趙建剛，王雪竹，石凱，韓天夫，許云博，李慧想，魏瑞，李進(jìn)，楊銳

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

鉆井液被稱為“鉆探的血液”，起到攜帶巖屑、冷卻和潤(rùn)滑鉆頭、平衡井壁壓力等重要作用，準(zhǔn)確測(cè)試其性能對(duì)于鉆探工程至關(guān)重要。本文分別介紹鉆井液流變性、濾失性、潤(rùn)滑性三個(gè)方面的測(cè)試儀器，了解其功能、參數(shù)和應(yīng)用特點(diǎn)對(duì)于精準(zhǔn)選擇合適的儀器，對(duì)提高鉆探工作效率、安全性，提升鉆探服務(wù)能力和競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

1 高溫高壓鉆井液流變儀

鉆井液流變性能關(guān)系著鉆井液在井下的懸浮和攜帶巖屑能力，對(duì)安全快速鉆井起著十分重要的作用。在深井鉆探中，鉆井液流變性受溫度、壓力的影響較大，研究溫度、壓力對(duì)鉆井液流變性的影響，對(duì)安全鉆探具有重要意義。在陸地鉆探中，中國(guó)大陸科學(xué)鉆探面臨著萬(wàn)米深井的挑戰(zhàn)，超深井井底高溫高壓環(huán)境會(huì)對(duì)鉆井液體系產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[1]。在水域鉆探中，與淺水作業(yè)相比，深水鉆井時(shí)低溫對(duì)鉆井液的流變性影響很大，特別是動(dòng)切力和低剪切速率下的黏度難以控制，使得井控難度加大等一系列問題已成為深水鉆井技術(shù)所面臨的巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，較高的上覆海水靜液柱壓力也是深水鉆井面臨的一大挑戰(zhàn)，鉆井液在高壓條件下體積減小，密度增大，流變性也會(huì)發(fā)生變化[2]。高溫高壓鉆井液流變儀是可應(yīng)用于深地、深水地質(zhì)鉆探領(lǐng)域的關(guān)鍵測(cè)試儀器，可以模擬鉆探過程中面臨的各種溫度和壓力條件，測(cè)試鉆井液在井下不同工況條件下的流變性能，以便隨著井下溫度、壓力和地層條件的變化，即時(shí)調(diào)整、改進(jìn)和優(yōu)化配方，確保鉆井液具有良好的流變特性，高效安全鉆井。

目前能夠滿足在高溫高壓和低溫高壓條件下對(duì)鉆井液進(jìn)行測(cè)試的儀器主要有美國(guó)Fann公司生產(chǎn)的Fann iX77高溫高壓流變儀和我國(guó)自主研發(fā)的Super HTHP Rheometer 2018超高溫高壓流變儀。

1.1 Fann iX77高溫高壓流變儀

1.1.1 特點(diǎn)及功能

Fann iX77高溫高壓流變儀(如圖1所示)由美國(guó)Fann儀器公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，是一款同軸圓筒型旋轉(zhuǎn)流變儀，內(nèi)置先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和安全設(shè)計(jì)的機(jī)械及電路結(jié)構(gòu)，組成安全的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有較高的安全性。Fann iX77高溫高壓流變儀使用計(jì)算機(jī)控制，儀器操作、數(shù)據(jù)采集、輸出報(bào)告和報(bào)警功能可自動(dòng)進(jìn)行，最大限度地?cái)U(kuò)展了其應(yīng)用范圍。專用計(jì)算軟件使儀器操作自動(dòng)化，并允許高級(jí)操作人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件編制專用的測(cè)試程序。該儀器使用一個(gè)精密的磁敏角度傳感器來檢測(cè)內(nèi)嵌寶石軸承的彈簧組合轉(zhuǎn)過的角度，樣品黏度越大，轉(zhuǎn)過的角度越大，傳感器系統(tǒng)可以校準(zhǔn)到±0.01°。實(shí)驗(yàn)壓力由氣動(dòng)增壓泵產(chǎn)生，該泵由一個(gè)精密的后置壓力控制器、高壓閥和壓力傳感器來控制。加壓油充滿測(cè)試體的上部，與樣品在特殊設(shè)計(jì)的狹縫中小面積接觸，減少了壓力油與測(cè)試樣品之間混合的可能性，避免壓力油對(duì)測(cè)試樣品的影響。

圖1 Fann iX77高溫高壓流變儀

1.1.2 主要技術(shù)參數(shù)

