钻井液性能测试实（钻井液性能测试实验报告）

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本文目录一览：

• 1、钻井液性能测试方面？ 详细的!
• 2、钙离子对水基钻井液性能有何影响?如何设计相关实验?
• 3、松软煤层钻进用可降解钻井液的试验研究
• 4、钻井液的性能
• 5、高温钻井液检测仪器国内外发展现状

钻井液性能测试方面？ 详细的!

按API规定常检测的钻井液性能包括：密度、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、HTHP滤失量、Ph值、碱度、含沙量、固相含量、膨润土含量、和滤液中各种离子浓度等。一、 钻井液密度
钻井液的密度是指单位体积钻井液的质量，常用g/cm3
二、 钻井液的流变性
钻井液的流变性是指钻井液流动和变形的特性。参数：塑性粘度、动切力、漏斗粘度、表观粘度和静切力等钻井液的重要的流变参数。
三、 钻井液的造壁性
在钻井过程中，当钻头钻过渗透性地层时，由于钻井液的液柱压力一般总是大于地层孔隙压力，在压差作用下，钻井液的液体便会渗入地层，这种特性常称为钻井液的滤失性。在液体发生层滤的同时，钻井液中的固相颗粒会附着并沉积在井壁上形成一层泥饼。
四、 钻井液的PH值
用钻井液的PH值表示钻井液滤液的酸碱性。
五、 钻井液的含沙量
钻井液的含沙量是指钻井液中不能通过200目筛网，及粒径大于74μm的沙粒占钻井液总体积的百分数。
六、 钻井液的固相含量
钻井液的固相含量通常用钻井液中全部固相的体积占钻井液总体积的百分数来表示。

钙离子对水基钻井液性能有何影响?如何设计相关实验?

钙离子对水基钻井液性能影响是：使钻井液体系中分散的郭土粒子处于絮凝状态，控制页岩珊塌和井简扩大，防止地层损害。实验做法是：
1、所需仪器、用品：仪器znn-d6粘度计一台，电子天平一台。药品cmc，降粘剂。
2、步骤：取原浆500毫升，高速搅拌5分钟，测试性能。
3、分成5组，按照0.05、0.15、0.2、0.25、0.3，加入生石灰，高速搅拌10分钟后，测全套性能。
4、根据加入生石灰的钻井液性能，加入0.1、0.1、0.2、0.2、0.3的稀释剂，使其性能恢复。
5、将所得数据整理记录。

松软煤层钻进用可降解钻井液的试验研究

蔡记华1 谷穗2 乌效鸣1 刘浩1 陈宇1

(1.中国地质大学(武汉)工程学院 湖北武汉 430074 2.中国地质大学武汉江城学院 湖北武汉 430200)

摘要:松软煤层中的钻进护孔技术是目前煤矿瓦斯抽采利用中亟待解决的技术难题之一。论文首先在理论上分析了可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理，并通过流变性测试、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等方法对其性能进行了综合研究。结果表明:可降解钻井液的降解性能人为可控，能适合煤矿井下作业环境;生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害，并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率(增幅在15.47%～38.92%之间)。研究成果可以解决松软煤层瓦斯抽采孔钻进工作中护孔与储层保护的矛盾问题，也可为煤层气垂直井、水平井和分支井的钻井工艺优化与产能提高提供重要的理论和技术基础。

关键词:松软煤层 瓦斯抽采 可降解钻井液 护孔 储层保护

基金项目: 国家自然科学基金项目 ( 40802031、41072111) 。

作者简介: 蔡记华，1978 年生，男，湖北浠水人，博士、副教授，从事钻井液与储层保护方面的教学和研究工作，电话: 027 67883142，E mail: catchercai@126. com。

Experimental Research on Degradable Drilling Fluid for Drilling in Unconsolidated and Soft Coal Seam

CAI Jihua1，GU Sui2，WU Xiaoming1，LIU Hao1，CHEN Yu1

( 1. Engineering Faculty，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China; 2. Jiangcheng College，China University of Geosciences，Wuhan 430200，China)

Abstract: Technologies needed to stabilize the wellbore are among the most urgent problems that require be- ing resolved in the drainage and exploitation of coalmine methane ( CMM) from unconsolidated and soft coal seams. In the first，the paper theoretically analyzed the borehole maintaining and biodegradation mechanisms of degradable drilling fluid. Then systematical study on its performance were carried out by utilizing rheology tests， mud cake remove tests and coal rock gas permeability tests. Results show that the degradation properties of degrad- able drilling fluid were controllable and it was fit for the coalmine operation environment. Furthermore，complex unplugging technologies employing enzymatic degradation plus acidification by HCl was effective in removing the damage caused by mud cakes of degradable drilling fluid and resuming the gas permeability of coal rock or even en- hance it by a ratio between 15. 47% and 38. 92% . Technological achievements of this paper can help to resolve the contradiction between borehole maintaining and reservoir protection，and also offer powerful theoretical and techni- cal foundation for drilling technology optimization and production capacity enhancement in vertical，horizontal and multi lateral drilling for coalbed methane exploration.

