一种冲击式固结物强度测定仪及其方法与流程

本发明属于井壁稳定剂对破碎地层封堵及胶结能力的测试装置与评价领域，具体涉及一种冲击式固结物强度测定仪及其方法，用于测定和评价沥青类井壁稳定剂以及类似材料对模拟破碎地层的涂覆与胶结能力。
背景技术：
：地层失稳是钻井工程中十分常见的现象，实验结果表明，泥页岩与水接触以后，其含水量会明显增加，密度下降，并使泥页岩表面首先产生微裂缝(沿井眼周围)，从而使泥页岩强度降低。这表明滤液侵入泥页岩和应力平衡的丧失是井眼失稳的根本原因。实践表明，加入具有封堵功能的材料能够有效降低泥页岩渗透性和由于液柱压力穿透作用造成的井壁附近泥页岩孔隙压力的增加，进而降低地层的坍塌压力。随着助剂研发能力的不断提高，新型井壁稳定材料同时具备孔隙封堵功能和裂隙胶结能力，如含沥青质的地层防塌剂。现场经验表明，通过强化钻井液的封堵胶结能力是提高井壁稳定性的一个非常重要的手段，这一目标大多采用沥青类防塌剂实现。沥青具有在高温情况下变软直至成为流体的功能，在正向压差作用下，软化后的沥青类防塌剂能够比较容易的进入到地层裂缝中形成胶结物，从而提高破碎性和裂隙性地层的稳定性。但就实验评价方法及相关仪器的研发情况看，井壁稳定剂的封堵能力特别是裂隙胶结能力缺乏相应的评价手段，这直接导致了现场施工和相关材料研发中的盲目性。因此，研制开发封堵防塌材料模拟评价装置和提出相应的实验评价方法对施工现场制定合理的井壁稳定技术方案和合理使用井壁稳定剂具有重大的技术指导意义。关于封堵防塌剂对破碎地层封堵与胶结能力的评价目前尚未见到专用的实 验装置，也没有成型的实验方法，为了考查封堵防塌剂尤其是沥青类材料对泥饼质量的改善情况，一些科研人员借助于API滤失量测定仪对钻井液配伍沥青质材料以后形成的泥饼进行清水渗透性变化的实验评价，这种方法与工程实际比较接近，但缺点也显而易见，即该方法无法模拟井下实际情况就封堵防塌剂对泥饼的改善效果进行评价，特别是无法在较高温度和压力下对封堵层的封堵效果进行模拟评价，更无法在模拟地层条件下对封堵防塌剂的胶结效果进行实验评价。就现场施工和相关的研究探索趋势看，井壁防塌在重视材料封堵效果的同时，其胶结能力越来越受到重视，并已成为考查防塌材料技术性能的重要指标之一，这是因为在对付破碎性地层的工程实践中，具有良好胶结功能的材料能够有效提高地层的坍塌压力，进而延长地层的失稳周期。从上述实际需要看，相应的实验评价仪器的缺乏和实验方法与工程实际的脱节已经成为制约封堵防塌剂功能进一步改善和提高的主要障碍，急需在这方面有所突破。从相关资料的检索情况看，目前相关的中国专利有：①CN200420027395.6(抗压强度测定仪)，该实用新型专利专门用于建筑、勘探行业岩石、混凝土抗压强度的测定，包括测试电路，电机、夹头和螺钻，从抗剪强度、抗压强度、粘聚力、内摩擦角等参数的内在联系入手，找出了可以避免破坏性取样的测量抗压强度方法，并且借助新型测量电路，巧妙利用电钻结构，设计出了切实可行的抗压强度测定仪。该专利主要用于高硬度材料如岩石、混凝土抗压强度的测定，装置采用了螺钻方式压入被测物体表面，其整套测量装置均是为了适应强度较高材料而设计，不适合用于二次胶结成型强度较低的材料，无法评价井壁稳定剂对破碎性地层的胶结稳定效果。②CN00222673.1(岩心水化强度测定仪)，该实用新型装置主要用于测定岩心在水化过程中强度的变化。其主体由电子天秤、岩心试样杯、探针、千分尺头、传动杆、传动带、同步带轮、低速同步电机及微型打印机组成。其主要特征是：采用低速同步电机及其传动装置带动传动杆旋转,进而带动千分尺头旋转并恒速下移,下移探针与岩心接触后产生阻力，通过阻力变化反映强度变化,其 数值大小通过电子天秤计量,根据不同针入深度测定出岩心在水化过程中不同层位的强度。