一种新型高温高压泥页岩膨胀量测定仪的研制

王琪, 赵建刚,石凯,李慧想,李伟,孙鹏

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

一种新型高温高压泥页岩膨胀量测定仪的研制

王琪, 赵建刚,石凯,李慧想,李伟,孙鹏

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

本文介绍了一款新型高温高压泥页岩膨胀量测定仪，创新性的采用磁致伸缩位移传感器，用于高温高压环境下的高精度位移量的测量，精度0.01 mm，量程40 cm，使用氮气加压，精确控制并且不会造成样品污染，选用带自整定功能的PID温度控制器，加热迅速，控温准确，经过多次试验，证明具有良好的可操作性，精度高，一致性好。

高温；高压；钻井液；膨胀量；测定仪

1 概述

在石油勘探钻井工程中，泥页岩地层吸水膨胀是影响井壁稳定的主要因素之一。泥页岩膨胀量测试仪主要用于防塌泥浆及处理剂的研究，可准确测定泥页岩试样在不同条件下的膨胀量和膨胀率。用以评价不同的防塌处理对页岩泥水化的抑制能力，并针对不同的地层及不同组分的泥页岩选择适用的处理剂，以控制、消弱泥页岩的水化膨胀进而防止可能出现的垮塌、卡钻等事故的发生。

膨胀量测试仪目前最常用的是常温常压状态测试，国外产品有美国的FANN公司的Linear Swell Meter(LSM)(见图1)。该仪器具有4个测试头，可同时测定4个样品，由电脑控制和数据处理。国内也有同类产品，早期生产的小型仪器，使用简单的百分表测量样品杯内的样品膨胀，后来发展为台式仪器，使用模拟的位移传感器作为信号采集装置，输出的模拟电压通常直接用电压表显示，有些仪器使用针式打印机作为输出记录装置。采用数字传感器技术的NP-01常温常压膨胀量测定仪，是由北京探矿工程研究所研制成功的(见图2)。该款仪器采用数字式位移传感器，精度高、一致性好，具有自校准功能。该仪器具有USB接口，能连接计算机，多台实时显示膨胀量曲线，采用了非易失性存储器，具有断电数据保护功能。

图1 FANN公司的常温常压膨胀量测试仪

图2 NP-01常温常压膨胀量测试仪

高温高压泥页岩膨胀量测定仪，目前也有一些厂家在生产，但是存在几个缺点：一是精确度不高，重复性不好，钻井液是一种成分复杂的混合物，通常成分复杂，不透明，易污染容器，尤其是在高温高压环境下，容易产生水蒸气，污染传感器，造成传感器精度下降甚至失效，温度和压力的变化也会造成模拟量输出的传感器输出信号失真，这些不稳定因素常常导致实验失败，或者同样的样品，反复测量结果不一致；二是仪器本身体积庞大，配件繁多，操作不便，很多高温高压仪器占用了宝贵的实验室空间，质量超过100 kg，配件繁多，经常丢失，测试杯沉重，表面高温，造成操作不便，给实验操作人员带来很多不安全因素。

我们研制的这款新型高温高压泥页岩膨胀量测定仪，克服了以上提到的缺点和不足，具有良好的精度和重复性，操作性好。创新性的采用磁致伸缩位移传感器，用于高温高压环境下的高精度位移量的测量；使用氮气加压，可以精确控制并且不会造成样品污染；选用带自整定功能的PID温度控制器，加热迅速，控温准确。该仪器经过多次试验，证明具有良好的可操作性，精度高、一致性好。本款仪器已经通过中国计量科学研究院计量认证，申请发明专利一项。

2 机械结构设计

根据行业标准SY/T5613—2000《泥页岩理化性能试验方法》设计仪器的测试模型，结合室内评价测试抑制页岩膨胀量性的特点，合理设计仪器的各个功能模块。采用两联双头结构设计，可以单独进行试验测试，也可以进行平行对比测试。加热结构采用金属加热套的结构设计，内置加热棒，隔热棉保温，可手动升降，方便测试。

