趙建剛，王雪竹，石凱，韓天夫，許云博，李慧想，魏瑞，李進，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、冷卻和潤滑鉆頭、平衡井壁壓力等重要作用，準(zhǔn)確測試其性能對于鉆探工程至關(guān)重要。本文分別介紹鉆井液流變性、濾失性、潤滑性三個方面的測試儀器，了解其功能、參數(shù)和應(yīng)用特點對于精準(zhǔn)選擇合適的儀器，對提高鉆探工作效率、安全性，提升鉆探服務(wù)能力和競爭力具有重要意義。

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、壓力對鉆井液流變性的影響，對安全鉆探具有重要意義。在陸地鉆探中，中國大陸科學(xué)鉆探面臨著萬米深井的挑戰(zhàn)，超深井井底高溫高壓環(huán)境會對鉆井液體系產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[1]。在水域鉆探中，與淺水作業(yè)相比，深水鉆井時低溫對鉆井液的流變性影響很大，特別是動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，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，即時調(diào)整、改進和優(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鉆井液進行測試的儀器主要有美國Fann公司生產(chǎn)的Fann iX77高溫高壓流變儀和我國自主研發(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 特點及功能

Fann iX77高溫高壓流變儀(如圖1所示)由美國Fann儀器公司設(shè)計生產(chǎn)，是一款同軸圓筒型旋轉(zhuǎn)流變儀，內(nèi)置先進的計算機系統(tǒng)和安全設(shè)計的機械及電路結(jié)構(gòu)，組成安全的傳動機構(gòu)，具有較高的安全性。Fann iX77高溫高壓流變儀使用計算機控制，儀器操作、數(shù)據(jù)采集、輸出報告和報警功能可自動進行，最大限度地擴展了其應(yīng)用范圍。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。加壓油充滿測試體的上部，與樣品在特殊設(shè)計的狹縫中小面積接觸，減少了壓力油與測試樣品之間混合的可能性，避免壓力油對測試樣品的影響。

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)合中國石油大學(xué)(北京)、沈陽工業(yè)大學(xué)、大連鈺霖電機有限公司、青島海通達專用儀器有限公司四家單位，歷時五年研發(fā)而成。該儀器是國家重大科學(xué)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”的科研成果，是目前國內(nèi)外最先進高端的鉆井液流變性測試儀之一。

圖2 Super HTHP Rheometer 2018超高溫高壓流變儀

該儀器采用國際先進的外環(huán)隔離磁耦合驅(qū)動技術(shù)及非接觸式扭矩傳遞測量技術(shù)，解決了傳統(tǒng)高溫高壓流變儀測試腔體動密封問題，實現(xiàn)了高溫320 ℃、低溫-20 ℃和高壓220 MPa條件下的高精度黏度測量。進行實驗測試時，將測試樣品和同軸圓筒封閉在高溫高壓測試腔中，外筒上的耐高溫永磁體與測試腔外部的驅(qū)動外環(huán)通過磁耦合相連接，伺服電機驅(qū)動外環(huán)，帶動外筒以相同轉(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，高溫高壓測試腔外部的高精度磁場檢測電路通過測量角度磁鐵x、y兩個磁場方向轉(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)在高溫高壓動態(tài)三重條件下壽命短的難題，實驗操作者不用再頻繁進行更換密封系統(tǒng)的操作。儀器上配備了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的測控軟件系統(tǒng)，可設(shè)置轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、時長等參數(shù)，可實時顯示和保存測試結(jié)果，有手動和自動兩種工作模式，中文和英文操作界面可在線實時切換，實現(xiàn)了安全簡便的智能控制。

圖3 外環(huán)隔離磁耦合驅(qū)動和非接觸式扭矩傳遞測量原理

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 高溫高壓動態(tài)失水儀

濾失量是評價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態(tài)失水儀進行測試。目前國內(nèi)主要使用的兩款高溫高壓動態(tài)失水儀是美國Fann公司生產(chǎn)的Fann 90高溫高壓動態(tài)失水儀和我國自主研發(fā)的WT-Auto 170-50高溫高壓智能全自動動態(tài)失水儀。

2.1 Fann 90高溫高壓動態(tài)失水儀

2.1.1 特點及功能

Fann 90高溫高壓動態(tài)失水儀(如圖4所示)是美國Fann公司設(shè)計生產(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、動態(tài)和不同地層條件，進行鉆井液最優(yōu)化濾餅形成和濾失分析。該儀器最大特點是使用不同滲透率(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)對鉆井液進行剪切，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，精確測量高溫高壓濾失量。

