本發(fā)明涉及石油與天然氣行業(yè)鉆井完井過程中工作液漏失控制領(lǐng)域，本方法與裝置可通過模擬地層高溫和流體環(huán)境，快速高效測(cè)量堵漏材料表面摩擦系數(shù)，為鉆井堵漏材料優(yōu)選提供依據(jù)，屬于石油與天然氣勘探開發(fā)過程中，針對(duì)堵漏材料基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)—摩擦系數(shù)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法與裝置。
背景技術(shù)：
隨著全球油氣資源的勘探開發(fā)逐步走向深部、非常規(guī)和處于開發(fā)中后期的衰竭地層，井下復(fù)雜事故控制、安全高效鉆井和儲(chǔ)層保護(hù)都對(duì)工作液漏失控制提出了更高的要求。使用顆粒、纖維等堵漏材料封堵漏失通道，是儲(chǔ)層段工作液漏失控制的主要方法，也是非儲(chǔ)層段地層工作液漏失控制最常用的方法之一。
堵漏材料表面摩擦系數(shù)對(duì)工作液漏失控制效果起著重要的影響，是堵漏材料選擇的主要依據(jù)。因此，設(shè)計(jì)模擬地層高溫與流體環(huán)境的堵漏材料表面摩擦系數(shù)測(cè)量裝置，形成堵漏材料表面摩擦系數(shù)測(cè)量方法，對(duì)工作液漏失控制、安全高效鉆井和儲(chǔ)層保護(hù)有重要的意義。但目前堵漏材料摩擦系數(shù)測(cè)量方面尚存在以下不足：
(1)不能模擬實(shí)際摩擦條件下的地層高溫與流體環(huán)境；
(2)缺少測(cè)量堵漏材料表面摩擦系數(shù)的有效方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)缺少堵漏材料摩擦系數(shù)有效測(cè)量方法，無法模擬井下高溫流體環(huán)境的問題，本發(fā)明提供了一種高效測(cè)量堵漏材料摩擦系數(shù)的方法，并提供了一種可有效模擬地層條件的鉆井堵漏材料摩擦系數(shù)測(cè)量裝置。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
首先將需要測(cè)試的堵漏材料放入恒溫干燥箱，干燥處理后備用。然后制備堵漏材料摩擦板，采用黏結(jié)劑將干燥處理后的堵漏材料均勻粘在平板上，保證堵漏材料單層鋪置，并將粘好的堵漏材料摩擦板放在干凈玻璃板上輕壓以保證表面平整。保證黏結(jié)劑不會(huì)滲到顆粒表面，不影響堵漏材料表面摩擦性質(zhì)。堵漏材料摩擦板包括上下兩個(gè)，下摩擦板制備好后固定在位于恒溫液槽中的支架上，保持粘有堵漏材料一面朝上。上摩擦板稱重后平放在下摩擦板最左端，砝碼輕放在上摩擦板上中心位置并固定。接下來向恒溫液槽內(nèi)緩慢注入實(shí)際摩擦條件時(shí)對(duì)應(yīng)的井下流體(鉆井液、地層水、完井液等)，保證液面剛好沒過摩擦接觸面。給恒溫液槽加溫至實(shí)際摩擦條件對(duì)應(yīng)的地層溫度并保持恒定。最后將上摩擦板與牽引支架相連，控制其移動(dòng)速率在(4.0—5.0)mm/min。當(dāng)上摩擦板滑動(dòng)至下摩擦板右邊界時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，保存數(shù)據(jù)。根據(jù)得到的摩擦力(Ff)數(shù)據(jù)，采用公式(1)計(jì)算摩擦系數(shù)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，取三次實(shí)驗(yàn)獲得的摩擦系數(shù)平均值。
鉆井堵漏材料摩擦系數(shù)測(cè)量裝置包括：摩擦模塊、動(dòng)力模塊、控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。
摩擦模塊主要包括恒溫液槽、支架、黏結(jié)平板、砝碼、加熱電阻絲5個(gè)部件。恒溫液槽由耐腐蝕的不銹鋼材料制成，可以盛裝鉆井液、地層水、酸液、堿液等地層流體，來模擬實(shí)際摩擦條件下地層流體環(huán)境，盛液量可根據(jù)需要自行調(diào)整。液槽底部安裝有加熱電阻絲，通過控制液槽中流體溫度模擬實(shí)際摩擦條件下地層溫度，溫度調(diào)節(jié)范圍為常溫～120℃。支架焊接在恒溫液槽底部，水平用于固定黏結(jié)堵漏材料的不銹鋼平板，其高度可通過緊固螺栓調(diào)節(jié)。砝碼用于調(diào)節(jié)作用在摩擦面上的法向力，質(zhì)量可選。
摩擦模塊通過牽引支架相連，牽引支架位于直線導(dǎo)軌上，并通過傳動(dòng)桿與動(dòng)力系統(tǒng)相連。直線滑動(dòng)導(dǎo)軌用于約束牽引支架的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得動(dòng)力模塊提供的拉力保持在同一水平直線上。傳動(dòng)桿保證牽引支架和上摩擦板勻速運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)過程中位于牽引支架上的拉力、位移和速度傳感器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于堵漏材料摩擦系數(shù)計(jì)算。
