CN113777029A - 测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置及方法，装置包括主控器、测量壳体和液压系统，测量壳体通过龙门架固定在底座上；测量壳体内设置有空心岩心；测量壳体的内部一端设置有用于限制空心岩心位置的限位块；空心岩心内设置有第一活塞和第二活塞，第一活塞通过第一肢臂固定于第一基块上；第二活塞通过第二肢臂固定于第二基块上，第二活塞上设置有排液口。本装置可以实现桥接类堵漏材料与岩石的360°接触，模拟桥接类堵漏材料在岩石中受压固结的过程，并在高温高压条件下及时测量桥接类堵漏材料与岩石壁面的粘附强度，提供桥接类堵漏材料在井下高温高压环境中的粘附强度测试准确性。

Description

测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置及方法

技术领域

本发明涉及勘探领域，具体涉及一种测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置及方法。

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。桥接类堵漏材料是由颗粒状、纤维状、片状等惰性材料按照一定的质量比和粒度级配形成的复合堵漏材料。桥接堵漏材料主要通过在漏失通道内架桥、拉筋、堆积、填充等作用，形成致密的封堵层，具有对钻井液流变性影响小、成本低廉、操作简单等优势，现场应用广泛，适用于渗透性或漏失不严重的地层，在钻井液堵漏中具有十分重要的地位。成功封堵的条件是漏失压差小于堵漏材料与岩石壁面之间的粘附强度。因此如何在室内正确测量桥接类堵漏材料与岩石壁面之间的粘附强度，形成桥接类堵漏材料粘附强度测量方法，对于明确桥接类材料堵漏机理，解决井漏问题有着重要的意义。

但本领域中目前大多数研究还停留在研究堵漏材料的单个表面摩擦力大小，且现有测量方式无法模拟堵漏材料在井下高温高压环境下的加压固结环节，也无法模拟加压固结后与粘附岩石的粘附，故而无法准确获取桥接类堵漏材料与岩石壁面之间的粘附强度。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置及方法可以测量桥接类堵漏材料与岩石壁面之间的粘附强度。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其包括主控器、测量壳体和液压系统，测量壳体通过龙门架固定在底座上；测量壳体内设置有空心岩心；测量壳体的内部一端设置有用于限制空心岩心位置的限位块；

空心岩心内设置有第一活塞和第二活塞，第一活塞通过第一肢臂固定于第一基块上；第二活塞通过第二肢臂固定于第二基块上，第二活塞上设置有排液口；第一基块和第二基块均设置在底板上；底板滑动设置在底座上；

液压系统包括第一液压缸、第二液压缸和第三液压缸；第一液压缸和第二液压缸分别位于底板的两侧且固定于底座上，用于推动底板相对底座移动；第三液压缸固定在底板上并用于推动第二基块相对底板移动；

液压系统与主控器相连。

进一步地，龙门架上设置有用于监测第一活塞移动距离的第一位移传感器，以及用于监测第二活塞移动距离的第二位移传感器。

进一步地，第一肢臂和第二肢臂的结构相同，包括第一横杆、第三横杆和立柱，第一横杆的一端连接活塞，第一横杆的另一端设置有第二横杆，第二横杆的直径小于第一横杆的直径，第二横杆上套设有压力传感器；压力传感器连接主控器；

第三横杆的一端设置有用于放置第二横杆的空腔，第三横杆的另一端设置有第四横杆，第四横杆与立柱可拆卸连接。

进一步地，第四横杆上设置有若干安装孔，立柱上设置有螺纹孔或凸台，第四横杆通过螺栓穿过安装孔并固定在螺纹孔内的方式与立柱固定，或立柱通过凸台嵌入安装孔的方式与第四横杆固定。

进一步地，第二活塞的前端设置有过滤器，过滤器通过排液口排出所过滤的液体。

进一步地，空心岩心靠近第二活塞的一端设置有缺口。

进一步地，测量壳体的外表面设置有加热器，第一活塞的内侧设置有温度传感器；加热器和温度传感器分别与主控器相连。

提供一种测量桥接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、将空心岩心放置在测量壳体内使空心岩心止于限位块；

