CN113959910B - 一种连续测量钻井液剪切应力的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于钻井液性能测量技术领域，公开了一种连续测量钻井液剪切应力的实验装置。包括壳体，壳体上形成有相对设置的用于泵入和泵出钻井液的入口和出口，固定在壳体内的定子内筒，同轴位于定子内筒的外周的转子外筒，与定子内筒相连的扭矩传感装置，以及与转子外筒相连且位于壳体外部的驱动电机。其中，定子内筒与转子外筒之间形成有环空测量段，转子外筒上形成有用于流入钻井液的开口，驱动电机驱动转子外筒相对于定子内筒转动以带动经开口进入环空测量段的钻井液旋转流动，旋转流动的钻井液带动定子内筒产生扭矩并通过扭矩传感装置获得钻井液的剪切应力值。本发明的连续测量钻井液剪切应力的实验装置能更准确地连续测量钻井液的剪切应力。

Description

一种连续测量钻井液剪切应力的实验装置

技术领域

本发明涉及钻井液性能测量技术领域，具体涉及一种连续测量钻井液剪切应力的实验装置。

背景技术

在钻井工程领域，钻井液剪切应力是评价钻井液性能适应性的重要指标参数。现有的用于测量钻井液剪切应力的装置主要包括手动FANN35粘度计和连续自动测量钻井液剪切应力装置。

现有技术中的手动FANN35粘度计主要由外筒、内筒、弹簧、刻度盘、转子、悬锤组成，其测量过程是：当外筒以某一恒速旋转时，带动环隙里的钻井液旋转。由于钻井液的粘滞性，使与扭簧连接在一起的内筒转动一个角度。根据牛顿内摩擦定律，转动角度的大小与钻井液的所受到的剪切应力成正比，钻井液粘度的测量就变为内筒转角的测量，转角的大小可以从刻度盘上直接读出。

现有技术中的连续自动测量钻井液剪切应力装置主要由泵入系统、流量无级调节系统、流道、LCT罐、泥浆罐等组成，其测量过程是：通过泵入系统，经过流量无级调节系统，把钻井液运送到流道，其流道采用了变径异型管，在流道上布置若干压力采样点，利用水力学模型，通过测量到的压力点来反演得到钻井液的剪切应力。

而对于上述两种现有的测量钻井液剪切应力装置，FANN35粘度计无法做到连续和自动测量钻井液的剪切应力；连续自动测量钻井液剪切应力装置，虽可以做到连续测量和自动测量，但其测量原理是通过采集流道上的压力数据来反演得到钻井液剪切应力，并非直接测量，其准确性无法保证。

发明内容

为了更准确地连续测量钻井液的剪切应力，本发明提出了一种连续测量钻井液剪切应力的实验装置。

根据本发明的连续测量钻井液剪切应力的实验装置，包括：壳体，壳体上形成有相对设置的用于泵入钻井液的入口和泵出钻井液的出口，固定在壳体内的定子内筒，同轴位于定子内筒的外周的转子外筒，与定子内筒相连的扭矩传感装置，以及与转子外筒相连且位于壳体外部的驱动电机。其中，定子内筒与转子外筒之间形成有环空测量段，转子外筒上形成有用于流入钻井液的开口，驱动电机驱动转子外筒相对于定子内筒转动以带动经开口进入环空测量段的钻井液旋转流动，旋转流动的钻井液带动定子内筒产生扭矩并通过扭矩传感装置获得钻井液的剪切应力值。

进一步地，定子内筒的轴线垂直于入口与出口的连线。

进一步地，扭矩传感装置包括与定子内筒相连的扭力元件，位于壳体的外壁上的旋转变压器以及与旋转变压器相连的扭力传感器，其中，扭力元件固定在壳体的内壁上，旋转变压器用于将扭力元件产生的角度偏转信号传递至扭矩传感器，扭矩传感器用于将角度偏转信号转换成剪切应力的电信号。

进一步地，转子外筒构造为在其径向上与入口和出口之间均形成有间距，在其轴向上形成有开口的区域完全覆盖入口和出口。

进一步地，开口的个数为多个，且均匀分布在转子外筒上。

进一步地，间距的范围为1.5至2.5cm，转子外筒与定子内筒之间的间隔的范围为1.5至2.5cm。

进一步地，壳体上形成有用于穿过驱动电机的驱动轴的安装轴孔，驱动轴与安装轴孔之间设置有密封件。

进一步地，连续测量钻井液剪切应力的实验装置还包括用于对密封件进行密封降温的冷却部件。

进一步地，冷却部件包括连接在驱动轴上的位于壳体与驱动电机之间的冷却壳体，冷却壳体上形成有用于连通外部冷却源的冷却液入口和冷却液出口。

进一步地，驱动电机的转速可调，以获取不同转速下的钻井液的剪切应力值。

在本发明的连续测量钻井液剪切应力的实验装置中，转子外筒相对于定子内筒的持续转动可持续带动环空测量段内的钻井液的持续转动，以带动定子内筒上持续产生扭矩，而与定子内筒相连的扭矩传感装置则可持续将该扭矩转换为待测的钻井液的剪切应力值，因此在该过程中，本发明实施例的连续测量钻井液剪切应力的实验装置可以做到连续的、自动的测量钻井液剪切应力，其测量结果可通过扭矩传感装置实现数字化连续记录，因此可以更为高效和准确地监测钻井施工现场钻井液的剪切应力的变化情况；同时，由于本发明实施例的连续测量钻井液剪切应力的实验装置利用了转子外筒相对于定子内筒的旋转式测量原理，可直接对钻井液的剪切应力进行测量，因此具有较高的测量准确性，性能也更可靠，实验成功率更高。