该专利主要用于岩石遇水以后强度变化的测定，由于不同岩石遇水以后的水化反应速度差别很大，同一块岩石与水接触以后水分进入岩体内部的深度和时间都有明显差别，因此要求仪器能够精细计量这些差别并根据这些差别得出探针的针入度数值，但该专利没有涉及将针入度换算为强度的方法，此外仪器的整个测量过程过于精细，不适合破碎性材料经过人工胶结以后形成的块体，无法用于模拟地层胶结后强度的测定与评价。另外，申请发明专利CN103439221A是一种专门用于沥青性能测定的针入度仪，沥青试样置于控制台上设置的控温水槽中，控温水槽上安装有加热丝和温度传感器，实验时将沥青试样放置于控温水槽中，按照要求加热并保持恒定温度。该装置主要用于测定沥青软化点和凝固性能，和本发明所要获得的数据和所要达到的目标相差很大，两个装置在结构和数据处理上存在着本质的区别。目前国外也没有相关专利。地层失稳与井壁稳定是一个非常复杂的技术问题，由于影响因素众多，并且各种因素之间又存在着复杂的制约关系，因此在关于井壁稳定材料和相关的技术评价上，一直难以开发出成型且为技术界所公认的实验方法和评价手段。由上述分析可以看出，已公开的相关专利装置不具备沥青质材料稳定井壁效果的评价与测定功能，而必须以沥青质材料的特点为依据，研制开发适合于封堵胶结型井壁稳定剂效果评价的专用仪器以及相应的实验方法，为井壁稳定现场操作和新材料的研究奠定实验基础。技术实现要素：本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种冲击式固结物强度测定仪及其方法，通过实验手段对井壁稳定材料尤其是沥青质材料的地层保护效果实现量化评价，测定在模拟地层条件(压力、温度)下，松散(破碎)地层经沥青质防塌材料胶结改造以后的强度，并定性的评价沥青质材料对 破碎地层的胶结能力。以便为新材料的研发和现场使用提供技术和理论方面的指导。本发明是通过以下技术方案实现的：一种冲击式固结物强度测定仪，包括：底座及设置在底座上的支架、置于支架上的位置调节装置、电磁释放控制装置、位移传感及监测装置，以及数据采集与处理系统；所述位置调节装置设置在所述支架上，在所述位置调节装置上连接有探针支架与检测系统；在所述探针支架与检测系统上固定所述电磁释放控制装置和位移传感及监测装置，电磁释放控制装置位于位移传感及监测装置的上方；所述探针支架与检测系统包括杆式探针；所述电磁释放控制装置用于控制杆式探针的上升和下降；所述位移传感及监测装置用于测量杆式探针的上升和下降距离，并将信号输送至数据采集及处理系统和电磁释放控制装置，使电磁释放控制装置完成提升与释放动作，并最终由数据采集及处理系统输出测定结果。所述电磁释放控制装置包括横向电磁控制器、纵向电磁控制器和限位环；所述纵向电磁控制器内设有磁力举升装置；所述限位环位于纵向电磁控制器上部，所述横向电磁控制器位于纵向电磁控制器的下方；当回路接通杆式探针处于上升态时，横向电磁控制器松开；杆式探针上升至被纵向限位环阻挡时，回路断开，此时横向电磁控制器动作，将杆状探针抱死，同时磁力举升装置自动关闭；转入测量状态以后，横向电磁控制器彻底松开，杆式探针能够实现自由下落。所述横向电磁控制器采用电磁方式动作的卡盘、三角卡块、探爪卡箍或三个呈120°分布的内圆弧定位器。所述探针支架与检测系统包括从上至下依次设置的第一支臂、第二支臂和第三支臂；在所述第一支臂上固定所述电磁释放控制装置；在所述第二支臂上固定所述位移传感及监测装置；在所述第三支臂上固定有扶正环，用于限制杆式探针的升降距离；测试开始前，杆式探针由电磁释放控制装置夹住，其下端依次穿过所述位移传感及监测装置和扶正环。在所述底座上设有限位凹环，待测砂床胶结物放置在所述限位凹环中；在所述底座下设有水平调节器，能够使底座处于水平状态；在所述底座上设有水平仪。