一種濾餅強度分層測試裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油天然氣勘探開發(fā)過程中一種濾餅強度的測試裝置和測試方法。
【背景技術】
[0002] 油氣井鉆井過程中，鉆井液在井壁濾失形成的濾餅是減少鉆井液對儲層損害、保 持井壁穩(wěn)定和井眼質量的重要因素。根據(jù)現(xiàn)有研究認為，由于鉆井液固相顆粒尺寸差異，濾 餅在厚度方向上存在強度、密實程度差異?？拷砻娼Y構疏松的虛泥餅對固井質量非常不 利，會降低水泥環(huán)與井壁膠結質量，后期可能形成流體竄流通道。因此，在循環(huán)洗井和頂替 過程中希望盡可能清除井壁濾餅，或清除虛濾餅，留下結構致密部分。由于濾餅的強度、密 實程度分布差異，通常在研究中根據(jù)其力學特征人為進行分層(實際泥餅中并不存在分層 結構，是連續(xù)變化的），不同層間濾餅的固相組成，顆粒粒徑分布等是影響其物理性能(力學 強度、滲透率、孔隙度等)的關鍵。根據(jù)分層研究方法，可認為當層與層間強度小于環(huán)空流體 產生的壁面剪切應力時，濾餅可被破壞沖刷掉。因此，準確地評價濾餅層間強度可為濾餅清 除提供更合理的依據(jù)。
[0003] 目前濾餅強度的測量大多采用的是各種類型的針入方式，通過探針縱向插入濾 餅，測量濾餅在縱向作用下的力學變化。這種方法優(yōu)點在于能對同一試樣進行多次測試，測 試結果能直觀反映濾餅強度沿縱向方向上的變化。但得到的強度并非濾餅層間強度，探針 作用力方向垂直于濾餅，與環(huán)空流體流動產生的壁面剪切力作用方向不符，針入法得到的 強度難以建立與壁面剪切應力的關系。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種濾餅強度分層測試裝置，該裝置原理可靠，結構簡單， 便于操作，可測試兩類不同形狀的濾餅試樣：附著在圓柱形巖芯上的濾餅試樣，附著在濾 紙、濾網(wǎng)等平面過濾介質上的濾餅試樣，克服了現(xiàn)有技術的缺陷。
[0005] 本發(fā)明的另一目的還在于提供利用上述裝置對濾餅強度進行分層測試的方法，該 方法可根據(jù)固井前濾餅清除的要求，提供更準確的濾餅強度量化方法，為建立層間強度與 壁面剪切應力關系提供依據(jù)，指導固井前的濾餅清除。
[0006] 為達到以上技術目的，本發(fā)明提供以下技術方案。
[0007] 本發(fā)明的基本原理為刮削法，可測試兩類不同形狀的濾餅試樣：附著在圓柱形巖 芯上的濾餅試樣，附著在濾紙、濾網(wǎng)等平面過濾介質上的濾餅試樣。測試圓柱形試樣時，刮 刀刀刃平行于巖芯軸線方向，插入濾餅一定深度保持靜止，圓柱形試樣在電機帶動下勻速 轉動，刮刀插入部分濾餅被刮下，裝置記錄下濾餅強度;測試平面試樣時，試樣固定在平板 夾持器上，刮刀刀刃垂直于運動方向，插入濾餅一定深度，在水平伺服電機帶動下作勻速水 平運動，刮刀插入部分濾餅被刮下，裝置記錄下濾餅強度。
[0008] -種濾餅強度分層測試裝置，由刮刀組件、傳感器組件、運動組件、巖芯夾持組件 或平板夾持器、控制組件、數(shù)據(jù)采集與輸出組件組成。
[0009] 所述刮刀組件由刮刀和夾具組成，刮刀刃口形狀為水平線型，刮刀由夾具固定，可 根據(jù)需要更換刮刀。夾具可旋轉，刮刀組件與運動組件相連。
[0010] 所述運動組件由兩部伺服電機、橫向游梁、縱向游梁、步進電機組成。一部伺服電 機與刮刀組件相連接，伺服電機可帶動刮刀組件沿橫向游梁進行水平運動。另一部伺服電 機連接在橫向游梁兩端，帶動橫向游梁、上一部伺服電機和刮刀組件整體沿縱向游梁進行 上下垂直運動。步進電機與巖芯夾持組件中巖芯夾持器相連接。
[0011] 所述傳感器組件由壓力傳感器、位移傳感器、旋轉角度傳感器組成。壓力傳感器安 裝于刮刀夾具上，與刮刀接觸，用于采集刮刀刀頭刮削時產生的力值。位移傳感器與運動組 件的水平伺服電機、縱向伺服電機連接，分別記錄運動組件進行線性運動時的水平位移量 和縱向位移量。旋轉角度傳感器連接運動組件的步進電機，記錄旋轉角度。
[0012] 所述巖芯夾持組件由巖芯夾持器、尾架組成。巖芯夾持器與尾架用于夾持和固定 圓柱形試樣，巖芯夾持器后端與步進電機相連接，前端為爪型卡盤，可夾持不同直徑的巖芯 試樣，帶動巖芯作旋轉運動。尾架安裝在底座滑軌上。
[0013] 所述平板夾持器用于固定附著在濾紙、濾網(wǎng)等平面過濾介質上的試樣，測試時，拆 掉巖芯夾持組件，安裝平板夾持器。
[0014] 所述控制組件由可編程邏輯控制器(PLC)、伺服驅動器、步進驅動器組成。PLC通過 接收輸入的運動組件速度參數(shù)，經(jīng)相應的運算和處理后輸出指令至伺服驅動器和步進驅動 器，驅動伺服電機和步進電機做出相應運動。
