一种基于流体环境的岩块摩擦系数测量方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于流体环境的岩块摩擦系数测量方法与装置，该装置包括支架组件、滑动组件、恒温液槽组件、控制组件以及监测组件。通过螺帽调节对钢轮施加正压力。压力传递构件将钢轨对钢轮的力等效传递到上摩擦岩块上表面。电控液压装置作为切向力的动力系统，通过推力杆传递推力。盛液槽盛装实验流体，通过电加热丝对实验流体进行加热。压力传感器监测岩块所受正压力和切向力，温度和位移传感器分别监测实验流体温度和岩块摩擦的滑动距离，通过计算获得岩块摩擦系数。因此，本发明专利技术提供的液体环境的岩块摩擦系数测量方法与装置适用于不同正应力条件下流体环境的岩块摩擦系数测量，能够更加真实地模拟油气井井下岩块所处的实际流体环境。

A Method and Device for Measuring Rock Friction Coefficient Based on Fluid Environment

【技术实现步骤摘要】
一种基于流体环境的岩块摩擦系数测量方法与装置
本专利技术涉及岩块摩擦系数测量实验的方法与装置，特别涉及一种基于流体环境的岩块摩擦系数测量方法与装置。
技术介绍
随着石油天然气需求的增长及常规油气资源的衰竭，深部致密储层油气资源勘探开发成为必然的发展趋势。裂隙岩体的裂隙、节理多尺度发育，裂隙网络分布复杂，在深部致密储层的钻井完井过程中，一方面由于地应力重新分布，造成切向应力增大，容易引发岩块切向滑移；另一方面由于油气井工作液浸入裂缝，与裂缝面发生物理化学反应，例如油相润滑、碱液侵蚀、酸化腐蚀等，降低了接触面摩擦的系数，更易诱发岩块滑移。岩块滑移易造成接触面凹凸体发生剪切破坏，导致井下出砂问题。导致岩块滑移的原因是多种多样的，针对油气井工作液对岩块摩擦滑动行为的影响有待深入研究。目前国内外还没有针对此方面研究的评价装置，有必要设计一套能够实现该功能的评价装置，以期探究油气井工作液环境下井下岩块发生摩擦滑动的条件和方式，为强化岩块摩擦系数、防止岩块滑移的措施制定提供依据，对控制井壁稳定、防漏堵漏、控制致密储层出砂等技术对策制订具有重要意义。目前，国内外的岩块摩擦系数测试仪器大都采用直剪法进行的。通常将岩石样品制作成长方体状，再进行切割、打磨、抛光，然后放入液体中浸泡，保证完全饱和后平整安放到试验台上，使上摩擦岩块与下摩擦岩块的摩擦面完全对齐或者相错，将砝码或者重物放到上摩擦岩块上，利用砝码或重物自重给摩擦面施加正压力，通过细线将上摩擦岩块与动力系统相连，用于给上摩擦岩块施加切向力。通过改变浸泡的液体和正压力，并记录切向拉力值及滑移距离，即能计算出不同液体和正压力作用下的摩擦强度和摩擦系数。然而上述的直剪法的岩块摩擦系数测量方面尚存在以下不足：(1)现有的岩块摩擦实验过程未能充分模拟油气井井下岩块所处的实际流体环境；(2)缺少不同正压力条件下基于流体环境的岩块摩擦系数的有效方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于流体环境的岩块摩擦系数的有效测量方法及装置，适用于不同正压力条件下流体环境的岩块摩擦系数测量，能够更加接近地模拟油气井井下岩块所处的实际流体环境。本专利技术提供一种基于流体环境的岩块摩擦系数测量装置，包括滑动组件、支架组件、恒温液槽组件、控制组件以及监测组件。