趙建剛， 李梅楠， 石 凱， 王 琪， 許云博， 王雪竹， 孫 鵬， 李 偉， 鄧都都

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

隨著鉆探探井的環(huán)境越來越復(fù)雜多樣，需要考察多種溫度和壓力條件下的鉆井液流變性。如在六七千米的深井，溫度可達170～260 ℃或更高，需要考察鉆井液體系在高溫高壓環(huán)境下的流變特性。海洋石油開發(fā)近年來所占比例不斷增加，且海洋石油勘探的趨勢是向深水區(qū)域推進。在深水區(qū)域，鉆井環(huán)境溫度更低、壓力更大，需要考察鉆井液體系在低溫高壓環(huán)境下的流變特性。此外，新型清潔能源——天然氣水合物越來越受到關(guān)注，天然氣水合物的開采成為世界各國關(guān)注的熱點。天然氣水合物是在特定的低溫和高壓條件下形成的產(chǎn)物，廣泛分布于大陸邊緣海底和凍土帶沉積物中。低溫鉆井液是獲得天然氣水合物真實樣品的重要保證條件之一。天然氣水合物勘探對鉆井液技術(shù)提出了更高要求，需要著重考察鉆井液體系在低溫條件下的流變性能。所以能夠完成多種壓力溫度測試環(huán)境的高壓高低溫鉆井液流變儀是泥漿實驗室中必備的儀器。

1 進口高溫高壓流變儀的使用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)使用的高溫高壓流變儀主要來源于進口，以美國Fann和德國Haake為主。

主要包括Fann 50C型高溫高壓流變儀、Fann 50SL型高溫高壓流變儀、Fann 70/75/iX77型高溫高壓流變儀、Fann iX77型高溫高壓流變儀，Haake RV20/D100、Thermo Haake RheoStress 600型等。

Fann 50C、Fann 50SL型高溫高壓流變儀、Fann 70/75/iX77型高溫高壓流變儀、Fann iX77型高溫高壓流變儀都是同軸旋轉(zhuǎn)式粘度計。

Fann 50C高工作壓力和溫度分別為7 MPa和260 ℃。其剪應(yīng)力值和樣品溫度由筆式記錄儀以曲線形式記錄在紙上，使用不便。控制系統(tǒng)可靠性也較差。我國石油、地質(zhì)等部門在20世紀七八十年代相繼進口的30多臺Fann 50C相繼出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)、高速上不去、溫度失調(diào)等故障。

Fann 50SL是Fann 50C的改進升級型產(chǎn)品，最高工作壓力和溫度分別為7 MPa和260 ℃。它的控制系統(tǒng)有較大提升，儀器控制和測試實現(xiàn)了計算機化控制。

Fann 70/75相比于Fann 50C，體積更小，工作壓力也更高，極限工作壓力和溫度分別為140 MPa和260 ℃。但Fann 70不能和計算機相連，不能進行計算機數(shù)據(jù)處理和存貯。Fann 75改進了這一不足。Fann75既可作為單機單獨工作，也可與計算機相連成為一個計算機控制的儀器，實驗室與鉆井現(xiàn)場都可以使用。

Fann iX77型高溫高壓流變儀是一種同軸圓筒型流變儀，用于測量高溫高壓下的液體流變性。由于內(nèi)置高可靠性工業(yè)控制計算機系統(tǒng)和安全設(shè)計的機電結(jié)構(gòu)，該儀器具有很高的安全性。Fann iX77型高溫高壓流變儀使用嵌入到主機上的工業(yè)控制計算機控制，使儀器操作、數(shù)據(jù)采集、輸出報告和報警功能能自動進行，最大限度擴展其應(yīng)用范圍，給操作帶來較大的靈活性。專用計算軟件使儀器操作自動化，并允許高級操作人員根據(jù)實驗條件編制專用的測試程序。該儀器使用一個精密的磁敏角度傳感器來檢測內(nèi)嵌寶石軸承的彈簧組合的角度，傳感器系統(tǒng)可以校準到±0.1°。實驗壓力由氣動增壓泵產(chǎn)生，該泵由一個精密的后置壓力控制器、高壓閥和壓力傳感器來控制。

