钻井液循环模拟实验装置

Ⅰ 万米超深孔与连续循环钻井技术

万米超深孔面临着孔底高温高压工况（13000m超深孔孔底温度最高可达360℃，压力最大可达200MPa），由此带来泥浆、孔底动力钻具、井壁稳定性、钻杆柱等一系列难题。连续循环钻井系统是世界钻井界近年来出现的一项新技术和新装备，该技术在接单根时，仍保持钻井液的连续循环，可显著降低钻孔中温度，大大提高上述各项技术的适用性，同时，可有效避免接单根时由于停泵和开泵引起的井底压力波动和岩屑沉降；在整个钻进期间，实现了稳定的当量循环密度和不间断钻屑排出，全面提高了井眼质量和清洁度，可大幅度减少钻井事故，提高钻井作业的安全性与经济性，对万米超深孔钻探施工具有十分重要的意义。

连续循环钻井系统是实现连续循环钻井技术的关键技术，其综合了机、电、液、控制一体化等多学科技术，主要是利用主机腔体总成闸板的开合，形成和控制主机上下密封腔室的连通与隔离，与分流管汇配合，完成密闭腔室内钻井液通道的分流切换，实现在接单根中钻井液的不间断循环；利用动力钳、平衡补偿装置和腔体背钳的协同动作，实现在密封腔室内钻杆的自动上卸扣操作。

3.1.1 国内外研究现状

1995年，Laurie Ayling首先提出了连续循环钻井（CCD）的概念，即在接单根期间保持钻井液的连续循环，并申请了第一项专利；1999年，荷兰Shell NAM公司通过定量风险分析得出结论，连续钻井液循环将使非作业钻井时间减半，每口井作业成本可节省100万美元；2000年，连续循环钻井联合工业项目开始运行，该计划由Maris公司管理，并获得了ITF的资助和由Shell、BP、Total、Statoil、BG和ENI组成的“工业技术联合组织”的支持；2001年，项目选择Varco Shaffer作为设备制造与供应商参与研制。2003年，BP公司在美国Oklahoma的陆上井对一种连续循环系统样机进行了现场测试并取得了成功，随后开始了工程样机的设计和制造。2005年，在意大利南部的Agri油田以及埃及海上的PortFouad油田，ENI公司成功实现了连续循环系统的商业化应用。2006年至2008年，Statoil公司在北海油田利用连续循环系统钻成了6口井，均取得了巨大的成功。经过近10年的发展，目前国外连续循环系统已进入推广应用阶段，在ENI和Statoil公司取得显著成功后，BP、BG和Shell等公司也正在考虑首次使用此项技术。

国内主要是中石油钻井工程研究院自2006年起跟踪这一技术，并展开研究，经过多年的技术攻关，2012年4月9日，在中石油钻井工程研究院与渤海钻探钻井技术服务公司联合建成的科学试验井上，该院研发的连续循环钻井系统样机模拟试验过程中，样机基本动作成功实现，但系统的控制精度、可靠性还存在较大问题，样机在关键技术上还需进一步攻关研究。

3.1.2 关键技术

从技术发展的成熟度和现场操作的安全性考虑，研制连续循环系统应该是根据我国万米深孔钻探技术特点，发展具有自主知识产权的连续循环钻井技术。连续循环系统是集机、电、液、控制于一体的先进钻井技术装备，要成功实现国产化目标，首先必须对系统的关键技术展开深入分析和研究。连续循环系统的关键技术及难点主要包括以下几方面。

（1）高压动密封技术

在高压高温泥浆连续循环和钻杆运动（轴向、旋转）工况下，孔口连接系统上半封闸板与钻杆之间会产生相对转动和轴向运动，因此闸板的动密封性能是一个关键问题，目前国外产品在35MPa压力下每接40～50次钻杆就必须更换闸板。

（2）钻杆精确定位与连接技术

钻柱与钻杆接头在不可直接观察的压力腔中完成接、卸操作，钻杆的位置由顶驱上下运动控制，下部钻柱的位置则由卡瓦与连接器共同确定，如何保持钻柱和钻杆的螺纹接头处在一个较为合理的位置，便于螺纹对中，是连续循环动作是否能顺利完成的关键，也是系统提高效率的关键。

（3）钻杆连接螺纹与杆体保护技术

钻杆本体保护。在上卸扣过程中，极易造成钻杆本体损伤；尤其是动力卡瓦部分，既要承受钻柱的重量，又要提供足够的上卸扣扭矩，使钻杆本体与卡瓦牙板之间的受力状态非常复杂，极易引起钻杆打滑并损伤本体，甚至导致钻柱滑脱掉入井内。

钻杆接头的对接和旋扣均在密封腔内进行，操作人员无法直接观测到腔内情况，同时腔内的高压钻井液使接头螺纹承受很大的上顶力作用，如果操作不当，极易造成螺纹损伤，因此在接头对接和旋扣时，必须利用强行起下装置平衡钻井液上顶力作用，使螺纹啮合面上的接触力保持合适值；另外螺纹润滑脂必须具有防冲刷能力，避免接头螺纹发生粘扣。

（4）泥浆切换分流技术

泥浆分流控制的关键是保证循环压力稳定、无扰动，由于立管与旁通管道之间存在压力差异，因此直接切换容易引起泥浆循环压力的不稳定，同时高压泥浆也会对阀件产生冲刷和冲击作用。因此，在切换前，必须先对低压一侧管道进行充填增压，消除立管与旁通管道之间的压力差异，这样不仅可以保持泥浆循环压力稳定，同时也消除了对阀件的不利影响，可有效提高阀件使用寿命。

