一种钻井过程模拟实验装置

⑴ 中国大陆科学钻探（CSDC）的最新进展

刘广志

（地质矿产部科技委高咨中心，北京100812）

中国大陆科学钻探（CSDC）筹备工作，自进入90年代以来，获得了迅速的进展：

·召开了“中国深部地质研究中存在的关键地质问题”研讨会（1991.3）。

·“中国大陆科学钻探先行项目”开始执行（1991.7）。1994年11月提交有关报告，通过评审，认为中国开展大陆科学钻探条件业已成熟，争取列入“九五”国家重大科学工程项目。

·国务院发布的“国家中长期科技发展纲要”中指出：2000年前要为实施地质科学（超深）钻探工程进行技术准备，2020年前要实施（1992.3）。

·先后召开了第一次（1992.4）、第二次（1993.5）“中国大陆科学钻探研讨会”，讨论中国科学钻探选址，从12个选区归结为4个，最后选择大别—胶南作为首批靶区。

·“中国地质超深钻探（现称科学钻探）国家专业实验室”在中国地质大学（北京）建成，进入设备安装调试（1993.5）开展科研工作。

·中国派代表团参加在德国波茨坦召开的“国际大陆科学钻探会议”（1993.8），并参加ICDP筹备会（1993.9）。此后地质矿产部推荐肖序常院士为中方成员（1994.1）。地质矿产部派肖序常、闵志到美国斯坦福大学参加ICDP会议（1995.12）。

·“中国第一口大陆科学钻孔实施与科学研究”正式申报为“九五”国家重大科学工程项目。国家科委组织高级专家评议、投票，排名第三（1995.2）。财政部同意支付ICDP会费（1995.7）。以“大陆动力学和大陆科学钻探”为题举行了第36次香山科学会议。中国地质界对中国开展大陆科学钻探取得共识（1995.5）。

·再次举办“中国大陆第一口科学钻孔第三次研讨会”（1996.1）。对大别—胶南作出进一步靶区选定；并组织专家进行现场考察。

·（1996.2.26～3.1）在日本东京筑波市科学城参加“第八届通过钻探观察深部地壳学术会议”，即“第八届国际大陆科学钻探学术会议”。地质矿产部派6人代表团参加了大会。会议期间：①参加了学术1、6两组的大会论文宣讲；②参加了ICDP中美德三国谅解备忘录的签字仪式，并参加了该计划对组织管理、未来国际合作的大型讨论会；③刘广志参加了国际岩石圈（ILP）CC-4组主席M.D.佐巴克教授主持的汇报会，互通了各国CC-4组的活动简况，提出了今后活动方向。

·配合中国第一口大陆科学钻探的选址工作，提出了“中国第一口大陆科学钻探取心钻孔钻探工程技术前期研究与开发规划”（1996.3）。

1中国大陆科学钻探先导孔施工技术方案

1.1施工条件

（1）钻孔深度不超过5000m。事先由地质部门提出预想钻孔柱状图及有关地球物理资料。

（2）钻孔贯穿的主要岩层为结晶岩，如片麻岩、榴辉岩、硬玉石英岩、大理岩等等。

（3）贯穿的岩层主要物理力学性质，单轴抗破碎强度可能高达100～150MPa，个别高达150～200MPa，在地质钻探岩石可钻性分类中属7～12级硬至坚硬岩层，个别属极硬岩层。岩层研磨性可能成两极分化状态，多数属强、高研磨性；少数属坚硬、致密弱研磨性打滑层。有的含包裹体。

（4）岩心是提取大量地质信息的“信息源”，是研究下地壳、上地幔的实物资料，钻孔直径要有足够大的尺寸，以获取尽可能大直径的岩心。

钻孔又是井中地球物理、地球化学测井的通道，其直径和孔壁稳定性要满足先进的高科技测井仪下井的要求。

1.2科学钻探先导孔的主要任务和作用

（1）全孔除覆盖层以外，要不间断采取岩心、岩样，液态样（矿化水，结晶水，油等），气态样（H₂,O₂,CO₂,He,CH₄,Cl,H₂S,SO₂等可能出现的气体），进行多种测试分析。

（2）分孔段进行系统的地球物理，地球化学测井。

（3）减少深孔将来在这一井段的取心，测井工作量。

（4）测量出地温剖面，在先导孔周围打一到几个深100～300多米的测温孔，测量地热热传导率，热流密度，以建立地温数学模型，推断先导孔地温剖面，终孔温度，地温变化，对在钻孔深部选择取心工具，测井仪器，各种取样器的结构性能，增强薄弱环节是至关重要的。

（5）在先导孔中试验各种新研制的钻头、钻具、仪器等。

（6）测试地层压力梯度，压裂强度，为孔壁稳定性，造斜倾向等提供参考位置与参数。

（7）检验过去用于沉积岩钻孔中的各种仪器和方法在结晶岩钻孔中是否有效。

（8）锻炼钻探队伍，培养深孔、超深孔钻探人才。

1.3先导孔钻孔结构设计

在1993年9月在德国举行的“国际大陆科学钻探会议”上，到会代表们几乎一致的认为，根据多年来国际上施工科学钻孔经验，为节省大量投资，更科学的打科学钻孔，必须大力提倡采用已经在南非和加拿大施工了数百口深度在4000～5000m以深的勘探钻孔经验。英国KENTING钻探公司的John Beswick先生介绍，南非拥有钻进能力4000m以上的深钻机150台，钻进能力大于5000m的钻机有20多台，根据南非施钻的经验，用这类深尺地质岩心钻，打2000～6000m的科学钻孔，可以获得多快好省的科学与经济效益。

有的专家提出采用加拿大Heath＆Sherwood钻探公司的HS-150钻机（钻深4570m，最大钻探曾达5424m）和他们设计的专门用于深孔绳索取心用的HNQ,NBQ内外大环隙绳索取心系统，具以下特殊优点：①降低冲洗液压力降，②内管投入外管后，可快速到达孔底外管的定位处（表1、2）。

表1第一方案先导孔钻孔结构

注：RTB—带扩孔的不提钻换钻头钻具。

如果用第一方案，要设计研制或购置两套HNQ,NBQ钻具。

表2第二方案先导孔钻孔结构

1.4施工技术路线

（1）参照外国施工经验与我国国情应考虑：我国是一个发展中国家，财政经济并不宽裕，一切设备、器具、工艺方法应该着意考虑以“自立更生”为主，尽量利用四十几年来，钻探工程积累的成功经验，能予以改进升级的，能自行研制的，则充分发挥自己探矿机械、仪器工厂的潜力（表3）。本着“有所引进，有所不引进”的原则，引进重点国外产品，予以消化、吸收、弥补急缺。