本發(fā)明與常規(guī)摩擦系數(shù)測(cè)量方法和裝置相比，具有如下優(yōu)勢(shì)：
(1)形成了鉆井堵漏材料摩擦系數(shù)有效測(cè)量方法。適用堵漏材料類型廣泛，球形、片狀、纖維等類型堵漏材料均適用。實(shí)際堵漏過程中多采用不同類型堵漏材料復(fù)配，該方法與裝置不僅可以測(cè)量單一類型堵漏材料摩擦系數(shù)，也可以測(cè)量不同類型堵漏材料之間，以及不同類型堵漏材料復(fù)配后的摩擦系數(shù)，測(cè)量方法貼近實(shí)際情況。
(2)測(cè)量方法簡(jiǎn)便、高效、可重復(fù)性強(qiáng)。堵漏材料摩擦板制備簡(jiǎn)便、高效，制備過程中消除了初始摩擦面幾何形態(tài)的影響，保證了測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性和測(cè)量結(jié)果之間的可比性。
(1)能夠模擬實(shí)際摩擦條件下的地層高溫與流體環(huán)境。該堵漏材料摩擦系數(shù)測(cè)量裝置實(shí)驗(yàn)溫度可達(dá)120℃?？赡M鉆井液、地層水、酸液、堿液等地層流體環(huán)境。
(4)測(cè)量裝置自動(dòng)化程度高。由計(jì)算機(jī)、位移傳感器、速度傳感器和拉力傳感器組成的數(shù)據(jù)采集模塊，具有記錄數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、快速、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。
附圖說明
圖1為鉆井堵漏材料摩擦系數(shù)測(cè)量裝置示意圖。
圖中，1-恒溫液槽，2-砝碼，3-上平板，4-堵漏材料，5-下平板，6-支架，7-支架平臺(tái)，8-加熱電阻絲，9-地層流體，10-細(xì)鋼絲，11-牽引支架，12-傳動(dòng)桿，13-直線滑動(dòng)導(dǎo)軌，14-電動(dòng)機(jī)，15-平臺(tái)，16-顯示器，17-數(shù)據(jù)線。
具體實(shí)施方式
(1)將需要測(cè)試的堵漏材料和摩擦板放入恒溫干燥箱，干燥溫度設(shè)為60℃，干燥48h后取出，放入干燥皿中備用；
(2)堵漏材料摩擦板制備。采用黏結(jié)劑將干燥處理后的堵漏材料均勻粘在平板上，保證堵漏材料單層鋪置，并將粘好的堵漏材料摩擦板放在干凈玻璃板上輕壓以保證表面平整。保證黏結(jié)劑不會(huì)滲到顆粒表面，不影響堵漏材料表面摩擦性質(zhì)；
(3)按步驟(2)制備兩塊大小不同的堵漏材料摩擦板，面積較大的作為下摩擦板，面積，面積較小的作為上摩擦板。將下摩擦板固定在位于恒溫液槽中的支架上，保持粘有堵漏材料一面朝上。將上摩擦板稱重后(重量記為WN)平放在下摩擦板最左端且不超出其左端邊界，保持粘有堵漏材料一面朝下。將砝碼輕放在上摩擦板上端面中心位置并固定，用細(xì)鋼絲將上摩擦板與牽引支架連接；
(4)向恒溫液槽內(nèi)緩慢注入實(shí)際摩擦條件時(shí)對(duì)應(yīng)的流體(水基/油基鉆井液、地層水、完井液等)，保證液面剛好沒過摩擦接觸面；
(5)給恒溫液槽加溫至實(shí)際摩擦條件對(duì)應(yīng)的地層溫度，并保持整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程溫度恒定；
(6)校正拉力傳感器(精度±0.01N)，調(diào)節(jié)電壓，控制移動(dòng)速率在(4.0—5.0)mm/min范圍。啟動(dòng)軟件，連接拉力與位移傳感器，點(diǎn)擊軟件界面數(shù)據(jù)記錄按鈕。開啟電機(jī)啟動(dòng)開關(guān)，開始摩擦系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)；
(7)當(dāng)上摩擦板滑動(dòng)至堵漏材料板右邊界時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，保存數(shù)據(jù)。根據(jù)得到的摩擦力(Ff)數(shù)據(jù)，采用公式(1)計(jì)算摩擦系數(shù)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，取三次實(shí)驗(yàn)獲得的摩擦系數(shù)平均值。
式中，μf—堵漏材料摩擦系數(shù)，無量綱；
Ff—傳感器記錄的拉力值，即摩擦力，N；
WN—堵漏材料摩擦版質(zhì)量，Kg。
鉆井堵漏材料摩擦系數(shù)測(cè)量裝置包括：摩擦模塊、動(dòng)力模塊、控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。