3.1.3 研究内容与简单方案

实现连续循环钻井技术的主要装置是连续循环钻井系统，连续循环系统控制较为复杂，安全可靠性要求高，在研制过程中必须针对高压动密封技术、钻杆精确定位与连接技术、钻杆连接螺纹与杆体保护技术、泥浆切换分流技术等关键技术进行深入分析和研究。

课题的研究可在充分调研国内外研究现状的基础上，比较分析典型的连续循环系统的结构，确定项目需开发的连续循环钻井系统主要由泥浆连接器、分流管汇装置、钻杆接卸机械手、控制系统、动力系统等部分组成。

（1）研究内容

主要研究内容如下：①国内外泥浆连续循环技术情报调研与分析；②泥浆连续循环控制流程制定；③泥浆连续循环系统实施方案（包括泥浆连接器、分流管汇装置、钻杆接卸机械手、控制系统、动力系统等）；④关键部件仿真分析研究；⑤样机的总体设计与各部分设计研究；⑥样机的制造与加工；⑦样机室内实验研究与现场实验研究；⑧连续循环配套钻探工艺技术与优化技术研究。

参考设计参数为：工作压力≤35MPa，钻杆外径，最大扭矩9kN· m，泥浆流量≤1200gpm（75.7L/s）。

（2）研究方案

泥浆连接器可由3个类似防喷器的结构组成，每个结构体内部各带有一个密封板，其中下结构体中的是反向密封闸板，中间的是盲板。最上部和下部的结构体中带有旁通和阀门，并连接分流管汇装置，作为接单根时充压、卸压和保持钻井液循环的通路；钻杆接卸机械手具有旋扣、紧扣及卸扣功能，同时在强行起下装置的驱动下能够上下移动，并带有动力卡瓦用于承受钻柱悬重，并提供上卸扣反扭矩；控制系统则为系统各执行部分提供动作驱动力与驱动指令，动力系统主要为液压站，提供驱动动力源。

针对泥浆联接器与分流管汇装置的研究可在三重闸板防喷器基本结构的基础上，进行技术的改造，增加泥浆分流通道，并注重局部细节设计，新材料选型等解决高压动密封技术难题，设计新型压力防冲击结构设计，解决泥浆分流切换的扰动难题。钻杆接卸机械手部分则通过优选控制元件、改进控制算法，保证钻杆与钻柱的精确定位、对中与连接；通过改善卡瓦牙板接触条件与材料，改进螺纹润滑密封，减少螺纹和杆体的伤害。动力系统采用液压驱动，模块化设计，并将手动与自动技术相结合，提高操作便利与可靠性。控制系统的逻辑控制信号主要是压力和位置检测，其中压力检测包括密封腔压力立管压力以及各执行机构工作压力等，而位置检测则是指闸板开合、泥浆阀开合、钻杆接头位置以及各执行机构动作位置等，通过冗余设计，确保逻辑控制信号的准确性和可靠性。

3.1.4 研究计划

课题研究努力争取多方面支持，特别是争取国家或行业科研立项支持，计划用5年时间完成连续循环钻井技术国内外情报调研分析、总体技术实施方案、关键技术与技术难点攻关，样机加工制造与装配、现场实验与优化等工作，通过连续攻关，开发出具有我国自主知识产权的、适应万米超深孔的连续循环钻井技术，并达到现场中试使用要求。

2013年1月～2013年6月，完成连续循环钻井系统的国内外情报调研，对比分析，提出连续循环系统开发的基本思路；

2013年7月～2013年12月，完成连循环钻井控制流程制定，连续循环钻井系统总体方案初步设计，并完成部分关键子系统设计方案初步研究；

2014年1月～2014年12月，完成连续循环钻井系统总体设计详细方案，各部分（泥浆连接器、分流管汇装置、钻杆接卸机械手、控制系统、动力系统）详细设计方案（初稿），各关键问题、难点问题（高压动密封技术、钻杆精确定位与连接技术、钻杆连接螺纹与杆体保护技术、泥浆切换分流技术等）详细解决方案（初稿），完成连续循环系统总图、各部分图纸、计算等初稿；

2015年1月～2015年6月，完成连续循环钻井系统关键部分的仿真分析研究，完成连续循环钻井系统总体设计方案（实施稿），完成各分部分设计方案（实施稿），完成并通过总体方案和分部分方案相关的图纸、计算书（实施稿）；

2015年6月～2015年12月，完成连续循环钻井系统样机的加工，完成连续循环系统的室内实验方案设计，完成连续循环系统现场实验方案设计。

2016年1月～2016年12月，完成连续循环钻井技术相关室内实验与现场实验研究，总结问题，提出新的优化和解决方案，完成连续循环配套钻探工艺研究；

2017年1月～2017年12月，根据优化方案进行整改，并结合多次实验，实现研究目标，撰写总结报告。

Ⅱ 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

Ⅲ 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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Ⅳ 钻井液固相控制系统

3.2.1 国内超深井泥浆泵、固控设备基本情况

3.2.1.1 泥浆泵

1）四川劳玛斯特高胜石油钻采设备有限公司。泵型号：LGF-1300、LGF-1600。

2）宝鸡石油机械有限责任公司。F-2200HL泥浆泵，主要配套9000m以上超深、特深井钻机以及海洋钻机。F-1300、F-1600泥浆泵，具有与LTV公司同类FB系列泵相同的制造技术要求和质量。

