井眼水化变形红外监测装置的制作方法

本实用新型涉及石油钻井岩石力学技术领域，尤其涉及井眼水化变形红外监测装置。

背景技术：

随着国家作出加强对石油与天然气资源开发力度的指示，各大石油公司必将加大油气勘探开发的力度，通过增加探井及开发井的数量以确保油气资源的发现量及产量满足国家战略需求与人民需要。而不可避免的是，由于勘探、钻井、生产技术及装备能力的限制，以前难以动用的油藏将逐渐被纳入开发目标内。例如我国渤海及南海的部分区块，由于浅层成岩作用差或部分层位裂缝发育且粘土矿物含量高，导致在钻遇这些层位时会出现大段的井眼坍塌失稳事故，引起井下钻具阻卡、固井质量差等，现场通常要花费大量的时间、人力及物力去解决井下复杂情况，致使钻完井作业时效极低，作业成本拉高。为了明确敏感区域的井眼变形原因及区域变形的分布规律，极有必要研制一套可以实时监测井眼内部实际情况的室内实验装置，该装置可以模拟实际的井眼尺寸进行全尺寸室内力学实验，以贴近现场实际作业情况。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种井眼水化变形红外监测装置，能够模拟待测岩心的孔眼内在泡水条件下，该待测岩心的孔眼发生变形的情况，并对其进行实时监测，本实用新型简单高效。

本实用新型的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本实用新型提供了一种井眼水化变形红外监测装置，包括：

外筒体，具有密封内腔；

加载机构，设置在所述密封内腔中，所述加载机构具有轴压加载件和围压加载件；其中，所述围压加载件具有能开合设置的两个围压半模，两个所述围压半模围设在待测岩心的外周，所述轴压加载件能轴向移动地设置在所述待测岩心的上端；

注液机构，具有密封液池和导液管，所述密封液池连接在所述外筒体的顶端，所述导液管的一端与所述密封液池相连，其另一端能伸入所述待测岩心内；

监测机构，具有电极和红外监测器，所述电极设置在所述待测岩心的孔眼上方，所述红外监测器设置在所述待测岩心的孔眼内。

在本实用新型的实施方式中，所述轴压加载件包括加载本体，所述加载本体具有加载杆及与所述加载杆相连的加载块，所述加载块的下端面连接有轴向隔垫，所述轴向隔垫与所述加载块之间夹设有轴压加热线圈。

在本实用新型的实施方式中，所述轴向隔垫内嵌设有第一压力传感器。

在本实用新型的实施方式中，所述轴压加载件还包括能驱动所述加载本体沿所述待测岩心的轴向移动的轴压动力部件，所述轴压动力部件包括：

支撑座，固定连接在所述外筒体的顶端；

传动轴，其一端能转动地穿设在所述支撑座内，其另一端套接有传动齿轮；

传动齿条，能轴向移动地设置在所述支撑座上，所述传动齿条能与所述传动齿轮传动连接，所述传动齿条连接在所述加载杆穿出所述外筒体的端部上。

在本实用新型的实施方式中，所述红外监测器具有竖直杆及连接在所述竖直杆上端的径向杆，所述径向杆上可移动地连接有红外测距探头，所述竖直杆穿设在所述待测岩心的孔眼内，所述红外测距探头位于所述孔眼的上端。

在本实用新型的实施方式中，所述监测机构具有承载底座，所述加载机构及所述待测岩心放置在所述承载底座上，所述承载底座具有安装槽，所述红外监测器的竖直杆的下端连接在所述安装槽内。

在本实用新型的实施方式中，所述围压加载件包括传动部件和围压动力部件；其中，

所述传动部件包括两个传动杆，所述传动杆的一端连接在所述围压半模的外壁上，所述传动杆的另一端通过传动轴承可转动地连接有丝杠；

所述围压动力部件包括蜗杆和传动连接在所述蜗杆上的正旋蜗轮和反旋蜗轮，两个所述传动杆上的两个所述丝杠分别穿设连接在所述正旋蜗轮和所述反旋蜗轮内。

在本实用新型的实施方式中，所述外筒体的筒壁上设有径向相对的两个穿孔，两个所述传动杆上分别连接有限位杆，所述限位杆能穿设在所述穿孔中。

在本实用新型的实施方式中，所述围压加载件具有径向相对设置在两个所述围压半模外侧的两个支撑杆，所述支撑杆的一端可转动地连接在所述围压半模上，所述支撑杆的另一端连接有滑轮。