附图说明

图1为根据本发明实施例的连续测量钻井液剪切应力的实验装置的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。

图1示出了根据本发明实施例的连续测量钻井液剪切应力的实验装置100的结构。其包括：壳体1，壳体1上形成有相对设置的用于泵入钻井液S的入口11和泵出钻井液的出口12，固定在壳体1内的定子内筒2，同轴位于定子内筒2的外周的转子外筒3，与定子内筒2相连的扭矩传感装置4，以及与转子外筒3相连且位于壳体1外部的驱动电机5。其中，定子内筒2与转子外筒3之间形成有环空测量段31，转子外筒3上形成有用于流入钻井液S的开口32，驱动电机5驱动转子外筒3相对于定子内筒2转动以带动经开口32进入环空测量段31的钻井液S旋转流动，旋转流动的钻井液S带动定子内筒2产生扭矩并通过扭矩传感装置4获得钻井液的剪切应力值。

本发明实施例的连续测量钻井液剪切应力的实验装置100在工作时，待测的钻井液S从壳体1的入口11处持续地泵入，由于泵注的作用，钻井液S通过转子外筒3上的开口32进入到环空测量段31，随着驱动电机5的驱动轴52的不停旋转，带动转子外筒3进行旋转，转子外筒3的旋转带动环空测量段31中的钻井液S持续发生旋转流动，由于钻井液具有粘性阻力，从而带动定子内筒2产生扭矩，而对应的扭矩则通过扭矩传感装置4来获得钻井液的剪切应力值。

在本发明实施例的连续测量钻井液剪切应力的实验装置100中，转子外筒3相对于定子内筒2的持续转动可持续带动环空测量段31内的钻井液的持续转动，以带动定子内筒2上持续产生扭矩，而与定子内筒2相连的扭矩传感装置4则可持续将该扭矩转换为待测的钻井液的剪切应力值，因此在该过程中，本发明实施例的连续测量钻井液剪切应力的实验装置100可以做到连续的、自动的测量钻井液剪切应力，其测量结果可通过扭矩传感装置4实现数字化连续记录，因此可以更为高效和准确地监测钻井施工现场钻井液的剪切应力的变化情况；同时，由于本发明实施例的连续测量钻井液剪切应力的实验装置100利用了转子外筒3相对于定子内筒2的旋转式测量原理，可直接对钻井液的剪切应力进行测量，因此具有较高的测量准确性，性能也更可靠，实验成功率更高。

在如图1所示的优选的实施例中，定子内筒2的轴线可垂直于入口11与出口12的连线。该设置可确保经入口11泵入的钻井液S能够顺利地通过开口32进入环空测量段31内，以使环空测量段31内的钻井液对定子内筒2施加的扭矩力更为稳定，从而提高钻井液S的剪切应力的测量值的准确性。

根据本发明，如图1所示，扭矩传感装置4可包括与定子内筒2相连的扭力元件41，位于壳体1的外壁上的旋转变压器42以及与旋转变压器42相连的扭力传感器43。其中，扭力元件41固定在壳体1的内壁上，旋转变压器42用于将扭力元件41产生的角度偏转信号传递至扭矩传感器43，扭矩传感器43用于将角度偏转信号转换成关于剪切应力的电信号。在该实施例中，环空测量段31内的钻井液带动定子内筒2产生扭矩，使得与定子内筒2相连的扭力元件41发生一定的角度偏转，旋转变压器42可将该角度偏转信号传递至扭矩传感器43，扭矩传感器43可将该角度偏转信号进行处理并输出关于剪切应力的电信号，例如可以输出与对应的剪切应力值成线性关系的4-20mA信号。

在一个优选的实施例中，如图1所示，转子外筒3可构造为在其径向上与入口11和出口12之间均形成有间距，在其轴向上形成有开口32的区域完全覆盖入口11和出口12。通过该设置，使得由入口11泵入的钻井液S能够尽可能多地通过开口32进入环空测量段31内，以提高钻井液S测量的准确性。

进一步地，开口32的个数为多个，且均匀分布在转子外筒3上。该设置使得钻井液S能够在转子外筒3的形成有开口32的各个区域稳定地进入环空测量段31内，转子外筒3的各区域受力更平稳以带动环空测量段31内的各区域的钻井液S受力更平稳，从而有助于进一步提高钻井液S测量的准确性。

