高温高压可视堵漏仪的研制

贺云超，韩天夫，赵建刚，杨锐，李伟，程婧格

高温高压可视堵漏仪的研制

贺云超，韩天夫，赵建刚，杨锐，李伟，程婧格

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

本文介绍了一款高温高压可视堵漏评价仪，通过连续可调的缝宽调节器来调节缝宽大小，可以有效模拟各种不同地层。该仪器控制部分采用基于Cortex-M4内核的ARM处理器STM32F407，控制精度高、系统稳定可靠；人机交互部分采用北京迪文科技有限公司生产的工业串口触摸屏DMT10600C070_05W，整体操作简单便捷；仪器具有体积较小、结构简单，使用方便，能模拟测定不同状态下的漏失参数等特点。

堵漏仪；缝宽调节器；串口；ARM处理器

1 引言

在选用合适的堵漏材料时，确定材料对漏失层的封堵能力是非常重要的，因需要封堵的孔洞尺寸随地层而变化，故必须对堵漏材料的粒度加以选择，该仪器主要用于帮助对重新建立循环所用的材料来进行评价，通过可视缝宽调节器实现缝宽的自由调节，因此能有效地模拟各种不同地层，以确定封堵形成的效率及封堵形成前漏失的体积。该仪器按照美国(API)推荐程序，另外增加了堵漏压力反排装置，其目的是检测封堵成功后反向破坏封堵所需的力，以便研究封堵材料的结构强度，为堵漏材料的选择提供更可靠依据。

在目前的气体压力调节领域，都是采用手动调压阀进行控制，通过手动旋转调压阀手柄来带动调压阀阀杆的前后移动，达到压力调节的目的；多数压力实验要求长时间内压力保持恒定，往往由于气体热胀冷缩、管路漏失以及实验耗损等原因导致试验压力增大或减小，因此需要实验人员紧盯压力表，手动调节调压阀来维持试验压力的恒定，此种方法控制精度差，重复性差，效率低下，操作复杂。

本文介绍的高温高压可视堵漏仪控制部分是一种压力自动调节的智能调压系统，在不需要人工干涉的情况下，实现气体压力的自动恒压、加压、减压等操作，提高压力调节的精确性、稳定性以及实时性，并且可以有效节约人工成本。

2 仪器的结构及工作原理

该仪器结构图见图1。

图1 整体结构

2.1 整体

由支架、堵漏液储存舱、可视缝宽调节器、套筒、螺盖、球阀、电动阀门、调压控制箱，氮气瓶等组成，是仪器的主体组件。氮气瓶可以提供最高15 MPa气压，通过压力调节箱自动调节输出压力大小；压力调节箱根据实验设定参数控制三个电动阀门的通断，从而实现堵漏液的封堵和反排；通过缝宽调节器，可以实现0～50 mm连续可调的缝宽大小，从而模拟不同缝隙大小的地层裂缝；通过透明视窗，可以观察堵漏液在裂缝中的封堵状态。

2.2 管汇组件

由阀座、阀芯、气源接头、调压手柄、高压胶管、压力表等组成，是一个高压减压装置，高压经减压稳压，以提供实验所需压力。试验完毕后放出堵漏液储存舱中的气体。具体结构如图2所示。

图2 管汇组件结构图

2.3 可视缝宽调节器

该结构由活塞、缸筒、手柄、高压可视窗、百分表组成。通过旋转手柄来调节活塞上下移动，从而调节缝宽大小，通过百分表可以直接读取缝宽数值。顺时针旋转缝宽调节器手柄，将活塞推至可视窗方向，缝宽为零时停止旋转手柄；按下百分表“清零”按钮，使百分表数据归零；逆时针旋转手柄，使百分表读数达到预期的缝宽值。具体结构如图3所示。

