УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АДГЕЗИИ ГЛИНЫ К МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ В СРЕДЕ БУРОВОГО РАСТВОРА

Полезная модель относится к устройству для определения адгезии глины к металлической поверхности в среде бурового раствора, и предназначена для определения способности бурового раствора влиять на адгезию глины к металлу путем замера силы отрыва между прижатыми друг к другу спрессованным глинистым образцом и металлической пластиной в среде бурового раствора. Устройство может применяться в нефтегазовой промышленности при разработке рецептур буровых растворов для разбуривания пластичных пород с целью обеспечения наименьшего сальникообразования на буровом инструменте.
Известно устройство для определения прочности сцепления (авторское свидетельство СССР №351125, МПК G01N 3/08, 3/13, опуб. 13.09.1972), включающее механизм отрыва, измерительное устройство и захват, выполненный в виде цилиндра.
Недостатком известного устройства является невозможность его использования для моделирования и определения прочности сцепления (прилипания) шлама (выбуриваемой породы) к металлической поверхности (поверхности бурового инструмента, например долота) в среде бурового раствора.
Наиболее близким к заявляемому по назначению и технической сущности является устройство для определения адгезии буровых растворов и их фильтрационных корок (патент РФ на полезную модель №3646, МПК G01N 19/00, опуб. 16.02.1997), включающее закрепленный на стойке узел взаимодействия образцов и узел измерения нагрузки. В данном устройстве рассматривается адгезионное взаимодействие буровых растворов и их фильтрационных корок (глинистых) с кольцевым штампом. Недостатком известного устройства является отсутствие возможности провести моделирование процесса прижатия глины (как образца породы, а не глинистой фильтрационной корки) к поверхности металла в среде бурового раствора.
Стоит задача создания устройства, позволяющего определять силу адгезии с предварительным моделированием процесса взаимодействия контактирующих поверхностей в среде бурового раствора.
Поставленная задача решается устройством для определения адгезии глины к металлической поверхности, включающим основание, узел измерения нагрузки и узел моделирования взаимодействия образцов, отличающимся тем, что, согласно полезной модели, содержит дополнительно узел предварительного прижатия испытуемых образцов, а узел моделирования взаимодействия образцов включает два соосных вертикальных цилиндра с закрепленными образцами глины и металла, образующих тест-ячейку, заполняемую буровым раствором, причем нижний цилиндр имеет бортик для удержания бурового раствора.
Устройство позволяет измерять силу отрыва предварительно прижатых с постоянной силой контактирующих поверхностей в среде бурового раствора.
В качестве шлама используется спрессованный глинистый образец цилиндрической формы диаметром 28 мм и высотой около 15-20 мм. Глинистый образец приготавливается из глинопорошка влажностью 10% прессованием в специальной формовочной ячейке под давлением 42 МПа (6000 psi) в течение 30 минут. Поверхность долота моделируется сменной металлической пластиной цилиндрической формы. (Имеется возможность использовать металлические пластины с различной поверхностью и степенью обработки).
Узел моделирования взаимодействия образцов в среде бурового раствора включает два соосных вертикальных цилиндра, которые образуют тест-ячейку, в один из которых запрессован глинистый образец, в другой помещен образец металлической поверхности. Нижняя ячейка имеет бортик для удержания бурового раствора от растекания. Верхний цилиндр через узел измерения нагрузки, представляющий собой устройство измерения нагрузки с фиксацией максимального значения силы отрыва образцов друг от друга, соединенный с электродвигателем, который создает разрывное усилие. Электродвигатель и узел предварительного прижатия испытуемых образцов, состоящий из пресса с подвесным грузом, закреплены на основании. Пресс с подвесным грузом создают постоянную нагрузку для прижатия образцов друг к другу в среде раствора до испытания на отрыв.