（2）必须采用绳索取心系统，以大幅度降低起下钻时间，有效缩短施工期；提高岩心品质，实现不提钻柱或少提钻柱换钻头，减轻工人劳动强度。施工费用可节约1/3。

（3）发挥我国在小口径孔底动力机并能配合绳索取心系统的技术优势，开发与采用小口径螺杆钻（PDM）、液动锤（Hydro-hammer）驱动的绳索取心钻具，实现钻杆不回转或慢回转钻进，一可以节约动力，二可以减轻钻杆与套管磨耗，三可有效预防钻孔歪斜（图1）。

表3目前国产耐温近300℃的处理剂

图1孔底动力机驱动的绳索取心系统

（4）大力采用物理—化学方法稳定孔壁，除钻孔上部孔段下入部分套管外，下部孔段结晶岩中尽可能采用长裸眼钻进（岩层自稳）。一旦遇到复杂层，岩层失稳，应采用小间隙套管方案。

（5）发挥钻井液的多信息载体（油气，矿化水，结晶水，淡水，卤水，岩屑）作用，输送大量地质信息（图2）。

图2钻井液多信息载体作用

① 指防井涌、井喷、防塌、缩经等。②指运送岩屑，岩粉作用。③指作为深层流体（油气，水等）如H₂,O₂,CO₂,CH₄,He,H₂S,CO₂,SO₂以及Na,K,Ca,Mg微粉等在300℃，1000×10⁵Pa状态下，运载到地面

2中国科学钻探先导孔钻探工程急待开展的科研项目

2.1地面设备

（1）顶驱动长行程钻机用于绳索取心系统，带桅杆式钻塔。

（2）微机自控绞车。

（3）全自动钻杆排架。

（4）自动拧管机

（5）钻杆疲劳、破裂孔口探伤器。

（6）钻探操作自动化操纵台（含监测、采集、优化、反馈系统）。

（7）防喷器组（全封闭1套，封钻杆2套）。

2.2深孔钻探基础理论

（1）高温高压下的结晶岩岩石物理力学性质，可钻性分类与破碎机理。

（2）建立高温高压试验设施。

（3）新型重量轻、高强度管材材料。

（4）钻杆断裂力学与监测系统。

（5）钻头磨损规律与机理。

（6）高温高压钻井液理论：①钻井液（无固相）聚合物配方、处理剂、添加剂，抗高温稳定性、固控设备与理论；②高温高压钻井液水力学、流变学、胶体化学理论与实践。

（7）钻井力学。

（8）建立机会井数据库。

2.3深孔钻探工艺学研究

（1）深孔钻孔结构与管理程序设计。

（2）不同孔深的钻具与钻具稳定。

（3）深孔孔斜防治。

（4）电子计算机辅助钻进（CDC）系统。

（5）取心取样工艺，液态、气态放射性样品采集工艺，放射性自动检测技术。

（6）钻头与钻具选择方案与相应钻井参数的确定。

（7）不同孔段地温检测及其增温梯度规律。

（8）不同孔段岩石破碎规律，岩石物理力学性质测定。

2.4孔内系统

（1）长寿命金刚石钻头与扩孔器。

（2）开发新型超硬材料切削具与取心钻头。

（3）用孔底动力机（BHM）驱动的绳索取心系统：①用螺杆钻驱动的绳索取心系统；②用液动锤驱动的绳索取心系统；③“三合一”式（绳索＋螺杆钻＋不提钻换钻头）取心系统。

（4）孔壁取心器：①液压或刮样器；②孔底电马达驱动水平取样器。

（5）高温高压气态或液态取样器。

（6）小口径随钻测量（MWD）仪。

（7）小口径垂直钻进（VDS）防斜系统。

（8）高温水泥及其固井技术。

（9）高温稳定、高润滑性、抗腐蚀钻井液及其添加剂。

（10）地层测试器、深部流体流量计等。

（11）高精度深孔岩心定向仪及方法。

（12）含铁铝合金钻杆及其合金钢接头。

2.5深孔现代化管理

（1）深孔设计、施工、研究资料中系统工程管理（含工程、经济两大范筹）。

（2）设计、施工、研究过程中的数据库。

（3）资料编辑、整理、出版，信息交流。

2.6信息获取

自觉采取有代表性的样品和获取更多的数据，是科学钻探项目成功的预先要求。采集数据可再分为孔内与地面两部分。孔内部分包含取心、取砂样、测井、钻进与水力测试，孔内地球物理试验（孔底到地面或两个孔之间）。地面部分则包括从孔口和泥浆测试装置取得的固体和液相样品，包含首次与初步地质描述，化学与物理分析。测井项目则是雄心勃勃、费时的。钻导孔时，钻探费用等于测井计划的费用。测井程序要逐个孔段进行，为减少漏采信息的危险。钻探结束之后，还要进行长期测量与试验（图3）。

图3

按照KTB经验野外信息资料整理后直至提出科研报告，均在野外实验室完成，钻孔则建成长期观测站

3《地质超深钻探（科学钻探）技术》国家专业实验室

3.1实验室的性质和任务

中国地质大学（北京）所属的《地质超深钻探技术》国家专业实验室，是经国家计划委员会、国家教育委员会于1989年6月批准投资新建的国家级专业实验室，同时亦是地质矿产部开放研究实验室，在学术上是一个相对独立的研究实体。这个实验室是开展本学科及相关学科的基础研究和应用基础性研究工作的重要基地，也是培养本学科高级科技人才的摇篮。

实验室按照“开放、流动、联合”的原则，面向国内外同行业开放，欢迎国内外专家学者在本实验室发布的《课题指南》范围内申请研究课题，经学术委员会评审批准资助后，来实验室开展科学研究。也可自带课题和经费及配套仪器和设备来开放研究实验室进行科研活动。

3.2实验室的课题研究领域

（1）大陆科学钻探

·中国大陆科学钻探工程的建设与准备工作

·东亚大陆环境科学钻探工程

·高温高压地学模拟实验装置（又称HTHP井筒）（图4）

图4高温高压地学模拟实验装置

（2）钻探新技术新方法

以岩石力学研究为基础，采用电子计算机等高新技术，研究新的钻探技术装备与方法

·交流变频调速型钻机

·绳索取心与不提钻换钻头技术

·碎岩工具的设计与研究

·高温热熔法钻进新技术

3.3研究设施与装备

碎岩机理与工具研究部分：主要从事岩石物理机械特性，岩石破碎机理，破碎岩石工具以及井下钻探工具的新技术研究。主要的设备是美国MTS公司的岩石力学试验机和0～8000赫兹连续可调的中频感应烧结设备。