Keywords: unconsolidated and soft coal sea; coalmine methane drainage and exploitation; degradable drill- ing fluid; borehole maintain; reservoir protection.

1 可降解钻井液的提出

根据抽采对象的不同，可将煤矿瓦斯抽采分为本煤层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采和采空区瓦斯抽采［1］。由于我国地质构造条件复杂，成煤时代多，煤矿区分布广，煤储层特征差异大。简单起见，可划分为正常煤体结构的硬煤层和构造发育的松软煤层两种典型类型。对于松软煤层，由于煤与瓦斯突出、煤层松软、机械强度低等原因，采用清水或空气等常规排粉钻进方式时易出现塌孔、卡钻或喷孔等问题，打钻成孔困难，瓦斯抽采效率低。松软煤层的煤层气开发是我国煤层气产业化面临的最严峻的挑战之一［2～4］，在此类煤层中钻进护孔技术是目前亟待解决的技术难题之一［5～6］。

为达到较好的护孔效果，通常在钻井液中添加纤维素、胍尔胶和生物聚合物等聚合物。纤维素和胍尔胶等起到增粘、降低摩阻和润滑作用以保持井壁稳定，而生物聚合物可以增强钻井液在水平井段内的岩屑悬浮能力。尽管这类钻井液对储层的伤害比传统泥浆要小，但还是会在井壁上形成了低渗透的滤饼。滤饼的不充分降解会极大地影响井壁的流动能力，结果是显著降低生产井的产量。因此，特别是在松散地层和高渗透性地层中，必须清除渗滤到地层中的钻井液以及沉积在井壁上的滤饼，以实现产量最大化。

近年来，针对松散地(储)层钻进中护孔和储层保护的矛盾，我们提出了一种环境友好的可降解钻井液的研究思路［7～11］:在钻进时能保持孔壁稳定，而在钻进工作结束后，钻井液能在生物酶和无机酸作用下实现降解、粘度下降，先前形成的滤饼破除、产层流体的流动性增强、恢复地下流体资源解吸扩散通道，达到提高地下流体资源产量效果的目的。

本文在上述研究基础上，在理论上分析了松散煤层钻进用可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理，并通过流变性测试、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等方法对可降解钻井液的性能进行了综合研究。

2 可降解钻井液的作用机理

2.1 可降解钻井液的护孔作用机理

可降解钻井液主剂由粘土稳定剂(如KCl)、水溶型或酸溶型架桥粒子/加重剂(一般为细粒CaCO3或无机盐)、降滤失剂(主要是天然植物胶如淀粉或纤维素或胍尔胶)、流型调节剂(如生物聚合物XC)等组成，这些处理剂共同起到增粘和降低摩阻作用;当钻进结束后，加入能降解各种聚合物的生物酶破胶剂［12～15］和能溶解细粒CaCO3无机酸(通常是15%的HCl［12，14］)或有机酸［13，16］来清除聚合物滤饼(主要由聚合物和CaCO3组成)对储层渗透性的伤害。下面分别阐述各种处理剂的作用机理。

(1)粘土稳定剂可以用来抑制煤岩中粘土矿物遇水后膨胀;

(2)水溶型或酸溶型架桥粒子可以在煤岩表面的孔隙或裂隙孔喉处形成架桥，起到防止钻孔漏失的目的，同时CaCO3或无机盐也可以适当增加钻井液的密度，起到平衡地层压力的作用;

(3)天然植物胶大分子物质相互桥接，滤余后附在孔壁上形成隔膜。这些隔膜薄而坚韧，渗透性极低，可以阻碍自由水继续向煤层渗漏(图1)。同时，这类聚合物钻井液具有良好的包被抑制性，能有效地抑制钻屑分散。另外，这类具有强亲水基团的长链环式高分子化合物易溶于水，形成的水溶液具有较高粘度，可以增强钻孔孔壁表面松散煤粒之间的胶结力，起到加固松软煤层孔壁的效果;

图1 Na-CMC在粘土颗粒上的吸附方式

(4)生物聚合物XC是一种优良的流型调节剂，用它处理的钻井液在高剪切速率下的极限粘度很低，有利于提高机械钻速;而在环形空间的低剪切速率下又具有较高的粘度，并有利于形成平板形层流，可增强钻井液在近水平煤层钻孔中的携岩效果。

2.2 可降解钻井液的生物降解作用机理

所谓降解，是指在物理因素、化学因素或生物因素等的作用下聚合物分子量降低的过程。从实用的角度出发，聚合物降解可分为热降解、机械降解、光化学降解、辐射化学降解、生物降解及化学降解等不同的引发方式［17］。下面以胍尔胶为例，阐述生物酶降解聚合物的作用机理。

