[發明專利]一種基于流體環境的巖塊摩擦系數測量方法與裝置

在審

• 申請號: 201910394673.2
• 申請日: 2019-05-13
• 公開（公告）號: CN110082289A
• 公開（公告）日: 2019-08-02
• 發明（設計）人: 康毅力;田國豐;許成元;游利軍;閆霄鵬
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G01N19/02
• 分類號: G01N19/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于流體環境的巖塊摩擦系數測量裝置，其特征在于，包括滑動組件、支架組件、恒溫液槽組件、控制組件以及監測組件；

所述滑動組件包括鋼輪組、壓力傳遞構件、上摩擦巖塊固定構件，所述鋼輪組包括至少兩個鋼輪組成，用于與所述鋼輪同材質制成的鋼軌連接，所述壓力傳遞構件用于將所述鋼軌對所述鋼輪的垂直方向上的力等效傳遞到所述上摩擦巖塊上表面，且作為液壓裝置的推力桿作用點，所述上摩擦巖塊固定螺栓用于固定所述上摩擦巖塊；

所述支架組件包括隔震臺、螺紋支柱、可調節鋼軌、螺母、中間支撐梁、氣泡水平儀，所述隔震臺用作實驗儀器底座，含調平構件，所述螺紋支柱的螺紋是外絲螺紋，四根所述螺紋支柱焊接在所述隔震臺上，所述可調節鋼軌由所述鋼軌和兩個中空的鋼圓柱焊接而成，采用與所述螺紋支柱匹配的固定螺帽固定所述鋼軌，所述中間支撐梁采用與所述鋼軌同種材料制成，焊接在所述鋼軌中間，鏈接于所述螺紋支柱上，用于支撐所述鋼軌中部，提高所述鋼軌抗彎曲能力，所述氣泡水平儀安放于所述鋼軌中間，用于保證所述鋼軌處于水平狀態；

所述恒溫液槽組件包括盛液槽、支撐臺、下摩擦巖塊固定構件，所述盛液槽，用于模擬實際油氣井井下巖塊摩擦中的流體環境，所述支撐臺焊接在所述盛液槽底部，所述支撐臺水平面上安裝所述下摩擦巖塊固定構件，所述下摩擦巖塊固定構件為帶螺栓的半圓柱體凹槽構件，所述下摩擦巖塊固定構件用于固定不同長度的所述下摩擦巖塊；

所述控制組件包括電控液壓裝置、推力桿，所述電控液壓裝置作為動力系統，通過推力桿對滑動組件施力，用于對所述上摩擦巖塊施加切向力，使其發生切向滑移；

所述監測組件包括壓力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、計算機軟件，所述壓力傳感器位于所述壓力傳遞構件凹槽底部和所述推力桿端部，用于監測所述上摩擦巖塊上表面所受壓力和所述切向力大小，所述位移傳感器位于所述推力桿上，用于監測所述上摩擦巖塊的所述切向滑移的距離，所述計算機軟件將實時采集實驗數據，用于所述流體環境的巖塊摩擦系數計算。

2.根據權利要求1所述的基于流體環境的巖塊摩擦系數測量裝置，其特征在于，所述鋼輪由剛度較高的耐腐蝕不銹鋼材料制成，所述鋼輪在所述鋼軌上發生滾動摩擦，所述鋼輪與所述鋼軌的滾動摩擦系數小于0.01，對所述實驗數據的影響可忽略。

3.根據權利要求1所述的基于流體環境的巖塊摩擦系數測量裝置，其特征在于，所述盛液槽采用耐腐蝕、耐高溫、高強度的新型環保透明材料制作，能夠盛裝包括地層水、酸液、堿液、鉆井液、壓井液的實驗流體，并設有卸液孔，方便卸載所述實驗流體。

4.根據權利要求1所述的基于流體環境的巖塊摩擦系數測量裝置，其特征在于，所述上摩擦巖塊固定螺栓端面為平面，將所述的上摩擦巖塊固定螺栓端面和所述壓力傳遞構件的所述凹槽內壁四周涂上一層聚四氟乙烯，以減小所述上摩擦巖塊在垂直方向所受摩擦力的誤差，且所述上摩擦巖塊固定螺栓只起輕微固定作用。

5.根據權利要求1所述的基于流體環境的巖塊摩擦系數測量裝置，其特征在于，所述支撐臺為金屬實心結構，其內部含有加熱電阻絲，用于控制所述盛液槽槽內所述流體溫度，所述流體溫度調節范圍為室內溫度～100℃。

6.根據權利要求1所述的基于流體環境的巖塊摩擦系數測量裝置，其特征在于，所述上摩擦巖塊的正壓力施力構件為鋼軌與所述固定螺帽，且用于約束所述上摩擦巖塊滑移的方向。

7.根據權利要求1所述的基于流體環境的巖塊摩擦系數測量裝置，其特征在于，所述鋼輪與所述鋼軌由高硬度的高碳低合金鋼制成，具有強度高，耐磨性好，耐壓性好，抗疲勞性好的特點。

8.一種基于流體環境的巖塊摩擦系數測量方法，應用于如權利要求1-4中任一項所述的基于流體環境的巖塊摩擦系數測量裝置，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：制取一塊小巖心柱放入恒溫干燥箱，烘干后備用；

步驟S2：制備兩塊巖塊，分別為所述上摩擦巖塊和所述下摩擦巖塊，采用切割機從烘干后的所述小巖心柱上切下片狀巖心柱作為所述上摩擦巖塊，保證所述上摩擦巖塊摩擦面是標準圓，將所述小巖心柱余下部分進行人工造縫(切割、劈裂、拋光等)處理后作為所述下摩擦巖塊；

步驟S3：將所述下摩擦巖塊固定在位于所述恒溫液槽中的所述半圓柱體凹槽內，保證裂縫面朝上，所述上摩擦巖塊稱重后固定在所述滑動組件上(重量記為W_N)，安放所述滑動組件使得所述上摩擦巖塊與所述下摩擦巖塊最左端垂直方向對齊，調節所述可調節鋼軌使所述可調節鋼軌與所述鋼輪相互接觸，并達到預定正向壓力大小(F_N)，且保證鋼軌處于水平位置；

步驟S4：將摩擦實驗所需的油氣井工作液(完井液，鉆井液，修井液、壓裂液、地層水等)緩慢注入所述恒溫液槽內，保證所述恒溫液槽內液面恰好沒過所述摩擦面，給所述恒溫液槽內所述加熱電阻絲通電，將所述槽內液體加溫至所述摩擦實驗所需地層溫度，并保持所述溫度恒定；

步驟S5：在所述上摩擦巖塊移動到所述下摩擦巖塊最右端時停止所述摩擦實驗，數據存檔，將所得摩擦力(F_f)、正壓力(F_N)的數據，代入公式(1)可計算出所述摩擦系數。