计算机应用技术研究部分：主要从事计算机在钻井工程及其它相关部门中应用技术的研究。主要的设备是计算机控制的钻井实验系统，微机群与其外围设备，以及HP9000系列的计算机工作站。

除上述几项设施外，实验室内还专门建立了一个热熔法钻井实验台。

为了实现国际交流，实验室内还设立了小型学术厅和专家工作室。

岩石圈构造和深部作用

3.4实验室的管理与组织

《地质超深钻探技术》国家专业实验室由国家教育委员会和地质矿产部双重领导，行政管理属于中国地质大学（北京）。

本实验室实行主任负责制。实验室主任全面负责组织和领导开放研究实验室的科学研究、学术活动、人员聘任、人才培养、资金使用和行政管理等工作。

实验室设学术委员会，是学术评审机构。其主要职责是：确定本实验室的研究方向，制定《课题指南》，审批研究课题，评审科技成果，审议实验室的经费计划和组织重大学术活动。

实验室的固定人员以及客座研究人员均由实验室主任聘任。并实行任期制，工作成绩突出的可连聘。

3.5实验室的主要研究成果

（1）微机自控钻进实验台。

（2）钻井工艺技术的微机分析系统。

（3）金刚石钻进原理及最优化钻进技术的研究。

（4）地质钻机新型电驱动系统研究。

（5）改善钻柱工作性状及井底载荷有效控制方法研究。

（6）不提钻井底换钻头技术。

（7）热熔法钻孔新技术。

（8）高温钻井液研究。

管理与研究人员

岩石圈构造和深部作用

学术委员会组成

岩石圈构造和深部作用

⑵ 超高温高压流变仪研发设计思路

开发适用于深井、超深井钻井的抗高温钻井液体系，就必须在模拟井下温度、压力及环型空间钻井液上返的动态条件下对钻井液体系进行室内评价，需要对钻井液在高温高压动态条件下的性能进行科学的评价，才能为深井钻井液设计及现场钻井液工艺性能调控提供室内实验依据。

而目前能够完全模拟井下条件对钻井液进行高温高压动态性能评价的仪器装置还不太理想，室内模拟评价实验条件与井下实际工况差别较大，导致室内研究不能很好地指导现场施工。因此，研制和开发能够模拟井下工况的实验装置是研究的一项重要内容。

拟研制高温高压流变仪能模拟泥浆在井下的流变状态，测定泥浆在高温高压的环境中的温度、压力、剪切力、剪切应力、稠度等重要的参数，进而计算出水基泥浆在不同模式下的流变参数，为优选水基泥浆体系提供有力的依据。

6.2.1 仪器功能设计

1）动态模拟方式：考虑到井下复杂情况及实验要求，设计转速调节范围应为0～1200r/min。

2）实验温度和压力：为真实模拟井底环境，仪器设计工作温度需达到300℃以上，工作压力需达到100MPa以上。而且在低温、低压、中温、中压、高温、高压三种复合温压条件下，均能够对压力和温度进行精确控制。

3）仪器功能：根据高温深井钻井液测试要求，该仪器应具有高温高压动态流变性实验的功能，能够在模拟钻井液旋转剪切和循环剪切的动态流动条件下，进行高温高压流变性测试实验。

6.2.2 仪器结构

1）主机：支架，外壳，加热系统（加热套）。

2）高温高压釜体：材质为不锈钢、哈氏合金，钛，钽，镍等，带自密封及C环的钳形闭合方式，简易安全；轴承：待筛选（宝石）；温度测量：J氏类热电偶；温度和压力实现电脑实时控制（图6.1）。

3）加压系统高压功能。

a.交流伺服机械增压装置，采用控制永磁同步电机转矩的方法，实现对系统压力的控制（图6.2）。

b.实验压力由一个气动的高压（液压）泵产生，该泵由一个巧妙的后置压力控制器、高压阀和压力传感器来控制。通过液压泵活塞向密封的测试体泵入液压油，使其与测试体中的钻井液液面直接接触实现加压（加压液体充满测试体的上部，并直接接触静止的样品，位于测试区域内样品的上方，但接触面很小以减少液体间的混合），泵压由SMC电控阀控制，确保了很小的压力波动。压力释放通过耐高压的气动阀来实现，具有很高的安全性。入口压力过滤干燥调节系统有一个当检测到有超额的水时利用仪器排压系统的自动泄压装置，当入口刚刚给压力时，自动排压被打开，以便产生一个快速的压力使自动排压装置到位。

图6.1 高温高压流变仪主体结构

图6.2 伺服机械增压装置

4）冷却系统：使用外接冷凝装置，通过向测试体和加热套之间的间隙均匀喷射毛细管状的冷凝液，并由加热套底部返回冷凝装置。整个冷凝过程在密闭空间内进行，确保温度不随时间波动或者波动小。

5）搅拌系统：机械转动：采用步进马达/电机控制技术，在特定范围内，电机的速度大小可以实现连续的递增或递减；库特同轴圆筒系统，使用传统的悬锤和转子测量系统，便于测试数据的转移和比较。

6.2.3 工作原理

采用旋转式黏度计原理：被测液体处于两个同心圆筒间的环形空间内。通过变速传动外转筒以恒速旋转，外转筒通过被测液体作用于内筒产生一个转矩，使同扭簧连接的内筒旋转了一个相应角度，根据牛顿定律，该转角的大小与液体的黏度成正比，于是液体黏度的测量转为内筒转角的测量。反映在刻度盘的表针读数，读取600r/min 和300r/min的读数，通过计算即为液体黏度、切应力。

电磁圈：同轴圆筒式黏度计是用电动机或手摇柄作动力的旋转式仪器。钻井液放在两个圆筒之间的环形空间内，外筒或转筒以某个恒定的转速旋转。转筒在钻井液中的旋转产生一个作用于内筒或吊锤的扭矩，一个扭矩弹簧将抑制此运动。如图6.3所示。通常是附着在吊锤上的表盘来只是吊锤的偏转。

