一種新型高溫高壓泥頁(yè)巖膨脹量測(cè)定儀的研制

王琪, 趙建剛,石凱,李慧想,李偉,孫鵬

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

一種新型高溫高壓泥頁(yè)巖膨脹量測(cè)定儀的研制

王琪, 趙建剛,石凱,李慧想,李偉,孫鵬

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

本文介紹了一款新型高溫高壓泥頁(yè)巖膨脹量測(cè)定儀，創(chuàng)新性的采用磁致伸縮位移傳感器，用于高溫高壓環(huán)境下的高精度位移量的測(cè)量，精度0.01 mm，量程40 cm，使用氮?dú)饧訅?，精確控制并且不會(huì)造成樣品污染，選用帶自整定功能的PID溫度控制器，加熱迅速，控溫準(zhǔn)確，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，證明具有良好的可操作性，精度高，一致性好。

高溫；高壓；鉆井液；膨脹量；測(cè)定儀

1 概述

在石油勘探鉆井工程中，泥頁(yè)巖地層吸水膨脹是影響井壁穩(wěn)定的主要因素之一。泥頁(yè)巖膨脹量測(cè)試儀主要用于防塌泥漿及處理劑的研究，可準(zhǔn)確測(cè)定泥頁(yè)巖試樣在不同條件下的膨脹量和膨脹率。用以評(píng)價(jià)不同的防塌處理對(duì)頁(yè)巖泥水化的抑制能力，并針對(duì)不同的地層及不同組分的泥頁(yè)巖選擇適用的處理劑，以控制、消弱泥頁(yè)巖的水化膨脹進(jìn)而防止可能出現(xiàn)的垮塌、卡鉆等事故的發(fā)生。

膨脹量測(cè)試儀目前最常用的是常溫常壓狀態(tài)測(cè)試，國(guó)外產(chǎn)品有美國(guó)的FANN公司的Linear Swell Meter(LSM)(見(jiàn)圖1)。該儀器具有4個(gè)測(cè)試頭，可同時(shí)測(cè)定4個(gè)樣品，由電腦控制和數(shù)據(jù)處理。國(guó)內(nèi)也有同類產(chǎn)品，早期生產(chǎn)的小型儀器，使用簡(jiǎn)單的百分表測(cè)量樣品杯內(nèi)的樣品膨脹，后來(lái)發(fā)展為臺(tái)式儀器，使用模擬的位移傳感器作為信號(hào)采集裝置，輸出的模擬電壓通常直接用電壓表顯示，有些儀器使用針式打印機(jī)作為輸出記錄裝置。采用數(shù)字傳感器技術(shù)的NP-01常溫常壓膨脹量測(cè)定儀，是由北京探礦工程研究所研制成功的(見(jiàn)圖2)。該款儀器采用數(shù)字式位移傳感器，精度高、一致性好，具有自校準(zhǔn)功能。該儀器具有USB接口，能連接計(jì)算機(jī)，多臺(tái)實(shí)時(shí)顯示膨脹量曲線，采用了非易失性存儲(chǔ)器，具有斷電數(shù)據(jù)保護(hù)功能。

圖1 FANN公司的常溫常壓膨脹量測(cè)試儀

圖2 NP-01常溫常壓膨脹量測(cè)試儀

高溫高壓泥頁(yè)巖膨脹量測(cè)定儀，目前也有一些廠家在生產(chǎn)，但是存在幾個(gè)缺點(diǎn)：一是精確度不高，重復(fù)性不好，鉆井液是一種成分復(fù)雜的混合物，通常成分復(fù)雜，不透明，易污染容器，尤其是在高溫高壓環(huán)境下，容易產(chǎn)生水蒸氣，污染傳感器，造成傳感器精度下降甚至失效，溫度和壓力的變化也會(huì)造成模擬量輸出的傳感器輸出信號(hào)失真，這些不穩(wěn)定因素常常導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，或者同樣的樣品，反復(fù)測(cè)量結(jié)果不一致；二是儀器本身體積龐大，配件繁多，操作不便，很多高溫高壓儀器占用了寶貴的實(shí)驗(yàn)室空間，質(zhì)量超過(guò)100 kg，配件繁多，經(jīng)常丟失，測(cè)試杯沉重，表面高溫，造成操作不便，給實(shí)驗(yàn)操作人員帶來(lái)很多不安全因素。

我們研制的這款新型高溫高壓泥頁(yè)巖膨脹量測(cè)定儀，克服了以上提到的缺點(diǎn)和不足，具有良好的精度和重復(fù)性，操作性好。創(chuàng)新性的采用磁致伸縮位移傳感器，用于高溫高壓環(huán)境下的高精度位移量的測(cè)量；使用氮?dú)饧訅海梢跃_控制并且不會(huì)造成樣品污染；選用帶自整定功能的PID溫度控制器，加熱迅速，控溫準(zhǔn)確。該儀器經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，證明具有良好的可操作性，精度高、一致性好。本款儀器已經(jīng)通過(guò)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院計(jì)量認(rèn)證，申請(qǐng)發(fā)明專利一項(xiàng)。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5613—2000《泥頁(yè)巖理化性能試驗(yàn)方法》設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試模型，結(jié)合室內(nèi)評(píng)價(jià)測(cè)試抑制頁(yè)巖膨脹量性的特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)儀器的各個(gè)功能模塊。采用兩聯(lián)雙頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，也可以進(jìn)行平行對(duì)比測(cè)試。加熱結(jié)構(gòu)采用金屬加熱套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)置加熱棒，隔熱棉保溫，可手動(dòng)升降，方便測(cè)試。