[0015] 所述數(shù)據(jù)采集與輸出組件由數(shù)據(jù)采集器與人機界面(HMI)構成，數(shù)據(jù)采集器實時 采集傳感器的位移、力、角度等數(shù)據(jù)，并傳送至PLC進行處理;HMI用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入與輸 出，通過HMI輸入測試樣品尺寸、轉速或者線速度等條件，同時負責接收、顯示和輸出經(jīng)PLC 處理后的數(shù)據(jù)結果。
[0016] 利用上述裝置對濾餅強度進行分層測試，能得到不同厚度位置上各層濾餅的強 度-位移曲線(σ-L)曲線，幫助分析濾餅沿厚度方向上的強度分布變化，為建立濾餅強度-壁 面剪切應力關系研究提供依據(jù)。
[0017] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0018] (1)刮削作用產生的作用力平行于濾餅，與濾餅在井下所受壁面剪切應力類似，測 得力值通過換算可得到濾餅層間強度；
[0019] (2)測得的層間強度可以建立與壁面剪切應力的關系，為濾餅清除提供依據(jù)；
[0020] (3)采用伺服電機和PLC控制，能實現(xiàn)刮刀插入濾餅深度的高精度控制，單次測試 完后刮削的單層濾餅可單獨收集，用于分析測試，有助于濾餅分層結構的進一步研究。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為一種濾餅強度分層測試裝置的結構示意圖。
[0022] 圖2為一種濾餅強度分層測試裝置的平板夾持器的俯視圖。
[0023] 圖3為一種濾餅強度分層測試裝置的平板夾持器的正視圖。
[0024] 圖4為一種濾餅強度分層測試裝置的圓柱形試樣測試示意圖。
[0025] 圖5為一種濾餅強度分層測試裝置的平面試樣測試示意圖。
[0026] 圖中：
[0027] 1---底座;2-步進電機;3-巖芯夾持器;4-圓柱形試樣(4a為濾餅，4b- 巖芯）；5 縱向伺服電機;6 橫向伺服電機;7 刮刀夾具;8 壓力傳感器;9 刮刀； 10橫向游梁；11縱向游梁；12尾架；13活頂針；14-手輪；15---尾架底座； 16-尾架固定螺柱；17-鎖緊機構；18-滑軌；19-步進驅動器；20-伺服驅動器； 21--可編程邏輯控制器(PLC); 22--數(shù)據(jù)采集器;23--平板夾持器;24--夾片；25--定 位孔;26 試樣固定螺柱;27 平面試樣(27a 濾餅，27b 平面過濾介質）；28 平板 夾持器夾具;29-夾具固定螺柱;30 位移傳感器;31 旋轉角度傳感器;32 人機界面 (HMI)
[0028]具體實施方法
[0029]為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖，對本發(fā)明 實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。基于發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在 沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0030] 參見圖1。
[0031] -種濾餅強度分層測試裝置，由刮刀組件、傳感器組件、運動組件、巖芯夾持組件 或平板夾持器、控制組件、數(shù)據(jù)采集與輸出組件組成，位于裝置下部的底座1上安裝有滑軌 18。
[0032] 所述刮刀組件由刮刀9和刮刀夾具7組成，刮刀9由刮刀夾具7固定。所述刮刀刃口 形狀為水平線型，材質為不銹鋼或合金鋼，刮刀夾具7可旋轉，當測試圓柱形試樣時，刮刀9 刀刃與試樣軸線方向平行；當測試平面試樣時，刮刀夾具7旋轉90°，刮刀9刀刃與水平運動 方向垂直。
[0033] 所述運動組件由縱向伺服電機5、橫向伺服電機6、橫向游梁10、縱向游梁11、步進 電機2組成，所述橫向伺服電機6連接刮刀夾具7,可按設定速度帶動刮刀夾具7和刮刀9沿橫 向游梁10作水平勻速運動，所述縱向伺服電機5位于橫向游梁10兩端，帶動橫向游梁10和刮 刀組件沿縱向游梁11作垂直運動，所述縱向游梁11固定在底座1上。
[0034]所述巖芯夾持組件由巖芯夾持器3、尾架12組成，所述巖芯夾持器3 (前端為爪型卡 盤，卡盤爪齒位置可調)可夾持不同直徑的圓柱形試樣4,巖芯夾持器3與步進電機2連接，步 進電機2帶動巖芯夾持器3和圓柱形試樣4按設定速度勻速旋轉，所述尾架12通過尾架底座 15、尾架固定螺柱16安裝在滑軌18上，所述尾架12由活頂針13、手輪14、鎖緊機構17構成，鎖 緊機構17鎖緊活頂針13,手輪14通過活頂針13頂住巖芯試樣端面，保證巖芯轉動過程中不 發(fā)生偏移，活頂針13內部有活動軸承，能隨巖芯試樣一起旋轉。
[0035] 所述圓柱形試樣4包括圓柱形巖芯4b和附著于表面的濾餅4a。
[0036]所述巖芯夾持組件用于固定圓柱形試樣，測試附著在濾紙、濾網(wǎng)等平面過濾介質 上的試樣時，拆掉巖芯夾持組件，安裝平板夾持器23 (見圖2、圖3)。