图6.3 旋转式原理

⑶ 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

⑷ 油气井工程的开设高校

2013-2014年油气井工程专业院校排行榜 排 名 学校名称 星 级 博士点 1 中国石油大学（北京） 5★ 1 2 中国石油大学（华东） 5★ 1 3 西南石油大学 3★ 1 4 东北石油大学 3★ 1 5 长江大学 3★ 1 6 中国地质大学（武汉） 3★ 1 7 燕山大学 2★ 0 8中国地质大学（北京）2★09西安石油大学2★010辽宁石油化工大学2★011常州大学2★012重庆科技学院2★0 经过新老几代人多年的建设与发展，特别是经过“211工程”一期建设，油气井工程学科已形成五个稳定的研究方向；造就了一支学历层次高、知识结构合理且比较年轻化的学术队伍；建成了一批具有国内一流水平的研究室和实验室；承担国家自然科学基金、“863计划”、“973计划”、国家重点攻关项目十多项；取得了一大批达到国际先进水平的科技成果，并获得了多项国家级和省部级的科研奖励；培养了近20名博士，200名硕士，发表了300余篇高水平的学术论文，出版了20部专著或教材；年均科研经费达到近1000万元。同时本学科也是国内该领域历史最久、规模最大的高级专门人才培养或培训基地。多年来在人才培养和科技发展方面，为我国石油工业的发展做出了重大贡献。
一、主要研究方向：
1、油气井流体力学及高压射流技术。
主要研究井筒中牛顿流体、非牛顿流体、多相流体及高压射流的流动规律。通过在油气井筒内复杂流动条件下流体流动规律的研究，丰富和发展洗井技术、射流技术、破岩技术、井控技术，提高机械钻速，减少井下事故，减低生产成本，缩短建井周期，提高油井产能。该研究方向具有超高压射流实验系统，先进的 PIV高速射流实验测试及数据采集处理系统，中围压及高温高压模拟实验井筒，磨料射流实验装置等可进行各种射流实验研究和多相流流动规律研究的装备条件。
2、油气井工程岩石力学。
主要研究内容有：地层基础参数预测与评价技术，破岩机理及破岩技术，井壁稳定理论与控制技术和完井与油层改造过程的岩石力学问题。该研究方向具有高温高压三轴模拟试验架，高温高压岩石与钻井液相互作用模拟试验架，岩石声学测试装置，岩石微观测试系统等先进实验装备，而且有一个金刚石钻头研究室，具有金刚石钻头的先进研究手段和生产能力。
3、油气井信息与控制工程。
主要研究内容有：油气井管柱力学研究，井下过程控制研究和地层信息采集与利用研究。综合应用基础科学的理论和方法，研究管柱在各种井眼（直井、定向井及水平井）中的力学行为，为井眼轨迹控制、直井防斜打快、管柱的优化设计、合理使用及其寿命预测等提供科学依据。该研究方向建有大型管柱动力学研究模拟实验装置和井下钻柱受力实测装置，开展了防斜机理的理论和实验研究，形成了不同底部钻具组合防斜效果的室内实验评价方法、井眼轨迹预测和控制技术及相关软件。建立了针对定向井、水平井、大位移井钻柱进行摩阻计算、强度分析、稳定性分析和疲劳寿命预测的分析模型及相关软件。开展了套管损坏与防治技术研究。
4、钻井液、完井液化学与技术。
主要研究内容有：钻井液与完井液体系及处理剂的研制、配方与性能研究，井壁稳定化学力学耦合研究，油气层保护研究及钻井液胶体与界面化学性质研究等。该研究方向具有范90动滤失仪、胶体ZETA电位分析仪等先进测试仪器以及先进的钻井液模拟实验井筒等。
5、固井、完井工程与技术
主要研究内容有：注水泥顶替效率、纤维水泥水泥浆体系研究，低密度流体在洗井、冲砂、压井及射孔等工程中的应用研究，水力压裂设计与评价技术研究，出砂机理与防砂技术研究。
二、研究队伍：
本学科共有研究人员50人，其中教授12人（其中工程院院士1人，博导8人。）、副教授及高级工程师18人，具有博士学位者11人。入选国家“百千万人才工程”第一、二层次人选者1人，获得 “国家杰出青年基金”者1人。
三、研究机构：
油气井工程系
金刚石钻头研究室
钻井液化学研究室
高压水射流研究中心
四、主要研究成果及获奖：
1、水平井钻井配套技术, 1997年国家科技进步一等奖
2、加长喷嘴牙轮钻头, 1997年国家发明三等奖
3、人造硬质材料钻头破岩机理及设计, 1996年石油天然气总公司科技进步二等奖
4、无荧光防塌降滤失剂PA-1及低伤害固砂稳定剂, 1996年山东省科技进步二等奖
5、分层地应力剖面建立技术, 1998年山东省计算机优秀应用成果二等奖
6、地应力测量技术及其在油田勘探开发中的应用, 1999年石油天然气集团公司科技进步二等奖
7、地应力测量技术现状及发展趋势研究,1999年石油天然气集团公司科技情报一等奖
8、大港低渗块状砂岩油藏水平井钻井技术,1999年中国石油天然气集团公司科技进步二等奖
9、高压旋转水射流处理近井地层增产增注研究,1999年山东省科技进步二等奖
10、屋脊失断块油藏和特稠油油藏侧钻水平井配套技术研究, 2000年中国石油化工总公司科技进步一等奖 油气井工程学科培养具备独立从事油气井工程中工程设计、组织实施、分析和解决油气井工程作业问题的能力，可以取得具有一定创新意义的研究成果；能熟练地运用计算机和掌握一门外国语；能够从事专业及相邻专业的教学、科研、科技开发和管理工作。
本学科1995年4月作为原中国石油天然气总公司的重点建设学科正式启动，2001年成为陕西省重点学科。油气井工程学科依托一个部级研究中心（CNPC石油钻井信息应用技术中心），一个导向钻井研究所，师资力量雄厚，现有教授9人，副教授1人。
1、培养方向主要有：
2、储层保护技术
3、导向钻井技术
4、井筒信息应用技术
5、深井与超深井钻井技术 本学科主要围绕油气井工程中的岩石破碎学和工具、石油管柱力学、钻采地面及井下状态检测与故障诊断、钻井信息资源开发利用、油田化学剂的配制，以及钻井和采油化学技术的应用等方面开展研究，为高效、安全、优质钻井提供有力的技术保障。拥有岩石可钻性测定仪、岩石力学特性参数测定仪、高温高压页岩膨胀性能测定仪、核磁共振岩心分析仪、有线（无线）多通道噪声振动分析仪等先进仪器设备。近五年，先后承担了钻井泵关键部件的损伤机理及诊断技术研究、单观察序列井场信号分离与识别应用研究、西山窑高研磨地层钻速技术研究、大港滨海区块下部地层提高机械钻速技术应用、松南气田青2-登娄库组高硬度高研磨地层提速技术研究、柯克亚区块钻井提速技术研究与应用、彭水-黄平海相页岩气区块岩石力学特性实验研究等国家自然基金及企业合作课题20余项。其中西山窑高研磨地层提速技术研究获2011年中国石油和化学工业联合会科技进步三等奖。已发表论文40余篇，申请发明专利10余项。培养研究生18人，其中2人进入中国石油大学(北京)，1人进入上海大学继续深造。

