1、鉆井與完井工程實驗指導(dǎo)書常州大學(xué)石油工程學(xué)院石油工程系2009年3月2目 錄目 錄1實驗1 巖石硬度及塑性系數(shù)測定2實驗2 巖石可鉆性測定6實驗3油井水泥漿性能實驗9- 10 -實驗1 巖石硬度及塑性系數(shù)測定一、實驗?zāi)康?通過實驗了解巖石的物理機械性質(zhì)2通過實驗，學(xué)習掌握巖石硬度、塑性系數(shù)的測定方法二、實驗原理手搖油泵將液壓傳給硬度儀，推動活塞上升，使巖樣與壓模、位移傳感器接觸。隨著壓力的增加，壓模將逐漸壓入巖樣，位移傳感器測出壓入深度，壓力傳感器測出作用在巖石上的壓力。測出的壓力、位移信號傳給函數(shù)記錄儀，函數(shù)記錄儀便自動記錄下巖石的壓力與壓入深度數(shù)據(jù)，利用專用軟件將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機中進行數(shù)據(jù)

2、處理。三、實驗儀器設(shè)備1實驗儀器設(shè)備示意圖(如圖1)2壓模(如圖2) 圖1 儀器設(shè)備示意圖 圖2 壓膜結(jié)構(gòu)圓柱體壓模用高強度鋼制成胚體后嵌入硬質(zhì)合金錐，將硬質(zhì)合金錐磨成柱體(尺寸如圖所示)d=1.22.5mm，使壓模與巖石的接觸面積始終不變，便于計算巖石的抗壓與極限強度-硬度值。要求壓模的兩端絕對平行，硬質(zhì)合金應(yīng)垂直地鑲?cè)肱唧w中，經(jīng)研磨后的柱體，必須用讀數(shù)顯微鏡測出直徑的準確數(shù)據(jù)。3硬度計由底座、液缸及活塞、支柱、橫梁組成，并可固定位移傳感器、壓力傳感器、壓模及巖樣。4加壓系統(tǒng)用活塞式手搖液壓泵給液缸加壓力液， 使活塞上升并使壓模加壓力給巖樣，管路中裝有壓力表以觀察壓力的變化。5位移計位移計固

3、定在硬度儀的橫梁上，用它測量壓模壓入巖樣的深度，將機械位移量轉(zhuǎn)換成電量。6壓力傳感器將所加壓力的物理量轉(zhuǎn)換成電量。7函數(shù)記錄儀由位移計、壓力傳感器輸入的信號經(jīng)放大、相敏、檢波、濾波的電信號輸給函數(shù)記錄儀。四、實驗步驟1巖樣制備將巖樣(巖心)切磨成成正方(圓柱)體，其高度不小于50mm，被測面積不小于40×100mm，被測兩端面應(yīng)加以研磨，使巖樣平滑且相互平行(直徑50mm的巖樣兩端面不平行不應(yīng)超過0.5mm)。巖樣制備后應(yīng)在 100°C的烘箱中烘干22.5小時，然后放在干燥器內(nèi)備用。2用讀數(shù)顯微鏡讀出壓膜壓頭直徑，記錄壓頭直徑。3打開無紙記錄儀，將巖樣置于硬度儀的活塞上面，

4、順時針轉(zhuǎn)動手搖油泵，活塞緩慢上升，使巖樣與壓力傳感器位移傳感器接觸。當記錄儀有壓力變化時，停止轉(zhuǎn)動手搖泵，此時，記錄位移與壓力的值作為初始值。4繼續(xù)加載直到巖樣破碎，該點測試完畢，卸載。5移動巖樣，使兩點之間的距離大于10cm，按步驟3操作，作出第二點的曲線，關(guān)閉記錄儀。每塊巖樣做23次。6從記錄儀中導(dǎo)出數(shù)據(jù)，在計算機上進行數(shù)據(jù)處理。（根據(jù)處理的數(shù)據(jù)畫出巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線，并計算巖石的硬度及塑性系數(shù)。）7數(shù)據(jù)導(dǎo)出及處理方法：1）從記錄儀向U盤導(dǎo)出數(shù)據(jù)步驟： 按記錄儀中的菜單鍵組態(tài)菜單組態(tài)密碼確定通訊組態(tài)確定屏幕顯示：數(shù)據(jù)正在傳輸，等數(shù)據(jù)傳輸結(jié)速后，退出菜單，關(guān)閉記錄儀。2）數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)表的建立：