最高工作溫度316 ℃，最低工作溫度-10 ℃，最大工作壓力210 MPa，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速0～600 r/min。

1.2 Super HTHP Rheometer 2018超高溫高壓流變儀

1.2.1 特點(diǎn)及功能

Super HTHP Rheometer 2018超高溫高壓流變儀(如圖2所示)由北京探礦工程研究所牽頭，聯(lián)合中國(guó)石油大學(xué)(北京)、沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)、大連鈺霖電機(jī)有限公司、青島海通達(dá)專用儀器有限公司四家單位，歷時(shí)五年研發(fā)而成。該儀器是國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目“超高溫高壓鉆井液流變儀的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”的科研成果，是目前國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)高端的鉆井液流變性測(cè)試儀之一。

圖2 Super HTHP Rheometer 2018超高溫高壓流變儀

該儀器采用國(guó)際先進(jìn)的外環(huán)隔離磁耦合驅(qū)動(dòng)技術(shù)及非接觸式扭矩傳遞測(cè)量技術(shù)，解決了傳統(tǒng)高溫高壓流變儀測(cè)試腔體動(dòng)密封問題，實(shí)現(xiàn)了高溫320 ℃、低溫-20 ℃和高壓220 MPa條件下的高精度黏度測(cè)量。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，將測(cè)試樣品和同軸圓筒封閉在高溫高壓測(cè)試腔中，外筒上的耐高溫永磁體與測(cè)試腔外部的驅(qū)動(dòng)外環(huán)通過磁耦合相連接，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)外環(huán)，帶動(dòng)外筒以相同轉(zhuǎn)速同步旋轉(zhuǎn)。內(nèi)筒通過剛性直桿與上部的角度磁鐵相連，高溫高壓測(cè)試腔外部的高精度磁場(chǎng)檢測(cè)電路通過測(cè)量角度磁鐵x、y兩個(gè)磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)過的角度即可得到內(nèi)筒轉(zhuǎn)過的角度(如圖3所示)，從根本上攻克了傳統(tǒng)密封系統(tǒng)在高溫高壓動(dòng)態(tài)三重條件下壽命短的難題，實(shí)驗(yàn)操作者不用再頻繁進(jìn)行更換密封系統(tǒng)的操作。儀器上配備了具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的測(cè)控軟件系統(tǒng)，可設(shè)置轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)，可實(shí)時(shí)顯示和保存測(cè)試結(jié)果，有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式，中文和英文操作界面可在線實(shí)時(shí)切換，實(shí)現(xiàn)了安全簡(jiǎn)便的智能控制。

圖3 外環(huán)隔離磁耦合驅(qū)動(dòng)和非接觸式扭矩傳遞測(cè)量原理

1.2.2 主要技術(shù)參數(shù)

最高工作溫度320 ℃，最低工作溫度-20 ℃，最大工作壓力220 MPa，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速0～1000 r/min。

2 高溫高壓動(dòng)態(tài)失水儀

濾失量是評(píng)價(jià)鉆井液性能最基本也是最重要的指標(biāo)之一，鉆井液濾失量測(cè)量的準(zhǔn)確與否直接影響到鉆井質(zhì)量的好壞[3]。優(yōu)選出在高溫高壓鉆探條件下具有良好濾失性的鉆井液，確保鉆井液濾失量保持在一定范圍內(nèi)，對(duì)防止鉆探事故發(fā)生、確保鉆探安全極為重要，這就需要高溫高壓動(dòng)態(tài)失水儀進(jìn)行測(cè)試。目前國(guó)內(nèi)主要使用的兩款高溫高壓動(dòng)態(tài)失水儀是美國(guó)Fann公司生產(chǎn)的Fann 90高溫高壓動(dòng)態(tài)失水儀和我國(guó)自主研發(fā)的WT-Auto 170-50高溫高壓智能全自動(dòng)動(dòng)態(tài)失水儀。