S2、将第一活塞放置于空心岩心内，向由第一活塞和空心岩心组成的容器中注入待测桥接类堵漏材料；

S3、通过第三液压缸驱动第二基块使第二活塞朝向第一活塞移动并挤压待测桥接类堵漏材料，使待测桥接类堵漏材料中的液体从排液口排出，等待待测桥接类堵漏材料形成固结体；

S4、维持第三液压缸的压力，启动第一液压缸和/或第二液压缸使底板及设置在底板上的部件向第二活塞往第一活塞的方向匀速一端；

S5、基于第一液压缸和/或第二液压缸推动底板移动的力获取待测桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度。

进一步地，步骤S2与步骤S3之间还包括步骤：

S2.1、判断是否需要模拟目标地层温度，若是则进入步骤S2.2；否则直接进入步骤S3；

S2.2、启动加热器，并通过温度传感器获取待测桥接类堵漏材料的温度，当待测桥接类堵漏材料的温度达到设定值时，进入步骤S3，并实时根据温度传感器的值调整加热器的加热功率。

进一步地，步骤S5的具体方法为：

通过第一位移传感器和第二位移传感器的数据实时调整第一液压缸和/或第二液压缸推动底板移动的力，使固结体匀速移动；

通过第一压力传感器和第二压力传感器的数据获取固结体在匀速移动过程中的受力变化；根据固结体在匀速移动过程中的受力变化和第一液压缸和/或第二液压缸推动底板移动的力获取待测桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度。

本发明的有益效果为：

1、本装置可以实现桥接类堵漏材料与岩石的360°接触，模拟桥接类堵漏材料在岩石中受压固结的过程，并在高温高压条件下及时测量桥接类堵漏材料与岩石壁面的粘附强度，提供桥接类堵漏材料在井下高温高压环境中的粘附强度测试准确性。

2、本装置的第三液压缸19可以向桥接类堵漏材料提供不同的压力，模拟不同的井下压力，同时还可以在测试过程中实时调整压力，模拟复杂情况。

3、龙门架即可稳定固定测量壳体及测量壳体内的部件，还可以固定位移传感器，通过两个位移传感器监测活塞的移动状态，基于两个位移传感器的相对距离，可以同时获取固结体的移动速度和长度。

4、肢臂采用非直接固定的设计方式，使得内嵌的压力传感器不会受固定影响，同时便于活塞的取放；且通过设置多个安装孔的方式，还可以在不调整两个基块的相对距离的基础上调整两个活塞的间距，增加装置的测量范围（主要指堵漏材料的量）。

5、空心岩心设置缺口，即使放置了活塞也不影响空心岩心水平放置时注入处于流体状态的堵漏材料，当第二活塞向左移动至缺口末端（缺口左侧）时，两个活塞与空心岩心形成相对密闭的空间，随着第二活塞向左移动，流体状态的堵漏材料被挤压，其内的液体通过过滤器过滤并从排液口排出，实现加压操作。

6、测量结束后，可以通过第一液压缸将空心岩心从右侧推出。此外，通过第一液压缸和第二液压缸的交替工作，可以进行多次测量，通过求取平均值或加权等方式进行最终结果的获取，可以减小单次试验的偏差。

附图说明

图1为本装置的结构示意图；

图2为肢臂的结构示意图；

图3为第二活塞的结构示意图；

图4为空心岩心的结构示意图；

图5为粘附强度测试曲线示意图。

其中：1、底座；2、底板；3、第一基块；4、第一液压缸；5、第一肢臂；6、龙门架；7、测量壳体；8、空心岩心；9、第一压力传感器；10、第一活塞；11、限位块；12、加热器；13、第二活塞；14、排液口；15、第二压力传感器；16、第二肢臂；17、第二液压缸；18、第二基块；19、第三液压缸；20、第一横杆；21、压力传感器；22、第二横杆；23、空腔；24、第三横杆；25、第四横杆；26、安装孔；27、立柱；28、过滤器；29、缺口；30、第一位移传感器；31、第二位移传感器；32、温度传感器。

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，该测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置包括主控器、测量壳体7和液压系统，测量壳体7通过龙门架6固定在底座1上；测量壳体7内设置有空心岩心8；测量壳体7的内部一端设置有用于限制空心岩心8位置的限位块11；