该结构设计的最大优点就是节省空间，操作方便。该仪器外形尺寸为500 mm(长)×300 mm(宽)×700 mm(高)，整机质量30 kg，可以直接放到试验台上，仅比笔记本电脑稍微多占一点空间。该仪器在设计过程中充分考虑到方便用户操作，仪器的加热套可以沿导轨降落下来，并沿着长轴旋转半周，不影响用户继续操作样品杯。样品杯采用螺纹式结构，可以旋转卸下，密封圈在侧壁上，不需要用户旋紧密封，仅用手就可以拆卸，不需要布带扳手或者链条扳手。整机所有需要用户操作的零部件中最大的质量仅为2.2 kg。

3 传感器选型定制与驱动控制电路

磁致伸缩位移传感器，是利用磁致伸缩原理、通过两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号来准确地测量位置。测量元件是一根波导管，波导管内的敏感元件由特殊的磁致伸缩材料制成的。测量过程是由传感器的电子室内产生电流脉冲，该电流脉冲在波导管内传输，从而在波导管外产生一个圆周磁场，当该磁场和套在波导管上作为位置变化的活动磁环产生的磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应变机械波脉冲信号，这个应变机械波脉冲信号以固定的速度传输，并很快被电子室所检测到，见图3。

图3 磁致伸缩位移传感器

由于这个应变机械波脉冲信号在波导管内的传输时间和活动磁环与电子室之间的距离成正比，通过测量时间，就可以高度精确地确定这个距离。由于输出信号是绝对值，而不是比例的或放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，更无需定期重标。选用非接触式的磁致伸缩位移传感器，磁致伸缩位移传感器采用了高科技材料和先进的电子处理技术，因而它能应用在高温、高压和高振荡的环境中。传感器输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。由于敏感元件是非接触的，即使不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损，可以大大地提高检测仪器的可靠性和使用寿命。信号采集电路部分包括信号调理，信号采集，数据处理与通信接口3个部分。泥页岩遇水膨胀，传感器将位移量转换成电流信号(4～20 mA)。信号调理电路将弱小的电流信号转换成0～5 V电压信号，信号采集芯片将这个电压信号转换成数字量输出。该传感器集成度高，输出即为数字信号，克服了温度和压力变化对测试结果的影响。位移信号经过主控电路板的处理，直接显示到仪器显示屏上，并实时存储到非易失性存储器中。通过通信接口电路，将仪器采集到的数据传输到上位机，在软件上实时显示膨胀曲线和温度曲线。全自动高温高压泥页岩膨胀量测定仪样机见图4，软件操作界面见图5。

图4 全自动高温高压泥页岩膨胀量测定仪样机

图5 软件操作界面

4 样机实验测试与结果

为了验证仪器的重复性和准确度，按照相关测试标准，对样机进行了实验测试，测试环境为标准实验室配置，环境温度26 ℃；分别使用标准量块测试和使用样品进行重复性测试。仪器随机附带的10 mm和20 mm的标准量块，经测试使用标准量块测试结果为，重复性和精确度都优于0.03 mm，这与中国计量科学研究院校准证书的不确定度一致。使用钻井液样品进行重复性测试，通过大量实验，重复误差能控制在5%以内。

[1] GB/T 16783.1-2006,石油天然气工业 钻井液现场测试[S].

[2] API RP 13B-1—2009, 水基钻井液现场测试的标准程序[S].

[3] SY/T5613—2000, 泥页岩理化性能试验方法[S].

[4] 杨振杰,刘志坤,张振活.钻井液工艺学[M]. 北京:石油工业出版社, 2010.

[5] 鄢捷年. 钻井液工艺学[M]. 北京:中国石油大学出版社,2013.

[6] 赵建刚.页岩膨胀抑制剂测试方法研究[J].钻井液与完井液, 2013,7(30):41-45.

2017-01-09

王琪(1984-)，男，河北唐山人，北京探矿工程研究所，工程师，从事钻井液测试仪器研究，北京市海淀区学院路29号中国地质大学探工楼，Tel：010-82321596，E-mail：wangqiname@163.com。

P634.6，TE927

A

1009-282X(2017)02-0025-02