滑动组件包括钢轮组、压力传递构件、上摩擦岩块固定构件，钢轮组包括至少两个钢轮组成，用于与钢轮同材质制成的钢轨连接，压力传递构件用于将钢轨对钢轮的垂直方向上的力等效传递到上摩擦岩块上表面，且作为液压装置的推力杆作用点，上摩擦岩块固定螺栓用于固定上摩擦岩块；支架组件包括隔震台、螺纹支柱、可调节钢轨、螺母、中间支撑梁、气泡水平仪，隔震台用作实验仪器底座，含调平构件，螺纹支柱的螺纹是外丝螺纹，四根螺纹支柱焊接在隔震台上，可调节钢轨由钢轨和两个中空的钢圆柱焊接而成，采用与螺纹支柱匹配的固定螺帽固定钢轨，中间支撑梁采用与钢轨同种材料制成，焊接在钢轨中间，钢梁两端同样采用两个中空的钢圆柱焊接，链接于另外两根螺纹支柱上，用于支撑钢轨中部，提高钢轨抗弯曲能力，气泡水平仪安放于钢轨中间，用于保证钢轨处于水平状态；恒温液槽组件包括盛液槽、支撑台、下摩擦岩块固定构件，盛液槽用于模拟实际油气井井下岩块摩擦中的流体环境，支撑台焊接在盛液槽底部，支撑台水平面上安装下摩擦岩块固定构件，下摩擦岩块固定构件为带螺栓的半圆柱体凹槽构件，下摩擦岩块固定构件用于固定不同长度的下摩擦岩块；控制组件包括电控液压装置、推力杆。电控液压装置作为动力系统，通过推力杆对滑动组件施力，用于对上摩擦岩块施加切向力，使其发生切向滑移；监测组件包括压力传感器、位移传感器、温度传感器、计算机软件，压力传感器位于压力传递构件凹槽底部和推力杆端部，用于监测上摩擦岩块上表面所受压力和切向力大小，位移传感器位于推力杆上，用于监测上摩擦岩块的切向滑移的距离。计算机软件将实时采集数据，用于流体环境的岩块摩擦系数计算。钢轮由刚度较高的耐腐蚀不锈钢材料制成，钢轮在钢轨上发生滚动摩擦，由于轮轨的滚动摩擦系数与岩块滑动摩擦系数不在同一数量级，实验结果分析时可忽略其影响。盛液槽采用耐腐蚀、耐高温、高强度的新型环保透明材料制作，能够盛装包括地层水、酸液、碱液、钻井液、压井液的实验流体，并设有卸液孔，方便卸载实验流体。上摩擦岩块固定螺栓端面为平面，将的上摩擦岩块固定螺栓端面和压力传递构件的凹槽内壁四周涂上一层聚四氟乙烯，以减小上摩擦岩块在垂直方向所受摩擦力的误差，且上摩擦岩块固定螺栓只起轻微固定作用。支撑台为金属实心结构，其内部含有加热电阻丝，用于控制盛液槽槽内流体温度，流体温度调节范围为室内温度～100℃。上摩擦岩块的正压力施力构件为钢轨与固定螺帽，且用于约束上摩擦岩块滑移的方向。本专利技术还提供一种基于流体环境的岩块摩擦系数测量方法，应用于上述流体环境的岩块摩擦系数测量装置，包括以下步骤：步骤S1：制取一块小岩心柱放入恒温干燥箱，烘干后备用；步骤S2：制备两块岩块，分别为上摩擦岩块和下摩擦岩块，采用切割机从烘干后的小岩心柱上切下片状岩心柱作为上摩擦岩块，保证上摩擦岩块摩擦面是标准圆，将小岩心柱余下部分进行人工造缝(切割、劈裂、抛光等)处理后作为下摩擦岩块；步骤S3：将下摩擦岩块固定在位于恒温液槽中的半圆柱体凹槽内，保证裂缝面朝上，上摩擦岩块称重后固定在滑动组件上，安放滑动组件使得上摩擦岩块与下摩擦岩块最左端垂直方向对齐(重量记为WN)，调节可调节钢轨使可调节钢轨与钢轮相互接触，并达到预定正向压力大小(FN)，且保证钢轨处于水平位置；步骤S4：将摩擦实验所需的油气井工作液(完井液，钻井液，修井液、压裂液、地层水等)缓慢注入恒温液槽内，保证恒温液槽内液面恰好没过摩擦面，给恒温液槽内加热电阻丝通电，将槽内液体加温至摩擦实验所需地层温度，并保持温度恒定；步骤S5：在上摩擦岩块移动到下摩擦岩块最右端时停止摩擦实验，数据存档。