钻井工程实验

钻井工程实验史玉才王桂华中国石油大学（华东）石油工程实验教学中心2006年9月目录实验一岩石硬度及塑性系数的测定..................................................1实验二油井水泥浆性能实验.............................................................6实验一岩石硬度及塑性系数的测定一、实验目的1．通过实验了解岩石的物理机械性质；2．通过实验学习掌握岩石硬度、塑性系数的测定方法。二、实验原理手摇油泵将液压传给硬度仪，推动活塞上升，使岩样与压模和位移计同时接触，随着压力的增加，压模将逐渐压入岩样，压入的深度和位移计的位移相等。位移计以惠斯登电桥的原理工作，将机械位移变成阻值变化输出给动态电阻应变仪，经检波、放大后，输出电压信号给函数记录仪的X轴，与此同时，荷重传感器按同样的原理，把荷重传感器的信号输出给动态电阻应变仪后，再由动态电阻应变仪输出给函数纪录仪的Y轴。这样函数记录仪便自动记录下岩石的载荷—压入深度曲线。三、实验仪器、设备1．实验仪器设备示意图（如图1）2．压模（如图2）图2压模圆柱体压模用高强度钢制成胚体后镶入硬质合金锥，将硬质合金锥磨成柱体（尺寸如图2所示，直径d=1.2~2.5mm），使压模与岩石的接触面积始终不变，便于计算岩石的抗压与极限强度—硬度值，要求压模两端绝对平行，硬质合金应垂直地镶入胚体中。经研磨后的柱体必须用读数显微镜测出直径的准确数值。13．硬度计：由底座，液缸及活塞，支柱，横梁组成，并可固定位移计、荷重传感器、压模及岩样。4．加压系统：用活塞式手摇液压泵给液缸加压力液，使活塞上升并使压模加载荷给岩样，管汇中装有压力表以观察载荷的变化。5．位移计：位移计固定在硬度仪的横梁上，用它测定压模压入岩样的深度，将机械位移量转换成电量。6．荷重传感器：将所加载荷的物理量转换成电量7．动态电阻应变仪：由位移计、荷重传感器输入的信号经过放大、相敏检波、滤波后，输出给函数记录仪。8．函数记录仪：由动态电阻应变仪输出的信号经过衰减—测量电路—交直流转换器—直流信号放大器—直流电机—转换为机械量—带动记录笔—在记录纸上绘出载荷—压入深度的曲线。四、实验步骤1．岩样制备将岩石切磨成正方（圆柱）体，其高度不小于50mm，被测两端面应加以研磨，使岩样平滑且相互平行（直径50mm的岩样两端面不平行度不应超过0.5mm）岩样制备后应在低于100的烘箱中烘干2~2.5小时，然后放在干燥器内备用。2．仪器操作①将位移计的三根导线按半桥测量方法接在电桥盒上，如图3.aA所示（R1，R2为位移计中的电阻应变片），再将电桥盒的另一端插入动态电阻应变仪的一个输入频道，将一根二芯导线的插柱插入该频道的输出孔中，另一端引向函数记录仪的X轴之接线柱上（注意正负方向）并旋紧，保持接触良好。②将荷重传感器的五根导线按全桥测量方法，接于电桥盒上，如图3.b所示（R1~R4为荷重传感器中的电阻应变片），将电桥盒的另一端插入动态电阻应变仪的另一个输入频道，将二芯导线插入该频道的输出孔，另一端引向函数记录仪的Y轴之接线柱上。2a半桥测量b全桥测量图3电桥测量线路③根据不同岩样，选择动态电阻应变仪、函数记录仪的测量范围（在教师指导下进行）上面三个步骤经教师确认无误后接通动态电阻应变仪电源。④记录下所使用压摸的直径后，将岩样置于硬度仪的活塞面上，摇动油泵，活塞慢慢上升，使压模与位移计在同一平面上，同时与岩样相接触。此时停止摇动油泵，打开函数记录仪电源开关，X—T开关打向X，Y开关打向“测量”，抬笔开关打向“记录”，并调整坐标原点。⑤用手摇泵均刀加载（为了限制动载效应的影响，要求加载速度约10t/s）直到岩样破碎（有响声），则该点测试完毕，将函数记录仪关闭然后卸载，（注意：卸载过程中一定要关闭函数记录仪的电源，直到第二测试点与压模接触后方可打开函数记录仪电源）⑥调整函数记录仪坐标纸：将X—T开关打向T，当自动走纸到达所需位置时，将开关打向X，移动岩样使第1点的破碎坑与第2点相距大于10mm，按(5)操作方法，作出第二点的曲线，每块岩样作2～3次五、数据处理1．