钻井工程实验指导书修改.doc

《钻井与完井工程》
实验指导书

常州大学
石油工程学院石油工程系
2009年3月

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目 录

目 录 1
实验1 岩石硬度及塑性系数测定 2
实验2 岩石可钻性测定 6
实验3油井水泥浆性能实验 9

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实验1 岩石硬度及塑性系数测定
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、位移传感器接触。随着压力的增加，压模将逐渐压入岩样，位移传感器测出压入深度，压力传感器测出作用在岩石上的压力。测出的压力、位移信号传给函数记录仪，函数记录仪便自动记录下岩石的压力与压入深度数据，利用专用软件将该数据导入计算机中进行数据处理。
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1 仪器设备示意图 图2 压膜结构
圆柱体压模用高强度钢制成胚体后嵌入硬质合金锥，将硬质合金锥磨成柱体(尺寸如图所示)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。要求压模的两端绝对平行，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据。
3．硬度计
由底座、液缸及活塞、支柱、横梁组成，并可固定位移传感器、压力传感器、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压力给岩样，管路中装有压力表以观察压力的变化。
5．位移计
位移计固定在硬度仪的横梁上，用它测量压模压入岩样的深度，将机械位移量转换成电量。
6．压力传感器
将所加压力的物理量转换成电量。
7．函数记录仪
由位移计、压力传感器输入的信号经放大、相敏、检波、滤波的电信号输给函数记录仪。
四、实验步骤
1．岩样制备
将岩样(岩心)切磨成成正方(圆柱)体，其高度不小于50mm，被测面积不小于40×100mm，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不应超过0.5mm)。岩样制备后应在 100°C的烘箱中烘干2～2.5小时，然后放在干燥器内备用。
2．用读数显微镜读出压膜压头直径，记录压头直径。
3．打开无纸记录仪，将岩样置于硬度仪的活塞上面，顺时针转动手摇油泵，活塞缓慢上升，使岩样与压力传感器位移传感器接触。当记录仪有压力变化时，停止转动手摇泵，此时，记录位移与压力的值作为初始值。
4．继续加载直到岩样破碎，该点测试完毕，卸载。
5．移动岩样，使两点之间的距离大于10cm，按步骤3操作，作出第二点的曲线，关闭记录仪。每块岩样做2～3次。
6．从记录仪中导出数据，在计算机上进行数据处理。（根据处理的数据画出岩石应力应变曲线，并计算岩石的硬度及塑性系数。）
7．数据导出及处理方法：
1）从记录仪向U盘导出数据步骤：
按记录仪中的菜单键→组态菜单→组态密码→确定→通讯组态→确定→屏幕显示：数据正在传输，等数据传输结速后，退出菜单，关闭记录仪。
2）数据库和数据表的建立：
在计算机中，打开应用程序软件→数据库菜单→数据库管理→点击数据库名称→添加数据表→输入数据表名称，数据表建立完毕。
3）从U盘向计算机导出数据方法：
应用程序菜单→读取U盘文件→选数据库名称及数据表→开始读取U盘数据。
4）从数据库及数据表向EXCEL文档传输数据：
选取数据库及数据表名称→给出放置通道1、通道2数据的EXCEL文档名称，分别导出通道1、通道2数据。
五、实验数据处理
1．根据每点作出的曲线求出岩石硬度Py
其中： P—岩石在破碎时所加载荷，单位牛顿；S—压模面积，单位平方米。
2．求塑性系数

图3 岩石应力应变曲线

其中：AF—岩石破碎前耗费的总功，相当于面积OABCO；
AE—弹性变形功，相当于面积OEDO。
3．将所试验各点的Py值及K值进行平均得出该岩样的硬度及塑性系数。

实验2 岩石可钻性测定
一、实验目的
熟悉仪器操作，掌握实验原理及数据处理方法。
二、实验仪器设备
岩石可钻性测定仪，秒表。
三、实验原理
根据钻速方程V=KNWa 当钻头转速N及钻压W恒定时，钻速V仅由反映岩石特性的系数K和a确定，V的数值定为岩石可钻性。为了简化测量，将钻孔深度H固定，T=H/V 钻孔时间T就是岩石可钻性。
四、实验步骤
1．试验前将试样放在温度设定为105℃~110℃的干燥箱内烘烤24小时；
2．选择好微型钻头，并将手轮上移至最上端，取下岩心支架、钻头和接屑盘并清扫干净；
3．装上接屑盘，将选择好的微型钻头安装在花键轴上端，安装时应注意钻头上键槽应对准花键轴上端的键。安装好钻头后，应将岩心支架回归原位；
4．关闭所有钻进模式(PDC模式和牙轮模式)，打开总电源，打开相应的钻井模式(PDC模式和牙轮模式)，打开电机调速器上的电机开关，开动电机，调电机至规定转速(55转/分)，然后关闭电机开关；
5．将准备好的试样放在岩心支架上，手轮下移，并稍用力夹紧岩样(如果钻头高出岩心支架，应在轻轻夹紧岩样的同时，逆时针转动小手摇泵手轮，卸掉液压系统压力)。此外应特别注意，岩样的钻进面一定为平面。并选择好相应的钻压砝码(牙轮钻头用两个砝码，PDC钻头只用一个下部大的砝码)，放在砝码支架上；
6．转动手摇泵给活塞缸和储能器加压，先使钻头上移顶在岩样底面上，后顶砝码至最高点。此时应特别注意观察压力表，不能使压力表超过0.9MPa！然后，回摇手摇泵，使砝码下行，观察压力表，停摇手摇泵后，压力能够反弹至恒定值后即可；
7．待压力稳定后，按清零按钮，待位移、时间清零后，再按清零按钮复位。然后打开电机开关进行实验；
8．当位移显示至规定值(牙轮模式2.6mm，PDC模式4mm)，电机停转后立即关闭电机开关；
9．对钻进时间进行记录。
五、钻后操作

