CN113777028A - 测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置和方法，装置包括旋转部件和与旋转部件相连接的测量壳体；测量壳体内设置有空心岩心，空心岩心内设置有T形挡杆，T形挡杆的一端穿出测量壳体的一侧并设置有用于测量T形挡杆位移的位移测量部件；测量壳体的另一侧设置有密封板。本发明通过空心岩心作为容器，直接与待测凝胶类堵漏材料接触，通过注入油液进行内部直接加压，使待测凝胶类堵漏材料获得推动力，当待测凝胶类堵漏材料相对空心岩心运动时，可计算出待测凝胶类堵漏材料与岩石壁面的粘附强度，对于明确凝胶类堵漏材料堵漏机理，解决井漏问题有着重要的意义。

Description

测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置和方法

技术领域

本发明涉及勘探领域，具体涉及一种测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置和方法。

背景技术

随着油田开发持续进行，钻井事故复杂时有发生，其中井漏是钻井过程中最常见的井下复杂问题，它不仅会耗费钻井时间，损失泥浆，而且有可能引起卡钻、井喷、井塌等一系列复杂情况，甚至导致井眼报废，造成重大经济损失。（柔性）凝胶类堵漏材料是一种可以完全切断地层流体与井筒之间的关系，具有大运动阻力的结构胶体，其具有流动性相对较好，自适应能力强的特点，成为实际工程中一种地层堵漏的有效材料。成功封堵的条件是漏失压差小于凝胶类堵漏材料与岩石壁面之间的粘附强度。因此如何在室内准确测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面之间的粘附强度，形成凝胶类堵漏材料胶结强度测量方法，对于明确凝胶类堵漏材料堵漏机理，解决井漏问题有着重要的意义。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置和方法解决了室内准确测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面之间的粘附强度的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其包括旋转部件和与旋转部件相连接的测量壳体；测量壳体内设置有空心岩心，空心岩心内设置有T形挡杆，T形挡杆的一端穿出测量壳体的一侧并设置有用于测量T形挡杆位移的位移测量部件；测量壳体的另一侧设置有密封板；

密封板上贯穿设置有加压管，加压管连接液压系统；密封板上贯穿设置有排液管，排液管上设置有第一阀门并连接至液体收集器；

测量壳体上设置有用于限位并支撑T形挡杆的限位支撑器；

T形挡杆与空心岩心、测量壳体及密封板形成的空间用于放置待测凝胶类堵漏材料。

进一步地，旋转部件包括支撑柱，支撑柱上设置有限位杆，限位杆的上方设置有固定在支撑柱上的支撑杆；限位杆的前端铰接有连接柱，连接柱的下端与测量壳体固定；连接柱在向下旋转时止于限位杆。

进一步地，连接柱上设置有转动腔；限位杆的前端设置有台阶，台阶的前端设置有放置腔，放置腔的上端设置有贯穿转动腔的转动轴，使连接柱绕转动轴转动。

进一步地，连接柱的上端设置有接线槽，支撑杆上设置有绞盘、拉绳和滑轮，台阶上设置有接触开关；拉绳绕过滑轮，一端固定于接线槽，另一端固定在绞盘上；接触开关与绞盘电连接。

进一步地，限位杆的前端设置有引导槽，引导槽内设置有螺纹孔；连接柱上设置有与螺纹孔等高的第一限位孔。

进一步地，限位支撑器包括设置在T形挡杆上的限位槽，以及固定在测量壳体上的基台；基台上设置有位于T形挡杆下方的支撑台，支撑台上设置有滚轮；支撑台上贯穿设置有位于T形挡杆下方且与限位槽相匹配的限位柱，限位柱上设置有第二限位孔，支撑台上设置有与第二限位孔相配合的插销。