在本实用新型的实施方式中，两个所述围压半模的内侧均连接有围压隔垫，所述围压隔垫与所述围压半模之间夹设有围压加热线圈。

在本实用新型的实施方式中，所述围压隔垫内嵌设有第二压力传感器。

在本实用新型的实施方式中，所述电极连接在所述轴压加载件的下端。

本实用新型的井眼水化变形红外监测装置的特点及优点是：本实用新型的井眼水化变形红外监测装置简单高效，可以通过本实用新型进行大尺寸岩心的单三轴实验、凯塞尔效应实验、水化实验等的真实井况模拟，并对大尺寸岩心内部的井眼在泡水的条件下，实时监测其变形情况并进行分析，以进一步明确实验中所用岩心所在区块的井眼发生泡水时的变形原因以及井眼变形的分布规律。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的井眼水化变形红外监测装置的结构示意图。

图2为本实用新型的轴压加载件的结构示意图。

图3为本实用新型的轴压加载件的轴压动力部件的结构示意图。

图4为本实用新型的轴压加载件的轴压动力部件的另一视角的结构示意图。

图5为本实用新型的围压加载件的结构示意图。

图6为本实用新型的围压加载件的围压半模的俯视结构示意图。

图7为本实用新型的监测机构的红外监测器的结构示意图。

图8为本实用新型的井眼水化变形红外监测装置的另一视角的结构示意图。

附图标号说明：1、外筒体；11、密封内腔；12、外筒本体；121、上连接法兰；13、下法兰盘；131、外缘；14、顶盖；15、底座；16、螺栓；17、螺栓；18、穿孔；19、限位杆；2、加载机构；21、轴压加载件；211、加载本体；2111、加载杆；2112、加载块；2113、轴向隔垫；2114、轴压加热线圈；2115、第一压力传感器；2116、凹槽空间；212、轴压动力部件；2121、支撑座；2122、传动轴；2123、传动齿条；2124、传动齿轮；2125、轴承；2126、齿轮内筒；22、围压加载件；221、围压半模；222、传动部件；2221、传动杆；2222、传动轴承；2223、丝杠；223、围压动力部件；2231、蜗杆；2232、正旋蜗轮；2233、反旋蜗轮；2234、外壳体；2235、蜗轮座；2236、电机；224、围压隔垫；225、围压加热线圈；226、第二压力传感器；3、监测机构；31、电极；32、红外监测器；321、竖直杆；322、径向杆；323、红外测距探头；33、承载底座；4、待测岩心；41、孔眼；5、综合控制系统；51、数据采集器；52、处理器；6、注液机构；61、密封液池；62、导液管；63、电动阀门；64、导管；7、平衡机构；71、支撑杆；72、滑轮。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供了一种井眼水化变形红外监测装置，包括外筒体1、加载机构2、注液机构6和监测机构3，其中：外筒体1具有密封内腔11；加载机构2设置在所述密封内腔11中，所述加载机构2具有轴压加载件21和围压加载件22；其中，所述围压加载件22具有能开合设置的两个围压半模221，两个所述围压半模221围设在待测岩心4的外周，所述轴压加载件21能轴向移动地设置在所述待测岩心4的上端；注液机构6具有密封液池61和导液管62，所述密封液池61连接在所述外筒体1的顶端，所述导液管62的一端与所述密封液池61相连，其另一端能伸入所述待测岩心4内；监测机构3具有电极31和红外监测器32，所述电极31设置在所述待测岩心4的孔眼41的上方，所述红外监测器32设置在所述待测岩心4的孔眼41内。