1．逆时针转动手摇泵手柄，先后使砝码和钻头下行至最底部，此时应注意：当压力降至将近零点时，应缓慢卸压，不要使压力表承受过大负压！
2．松开手轮，卸下岩样
3．取下岩心支架，抱住接屑盘外圈，向上同时取下接屑盘和钻头(注意：不要直接抓着钻头向上拔出，以免撞伤手部！)
4．清理后，将接屑盘和钻头装回原位
5．应及时对手轮和手摇泵丝杠、砝码支架活塞、液缸活塞、花键轴加油和维护，保证活动顺畅。

六、实验数据处理
实验次数
1
2
3
4
钻时（秒）
T

T平均

可钻性分级
Kd

注：(取整)

实验3 油井水泥浆性能实验
一、实验目的
密度、流动度、滤失量、流变性称为油井水泥浆的基本性能。通过本次实验，主要让同学们了解油井水泥浆基本性能的测定方法，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产生一定的印象。
本实验包括以下内容：油井水泥浆密度的测定；油井水泥浆流变性能的测定；油井水泥浆流动度的测定；油井水泥浆滤失量的测定。
二、实验仪器设备
水泥浆密度计，旋转粘度计等。
三、实验步骤
1．测定水泥浆密度
由于地层的承压能力不同，在施工中必须控制水泥浆密度。正常密 度在1.78-1.98g/cm3范围内。（使用加压液体密度计测量较好）。
(1) 测定前，标定密度计。将密度计浆杯中盛满水，盖好杯盖， 擦净溢出的水，然后将其放在刀架上；
(2) 移动游码至1.0处。这时秤臂应呈水平状态；如不准确应进行调整；
(3) 标定之后将水泥浆倒入密度计内，盖好杯盖后擦去溢出的水泥浆。放置于刀架上并调整游码，使秤臂呈水平状态。读出秤臂上的数值，即水泥浆的密度。单位为g/cm3。
2．测定水泥浆流变性能
液体的流变性是指液体在外力作用下所产主的流动和变形的特性。即作用于液体的层间剪切应力与液体变形（流动）的特性。不同类型的液体，其流变性是不一样的。即使是同一类的液体，不同的温度和压力，以及外加剂加量和搅拌的方法都对液体的流变性能有较大的影响。如粘滞性，切应力、触变性、剪切稀释性等等都属于液体的流变性能参数。它是液体的自身属性。
水泥浆对环空钻井液的有效顶替，除了套管居中度、顶替排量、钻井液与水泥浆的静切力、密度差值外，顶替效率是一个重要因素。当排量一定时，水泥桨流体的流动剖面取决于流动状态，而流动状态又取决于流变参数。因此测量和调整水泥浆流变参数是施工设计的一个重要步骤。了解水泥浆的流变性能及其他基本性能，对理解掌握固井工艺有很大好处。具体操作如下：
(1) 校正旋转粘度计。打开旋转粘度计的开关，指示灯亮。将调速旋扭钮调到低速档（电机转数为750r/min）。变换变速手把，将转筒转速调至300r/min。用浆杯盛清水进行测试，此时旋转粘度计刻度盘上的读值应为1毫帕秒（即旋转一格）。若有误差，应进行调整；
(2) 将刚搅拌过的水泥浆倒入样品杯刻线处（350ml）并立即放在托盘上。上升托盘使液面恰到外筒刻线处，拧紧托盘手轮.
(3) 迅速从600r/min、300r/min、200r/min，100r/min、6r/min、3r/min。依次测定，注意换档！并应在指针稳定时读数。
(4) 实验后，关闭电源、松开托盆、移开量杯。轻轻卸下外筒，相互不得擦伤，避免碰坏连接内筒的轴。洗净外筒，并擦干上好外筒。
(5) 整理数据，书写实验报告。