进一步地，测量壳体上设置有加热器，T形挡杆的前端设置有温度传感器。

进一步地，密封板朝向T形挡杆的一侧设置有视窗，视窗内设置有补光灯和摄像头。

进一步地，位移测量部件包括设置在T形挡杆末端的挡板，挡板上设置有用于测量挡板相对测量壳体的位移量的位移传感器。

提供一种测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的方法，其包括以下步骤：

S1、通过旋转部件旋转测量壳体使T形挡杆的末端朝下；

S2、在T形挡杆和空心岩心形成的腔室中加入待测凝胶类堵漏材料；

S3、将密封板与测量壳体进行紧固，打开第一阀门，启动液压系统向空心岩心内注入液压油直至有液压油从排液管处流出，关闭第一阀门；

S4、通过旋转部件旋转测量壳体使空心岩心处于设定角度；

S5、逐步增大液压系统的液压推力，当T形挡杆首次产生位移后调整液压系统的液压推力，实时记录位移测量部件的数值和液压系统的液压推力，保持T形挡杆匀速移动；

S6、根据公式：

获取在整个过程中的由液压推力p得到的粘附应力

，并将T形挡杆首次产生位移时对应的粘附应力值作为待测凝胶类堵漏材料的最大粘附强度；其中r为空心岩心的内径；l为待测凝胶类堵漏材料在空心岩心竖直时的高度。

本发明的有益效果为：

1、本申请通过空心岩心作为容器，直接与待测凝胶类堵漏材料接触，通过注入油液进行内部直接加压，使待测凝胶类堵漏材料获得推动力，当待测凝胶类堵漏材料相对空心岩心运动时，表明达到了最大摩擦力，此时即可计算出待测凝胶类堵漏材料与岩石壁面的粘附强度；通过本申请设置的位移测量部件还可以获取待测凝胶类堵漏材料在匀速移动过程中的粘附强度，对于明确凝胶类堵漏材料堵漏机理，解决井漏问题有着重要的意义。

2、本装置可以自动旋转测量壳体，便于放置待测凝胶类堵漏材料以及进行粘附强度测试。

3、转动腔可以减少测量壳体水平放置时的左右摆动，还可以对转动轴提供稳固的支撑。

4、接触开关与连接柱接触表明测量壳体已旋转至竖直状态，接触开关可以在与连接柱接触时停止绞盘的工作，避免绞盘过度工作而损坏器件。

5、限位杆可以实现测量壳体与水平线的夹角大小调整，引导槽可以将连接柱准确引导进入限位杆的限位区域，第一限位孔可以将连接柱与限位杆进行固定。当限位杆与放置腔的端面位于同一平面时，连接柱止于限位杆可以使测量壳体刚好水平；当限位杆长于放置腔的端面时，连接柱止于限位杆可以使测量壳体斜向上；当限位杆短于放置腔的端面时，连接柱止于限位杆可以使测量壳体斜向下，进而满足待测凝胶类堵漏材料与不同倾斜角度的岩石的粘附强度的测试。

6、限位支撑器可以在添加待测凝胶类堵漏材料和液压油阶段对T形挡杆进行限位；在加压阶段对T形挡杆进行支撑，使T形挡杆与测量壳体之间形成空气通道，避免T形挡杆与测量壳体之间因形成密封空间产生压力而对测试产生影响。

7、加热器可以对待测凝胶类堵漏材料进行加热，温度传感器可以实时监测待测凝胶类堵漏材料的温度，进而模拟井下高温环境。

8、通过补光灯进行照明，摄像头可以通过透明液压油实时观察待测凝胶类堵漏材料的形状变化情况，判断待测凝胶类堵漏材料在测试过程中是否满足形状要求，进而判断所获取的数据是否真实有效。

9、位移测量部件不仅可以获取待测凝胶类堵漏材料的位移距离，还可以通过单位时间内的位移距离获取待测凝胶类堵漏材料的速度，根据速度进行液压力的调整，为维持待测凝胶类堵漏材料匀速移动做有效的数据反馈。

附图说明

图1为本装置的结构示意图；

图2为支撑杆结构示意图；

图3为限位杆的结构示意图；

图4为连接柱的结构示意图；

图5为限位支撑器的结构示意图；

图6为实施例中信号采集电路的电路图。

其中：1、测量壳体；2、空心岩心；3、待测凝胶类堵漏材料；4、T形挡杆；5、限位支撑器；6、挡板；7、位移传感器；8、加热器；9、温度传感器；10、支撑柱；11、限位杆；12、支撑杆；13、绞盘；14、拉绳；15、滑轮；16、接触开关；17、连接柱；18、锁紧螺栓；19、视窗；20、密封圈；21、排液管；22、第一阀门；23、液体收集器；24、加压管；25、第二阀门；26、液压系统；27、密封板；28、台阶；29、转动轴；30、放置腔；31、转动腔；32、接线槽；33、第一限位孔；34、螺纹孔；35、引导槽；36、基台；37、限位柱；38、第二限位孔；39、插销；40、支撑台；41、滚轮。