图3 可视缝宽调节器结构图

2.4 压力控制箱

该部分为整个仪器的“大脑”，主要包括：基于Cortex-M4内核的ARM处理器STM32F407，步进电机、步进电机驱动器、调压阀、联轴器、限位开关、压力传感器、触摸显示屏。步进电机与调压阀通过联轴器实现同轴连接，压力传感器将调压阀出口压力进行实时采集，并将采集到的模拟信号传送至STM32控制器，STM32控制器通过自带的模数转换器将压力传感器采集到的压力模拟量转换为数字量，STM32控制器输出控制信号传输到步进电机驱动器，步进电机驱动器控制步进电机的转动，步进电机转动带动调压阀进行压力调节；STM32控制器将压力传感器采集到的压力值传输给触摸显示屏进行压力显示，通过触摸显示屏输入需要调节的目标压力值，通过电磁阀来紧急切断气源。控制示意图如图4所示。

图4 压力自动控制示意图

3 仪器的操作

(1)将管汇组件安装于氮气瓶上，由螺帽紧固。在确定调压手柄处于自由状态未加压时，打开气源，此时管汇中间压力表应显示压力为≥7 MPa。将两高压胶管分别与管汇和气源接头对应部位连接牢固。

(2)顺时针旋转缝宽调节器手柄，将活塞推至可视窗方向，缝宽为零时停止旋转手柄；按下百分表“清零”按钮，使百分表数据归零；逆时针旋转手柄，使百分表读数达到预期的缝宽值。

(3)将氮气瓶气源出口接入“调压箱”进气口，将“调压箱”出气口接入堵漏液储存舱进气口。通过“触摸显示屏”控制电磁阀的“开”与“关”，以调节堵漏液的流通方向，如图5所示。

图5 电控操作示意图

(4)将含有试验材料的堵漏液倾入堵漏液储存舱内，在出口处下面放一标有刻度的收集桶，记录流出堵漏液的体积。

(5)将螺盖旋入拧紧，依次将连通阀杆带螺纹端旋入螺盖内，以固定销联接三通组件。注意：此时三通组件的放气阀应关闭，与外界不通，连通阀杆在打开位置(即顺时针方向拧紧后，再逆时针方向旋转约90°左右。)

(6)设置实验参数：①温控器采集当前温度值并显示到“触摸显示屏”上，通过“触摸显示屏”设定实验所需温控器温度报警值；②压力传感器采集密封舱当前压力值并显示到“触摸显示屏”上；③通过“触摸显示屏”设置密封舱“保压值”。步进电机控制调压阀来自动调节密封舱压力值大小。如图6所示。

图6 参数设置页面图

(7)设定完试验参数，启动计时器，观察显示屏当前压力值，直至达到0.69 MPa为止，记录排出的钻井液体积，同时观察可能发生封堵的最小压力并记录下来。

(8)调压箱内调压装置继续增压至6.9 MPa，或者到封堵被破坏，仪器容器中的钻井液流空为止，记录流出的钻井液体积和达到的最大压力，如果封堵成功，维持该压力10 min，记录最终的钻井液体积。

(9)调节可视缝宽缝隙大小，逐步增大缝隙宽度，重复实验，直到在6.9 MPa压力下无永久性封堵为止。

4 仪器主要技术参数

该仪器可以实现0～300 ℃连续调节；压力控制精度为2 kPa；STM32控制器自带的AD转换器为12位转换器；步进电机驱动器采用12 V 直流供电，256微分步；可以实现缝宽0～50 mm连续可调。

5 结论

设计并实现了一种高温高压堵漏评价仪，可以实现缝宽连续可调，通过可视窗口可以方便观察堵漏液的封堵状态，在不需要人工干涉的情况下，实现气体压力的自动恒压、加压、减压等操作，提高压力调节的精确性、稳定性以及实时性，并且可以有效节约人工成本，简化了操作步骤，降低了实验过程中的人为干扰。

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2017-01-09

贺云超(1989-)，男，河南郑州人，地球物理仪器专业，北京探矿工程研究所仪器研发中心助理工程师，从事钻井液测试仪器研究工作，Tel：010-82321596，E-mail：hyc_lq@126.com。

P634.36，TE357

A

1009-282X(2017)01-0024-03