更进一步地，在确保钻井液S能够尽可能多地平稳进入环空测量段3内的基础上，为了进一步提高测量的准确性，可将上述间距的范围设置为1.5至2.5cm，优选为2cm；转子外筒3与定子内筒2之间的间隔(即环空测量段3的厚度)的范围设置为1.5至2.5cm，优选为2cm。

在如图1所示的优选的实施例中，壳体1上可形成有用于穿过驱动电机5(包括驱动电机本体51和与驱动电机本体51相连的驱动轴52)的驱动轴52的安装轴孔(图中未示出)，驱动轴52与安装轴孔之间设置有密封件。该密封件用于密封驱动轴52与壳体1之间的连接，以防止壳体1内的钻井液通过安装轴孔流出发生泄漏现象。

进一步地，连续测量钻井液剪切应力的实验装置100还可包括用于对密封件进行密封降温的冷却部件6。由于驱动轴52不停地转动，因此会与密封件之间形成摩擦而产生大量的热量，很容易使密封件发生损伤而影响密封的可靠性，该冷却部件6的设置不仅可用于对密封件进行降温，更重要的是可以进一步对密封件处形成密封，也就是说该冷却部件6可以进一步对密封件与驱动轴52之间，以及密封件与安装轴孔之间形成密封，从而在冷却部件6与密封件的共同作用下实现了对驱动轴52与安装轴孔之间的双重密封。

优选地，冷却部件6可包括连接在驱动轴52上的位于壳体1与驱动电机5之间的冷却壳体61，冷却壳体61上形成有用于连通外部冷却源的冷却液入口62和冷却液出口63。优选地，外部冷却源例如可以是现有技术中的油状的冷却液。在该实施例中，通过将冷却壳体61连接在驱动轴52上的位于壳体1与驱动电机5之间的区域，使得冷却部件6不仅可以对驱动轴52上产生的热量进行降温，还可实现对驱动轴52更好地支撑作用，以确保驱动轴52更稳定地转动。

根据本发明，驱动电机5的转速可调，以获取不同转速下的钻井液S的剪切应力值。本发明中，剪切率可根据驱动电机5转速的变化而变化，驱动电机5的转速变化可通过一种能够根据不同时间自动控制驱动电机5的转速的程序来实现，可优选设置6至16种不同剪切率下的液体剪切应力测量模式，以便更高效和准确地监测钻井液的剪切应力的变化情况，从而达到准确评价钻井液性能适应性的目的。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种连续测量钻井液剪切应力的实验装置，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体上形成有相对设置的用于泵入钻井液的入口和泵出钻井液的出口，

固定在所述壳体内的定子内筒，

同轴位于所述定子内筒的外周的转子外筒，

与所述定子内筒相连的扭矩传感装置，以及

与所述转子外筒相连且位于所述壳体外部的驱动电机，

其中，所述定子内筒与所述转子外筒之间形成有环空测量段，所述转子外筒上形成有用于流入钻井液的开口，所述驱动电机驱动所述转子外筒相对于所述定子内筒转动以带动经所述开口进入所述环空测量段的钻井液旋转流动，旋转流动的钻井液带动所述定子内筒产生扭矩并通过所述扭矩传感装置获得钻井液的剪切应力值；所述定子内筒的轴线垂直于所述入口与所述出口的连线；所述转子外筒构造为在其轴向上形成有所述开口的区域完全覆盖所述入口和所述出口；所述开口的个数为多个，且均匀分布在所述转子外筒上；所述转子外筒构造为在其径向上与所述入口和所述出口之间均形成有间距；所述间距的范围为1.5至2.5cm。

2.根据权利要求1所述的连续测量钻井液剪切应力的实验装置，其特征在于，所述扭矩传感装置包括与所述定子内筒相连的扭力元件，位于所述壳体的外壁上的旋转变压器以及与所述旋转变压器相连的扭力传感器，其中，所述扭力元件固定在所述壳体的内壁上，所述旋转变压器用于将所述扭力元件产生的角度偏转信号传递至所述扭力传感器，所述扭力传感器用于将所述角度偏转信号转换成剪切应力的电信号。

3.根据权利要求1所述的连续测量钻井液剪切应力的实验装置，其特征在于，所述转子外筒与所述定子内筒之间的间隔的范围为1.5至2.5cm。

4.根据权利要求1或2所述的连续测量钻井液剪切应力的实验装置，其特征在于，所述壳体上形成有用于穿过所述驱动电机的驱动轴的安装轴孔，所述驱动轴与所述安装轴孔之间设置有密封件。

5.根据权利要求4所述的连续测量钻井液剪切应力的实验装置，其特征在于，所述连续测量钻井液剪切应力的实验装置还包括用于对所述密封件进行密封降温的冷却部件。

6.根据权利要求5所述的连续测量钻井液剪切应力的实验装置，其特征在于，所述冷却部件包括连接在所述驱动轴上的位于所述壳体与所述驱动电机之间的冷却壳体，所述冷却壳体上形成有用于连通外部冷却源的冷却液入口和冷却液出口。

7.根据权利要求1或2所述的连续测量钻井液剪切应力的实验装置，其特征在于，所述驱动电机的转速可调，以获取不同转速下的钻井液的剪切应力值。