空心岩心8内设置有第一活塞10和第二活塞13，第一活塞10通过第一肢臂5固定于第一基块3上；第二活塞13通过第二肢臂16固定于第二基块18上，第二活塞13上设置有排液口14；第一基块3和第二基块18均设置在底板2上；底板2滑动设置在底座1上；

液压系统包括第一液压缸4、第二液压缸17和第三液压缸19；第一液压缸4和第二液压缸17分别位于底板2的两侧且固定于底座1上，用于推动底板2相对底座1移动；第三液压缸19固定在底板2上并用于推动第二基块18相对底板2移动；

液压系统与主控器相连。

龙门架6上设置有用于监测第一活塞10移动距离的第一位移传感器30，以及用于监测第二活塞13移动距离的第二位移传感器31。

第一肢臂5和第二肢臂16的结构相同，如图2所示，包括第一横杆20、第三横杆24和立柱27，第一横杆20的一端连接活塞，第一横杆20的另一端设置有第二横杆22，第二横杆22的直径小于第一横杆20的直径，第二横杆22上套设有压力传感器21；压力传感器21连接主控器；

第三横杆24的一端设置有用于放置第二横杆22的空腔23，第三横杆24的另一端设置有第四横杆25，第四横杆25与立柱27可拆卸连接。

第四横杆25上设置有若干安装孔26，立柱27上设置有螺纹孔或凸台，第四横杆25通过螺栓穿过安装孔26并固定在螺纹孔内的方式与立柱27固定，或立柱27通过凸台嵌入安装孔26的方式与第四横杆25固定。

如图3所示，第二活塞13的前端设置有过滤器28，过滤器28通过排液口14排出所过滤的液体。

如图4所示，空心岩心8靠近第二活塞13的一端设置有缺口29。

测量壳体7的外表面设置有加热器12，第一活塞10的内侧设置有温度传感器32；加热器12和温度传感器32分别与主控器相连。

该测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的方法包括以下步骤：

S1、将空心岩心8放置在测量壳体7内使空心岩心8止于限位块11；

S2、将第一活塞10放置于空心岩心8内，向由第一活塞10和空心岩心8组成的容器中注入待测桥接类堵漏材料；

S3、通过第三液压缸19驱动第二基块18使第二活塞13朝向第一活塞10移动并挤压待测桥接类堵漏材料，使待测桥接类堵漏材料中的液体从排液口14排出，等待待测桥接类堵漏材料形成固结体；

S4、维持第三液压缸19的压力，启动第一液压缸4和/或第二液压缸17使底板2及设置在底板2上的部件向第二活塞13往第一活塞10的方向匀速一端；

S5、基于第一液压缸4和/或第二液压缸17推动底板2移动的力获取待测桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度。

步骤S2与步骤S3之间还包括步骤：

S2.1、判断是否需要模拟目标地层温度，若是则进入步骤S2.2；否则直接进入步骤S3；

S2.2、启动加热器12，并通过温度传感器32获取待测桥接类堵漏材料的温度，当待测桥接类堵漏材料的温度达到设定值时，进入步骤S3，并实时根据温度传感器32的值调整加热器12的加热功率。

步骤S5的具体方法为：

通过第一位移传感器30和第二位移传感器31的数据实时调整第一液压缸4和/或第二液压缸17推动底板2移动的力，使固结体匀速移动：当位移传感器检测到位移加快时，主控器减小液压系统对第二液压缸17的推力；当位移传感器检测到位移变慢时，主控器增大液压系统对第二液压缸17的推力，直至固结体在单位时间内移动的距离不变，完成固结体匀速移动控制。

由于放置待测桥接类堵漏材料在空心岩心8后，待测桥接类堵漏材料向前移动会留下一部分在空心岩心8表面，第二活塞13再经过时的摩擦力与直接在空心岩心8表面移动的摩擦力会产生变化，该变化结果一般不会太大，但为了进一步准确获取待测桥接类堵漏材料的粘附强度，本装置通过第一压力传感器9和第二压力传感器15的数据获取固结体在匀速移动过程中的受力变化；根据固结体在匀速移动过程中的受力变化和第一液压缸4和/或第二液压缸17推动底板2移动的力获取待测桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的具体方法为：