⑸ 超高温高压失水仪研发设计思路

在泥浆液柱压力和储层压力之间的压差作用下，泥浆循环时的返流和钻柱旋转时的旋流会产生动态滤失，这种流动对井壁过滤面产生冲刷作用，影响了渗滤的过程。此外，还有钻井时钻柱旋转对泥饼的压实与刮切作用、划眼时破坏了老泥饼，重新开始新的渗滤过程、在起下钻过程中，井内液柱压力激动对泥浆渗滤的影响等。如果我们要模拟所有的这些因素来进行研究，则不仅难以实现，而且不容易得到规律性的结果。因此我们在研究中，把在钻井过程始终存在的比较有规律的泥浆冲刷作用和压差作为主要的影响因素来进行模拟。

6.3.1 仪器功能设计

1）动态模拟方式：为了真实模拟钻进过程中钻井液在井下的流动状态，使钻井液在井筒上返流动过程中既存在钻柱旋转剪切下的周向运动，又存在环空轴向上返运动，呈现复合流态。需设计搅拌器，使其在实验过程中搅拌钻井液，维持钻井液的复合流动状态，同时搅拌器的搅拌速度能实现无级调速。钻井环空剪切速度一般为200～300r/min，考虑到井下复杂情况及实验要求，设计转速调节范围应为0～1200r/min。

2）实验温度和压力：为真实模拟井底环境，仪器设计工作温度需达到300℃以上，工作压力需达到20MPa以上。而且在低温、低压、中温、中压、高温、高压三种复合温压条件下，均能够对压力和温度进行精确控制。

3）功能：根据高温深井钻井液测试要求，该仪器应具有高温高压动态滤失实验的功能，能够在模拟钻井液旋转剪切和循环剪切的动态流动条件下，进行高温高压滤失实验。

6.3.2 仪器结构

1）动力传动组件：由电机、皮带轮、横梁、锁紧手柄、皮带罩等组成，是仪器的动力传动系统。

2）主机：主机由底座、外壳、加热系统等组成。

3）实验釜体（压滤器）：材质为不锈钢、哈氏合金，钛，钽，镍等，带自密封及C环的钳形闭合方式，简易安全；高温高压釜体（容积为300～400mL、承压40MPa）、过滤介质（采用人造岩心滤筒）、紧定螺钉等组成。带加热装置和冷却装置。滤液接收器能承受10MPa压力（图6.4）。

4）加压稳压系统：包括氮气瓶、泵、储油罐、压力转换器及管线。是一个高压减压装置，高压经减压稳压，以提供实验所需压力；管汇组件由调压手柄、高压胶管、压力表、放气阀等组成。可供压力为100MPa。

5）搅拌装置：磁力驱动搅拌器，在负载情况下转速为0～1200r/min，搅拌轴装有单个波形叶片，用不锈钢或耐腐蚀材料做成（图6.5）。

图6.4 高温高压反应釜

图6.5 磁力搅拌

6.3.3 工作原理

该仪器在模拟井下作业的实际状况而确定的参数进行工作的，它是将钻井液通过加热套部件加温并恒定于某一温度，其间由变速电机按规定的转速带动传动轴不停地搅拌，并由减压稳压装置提供压力作用于钻井液上，模拟现场工作状态，获其滤失量。如被温度大于90℃时为防止液体蒸发，应采用回压装置。

⑹ 钻井方法及原理是什么

1人工挖井方法

1973年出土于浙江余姚县的河姆渡古井是世界上目前已知的最古老的水井，经14C测定表明它是5700多年前的产物。

挖掘井阶段大约从远古到西周末年，我们的祖先用原始的工具，诸如石铲等手工挖井，井的深度很浅。在公元前15世纪前后我国的甲骨文中就出现有“井”字。

2冲击钻井方法

冲击钻井方法经过了三个阶段，即顿钻大口井阶段、顿钻小口井（卓筒井）阶段和机械顿钻阶段。

1）顿钻大口井阶段

最初的顿钻设备，主要由“踩架”和井架组成。“踩架”上有碓板，碓板一端悬挂着钻头，它是直接钻凿岩石的工具；碓板另一端供人踩踏，使钻头反复上提、下顿，产生冲击运动。

2）顿钻小口井（卓筒井）阶段

从北宋开始，我国古代钻井技术又有了新的发展。一是顿钻大口井发展为顿钻小口井。当时把口径只有“碗口大小”的小口井称为卓筒井，卓筒井地面设备、井身结构示意图如图6-11所示。

图6-12转盘旋转钻井示意图

1—天车；2—游动滑车；3—大钩；4—动力机；5—钻井泵；6—空气包；7—钻井液池；8—钻井液槽；9—旋流除砂器；10—钻井液振动器；11—表层套管；12—钻杆；13—钻铤；14—钻头；15—井眼；16—防喷器；17—转盘；18—绞车；19—方钻杆；20—水龙头

（1）动力系统。

钻井好像是一座流动性大的独立作业的小型工厂。钻机所需的各工作系统大多数是用柴油机作发动机，通过变速箱直接驱动或由柴油机发电来驱动钻井设备的。动力系统的作用是产生动力，并把动力传递给钻井泵、绞车和转盘。

（2）起升系统。

起升系统主要用来起升、下放或悬吊钻柱、套管柱等，主要完成起下钻、接单根和钻进时的钻压控制任务。这个系统主要由井架、天车、游车、大绳、大钩、吊环及绞车等组成。一般用最小的提升速度和最大的负载来确定提升系统的能力。

（3）旋转系统。

旋转系统主要由转盘、转盘变速箱、水龙头、方钻杆组成，主要功能是保证在洗井液高压循环的情况下，给井下钻具提供足够的旋转扭矩和动力，以满足破岩钻进和井下的其他要求。旋转系统还有接、卸钻柱和钻具的功能。