胍尔胶属于半乳甘露聚糖类，所用胍尔胶分子主链由β1，4糖甙键将D甘露糖单元连接而成，D半乳糖取代基通过α1，6糖甙键接在甘露糖主链上，沿甘露糖主链随机分布，半乳糖与甘露糖单元之比约为1∶1.6。半乳甘露聚糖特异复合酶可有效地水解半乳甘露聚糖，它由两种O键水解酶组合而成，两种酶的降解机理如图2所示。

第一种O键水解酶是α半乳糖甙酶(蜜二糖酶)，专门作用于半乳糖取代基，可用来水解末端的非还原性αD半乳糖甙键。第二种O键水解酶过去常用来分解胍尔胶分子，在此专门作用于甘露糖主链，这种水解酶被称作β1，4甘露聚糖环内水解酶，可随机水解β1，4D甘露糖甙键［18］。

后续室内实验采用的酶制剂是几种生物酶的复配物。特种酶1号(SE1)以纤维素甙键特异酶和半乳甘露聚糖特异复合酶为主，特种酶2号(SE2)和特种酶4号(SE4)以半乳甘露聚糖特异复合酶为主。

图2 胍尔胶糖甙键特异酶的降解机理

3 可降解钻井液的室内试验

3.1 降粘效果评价

在理论分析基础上，进行了生物酶降解聚合物的室内实验，以钻井液流变参数为主要评价指标，用几种特种酶来降解单一聚合物或复配聚合物。将生物酶分别加入单一聚合物和复合聚合物中，研究生物酶对这些可降解钻井液的降粘效果，将表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)和动切力(YP)随时间的变化关系绘制成曲线如图3～图5所示。

图3 胍尔胶钻井液的降粘曲线

3.1.1 单一聚合物钻井液

从图3可以看出，在特种酶SE1的作用下，在48.5h之内，质量浓度为0.5%的胍尔胶钻井液的表观粘度从23.5mPa·s降低到5mPa·s。塑性粘度和动切力也呈现出类似的变化规律。

图4 羧甲基纤维素钻井液的降粘曲线

图5 复配聚合物钻井液的降粘曲线

由图4可以看出，在特种酶SE1的作用下，在48.5h之内，质量浓度为0.75%的羧甲基纤维素钻井液的表观粘度从20.5mPa·s降低到6mPa·s。

由于特种生物酶SE1同时含有纤维素甙键特异酶和半乳甘露聚糖特异复合酶，它对胍尔胶和羧甲基纤维素均有较好的降解效果。

3.1.2 复配聚合物

从图5可以看出，在特种酶SE2的作用下，在46h之内，由质量浓度为0.3%羧甲基纤维素和0.2%胍尔胶组成的复合聚合物钻井液的表观粘度从25.5mPa·s降低到5mPa·s。随着时间的变化，塑性粘度和动切力也按类似的规律下降。

由图3～图5可以看出，在生物酶作用下，聚合物能实现有效的降解，聚合物大分子逐渐断链变成小分子，钻井液粘度降低，在煤储层中的流动性增强，从而恢复煤层气解吸释放的通道。

3.2 滤饼清除实验

实验目的是通过观察可降解钻井液滤饼在生物酶破胶剂(和无机酸)的作用下滤饼表面的变化情况、考察滤饼的解堵效果(结果分别如图6～图7所示)。可降解钻井液的配方如下:

配方1:400ml水+2.6gCMC+4gDFD+4.8gCaCO3+NH4HCl(调节pH)，先后采用0.00625%的SE4溶液和5%HCl浸泡滤饼。

配方2:400ml水+1.6gCMC+8g膨润土，采用0.04%JBR溶液浸泡滤饼。

配方1的滤饼清除实验结果如图6所示，可以看出:单独使用生物酶SE4只能清除该套体系中的CMC(图6b)，而对CaCO3等影响不大。当用5%HCl浸泡2h后，滤饼变得非常薄，说明CaCO3已与HCl充分反应［11］。

图6 滤饼的外观变化图

按照配方2所配制钻井液的滤饼清除实验结果如图7所示。由于这种配方中只有CMC这种聚合物，在用JBR溶液浸泡5h后，可降解钻井液的滤饼已基本降解完全。

图7 JBR作用下可降解钻井液(配方4)滤饼清除情况

3.3 煤岩气体渗透率测试

煤矿井下瓦斯抽放的最终目的就是恢复煤层的渗透率，获得较高的瓦斯抽放量。因此，渗透性的恢复对于可降解钻井液而言是一个更加直接的衡量指标。采用JHGP智能气体渗透率和JHLS智能岩心流动实验仪对可降解钻井液进行渗透性恢复实验，实验步骤详见参考文献［11］。

煤岩气体渗透率测试结果(表1)表明:晋3煤样经过“污染—生物酶降解—酸化”三个阶段，其渗透率表现出“下降—上升—上升”的趋势，而且经过生物酶降解和酸化(也包括之前的加热处理)之后，煤岩的气体渗透率甚至超过了污染前的气体渗透率(如图8所示，推测盐酸亦与煤岩中的方解石和白云石发生反应，增大了煤岩孔隙裂隙)，这也证实了“生物酶降解—酸化处理”的综合解堵工艺是有效的，有利于提高煤层气藏的采收率。