获取未放置待测桥接类堵漏材料时第二液压缸17推动底板2开始移动的最大力F₁和推动底板2匀速移动的力F₂；将第一活塞10紧贴第二活塞13，获取第三液压缸19单独推动第二基块18的力，获取未放置待测桥接类堵漏材料时第三液压缸19推动第二活塞13和第一活塞10（由于第二横杆22和第三横杆24为分体式设计，因此可以先将第一活塞10单独移动至第二活塞13处）开始移动的最大力和匀速移动的力，然后单独获取第二活塞13开始移动的最大力和匀速移动的力，即可得到第一活塞10的最大静摩擦力F₃和匀速移动的力F₄，以及第二活塞13的最大静摩擦力F₅和匀速移动的力F₆。当待测桥接类堵漏材料在空心岩心8内形成固结体后，由于固结体并未移动，因此第一压力传感器9的压力值在理想情况下由固结体对其的压力减第一压力传感器9的最大静摩擦力形成，第二压力传感器15的压力值在理想情况下由第二基块18对固结体的压力加第二压力传感器15的最大静摩擦力形成。

在理想情况下，当固结体达到移动临界点时，第二压力传感器15的压力值F₈（F₈扣除了第三液压缸19施加的力）应当等于第二液压缸17的推力F₇减去F₁，同时第二压力传感器15的压力值F₈应当等于第一活塞10的最大静摩擦力加固结体的最大静摩擦力F₀加第二活塞13的最大静摩擦力：F₈=F₇-F₁=F₃+F₀+F₅，因此在误差要求较小时，可直接根据公式F₀= F₇-F₁-F₃-F₅获取固结体的最大静摩擦力。当误差要求较高时，由于整个装置及固结体并非绝对刚体，第二液压缸17的推力F₇并不能完全实时（会有延时，假设动起来需要的力为10个单位，可能在F₇达到11个单位时才能动起来）作用于克服最大静摩擦力，因此需要考虑力传递产生的延时影响。

由于第二液压缸17的推力需要先传递到第二压力传感器15再传递到固结体再传递到第一压力传感器9，因此第二压力传感器15的值也会略大于实际值，第一压力传感器9的值F₉（F₉扣除了第三液压缸19施加的力）会略小于实际值，此时本方案对于固结体最大静摩擦力的获取方式校正为F₀= 2 F₈+F₁-F₇-F₃-F₅，还可以校正为F₀= F₉+F₇-F₁-F₈- F₃-F₅。当固结体开始匀速移动后，第一活塞10和第二活塞13与固结体以相同速度移动，可同样采用固结体最大静摩擦力相同的方式进行校正。则固结体的最大粘附强度和匀速使的粘附强度均可以通过公式

，其中

表示粘附强度，r为空心岩心8的内径，l为固结体的长度，可通过第一位移传感器30和第二位移传感器31在同一时刻的数值得到。

如图5所示，由于存在最大静摩擦力大于动摩擦力的因素，且运动过程中基本不能实现一次调整达到匀速移动，因此测试获得的粘附强度结果会出现一个高峰，并在高峰之后会出现波动，最终趋于稳定。图5中横坐标表示时间，纵坐标表示粘附强度，由于波动过程与时间的具体关系还受调整力度的影响，因此图5并未给出具体的时间刻度和粘附强度刻度，仅展示本装置及方法在测量过程中的数据走向情况。

综上所述，本发明本装置可以实现桥接类堵漏材料与岩石的360°接触，模拟桥接类堵漏材料在岩石中受压固结的过程，并在高温高压条件下及时测量桥接类堵漏材料与岩石壁面的粘附强度，提供桥接类堵漏材料在井下高温高压环境中的粘附强度测试准确性。

Claims (10)

1.一种测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其特征在于，包括主控器、测量壳体（7）和液压系统，所述测量壳体（7）通过龙门架（6）固定在底座（1）上；所述测量壳体（7）内设置有空心岩心（8）；所述测量壳体（7）的内部一端设置有用于限制空心岩心（8）位置的限位块（11）；

所述空心岩心（8）内设置有第一活塞（10）和第二活塞（13），所述第一活塞（10）通过第一肢臂（5）固定于第一基块（3）上；所述第二活塞（13）通过第二肢臂（16）固定于第二基块（18）上，所述第二活塞（13）上设置有排液口（14）；所述第一基块（3）和第二基块（18）均设置在底板（2）上；所述底板（2）滑动设置在底座（1）上；