3）青州石油机械厂。SL3NB-1600，QF-1300、QF-1600系列钻井泥浆泵为卧式三缸单作用活塞泵。

4）胜利油田高原石油装备有限责任公司。泵型号：HL3ZB-1600、HL3ZB-1300、HL3ZB-1000。

5）胜利山东长青石油液压机械有限公司。泵型号：3NB系列钻井泵、F系列钻井泵等，如：CQ3NB-1300。

6）德州联合石油机械有限公司。泵型号：DTF-1600，DTF-1300等。

现在石油一般用青州石油机械厂生产的3NB-1600较多。

3.2.1.2 固控设备

固控循环系统，它按照振动筛、除砂器、除泥器、除气器、离心机、剪切泵等五级净化设备配置而设计，它能够满足钻井液的循环、泥浆加重、剪切及特殊情况下的事故处理等工艺要求。

1）天津大港油田集团中成机械制造有限公司。ZJ70/4500D钻机固控系统：振动筛型号GW-2；真空除气器型号ZCQ2/6；除砂器型号ZQJ300×2-1.6×0.6；除泥器型号ZQJ300×2-1.4×0.6；中速离心机型号LW450-1000-N1；砂泵型号；剪切泵型号 WJQ5"×6"-10"。

2）华北石油管理局固控装备制造配套中心（华北石油太行钻头厂）。大港ZJ70D钻机钻井液固相控制系统：振动筛、除气器、除砂清洁器、除泥清洁器、离心机等五级净化设备。振动筛（美国）型号DERRICK 2E48—90F-3TA；除气器型号ZCQ1/4；除砂清洁器型号NCS300×2；组合式旋流器（1台）包括除砂器和除泥器，除泥清洁器型号ZCNQ-120×8；离心机（1台）（美国）型号BRANDT HS3400。

3）中国石油化工股份有限公司华北分公司。四级净化设备配备，包括振动筛2台、除砂器1台、除泥器1台、离心机1台。振动筛型号ZS2×1.15×2/3P；除砂器型号NCJ-227；除泥器型号NJ-861；离心机型号LW355。

4）其他生产厂家还有：唐山澳捷石油机械设备、唐山冠能机械设备有限公司、西安天瑞石油机械设备有限公司、宝鸡翌东石油机械有限公司、铂瑞特机械设备有限公司、唐山市通川石油钻采设备有限公司等。

固控系统根据钻井要求配备，一般现在石油的五级固控系统就能满足万米超深井钻探的要求。

3.2.2 常用的固相控制方法

常用的固相控制方法包括机械清除、化学絮凝、沉淀除砂和稀释法。

3.2.2.1 机械清除法

通过机械设备来清除钻井液中的固相，常用的固控设备有振动筛、旋流除砂（泥）器和离心机等。

3.2.2.2 化学絮凝法

在钻井液中加入适量的絮凝剂（如部分水解聚丙烯酰胺），使细小的固相颗粒聚结成较大颗粒。其中包括全絮凝和选择性絮凝，全絮凝就是讲钻井液中全部固相。选择性絮凝则是保留泥浆中的有用固相（膨润土蒙脱石），絮凝掉泥浆中的无用固相（岩粉）。一般说来，选择性絮凝很难达到理想的效果。对于绳索取心来说，絮凝物呈紊状团块，密度小，沉降时间长，很多絮凝块可能又被送入孔内，为钻杆内壁提供了大量的结垢颗粒。

3.2.2.3 沉淀除砂法

就是通过现场沉淀池和循环槽，利用液流流速骤降，颗粒自重下降，清除掉钻井液中较大颗粒的岩屑。

3.2.2.4 稀释法

用清水或新的浆液直接稀释或替换一部分性能恶化的钻井液，使固相含量降低。稀释法虽然操作简单、见效快，但会使钻井液成本显著增加，替换出的钻井液的排放还可能会污染环境。

3.2.3 钻井液固相控制系统的核心——钻井液固控离心机

3.2.3.1 技术原理及计算

钻井液离心机的工作原理及设计思想如下：

离心机主要清除钻井液中大小为5～40μm的固相颗粒。离心机的工作原理如图3.1所示，主电动机通过滚筒上的皮带轮带动转鼓高速旋转，同时带动行星差速器外齿圈旋转；辅驱动电动机通过行星差速器中心轮带动螺旋推进器旋转。滚筒与推进器转向相同，但推进器转速比滚筒转速略低，使推进器与滚筒之间形成转速差。由于滚筒高速旋转，固相颗粒在离心力的作用下贴附于滚筒内壁，被推进器的叶片刮下并推到底流孔排出，经过分离的液相则由溢流孔排出，达到固液分离的目的。

图3.1 钻井液离心机结构示意图

3.2.3.2 离心机处理量与处理粒径的关系计算

以柱形转鼓为例进行计算：

固相重力沉降速度：v_o=d²Δρg/18μ；

固相在重力场中沉降速度：v=v_oF_r，其中分离因数F_r=ω²r/g；

图3.2 粒子在柱形转鼓中运行轨迹

如图3.2所示，固相从自由液面至转鼓壁所需时间：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

假定粒子在转鼓的轴向速度不变，则固相在转鼓轴向所走沉降区所需时间：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

根据分离条件t₁≤t₂，可求得离心机的生产能力为：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

将按级数展开，其中r₂-r₁=h为液层厚度，令，D=2r₂变换上式得到

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

式中：∑称为当量沉积面积，又称为离心机能力指数。由于∑=F_rA，而A与F_r均随r变化，因此取二者乘积的平均值：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

