УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ ФИЛЬТРАЦИОННОЙ КОРКИ

Полезная модель относится к устройствам для определения коэффициента трения фильтрационной корки и может найти применение в нефтегазовой промышленности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство для определения коэффициента трения фильтрационной корки, содержащее опорную поверхность с шарниром, установленным с возможностью вращения вокруг его оси прикрепленной к нему одной стороной платформы, ложе для фильтрационной корки и средство для измерения угла с градуированной шкалой (см. Авторское свидетельство СССР №794438, кл. G 01 N 19/02, 1981).
Недостатками известного устройства являются его низкие функциональные возможности, так как оно не позволяет выбрать состав жидкостной ванны, обеспечивающей ликвидацию прихвата трубных колонн.
Техническим результатом, на который направлена предлагаемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей устройства путем осуществления выбора состава жидкостной ванны, обеспечивающей ликвидацию прихвата трубных колонн.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для определения коэффициента трения фильтрационной корки, содержащее опорную поверхность с шарниром, установленным с возможностью вращения вокруг его оси прикрепленной к нему одной стороной платформы, ложе для фильтрационной корки и средство для измерения угла с градуированной шкалой, имеет открытый сосуд, дно которого выполнено в виде опорной поверхности, ложе выполнено в виде выемки на размещенной внутри сосуда части платформы, на расположенной вне сосуда противоположной стороне платформы выполнен паз с размещенным внутри него роликом, выполненным с возможностью движения по его цилиндрической поверхности нити с прикрепленным к одному из ее концов грузом, обеспечивающим перемещение по поверхности фильтрационной корки образца материала, прикрепленного к другому концу нити; на градуированной шкале закрепленного на боковой стенке сосуда средства для измерения угла выполнены на равных угловых расстояниях друг относительно
друга отверстия, предназначенные для крепления платформы на градуированной шкале с помощью штифта, проходящего через выполненное в теле платформы сквозное отверстие в одно из отверстий градуированной шкалы.
Предлагаемое устройство предназначено для выбора состава жидкостной ванны с целью ликвидации прихвата трубных колонн (модель соответствует разновидности прихвата, когда страгивание труб определяется коэффициентом трения их о фильтрационную корку и зенитным углом наклонного ствола скважины).
Сущность данной полезной модели иллюстрируется фигурой, на которой приведена конструктивная схема устройства для определения коэффициента трения фильтрационной корки.
Позициями на фигуре обозначены образец 1 материала, фильтрационная корка 2, ложе 3 для фильтрационной корки 2, выполненное в платформе 4, открытый сосуд 5, в который заливается исследуемый состав жидкостной ванны 6. Также на фигуре показаны штифт 7, груз 8, нить 9, направляющий ролик 10, средство 11 для измерения угла с градуированной шкалой 12. На фигуре представлены отверстия 13, выполненные в градуированной шкале 12, и шарнир 14. Дно открытого сосуда 5 является опорной поверхностью 15. Платформа 4 прикреплена одной стороной к установленному на опорной поверхности 15 шарниру 14 и вращается вокруг его оси. Ложе 3 выполнено в виде выемки на размещенной внутри сосуда 5 части платформы 4. На расположенной вне сосуда 5 противоположной стороне платформы 4 выполнен паз (на фигуре не показан) с размещенным внутри него направляющим роликом 10 с проходящей по его цилиндрической поверхности нитью 9, к одному концу которой прикреплен груз 8, выполненный с возможностью изменения своего веса. Другой конец нити 9 прикреплен к образцу 1 материала. В качестве образца 1 материала используется металлическая пластинка, изготовленная из материала трубных колонн. В рабочем положении устройства груз 8 висит вертикально и при функционировании устройства обеспечивает перемещение по поверхности фильтрационной корки 2 образца 1 материала. Закрепленное на боковой стенке открытого сосуда 5 средство 11 для измерения угла выполнено с возможностью установления зенитного угла. В случае данного устройства зенитный угол образуется плоскостью платформы 4 и плоскостью, перпендикулярной дну (опорной поверхности 15) открытого сосуда 5. На градуированной шкале 12 на равных угловых расстояниях друг относительно друга выполнены
отверстия 13, предназначенные для крепления платформы 4 на градуированной шкале 12 с помощью штифта 7, проходящего через выполненное в теле платформы 4 сквозное отверстие (на фигуре не показано) в одно из отверстий 13 на градуированной шкале 12.
1
2
Принцип работы данного устройства для определения коэффициента трения фильтрационной корки 2, находящейся в жидкостной ванне 6, заключается в следующем. Фильтрационная корка 2 наносится на поверхность ложа 3, выполненного в виде выемки в платформе 4, и заполняет весь его объем. Сверху на фильтрационную корку 2 помещают образец 1 материала. В качестве образца 1 материала, как правило, используют металлическую пластинку, к которой одним своим концом прикреплена нить 9. Далее платформа 4 с помощью штифта 7, проходящего через сквозное отверстие, выполненное в теле платформы 4, в одно из отверстий 13 на градуированной шкале 12 устанавливается на заданный зенитный угол α и фиксируется элементами крепления (на фигуре не показаны) в этом положении. На другой конец нити 9, переброшенной через направляющий ролик 10, подвешивают вертикально висящий груз 8 (представляющий собой чашку с расположенными на ней разновесами). После этого металлическую пластинку (образец 1 материала) на фильтрационной корке 2 оставляют в покое на заданный период времени t. Далее сосуд 5 полностью заполняют исследуемым составом жидкостной ванны 6 и оставляют в покое для физико-химического воздействия на фильтрационную корку 2 в течение второго заданного периода времени t. Постепенно изменяя массу груза 8 (нагружая чашку разновесами), определяют усилие, необходимое для страгивания металлической пластинки. Чем меньше страгивающее усилие, тем эффективнее состав жидкостной ванны для ликвидации прихвата трубных колонн. Эффективность воздействия жидкостной ванны на фильтрационную корку оценивали с помощью коэффициента трения. Как известно, сила трения определяется двумя группами факторов - как зависящими от нормальной нагрузки, так и не зависящими от нее. Применяя различные расчетные модели, можно получить зависимость силы трения от нагрузки, шероховатости, механических свойств и др.