所述液压系统包括第一液压缸（4）、第二液压缸（17）和第三液压缸（19）；所述第一液压缸（4）和第二液压缸（17）分别位于底板（2）的两侧且固定于底座（1）上，用于推动底板（2）相对底座（1）移动；所述第三液压缸（19）固定在底板（2）上并用于推动第二基块（18）相对底板（2）移动；

所述液压系统与主控器相连。

2.根据权利要求1所述的测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其特征在于，所述龙门架（6）上设置有用于监测第一活塞（10）移动距离的第一位移传感器（30），以及用于监测第二活塞（13）移动距离的第二位移传感器（31）。

3.根据权利要求1所述的测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其特征在于，所述第一肢臂（5）和第二肢臂（16）的结构相同，包括第一横杆（20）、第三横杆（24）和立柱（27），所述第一横杆（20）的一端连接活塞，第一横杆（20）的另一端设置有第二横杆（22），所述第二横杆（22）的直径小于第一横杆（20）的直径，第二横杆（22）上套设有压力传感器（21）；所述压力传感器（21）连接主控器；

所述第三横杆（24）的一端设置有用于放置第二横杆（22）的空腔（23），所述第三横杆（24）的另一端设置有第四横杆（25），所述第四横杆（25）与立柱（27）可拆卸连接。

4.根据权利要求3所述的测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其特征在于，所述第四横杆（25）上设置有若干安装孔（26），立柱（27）上设置有螺纹孔或凸台，第四横杆（25）通过螺栓穿过安装孔（26）并固定在螺纹孔内的方式与立柱（27）固定，或立柱（27）通过凸台嵌入安装孔（26）的方式与第四横杆（25）固定。

5.根据权利要求1所述的测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其特征在于，所述第二活塞（13）的前端设置有过滤器（28），所述过滤器（28）通过排液口（14）排出所过滤的液体。

6.根据权利要求1所述的测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的装置，其特征在于，所述空心岩心（8）靠近第二活塞（13）的一端设置有缺口（29）。

7.根据权利要求1所述的测量桥接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（7）的外表面设置有加热器（12），所述第一活塞（10）的内侧设置有温度传感器（32）；所述加热器（12）和温度传感器（32）分别与主控器相连。

8.一种基于权利要求1-7任一所述装置的测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将空心岩心（8）放置在测量壳体（7）内使空心岩心（8）止于限位块（11）；

S2、将第一活塞（10）放置于空心岩心（8）内，向由第一活塞（10）和空心岩心（8）组成的容器中注入待测桥接类堵漏材料；

S3、通过第三液压缸（19）驱动第二基块（18）使第二活塞（13）朝向第一活塞（10）移动并挤压待测桥接类堵漏材料，使待测桥接类堵漏材料中的液体从排液口（14）排出，等待待测桥接类堵漏材料形成固结体；

S4、维持第三液压缸（19）的压力，启动第一液压缸（4）和/或第二液压缸（17）使底板（2）及设置在底板（2）上的部件向第二活塞（13）往第一活塞（10）的方向匀速一端；

S5、基于第一液压缸（4）和/或第二液压缸（17）推动底板（2）移动的力获取待测桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度。

9.根据权利要求8所述的测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的方法，其特征在于，步骤S2与步骤S3之间还包括步骤：

S2.1、判断是否需要模拟目标地层温度，若是则进入步骤S2.2；否则直接进入步骤S3；

S2.2、启动加热器（12），并通过温度传感器（32）获取待测桥接类堵漏材料的温度，当待测桥接类堵漏材料的温度达到设定值时，进入步骤S3，并实时根据温度传感器（32）的值调整加热器（12）的加热功率。

10.根据权利要求8所述的测量桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度的方法，其特征在于，步骤S5的具体方法为：

通过第一位移传感器（30）和第二位移传感器（31）的数据实时调整第一液压缸（4）和/或第二液压缸（17）推动底板（2）移动的力，使固结体匀速移动；

通过第一压力传感器（9）和第二压力传感器（15）的数据获取固结体在匀速移动过程中的受力变化；根据固结体在匀速移动过程中的受力变化和第一液压缸（4）和/或第二液压缸（17）推动底板（2）移动的力获取待测桥接类堵漏材料与岩石壁面粘附强度。

Images