根据上公式计算出的处理量偏大，需要乘以一个修正系数：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

当离心机的结构参数确定的情况下上式可以转换为：

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

当上式计算出来的值小于流态临界值时（处理量随颗粒变化，理想状态），则离心机符合要求。

当离心机处理量一定时，则的固相会被清除。

影响钻井液离心机处理量与处理粒径的参数比较多，并且相互影响、相互制约。此处只是通过理论计算分析了离心机处理量与处理粒径之间的关系式，为设计确定离心机结构参数提供了一些理论原则。由于在整个钻井过程中，钻井液密度、黏度和固相含量是不断变化的，因此，离心机结构参数的优化，还有很多工作要做，这样才能使离心机发挥最佳工作性能，贴近钻井工艺的要求。

3.2.3.3 速度关系计算

行星齿轮差速器是离心机最重要的部件之一，保证主机通过差速传动实现螺旋推进器与滚筒的差转速，从而实现了对物料的分离和推料。图3.3是二级行星齿轮差速器的工作原理图。下面通过计算分析双电机驱动与单电机驱动两种模式下的转速差与差速比的关系。

图3.3 二级行星齿轮差速器原理图

（1）双电机驱动

根据周转轮系传动比公式，可得

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

ω₈=ω₀，ω₃=ω₅=ω，ω₄=ω₇代入式（3.2），可得

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

将式（3.3）代入式（3.1），可得

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

式中：ω₁为第一级太阳轮转速；ω₀为第二级系杆与螺旋推进器的转速；ω为差速器第一、第二级内齿圈及滚筒的转速；z₁，z₃，z₄，z₆分别为第一级太阳轮、第一级内齿圈、第二级内齿圈和第二级太阳轮齿数；z₅，z₇分别为第二级内齿圈和第二级太阳轮齿数。

当主驱动电动机未启动而辅驱动电动机启动时，则有传动比

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

若令Δω₀=ω-ω₀为滚筒转速与螺旋推进器转速的转速差，Δω₁=ω-ω₁为滚筒转速与差速器输入转速的转速差：则有

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

（2）单电机驱动

电机驱动转鼓，并将原输入轴固定，即ω₁=0。

科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（上册）

可见单电机驱动离心机可通过改变驱动电动机的转速，来改变滚筒与螺旋推进器的转速差，从而改变固体颗粒排出速度。

3.2.4 钻井液固相控制系统选型

以天津大港油田集团中成机械制造有限公司生产的ZJ70/4500D钻机固控系统为例。

3.2.4.1 概述

ZJ70D钻机固控循环系统，它按照振动筛、除砂器、除泥器、真空除气器、中速离心机、剪切泵等五级净化设备配置而设计，它能够满足钻井液的循环、泥浆加重、剪切及特殊情况下的事故处理等工艺要求。

该系统是综合了国内外钻井液循环净化系统优点的基础上，结合钻井工艺的实际需要而设计的新产品，它采用了许多成熟的新工艺、新技术，同时充分考虑了使用过程中的一些细节问题，具有设计合理、安装使用方便的特点。

钻井液净化系统符合SY/T 6276、ISO/CD14690《石油天然气工业健康、安全与环境管理体系》，固控系统所有交流电机及控制电路符合防爆要求。工艺流程和设备符合API 13C及相关的标准和规范。

该系统由于采用了集成模块化，装卸方便，既满足公路及铁路运输的要求，又满足吊车装卸也可用专用搬家车搬运，并能在井场内拖拉。

3.2.4.2 主要技术参数

（1）罐体数量

钻井液循环罐6个；泥浆材料房1个；泥浆储备罐2个；原油储备罐1个；冷却水罐1个；补给罐1个（固控系统流程布置图见图3.4，平面布置图如图3.5所示）。

图3.4 固控系统流程布置图

图3.5 固控系统平面布置图

（2）系统容积（表3.1）

表3.1 固控系统容积

（3）外形尺寸（表3.2）

表3.2 固控系统外形尺寸

（4）安装方式

钻井液净化罐双排安装，即1号、2号、3号罐、4号罐为一排，直线排列；冷却水罐、5号、6号罐为一排，直线排列在井场内侧；泥浆材料房安装在4号罐、5号罐一端；泥浆储备罐跟4、5号罐摆在一条直线上；原油储备罐在3号罐后；补给罐放在1号罐前面。

3.2.4.3 固控系统与钻机连接尺寸及主要配套设备

（1）连接尺寸

1）井口中心至1号罐侧壁的距离5m；

2）井口中心至1号罐一侧罐壁的距离16m；

3）井口中心至1号钻井泵中心距离22m；

4）三台钻井泵（型号F-1600）的中心距4.5m。

（2）泥浆净化设备及调配设备

主要包括：振动筛、真空除气器、除砂清洁器、除泥清洁器、离心机、砂泵、灌注泵、加重系统、剪切混合系统。

（3）主要配套设备（表3.3）

表3.3 固控系统主要配套设备

续表

3.2.4.4 钻井液罐的组成及工作原理

（1）一号罐

一号罐为4个仓，分别为补给仓、沉砂仓、一号除气仓、二号除气仓（表3.4）。

表3.4 一号罐组成及容积

一号罐前仓为补给仓，沉砂仓底座放置一台11kW补给泵和一台30kW砂泵。补给泵布置1条吸入管路、1条输出管路，补给仓内的泥浆来自中压泥浆管线，可由加重泵提供，为净化处理后的泥浆，在起钻过程中可以用补给泵补给泥浆。下钻过程中泥浆从井口到分配器至补给仓管线流回补给仓。沉砂仓上部装有振动筛三台，一号除气仓上部装有真空除气器一台，真空除气器吸入一号除气仓泥浆，30kW砂泵吸入二号除气仓泥浆接喷射漏斗，除气器处理后的泥浆经过喷射漏斗排至二号除气仓。二号除气仓装有15kW搅拌器一台。补给仓、一号除气仓和二号除气仓各装有旋转式泥浆枪1套。