表1 煤岩气体渗透率

注:①下游压力(出口压力)为0.1MPa(即1个大气压);②△K=(K4－K1)*100/K1。

图8 不同处理阶段煤岩平均气体渗透率变化情况

4 结论

论文在理论上分析了可降解钻井液的护孔作用机理和生物降解作用机理，并通过流变性评价、滤饼清除实验和煤岩气体渗透率测试等实验手段对可降解钻井液进行了综合研究，主要得出以下结论:

(1)可降解钻井液的降解性能人为可控，能适合煤矿井下作业环境;

(2)生物酶降解加盐酸酸化的双重解堵措施可有效地清除可降解钻井液对煤层气储层的伤害，并能恢复甚至提高煤岩气体渗透率(增幅在15.47%～38.92%之间);

(3)研究成果可以解决松软煤层瓦斯抽采孔钻进工作中护孔与储层保护的矛盾问题，也可为煤层气垂直井、水平井和分支井的钻井工艺优化与产能提高提供重要的理论和技术基础。

参考文献

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钻井液的性能

一 、钻井液密度：

指每单位体积钻井液的质量；

钻井液密度是确保安全，快速钻井和保护油气层的一个十分重要的参数。通过钻井液密度的变化，可以调节钻井液在井筒内的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力。有时亦用于平衡地层构造应力，以避免井塌的发生。

密度过高：将引起钻井液过度增稠，易漏失，钻速下降，对油气层损害加剧和钻井液成本增加等一系列问题。

密度过低：容易发生井涌甚至井喷，还会造成井塌、井径缩小和携屑能力下降。

一般情况下，所需钻井液密度越高，则加重前钻井液的固相含量及粘度、切力应控制的越低，加入可溶性无机盐也是提高密度较常用的方法。

二、钻井液的流变性：

钻井液流动和变形的特性；

最常用的流变模式为宾汉和幂律模式。其中宾汉模式的参数为塑性粘度和动切力；幂律模式的参数为流应指数和稠度系数。

由于，钻井液的流变性与携岩、井壁稳定、提高机械转速和环空水力参数计算等一系列钻井工作密切相关，因此，它是钻井液最重要的性能之一。

三、钻井液的滤失造壁性：

在钻井过程中，当钻头钻过渗透性地层时，由于钻井液的液柱压力一般总是大于地层孔隙压力，在压差作用下，钻井液的液体便会渗入地层，这种特性称为钻井液的滤失性。

四、钻井液的PH值：

分散钻井液在10以上；

石灰的钙处理钻井液在11～12

石膏的钙处理钻井液在9.5～10.5

聚合物钻井液在7.5～8.5

五、钻井液的含砂量：

一般要求控制在0.5%以下，含砂量过高对钻井有以下危害：

1.钻井液密度增大，对提高钻速不利；

2.泥饼松软，导致滤失量增加，不利于井壁稳定，并影响固井质量；

3.增加钻头和钻具的磨损，缩短使用寿命；

4.容易造成压差卡钻；

六、钻井液的固相含量

高温钻井液检测仪器国内外发展现状

3.3.1 高温高压流变仪

高温流变性是高温钻井液的重要参数之一，直接影响钻速、泵压、排量、悬浮及携带岩屑、井眼清洁、井壁稳定、压力波动及固井质量等，因此国内外非常重视高温流变仪的研发。典型生产商为美国Fan公司、OFI公司、Grace公司等。其典型产品有如下。

3.3.1.1 OFITE1100高温加压流变仪

美国OFI公司研制生产的OFITE1100高温加压流变仪是一个全自动测试系统，能够根据剪切力、剪切速率、时间、压力、温度等参数来准确测试压裂液、完井液、钻井液、水泥浆的流变特性，并实时显示和同步记录剪切应力、剪切率、转速、压力、容池和样品温度。可以在实验室使用也可以在野外使用，可选择防水移动箱，带轮子，移动方便。OFITE高温高压流变仪压力可达到18MPa，温度可到260℃，最低0℃。另外还有冷却系统，冷却样品（图3.1）。

图3.1 OFITE 1100高温加压流变仪

独特的ORCADA（OFITE R（流变仪）C（控制）and D（数据）A（采集）），软件简单。全新的KlikLockTM快速链接技术与重新设计的样品杯相结合，便于拆卸和维修。全新的SAFEHEATTM系统是一个安全、精确、环境友好、高效的空气传输加热系统，使得操作更安全简单，清洗更快速。

3.3.1.2 OFITE高温高压流变仪

根据剪切力、剪切速率、时间和压力直到207MPa和温度最高至260℃条件，全自动系统准确测定完井液、钻井液、水泥浆的流变特性。选配冷水系统后，可使测试系统适应于需要冷却的测试样品，进一步增加了仪器的应用范围（图3.2）。