2.1 Fann 90高溫高壓動(dòng)態(tài)失水儀

2.1.1 特點(diǎn)及功能

Fann 90高溫高壓動(dòng)態(tài)失水儀(如圖4所示)是美國(guó)Fann公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的用于濾餅形成和滲透性分析的失水儀，可通過設(shè)定溫度、壓力、剪切速率以及使用不同滲透率的筒形過濾介質(zhì)很好地模擬井下的高溫、高壓、動(dòng)態(tài)和不同地層條件，進(jìn)行鉆井液最優(yōu)化濾餅形成和濾失分析。該儀器最大特點(diǎn)是使用不同滲透率(即不同孔隙度)的人造巖心濾筒(如圖5所示)作為過濾介質(zhì)，該巖心濾筒具有類似地層的過濾特性，剪切軸穿過巖心濾筒中心軸旋轉(zhuǎn)對(duì)鉆井液進(jìn)行剪切，鉆井液徑向從人造巖心濾筒內(nèi)側(cè)向外濾失，并在側(cè)壁上形成濾餅(如圖6所示)，通過此過程模擬地層濾失，精確測(cè)量高溫高壓濾失量。

圖4 Fann 90高溫高壓動(dòng)態(tài)失水儀

圖5 人造巖心濾筒

圖6 人造巖心濾筒過濾原理圖

該儀器采用精密體積傳感器，可測(cè)試一段時(shí)間內(nèi)累積的濾失量，也可以連續(xù)記錄整個(gè)測(cè)試過程濾失量變化，繪制濾失曲線，準(zhǔn)確計(jì)算鉆井液的初濾失量和任一時(shí)刻的瞬時(shí)濾失量。通過對(duì)濾失量進(jìn)行微分處理，可以得到濾失梯度曲線，濾失量變化趨勢(shì)一目了然。使用該儀器時(shí)，實(shí)驗(yàn)操作者可通過設(shè)置溫度、壓力、剪切速率、測(cè)試時(shí)間等應(yīng)用儀器標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，也可以根據(jù)需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序進(jìn)行修改，自動(dòng)化程度高，操作方便。

2.1.2 主要技術(shù)參數(shù)

該儀器最高測(cè)試壓力17.2 MPa(2500 psi)，最高測(cè)試溫度260 ℃，轉(zhuǎn)速0～1000 r/min，巖心濾筒孔徑5～190 μm。

2.2 WT-Auto170-50高溫高壓智能全自動(dòng)動(dòng)態(tài)失水儀

2.2.1 特點(diǎn)及功能

WT-Auto170-50高溫高壓智能全自動(dòng)動(dòng)態(tài)失水儀(如圖7所示)是由北京探礦工程研究所根據(jù)油田實(shí)驗(yàn)室在陸上和海上的實(shí)際需要研發(fā)的一套功能齊全、自動(dòng)化測(cè)試程度高的高溫高壓動(dòng)態(tài)失水儀。該儀器通過使鉆井液經(jīng)過濾紙、濾網(wǎng)、巖心濾片等過濾介質(zhì)由上而下濾出，模擬鉆進(jìn)過程中井壁濾失的過程。采用堅(jiān)固耐用的固體加熱方式和高精度數(shù)顯轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，模擬高溫高壓和動(dòng)態(tài)的鉆井條件，測(cè)定鉆井液的濾失量隨時(shí)間的變化過程[4]。WT-Auto170-50高溫高壓智能全自動(dòng)動(dòng)態(tài)失水儀實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)連續(xù)自動(dòng)測(cè)試和采集高溫高壓動(dòng)態(tài)濾失量的功能，并可繪制濾失曲線，數(shù)據(jù)采集由電腦自動(dòng)執(zhí)行，在實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)試結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)以文件形式保存在計(jì)算機(jī)，可通過打印機(jī)直接打印。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，操作方便，是當(dāng)前最為先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高溫高壓動(dòng)態(tài)濾失性測(cè)試和采集系統(tǒng)。

圖7 WT-Auto170-50高溫高壓智能全自動(dòng)動(dòng)態(tài)失水儀

2.2.2 主要技術(shù)參數(shù)

最高測(cè)試壓力13.8 MPa(2000 psi)，最高測(cè)試溫度260 ℃，轉(zhuǎn)速可在0～1600 r/min之間進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，樣品筒容積500 mL。

3 高溫高壓可視堵漏儀

井漏是鉆探過程中最為常見井內(nèi)復(fù)雜情況，發(fā)生井漏會(huì)引起鉆井液漏失，嚴(yán)重時(shí)可能造成井壁坍塌，引發(fā)埋鉆和卡鉆事故。在實(shí)施堵漏前，通過模擬地層及溫度、壓力條件，測(cè)試堵漏材料對(duì)漏失層的封堵效果，優(yōu)選合適的鉆井液堵漏體系，可有效提高鉆探工作效率。堵漏儀是測(cè)試評(píng)價(jià)堵漏材料性能的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)設(shè)備，目前市場(chǎng)上多數(shù)堵漏儀均采用手動(dòng)調(diào)壓閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，控制精度差、效率低、操作復(fù)雜，BJ-VDL-1高溫高壓可視堵漏儀可實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)，精確度高、穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)單方便。