将所得摩擦力(Ff)、正压力(FN)的数据，代入公式(1)可计算出摩擦系数。本专利技术与常规摩擦系数测量方法和装置相比，具有如下优势：(1)提出了提高岩块摩擦正压力的有效方法。相较于通过添加砝码或者重物达到施加正压力目的的常规方法，本方法提出采用可调节钢轨与钢轮相互连接，以同时达到增加正压力和控制岩块运动轨迹的目的，正应力可达5MPa以上，钢轨与钢轮之间的滚动摩擦系数小于0.01，对测量结果基本没有影响。在钢轨中部焊接钢梁，采用与钢轨相同的束缚方式，随着钢轨一起调节，可作为钢轨的第三个支撑点，减小了钢轨因受力产生的变形，进而减小了实验误差。钢轨的约束作用解决了因岩块在运动中左右摇摆造成的摩擦面积在变的问题。(2)本方法利用小岩心柱进行简单的切割，造缝，抛光处理后即可进行实验，避免了长方体岩样复杂的加工程序，而且一块小岩心柱可进行两次不同条件的对比实验，从而达到了节约时间，节约岩样的目的。同时，本方法适用于自然断开缝面、人工破裂缝面、切割缝面以及抛光缝面的岩块摩擦系数测量，大大增加了装置的普遍适用性。(3)达到了保护环境的目的。盛液槽会经历各种液体的长时间的浸泡，容易遭受破坏，导致盛液槽更换频繁，造成环境的污染。本装置的盛液槽采用高强度、耐腐蚀、耐高温的新型环保材料制成，使用寿命更长久，污染小。(4)本装置采用电控液压作为切向力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于流体环境的岩块摩擦系数测量装置，其特征在于，包括滑动组件、支架组件、恒温液槽组件、控制组件以及监测组件；所述滑动组件包括钢轮组、压力传递构件、上摩擦岩块固定构件，所述钢轮组包括至少两个钢轮组成，用于与所述钢轮同材质制成的钢轨连接，所述压力传递构件用于将所述钢轨对所述钢轮的垂直方向上的力等效传递到所述上摩擦岩块上表面，且作为液压装置的推力杆作用点，所述上摩擦岩块固定螺栓用于固定所述上摩擦岩块；所述支架组件包括隔震台、螺纹支柱、可调节钢轨、螺母、中间支撑梁、气泡水平仪，所述隔震台用作实验仪器底座，含调平构件，所述螺纹支柱的螺纹是外丝螺纹，四根所述螺纹支柱焊接在所述隔震台上，所述可调节钢轨由所述钢轨和两个中空的钢圆柱焊接而成，采用与所述螺纹支柱匹配的固定螺帽固定所述钢轨，所述中间支撑梁采用与所述钢轨同种材料制成，焊接在所述钢轨中间，链接于所述螺纹支柱上，用于支撑所述钢轨中部，提高所述钢轨抗弯曲能力，所述气泡水平仪安放于所述钢轨中间，用于保证所述钢轨处于水平状态；所述恒温液槽组件包括盛液槽、支撑台、下摩擦岩块固定构件，所述盛液槽，用于模拟实际油气井井下岩块摩擦中的流体环境，所述支撑台焊接在所述盛液槽底部，所述支撑台水平面上安装所述下摩擦岩块固定构件，所述下摩擦岩块固定构件为带螺栓的半圆柱体凹槽构件，所述下摩擦岩块固定构件用于固定不同长度的所述下摩擦岩块；所述控制组件包括电控液压装置、推力杆，所述电控液压装置作为动力系统，通过推力杆对滑动组件施力，用于对所述上摩擦岩块施加切向力，使其发生切向滑移；所述监测组件包括压力传感器、位移传感器、温度传感器、计算机软件，所述压力传感器位于所述压力传递构件凹槽底部和所述推力杆端部，用于监测所述上摩擦岩块上表面所受压力和所述切向力大小，所述位移传感器位于所述推力杆上，用于监测所述上摩擦岩块的所述切向滑移的距离，所述计算机软件将实时采集实验数据，用于所述流体环境的岩块摩擦系数计算。...

