高温高压钻井液性能测试仪器简介

赵建刚，王雪竹，石凯，韩天夫，许云博，李慧想，魏瑞，李进，杨锐

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

钻井液被称为“钻探的血液”，起到携带岩屑、冷却和润滑钻头、平衡井壁压力等重要作用，准确测试其性能对于钻探工程至关重要。本文分别介绍钻井液流变性、滤失性、润滑性三个方面的测试仪器，了解其功能、参数和应用特点对于精准选择合适的仪器，对提高钻探工作效率、安全性，提升钻探服务能力和竞争力具有重要意义。

1 高温高压钻井液流变仪

钻井液流变性能关系着钻井液在井下的悬浮和携带岩屑能力，对安全快速钻井起着十分重要的作用。在深井钻探中，钻井液流变性受温度、压力的影响较大，研究温度、压力对钻井液流变性的影响，对安全钻探具有重要意义。在陆地钻探中，中国大陆科学钻探面临着万米深井的挑战，超深井井底高温高压环境会对钻井液体系产生严重的影响[1]。在水域钻探中，与浅水作业相比，深水钻井时低温对钻井液的流变性影响很大，特别是动切力和低剪切速率下的黏度难以控制，使得井控难度加大等一系列问题已成为深水钻井技术所面临的巨大挑战。同时，较高的上覆海水静液柱压力也是深水钻井面临的一大挑战，钻井液在高压条件下体积减小，密度增大，流变性也会发生变化[2]。高温高压钻井液流变仪是可应用于深地、深水地质钻探领域的关键测试仪器，可以模拟钻探过程中面临的各种温度和压力条件，测试钻井液在井下不同工况条件下的流变性能，以便随着井下温度、压力和地层条件的变化，即时调整、改进和优化配方，确保钻井液具有良好的流变特性，高效安全钻井。

目前能够满足在高温高压和低温高压条件下对钻井液进行测试的仪器主要有美国Fann公司生产的Fann iX77高温高压流变仪和我国自主研发的Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪。

1.1 Fann iX77高温高压流变仪

1.1.1 特点及功能

Fann iX77高温高压流变仪(如图1所示)由美国Fann仪器公司设计生产，是一款同轴圆筒型旋转流变仪，内置先进的计算机系统和安全设计的机械及电路结构，组成安全的传动机构，具有较高的安全性。Fann iX77高温高压流变仪使用计算机控制，仪器操作、数据采集、输出报告和报警功能可自动进行，最大限度地扩展了其应用范围。专用计算软件使仪器操作自动化，并允许高级操作人员根据实验条件编制专用的测试程序。该仪器使用一个精密的磁敏角度传感器来检测内嵌宝石轴承的弹簧组合转过的角度，样品黏度越大，转过的角度越大，传感器系统可以校准到±0.01°。实验压力由气动增压泵产生，该泵由一个精密的后置压力控制器、高压阀和压力传感器来控制。加压油充满测试体的上部，与样品在特殊设计的狭缝中小面积接触，减少了压力油与测试样品之间混合的可能性，避免压力油对测试样品的影响。

图1 Fann iX77高温高压流变仪

1.1.2 主要技术参数

最高工作温度316 ℃，最低工作温度-10 ℃，最大工作压力210 MPa，转筒转速0～600 r/min。

1.2 Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪

1.2.1 特点及功能

Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪(如图2所示)由北京探矿工程研究所牵头，联合中国石油大学(北京)、沈阳工业大学、大连钰霖电机有限公司、青岛海通达专用仪器有限公司四家单位，历时五年研发而成。该仪器是国家重大科学仪器设备开发专项项目“超高温高压钻井液流变仪的研发及产业化”的科研成果，是目前国内外最先进高端的钻井液流变性测试仪之一。