5、在計算機中，打開應(yīng)用程序軟件數(shù)據(jù)庫菜單數(shù)據(jù)庫管理點擊數(shù)據(jù)庫名稱添加數(shù)據(jù)表輸入數(shù)據(jù)表名稱，數(shù)據(jù)表建立完畢。3）從U盤向計算機導(dǎo)出數(shù)據(jù)方法：應(yīng)用程序菜單讀取U盤文件選數(shù)據(jù)庫名稱及數(shù)據(jù)表開始讀取U盤數(shù)據(jù)。4）從數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)表向EXCEL文檔傳輸數(shù)據(jù)：選取數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)表名稱給出放置通道1、通道2數(shù)據(jù)的EXCEL文檔名稱，分別導(dǎo)出通道1、通道2數(shù)據(jù)。五、實驗數(shù)據(jù)處理1根據(jù)每點作出的曲線求出巖石硬度Py 其中： P巖石在破碎時所加載荷，單位牛頓；S壓模面積，單位平方米。2求塑性系數(shù) 圖3 巖石應(yīng)力應(yīng)變曲線其中：AF巖石破碎前耗費的總功，相當于面積OABCO；AE彈性變形功，相當于面積OEDO。 3將所試驗

6、各點的Py值及K值進行平均得出該巖樣的硬度及塑性系數(shù)。實驗2 巖石可鉆性測定一、實驗?zāi)康氖煜x器操作，掌握實驗原理及數(shù)據(jù)處理方法。二、實驗儀器設(shè)備巖石可鉆性測定儀，秒表。三、實驗原理根據(jù)鉆速方程V=KNWa 當鉆頭轉(zhuǎn)速N及鉆壓W恒定時，鉆速V僅由反映巖石特性的系數(shù)K和a確定，V的數(shù)值定為巖石可鉆性。為了簡化測量，將鉆孔深度H固定，T=H/V 鉆孔時間T就是巖石可鉆性。四、實驗步驟1試驗前將試樣放在溫度設(shè)定為105110的干燥箱內(nèi)烘烤24小時；2選擇好微型鉆頭，并將手輪上移至最上端，取下巖心支架、鉆頭和接屑盤并清掃干凈；3裝上接屑盤，將選擇好的微型鉆頭安裝在花鍵軸上端，安裝時應(yīng)注意鉆頭上鍵槽應(yīng)對

7、準花鍵軸上端的鍵。安裝好鉆頭后，應(yīng)將巖心支架回歸原位；4關(guān)閉所有鉆進模式(PDC模式和牙輪模式)，打開總電源，打開相應(yīng)的鉆井模式(PDC模式和牙輪模式)，打開電機調(diào)速器上的電機開關(guān)，開動電機，調(diào)電機至規(guī)定轉(zhuǎn)速(55轉(zhuǎn)/分)，然后關(guān)閉電機開關(guān)；5將準備好的試樣放在巖心支架上，手輪下移，并稍用力夾緊巖樣(如果鉆頭高出巖心支架，應(yīng)在輕輕夾緊巖樣的同時，逆時針轉(zhuǎn)動小手搖泵手輪，卸掉液壓系統(tǒng)壓力)。此外應(yīng)特別注意，巖樣的鉆進面一定為平面。并選擇好相應(yīng)的鉆壓砝碼(牙輪鉆頭用兩個砝碼，PDC鉆頭只用一個下部大的砝碼)，放在砝碼支架上；6轉(zhuǎn)動手搖泵給活塞缸和儲能器加壓，先使鉆頭上移頂在巖樣底面上，后頂砝碼至最