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所示，该测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置包括旋转部件和与旋转部件相连接的测量壳体1；测量壳体1内设置有空心岩心2，空心岩心2内设置有T形挡杆4，T形挡杆4的一端穿出测量壳体1的一侧并设置有用于测量T形挡杆4位移的位移测量部件；测量壳体1的另一侧设置有密封板27；

密封板27上贯穿设置有加压管24，加压管24连接液压系统26并设置有第二阀门25；密封板27上贯穿设置有排液管21，排液管21上设置有第一阀门22并连接至液体收集器23；

测量壳体1上设置有用于限位并支撑T形挡杆4的限位支撑器5；

T形挡杆4与空心岩心2、测量壳体1及密封板27形成的空间用于放置待测凝胶类堵漏材料3。

如图2、图3和图4所示，为了使测量壳体1减小左右摆动，旋转部件包括支撑柱10，支撑柱10上设置有限位杆11，限位杆11的上方设置有固定在支撑柱10上的支撑杆12；限位杆11的前端铰接有连接柱17，连接柱17的下端与测量壳体1固定；连接柱17在向下旋转时止于限位杆11。

连接柱17上设置有转动腔31；限位杆11的前端设置有台阶28，台阶28的前端设置有放置腔30，放置腔30的上端设置有贯穿转动腔31的转动轴29，使连接柱17绕转动轴29转动。

为了使测量壳体1可以自动转动，并避免过度转动，连接柱17的上端设置有接线槽32，支撑杆12上设置有绞盘13、拉绳14和滑轮15，台阶28上设置有接触开关16；拉绳14绕过滑轮15，一端固定于接线槽32，另一端固定在绞盘13上；接触开关16与绞盘13电连接。

为了准确将连接柱17准确引导进入限位杆11的限位区域，并将限位杆11与连接柱17进行固定，限位杆11的前端设置有引导槽35，引导槽35内设置有螺纹孔34；连接柱17上设置有与螺纹孔34等高的第一限位孔33。

如图5所示，为了在加压阶段对T形挡杆4进行支撑，避免待测凝胶类堵漏材料3在进入空心岩心2时向下不停流动；为了使T形挡杆4与测量壳体1之间形成空气通道，避免T形挡杆4与测量壳体1之间因形成密封空间产生压力而对测试产生影响，限位支撑器5包括设置在T形挡杆4上的限位槽，以及固定在测量壳体1上的基台36；基台36上设置有位于T形挡杆4下方的支撑台40，支撑台40上设置有滚轮41；支撑台40上贯穿设置有位于T形挡杆4下方且与限位槽相匹配的限位柱37，限位柱37上设置有第二限位孔38，支撑台40上设置有与第二限位孔38相配合的插销39。

为了模拟井下高温环境，对待测凝胶类堵漏材料3进行有效加热，测量壳体1上设置有加热器8，T形挡杆4的前端设置有温度传感器9。

为了实时观察待测凝胶类堵漏材料3的形状变化情况，判断待测凝胶类堵漏材料3在测试过程中是否满足形状要求，进而判断所获取的数据是否真实有效。密封板27朝向T形挡杆4的一侧设置有视窗19，视窗19内设置有补光灯和摄像头。

位移测量部件包括设置在T形挡杆4末端的挡板6，挡板6上设置有用于测量挡板6相对测量壳体1的位移量的位移传感器7。位移传感器7采用电子游标卡尺，并可以通过图6所示的信号采集电路获取电子游标卡尺传感器件根据间距得到的不同电压信号，根据该电压信号与距离的对应关系便可以得到距离值，根据单位时间内的距离变化量便可得到速度。