图3.2 OFITE高温高压流变仪

使用罗盘来测定扭矩附件顶部磁铁的转动。如果没有对仪器进行补偿，防护罩内动力驱动磁铁的影响。地球磁场的影响、防护罩磁性的影响、弹簧非线性的影响、实验室磁场和材料的影响、非理想流体流动的影响、产品结构微小变化的影响等综合结果使测定角度显示非线性关系。计算机可以容易地完成这些影响的补偿。

3.3.1.3 Ceast毛细管流变仪

毛细管流变仪分为单孔型和双孔型，应用于热塑性聚合物材料的质量控制和研发工作。在CeastVIEW平台下，通过VisualRHEO软件控制仪器。可实现以任意恒剪切速率或活塞杆速度测量。双孔料筒结构独立采集分析每个孔所测得的试验数据。可选各种专用的软件。可选配多种测量单元：熔体拉伸试验、口模膨胀、狭缝口模。PVT、半自动清洗等。Rheologic系列：最大力50kN；速度比1∶500000；活塞速度0.0024～1200mm/min。工作温度50℃～450℃（选配500℃），有两个PT100传感器控制。可快速更换的载荷传感器（范围：1～50KN），压力传感器范围3.5～200MPa（图3.3）。

图3.3 毛细管流变仪

3.3.1.4 Haake RV20/D100高温高压黏度仪

Haake RV20/D100该高温加压旋转黏度计的使用上限为203kPa（1400psi）和300℃，它由两个固定在加热器上的同轴圆筒组成。外筒用螺栓固定在加热器（高压釜）的顶部，内筒支承在滚珠轴承上（外筒通过轴承将内筒托住）。内筒或转筒靠磁耦合与一个Rotovisco RV 20相连接。内筒作为转子，釜外的驱动机构通过电磁耦合带动内筒转动；内筒通过电磁耦合将其所受的转矩传递给釜外的驱动机构，使其转过一个角度（图3.4）。

图3.4 Haake RV20/D100剪应力测试原理

可用计算机控制来自动描绘流变曲线。该仪器在0s-1～1200s-1范围内可连续变化，并且自动进行数据分析。施加在转轴上的扭矩可被反应灵敏的电扭力杆测得。测量电扭力杆扭转的角度即为所施加的扭矩值。剪切应力可由扭矩值通过合适的剪切应力常数来计算得出。

3.3.1.5 美国Grace公司专利产品MODEL 7400/M7500

M7400流变仪包含250mL的浆杯总成，安装在仪器加压的测试釜体内，浆杯易于取出，方便浆杯装样和清洗。流变仪可配备不同的内筒/转子（外筒）组合，提供了不同的测量间隙尺寸。转子（外筒）按需要的速度围绕内筒转动，由于内筒和转子（外筒）之间的环型区域内的液体被剪切，传导到内筒上的扭矩用一个应力表类型的扭矩传感器测量（图3.5）。

图3.5 M7400流变仪

仪器加压用一个空气驱动液压泵，矿物油作为压力介质，连接到高压泵上的可编程压力控制器控制压力的升压和保压，浆杯下的叶轮循环流动压力油改善温度控制效果，叶轮也用于提供均匀的样品加热效果，温度控制采用一个连接到内部4000W加热器和热电偶的温度控制器控制，浆杯中心内筒顶部的热电偶用于测量实际样品温度，马达驱动转子（外筒）在一定速度范围内转动，样品黏度根据测量出来的剪切应力和剪切速率计算出来。

M7500是专为复杂样品进行简单测试而设计的高温、超高压、低剪切、自动、数字流变仪。该仪器专利的测量机构设计消除了昂贵和易损的宝石轴承，可以进行大范围的测量。由于它独特的设计，使其便于维护并大大简化了操作流程。基于微软数据库作为支持友好的用户界面，测试结果自动化的压力，速度和温度控制，使实验结果更加精确和一致，标准的API实验可由触摸式LCD屏幕或者在计算机上单击鼠标来实现（表3.5）。

表3.5 M7500技术参数

M7500与其他同类产品相比，测试时间短且更容易操作；它不含有易碎和昂贵的精密轴承，维修成本低；最先进的速度控制使得低剪切率测试成为可能，自动剪切应力校准在很大程度上简化了操作程序。

3.3.1.6 Fann流变仪

（1）Fann稠度仪

Fann稠度仪是一种高温高压仪器，试验的泥浆在套筒内承受剪切，其最高工作压力和温度分别为140MPa和260℃，其测量原理见图3.6。它通过安装在样品釜两端的两个交替充电的电磁铁产生的电磁力，使软铁芯作轴向往复运动。存在于运动铁芯与样品釜釜壁之间的环形间隙内的泥浆受到剪切，泥浆黏度越高，铁芯运动越缓慢，从一端运行到另一端所用的时间也就越长，泥浆的相对黏度就用铁芯的运行时间来衡量。Fann稠度仪不能测量绝对黏度，通常将其结果作为相对黏度。这是因为电磁铁施加给铁芯的是一个不变的力，使铁芯在被测泥浆中从速度为零加速至终速度，在常用的泥浆中铁芯不能总是匀速运动，因此不能按不变的或确定的环空剪率进行分析。在实际使用中，常用于测量水泥浆的稠度。