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)省空間，操作方便。該儀器外形尺寸為500 mm(長(zhǎng))×300 mm(寬)×700 mm(高)，整機(jī)質(zhì)量30 kg，可以直接放到試驗(yàn)臺(tái)上，僅比筆記本電腦稍微多占一點(diǎn)空間。該儀器在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到方便用戶操作，儀器的加熱套可以沿導(dǎo)軌降落下來(lái)，并沿著長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)半周，不影響用戶繼續(xù)操作樣品杯。樣品杯采用螺紋式結(jié)構(gòu)，可以旋轉(zhuǎn)卸下，密封圈在側(cè)壁上，不需要用戶旋緊密封，僅用手就可以拆卸，不需要布帶扳手或者鏈條扳手。整機(jī)所有需要用戶操作的零部件中最大的質(zhì)量?jī)H為2.2 kg。

3 傳感器選型定制與驅(qū)動(dòng)控制電路

磁致伸縮位移傳感器，是利用磁致伸縮原理、通過(guò)兩個(gè)不同磁場(chǎng)相交產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖信號(hào)來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)量位置。測(cè)量元件是一根波導(dǎo)管，波導(dǎo)管內(nèi)的敏感元件由特殊的磁致伸縮材料制成的。測(cè)量過(guò)程是由傳感器的電子室內(nèi)產(chǎn)生電流脈沖，該電流脈沖在波導(dǎo)管內(nèi)傳輸，從而在波導(dǎo)管外產(chǎn)生一個(gè)圓周磁場(chǎng)，當(dāng)該磁場(chǎng)和套在波導(dǎo)管上作為位置變化的活動(dòng)磁環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)相交時(shí)，由于磁致伸縮的作用，波導(dǎo)管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)，這個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)以固定的速度傳輸，并很快被電子室所檢測(cè)到，見(jiàn)圖3。

圖3 磁致伸縮位移傳感器

由于這個(gè)應(yīng)變機(jī)械波脈沖信號(hào)在波導(dǎo)管內(nèi)的傳輸時(shí)間和活動(dòng)磁環(huán)與電子室之間的距離成正比，通過(guò)測(cè)量時(shí)間，就可以高度精確地確定這個(gè)距離。由于輸出信號(hào)是絕對(duì)值，而不是比例的或放大處理的信號(hào)，所以不存在信號(hào)漂移或變值的情況，更無(wú)需定期重標(biāo)。選用非接觸式的磁致伸縮位移傳感器，磁致伸縮位移傳感器采用了高科技材料和先進(jìn)的電子處理技術(shù)，因而它能應(yīng)用在高溫、高壓和高振蕩的環(huán)境中。傳感器輸出信號(hào)為絕對(duì)位移值，即使電源中斷、重接，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，更無(wú)須重新歸零。由于敏感元件是非接觸的，即使不斷重復(fù)檢測(cè)，也不會(huì)對(duì)傳感器造成任何磨損，可以大大地提高檢測(cè)儀器的可靠性和使用壽命。信號(hào)采集電路部分包括信號(hào)調(diào)理，信號(hào)采集，數(shù)據(jù)處理與通信接口3個(gè)部分。泥頁(yè)巖遇水膨脹，傳感器將位移量轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)(4～20 mA)。信號(hào)調(diào)理電路將弱小的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～5 V電壓信號(hào)，信號(hào)采集芯片將這個(gè)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。該傳感器集成度高，輸出即為數(shù)字信號(hào)，克服了溫度和壓力變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。位移信號(hào)經(jīng)過(guò)主控電路板的處理，直接顯示到儀器顯示屏上，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到非易失性存儲(chǔ)器中。通過(guò)通信接口電路，將儀器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在軟件上實(shí)時(shí)顯示膨脹曲線和溫度曲線。全自動(dòng)高溫高壓泥頁(yè)巖膨脹量測(cè)定儀樣機(jī)見(jiàn)圖4，軟件操作界面見(jiàn)圖5。

圖4 全自動(dòng)高溫高壓泥頁(yè)巖膨脹量測(cè)定儀樣機(jī)

圖5 軟件操作界面

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

為了驗(yàn)證儀器的重復(fù)性和準(zhǔn)確度，按照相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室配置，環(huán)境溫度26 ℃；分別使用標(biāo)準(zhǔn)量塊測(cè)試和使用樣品進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試。儀器隨機(jī)附帶的10 mm和20 mm的標(biāo)準(zhǔn)量塊，經(jīng)測(cè)試使用標(biāo)準(zhǔn)量塊測(cè)試結(jié)果為，重復(fù)性和精確度都優(yōu)于0.03 mm，這與中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院校準(zhǔn)證書(shū)的不確定度一致。使用鉆井液樣品進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，重復(fù)誤差能控制在5%以內(nèi)。

[1] GB/T 16783.1-2006,石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[S].

[2] API RP 13B-1—2009, 水基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)程序[S].

[3] SY/T5613—2000, 泥頁(yè)巖理化性能試驗(yàn)方法[S].

[4] 楊振杰,劉志坤,張振活.鉆井液工藝學(xué)[M]. 北京:石油工業(yè)出版社, 2010.

[5] 鄢捷年. 鉆井液工藝學(xué)[M]. 北京:中國(guó)石油大學(xué)出版社,2013.

[6] 趙建剛.頁(yè)巖膨脹抑制劑測(cè)試方法研究[J].鉆井液與完井液, 2013,7(30):41-45.

2017-01-09

王琪(1984-)，男，河北唐山人，北京探礦工程研究所，工程師，從事鉆井液測(cè)試儀器研究，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)探工樓，Tel：010-82321596，E-mail：wangqiname@163.com。

P634.6，TE927

A

1009-282X(2017)02-0025-02