В качестве исходной зависимости для расчета коэффициента трения образца 1 материала о фильтрационную корку 2 был принят закон Амонтона (см. Хейфец И.Б., О коэффициенте трения резинового элемента пакера о стенки скважин, НТС, серия
«Бурение», №10, 1971, с.26-28), согласно которому коэффициент трения μ есть отношение силы трения F к реакции N, которая возникает при приложении нагрузки, прижимающей одно тело к другому и направленной по нормали к поверхности касания:
В случае предлагаемого устройства коэффициент трения образца 1 материала о фильтрационную корку 2 определяется из следующего выражения:
где μ - коэффициент трения образца 1 материала о фильтрационную корку 2;
Q - страгивающее усилие, Н;
G - вес образца 1 материала, Н;
α - зенитный угол, град.
4
Использование данного устройства рассмотрим на примерах его применения, где в качестве образца 1 материала была взята металлическая пластинка, весом 0,1678 Н. В качестве фильтрационной корки 2 применяли глинистую корку, приготовленную из бентонитового глинопорошка. В качестве жидкостных ванн для ликвидации прихвата трубных колонн использовали, например, водопроводную воду и 5%-й водный раствор бисульфата натрия (NaHSО).
Пример 1. Определение коэффициента трения металлической пластинки о глинистую корку в водяной ванне.
3
1
Глинистую корку готовили из бентонитового глинопорошка следующим образом. Эксикатор наполнили водопроводной водой в количестве 1250 г.При постоянном перемешивании воды в течение 20 минут постепенно добавили 400 г бентонитового глинопорошка и выдержали смесь трое суток при нормальных условиях. Приготовленную глинистую пасту, имеющую плотность ρ=1285 кг/м вручную с помощью лопаточки наносили заподлицо в виде глинистой корки (фильтрационная корка 2) на ложе 3 платформы 4. Сверху на глинистую корку положили металлическую пластинку (образец 1 материала, из которого изготовлена трубная колонна) с прикрепленной к ней нитью 9. Платформу 4 установили на заданный зенитный угол α, равный 65° и зафиксировали ее положение с помощью штифта 7. После этого собранную конструкцию оставили в покое на заданный период времени t=5 минут. После истечения
1
2
2
заданного периода времени t сосуд 5 наполнили водой и оставили в покое для физико-химического воздействия водяной ванны на глинистую корку в течение другого заданного периода времени t=10 минут. На другой конец нити 9, переброшенной через направляющий ролик 10, подвесили чашку, являющуюся вертикально висящим грузом 8. После истечения заданного периода времени t, постепенно нагружая чашку разновесами, определили усилие, необходимое для страгивания металлической пластинки. В этом случае усилие, необходимое для страгивания пластинки, при зенитном угле 65° составило Q=0,1255 Н. При этом коэффициент трения металлической пластинки о глинистую корку по формуле (2) составил:
4
Пример 2. Определение коэффициента трения металлической пластинки о глинистую корку в жидкостной ванне на основе 5%-го водного раствора NaHSO.
3
1
1
2
2
Ранее приготовленную глинистую пасту (см. пример 1), имеющую плотность ρ=1285 кг/м, вручную с помощью лопаточки наносили заподлицо в виде глинистой корки на ложе 3 платформы 4. Сверху на глинистую корку положили металлическую пластинку с прикрепленной к ней нитью 9. Платформу 4 установили на заданный зенитный угол α, равный 65° и зафиксировали ее положение с помощью штифта 7. После этого собранную конструкцию оставили в покое на заданный период времени t=5 минут. После истечения заданного периода времени t сосуд 5 наполняли 5%-м водным раствором бисульфата натрия и оставили в покое в течение другого заданного периода времени t=10 минут. На другой конец нити 9, переброшенной через направляющий ролик 10, подвесили чашку, являющуюся вертикально висящим грузом 8. После истечения заданного периода времени t, постепенно нагружая чашку разновесами, определили усилие, необходимое для страгивания металлической пластинки. В этом случае усилие, необходимое для страгивания пластинки, при зенитном угле 65°, составило Q=0,106 Н. При этом коэффициент трения металлической пластинки о глинистую корку по формуле (2) имел величину:
Как видно из приведенных выше примеров, жидкостная ванна на основе 5%-го водного раствора бисульфата натрия оказывает более существенное физико-химическое воздействие на глинистую корку по сравнению с водяной.
Предлагаемое устройство для определения коэффициента трения позволит расширить функциональные возможности устройства путем осуществления выбора состава жидкостной ванны, обеспечивающей ликвидацию прихвата трубных колонн.
Применение данного устройства существенно ускорит и удешевит создание новых рецептур жидкостных ванн для ликвидации прихватов трубных колонн при строительстве скважин.