所述水平调节器包括至少3个支脚，其中一个支脚的高度是能够调节的。所述位置调节装置包括前后调节器和上下调节器；所述前后调节器能够调节所述探针支架与检测系统的前后移动，所述上下调节器能够调节所述探针支架与检测系统在支架上进行上、下移动。所述前后调节器和上下调节器均采用丝杠结构。所述杆式探针采用光滑杆件，其前端为正圆锥体。利用所述冲击式固结物强度测定仪进行固结物强度测定的方法，包括：(1)接通电源，等到电磁释放控制装置的工作状态达到稳定时，连接好数据采集及处理系统，将待测砂床胶结物置于底座上的限位凹环中并摆放平稳，调节水平调节器13使底座水平；(2)操作电磁释放控制装置使之处于完全松开状态，旋动前后调节器和上下调节器使杆式探针的顶尖部位接触待测砂床胶结物的表面，位移传感及监测装置将该高度记录为零位，并将数据传送至数据采集及处理系统；(3)操作电磁释放控制装置，通过电磁力使杆式探针上升至限位环处，此时横向电磁控制器锁定，位移传感及监测装置记录此时的高度数值，并将信号传送至数据采集及处理系统；(4)操作电磁释放控制装置使横向电磁控制器和纵向电磁控制器处于完全松开状态，此时杆式探针以自由落体方式下落并撞击待测砂床胶结物，动作停止以后位移传感及监测装置记录撞击深度，并将信号传送至数据采集及处理系统；(5)数据采集及处理系统根据所有信号计算获得砂床胶结物的抗冲击强度。步骤(2)是给位移传感器确定起始插入点，以便在步骤(3)和步骤(4)后计算探针插入砂床深度，具体见实施方式。所述步骤(5)是通过下式获得砂床胶结物的抗冲击强度，即岩体当量强度fcr：P=K·MA·Nρt{13V((ρtfcr))12-49ln(1+34V·((ρtfcr))12)}]]>式中：P为插入深度；K为常数；ln是自然对数符号；M为杆式探针的质量，单位为kg；A为杆式探针的正投影面积，单位为m2；N为杆式探针的形状参数，其中θ为杆式探针与被测定物体接触部位的锥角；ρt为待测砂床胶结物的密度，单位为kg/m3。V为杆式探针与待测砂床胶结物接触时的速度，其中g为重力常数，取9.81m/s2；s为下落距离，单位为m；其中σc为岩样单轴抗压强度，单位为KPa；QRD为与被测物强度相关的常数。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明主要用于完成沥青质类井壁稳定材料或具有类似功能的其它井壁稳定剂对破碎地层胶结效果的测定评价。本装置的主要优点如下：(1)结构紧凑，操作简便，自动化程度高，可以做到数据实时传输与处理，测定结果的可重复性好。(2)可以将杆件的撞击深度单位直接以强度单位的方式表现出来，结果的物理意义非常明确，便于科研工作直接使用。附图说明图1岩体当量强度与插入深度的关系图。图2冲击式强度测定仪的结构示意图。图3冲击式强度测定仪电磁控制及数据处理系统。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述：破碎岩石经过沥青质井壁稳定剂胶结处理以后，能够具有一定的抗破碎强度，可用于定性模拟破碎带地层经过沥青质材料处理以后井壁稳定性的变化情况。沥青质井壁稳定剂对破碎地层的胶结效果与胶结体的抗破碎程度成正比，胶结效果越好，在外力作用下胶结体抵抗破坏的能力越高。为了能够使胶结体抵抗外力破坏的能力数量化，以便方便的用于材料性能和工艺参数的实验评价，采用对胶结体受到冲击以后破坏程度的考查方式对材料或工艺效果进行描述。一般而言，冲击物插入胶结体的深度和其强度成反比。