其中电阻R1、电容C1为输入端的积分电阻和电容。将电阻R1的输出电压经运算放大器U1A、运算放大器U1B 构成的放大电路进行放大，产生2. 5 V 左右的电压。电容C3、电阻R7、电容C4、电阻R6实现了低通、高通滤波，其截止频率为1 /2πRC。运算放大器U1C为前面产生的电压提供一个基准的直流电压，电压与直流电压叠加，使电压得到提升。最终，V0输出经调理后的单极性电压，将此电压直接输入A/D 单元即可将电压信号转换为数字信号由上位机获取。3个运算放大器的型号均为LM 224。该信号采集电路可以实现二阶滤波、隔离、提高输入阻抗、降低输出阻抗，提高小信号带负载能力，进而保证采集的信号精度，并使普通电子游标卡尺的信号可以被上位机直接获取。

该基于该装置的测量方法包括以下步骤：

S1、通过旋转部件旋转测量壳体1使T形挡杆4的末端朝下；

S2、在T形挡杆4和空心岩心2形成的腔室中加入待测凝胶类堵漏材料3；

S3、将密封板27与测量壳体1进行紧固，打开第一阀门22，启动液压系统26向空心岩心2内注入液压油直至有液压油从排液管21处流出，关闭第一阀门22；

S4、通过旋转部件旋转测量壳体1使空心岩心2处于设定角度；

S5、逐步增大液压系统26的液压推力，当T形挡杆4首次产生位移后调整液压系统26的液压推力，实时记录位移测量部件的数值和液压系统26的液压推力，保持T形挡杆4匀速移动；

S6、根据公式：

获取在整个过程中的由液压推力p得到的粘附应力

，并将T形挡杆4首次产生位移时对应的粘附应力值作为待测凝胶类堵漏材料3的最大粘附强度；其中r为空心岩心2的内径；l为待测凝胶类堵漏材料3在空心岩心2竖直时的高度。

在本发明的一个实施例中，当测量壳体1处于横置时，可以通过按压接触开关16启动绞盘13收紧拉绳14，当连接柱17旋转至挤压接触开关16时，绞盘13暂停工作并维持拉力保证拉绳14不动，此时测量壳体1近乎于竖直状态，便可以进行步骤S2的操作。待测凝胶类堵漏材料3在处于流体状态时进入空心岩心2，在空心岩心2内成胶之后才进行步骤S3。为了保证密封板27与测量壳体1之间的紧固性能，密封板27与测量壳体1之间设置有密封圈20，密封板27与测量壳体1通过锁紧螺栓18进行紧固。再次启动绞盘13使绞盘13放出拉绳14，测量壳体1在重力的作用下向下旋转并止于限位杆11，通过螺钉将连接柱17与限位杆11进行紧固，根据具体实验条件改变限位杆11的伸出长度改变测量壳体1的倾斜角度，模拟不同角度下的粘附强度。当需要进行加热时，可以启动加热器8进行加热，加热可以在待测凝胶类堵漏材料3刚进入空心岩心2时进行，也可以在步骤S3结束时进行。当待测凝胶类堵漏材料4的温度值达到预定温度值时再进行步骤S5。

由于存在最大静摩擦力，且凝胶类堵漏材料刚性较差，移动过程中的粘附强度会出现轻微变化，导致难以使其保持匀速移动，在开始移动后液压推力整体呈下降趋势，但反馈机制使得液压推力不断变化，因此液压推力在达到顶峰后随时间呈上下波动变化，并整体趋于平稳。

综上所述，本发明通过空心岩心作为容器，直接与待测凝胶类堵漏材料接触，通过注入油液进行内部直接加压，使待测凝胶类堵漏材料获得推动力，当待测凝胶类堵漏材料相对空心岩心运动时，表明达到了最大摩擦力，此时即可计算出待测凝胶类堵漏材料与岩石壁面的粘附强度；通过本申请设置的位移测量部件还可以获取待测凝胶类堵漏材料在匀速移动过程中的粘附强度，对于明确凝胶类堵漏材料堵漏机理，解决井漏问题有着重要的意义。

Claims (10)

1.一种测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其特征在于，包括旋转部件和与旋转部件相连接的测量壳体（1）；所述测量壳体（1）内设置有空心岩心（2），所述空心岩心（2）内设置有T形挡杆（4），T形挡杆（4）的一端穿出所述测量壳体（1）的一侧并设置有用于测量T形挡杆（4）位移的位移测量部件；所述测量壳体（1）的另一侧设置有密封板（27）；

