。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种冲击力学性能测试仪，其特征在于，包括冲击模块、传感模块和用于连接外部结构的连接头(6)，所述冲击模块包括气缸(7)和接触球(9)，所述气缸(7)转动连接于连接头(6)，且所述气缸(7)能够在竖直平面内转动；

所述气缸(7)的活塞杆a(8)与接触球(9)连接，所述接触球(9)用于冲击被测试部位；

所述传感模块包括传感器安装板、碰撞块(13)和用于检测冲击力大小的传感器(12)，所述传感器安装板可调连接于气缸(7)；

所述碰撞块(13)设置于活塞杆a(8)，所述传感器(12)设置于传感器安装板，当所述碰撞块(13)冲击传感器(12)时完成冲击检测；

所述传感器安装板包括水平段(10)和折弯段(11)，所述水平段(10)滑动设置于气缸(7)缸体侧壁，所述折弯段(11)可沿活塞杆a(8)的轴线方向移动；

所述传感器(12)设置于所述折弯段(11)，且在检测过程中所述碰撞块(13)能够对所述传感器(12)形成冲击；

所述气缸(7)通过其底部的转动连接部(29)连接于连接头(6)，所述气缸(7)可绕转动连接部(29)实现竖直平面内的转动，在所述连接头(6)上开设嵌入槽(28)，所述转动连接部(29)上设置有转轴(30)，所述转动连接部(29)嵌入所述嵌入槽(28)内，且所述转轴(30)与嵌入槽(28)转动连接；

还包括用于驱动气缸(7)转动的驱动缸(18)，所述驱动缸(18)的缸体嵌于连接头(6)内，所述驱动缸(18)的活塞杆b(15)与气缸(7)铰接，连接结构包括驱动缸(18)、铰接头(19)、滑动盒(20)、连接轴(21)、引导杆(22)和固定块(23)，所述驱动缸(18)的活塞杆b(15)端头设置有铰接头(19)，所述铰接头(19)通过连接轴(21)与滑动盒(20)转动连接，所述滑动盒(20)与所述引导杆(22)滑动连接，两个所述固定块(23)设置于所述气缸(7)缸体的一侧，且两个所述固定块(23)之间的距离与引导杆(22)适配，所述引导杆(22)卡接于两个所述固定块(23)之间。

2.根据权利要求1所述的一种冲击力学性能测试仪，其特征在于，还包括可伸缩支撑杆(25)，所述可伸缩支撑杆(25)设置于气缸(7)，且所述可伸缩支撑杆(25)的动作与接触球(9)的动作互不影响；

所述可伸缩支撑杆(25)远离连接头(6)的一端为电热杆(26)；

所述可伸缩支撑杆(25)伸长后所述电热杆(26)的支撑点靠近被测部位。

3.根据权利要求1所述的一种冲击力学性能测试仪，其特征在于，所述水平段(10)沿长轴方向开设有一道引导槽(14)，所述气缸(7)靠近所述水平段(10)的侧面上设置有引导柱(17)，所述引导柱(17)插入引导槽(14)，且所述引导柱(17)可在引导槽(14)内滑动；

还包括用于固定所述传感器安装板的锁紧螺栓(16)，所述锁紧螺栓(16)穿过引导槽(14)固定于气缸(7)缸体，所述锁紧螺栓(16)放松时可调节所述传感器安装板的位置，所述锁紧螺栓(16)拧紧时可固定所述传感器安装板的位置。

4.一种固井水泥冲击力学性能测试装置，其特征在于，采用权利要求1～3任意一项所述测试仪(3)，还包括操作台(1)和伸缩缸(4)，所述伸缩缸(4)通过多块固定板(2)悬固与操作台(1)；

所述测试仪(3)与所述伸缩缸(4)的伸缩端相接。

5.根据权利要求4所述的一种固井水泥冲击力学性能测试装置，其特征在于，所述伸缩缸(4)沿竖直方向设置，且活塞杆c(5)朝下；

所述活塞杆c(5)与连接头(6)相接。

6.根据权利要求4所述的一种固井水泥冲击力学性能测试装置，其特征在于，包括显示装置(27)，所述显示装置包括信息处理单元、数显单元和供电单元，所述传感器(12)、信息处理单元、数显单元和供电单元间均采用电连接。

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