一种冲击式固结物强度测定仪及其方法技术

本发明专利技术提供了一种冲击式固结物强度测定仪及其方法，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。该装置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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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)，该技术专利专门用于建筑、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)，该技术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，申请专利技术专利CN 103439221 A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，和本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种冲击式固结物强度测定仪，其特征在于：所述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。

【技术特征摘要】
1.一种冲击式固结物强度测定仪，其特征在于：所述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。2.根据权利要求1所述的冲击式固结物强度测定仪，其特征在于：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。3.根据权利要求2所述的冲击式固结物强度测定仪，其特征在于：所述横向电
\t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。4.根据权利要求2所述的冲击式固结物强度测定仪，其特征在于：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。5.根据权利要求4所述的冲击式固结物强度测定仪，其特征在于：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。6.根据权利要求5所述的冲击式固结物强度测定仪，其特征在于：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。7.根据权利要求6所述的冲击式固结物强度测定仪，其特征在于：所述前后调节器和上下调节器均采用丝杠结构。8.根据权利要求1至7任一所述的冲击式固结物强度测定仪，其特征在于：所
\t述杆式探针采用光滑杆件，其前端为正圆锥体。9.利用权利要求1至8任一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡利山，任立伟，陈曾伟，董晓强，林永学，王文立，张凤英，杨小华，柴龙，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11