超高溫高壓流變儀的研發(fā)及應(yīng)用

趙建剛，王雪竹，王 琪，石 凱，韓天夫，楊 銳

（北京探礦工程研究所，北京100083）

0 引言

在當(dāng)前大部分地質(zhì)表層或淺層的資源已經(jīng)勘探開發(fā)殆盡的背景下，國(guó)內(nèi)外鉆探深井的深度逐年增加。深海域是中國(guó)未來(lái)海上油氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)［1］，全球深水油田在經(jīng)過(guò)近40余年的勘探，水深界限不斷提高，目前普遍將400～1500 m水深定為深水，超過(guò)1500 m為超深水［2-5］。中國(guó)南海海域石油儲(chǔ)量巨大，屬于世界四大海洋油氣富集區(qū)之一，其中70%儲(chǔ)藏于深水區(qū)［6］。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)切力和低剪切率下的粘度難以控制，使得井控難度加大等一系列問(wèn)題已成為深水鉆井技術(shù)所面臨的巨大挑戰(zhàn)［7］。而中國(guó)大陸科學(xué)鉆探面臨著萬(wàn)米深井的挑戰(zhàn)，超深井井底溫度和壓力很高，如此高溫高壓必然會(huì)對(duì)鉆井液體系產(chǎn)生嚴(yán)重的影響［8］。另一方面，應(yīng)用前景廣闊的天然氣水合物近年來(lái)受到了世界各國(guó)的高度關(guān)注。天然氣水合物是低溫高壓條件下由氣體與水形成的固態(tài)類冰狀物質(zhì)，主要產(chǎn)于海底沉積物和陸上永久凍土帶［9］，勘探開發(fā)涉及深水鉆探和凍土區(qū)鉆探。深水鉆井隨著水深增加，溫度將會(huì)越來(lái)越低，海底泥線附近的油基鉆井液由于海水的冷卻作用，溫度會(huì)降到4℃甚至更低［10］，在中國(guó)南海水域1800 m水深處水溫甚至達(dá)到2.9℃［11］，而凍土區(qū)鉆井的井下溫度則會(huì)低于0℃［12］。國(guó)內(nèi)外鉆井實(shí)踐表明，鉆井液的流變性對(duì)提高機(jī)械鉆速、井眼凈化、井眼穩(wěn)定和地面清除固相的效果都有十分重要的作用［13-14］。為了滿足上述對(duì)鉆井液在極端條件下的流變性測(cè)試需求，需要一種能夠模擬超高溫高壓及低溫高壓環(huán)境的高性能流變儀。高端超高溫高壓鉆井液流變儀長(zhǎng)期由美國(guó)壟斷，價(jià)格昂貴，通過(guò)自主創(chuàng)新研制國(guó)產(chǎn)超高溫高壓流變儀，滿足國(guó)內(nèi)鉆探需求，對(duì)總體提升我國(guó)高端鉆井液測(cè)試儀器的研究和制造水平、降低鉆探成本、提升我國(guó)鉆探能力和話語(yǔ)權(quán)具有重要意義。

1 超高溫高壓鉆井液流變儀的研發(fā)

2013年4月，國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“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)，由我所牽頭承擔(dān)，目標(biāo)是研制開發(fā)一種超高溫高壓鉆井液流變儀，進(jìn)行工程化和產(chǎn)業(yè)化，最終開發(fā)出能夠用于測(cè)定高溫（320℃）高壓（220 MPa）和低溫（-10℃）高壓條件下鉆井液的流變性，滿足我國(guó)深部油氣、深部礦產(chǎn)、高溫地?zé)帷⑻烊粴馑衔锛按箨懣茖W(xué)鉆探等深部鉆探工程的需要。通過(guò)自主創(chuàng)新，獲得相應(yīng)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，實(shí)現(xiàn)替代進(jìn)口，打破技術(shù)壟斷，降低我國(guó)對(duì)國(guó)外高端鉆井液測(cè)試儀器的依賴，提升我國(guó)高端鉆井液測(cè)試儀器的研究和制造水平，使我國(guó)躋身于該領(lǐng)域的國(guó)際先進(jìn)行列。

1.1 超高溫高壓流變儀的技術(shù)突破與創(chuàng)新

高精度粘度測(cè)量、測(cè)試腔耐高溫高壓性能、耐高壓密封問(wèn)題是研制超高溫高壓鉆井液流變儀的技術(shù)難題，項(xiàng)目采用外環(huán)式強(qiáng)力磁耦合旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、高精度控制技術(shù)、非接觸式流變性測(cè)試技術(shù)、三體結(jié)構(gòu)耐高溫高壓測(cè)試腔設(shè)計(jì)，解決了制約國(guó)內(nèi)研發(fā)高溫高壓系列測(cè)試儀器的“卡脖子”難題，使得本項(xiàng)目研發(fā)的超高溫高壓流變儀可以投入實(shí)際長(zhǎng)期使用。

