賀云超，韓天夫，趙建剛，楊銳，李偉，程婧格

高溫高壓可視堵漏儀的研制

賀云超，韓天夫，趙建剛，楊銳，李偉，程婧格

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

本文介紹了一款高溫高壓可視堵漏評價儀，通過連續(xù)可調(diào)的縫寬調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)縫寬大小，可以有效模擬各種不同地層。該儀器控制部分采用基于Cortex-M4內(nèi)核的ARM處理器STM32F407，控制精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；人機(jī)交互部分采用北京迪文科技有限公司生產(chǎn)的工業(yè)串口觸摸屏DMT10600C070_05W，整體操作簡單便捷；儀器具有體積較小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，能模擬測定不同狀態(tài)下的漏失參數(shù)等特點。

堵漏儀；縫寬調(diào)節(jié)器；串口；ARM處理器

1 引言

在選用合適的堵漏材料時，確定材料對漏失層的封堵能力是非常重要的，因需要封堵的孔洞尺寸隨地層而變化，故必須對堵漏材料的粒度加以選擇，該儀器主要用于幫助對重新建立循環(huán)所用的材料來進(jìn)行評價，通過可視縫寬調(diào)節(jié)器實現(xiàn)縫寬的自由調(diào)節(jié)，因此能有效地模擬各種不同地層，以確定封堵形成的效率及封堵形成前漏失的體積。該儀器按照美國(API)推薦程序，另外增加了堵漏壓力反排裝置，其目的是檢測封堵成功后反向破壞封堵所需的力，以便研究封堵材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為堵漏材料的選擇提供更可靠依據(jù)。

在目前的氣體壓力調(diào)節(jié)領(lǐng)域，都是采用手動調(diào)壓閥進(jìn)行控制，通過手動旋轉(zhuǎn)調(diào)壓閥手柄來帶動調(diào)壓閥閥桿的前后移動，達(dá)到壓力調(diào)節(jié)的目的；多數(shù)壓力實驗要求長時間內(nèi)壓力保持恒定，往往由于氣體熱脹冷縮、管路漏失以及實驗耗損等原因?qū)е略囼瀴毫υ龃蠡驕p小，因此需要實驗人員緊盯壓力表，手動調(diào)節(jié)調(diào)壓閥來維持試驗壓力的恒定，此種方法控制精度差，重復(fù)性差，效率低下，操作復(fù)雜。

本文介紹的高溫高壓可視堵漏儀控制部分是一種壓力自動調(diào)節(jié)的智能調(diào)壓系統(tǒng)，在不需要人工干涉的情況下，實現(xiàn)氣體壓力的自動恒壓、加壓、減壓等操作，提高壓力調(diào)節(jié)的精確性、穩(wěn)定性以及實時性，并且可以有效節(jié)約人工成本。

2 儀器的結(jié)構(gòu)及工作原理

該儀器結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

2.1 整體

由支架、堵漏液儲存艙、可視縫寬調(diào)節(jié)器、套筒、螺蓋、球閥、電動閥門、調(diào)壓控制箱，氮氣瓶等組成，是儀器的主體組件。氮氣瓶可以提供最高15 MPa氣壓，通過壓力調(diào)節(jié)箱自動調(diào)節(jié)輸出壓力大?。粔毫φ{(diào)節(jié)箱根據(jù)實驗設(shè)定參數(shù)控制三個電動閥門的通斷，從而實現(xiàn)堵漏液的封堵和反排；通過縫寬調(diào)節(jié)器，可以實現(xiàn)0～50 mm連續(xù)可調(diào)的縫寬大小，從而模擬不同縫隙大小的地層裂縫；通過透明視窗，可以觀察堵漏液在裂縫中的封堵狀態(tài)。

2.2 管匯組件

由閥座、閥芯、氣源接頭、調(diào)壓手柄、高壓膠管、壓力表等組成，是一個高壓減壓裝置，高壓經(jīng)減壓穩(wěn)壓，以提供實驗所需壓力。試驗完畢后放出堵漏液儲存艙中的氣體。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 管匯組件結(jié)構(gòu)圖

2.3 可視縫寬調(diào)節(jié)器

該結(jié)構(gòu)由活塞、缸筒、手柄、高壓可視窗、百分表組成。通過旋轉(zhuǎn)手柄來調(diào)節(jié)活塞上下移動，從而調(diào)節(jié)縫寬大小，通過百分表可以直接讀取縫寬數(shù)值。順時針旋轉(zhuǎn)縫寬調(diào)節(jié)器手柄，將活塞推至可視窗方向，縫寬為零時停止旋轉(zhuǎn)手柄；按下百分表“清零”按鈕，使百分表數(shù)據(jù)歸零；逆時針旋轉(zhuǎn)手柄，使百分表讀數(shù)達(dá)到預(yù)期的縫寬值。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 可視縫寬調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖

2.4 壓力控制箱

該部分為整個儀器的“大腦”，主要包括：基于Cortex-M4內(nèi)核的ARM處理器STM32F407，步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、調(diào)壓閥、聯(lián)軸器、限位開關(guān)、壓力傳感器、觸摸顯示屏。步進(jìn)電機(jī)與調(diào)壓閥通過聯(lián)軸器實現(xiàn)同軸連接，壓力傳感器將調(diào)壓閥出口壓力進(jìn)行實時采集，并將采集到的模擬信號傳送至STM32控制器，STM32控制器通過自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將壓力傳感器采集到的壓力模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，STM32控制器輸出控制信號傳輸?shù)讲竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動調(diào)壓閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)；STM32控制器將壓力傳感器采集到的壓力值傳輸給觸摸顯示屏進(jìn)行壓力顯示，通過觸摸顯示屏輸入需要調(diào)節(jié)的目標(biāo)壓力值，通過電磁閥來緊急切斷氣源?？刂剖疽鈭D如圖4所示。

圖4 壓力自動控制示意圖

3 儀器的操作

(1)將管匯組件安裝于氮氣瓶上，由螺帽緊固。在確定調(diào)壓手柄處于自由狀態(tài)未加壓時，打開氣源，此時管匯中間壓力表應(yīng)顯示壓力為≥7 MPa。將兩高壓膠管分別與管匯和氣源接頭對應(yīng)部位連接牢固。

(2)順時針旋轉(zhuǎn)縫寬調(diào)節(jié)器手柄，將活塞推至可視窗方向，縫寬為零時停止旋轉(zhuǎn)手柄；按下百分表“清零”按鈕，使百分表數(shù)據(jù)歸零；逆時針旋轉(zhuǎn)手柄，使百分表讀數(shù)達(dá)到預(yù)期的縫寬值。

(3)將氮氣瓶氣源出口接入“調(diào)壓箱”進(jìn)氣口，將“調(diào)壓箱”出氣口接入堵漏液儲存艙進(jìn)氣口。通過“觸摸顯示屏”控制電磁閥的“開”與“關(guān)”，以調(diào)節(jié)堵漏液的流通方向，如圖5所示。

圖5 電控操作示意圖

(4)將含有試驗材料的堵漏液傾入堵漏液儲存艙內(nèi)，在出口處下面放一標(biāo)有刻度的收集桶，記錄流出堵漏液的體積。

(5)將螺蓋旋入擰緊，依次將連通閥桿帶螺紋端旋入螺蓋內(nèi)，以固定銷聯(lián)接三通組件。注意：此時三通組件的放氣閥應(yīng)關(guān)閉，與外界不通，連通閥桿在打開位置(即順時針方向擰緊后，再逆時針方向旋轉(zhuǎn)約90°左右。)

(6)設(shè)置實驗參數(shù)：①溫控器采集當(dāng)前溫度值并顯示到“觸摸顯示屏”上，通過“觸摸顯示屏”設(shè)定實驗所需溫控器溫度報警值；②壓力傳感器采集密封艙當(dāng)前壓力值并顯示到“觸摸顯示屏”上；③通過“觸摸顯示屏”設(shè)置密封艙“保壓值”。步進(jìn)電機(jī)控制調(diào)壓閥來自動調(diào)節(jié)密封艙壓力值大小。如圖6所示。

圖6 參數(shù)設(shè)置頁面圖

(7)設(shè)定完試驗參數(shù)，啟動計時器，觀察顯示屏當(dāng)前壓力值，直至達(dá)到0.69 MPa為止，記錄排出的鉆井液體積，同時觀察可能發(fā)生封堵的最小壓力并記錄下來。

(8)調(diào)壓箱內(nèi)調(diào)壓裝置繼續(xù)增壓至6.9 MPa，或者到封堵被破壞，儀器容器中的鉆井液流空為止，記錄流出的鉆井液體積和達(dá)到的最大壓力，如果封堵成功，維持該壓力10 min，記錄最終的鉆井液體積。

(9)調(diào)節(jié)可視縫寬縫隙大小，逐步增大縫隙寬度，重復(fù)實驗，直到在6.9 MPa壓力下無永久性封堵為止。

4 儀器主要技術(shù)參數(shù)

該儀器可以實現(xiàn)0～300 ℃連續(xù)調(diào)節(jié)；壓力控制精度為2 kPa；STM32控制器自帶的AD轉(zhuǎn)換器為12位轉(zhuǎn)換器；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器采用12 V 直流供電，256微分步；可以實現(xiàn)縫寬0～50 mm連續(xù)可調(diào)。

5 結(jié)論

設(shè)計并實現(xiàn)了一種高溫高壓堵漏評價儀，可以實現(xiàn)縫寬連續(xù)可調(diào)，通過可視窗口可以方便觀察堵漏液的封堵狀態(tài)，在不需要人工干涉的情況下，實現(xiàn)氣體壓力的自動恒壓、加壓、減壓等操作，提高壓力調(diào)節(jié)的精確性、穩(wěn)定性以及實時性，并且可以有效節(jié)約人工成本，簡化了操作步驟，降低了實驗過程中的人為干擾。

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2017-01-09

賀云超(1989-)，男，河南鄭州人，地球物理儀器專業(yè)，北京探礦工程研究所儀器研發(fā)中心助理工程師，從事鉆井液測試儀器研究工作，Tel：010-82321596，E-mail：hyc_lq@126.com。

P634.36，TE357

A

1009-282X(2017)01-0024-03