根据每点所作出的曲线求出硬度yPSPPy式中，—所加载荷（查表），kg；—压模面积，mm2。PS2．求塑性系数KOEDOABCAEAFK面积面积3式中，AF—岩石破碎前耗费的总功，相当于面积OABC；AE—弹性变形功，相当于面积OED；—屈服极限，kg；OC—压入岩样深度，mm。0P3．将所试验的各点的值及yPK值进行平均得出该岩样的硬度及塑性系数。图4实验曲线六、实验报告1．实验目的2．实验原理3．原始记录及曲线4．实验结果岩石名称硬度yP屈服极限0P塑性系数K硬度级别塑性级别5．思考①为什么要求被测岩样两端必须平行？②画出的曲线有不规则的现象是何原因？③在塑性岩石中，它没有破碎点，如何求它的硬度？4岩石硬度及塑性系数的测定实验报告实验日期班级姓名同组者一、实验目的二、实验仪器、设备三、原始记录及曲线四、实验结果岩石名称硬度yP屈服极限0P塑性系数K硬度级别塑性级别五、思考1．为什么要求被测岩样两端必须平行？2．画出的曲线有不规则的现象是何原因？3．在塑性岩石中，它没有破碎点，如何求它的硬度？5实验二油井水泥浆性能实验油井水泥在规定压力与温度条件下，从搅拌开始至水泥浆稠度达到100个稠度单位（Bc-伯登）时所需要的时间，称为水泥的稠化时间。它是模拟现场注水泥过程所得到的室内实验值。即从混拌水泥浆开始计起，直到水泥浆沿套管到达井底、而后由环空返至预定的高度为止的全部时间。在固井时，为了保证有绝对安全的泵入时间，避免“灌香肠”等事故，必须对使用的水泥浆进行稠化时间实验。一、实验目的1．通过实验掌握油井水泥浆密度、流变性能的测定方法，掌握有关仪器的使用方法，对油井水泥浆基本性能的指标范围有一定的认识。2．通过实验掌握水泥浆稠化时间的测量方法及常压稠化仪的操作方法，了解常用油井水泥的稠化性能与有关标准，充分认识水泥浆稠化时间对固井作业的重要性。二、实验原理1．YM型钻井液密度计是不等臂杠杠测试仪器。杠杠左端为盛液杯，右端连接平衡筒。当盛液杯盛满被测试液体时，移动砝码使杠杠主尺保持水平的平衡位置，此时砝码左侧边所对应的刻度线就是所测试液体的密度。2．六转速粘度计是以电动机为动力的旋转型仪器。被测试液体处于两个同心圆筒间的环形空间内。通过变速传动外转筒以恒速旋转，外转筒通过被测试液体作用于内筒产生一个转矩，使同扭簧连接的内筒旋转了一个相应角度。依据牛顿定律，该转角的大小与液体的粘度成正比，于是液体粘度的测量转变为内筒转角的测量。反应在刻度盘的表针读数，通过计算即为液体粘度、切应力。3．水泥浆常压稠化仪中有一带固定浆叶的可旋转的水泥容器。浆杯由电机带动以150转/分的转速逆时针转动，浆杯中的水泥浆给予浆叶一定的阻力。这个阻力与水泥浆的稠度变化成比例关系。该阻力矩与指示计的弹簧的扭矩相平衡，通过指针在刻度盘上指示出稠度值。三、实验仪器、设备1．电子天平．恒速搅拌器26．钻井液密度计3．4六速旋转粘度计5．油井水泥常压稠化仪四．实验步骤1．标定常压稠化仪指示计实验前，应当在标定装置上对指示计进行标定，指示计结构示意图见图1。如图1所示，将铜套圈装在指示计上方；缺口对准指示计销轴，尼龙线一端系在指示的销轴上，另一端沿铜套圈沟槽绕一周，然后再沿滑轮的沟槽引下与吊钩连接。标定时，在吊钩上装上砝码，读出指示计数值。然后将吊钩、砝码用手托起，使指示计指针回到零。接着松手让吊钩、砝码慢慢落下，读数。如此反复几次，取平均值。表1标定数据表砝码（克）50100150200250300350400水泥浆稠度（伯登）2．配制水泥浆配制水泥浆之前必须确定水灰比。合理的水灰比是保证水泥环具有足够的抗压强度和水泥浆良好的可泵性的前提。当水灰比过大时，水泥浆难以搅拌和泵送，在环空流动将产生很高的摩擦阻力。如遇渗透性好的低压井段，则产生压差滤失，使水渗入地层，造成憋泵事故。