1.1.1 高精度粘度測(cè)量技術(shù)

儀器采用外環(huán)式強(qiáng)力磁耦合旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置及高精度控制技術(shù)和非接觸式流變性測(cè)試技術(shù)，保證粘度高精度測(cè)量。設(shè)計(jì)了合理的粘度測(cè)量、粘度信號(hào)采集處理模塊，優(yōu)選粘度傳感器，進(jìn)行粘度信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換。通過(guò)采用高精度的24位Σ-ΔAD轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換。儀器粘度測(cè)量原理見圖1。

1.1.2 耐高溫高壓測(cè)試腔的設(shè)計(jì)

耐高溫高壓測(cè)試腔是儀器的關(guān)鍵核心部分，選擇單層厚壁容器的設(shè)計(jì)方法，耐高溫高壓測(cè)試腔為三體結(jié)構(gòu)，采用鍛件加工成形。通過(guò)分析計(jì)算完成了耐高溫高壓測(cè)試腔尺寸的合理化，并通過(guò)爆破安全準(zhǔn)則驗(yàn)證，保證了耐高溫高壓測(cè)試腔整體安全性。圖2為耐高溫高壓測(cè)試腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

1.1.3 外環(huán)式強(qiáng)力磁耦合旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究

研制出外環(huán)式強(qiáng)力磁耦合旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，解決了耐高壓密封和對(duì)樣品進(jìn)行精密的剪率驅(qū)動(dòng)控制這一關(guān)鍵問(wèn)題。外環(huán)式強(qiáng)力磁耦合旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括空心軸旋轉(zhuǎn)外筒、保溫層、耐高溫強(qiáng)力磁鐵等。

圖2 耐高溫高壓測(cè)試腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意Fig.2 Structural design of the high temperature and high pressure resistance test chamber

經(jīng)過(guò)5年研發(fā)，項(xiàng)目組攻克了多項(xiàng)技術(shù)難題，成功生產(chǎn)出國(guó)內(nèi)首臺(tái)超高溫高壓流變儀——Super HTHP Rheometer 2018超高溫高壓流變儀，實(shí)現(xiàn)了高溫320℃、低溫-10℃和高壓220 MPa下的高精度粘度測(cè)量，可廣泛應(yīng)用于高溫干熱巖鉆探、天然氣水合物鉆采、深部油氣礦產(chǎn)勘探開發(fā)等工程。超高溫高壓流變儀產(chǎn)品實(shí)物見圖3。

圖3 超高溫高壓流變儀實(shí)物Fig.3 Appearance of the ultra high temperature and high pressure rheometer

1.2 超高溫高壓流變儀的特點(diǎn)

Super HTHP Rheometer 2018超高溫高壓流變儀測(cè)控系統(tǒng)由工控機(jī)、溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、剪率控制系統(tǒng)、粘度測(cè)量系統(tǒng)和高溫高壓測(cè)試腔6大部分組成，見圖4。

圖4 超高溫高壓流變儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 System structure of the ultra high temperature and high pressure rheometer

工控機(jī)是儀器的上位控制計(jì)算機(jī)，控制軟件運(yùn)行，操作者使用鍵盤、鼠標(biāo)和觸摸屏在軟件交互界面上修改各項(xiàng)參數(shù)，從而對(duì)樣品展開流變性測(cè)試。工控機(jī)通過(guò)串口、USB口等端口與下位機(jī)通訊，下發(fā)指令實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、剪率、粘度4個(gè)子系統(tǒng)的控制，各個(gè)子系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)上傳給工控機(jī)后在軟件界面上顯示和繪圖。

超高溫高壓流變儀是一款同軸圓筒式粘度測(cè)試儀［15］，使用儀器進(jìn)行流變性測(cè)試時(shí)，測(cè)試樣品在高溫高壓測(cè)試腔中被加溫、加壓和攪拌，被以一定速率攪拌的樣品對(duì)內(nèi)筒產(chǎn)生剪切力從而使內(nèi)筒轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，通過(guò)測(cè)量這個(gè)角度，即可計(jì)算出樣品在當(dāng)前剪切速率下的粘度。

儀器的4個(gè)子系統(tǒng)圍繞高溫高壓測(cè)試腔實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、剪率3個(gè)參數(shù)的控制，并對(duì)粘度進(jìn)行測(cè)量，溫度控制系統(tǒng)對(duì)測(cè)試腔進(jìn)行加熱或冷卻以控制樣品溫度，壓力控制系統(tǒng)對(duì)測(cè)試腔內(nèi)施加或卸除壓力以控制樣品壓力，剪率控制系統(tǒng)控制外筒的轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂茦悠返募羟兴俾?，粘度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量?jī)?nèi)筒轉(zhuǎn)過(guò)的角度從而計(jì)算出剪切應(yīng)力以及樣品粘度。