（2）二号罐

二号罐为3个仓，分别为除砂仓﹑除泥仓和离心机吸入仓（表3.5）。

表3.5 二号罐组成及容积

二号罐罐面装有除砂器、除泥器、离心机供液泵各1台和15kW卧式搅拌器3台、旋转式泥浆枪3套。罐右端（从井口方向看）底座装有除砂泵和除泥泵各1台，可分别向除砂器和除泥器供液。

（3）三号罐

三号罐分为2个仓，分别为净化仓和剪切药品仓（表3.6）。

表3.6 三号罐组成及容积

三号罐装有2台15kW卧式搅拌器、旋转式泥浆枪2台。罐面配有1个2.5m³药品罐。罐面装有1个泥浆化验房。

（4）四号罐

四号罐分为3个仓。分别为储备仓、重泥浆仓和剪切药品仓（表3.7）。

表3.7 四号罐组成及容积

四号罐储备仓和重泥浆仓装有15kW搅拌器1台、旋转式泥浆枪1台。剪切药品仓装有15kW搅拌器1台。罐面留有洗眼台的位置。

（5）五号罐

五号罐分为1个仓，为加重预混仓（表3.8）。

表3.8 五号罐组成及容积

五号罐加重预混仓装有15kW搅拌器2台、旋转式泥浆枪2台。罐左端（从井口方向看）底座装有55kW加重泵2台，罐面装有2套混合漩流装置，罐外地面装有地面加重直喷漏斗1套。

（6）六号罐

六号罐分1个仓，为钻井泵吸入仓（表3.9）。

表3.9 6号罐组成及容积

六号罐钻井泵吸入仓装有2台15kW卧式搅拌器，2套旋转式泥浆枪。

（7）1号和2号泥浆储备罐组成及容积

1号和2号泥浆储备罐均分为一个仓（表3.10）。

表3.10 1号及2号泥浆储备罐组成及容积

（8）原油储备罐组成的容积

原油储备罐分为一个仓（表3.11）。

表3.11 原油储备仓容积

3.2.4.5 固控循环系统流程操作

（1）工艺流程特点（图3.6）

图3.6 固控循环系统流程

1）工艺流程设计满足泥浆五级净化及泥浆调配要求；

2）井口返出泥浆经净化设备处理及沉淀后，供钻井泵吸入，也可使用加重系统和剪切混合系统调配泥浆。

3）三台钻井泵吸入口，钻井泵可吸入3号罐、4号罐、5号罐和6号罐各仓泥浆。

4）加重系统可以从3号罐、4号罐、5号罐、6号罐以及泥浆储备罐任意仓吸入泥浆，并可将加重混合后的泥浆输送到上述罐任意仓中。

5）剪切混合系统利用4号罐所分隔出的13.4m³剪切药品仓，进行药品混合，剪切混合后的药品可通过输送管线直接输送至3号罐上2.5m³药品罐，可通过泥浆槽加入2号罐、3号罐、4号罐、5号罐、6号罐以及泥浆储备罐各仓。

6）各罐及各个仓之间有泥浆渡槽或连通管线连接，并装有可控制液面调节装置。

7）3号罐、4号罐、5号罐、6号罐以及泥浆储备罐各仓泥浆的倒换可用加重泵实现。

（2）工艺流程描述

1）钻井液净化大循环。

井口出来的泥浆通过管线可分别或同时输送到3台振动筛，经过振动筛处理后进入沉砂仓，从沉砂仓出来的泥浆经过泥浆渡槽进入除气仓，真空除气器除气后的泥浆经泥浆渡槽进入除砂仓，除砂泵吸入除砂仓的泥浆，将泥浆通过管线输送至除砂器，除砂器处理后的泥浆经过泥浆渡槽进入除泥仓，除泥泵吸入除泥仓中的泥浆，将泥浆通过管线输送至除泥器，除泥器处理后的泥浆经过泥浆渡槽进入中速离心机仓，中速离心机的供液泵吸入中速离心机仓中的泥浆，离心机处理后的泥浆经过泥浆渡槽进入净化仓，钻井泵可将其吸入并输送至井口。

2）加重流程（参考附图ZJ70D泥浆循环及净化系统流程图）。

5号罐为泥浆加重罐，设有两台加重泵。

两台加重泵都可以吸入3号罐、4号罐、5号罐、6号罐以及泥浆储备罐各仓的泥浆，并通过旋流器漏斗加重后，经加重输送管线将加重后的泥浆送至3号罐、4号罐、5号罐、6号罐以及泥浆储备罐各个仓。

在泥浆材料房装有地面加重直喷漏斗1个，3号罐、4号罐、5号罐、6号罐和泥浆储备罐也可通过地面加重漏斗进行加重。

两台加重泵可实现互为备用，即有一台加重泵出现故障，则另一台通过转换吸入和输出阀门便可代替其工作（流程图中加重泵吸入阀1～9为加重泵吸入各仓的罐底阀，加重泵输送阀1～9为加重泵排入各仓阀门）。