本发明装置主要是为了定性或定量的测定和评价井壁稳定材料对破碎地层的表面涂覆封堵能力以及胶结程度，以及对相应的测定过程提出了一种比较接近实际情况的井壁稳定材料质量和稳定效果评价方法，发明所涉及到的装置和方法能够有效提高实验数据的可参考性，能够促使与井壁稳定相关的科研工作由定性逐步向半定量以至于定量化方向发展，同时也可为现场技术方案的制定和实施提供了很好的理论支持。A.装置简述本发明装置主要包括以下四部分：①支架及底座；②位置调节装置；③电磁释放控制装置；④冲击杆位移监测装置；⑤数据采集与控制系统(图3是图2的局部放大图，图2中的“连接数据输出口”对应的是图3中与计算机相连的3条线)。装置组成与结构简述如下：如图2所示，底座1用于放置待测定强度的胶结砂床3；水平调节器13(例如可采用：四个支脚中的一个支脚是可调高度的，其余三个是固定的)可以使底座1处于水平状态，提高测定数据的准确性；在底座1上设有探针支架与检测系统8，在8上设有前后调节器9(例如可以采用丝杠实现前后位移，主要用于杆式探针5的定位微调)、上下调节器10(例如可以采用丝杠实现前后位移)分别用于调节冲击杆5(采用光滑杆件，其前端为30°正圆锥体，以便能够和计算所使用的数学模型相对应)在胶结砂床3表面的位置和确定杆头与胶结砂床的接触点，此点作为零点高度；扶正环7用于限制冲击杆5的升降距离，本装置中冲击杆的总位移为28±0.5cm；电磁释放控制装置4用于控制冲击杆5的上升和下降；位移传感及监测装置6(其固定在探针支架与检测系统8上，冲击杆5从其中穿过)用于测量冲击杆5(又称为杆式探针)的上升和下降距离，并将信号输送至数据采集及处理系统12和电磁释放控制装置4，使电磁释放控制装置4完成提升与释放动作，并最终由数据采集及处理系统12输出测定结果。如图3所示，电磁释放控制装置4包括横向电磁控制器4-1、纵向电磁控制器4-2、限位环14。其中，横向电磁控制器4-1只要能够按照要求实现松开和 定位两个动作即可，可以是卡盘、三角卡块、探爪卡箍或三个呈120°分布的内圆弧定位器等结构，采用电磁方式动作。纵向电磁控制器4-2、为圆筒状结构，其内部主要是一个磁力举升装置，当回路接通探针5处于上升态时，横向电磁控制器4-1松开；探针5上升至被限位环14阻挡时，回路断开，此时横向电磁控制器4-1动作，将杆状探针5抱死，同时磁力上升装置自动关闭。前面的准备动作完成转入测量状态以后，横向电磁控制器4-1彻底松开，探针5可以实现自由下落，动作快而准。B.操作方法描述(1)接通电源等待1～2min左右，以便确保电磁装置进入稳定的工作状态，连接好数据采集及处理系统12，将待测砂床胶结物3置于底座1上的限位凹环11中并摆放平稳，调节水平调节器13使水平气泡2居中。(2)操作电磁释放控制装置4使之处于完全松开状态(此时的探针5位于限位环14的下方，可以和限位环接触，也可以不接触)，旋动位置调节器9和10使冲击杆5的顶尖部位处于砂床胶结物3表面合适的位置(即刚刚接触表面的地方)，位移传感及监测装置6(采用现有传感器即可)将该高度记录为零位，并通过位移传感器15将数据传送至数据采集及处理系统12。(3)操作电磁释放控制装置4通过电磁力使冲击杆5上升至设计上限，此时冲击杆5的头部与砂床胶结物3表面的距离为25.0±0.2cm，冲击杆5达到该高度时电磁释放控制装置4中的横向电磁控制器4-1锁定。位移传感及监测装置6记录此时的高度数值，并将信号传送至数据采集及处理系统12。(4)操作电磁释放控制装置4使横向电磁控制器4-1和纵向电磁控制器4-2处于完全松开状态，此时冲击杆5以自由落体方式下落并撞击砂床胶结物3，动作停止以后位移监测装置6记录撞击深度(即从步骤3时的高度到现在的高度之间的差值)，并将信号传送至数据采集及处理系统12，得出砂床胶结物的抗冲击强度。为了客观评价砂床胶结物的强度，一般要测2～3个点，取其算术平均值。