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巖膨脹量測定儀的研制

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巖膨脹量測定儀，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量，精度0.01 mm，量程40 cm，使用氮氣加壓，精確控制并且不會造成樣品污染，選用帶自整定功能的PID溫度控制器，加熱迅速，控溫準確，經(jīng)過多次試驗，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；測定儀

1 概述

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

膨脹量測試儀目前最常用的是常溫常壓狀態(tài)測試，國外產(chǎn)品有美國的FANN公司的Linear Swell Meter(LSM)(見圖1)。該儀器具有4個測試頭，可同時測定4個樣品，由電腦控制和數(shù)據(jù)處理。國內(nèi)也有同類產(chǎn)品，早期生產(chǎn)的小型儀器，使用簡單的百分表測量樣品杯內(nèi)的樣品膨脹，后來發(fā)展為臺式儀器，使用模擬的位移傳感器作為信號采集裝置，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常溫常壓膨脹量測定儀，是由北京探礦工程研究所研制成功的(見圖2)。該款儀器采用數(shù)字式位移傳感器，精度高、一致性好，具有自校準功能。該儀器具有USB接口，能連接計算機，多臺實時顯示膨脹量曲線，采用了非易失性存儲器，具有斷電數(shù)據(jù)保護功能。

圖1 FANN公司的常溫常壓膨脹量測試儀

圖2 NP-01常溫常壓膨脹量測試儀

高溫高壓泥頁巖膨脹量測定儀，目前也有一些廠家在生產(chǎn)，但是存在幾個缺點：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造成模擬量輸出的傳感器輸出信號失真，這些不穩(wěn)定因素常常導(dǎo)致實驗失敗，或者同樣的樣品，反復(fù)測量結(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驗室空間，質(zhì)量超過100 kg，配件繁多，經(jīng)常丟失，測試杯沉重，表面高溫，造成操作不便，給實驗操作人員帶來很多不安全因素。

我們研制的這款新型高溫高壓泥頁巖膨脹量測定儀，克服了以上提到的缺點和不足，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量；使用氮氣加壓，可以精確控制并且不會造成樣品污染；選用帶自整定功能的PID溫度控制器，加熱迅速，控溫準確。該儀器經(jīng)過多次試驗，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)通過中國計量科學研究院計量認證，申請發(fā)明專利一項。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)行業(yè)標準SY/T5613—2000《泥頁巖理化性能試驗方法》設(shè)計儀器的測試模型，結(jié)合室內(nèi)評價測試抑制頁巖膨脹量性的特點，合理設(shè)計儀器的各個功能模塊。采用兩聯(lián)雙頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以單獨進行試驗測試，也可以進行平行對比測試。加熱結(jié)構(gòu)采用金屬加熱套的結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)置加熱棒，隔熱棉保溫，可手動升降，方便測試。

該結(jié)構(gòu)設(shè)計的最大優(yōu)點就是節(jié)省空間，操作方便。該儀器外形尺寸為500 mm(長)×300 mm(寬)×700 mm(高)，整機質(zhì)量30 kg，可以直接放到試驗臺上，僅比筆記本電腦稍微多占一點空間。該儀器在設(shè)計過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，并沿著長軸旋轉(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。整機所有需要用戶操作的零部件中最大的質(zhì)量僅為2.2 kg。

3 傳感器選型定制與驅(qū)動控制電路

磁致伸縮位移傳感器，是利用磁致伸縮原理、通過兩個不同磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號來準確地測量位置。測量元件是一根波導(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。測量過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)生一個圓周磁場，當該磁場和套在波導(dǎo)管上作為位置變化的活動磁環(huán)產(chǎn)生的磁場相交時，由于磁致伸縮的作用，波導(dǎo)管內(nèi)會產(chǎn)生一個應(yīng)變機械波脈沖信號，這個應(yīng)變機械波脈沖信號以固定的速度傳輸，并很快被電子室所檢測到，見圖3。

圖3 磁致伸縮位移傳感器

由于這個應(yīng)變機械波脈沖信號在波導(dǎo)管內(nèi)的傳輸時間和活動磁環(huán)與電子室之間的距離成正比，通過測量時間，就可以高度精確地確定這個距離。由于輸出信號是絕對值，而不是比例的或放大處理的信號，所以不存在信號漂移或變值的情況，更無需定期重標。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。傳感器輸出信號為絕對位移值，即使電源中斷、重接，數(shù)據(jù)也不會丟失，更無須重新歸零。由于敏感元件是非接觸的，即使不斷重復(fù)檢測，也不會對傳感器造成任何磨損，可以大大地提高檢測儀器的可靠性和使用壽命。信號采集電路部分包括信號調(diào)理，信號采集，數(shù)據(jù)處理與通信接口3個部分。泥頁巖遇水膨脹，傳感器將位移量轉(zhuǎn)換成電流信號(4～20 mA)。信號調(diào)理電路將弱小的電流信號轉(zhuǎn)換成0～5 V電壓信號，信號采集芯片將這個電壓信號轉(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，克服了溫度和壓力變化對測試結(jié)果的影響。位移信號經(jīng)過主控電路板的處理，直接顯示到儀器顯示屏上，并實時存儲到非易失性存儲器中。通過通信接口電路，將儀器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，在軟件上實時顯示膨脹曲線和溫度曲線。全自動高溫高壓泥頁巖膨脹量測定儀樣機見圖4，軟件操作界面見圖5。

圖4 全自動高溫高壓泥頁巖膨脹量測定儀樣機

圖5 軟件操作界面

4 樣機實驗測試與結(jié)果

為了驗證儀器的重復(fù)性和準確度，按照相關(guān)測試標準，對樣機進行了實驗測試，測試環(huán)境為標準實驗室配置，環(huán)境溫度26 ℃；分別使用標準量塊測試和使用樣品進行重復(fù)性測試。儀器隨機附帶的10 mm和20 mm的標準量塊，經(jīng)測試使用標準量塊測試結(jié)果為，重復(fù)性和精確度都優(yōu)于0.03 mm，這與中國計量科學研究院校準證書的不確定度一致。使用鉆井液樣品進行重復(fù)性測試，通過大量實驗，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)場測試[S].

[2] API RP 13B-1—2009, 水基鉆井液現(xiàn)場測試的標準程序[S].

[3] SY/T5613—2000, 泥頁巖理化性能試驗方法[S].

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

[5] 鄢捷年. 鉆井液工藝學[M]. 北京:中國石油大學出版社,2013.

[6] 趙建剛.頁巖膨脹抑制劑測試方法研究[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，從事鉆井液測試儀器研究，北京市海淀區(qū)學院路29號中國地質(zhì)大學探工樓，Tel：010-82321596，E-mail：wangqiname@163.com。

P634.6，TE927

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