（4）循环系统。

钻机循环系统最主要的功能是在钻进中通过循环洗井液从井底清除岩屑、冷却钻头和润滑钻具。钻机循环系统主要包括钻井泵、钻井液净化装置（固相控制设备）和钻井液槽、罐等。整个循环系统的中心设备是钻井泵。

（5）气控系统。

气控系统主要包括控制面板（控制机构）、传输管线和阀门、执行机构（如气动离合器、气缸和气马达等）以及压风机等。气控系统的功能是确保对整个工作机构及其部件的准确、迅速控制，使整机协调一致地工作。

（6）井控系统。

在整个钻井作业过程中，井控系统要对井下可能发生的复杂情况进行控制和处理，以恢复正常作业。井控系统包括四个主要部分：防喷器组、储能器机组和防喷器组遥控面板、节流管汇、压井管汇。

⑺ 浮式钻井装置作业过程中出现的稳定性问题及采取的措施

一旦一个女人对你冷淡了，请不要幻想她是身体不舒服或是你做错了什么，接受她变心的事实把。做好心理准备，不管你心里是怎的无法接受，事实就是这样，女人变了心，上帝都改变不了，你可以试着感动她，不过我以为，感动过来的女人，总有一天还是会离开的，而且很快。男女之间的恋爱过程，或一见钟情，或经历坎坷，尽管有着各不相同的色彩，但一般来说，大致总是经过相识、交往、相互产生好感、爱慕直到相爱这样一个双方不断了解和感情深化的过程。恋爱中，为了最终实现建立幸福美满的婚姻和家庭的目的，双方总是力求达到相貌上的相互倾心、志向上的相互一致，情趣上的相互吻合，性格上的相互和谐，以及经济和事业成就上的相互满意。3
①不拒绝你们之间的肢体接触

女人不管她表现得如何外向，其实骨子里都是内敛的动物，而且本能的她们习惯隐藏自己的感情。言不由衷更是她们习惯的互动方式，有时候明明她已经有70分好感，可表现出来的却总是不足20分。尤其一个女人对异性的肢体接触是非常敏感的，如果不是有好感，那会让她产生异常的抵触和厌恶情绪，但如果这个女人不仅不拒绝你肢体的接触靠近，还会非常的自然和开心，那么一定是内心对你有好感且希望你主动追求撩一撩自己表明心迹。但撩只是夸张比喻，千万不能成为暧昧的一种挑逗方式，不然很容易被定义为不尊重自己，而错失本来大好的姻缘机遇。

②总是有理由找你帮忙，然后约你出来

女人虽然处于弱势群体，可时代变迁如今的女人可以说个个是女汉子，独当一面很少有她们处理不了的问题，即便这个女人真的对一些事力不从心，因为面子，因为不想欠人人情，也不会主动向男人索要帮助，而一个女人若频发出“求助”信号，她总是能说出一大堆合情合理的原因把你约出去，那么其实男人你该懂得，女人的本心是醉翁之意不在酒，关键是需要多些给你英雄救美的机会。她更希望一来二去两人产生默契，从而自然地走到一起。所以不要再为自己那一点点处理问题的能力人脉或者维修技能而洋洋得意，因为那只能证明自己还根本没有翻译对女人的心。

不要去欺骗自己，也不要去勉强自己，即使是你现在深爱这个男人，如果他对你的态度不够端正，对你们婚姻的总是一副不自信的样子，那么这样的男人和你是根本就走不到最后的。

不懂得体谅你的人不要，虚伪的人不要，不负责任的人不要，只顾自己的也不要。

人生伴侣的选择一定要慎重之外再慎重，现在得不到没有关系，不好的不要，得到的就要最好的最适合的。

期待他的到来，期待有一段美好的婚姻，有一个美好的人能够陪你走完这一生。

③秒回你的每条信息

这一条是非常明显，也会常常出现的一个暗示形式，女人的生活可远比男人想的要忙碌，逛街吃饭约闺蜜，还有些非常励志类型，忙碌自己的事业或工作上的东西问题，或许男人不能体会，但确实每个人的生活都不会太悠闲是真的，只是大家忙碌的点不同而已。

但当男人不论发怎样的消息，不管什么时候发送，对方总能秒回自己的信息，千万不要以为对方整闲得要命，而是由于她真的已经开始喜欢上了你，才会如此关注自己的手机，即便是女人变得天天捧着手机，也是在等待你的问候和消息，而秒回举动其实已经暴露了女人的感情和不淡定的心理状态，如果你也有好感一定要懂得抓准机遇。

或许还有很多细节上的态度和互动，然而在初期女人暗示阶段，这些举动也算是最为突出和常见的行为，人生很长，遇到的人也会有很多，但能够遇到一个对自己心动的人实属不易，若有意，请珍惜，切不可因为优越感爆棚而愚弄人的感情，因为很多过来人都曾经总结过“出来混迟早是要还的”所以要切忌。美好的爱情和婚姻要经历一个萌芽，开花和结果的过程，这就是男女之间的恋爱过程。

⑻ 海洋钻井喷射下导管模拟实验研究

张 辉 柯 珂 王 磊

（中国石化石油工程技术研究院，北京 100101）

摘 要 水力参数是影响深水钻井表层喷射下导管作业安全顺利施工的重要因素之一。本文设计和建立了喷射下导管模拟实验系统，选取与海底浅层土性质接近的土样，对喷射下导管作业进行室内模拟实验。通过改变喷嘴直径和排量等参数，研究水力参数对导管承载力的作用规律。通过对实验结果分析发现，当作业排量和射流速度等水力参数超过某临界值时，水射流对导管壁外侧区域的土体产生过度扰动，使导管的竖向和横向承载力均发生较为明显的突降。因此在实际作业中，应当在控制水力参数提高破岩效果的同时，避免为增大导管的下入速度而使用过大的水力参数。

关键词 深水钻井 喷射下导管 模拟实验 水力参数 承载力

Simulation Experiment Research for Jetting Conctor

in Offshore Drilling Operation

ZHANG Hui，KE Ke，WANG Lei

（Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China）

Abstract Hydraulic parameter is one of the most important influence factors for the successful operation of jetting conctor in offshore drilling.The simulation experiment system is designed and built.With the soil sample that has the similar properties with shallow seabed soil，the laboratory experiments are performed to simulate the jetting conctor operation.By using the different jet diameters and different displacements，hydraulic parameters are changed in experiments to research the influence regulators of hydraulic parameters on bearing capacity of conctor.As is shown in experiment results，both of the horizontal and vertical bearing capacities are significantly reced when the jet velocity or replacement is beyond the critical value.The reason is that the soil outside of the conctor is severe disturbed by the jet.The reasonable hydraulic parameters should be selected in jetting conctor operations to increase the efficiency of rock breaking while to avoid the severe disturbance to the soil outside of conctor.