本实用新型的井眼水化变形红外监测装置，简单高效，其可对大尺寸岩心进行实验测试，该大尺寸岩心例如可为直径为6英寸、8英寸或12.25英寸等，高度约为直径的1.5～2倍的圆柱体形的待测岩心4，在本实施例中，该待测岩心4大体呈圆柱体形，其尺寸为φ2.54×5cm，本实用新型可对大尺寸岩心的孔眼在泡水条件下的变形情况进行实时监测与分析，以进一步明确实验中的待测岩心4所在区块的井眼在泡水条件下的变形原因以及井眼变形的分布规律。

具体的，外筒体1大体呈圆柱筒形，其具有外筒本体12，外筒本体12的下端密封连接有下法兰盘13，外筒本体12的上端密封连接有顶盖14，由顶盖14、外筒本体12和下法兰盘13组成的外筒体1形成有密封内腔11。在本实施例中，在外筒本体12的上端外缘形成有上连接法兰121，顶盖14通过多个螺栓16与上连接法兰121相连；下法兰盘13的外径大于外筒本体12的外径，其超出外筒本体12的外缘131能够通过多个螺栓17实现将外筒体1连接在位于外筒体1下方的底座15上的目的。在本实施例中，该些螺栓16和该些螺栓17的数量可分别为4个、8个或更多数量，多个螺栓16和多个螺栓17分别沿顶盖14和下法兰盘13的圆周方向均匀且间隔设置。

该加载机构2设置在外筒体1的密封内腔11中，该加载机构2用于对待测岩心4施加加载力，以满足实验要求。该加载机构2具有轴压加载件21和围压加载件22。

该轴压加载件21能轴向移动地设置在所述待测岩心4的上端，其用于向待测岩心4施加轴向的加载力。

具体的，如图2所示，该轴压加载件21包括加载本体211，该加载本体211具有加载杆2111及与加载杆2111相连的加载块2112，该加载块2112的下端面连接有轴向隔垫2113，该轴向隔垫2113与加载块2112之间夹设有轴压加热线圈2114。在本实施例中，该加载块2112大体呈半球形形状，当然也可采用其他形状，在此不做限制；加载杆2111大体呈圆柱体形，其螺纹或焊接连接在加载块2112的上端；轴向隔垫2113具有一定的厚度，其采用易变形的金属材料制成，例如铅皮等，或者该轴向隔垫2113也可为耐温塑胶管，或者该轴向隔垫2113也可为内部填充细砂颗粒或耐高温油的软袋，在此不做限制，该轴向隔垫2113可以确保待测岩心4的上端面均匀受力，避免因待测岩心4表面不平整或加载块2112的下端面不平整导致待测岩心4的上端面受力不均匀；轴压加热线圈2114均匀铺设固定于加载块2112的底端面上，也即位于加载块2112与轴向隔垫2113之间，该轴压加热线圈2114在通电之后能够发热，以对轴向隔垫2113及内部包裹的待测岩心4进行加热。

进一步的，该轴向隔垫2113内嵌设有第一压力传感器2115。该第一压力传感器2115嵌设于轴向隔垫2113的下端面，该第一压力传感器2115的下端面与轴向隔垫2113的下端面平齐，其可以监测待测岩心4的上端面所受的轴压大小。

如图3和图4所示，该轴压加载件21还包括能驱动加载本体211沿待测岩心4的轴向移动的轴压动力部件212，该轴压动力部件212包括支撑座2121、传动轴2122和传动齿条2123，其中：支撑座2121固定连接在外筒体1的顶端；传动轴2122的一端能转动地穿设在支撑座2121内，其另一端套接有传动齿轮2124；传动齿条2123能轴向移动地设置在支撑座2121上，该传动齿条2123能与传动齿轮2124传动连接，该传动齿条2123连接在加载杆2111穿出外筒体1的端部上。