（3）钻井泵吸入流程

钻井泵可吸入3号罐、4号罐、5号罐、6号罐各仓泥浆。无须调拨泵调拨（流程图中钻井泵吸入阀1～8为钻井泵吸入各仓的罐底阀）。

（4）灌注流程

每个钻井泵的左侧安放一台灌注泵可以直接从3号罐、4号罐、5号罐、6号罐各仓吸入泥浆，为3台钻井泵进行泥浆灌注。

（5）剪切混合流程

剪切泵从4号罐所分隔出的13.4m³剪切仓内吸入泥浆，可进行反复剪切混合，剪切混合后的药品可通过输送管线输送至3号罐上2.5m³药品罐，药品罐药品可通过泥浆槽加入2号罐、3号罐、4号罐、5号罐、6号罐以及泥浆储备罐各仓。

（6）泥浆补给流程

一号罐前仓为补给仓，补给仓前摆放一个补给罐，沉砂仓底座放置一台11kW补给泵（1号），补给罐中也安装11kW补给泵（2号）一台。补给泵配有吸入、输出管路，补给仓和补给罐内的泥浆来自中压泥浆管线，可由加重泵提供，为净化处理后的泥浆，在起钻过程中可以用补给泵补给泥浆。下钻过程中泥浆从井口到分配器至补给罐管线流回补给仓。1号补给泵可以从补给仓中将泥浆打到补给罐中，另外，在沉砂仓清砂前，1号补给泵可通过另一条通至沉砂仓的吸入管线，将沉砂仓中的泥浆倒至补给仓或补给罐。

Ⅳ 急！请问标准的钻井液（泥浆）实验室需要哪些设备

比重称、漏斗粘度计、泥浆失水量仪、泥浆固相含量测定仪、泥浆含砂量测定器、六速旋转粘度计、PH广泛试纸、气压失水量仪、高速搅拌机、低速电动搅拌机、搪瓷量杯、量杯、量筒、烧杯等、维卡仪、流动度仪、微型压力仪、天平等。

Ⅵ 钻井液、完井液引起储层损害评价新方法——高温高压岩心动态损害评价系统的研究

余维初^1，2，3苏长明¹鄢捷年²

（1.中国石化石油勘探开发研究院，北京100083；2.中国石油大学（北京），北京102249；3.长江大学，荆州434023）

摘要 高温高压岩心动态损害评价系统是石油勘探开发中评价储层损害深度与程度的新的评价实验方法与实验仪器，它可以测量岩心受入井流体损害前各分段的原始渗透率值，然后不需取出岩心，就可以直接在模拟储层温度、压力及流速条件下，用泥浆泵驱替高压液体罐中的入井流体，在岩心端面进行动态剪切损害。损害过程完成后，也不需取出岩心，而是通过换向阀门改变流体的流动方向，再由平流泵驱替液体，测量储层岩心受损害后各段的渗透率值。通过对比岩心各分段的渗透率变化情况，即可确定岩心受入井流体损害的深度和程度，从而优选出满足保护油气层需要的钻井液与完井液。目前“评价系统”及配套智能化软件已在多个油田企业投入使用，并取得了良好的应用效果。

关键词 岩心 储层保护 动态损害 评价系统 钻井液与完井液

A New Method Used to Evaluate Formation Damage Caused by Drilling ＆ Completion Fluids——Investigation of the HTHP Core Dynamic Damage Evaluation Testing System

YU Wei-chu^1，2，3，SU Chang-ming¹，YAN Jie-nian²

（1.Exploration ＆ Proction Research lnstitute，SlNOPEC，Beijing100083；2.China University of Petroleum，Beijing102249；3.Yangtze University，Jingzhou434023）

Abstract The HTHP Core Dynamic Damage Evaluation Testing System is newly developed a new method and apparatus used for evaluation of the extent of formation damage caused by drilling and completion fluids in petroleum exploration and development.It can be used to measure the original permeability of each section of the core sample before contamination by the drilling or completion fluid.Then，the core does not need to be taken out and the process of dynamic damage can be directly concted by flushing with the drilling or completion fluid using mud pump under the conditions of the simulated formation temperature，pressure and flow rate.After the damaged process is completed，the core is still kept in the holder and the permeability of each section of the core sample after damage can be measured by altering the flow direction with the reversal valve and flushing a fluid（cleaning water or kerosene）by the constant flow-rate pump.By comparing the permeability data that occur at each section of the core sample，the damage level and invasion depth can be determined，and the drilling and completion fluids that meet the requirements of formation protection can be selected.Currently，the new evaluation method，the testing system and associated software for formation damage inced by drilling fluid and completion fluids were applied in several oilfields widely，and favorable results have been obtained.