图3.6 Fann稠度仪原理图

（2）Fann 50C高温高压流变仪

Fann50C高温高压流变仪是高温高压同轴旋转式黏度计，其最高工作压力和温度为7MPa和260℃，其剪应力测量原理如图3.6。泥浆装在两个圆筒的环状间隙里，外筒可用不同转速旋转。外同在泥浆中旋转所形成的扭矩，施加在内筒上，使内筒转过一个角度。测量这一角度，即可确定其剪应力值。测量数据用X-Y记录仪以曲线形式输出。其转速可在1～625r/min范围内无级调速。

Fann 50C早期产品由压力油提供压力，适合于作水基泥浆的高温高压流变性测试，压力油对油基泥浆试验结果影响较大。Fann 50C中期产品有两种形式，既可由压力油提供压力，也可由高压氮气或空气提供压力。近期产品则只有由高压气源提供压力一种形式。采用气压形式后，就不存在压力油对泥浆污染和对测试结果的影响。

（3）Fann 50SL高温流变仪

50SL是Fann 50C的改进型产品，它在Fann50C原有结构基础上，新增加了压力传感器，冷却水电磁阀和远程控制器（RCO），是一款高精度的同轴旋转型黏度计，该仪器具有广泛的通用性，可解决多种黏度测试问题或完成许多程序测试，Fann 50SL（图3.7）可以测试特殊剪切速率下的流体的流变特性，如宾汉塑性流体和假塑性流体（包括幂律流体）和膨胀性流体，触变性和胶凝时间也可以测试出来，实验可以在剪切率、温度和压力精确控制的状态下进行。

该黏度计可以测试出剪切力-剪切率值，也可得到在流变状态下的剪率特性，通过选择合适的扭簧、内筒和外筒可得到很宽的黏度测量范围（量程从50到64000dyn/cm2之间的剪力范围）。

最高温度260℃，压力7MPa（1000psi）条件下的测试。使用该仪器必须在连接远程控制器和一台合适的电脑的条件下，其控制操作由仪器将传感器信号通过接口传送到计算机，计算机再把正确的控制信号输出给Fann 50SL。加热、施压和转子速度的控制由专门软件的输入来控制。在各种剪切速率下的表观黏度、时间依赖性、连续剪切和温度效应引起的变化等可快速而准确地测定。50SL是一般流变特性，包括钻井液高温稳定性测定的理想仪器。唯一不足的是该控制软件中不具备将曲线在打印机上输出的功能。

（4）Fann 75流变仪

主要用来测量不同温度、压力和剪切速率下钻井液的剪切应力、黏度。最高测量温度为260℃，最高测量压力为138MPa，仪器如图3.8所示。

该仪器同其他“旋转”式流变仪工作原理一样，转子/浮子组合如图所示。

（5）Fann IX77流变仪

范氏IX77型全自动泥浆流变仪（图3.9）是第一台在高压（30000Psi）和高温（316℃）的极端条件下测量流体流变性的全自动流变仪。另外，如果配上一个软件控制的制冷器可以使实验在室温以下的温度进行。

图3.7 Fann 50SL高温流变仪

图3.8 Fann 75流变仪

该仪器是同轴圆筒测量系统，它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的角度，传感器系统可以校准到±1℃。电机转速实现了0～640r/min无级调速的全自动控制。

仪器的特点在于借助内嵌微电脑和巧妙的机械及电路设计而带来的非常安全的传动机构。它的软件使仪器的操作、数据采集、输出报告和报警功能自动进行，最大限度的扩展其应用范围，给操作带来较大的灵活性。

IX77禁止用于测试具有赤铁矿、钛铁矿、碳酸铁成分的或者含有磁性的活亚铁成分的混合物、溶液、悬浮液和试剂的样品。

其他高温高压流变仪如Chandler 7400（工作极限条件：140MPa和205℃）和Huxley Burtram（105MPa和260℃）与以上类型工作原理相似。

图3.9 Fann IX77 流变仪

3.3.2 高温高压滤失仪

泥浆在钻井时向地层渗滤是一个复杂的过程，影响因素较多，它包括在泥浆液柱压力和储层压力之间的压差作用下，发生的静止滤失。包括在该压差下，泥浆在流动状态下的动滤失，这种流动是由泥浆循环时的返流和钻柱旋转时的旋流所引起，它对井壁过滤面产生冲刷作用，影响了渗滤的过程。