8、高點。此時應(yīng)特別注意觀察壓力表，不能使壓力表超過0.9MPa！然后，回搖手搖泵，使砝碼下行，觀察壓力表，停搖手搖泵后，壓力能夠反彈至恒定值后即可；7待壓力穩(wěn)定后，按清零按鈕，待位移、時間清零后，再按清零按鈕復(fù)位。然后打開電機開關(guān)進行實驗；8當位移顯示至規(guī)定值(牙輪模式2.6mm，PDC模式4mm)，電機停轉(zhuǎn)后立即關(guān)閉電機開關(guān)；9對鉆進時間進行記錄。五、鉆后操作1逆時針轉(zhuǎn)動手搖泵手柄，先后使砝碼和鉆頭下行至最底部，此時應(yīng)注意：當壓力降至將近零點時，應(yīng)緩慢卸壓，不要使壓力表承受過大負壓！2松開手輪，卸下巖樣3取下巖心支架，抱住接屑盤外圈，向上同時取下接屑盤和鉆頭(注意：不要直接抓著鉆頭向上拔出，以

9、免撞傷手部！)4清理后，將接屑盤和鉆頭裝回原位5應(yīng)及時對手輪和手搖泵絲杠、砝碼支架活塞、液缸活塞、花鍵軸加油和維護，保證活動順暢。六、實驗數(shù)據(jù)處理實驗次數(shù)1234鉆時（秒）TT平均可鉆性分級Kd 注：(取整) 實驗3 油井水泥漿性能實驗一、實驗?zāi)康拿芏?、流動度、濾失量、流變性稱為油井水泥漿的基本性能。通過本次實驗，主要讓同學(xué)們了解油井水泥漿基本性能的測定方法，掌握有關(guān)儀器的使用方法；對油井水泥漿基本性能的指標范圍產(chǎn)生一定的印象。本實驗包括以下內(nèi)容：油井水泥漿密度的測定；油井水泥漿流變性能的測定；油井水泥漿流動度的測定；油井水泥漿濾失量的測定。二、實驗儀器設(shè)備水泥漿密度計，旋轉(zhuǎn)粘度計等。三、實驗

10、步驟1測定水泥漿密度由于地層的承壓能力不同，在施工中必須控制水泥漿密度。正常密 度在1.78-1.98g/cm3范圍內(nèi)。（使用加壓液體密度計測量較好）。(1) 測定前，標定密度計。將密度計漿杯中盛滿水，蓋好杯蓋， 擦凈溢出的水，然后將其放在刀架上；(2) 移動游碼至1.0處。這時秤臂應(yīng)呈水平狀態(tài)；如不準確應(yīng)進行調(diào)整；(3) 標定之后將水泥漿倒入密度計內(nèi)，蓋好杯蓋后擦去溢出的水泥漿。放置于刀架上并調(diào)整游碼，使秤臂呈水平狀態(tài)。讀出秤臂上的數(shù)值，即水泥漿的密度。單位為g/cm3。2測定水泥漿流變性能液體的流變性是指液體在外力作用下所產(chǎn)主的流動和變形的特性。即作用于液體的層間剪切應(yīng)力與液體變形（流動）

11、的特性。不同類型的液體，其流變性是不一樣的。即使是同一類的液體，不同的溫度和壓力，以及外加劑加量和攪拌的方法都對液體的流變性能有較大的影響。如粘滯性，切應(yīng)力、觸變性、剪切稀釋性等等都屬于液體的流變性能參數(shù)。它是液體的自身屬性。水泥漿對環(huán)空鉆井液的有效頂替，除了套管居中度、頂替排量、鉆井液與水泥漿的靜切力、密度差值外，頂替效率是一個重要因素。當排量一定時，水泥槳流體的流動剖面取決于流動狀態(tài)，而流動狀態(tài)又取決于流變參數(shù)。因此測量和調(diào)整水泥漿流變參數(shù)是施工設(shè)計的一個重要步驟。了解水泥漿的流變性能及其他基本性能，對理解掌握固井工藝有很大好處。具體操作如下：(1) 校正旋轉(zhuǎn)粘度計。打開旋轉(zhuǎn)粘度計的開關(guān)，指示燈亮。將調(diào)速旋扭鈕調(diào)到低速檔（電機轉(zhuǎn)數(shù)為750r/min）。變換變速手把，將轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速調(diào)至300r/min。用漿杯盛清水進行測試，此時旋轉(zhuǎn)粘度計刻度盤上的讀值應(yīng)為1毫帕秒（即旋轉(zhuǎn)一格）。若有誤差，應(yīng)進行調(diào)整；(2) 將剛攪拌過的水泥漿倒入樣品杯刻線處（350ml）并立即放在托