圖4 Fann 90高溫高壓動態(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，可測試一段時間內(nèi)累積的濾失量，也可以連續(xù)記錄整個測試過程濾失量變化，繪制濾失曲線，準(zhǔn)確計算鉆井液的初濾失量和任一時刻的瞬時濾失量。通過對濾失量進行微分處理，可以得到濾失梯度曲線，濾失量變化趨勢一目了然。使用該儀器時，實驗操作者可通過設(shè)置溫度、壓力、剪切速率、測試時間等應(yīng)用儀器標(biāo)準(zhǔn)程序進行自動測試，也可以根據(jù)需要對標(biāo)準(zhǔn)測試程序進行修改，自動化程度高，操作方便。

2.1.2 主要技術(shù)參數(shù)

該儀器最高測試壓力17.2 MPa(2500 psi)，最高測試溫度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動態(tài)失水儀

2.2.1 特點及功能

WT-Auto170-50高溫高壓智能全自動動態(tài)失水儀(如圖7所示)是由北京探礦工程研究所根據(jù)油田實驗室在陸上和海上的實際需要研發(fā)的一套功能齊全、自動化測試程度高的高溫高壓動態(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，模擬鉆進過程中井壁濾失的過程。采用堅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)，模擬高溫高壓和動態(tài)的鉆井條件，測定鉆井液的濾失量隨時間的變化過程[4]。WT-Auto170-50高溫高壓智能全自動動態(tài)失水儀實現(xiàn)了實時連續(xù)自動測試和采集高溫高壓動態(tài)濾失量的功能，并可繪制濾失曲線，數(shù)據(jù)采集由電腦自動執(zhí)行，在實驗過程中測試結(jié)果實時顯示，數(shù)據(jù)以文件形式保存在計算機，可通過打印機直接打印。該系統(tǒng)自動化程度高，操作方便，是當(dāng)前最為先進和經(jīng)濟實用的高溫高壓動態(tài)濾失性測試和采集系統(tǒng)。

圖7 WT-Auto170-50高溫高壓智能全自動動態(tài)失水儀

2.2.2 主要技術(shù)參數(shù)

最高測試壓力13.8 MPa(2000 psi)，最高測試溫度260 ℃，轉(zhuǎn)速可在0～1600 r/min之間進行無級調(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)生井漏會引起鉆井液漏失，嚴(yán)重時可能造成井壁坍塌，引發(fā)埋鉆和卡鉆事故。在實施堵漏前，通過模擬地層及溫度、壓力條件，測試堵漏材料對漏失層的封堵效果，優(yōu)選合適的鉆井液堵漏體系，可有效提高鉆探工作效率。堵漏儀是測試評價堵漏材料性能的關(guān)鍵實驗設(shè)備，目前市場上多數(shù)堵漏儀均采用手動調(diào)壓閥進行壓力調(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現(xiàn)壓力自動調(diào)節(jié)，精確度高、穩(wěn)定性好、操作簡單方便。

3.1 BJ-VDL-1高溫高壓可視堵漏儀特點及功能

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。人機交互部分采用工業(yè)串口觸摸屏，整體操作簡單便捷。

圖8 BJ-VDL-1高溫高壓可視堵漏儀

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

最高測試壓力7 MPa，最高測試溫度150 ℃，縫板規(guī)格0～30 mm可調(diào)，測堵深度0～100 mm，測試桶容積4000 mL，氣源為氮氣。

4 極壓潤滑儀

潤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)時的扭矩。如果潤滑性控制不好，容易引發(fā)粘卡、泥包等復(fù)雜事故，并造成流動阻力的增大，降低機械鉆速[5]。在鉆井液體系中添加液體或固體的潤滑劑是改善鉆井液潤滑性能、降低摩擦阻力的主要途徑[6]。不同成分的鉆井液潤滑性不同，極壓潤滑儀可用于測試和評價不同組分鉆井液的潤滑性和極壓膜強度(潤滑膜能夠承受的極限壓強)，為正確評價和使用潤滑劑，配制理想的鉆井液提供依據(jù)。目前最常用的是美國Fann公司生產(chǎn)的Fann 21200 極壓潤滑儀。

4.1 Fann 21200 極壓潤滑儀特點及功能

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

圖9 Fann 21200 極壓潤滑儀

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，在帶載和不帶載時轉(zhuǎn)速變化不超過±1 r/min，轉(zhuǎn)速閉環(huán)自動控制，電機功率1 kW。

5 結(jié)語

在真正高溫高壓條件下實時準(zhǔn)確測試鉆井液的高溫高壓流變性、濾失封堵性和潤滑性，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到所要求的耐高溫高壓特性，對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、濾失封堵性和潤滑性測試儀器，可以為鉆探現(xiàn)場工作者和鉆井液助劑生產(chǎn)企業(yè)負責(zé)實驗室檢測的工作人員優(yōu)選測試儀器提供有益的參考。