Fann iX77型高溫高壓流變儀最高工作溫度316 ℃，最高工作壓力210 MPa，配上外部冷凝器(D4004型)可在軟件控制下進行低溫測試，低溫范圍為環(huán)境溫度至-20 ℃。若配上能力更強的外部冷凝器，則可以達到更低的測試溫度。Fann iX77型高溫高壓流變儀外形圖見圖1。

圖1 Fann iX77型高溫高壓流變儀

Haake RV20/D100最高工作極限壓力和溫度分別為100 MPa和300 ℃，是從德國進口的一款高端流變儀。Thermo Haake RheoStress 600體積較小，整機智能化程度較高，控制軟件和分析軟件較為完備。該儀器的測試系統(tǒng)采用空氣軸承加壓，大大提高了測試精度，該儀器最高測試溫度為250 ℃。

中國海洋石油總公司、塔里木石油勘探開發(fā)指揮部以及與石油、鉆探等有關(guān)的科研院所和高校相繼從國外多家公司進口了多臺高端高溫高壓流變儀。這些進口高端儀器價格昂貴，貿(mào)易手續(xù)繁雜，在使用中也存在著不少問題，主要為：

(1)技術(shù)資料多為外文，使用不便；

(2)售后周期長，費用高；

(3)零配件供應(yīng)周期長，價格被動大。

綜上所述，使用進口高端流變性測試儀器具有價格高昂、使用不便、維修售后難度大，零配件供應(yīng)不便等諸多問題。

2 北京探礦工程研究所研發(fā)的Explore 97型超高壓高低溫鉆井液流變儀

2013年4月，國家科技部重大儀器設(shè)備開發(fā)專項項目“超高溫高壓鉆井液流變儀的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”獲得正式批復(fù)，由北京探礦工程研究所牽頭承擔。

經(jīng)過5年的研究開發(fā)，攻克了超高溫高壓和低溫高壓條件下鉆井液的流變性測試、高精度粘度測量、采集與處理等技術(shù)難題，試制了耐腐蝕高溫高壓測試釜，完成了鉆井液流變性的各種流變模型的整理和分析，進行參數(shù)計算、評價分析的程序編寫，并結(jié)合應(yīng)用于控制軟件中，經(jīng)過樣機的組裝和調(diào)試，開發(fā)了高溫高壓控制系統(tǒng)、高精度剪率控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件，通過系統(tǒng)集成和軟件開發(fā)，目前已成功研制出國內(nèi)第一臺超高壓高低溫鉆井液流變儀，是目前國內(nèi)國際上最先進高端的鉆井液流變性測試儀。

Explore 97工程化流變儀樣機，完成了耐壓260 MPa，加熱溫度超過350 ℃的極端性能測試，在高溫高壓和低溫高壓的條件下，測試了多種樣品的流變性，驗證了儀器的綜合技術(shù)性能指標，達到了產(chǎn)業(yè)化的需要。

該儀器能測定高溫(320 ℃)高壓(220 MPa)和低溫(-20 ℃)高壓條件下鉆井液的流變性，滿足我國深部油氣、深部礦產(chǎn)、高溫地熱、天然氣水合物及大陸科學(xué)鉆探等深部鉆探工程的需要。其特征在于采用隔離磁耦合扭矩傳遞方法，實現(xiàn)粘度信號測量和剪率的控制，剪率控制范圍大，鉆井液屈服值的測試精度高，采用非接觸式粘度測試方法，解決了高溫高壓的密封、元器件高溫條件下使用壽命等問題。超高壓高低溫鉆井液流變儀結(jié)構(gòu)示意見圖2、整機示意見圖3。

圖2 超高壓高低溫鉆井液流變儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 超高壓高低溫鉆井液流變儀整機示意圖

北京探礦工程研究所研制的Explore 97型超高壓高低溫鉆井液流變儀與目前進口的國際一流的Fanni X77型高溫高壓流變儀的對比結(jié)果見表1。

表1 Explore 97與Fann iX77型高溫高壓流變儀的指標對比

Explore 97型超高溫高壓流變儀的測試軟件運行于Windows平臺，使用Labview作為開發(fā)工具。該軟件功能完善、界面友好，使流變儀操作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出報告能自動進行，實現(xiàn)智能化測量。