Keywords core formation protection dynamic damage testing system drilling and completion fluids

随着世界石油生产的不断扩大与发展，油层伤害与保护的问题日益为各国石油工程师们所关注。油层伤害一旦产生，其补救措施需要付出昂贵的代价。因此，国外早在20世纪40～50年代就开始了油层伤害与保护的室内试验研究。我国也在20世纪70～80年代开始着手研究油层伤害问题，并建立了相应的储层损害评价实验方法及相关仪器。然而随着油气田勘探与开发逐步转向深层，原有的储层损害评价方法已不能适应。因此，要想在油气层保护技术领域取得突破性成果，有必要建立一套完整的、能够适应更深的地层勘探开发的储层损害评价新方法和与之相配套的评价手段，既可以测量岩心各段的原始和损害后渗透率，又能模拟储层温度、压力及泥浆上返速度等条件对岩心进行动态损害评价的新方法、新仪器。

本文主要介绍了该“评价系统”的设计思路、设计原理、技术性能指标、实验参数计算方法及其应用情况。

1 “评价系统” 的设计思路和工作原理

1.1 设计思路

（1）该“评价系统”首先要能够测量岩心各段的原始渗透率（K_oi）和受损害后渗透率（K_di）。根据本项目组的专利技术渗透率梯度仪（专利号：91226407.1）的工作原理和设计思路，由达西定理公式便可很方便地计算出岩心各段损害前后的渗透率参数。

（2）根据本项目组专利技术新型智能高温高压岩心动态失水仪（专利号：ZL200420017823.7）的工作原理和设计思路，在模拟地层温度、压力、井眼环空泥浆上返速率的条件下对岩心某个端面进行动态剪切污染损害实验。

（3）根据本项目组专利技术高温高压岩心动态损害评价实验仪（专利号：200410030637.1，ZL200420047524.8）在渗透率测量完成后，不需取出岩心，而是在模拟地层温度、压力、井眼环空泥浆返速的条件下对岩心进行动态污染实验。在对岩心进行动态损害时，利用相关阀门，关闭岩心多段渗透率的测量机构，采用特制泥浆泵，在模拟地层温度、压力和井眼环空泥浆上返速度的条件下，对岩心的某个端面进行动态剪切污染，动态污染采用端面循环剪切式结构。实现一次装入岩心就可以在模拟地层温度、压力、井眼环空泥浆返速的条件下对岩心进行动态污染，以及污染前后岩心多项渗透率参数测试的评价实验研究。

（4）在多段渗透率测试过程中“评价系统”的重要组成部分使用了本项目组的专利技术高压精密平流泵（专利号：ZL02278357.1）首次实现恒流、恒压以及无脉动微量液体的输送技术。

（5）“评价系统”的核心部分使用了本项目组的专利技术岩心夹持器（专利号：ZL93216048.4）首次采用金属骨架硫化技术、“O”型密封圈技术以及橡胶的自封原理，打破了老型产品的挤压式密封结构，顺利地实现了沿岩心轴向建立多测点技术。

该“评价系统”的一个突出特点是将岩心损害前后各段渗透率变化测试和对岩心端面的动态污染损害机构有机地结合起来，从而顺利地实现了设计目的。

1.2 仪器的组成结构及工作原理

为了实现在同一台仪器上完成岩心的多段渗透率测试和模拟井下条件对岩心的动态损害，从而准确高效地评价钻井液保护油气层的效果，根据钻井工艺要求和上述设计思路，把高温高压岩心动态损害评价系统设计成如图1所示的工艺流程，它主要由精密平流泵、泥浆泵、液体罐、端面动循环并带多个测压点的岩心夹持器、流量计、电子天平、气源、压力传感器、温度传感器、环压泵、回压控制器、加热系统、数据采集与处理系统等部分组成。

图1 高温高压岩心动态损害评价系统流程

1—气源；2—高压减压阀；3—高压液体罐；4—泥浆泵；5—流量计；6—电子天平；7—回压控制器；8—环压泵；9—端面循环的多测点岩心夹持器；10—阀门；11—压力传感器；12—精密平流泵；13—排污阀；14—数据采集器；15—数据处理系统（计算机、打印机）；16—加热体

其主要工作原理是：当关闭泥浆泵及相关阀门时，由精密平流泵驱替可进行岩心损害前后渗透率的测试；而当打开泥浆泵、流体管路及相关阀门时，可对液体罐中的钻井液或完井液在实际储层条件下进行循环，从而实现对储层岩心端面进行动态损害模拟。软件界面如图2右上角所示。

“评价系统”由两大部分组成：钻井过程的动态损害仿真系统和多段渗透率测试系统。在动态损害仿真系统中（如图2左边部分），氮气瓶给泥浆罐加压，泥浆循环泵控制流量，使钻井液以一定的压力和流量从泥浆罐里泵出，通过岩心夹持器与岩心的端面接触，对岩心端面进行高温高压动态损害评价实验，最后流回泥浆罐，形成密闭循环。在压力作用下，泥浆中的液体经过岩心而滤失，其动态失水经过管线流到电子天平称重，就可以测量出岩心的动失水速率等多项实验参数。

在渗透率测试部分（如图2右边部分），精密平流泵驱动实验液体进入岩心，经过岩心流至电子天平。另外，多个压力传感器实时采集岩心各测压点的压力值，根据达西定理进而可以算出岩心损害前后各分段的渗透率参数。

图2 高温高压岩心动态损害评价系统软件界面

1.3 数据采集与控制原理

1.3.1 硬件设计的总体思路

该“评价系统”控制部分硬件设计应具备以下主要功能：①温度控制，模拟井下高温工况；②流量控制，能够根据流量设定值准确地控制磁力泵的排量，从而控制岩心端面钻井液的流速，以模拟钻井作业过程中实际泥浆环空返速；③围压监测，岩心夹持器围压通过步进电机控制，仪器能够根据设定值自动控制并监测压力，实时显示在人机交互界面上；④仪器工作压力监测，泥浆循环的工作压力由气源调节给定，同时受泥浆温度的影响，软件仪器自动检测压力参数；⑤动滤失量计量，钻井液对岩心的损害是否已经完成，主要是看动滤失速率，当损害已充分时，动滤失速率曲线上升趋于平衡，不再变化或变化微小，说明钻井液对岩心的动态损害实验已经完成，这个过程一般需要150min，滤纸的动静滤失速率道理也是一样。