具体的，支撑座2121内设有轴承2125，传动轴2122的一端穿设于轴承2125内，传动轴2122与轴承2125内圈紧密配合，轴承2125外圈固定在支撑座2121上，传动轴2122的另一端套接有传动齿轮2124，该传动齿轮2124的右端侧面连接有齿轮内筒2126，该齿轮内筒2126的内径与传动齿轮2124的内圈内径相同，该齿轮内筒2126的外径小于传动齿轮2124的直径；传动轴2122与传动齿轮2124的内圈及齿轮内筒2126紧密配合。传动齿条2123与传动齿轮2124啮合，其能活动设置于支撑座2121上，该传动齿条2123与加载杆2111固定相连。传动轴2122在电机的带动下与轴承2125内圈同步旋转，同时带动传动齿轮2124同步旋转，而与传动齿轮2124啮合的传动齿条2123在旋转的传动齿轮2124的带动下，沿着支撑座2121上下移动，其移动方向与外筒体1的轴线方向相同，传动齿条2123在支撑座2121上处于受限状态，其只能沿着竖直方向移动，而不会在水平方向上发生侧移。

该围压加载件22用于对待测岩心4施加周向加载力。该围压加载件22具有能开合设置的两个围压半模221，两个围压半模221围设在待测岩心4的外周。

具体的，如图5和图6所示，该围压半模221大体呈半环形形状，两个围压半模221对扣在一起形成完整的圆形，以便与圆柱体形的待测岩心4配合，当然在其他的实施例中，根据待测岩心4的外形形状，该围压半模221也可设计为其他形状，只要能实现将待测岩心4围设起来并向待测岩心4提供周向加载力即可，在此不对围压半模221的形状进行限制。

在本实用新型中，两个围压半模221的内侧均连接有围压隔垫224，该围压隔垫224与围压半模221之间夹设有围压加热线圈225。在本实施例中，该围压隔垫224具有一定的厚度，其采用易变形的金属材料制成，例如铅皮等，或者该围压隔垫224也可为耐温塑胶管，或者该围压隔垫224也可为内部填充细砂颗粒或耐高温油的软袋，在此不做限制，该围压隔垫224可以确保待测岩心4的外周壁面均匀受力，避免因待测岩心4表面不平整或围压半模221的内侧面不平整导致待测岩心4的周壁面受力不均匀。

在本实用新型中，在围压隔垫224内嵌设有第二压力传感器226，该第二压力传感器226镶嵌于围压隔垫224的内端面，该第二压力传感器226的端面与围压隔垫224的内端面齐平，以便监测待测岩心4的周壁面所受的围压大小。该围压加热线圈225均匀铺设固定于围压半模221的内侧壁上，也即位于围压半模221与围压隔垫224之间，该围压加热线圈225在通电之后能够发热，以对围压隔垫224及内部包裹的待测岩心4进行加热。

进一步的，在本实用新型中，该围压加载件22还包括传动部件222和围压动力部件223；其中，该传动部件222包括两个传动杆2221，该传动杆2221的一端连接在围压半模221的外壁上，该传动杆2221的另一端通过传动轴承2222可转动地连接有丝杠2223；该围压动力部件223包括蜗杆2231和传动连接在蜗杆2231上的正旋蜗轮2232和反旋蜗轮2233，两个传动杆2221上的两个丝杠2223分别穿设连接在正旋蜗轮2232和反旋蜗轮2233内。

该传动部件222的每个传动杆2221均大体呈u形形状，该传动杆2221的一端焊接连接在围压半模221的外壁上，其另一端与传动轴承2222的内圈紧密配合，丝杠2223的一端与传动轴承2222的外圈焊接，其另一端与正旋蜗轮2232或反旋蜗轮2233传动连接。