Super HTHP Rheometer 2018超高溫高壓流變儀顛覆性地徹底解決了制約國(guó)內(nèi)研發(fā)高溫高壓系列測(cè)試儀器的“卡脖子”問(wèn)題，是國(guó)內(nèi)首款超高溫高壓流變儀，真正可以長(zhǎng)時(shí)間投入使用。目前，研究成果已實(shí)現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化。

2 超高溫高壓流變儀性能測(cè)試

圖5 為溫度120、150、180和220℃、42 MPa壓力條件下，鉆井液樣品粘度隨剪切速率變化的曲線，顯示了樣品流變性的變化趨勢(shì)。對(duì)于同種測(cè)試樣品，應(yīng)用超高溫高壓流變儀測(cè)試的數(shù)據(jù)與國(guó)外同類儀器測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比情況如圖6所示，通過(guò)控制溫度從60℃上升至200℃，再下降至60℃，測(cè)試鉆井液樣品升溫再降溫過(guò)程中的表觀粘度及塑性粘度變化趨勢(shì)，從圖6中可以看出，兩種儀器測(cè)得的表觀粘度和塑性粘度隨溫度變化曲線具有很好的一致性。

圖5 相同壓力、不同溫度條件下超高溫高壓鉆井液流變儀測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of the ultra high temperature and high pressure drilling fluid rheometer at the same pressure and different temperatures

圖6 自研超高溫高壓鉆井液流變儀與國(guó)外同類儀器測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 Comparison of test data between the UHTHP drilling fluid rheometer and the similar foreign instruments

3 超高溫高壓流變儀的應(yīng)用

作為國(guó)內(nèi)首臺(tái)超高溫高壓流變儀，Super HTHP Rheometer 2018超高溫高壓流變儀通過(guò)了異地測(cè)試和連續(xù)無(wú)故障工作時(shí)間超1000 h的可靠性測(cè)試，具有良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，具備工程化和產(chǎn)業(yè)化條件，并成功實(shí)現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，展示了良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

在已產(chǎn)出的5臺(tái)產(chǎn)業(yè)化樣機(jī)中，目前已有3臺(tái)實(shí)現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化，分別銷往中海油湛江西部公司研究院、山東得順源科技有限公司（德州民企）、中石油西部鉆探鉆井液公司，另有1臺(tái)樣機(jī)于2020年被運(yùn)至深部高溫清潔能源鉆探現(xiàn)場(chǎng)對(duì)下井樣品進(jìn)行測(cè)試，確保下入井內(nèi)的鉆井液具有良好的耐溫耐壓特性，為保證深部高溫清潔能源鉆井安全和高效提供了技術(shù)支撐。此外，超高溫高壓流變儀還為中國(guó)石油大學(xué)（北京）、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）、中國(guó)石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院、沙克（天津）石油技術(shù)服務(wù)有限公司等多家單位提供了高溫高壓條件下鉆井液樣品的流變性測(cè)試技術(shù)服務(wù)。圖7為中國(guó)石油大學(xué)（北京）研究人員使用Super HTHP Rheometer 2018超高溫高壓流變儀進(jìn)行測(cè)試得到的堵漏用凝膠樣品。圖8為中國(guó)石油大學(xué)（北京）研制的有土相白油基鉆井液在超高溫高壓流變儀上進(jìn)行測(cè)試得到的粘度隨溫度變化曲線。

圖7 堵漏用凝膠樣品Fig.7 Samples of the plugging gel

圖8 有土相白油基鉆井液粘度隨溫度變化曲線Fig.8 Viscosity versus temperature curve of white oil based drilling fluid with soil phase

4 結(jié)語(yǔ)

鉆井液流變性能數(shù)據(jù)可有效支撐高溫超深井安全高效鉆探和海域天然氣水合物勘查等深水鉆探作業(yè)，Super HTHP Rheometer 2018超高溫高壓流變儀可真實(shí)模擬鉆探井下情況，是國(guó)內(nèi)唯一一款可長(zhǎng)時(shí)間投入實(shí)際應(yīng)用的高溫高壓鉆井液流變儀，靈敏性強(qiáng)、測(cè)量精度高，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，打破了歐美國(guó)家對(duì)高端鉆井液流變儀的技術(shù)壟斷。該儀器大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)后，可改變以往高端流變儀完全依賴進(jìn)口的局面，降低鉆探成本，提升我國(guó)鉆探能力和話語(yǔ)權(quán)，為高溫干熱巖鉆探、天然氣水合物鉆采、大陸科學(xué)鉆探、深部油氣礦產(chǎn)勘探開發(fā)等重大工程提供高溫高壓鉆井液流變性的測(cè)試評(píng)價(jià)手段，提升我國(guó)“入地”和“下?！钡哪芰?，滿足科技創(chuàng)新戰(zhàn)略需要，有效解決向地球深部進(jìn)軍戰(zhàn)略科技問(wèn)題。