1.3.2 软件部分

该“评价系统”控制软件的人机交互、数据处理等功能由PC机完成，借助PC机强大的绘图、数据处理功能为用户提供一个实时性好、稳定性强、界面直观、使用方便的操作管理平台。用户可通过计算机软件非常清晰地掌握整个仪器运行的情况，可方便、及时地对实验过程中的各项参数进行调整，并对数据进行分析。为研究人员提供友好、便捷的人机交互全中文界面及数据处理环境，同时实现数据的存储，实验曲线的绘制，数据报表的输出和历史数据的查询等功能，其中包括流体通过岩心的孔隙体积倍数，岩心各段的渗透率、渗透率损害率、渗透率恢复率、钻井液与完井液通过岩心时的动滤失速率等实验参数，并且由计算机直接打印出实验数据报表，“评价系统”控制软件的人机交互主界面见图2所示。

1.4 主要技术指标

该“评价系统”的主要技术性能指标如下：（1）钻井液与完井液污染压力：0～10MPa，测量岩心渗透率流动压力最大可达60MPa；（2）工作温度：室温～150℃（最大可达230℃）；（3）岩心端面流体线速度：0～1.8m/s；（4）实验岩心规格：人造或天然储层岩心，其尺寸为φ25×25-90；（5）测压精度：±2‰；（6）钻井液用量：2～3L；（7）渗透率测量范围：（1～5000）×10^-3μm²；（8）电源：220V，50Hz（要求使用稳压电源）。

与其他油气层损害评价实验装置相比，该“评价系统”无论在工作压力和工作温度方面，还是在岩心的渗透率测量范围方面，均具有明显优势。不难看出，它适用于各种渗透性储层，以及出现异常高压或异常低压的储层，还适用于在井底温度超过150℃的深井中应用。

2 实验参数及计算方法

2.1 V_返的计算

在钻井过程中，钻杆和钻铤处的环空返速可用下式进行计算：

油气成藏理论与勘探开发技术

式中：Q为钻井现场泥浆泵排量（L/s）；D₁，R分别为钻头直径和半径（in）；D₂，r分别为钻杆或钻铤的直径和半径（in）；

为泥浆在环空处的上返速度（m/s）。

岩心端面处剪切速率的大小通过使用变频器调节泥浆泵的转速来实现，选择合理排量的泥浆泵就可以任意模拟钻井现场泥浆泵的排量。在钻井过程中，根据泥浆环空水力学计算结果，当钻杆或钻铤处环形空间泥浆的上返速度

推荐值为0.5～0.6m/s时，才能形成平板型层流，从而满足钻井工艺的要求^［4］。

2.2 岩心动滤失速率的计算

根据钻井液动滤失方程，钻井液或完井液通过岩心时的动滤失速率可使用下式计算：

油气成藏理论与勘探开发技术

式中：f_d为动滤失速率（mL/cm²·min）；Δθ为Δt时间内的动滤失量（mL）；Δt为渗滤时间（s）；A为岩心端面渗滤面积（cm²）。

2.3 动态污染损害前后岩心各段渗透率的计算

在一定压差的作用下，流体可在多孔介质中发生渗流。一般情况下，其流动规律可用达西定律来描述。因此，在动态污染前后，岩心各段渗透率参数的计算可通过应用达西定律公式来实现。由于是多点测试，可以将达西定律公式写成：

。

3 实施效果

该项目技术产品已在江汉、江苏、大庆、大港、吉林、中原、南方勘探公司、克拉玛依、塔里木等各油田单位推广了五十多台套，大量的实验研究表明，使用效果良好，它可以测量出岩心沿长度方向的非均质性，并能判断同一岩心在受钻井、完井液损害前后各段渗透率和损害深度程度，也可评价各种增产措施的效果，优选钻井、完井液体系配方、优化增产措施，达到保护油气层的目的，并认识了油气层特性，提高了油气田的勘探和开发效率。上述各油田通过该“评价系统”筛选出的优质钻井、完井液，起到了保护油气层的效果，既降低了生产成本，又提高了油气井产量，已经取得了巨大的经济效益和社会效益。该成果的推广应用为保护油气层技术研究和油气田评价工作的开展提供了全新的评价手段和评价方法，还使得其在理论和实验技术上获得了重大突破，其实验研究结果对油气田勘探与开发方案的科学决策、油气田的发现、提高油气井产量、延长油田的开发周期以及保护油气层领域的科学研究将起到十分重要的指导作用。

该评价新方法以及相关技术产品使科研成果及时转化为生产力，填补了我国在相关实验技术领域装备制造上的空白，具有同类技术的国际先进水平。

参考文献

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［8］Appartus and method for measuring relative permeability and capillary pressure of porous rock.US5297420，1994.3～29.

Ⅶ 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

Ⅷ 钻井中常用的固控设备有哪些，每种设备能

钻井中常用的固控设备：泥浆振动筛，泥浆清洁器，真空除气器，除砂器，除泥器，中速离心机，高速离心机，泥浆搅拌器，泥浆搅拌罐，射流混浆器，砂泵及其他泵类等。

每种设备承担的任务不同，可以简单理解为，越靠前的固控设备过滤大颗粒的物体，越靠后的固控设备则处理的颗粒粒径越小。通过多级固控，使得泥浆达到井场能用的目标。

钻井固控系统