本发明以能量与动量守恒原理为基础，结合数值模拟方法，开发出了深度与强度的数学转换模型，其主要原理是通过测定自由落体(冲击杆)自一定高度下落后插入固结物的深度，然后换算为单轴抗压强度，以此作为固结物的强度。其数学模型的表示过程如下：插入深度与岩体强度关系的数学模型为：P=K·MA·Nρt{13V((ρtfcr))12-49ln(1+34V·((ρtfcr))12)}]]>式中：K—常数，一般取0.001。M—冲击杆质量，kg，本例中，M＝0.551kg。A—冲击杆正投影面积，m2，本例中A＝1.77×10－4m2。N—冲击杆形状参数，其中θ为冲击杆与被测定物体接触部位的锥角，本例中θ＝30°，由此计算得到N＝1.138。ρt—被测物密度，此处取2800kg/m3。V—冲击杆与被测物接触时的速度，其中g为重力常数，取9.81m/s2；s为下落距离,一般情况下，S根据实验需要，通过调节电磁释放控制装置限位环高度自行设定，m；本例中s取0.25m，计算得到V＝2.214m/s。fcr—岩体当量强度，数学表达式为：其中σc—岩样单轴抗压强度，KPa；QRD—与被测物强度相关的常数，此处取25，由此得到岩体当量强度与插入深度的关系图如图1所示。单轴抗压强度σc和fcr是函数关系，通过获得插入深度得到fcr。为了证实本发明装置的效果，下面结合附图通过实施例做详细说明。实施例1：沥青防塌剂单剂固结效果实验评价基本配方：35g/l膨润土+3g/lLV-PAC+25g/lSML-4+20g/lSMP-2+20g/lSMC+15g/lSMS-19+10g/lSPNH+10g/lNaOH+50g/lKCl+5g/lXJA-1+重晶石(ρ1.75～1.80kg/l)。在110℃/5MPa环境下经过2h后形成的砂床固结物强度测定值如表1所示：表1实施例2：不同软化点沥青防塌剂复合以后固结效果实验评价，基本配方同实施例1。在140℃/5MPa环境下经过2h后形成的砂床固结物强度测定值如表2所示：表2实施例3：不同软化点沥青防塌剂复合以后固结效果实验评价，基本配方同实施例1。在125℃/5MPa环境下经过2h后形成的砂床固结物强度测定值如表3所示：表3以实施例3为例。在第一组测量数据中，SMFF-2的添加量由15g/l增加至25g/l时，冲击深度由32mm减小到了20mm，表明胶结体的强度随着稳定剂加量的增加而升高，计算结果表明，胶结体的抗破碎强度由0.028hPa上升到了0.05hPa。在第三组测量数据中，SMFF-2的添加量由15g/l增加至25g/l时，冲击深度由35mm减小到了21mm，计算结果表明，胶结体的抗破碎强度由0.018hPa上升到了0.047hPa。结果是由数据处理系统自动给出n次测量的算术平均值，测量次数可以根据需要设置。本发明为一种用于测定和评价石油钻井(或地质钻探)以及相关行业用井壁防塌剂对易破碎地层以及裂隙发育地层稳定效果的测定评价装置。本装置的特点是通过测定经井壁稳定剂作用以后的破碎块体胶结物的抗冲击能力，定性或定量的评价防塌剂对裂缝性地层、破碎地层的胶结强化效果，测定结果可直接以强度数值表示，测定结果的可重复性较好，方便用于科研实验工作，并且对生产实际也有比较明确的指导意义。本发明装置主要由支架及底座、位置调节装置、电磁释放控制装置、冲击杆位移监测装置、数据采集与控制系统五部分组成，其特征在于最终结果具有明确的物理意义，结构紧凑，操作方便，自动化程度高，数据处理过程与实际情况吻合度较高，具有很好的实用性，填补了井壁稳定剂胶结能力实验评价装置缺乏的空白上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是 优选的，而并不具有限制性的意义。当前第1页1 2 3