На фиг.1 представлена схема устройства для определения адгезии глины к металлической поверхности в среде бурового раствора (адгезиометра), на фиг.2 - порядок проведения испытания на адгезиометре. При этом использованы следующие обозначения:
1 - цилиндр для запрессовки образца глины;
2 - цилиндр закрепления для металлического образца;
3 - цилиндрический спрессованный глинистый образец;
4 - цилиндрический образец из металла;
5 - буровой раствор;
6 - зона контакта между глинистым и металлическим образцом;
7 - устройство измерения нагрузки с фиксацией максимального значения силы отрыва образцов друг от друга;
8 - двигатель;
9 - основание;
10 - пресс с подвесным грузом.
На основании (9) располагается цилиндр (2) с закрепленным в нем цилиндрическим образцом металла (4), сверху прямо над ним установлен цилиндр (1) с запрессованным глинистым образцом (3). Между цилиндрами (1) и (2) находится буровой раствор (промывочная жидкость) (5). Зона адгезионного взаимодействия (6) находится в месте соприкосновения глинистого образца (3) с металлическим (4). К цилиндру (1) сверху прикреплено устройство измерения силы отрыва образцов (7), которое с помощью капронового шнура связано с двигателем (8). Также на основании (9) расположен пресс с подвесным грузом (10) для прижатия глинистого образца (3) к металлическому образцу (4) с постоянным усилием.
В первую очередь осуществляется подготовка образцов. Глинистый образец диаметром 28 мм изготавливается из глинопорошка влажностью 10% путем прессования в специальной форме. Металлический образец перед испытанием необходимо обработать (обезжирить) растворителями для исключения влияния посторонних примесей, осевших на его поверхности.
1
Далее приготовленный глинистый образец запрессовывается в цилиндр (1) (фиг.2а). Тестируемый буровой раствор (5) заливаем в цилиндр (2) так, чтобы он покрыл поверхность металлического образца (4), а также наливаем на поверхность глинистого образца (3) (фиг.2б). Выдерживаем в течение определенного времени (в зависимости от интересующего нас времени воздействия). Совмещаем цилиндры так, как показано на фиг.2в. Затем под прессом с подвесным грузом (10) с известной нагрузкой F (вес груза постоянный) прижимаем цилиндр с глинистым образцом (1) к цилиндру с металлическим (2) в течение 10 мин (фиг.2г). Таким образом, образуется зона контакта глинистого образца с металлическим образцом в среде бурового раствора (6). Образцы глины и металла возможно поменять местами.
2
В зоне контакта образцов происходит адгезионное взаимодействие, величину которого можно оценить путем замера силы F, которая будет приложена для отрыва глинистого образца от металлического (фиг.2д).
С помощью заявляемого устройства можно оценить кинетику изменения силы адгезии между контактирующими поверхностями после начального момента (t=0 мин) попадания частицы шлама в промывочный раствор. Исследуемые поверхности прижимают друг к другу с определенной удельной нагрузкой, после чего производят отрыв, и измеряют усилие, требующееся для отрыва образца глины от металла. Это усилие используют для расчета сил адгезии либо аутогезии (в зависимости от того, где произошел отрыв):
адг/аутог
отр
цил+обр
F=F-G,
адг/аутог
где F - сила адгезии либо аутогезии, Н;
отр
F - сила отрыва тестируемых образцов друг от друга, Н;
цил+обр
G - собственный вес верхнего цилиндра и запрессованного в него образца глинистого сланца, Н.
Рассчитывают удельную силу отрыва глинистого сланца от металла:
,
2
где  - удельная сила отрыва глинистого сланца от металла, Н/см;
образца
S - площадь контакта глинистого образца с нижним металлическим образцом.
Результаты, полученные с помощью адгезиометра, позволяют оценить влияние различных добавок к буровому (промывочному) раствору на силу адгезии спрессованного глинистого материала с металлической поверхностью в среде бурового раствора.
Заявляемое устройство позволяет производить моделирование процесса адгезии (прилипания) шлама (выбуриваемой породы) к поверхности долота в среде бурового раствора.