该围压动力部件223具有外壳体2234，外壳体2234安装在外筒体1的底部，该外壳体2234内的上端连接有两个蜗轮座2235，其中，蜗杆2231穿设在外壳体2234内，其穿出外壳体2234的一端与电机2236相连，蜗杆2231的两端与外壳体2234之间分别通过轴承(图中未示出)固定连接，以减小其转动阻力；正旋蜗轮2232和反旋蜗轮2233分别位于两个蜗轮座2235内，二者处于水平平行的位置并位于蜗杆2231的上方且与蜗杆2231相互啮合，蜗杆2231在电机2236的带动下旋转，并带动正旋蜗轮2232与反旋蜗轮2233旋转。在本实用新型中，正旋蜗轮2232的内圈与反旋蜗轮2233的内圈分别通过螺纹连接对应的丝杠2223，从而使得两个丝杠2223在正旋蜗轮2232和反旋蜗轮2233的旋转带动下，能相对外壳体2234水平移动的设置。在本实施例中，两个丝杠2223的一端位于外壳体2234内，其另一端位于外壳体2234的外侧。

在本实用新型的实施方式中，如图1所示，外筒体1的筒壁上设有径向相对的两个穿孔18，如图5所示，两个传动杆2221上分别连接有限位杆19，该限位杆19能密封穿设在穿孔18中。具体的，限位杆19通过螺纹连接在传动杆2221的外侧，穿孔18内的两侧及下端面可设有滚柱(图中未示出)，滚柱可在穿孔18处滚动，但其活动空间受限于穿孔18，滚柱的作用主要是减小限位杆19在水平方向上移动时的阻力大小，从而减小围压加载件22的两个围压半模221在水平方向上移动时的阻力。

如图1所示，该注液机构6的密封液池61固定连接在外筒体1的顶盖14上，该导液管62的一端通过电动阀门63、导管64与密封液池61相连，其另一端能伸入待测岩心4内。在本实用新型中，该导液管62设置在加载杆2111与加载块2112内，其穿出加载块2112的一端能伸入待测岩心4的孔眼41内。该注液机构6用于向待测岩心4的孔眼41内注入流体，以模拟待测岩心4泡水的条件。

监测机构3具有电极31和红外监测器32，该电极31设置在待测岩心4的孔眼41的上方，该红外监测器32设置在待测岩心4的孔眼41内。

在本实用新型中，设有两个电极31，两个电极31绝缘连接在轴压加载件21的下端，也即连接在轴压加载件21的加载块2112的下端，该轴向隔垫2113的中部形成有凹槽空间2116，以便容纳两个电极31，当轴压加载件21压设在待测岩心4的上端面上时，两个电极31恰好位于待测岩心4的孔眼41正上方。该电极31用于监测待测岩心4的孔眼41内的液位高度。在工作时两个电极31通微弱电流，当待测岩心4的孔眼41中的流体淹没两个电极31时，两个电极31通电，其通电信号会传输至综合控制系统5，以便控制电动阀门63的关闭，而当待测岩心4的孔眼41中的流体液位低于两个电极31时，两个电极31不连通，其不连通的信号会传输至综合控制系统5，以便控制电动阀门63的开启，直至通入孔眼41内的流体刚好淹没两个电极31。

在本实用新型中，如图7所示，该监测机构3具有承载底座33，该承载底座33可安装在围压动力部件223的外壳体2234上，该承载底座33大体呈圆盘形，其中间设有中空的凹槽；在本实施例中，红外监测器32具有竖直杆321及连接在竖直杆321上端的径向杆322，该径向杆322上可移动地连接有红外测距探头323，该竖直杆321穿设在待测岩心4的孔眼41内，该红外测距探头323位于孔眼41的上端。该竖直杆321的下端连接在承载底座33的凹槽中，该竖直杆321的上端与径向杆322之间通过螺纹连接以便于安装。

在本实用新型中，承载底座33内部有驱动装置，可用于驱动红外监测器32的竖直杆321自转，红外监测器32的红外测距探头323在竖直杆321的驱动下可沿待测岩心4的孔眼41周向旋转，同时该红外测距探头323可沿待测岩心的径向方向在径向杆322上水平移动，在本实施例中，该红外测距探头323的初始测点位置紧贴孔眼41的上端内侧壁，由初始测点处沿孔眼41的轴向方向发射红外线用于测距，当测距值小于孔眼41的高度时，该红外测距探头323沿孔眼41的径向方向移动直至测距值等于孔眼41的高度；当测距值等于孔眼41高度时，此时红外测距探头323在竖直杆321的驱动下沿孔眼41的周向方向旋转。