高温高压滤失仪是一种在模拟深井条件下，测定钻井液滤失量，并同时可制取高温高压状态下滤失后形成的滤饼的专用仪器。温度和压力在滤出液控制中起着很大的作用。

3.3.2.1 海通达高温高压滤失仪

（1）GGS系列（图3.10；表3.6）

图3.10 GGS-71型高温高压滤失仪

表3.6 GGS系列仪器参数

其中GGS42-选用单孔单层活网钻井液杯，滤网目数50。

GGS42-2和GGS71-A使用不锈钢外壳，添加特殊保温层，热传递效率高，选用通孔单层活网钻井液杯，滤网目数50；GGS42-2A和 GGS71-B使用不锈钢外壳，添加特殊保温层，热传递效率高，选用通孔单层活网钻井液杯，滤网目数60，有独立温度控制系统，采用国外先进的电子温控器。

（2）HDF-1型高温高压动态滤失仪

HDF-1型高温高压动态滤失仪克服了静态滤失仪的不足，使测试结果更加接近井下实际情况。该仪器由电机驱动的主轴带动杯体内的螺旋叶片对钻井液进行搅拌。通过SCR控制器控制变速电机，数字显示主轴转速（表3.7；图3.11）。

表3.7 仪器的主要技术参数

图3.11 HDF-1型滤失仪

3.3.2.2 OFI公司高温高压动态全自动失水仪

OFITE高温高压动态失水仪在动态钻井条件下测量滤失特性。马达驱动装配有桨叶的主轴在标准500mL HTHP泥浆池中旋转，转速设置范围为1～1600r/min，模拟钻井液高温高压池中以层流或紊流形式流动。测试方式完全和标准的高温高压滤失仪一样，唯一的差异为滤出物收集时钻井液在高温高压池中流动循环。由于滤失介质为普通的圆盘（disk）材质，因此测定结果跟别的或以往的有充分的可比性，该仪器能够和电脑相连，并自动画出曲线。最高压力8.6MPa，最高温度260℃（图3.12）。

图3.12 OFI高温高压动态滤失仪

技术特征：①一款分析转动中钻井液的真正循环滤失仪；②变速马达，1/2Hp永久磁铁，直流；③池顶带盖得以辅助管路连接，移去堵头，可以添加额外的钻井液添加剂；④安全校正的防爆片，保证过压安全；⑤马达和转动主轴转动转速操作保证1∶1；⑥可调螺旋桨改变到滤失介质距离；⑦可调热电偶温度38～260℃；⑧可选的滤失渗透性滤片；⑨500mL容积的不锈钢高压池。

3.3.2.3 美国Fann高温高压动态全自动失水仪

Fann90高温高压动态失水仪使用人造岩心滤筒，滤液从岩心滤筒侧壁滤出，能很好地模拟钻进过程中钻井液从井壁滤失的过程，不但能测试在一段时间内累积的滤液量，而且可以绘制滤液随时间变化的滤失曲线。Fann90的最高工作压力可达17.2MPa，最高工作温度260℃。该仪器可与电脑和打印机连接，自动化程度高，操作方便，是当前最先进的高温高压动态失水仪（图3.13）。

图3.13 Fann90 高温高压动失水仪

3.3.2.4 LH-1型钻井液高温高压多功能动态评价实验仪

“抗高温高密度水基钻井液作用机理及性能研究”的多功能动态评价实验仪，是一种钻井液用智能型多功能动态综合评价实验仪。该仪器能模拟钻井过程中的井下情况评价钻井液性能，并将钻井液多项高温高压性能评价实验集于一体，达到一仪多用的目的（图3.14）。

图3.14 钻井液多功能动态综合测试仪实物图

该仪器可以进行高温高压静/动态滤失、高温高压钻屑分散、高温高压动态老化等若干项实验，采用电脑工控机控制实验过程，实时显示实验状态、自动采集、处理、显示实验数据，实现智能化实验操作。

仪器主要技术指标：工作温度0～300℃；工作压力0～40MPa；转速0～1200r/min，无级调速；釜体容积800mL；冷却速率200℃～室温/10min。

3.3.3 高温滚子炉

温度的影响对钻井液在钻井内的循环是非常重要的。热滚炉的作用是评定钻井液循环与井内时温度对钻进的影响。

高温滚子炉包括炉体、滚筒及滚筒带动的陈化釜。陈化釜设有一釜体，釜体上部设有釜盖，釜体与釜盖之间设有密封盖，釜盖上垂直于釜盖设有压紧螺栓，将密封盖与釜体压紧。密封盖与釜体之间设有密封环，所述的密封环为四氟乙烯材质。覆盖上设有排气阀，排气阀穿过密封盖与釜腔相通，排气阀两端设有O型密封圈，密封圈为四氟乙烯材质。釜盖与釜体上设有支撑环，支撑环为四氟乙烯材质，炉门边缘设有密封垫，密封垫为四氟乙烯材质。该滚子炉耐高温、密封效果好，而且体积小、安全系数高，便于使用。

3.3.3.1 青岛海通达XGRL-4高温滚子炉

滚子炉是一种加热、老化装置。采用微处理器智能控制技术，直接设定，数字面板显示，并可进行偏差指示。适用范围为50～240℃，滚子转速为50r/min（图3.15）。