該軟件功能主要分為以下幾個方面。

(1)校準：校準頁面見圖4，分為初始校準和常規(guī)校準。初始校準指的是在初次使用該儀器或硬件有變動時進行的校準，初始校準結(jié)束后，軟件將存儲該校準的結(jié)果，用于后續(xù)測試進行常規(guī)數(shù)據(jù)校準。

圖4 校準頁面

(2)手動測試：手動測試頁面見圖5。用戶直接設(shè)置轉(zhuǎn)速、溫度和壓力，軟件控制系統(tǒng)內(nèi)的硬件執(zhí)行測試命令，獲取測試數(shù)據(jù)，并調(diào)用數(shù)據(jù)顯示、處理與報告功能向用戶輸出測試結(jié)果。

圖5 手動測試

(3)自動測試：見圖6，采用軟件預(yù)置資源庫中的自動測試序列進行智能化測試。預(yù)置資源庫中的自動測試序列是較為標準合理的測試參數(shù)序列，用戶也可以提供測試點，自動測試可以幫助用戶設(shè)計合理的實驗，以獲取更可靠的數(shù)據(jù)。

(4)高級設(shè)置：見圖7，設(shè)置系統(tǒng)初始參數(shù)，用于提供初始化數(shù)據(jù)以及默認狀態(tài)，該功能平時不可見，只有高級操作人員有權(quán)限進入。

(5)數(shù)據(jù)顯示、處理與報告：見圖8，該功能用于顯示校準、手動測試和自動測試中獲取的數(shù)據(jù)，計算校準數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)，并生成、存儲和發(fā)送數(shù)據(jù)報告。

圖6 自動測試

圖7 高級設(shè)置

圖8 數(shù)據(jù)顯示、處理與報告

圖9為用戶使用該流變儀測試壓裂液的數(shù)據(jù)采集結(jié)果。

3 結(jié)語

該儀器目前已經(jīng)過中國計量院、北京計量院等機構(gòu)進行了溫度、壓力、粘度等關(guān)鍵指標的校準，已能夠承擔實際實驗任務(wù)，進行鉆井液流變儀的超高壓高低溫實驗。該儀器未來進入市場，可直接應(yīng)用于以下3個鉆探環(huán)境的鉆井液流變性能測試：(1)深井高溫高壓鉆探環(huán)境；(2)深水石油鉆探環(huán)境；(3)大陸邊緣海底和凍土帶天然氣水合物鉆探。

圖9流變儀實際實驗數(shù)據(jù)圖

[1] 鄧都都,趙建剛,陳延濱,等.Fann 50SL流變儀測試高粘流體爬桿問題的機理研究及解決方法[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2017,44(10):79-83.

[2] 趙建剛,韓天夫，許云博.高溫高壓泥漿流變性測試方法及其測試設(shè)備[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2005,32(S1):233-236.

[3] 張川，王勝，陳禮儀，等.用于凍土區(qū)天然氣水合物鉆探的聚合物鉆井液低溫流變響應(yīng)[J].天然氣工業(yè)，2016，36(2):92-97.

[4] 王勝,陳禮儀,張永勤.無固相低溫鉆井液的研制——用于青藏高原永凍層天然氣水合物的鉆探[J].天然氣工業(yè),2009,29(6):59-62.

[5] 楊葳,楊陽,徐會文.凍土區(qū)天然氣水合物勘探低溫鉆井液理論與試驗[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2011,38(7):29-31,56.

[6] 韓俊杰,韓麗麗,徐會文,等.極地冰層取心鉆進超低溫鉆井液理論與試驗研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2013,40(6):23-26.

[7] 吳彬，向興金，張巖，等.深水低溫條件下水基鉆井液的流變性研究[J].鉆井液與完井液,2006,23(3):12-13,19.

[8] 趙建剛.泥漿高溫高壓流變特性測試方法及裝置的應(yīng)用[J].探礦工程,2002,(4):42-43.