【技术特征摘要】
1.一种基于流体环境的岩块摩擦系数测量装置，其特征在于，包括滑动组件、支架组件、恒温液槽组件、控制组件以及监测组件；所述滑动组件包括钢轮组、压力传递构件、上摩擦岩块固定构件，所述钢轮组包括至少两个钢轮组成，用于与所述钢轮同材质制成的钢轨连接，所述压力传递构件用于将所述钢轨对所述钢轮的垂直方向上的力等效传递到所述上摩擦岩块上表面，且作为液压装置的推力杆作用点，所述上摩擦岩块固定螺栓用于固定所述上摩擦岩块；所述支架组件包括隔震台、螺纹支柱、可调节钢轨、螺母、中间支撑梁、气泡水平仪，所述隔震台用作实验仪器底座，含调平构件，所述螺纹支柱的螺纹是外丝螺纹，四根所述螺纹支柱焊接在所述隔震台上，所述可调节钢轨由所述钢轨和两个中空的钢圆柱焊接而成，采用与所述螺纹支柱匹配的固定螺帽固定所述钢轨，所述中间支撑梁采用与所述钢轨同种材料制成，焊接在所述钢轨中间，链接于所述螺纹支柱上，用于支撑所述钢轨中部，提高所述钢轨抗弯曲能力，所述气泡水平仪安放于所述钢轨中间，用于保证所述钢轨处于水平状态；所述恒温液槽组件包括盛液槽、支撑台、下摩擦岩块固定构件，所述盛液槽，用于模拟实际油气井井下岩块摩擦中的流体环境，所述支撑台焊接在所述盛液槽底部，所述支撑台水平面上安装所述下摩擦岩块固定构件，所述下摩擦岩块固定构件为带螺栓的半圆柱体凹槽构件，所述下摩擦岩块固定构件用于固定不同长度的所述下摩擦岩块；所述控制组件包括电控液压装置、推力杆，所述电控液压装置作为动力系统，通过推力杆对滑动组件施力，用于对所述上摩擦岩块施加切向力，使其发生切向滑移；所述监测组件包括压力传感器、位移传感器、温度传感器、计算机软件，所述压力传感器位于所述压力传递构件凹槽底部和所述推力杆端部，用于监测所述上摩擦岩块上表面所受压力和所述切向力大小，所述位移传感器位于所述推力杆上，用于监测所述上摩擦岩块的所述切向滑移的距离，所述计算机软件将实时采集实验数据，用于所述流体环境的岩块摩擦系数计算。2.根据权利要求1所述的基于流体环境的岩块摩擦系数测量装置，其特征在于，所述钢轮由刚度较高的耐腐蚀不锈钢材料制成，所述钢轮在所述钢轨上发生滚动摩擦，所述钢轮与所述钢轨的滚动摩擦系数小于0.01，对所述实验数据的影响可忽略。3.根据权利要求1所述的基于流体环境的岩块摩擦系数测量装置，其特征在于，所述盛液槽采用耐腐蚀、耐高温、高强度的新型环保透明材料制作，能够盛装包括地层水、酸液、碱液、钻井液、压...

【专利技术属性】
技术研发人员：康毅力，田国丰，许成元，游利军，闫霄鹏，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51