图3.15 XGRL-4型高温滚子炉

该滚子炉采用钢架结构、硅酸铝保温层、不锈钢外壳；滚筒采用优质金属材料滚筒和框架、四氟石墨轴承，重量轻、转动平稳；其加热系统采用两根700W加热管加热；动力系统由大功率调速电机链带动滚子转动，传动平稳可靠、噪音低；温控部分采用智能仪表设定、显示和读出，恒温准确，温度超限自动断开加热电源，并发出声光报警。定时部分定时关机。

3.3.3.2 OFFIE 滚子炉

美国OFI公司，五轴高温滚子炉。适用范围为50～300℃，滚子转速为50r/min（图3.16，图3.17）。

图3.16 OFFIE滚子炉

图3.17 老化罐

3.3.3.3 Fann 701滚子炉

美国Fann公司的Fann 701型五轴高温滚子炉，适用范围为50～300℃，滚子转速为50r/min（图3.18）。

图3.18 Fann滚子炉

3.3.4 其他高温高压评价仪器现状

3.3.4.1 高温高压堵漏仪

高温高压堵漏仪主要是用来模拟高温高压条件下进行堵漏材料实验，对一套泥浆系统既可以做填砂床实验又可以做缝板实验，还可以做岩心静态污染实验以及测量堵漏层形成后抗反排压力的大小。如：JHB高温高压堵漏仪由加压部分、加温部分、缝板模拟部分等组成。参看图3.19～图3.22。

图3.19 高温高压堵漏仪实物图

图3.20 高温高压堵漏仪结构图

图3.21 实验缝板实物图

图3.22 实验用滚珠及套筒实物图

3.3.4.2 高温高压膨胀仪现状

膨胀仪是评价黏土矿物膨胀性能的重要试验仪器，主要用于防塌泥浆及处理剂的研究方面。通过电脑回执曲线可准确测定泥页岩试样在不同条件下的膨胀量和膨胀率。用以评价不同的防塌处理对页岩泥水化的抑制能力，并针对不同的地层及不同组分的泥页岩选择适用的处理剂，以控制、削弱泥页岩的水化膨胀进而防止可能出现的坍塌、卡钻等事故的发生。

常温常压膨胀仪不能模拟井下条件下黏土的膨胀情况和加入黏土抑制剂后对黏土的防膨胀效果。

（1）HTP-C4高温高压双通道膨胀仪

HTP-C4型高温高压单通道膨胀量仪，能较好模拟井下温度（≤260℃）和压力（≤7MPa）条件下，测试页岩的水化膨胀特性，为石油钻井井壁稳定性研究、评价和优选防塌钻井液配方提供了一种先进的测试手段。HTP-C4型页岩膨胀仪采用非接触式高精度传感器，电脑监控记录，性能稳定，测试范围大，无漂移，通电即可使用，两个样品可同时测量（表3.8；图3.23）。

表3.8 仪器的主要技术参数

图3.23 HTP-4型高温高压单通道膨胀仪

（2）JHTP非接触式高温高压智能膨胀仪

高温高压膨胀仪虽然能模拟井下温度和压力条件，但其使用的是接触式线性位移传感器，这种接触式传感器受膨胀腔结构的影响，在高压密封和位移之间产生矛盾，使黏土的线性膨胀量不能得到真实的反映，因为增大了试验误差。

图3.24是一种非接触式高温高压智能膨胀仪结构图。它由加热体、实验腔体、腔盖、腔体、腔身、圆铁饼、非接触式位移传感器、试验液体加入口、加压孔、前置器、数据采集器及输出设备组成。它是利用非接触式位移传感器与圆铁饼之间的距离随黏土饼膨胀时提高变化而变短，而改变传感器的输出电压，使数据采集器得到实验参数，达到在室内评价黏土矿物的膨胀性能。克服了现有膨胀仪不能真实和准确地描述井下条件黏土的膨胀情况、实验误差大、加入抑制剂后对黏土的防膨胀效果不能预计的问题。结构简单，操作方便，实验数据准确。

图3.24 JHTP非接触式智能膨胀仪结构

3.3.4.3 高温高压黏附仪

该仪器可测定钻井液在常温中压（0.7MPa）及在常温高压（3.5MPa）条件下滤失后形成滤饼的黏附性能，同时还可测试钻井液样品在高温（～170℃）高压（3.5MPa）条件下滤失后形成滤饼的黏附性能。黏附盘加压方式为气动（图3.25）。

3.3.4.4 高温高压腐蚀测定仪

OFI高温高压腐蚀测试仪是用于测试金属试样在高温高压动态条件下对各种腐蚀液体的反应速率。该系统主要由压力釜、控制仪表及阀门、样品支架和试样玻璃器皿组成。

压力釜采用特制的合金钢材料，最大工作压力34.5MPa，最高温度可达204.4℃。压力釜及内部样品由热电偶加温。加热速率范围为2.5℉/min到3℉/min。机箱内包括一个马达用以摇动测量支架，一台高压泵用于提供系统压力。系统设有安全装置，包括安全警报等。

图3.25 GNF-1型黏附仪

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