3.1 BJ-VDL-1高溫高壓可視堵漏儀特點(diǎn)及功能

BJ-VDL-1高溫高壓可視堵漏儀(如圖8所示)由北京探礦工程研究所自主研發(fā)，通過可視縫寬調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)縫寬的可視在線自由調(diào)節(jié)，能有效地模擬各種不同地層，以確定封堵形成的效率及封堵形成前漏失的體積，測(cè)定不同狀態(tài)下的漏失參數(shù)。該儀器增加了堵漏壓力反排裝置，以便研究封堵材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為堵漏材料的選擇提供更可靠依據(jù)。此外，儀器控制部分采用基于Cortex-M4內(nèi)核的ARM處理器STM32F407，控制精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。人機(jī)交互部分采用工業(yè)串口觸摸屏，整體操作簡(jiǎn)單便捷。

圖8 BJ-VDL-1高溫高壓可視堵漏儀

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

最高測(cè)試壓力7 MPa，最高測(cè)試溫度150 ℃，縫板規(guī)格0～30 mm可調(diào)，測(cè)堵深度0～100 mm，測(cè)試桶容積4000 mL，氣源為氮?dú)狻?/p>

4 極壓潤(rùn)滑儀

潤(rùn)滑性良好的鉆井液可降低鉆柱與井壁間的摩擦阻力，減小鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩。如果潤(rùn)滑性控制不好，容易引發(fā)粘卡、泥包等復(fù)雜事故，并造成流動(dòng)阻力的增大，降低機(jī)械鉆速[5]。在鉆井液體系中添加液體或固體的潤(rùn)滑劑是改善鉆井液潤(rùn)滑性能、降低摩擦阻力的主要途徑[6]。不同成分的鉆井液潤(rùn)滑性不同，極壓潤(rùn)滑儀可用于測(cè)試和評(píng)價(jià)不同組分鉆井液的潤(rùn)滑性和極壓膜強(qiáng)度(潤(rùn)滑膜能夠承受的極限壓強(qiáng))，為正確評(píng)價(jià)和使用潤(rùn)滑劑，配制理想的鉆井液提供依據(jù)。目前最常用的是美國(guó)Fann公司生產(chǎn)的Fann 21200 極壓潤(rùn)滑儀。

4.1 Fann 21200 極壓潤(rùn)滑儀特點(diǎn)及功能

Fann 21200 極壓潤(rùn)滑儀(如圖9所示)由美國(guó)Fann公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，已有超過50年的制造歷史。該儀器主要用于測(cè)試潤(rùn)滑劑對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性的影響和最佳加量，也可測(cè)試潤(rùn)滑劑的極壓膜強(qiáng)度。該儀器應(yīng)用強(qiáng)力三角帶做傳動(dòng)帶，加之直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率大、轉(zhuǎn)速控制電路性能良好，轉(zhuǎn)速極其穩(wěn)定，工作時(shí)噪聲低，扭矩讀值穩(wěn)定精確，重復(fù)性好，被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是鉆井液潤(rùn)滑性和極壓膜強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工具。

圖9 Fann 21200 極壓潤(rùn)滑儀

4.2 主要技術(shù)參數(shù)

轉(zhuǎn)速范圍0～1000 r/min，壓力范圍0～38.3 kPa，在帶載和不帶載時(shí)轉(zhuǎn)速變化不超過±1 r/min，轉(zhuǎn)速閉環(huán)自動(dòng)控制，電機(jī)功率1 kW。

5 結(jié)語(yǔ)

在真正高溫高壓條件下實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)試鉆井液的高溫高壓流變性、濾失封堵性和潤(rùn)滑性，確保鉆井液體系及其中所使用的各種性能的鉆井液助劑在下井前達(dá)到所要求的耐高溫高壓特性，對(duì)于確保高溫高壓鉆井安全、高效具有重要意義。本文介紹的幾款高溫高壓鉆井液流變性、濾失封堵性和潤(rùn)滑性測(cè)試儀器，可以為鉆探現(xiàn)場(chǎng)工作者和鉆井液助劑生產(chǎn)企業(yè)負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的工作人員優(yōu)選測(cè)試儀器提供有益的參考。