Устройство для определения адгезии глины к металлической поверхности в среде бурового раствора
Устройство предназначено для замера силы отрыва между прижатыми друг к другу глинистым и металлическим образцами в среде бурового раствора.
Устройство включает узел измерения нагрузки (7) и узел моделирования взаимодействия образцов, состоящий из двух соосных вертикальных цилиндров, образующих тест-ячейку, заполняемую буровым раствором. Образец глины (3) закреплен в одном цилиндре (1), образец металла (4) закреплен во втором цилиндре (2). Нижний цилиндр имеет бортик для удержания бурового раствора (5). Устройство снабжено узлом предварительного прижатия испытуемых образцов (10). Ил.2.
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.
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 F1 (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.
В зоне контакта образцов происходит адгезионное взаимодействие, величину которого можно оценить путем замера силы F2, 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):
Fадг/аутог=F отр-Gцил+обр,
где Fадг/аутог - сила адгезии либо аутогезии, Н;
Fотр - сила отрыва тестируемых образцов друг от друга, Н;
Gцил+обр - собственный вес верхнего цилиндра и запрессованного в него образца глинистого сланца, Н.
Рассчитывают удельную силу отрыва глинистого сланца от металла:
,
где 
- удельная сила отрыва глинистого сланца от металла, Н/см 2;
Sобразца - 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.
Устройство для определения адгезии глины к металлической поверхности, включающее основание, узел измерения нагрузки и узел моделирования взаимодействия образцов, отличающееся тем, что 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.