图2 Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪

该仪器采用国际先进的外环隔离磁耦合驱动技术及非接触式扭矩传递测量技术，解决了传统高温高压流变仪测试腔体动密封问题，实现了高温320 ℃、低温-20 ℃和高压220 MPa条件下的高精度黏度测量。进行实验测试时，将测试样品和同轴圆筒封闭在高温高压测试腔中，外筒上的耐高温永磁体与测试腔外部的驱动外环通过磁耦合相连接，伺服电机驱动外环，带动外筒以相同转速同步旋转。内筒通过刚性直杆与上部的角度磁铁相连，高温高压测试腔外部的高精度磁场检测电路通过测量角度磁铁x、y两个磁场方向转过的角度即可得到内筒转过的角度(如图3所示)，从根本上攻克了传统密封系统在高温高压动态三重条件下寿命短的难题，实验操作者不用再频繁进行更换密封系统的操作。仪器上配备了具有完全自主知识产权的测控软件系统，可设置转速、温度、压力、时长等参数，可实时显示和保存测试结果，有手动和自动两种工作模式，中文和英文操作界面可在线实时切换，实现了安全简便的智能控制。

图3 外环隔离磁耦合驱动和非接触式扭矩传递测量原理

1.2.2 主要技术参数

最高工作温度320 ℃，最低工作温度-20 ℃，最大工作压力220 MPa，转筒转速0～1000 r/min。

2 高温高压动态失水仪

滤失量是评价钻井液性能最基本也是最重要的指标之一，钻井液滤失量测量的准确与否直接影响到钻井质量的好坏[3]。优选出在高温高压钻探条件下具有良好滤失性的钻井液，确保钻井液滤失量保持在一定范围内，对防止钻探事故发生、确保钻探安全极为重要，这就需要高温高压动态失水仪进行测试。目前国内主要使用的两款高温高压动态失水仪是美国Fann公司生产的Fann 90高温高压动态失水仪和我国自主研发的WT-Auto 170-50高温高压智能全自动动态失水仪。

2.1 Fann 90高温高压动态失水仪

2.1.1 特点及功能

Fann 90高温高压动态失水仪(如图4所示)是美国Fann公司设计生产的用于滤饼形成和渗透性分析的失水仪，可通过设定温度、压力、剪切速率以及使用不同渗透率的筒形过滤介质很好地模拟井下的高温、高压、动态和不同地层条件，进行钻井液最优化滤饼形成和滤失分析。该仪器最大特点是使用不同渗透率(即不同孔隙度)的人造岩心滤筒(如图5所示)作为过滤介质，该岩心滤筒具有类似地层的过滤特性，剪切轴穿过岩心滤筒中心轴旋转对钻井液进行剪切，钻井液径向从人造岩心滤筒内侧向外滤失，并在侧壁上形成滤饼(如图6所示)，通过此过程模拟地层滤失，精确测量高温高压滤失量。

图4 Fann 90高温高压动态失水仪

图5 人造岩心滤筒

图6 人造岩心滤筒过滤原理图

该仪器采用精密体积传感器，可测试一段时间内累积的滤失量，也可以连续记录整个测试过程滤失量变化，绘制滤失曲线，准确计算钻井液的初滤失量和任一时刻的瞬时滤失量。通过对滤失量进行微分处理，可以得到滤失梯度曲线，滤失量变化趋势一目了然。使用该仪器时，实验操作者可通过设置温度、压力、剪切速率、测试时间等应用仪器标准程序进行自动测试，也可以根据需要对标准测试程序进行修改，自动化程度高，操作方便。

2.1.2 主要技术参数

该仪器最高测试压力17.2 MPa(2500 psi)，最高测试温度260 ℃，转速0～1000 r/min，岩心滤筒孔径5～190 μm。

2.2 WT-Auto170-50高温高压智能全自动动态失水仪

2.2.1 特点及功能

WT-Auto170-50高温高压智能全自动动态失水仪(如图7所示)是由北京探矿工程研究所根据油田实验室在陆上和海上的实际需要研发的一套功能齐全、自动化测试程度高的高温高压动态失水仪。该仪器通过使钻井液经过滤纸、滤网、岩心滤片等过滤介质由上而下滤出，模拟钻进过程中井壁滤失的过程。采用坚固耐用的固体加热方式和高精度数显转速控制系统，模拟高温高压和动态的钻井条件，测定钻井液的滤失量随时间的变化过程[4]。WT-Auto170-50高温高压智能全自动动态失水仪实现了实时连续自动测试和采集高温高压动态滤失量的功能，并可绘制滤失曲线，数据采集由电脑自动执行，在实验过程中测试结果实时显示，数据以文件形式保存在计算机，可通过打印机直接打印。该系统自动化程度高，操作方便，是当前最为先进和经济实用的高温高压动态滤失性测试和采集系统。