水灰比过小，水泥环将达不到要求的抗压强度。API标准推荐的水灰比见表2表2API的水灰比（W/C）标准水泥级别ABCDEFGH浆体密度，g/cm31.871.871.781.971.961.941.8951.974水灰比W/C0.460.460.560.380.380.380.440.38①按实验时要求的水灰比计算水泥和水的重量（如水灰比0.5）。②在天平上称取1400克水泥，用量筒取相应的水量700克。③若使用外加剂，则将称好的外加剂放入水中搅拌（如加入2%的促凝剂氯化钙）。7④将量出的水倒入搅拌器的杯内，启动搅拌机，调节转数为4000转/分。将称出的干水泥在15秒内加入水中。然后调节搅拌器转数为12000转/分，继续搅拌35秒。3．测定水泥浆的密度①将水泥浆倒入样品杯，边倒边搅拌；倒满后再搅拌25次除去气泡。②盖好盖子并洗净从盖中间小孔溢出的水泥浆。③用滤纸或面巾纸将密度计上的水擦干净。④然后将密度计放在支架上，移动游码，使游梁处于平衡状态。⑤读出游码左侧所示的水泥浆密度值。⑥测定完毕，将样品杯中的水泥浆倒掉，用水彻底清洗各部件并将其擦干净。。4．测定水泥浆的流变参数液体的流变性是指液体在外力作用下所产生的流动和变形特性。也即作用于流体的层间剪切应力与液体变形（流动）的特性。①检查仪器各转动部件、电器及电源插头是否安全可靠。②向左旋转外转筒，取下外转筒。将内筒逆时针方向旋转并向上推与内筒轴锥端配合。向右旋转外转筒，转上外转筒。③接通电源220V/50Hz。④拉动三位开关，调至高速或低速挡。⑤仪器转动时，轻轻拉动变速杠杠的红色手柄，根据标示变换所需要的转速。⑥将仪器以300r/min和600r/min转动，观察外转筒不得有摆动。如有摆动应停机重新安装外转筒。⑦以300r/min，检查刻度盘指针零位是否摆动。如指针不在零位，应参照仪器校验的“空载零位校验”。⑧将刚搅拌过的钻井液倒入样品杯内至刻度线处（350ml），立即置于托盘上，上升托盘使杯内液面达到外筒刻度线处。⑨迅速从高速调整到低速进行测量，待刻度盘的读数稳定后，分别记录各速度梯度下的读数。对其他触变性流体应在固定速度梯度下，剪切一定时间，取最小的读数为准；也可以采用在快速搅拌后，迅速转为低速进行读数的方法。⑩样品的粘度、切应力等测试和计算参照“数据测试及计算”进行。⑪测试完毕后，关闭电源，松开扳板手轮，移开样品杯。8⑫轻轻卸下外转筒，并将内筒逆时针方向旋转垂直向下用力，取下内筒。⑬清洗外转筒，并擦干，将外转筒安装在仪器上，清洗内筒时应用手指堵住锥孔，以免脏物和液体进入腔内，内筒单独放置在箱内固定位置。表3粘度计读数转速(r/min)36100200300600粘度计读数5．测定水泥浆的稠化时间油井水泥在规定压力与温度条件下，从搅拌开始至水泥浆稠度达到100个稠度单位（Bc-伯登）时所需要的时间，称为水泥的稠化时间。它是模拟现场注水泥过程所得到的室内实验值。即从混拌水泥浆开始计起，直到水泥浆沿套管到达井底、而后由环空返至预定的高度为止的全部时间。①将浆杯轻轻放入杯套内，使浆杯、杯套的缺口对齐。②打开总电源开关。按照实验中升温方案的初始值，设置温度拨码式调节器的下一排数字。然后接通加热器电源。在温度完全稳定后，再进行下列步骤。③将调整好的指示计倒置，装上浆叶。④将配好的水泥浆小心的倒入浆杯，直到水泥浆与杯内壁上的刻线相平。⑤接通电机电源，电机带动浆杯转动。同时记住开机时间。⑥每隔一定时间记录时间和稠度值。当指示计指针指到预定数值的时候，关闭电机电源。⑦关闭加热器电源。取出指示计和浆杯，注意浆杯温度较高，切勿烫伤。⑧将水泥浆倒入桶内。用水冲洗浆杯和浆叶，擦干并涂上油脂，放在仪器右侧。表4稠度值记录：时间(min)051520253035404550555860稠度(BC)五．流变参数计算1．流变模式判别)/()(100300100200F9式中，——流变模式判别系数，无量纲；F300——转