Key words deepwater drilling；jetting conctor；simulation experiment；hydraulic parameters ；bearing capacity

喷射下导管技术是解决海洋钻井表层作业难题的特色技术之一。使用喷射方法下入导管，对于深水作业是一项经济有效的技术措施，不仅能够节约作业时间和成本，同时能够降低深水作业风险。近年来，随着国内深水及超深水油气资源勘探开发活动的不断增加，喷射下入导管技术在我国南海海域得到广泛应用。目前，中海油及Husky 、Devon、Chevron等国内外石油公司在中国南海区域所钻的深水及超深水井绝大多数采用喷射方法下入导管。

在喷射下导管作业过程中，水射流破土在导管下部地层破碎过程中起到重要作用。射流参数过小，导管下部土体无法得到充分破碎，将使导管的下入阻力增大；射流参数过大，对导管外部土体过度扰动，将影响导管下入后承载能力的恢复。因此，本文通过室内模拟实验，研究射流参数对导管喷射下入过程及导管承载力的影响规律，为喷射下导管水力参数设计提供依据。

1 喷射下导管作业介绍

喷射下导管作业过程中，将底部钻具组合置于导管内部，通过送入工具与导管相连，并由送入管柱送达海底。导管到达泥线处时，在依靠重力作用进入地层的同时，开泵驱动马达使钻头旋转，对导管内的土体进行破坏，并循环钻井液将岩屑从导管与钻柱的环空返出。导管下入过程中，靠钻头旋转与水力作用联合破岩，并在导管自重及送入工具的重力作用下克服导管的下入阻力进入地层。导管到达设计深度后，经过一定时间的静止，在导管与地层土之间建立足够的胶结强度，保证导管在后续作业中有足够的承载能力。

喷射下导管技术将钻井与下导管两项作业 “合二而一” 进行，一趟钻完成了钻井眼与下导管两项作业，并省去了固井环节。将这项技术应用于深水钻井导管下入作业，不仅节约了在上千米深水中多次起下钻的作业时间，同时避免了常规下导管时，容易受到深水海域环境载荷的影响而找不到井口的风险和复杂情况，以及深水海底低温带来的固井质量差等技术难题^［1～4］。

2 喷射下导管作业室内模拟实验

2.1 实验总体思路

用金属管作为模拟导管，沿金属管轴向设置应变片，用小型水泵模拟导管的喷射下入过程，并记录导管的下入速度。导管下入后静置一定时间，测试导管的竖向和横向承载力。采用不同的排量、喷嘴尺寸等参数，重复进行实验，最终得出导管承载力随排量、射流出口速度等水力参数变化的规律。

2.2 模拟实验系统设计

2.2.1 实验系统整体组成

喷射下入导管室内模拟实验系统示意如图1所示，主要包括土箱、管柱系统、循环系统、加载系统、测量系统等组成部分。

2.2.2 加载系统

加载系统包括对模拟导管的竖向加载和横向加载。通过千斤顶对导管施加竖向上拔力及横向推力（图2，图3），并通过压力传感器实时采集加载过程中的压力变化值。

图1 喷射下导管模拟实验系统示意图

图2 竖向加载系统

图3 横向加载系统

2.2.3 测量系统

测量系统主要对加载过程中导管顶部的竖向和横向位移进行实时测量。通过在导管上部的铁盒处连接位移百分表（图4，图5），测量导管顶部的位移随加载载荷变化的规律。

2.3 实验参数

实验采用表1中的排量及喷嘴尺寸组合，得到不同的水力参数，分别实现：

1）保持喷嘴射流出口速度为23.58m/s，改变排量。

2）保持排量为1.07m³/h，改变喷嘴射流出口速度。

图4 竖向位移测量系统

图5 横向位移测量系统

表1 实验参数

2.4 实验步骤

实验按照以下步骤逐组进行：

1）将导管直立吊起至实验土层上方、土箱中间位置处。

2）控制大钩使管柱匀速缓慢下沉入泥，管柱入泥的前1m不开泵。

3）管柱入泥1m后开泵。开泵时先用小排量，逐渐增大至设计排量值。

4）缓缓释放大钩，使管柱在自重及射流联合作用下逐渐下沉。下放过程中保持匀速，并保证管柱的垂直性。

5）管柱到达标记位置后，停泵，并用大钩吊住管柱静止20min。

6）释放大钩，观察管柱是否发生沉降。

7）静置管柱恢复4h之后，对管柱进行承载力测试。

8）在导管顶部中心位置处施加竖向上拔力，以位移40mm作为标准，记录导管顶部的竖向位移量。

9）在导管顶部固定位置处施加横向推力，以位移40mm作为标准，记录导管顶部的横向位移量。

10）拔出导管，重新整理土样，更换实验参数，重复实验。

2.5 实验结果及分析

2.5.1 实验现象

实验过程中，观察到的实验现象如下：

1）导管能够在自重及辅助压载作用下下入指定深度。导管下入时，可见泥浆从管内返出的现象，如图6所示。初始返浆位置多在导管下入1.5 ～2m位置左右。

图6 泥浆从管内返出

2）导管下入到指定深度后吊住静止20min，释放大钩，多数情况下能够保持在下入位置。在少数排量较大的情况下，发生了导管下沉3～10cm的情况。

通过上述实验现象，证明本实验可近似模拟喷射下入导管现场作业过程。

2.5.2 实验结果分析

1）射流出口速度保持在23.6m/s不变的情况下，导管的竖向及横向承载力随排量的变化曲线如图7所示。从图7中可以看出，管柱的竖向及横向承载力随排量的增大而降低。在射流出口速度为23.6m/s的条件下，曲线上对应于排量为1.07m³/h（喷嘴尺寸为2mm）时，管柱的竖向及横向承载力均发生较为明显的突变。

图7 射流出口速度不变，排量对管柱承载力的作用规律（砂土中）

2）排量保持在1.07m³/h不变的情况下，导管的竖向及横向承载力随射流出口速度的变化曲线如图8所示。

图8 排量不变，射流出口速度对管柱承载力的作用规律

从图8中可以看出，管柱的竖向及横向承载力随射流出口速度的增大而降低。在排量为1.07m³/h的条件下，曲线上对应于射流出口速度为23.65m/s（喷嘴尺寸为2mm）时，管柱的竖向和横向承载力均发生较为明显的突变。