所述密封板（27）上贯穿设置有加压管（24），所述加压管（24）连接液压系统（26）；所述密封板（27）上贯穿设置有排液管（21），所述排液管（21）上设置有第一阀门（22）并连接至液体收集器（23）；

所述测量壳体（1）上设置有用于限位并支撑T形挡杆（4）的限位支撑器（5）；

所述T形挡杆（4）与空心岩心（2）、测量壳体（1）及密封板（27）形成的空间用于放置待测凝胶类堵漏材料（3）。

2.根据权利要求1所述的测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其特征在于，所述旋转部件包括支撑柱（10），所述支撑柱（10）上设置有限位杆（11），所述限位杆（11）的上方设置有固定在支撑柱（10）上的支撑杆（12）；所述限位杆（11）的前端铰接有连接柱（17），所述连接柱（17）的下端与测量壳体（1）固定；所述连接柱（17）在向下旋转时止于限位杆（11）。

3.根据权利要求2所述的测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其特征在于，所述连接柱（17）上设置有转动腔（31）；所述限位杆（11）的前端设置有台阶（28），所述台阶（28）的前端设置有放置腔（30），所述放置腔（30）的上端设置有贯穿所述转动腔（31）的转动轴（29），使连接柱（17）绕转动轴（29）转动。

4.根据权利要求3所述的测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其特征在于，所述连接柱（17）的上端设置有接线槽（32），所述支撑杆（12）上设置有绞盘（13）、拉绳（14）和滑轮（15），所述台阶（28）上设置有接触开关（16）；所述拉绳（14）绕过滑轮（15），一端固定于接线槽（32），另一端固定在绞盘（13）上；所述接触开关（16）与绞盘（13）电连接。

5.根据权利要求2-4任一所述的测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其特征在于，所述限位杆（11）的前端设置有引导槽（35），所述引导槽（35）内设置有螺纹孔（34）；所述连接柱（17）上设置有与螺纹孔（34）等高的第一限位孔（33）。

6.根据权利要求1所述的测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其特征在于，所述限位支撑器（5）包括设置在T形挡杆（4）上的限位槽，以及固定在测量壳体（1）上的基台（36）；所述基台（36）上设置有位于T形挡杆（4）下方的支撑台（40），所述支撑台（40）上设置有滚轮（41）；所述支撑台（40）上贯穿设置有位于T形挡杆（4）下方且与限位槽相匹配的限位柱（37），所述限位柱（37）上设置有第二限位孔（38），所述支撑台（40）上设置有与第二限位孔（38）相配合的插销（39）。

7.根据权利要求1所述的测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其特征在于，所述测量壳体（1）上设置有加热器（8），所述T形挡杆（4）的前端设置有温度传感器（9）。

8.根据权利要求1所述的测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其特征在于，所述密封板（27）朝向T形挡杆（4）的一侧设置有视窗（19），所述视窗（19）内设置有补光灯和摄像头。

9.根据权利要求1所述的测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其特征在于，所述位移测量部件包括设置在T形挡杆（4）末端的挡板（6），所述挡板（6）上设置有用于测量挡板（6）相对测量壳体（1）的位移量的位移传感器（7）。

10.一种基于权利要求1-9任一所述的测量凝胶类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过旋转部件旋转测量壳体（1）使T形挡杆（4）的末端朝下；

S2、在T形挡杆（4）和空心岩心（2）形成的腔室中加入待测凝胶类堵漏材料（3）；

S3、将密封板（27）与测量壳体（1）进行紧固，打开第一阀门（22），启动液压系统（26）向空心岩心（2）内注入液压油直至有液压油从排液管（21）处流出，关闭第一阀门（22）；

S4、通过旋转部件旋转测量壳体（1）使空心岩心（2）处于设定角度；

S5、逐步增大液压系统（26）的液压推力，当T形挡杆（4）首次产生位移后调整液压系统（26）的液压推力，实时记录位移测量部件的数值和液压系统（26）的液压推力，保持T形挡杆（4）匀速移动；

S6、根据公式：

获取在整个过程中的由液压推力p得到的粘附应力

，并将T形挡杆（4）首次产生位移时对应的粘附应力值作为待测凝胶类堵漏材料（3）的最大粘附强度；其中r为空心岩心（2）的内径；l为待测凝胶类堵漏材料（3）在空心岩心（2）竖直时的高度。

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