1、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- 1 -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- 2 -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
2、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- 3 -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
3、，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 40100mm，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 100C 的烘箱中烘干22.5 小时，然后放在干燥器内备用。- 4 -2用读数显微镜读出压膜压头直径，记录压
4、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 23 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
5、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。- 5 -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OEDAB
6、C面 积面 积Fk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。Sy- 6 -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
7、放在温度设定为 105110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
8、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- 7 -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
9、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。- 8 -六、实验数据处理实验次数 1 2 3 4T钻时（秒）T 平均可钻性分级 Kd注： (取整) Kd2log- 9 -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，
10、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
11、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- 10 -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
12、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。