3 实验结果与理论计算对比

当水力喷射破碎地层的范围恰好达到导管壁位置处时，对应的射流出口速度称为射流破土的临界射流出口速度，对应的排量称为临界排量。根据淹没水射流特性、土体在射流作用下的破坏条件以及钻头水眼的位置、倾角等参数，可以计算得到在实验条件下射流破土的临界排量和临界射流出口速度随不同喷嘴尺寸的变化曲线^［5～10］，如图9所示。

图9 实验条件下的临界排量和临界射流出口速度

从图9（a）中可以看出，在实验中所用射流出口速度为23.6m/s的情况下，临界曲线上所对应的喷嘴直径为2mm，恰好为图7中承载力曲线上发生突变的位置；从图9（b）中可以看出，在实验中所用排量为1.07m³/s的情况下，临界曲线上所对应的喷嘴直径为2mm，恰好为图8中承载力曲线上发生突变的位置。

上述实验结果说明：当排量和射流出口速度超出理论计算得到的射流破土临界排量及临界射流出口速度时，射流将对管壁外侧的土体产生很大扰动，从而使管柱在下入后一定时间内的承载能力发生明显下降。

4 结论

1）本研究设计的喷射下入导管室内模拟实验装置，能够较好地模拟喷射下导管作业过程，有助于研究水力参数对导管承载力等性能的作用规律。

2）通过实验结果可以看出，排量、射流出口速度等参数都对导管的承载能力有很大影响，提高射流排量和出口速度，能够提高射流的破土能力，增加对导管壁附近区域地层的扰动，从而使得导管承载能力降低。

3）对照实验结果与理论计算结果可以发现，当喷射下入导管作业的水力参数达到或接近射流破土的临界水力参数时，将对导管壁周围的地层产生严重扰动，使导管的承载能力发生比较明显的突降。

4）在实际作业过程中，应当控制水力参数小于射流破土的临界水力参数，防止导管承载力发生严重下降，避免为提高导管的下入速度而使用过大的水力参数。

参考文献

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［10］高大钊.土力学与基础工程［M］.第1版.北京：中国建筑工业出版社，1998.

⑼ 物理模拟实验原理与目的

根据煤粉产出特征及影响因素等方面的研究可知:煤岩自身性质是煤粉产出的基础,工程扰动是煤粉产出的诱因,而构造煤的发育是煤粉产出的关键。煤岩自身性质包括煤岩成分、煤体结构等,工程扰动包括钻井工程、储层改造、排采过程中流体、压力等储层特征的变化。因此,通过开展煤粉产出物理模拟实验,模拟煤层气的排采过程,分析不同因素对煤粉产出和运移的影响,揭示煤粉产出规律(姚征,2013)。

煤粉产出物理模拟实验是一种研究煤层气开发中煤粉从何产出、如何运移及煤粉特征、储层伤害等的室内分析方法。通过模拟煤储层静态地质特征及煤层气动态生产过程,还原再现煤粉在煤储层中的动态产出规律与流态运移方式,以此分析煤粉产出的影响因素、煤粉特征及储层伤害强度。煤粉产出物理模拟实验通过模拟煤储层物性特征及煤层气排采过程,讨论煤粉产出影响因素与动态变化规律。分析煤粉产出的静态地质因素从实验样品,即煤岩组分和煤体结构的差异性入手;分析煤粉产出的动态生产因素从实验条件,即不同流体驱替流速和不同围压条件入手。实验中讨论的变量包括煤岩组分、煤体结构、驱替流速、围压强度,应用控制变量法,逐一分析上述变量对产出煤粉的质量、粒度、组分、形态、表面特征及岩心渗透率变化的差异影响,进而揭示煤粉产出规律(曹代勇等,2013)。因此,煤粉产出物理模拟实验的原理及目的包括以下五点:

(1)通过模拟煤层气井排采生产中不同条件下的煤储层有效应力、地层围压、排水强度等状态,分析驱替流速及围压等因素对煤粉产出的动态影响,为初步查明韩城区块煤层气井煤粉产出规律提供实验依据;

(2)通过选择具有不同煤岩组分特征的煤岩样品进行物理模拟实验,对比分析煤储层的物质成分差异性对煤粉产出的影响;

(3)通过选择具有不同煤体结构类型的煤岩样品进行物理模拟实验,对比分析煤储层的煤体结构差异性对煤粉产出的影响;

(4)通过对比分析不同实验条件下煤粉的产出质量、组分构成、粒度分布、形态特征及煤岩样品渗透率的动态变化,揭示实验条件下煤粉产出规律,讨论煤粉在煤储层及排采系统中的赋存及运移状况,为查明煤粉对煤储层的渗透性伤害及排采设备的连续性危害提供理论证明。

⑽ 根据钻井工艺中钻进、洗井、起下钻具各工序的需要，一套钻机必须具备哪些系统和设备

1起升系统为了起下钻具、下套管以及控制钻头送进等，钻机装有一套起升机构，它主要由主绞车、辅助绞车（或猫头）、工作刹车、辅助刹车、游动系统[包括钢丝绳、天车、游动滑车（简称游车）和大钩]以及悬挂游动系统的井架组成。另外，还有起、下钻操作使用的工具及设备，如吊环、吊卡、卡瓦、大钳、立根移运机构等。

井架是钻采机械的重要组成部分之一，如图3-36所示，它在钻井和采油生产过程中，用于安放和悬挂天车（图3-37）、游车、大钩、吊环、吊钳、吊卡等起升设备与工具，以及起下、存放钻杆、油管或抽油杆。

图3-49闸板结构示意图旋转防喷器的结构特点是：橡胶芯子可以在抱紧钻杆的情况下随钻杆一起旋转，从而能够在封闭钻杆与套管环形空间的同时，满足边喷边钻的工艺要求。万能防喷器的胶皮芯子能在几秒钟内对任何钻具进行封闭，争取宝贵的抢险时间。当钻机上配备有闸板防喷器、旋转防喷器和万能防喷器三类防喷器时，它们既可以单独使用，也可以重叠使用，可以实现边喷边钻、不压井起、下钻和反循环钻井等钻井新工艺。大多数防喷器都配有手动和液动两套控制装置，以便在紧急情况下远距离控制。