根据本实用新型的一个实施方式，该井眼水化坍塌压力测试装置还包括综合控制系统5，其包括数据采集器51及处理器52，该处理器52用于对数据采集器51收集到的信息数据进行分析，并对电机等进行操作，同时记录和显示监测到的数据。

具体的，该电极31的电信号可传输至综合控制系统5，以便控制电动阀门63的开启或关闭。该红外监测器32的电信号可传输至综合控制系统5，以便对待测岩心4的孔眼41变形情况进行实时监测。该综合控制系统5还可对电机2236和控制传动轴2122的电机进行控制，以便实验的顺利进行。

如图8所示，该井眼水化变形红外监测装置还具有平衡机构7，该平衡机构7具有径向相对设置在两个围压半模221外侧的两个支撑杆71，该支撑杆71的一端可转动地连接在围压半模221上，该支撑杆71的另一端连接有滑轮72。该平衡机构7可保证围压加载件22的平衡状态，不会左右倾斜。

该井眼水化变形红外监测装置的监测方法如下：

步骤s1：卸掉用于固定顶盖14的多个螺栓16并移除顶盖14，吊放内部已加工有孔眼41的待测岩心4至外筒体1内的正中心，记录孔眼41的深度为h0，孔眼41的直径为r0；

步骤s2：连接红外监测器32并调整红外监测器32的红外测距探头323的初始位置至h＝h0；

步骤s3：将连接好管线的顶盖14坐放在外筒体1的上端，并使用多个螺栓16进行固定密封连接；

步骤s4：连接综合控制系统5，设定轴压值、围压值与温度条件，开启注液机构6的电动阀门63，向待测岩心4的孔眼41中注入流体，设定红外测距探头323的水平周向旋转速率，使其以一定速率旋转并实时监测记录测点至挡点(该挡点也即孔眼41内壁发生变形的位置点)的距离h1；

步骤s5：启动轴压加载件21的电机与围压加载件22的电机2236，开启轴压加热线圈2114和围压加热线圈225的电源，使轴压加载件21与围压加载件22对外筒体1内的待测岩心4同步进行加压，直至压力值达到设定值，并维持轴压与围压至设定时长，且轴压加热线圈2114和围压加热线圈225开始工作对待测岩心4进行加热；

步骤s6：当监测的距离h1＝h0时，红外测距探头323在竖直杆321的带动下沿周向旋转，同时得到h2、h3、…hn，直至hn小于h0时，该红外监测器32的红外测距探头323沿径向杆322向待测岩心4的轴线方向滑动直至测得h＝h0，监测并记录红外测距探头323在径向杆322上的移动位移w，按照步骤s4与步骤s5重新设定更高的轴压与围压，继续进行加压实验并维持压力至设定时长；

步骤s7：当红外测距探头323测得h值小于h0时，说明孔眼41已发生缩径，此刻红外测距探头323通过在径向杆322上向待测岩心4的轴线方向移动并实时监测h值，直至h＝h0，该红外测距探头323在径向杆322上的移动位移反映了待测岩心4的孔眼41内部的缩径情况。

本实用新型的井眼水化变形红外监测装置，能解决油气钻井尤其是海洋浅层油气钻井井眼在泡水条件下的变形原因不明确的问题。本实用新型可以进行大尺寸岩心的力学实验，可模拟高温地层(例如温度大于150摄氏度的地层)；可以真实的模拟实际钻进时的地层与井眼条件，实验结果更贴近现场实际；本实用新型采用蜗轮蜗杆以及齿轮齿条进行压力加载，可实现加载压力的精确调控；本实用新型的装置的实验条件安全可控，避免了液压油加载方式中高压流体泄漏的风险，其结构较简单，成本低廉，方便使用。

以上所述仅为本实用新型的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本实用新型实施例进行各种改动或变型而不脱离本实用新型的精神和范围。