图7 WT-Auto170-50高温高压智能全自动动态失水仪

2.2.2 主要技术参数

最高测试压力13.8 MPa(2000 psi)，最高测试温度260 ℃，转速可在0～1600 r/min之间进行无级调速，样品筒容积500 mL。

3 高温高压可视堵漏仪

井漏是钻探过程中最为常见井内复杂情况，发生井漏会引起钻井液漏失，严重时可能造成井壁坍塌，引发埋钻和卡钻事故。在实施堵漏前，通过模拟地层及温度、压力条件，测试堵漏材料对漏失层的封堵效果，优选合适的钻井液堵漏体系，可有效提高钻探工作效率。堵漏仪是测试评价堵漏材料性能的关键实验设备，目前市场上多数堵漏仪均采用手动调压阀进行压力调节，控制精度差、效率低、操作复杂，BJ-VDL-1高温高压可视堵漏仪可实现压力自动调节，精确度高、稳定性好、操作简单方便。

3.1 BJ-VDL-1高温高压可视堵漏仪特点及功能

BJ-VDL-1高温高压可视堵漏仪(如图8所示)由北京探矿工程研究所自主研发，通过可视缝宽调节器实现缝宽的可视在线自由调节，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，测定不同状态下的漏失参数。该仪器增加了堵漏压力反排装置，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。此外，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。人机交互部分采用工业串口触摸屏，整体操作简单便捷。

图8 BJ-VDL-1高温高压可视堵漏仪

3.2 主要技术参数

最高测试压力7 MPa，最高测试温度150 ℃，缝板规格0～30 mm可调，测堵深度0～100 mm，测试桶容积4000 mL，气源为氮气。

4 极压润滑仪

润滑性良好的钻井液可降低钻柱与井壁间的摩擦阻力，减小钻柱旋转时的扭矩。如果润滑性控制不好，容易引发粘卡、泥包等复杂事故，并造成流动阻力的增大，降低机械钻速[5]。在钻井液体系中添加液体或固体的润滑剂是改善钻井液润滑性能、降低摩擦阻力的主要途径[6]。不同成分的钻井液润滑性不同，极压润滑仪可用于测试和评价不同组分钻井液的润滑性和极压膜强度(润滑膜能够承受的极限压强)，为正确评价和使用润滑剂，配制理想的钻井液提供依据。目前最常用的是美国Fann公司生产的Fann 21200 极压润滑仪。

4.1 Fann 21200 极压润滑仪特点及功能

Fann 21200 极压润滑仪(如图9所示)由美国Fann公司设计生产，已有超过50年的制造历史。该仪器主要用于测试润滑剂对钻井液润滑性的影响和最佳加量，也可测试润滑剂的极压膜强度。该仪器应用强力三角带做传动带，加之直流驱动电机功率大、转速控制电路性能良好，转速极其稳定，工作时噪声低，扭矩读值稳定精确，重复性好，被业内认为是钻井液润滑性和极压膜强度标准测试工具。

图9 Fann 21200 极压润滑仪

4.2 主要技术参数

转速范围0～1000 r/min，压力范围0～38.3 kPa，在带载和不带载时转速变化不超过±1 r/min，转速闭环自动控制，电机功率1 kW。

5 结语

在真正高温高压条件下实时准确测试钻井液的高温高压流变性、滤失封堵性和润滑性，确保钻井液体系及其中所使用的各种性能的钻井液助剂在下井前达到所要求的耐高温高压特性，对于确保高温高压钻井安全、高效具有重要意义。本文介绍的几款高温高压钻井液流变性、滤失封堵性和润滑性测试仪器，可以为钻探现场工作者和钻井液助剂生产企业负责实验室检测的工作人员优选测试仪器提供有益的参考。