(1)摩擦模塊。摩擦模塊包括恒溫液槽、支架、黏結(jié)平板、砝碼、加熱電阻絲5個(gè)部件。恒溫液槽由耐腐蝕的不銹鋼材料制成，可以盛裝水基/油基鉆井液、地層水、酸液、堿液等流體，來模擬實(shí)際摩擦條件下地層流體環(huán)境，盛液量可根據(jù)需要自行調(diào)整。液槽底部安裝有加熱電阻絲，通過控制液槽中流體溫度模擬實(shí)際摩擦條件下地層溫度，溫度調(diào)節(jié)范圍為常溫～120℃。支架焊接在恒溫液槽底部，用于固定黏結(jié)堵漏材料的不銹鋼平板，其高度可通過緊固螺栓調(diào)節(jié)。砝碼用于調(diào)節(jié)作用在摩擦面上的法向力，質(zhì)量可選。
(2)動(dòng)力模塊。動(dòng)力模塊主要由牽引支架、傳動(dòng)桿、直線滑動(dòng)導(dǎo)軌和同步直流電機(jī)組成。
摩擦模塊通過牽引支架相連，牽引支架位于直線滑動(dòng)導(dǎo)軌上，并通過傳動(dòng)桿與動(dòng)力系統(tǒng)相連。直線滑動(dòng)導(dǎo)軌用于約束牽引支架的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得動(dòng)力模塊提供的拉力保持在同一水平直線上。傳動(dòng)桿一端與電機(jī)連接，另一端通過螺紋與牽引支架連接，牽引支架上端通過細(xì)鋼絲與堵漏材料摩擦板連接，下端與位移傳感器和速度傳感器相連接。傳動(dòng)桿保證牽引支架和上摩擦板勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)輸出扭力時(shí)，傳動(dòng)桿通過其表面螺紋帶動(dòng)牽引支架沿直線滑動(dòng)導(dǎo)軌帶動(dòng)上摩擦板做勻速直線運(yùn)動(dòng)。同步電機(jī)用于提供裝置的動(dòng)力，電壓調(diào)節(jié)范圍為0～30V。
(3)控制模塊?？刂颇K由傳感器、電源控制器、電壓調(diào)節(jié)裝置、啟動(dòng)/復(fù)位控制裝置組成。傳感器包括拉力傳感器、位移傳感器和速度傳感器。拉力傳感器用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過程中堵漏材料摩擦板之間的摩擦力；位移傳感器用于監(jiān)測(cè)上摩擦板的位移；速度傳感器用于監(jiān)測(cè)上摩擦板的移動(dòng)速度。電壓調(diào)節(jié)裝置和啟動(dòng)/復(fù)位控制裝置用于控制同步電機(jī)輸入電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)同步電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，控制旋鈕包括粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩組，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的精確調(diào)控，控制精度可達(dá)0.1V。復(fù)位控制主要控制牽引支架的運(yùn)動(dòng)方向，即實(shí)現(xiàn)牽引支架復(fù)位，以便重新開展下一組實(shí)驗(yàn)。
(4)數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)據(jù)記錄軟件和計(jì)算機(jī)組成。數(shù)據(jù)記錄軟件安裝在配套計(jì)算機(jī)中，可同時(shí)監(jiān)測(cè)樣品運(yùn)動(dòng)過程中的、位移、速度、溫度、時(shí)間等參數(shù)，并能生成直觀的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)曲線。還可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、曲線顏色變換、歸零、儀器標(biāo)定等功能。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，點(diǎn)擊保存按鈕可實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)txt格式存檔，以便下一步數(shù)據(jù)處理。
該鉆井堵漏材料摩擦系數(shù)測(cè)量裝置主要技術(shù)指標(biāo)為：①工作溫度：常溫～120℃；②摩擦塊質(zhì)量：10～100g；③直線滑動(dòng)導(dǎo)軌最大行程：200mm；④同步電機(jī)電壓及轉(zhuǎn)速：DC6～30V、100r/min；⑤絲杠扭力：1.5Kg/cm；⑥滑動(dòng)摩擦塊前進(jìn)速度：0-20cm/min連續(xù)可調(diào)；⑦數(shù)據(jù)采集：同步采集拉力、位移、時(shí)間；⑧恒溫液槽：長(zhǎng)200mm，寬100mm，高80mm；⑨拉力傳感器：量程：0～2000g，靈敏度：0.8±0.1，綜合誤差：0.05％FS。