高溫鉆井液檢測儀器國內外發展現狀
3.3.1 高溫高壓流變儀
高溫流變性是高溫鉆井液的重要參數之壹，直接影響鉆速、泵壓、排量、懸浮及攜帶巖屑、井眼清潔、井壁穩定、壓力波動及固井質量等，因此國內外非常重視高溫流變儀的研發。典型生產商為美國Fan公司、OFI公司、Grace公司等。其典型產品有如下。
3.3.1.1 OFITE1100高溫加壓流變儀
美國OFI公司研制生產的OFITE1100高溫加壓流變儀是壹個全自動測試系統，能夠根據剪切力、剪切速率、時間、壓力、溫度等參數來準確測試壓裂液、完井液、鉆井液、水泥漿的流變特性，並實時顯示和同步記錄剪切應力、剪切率、轉速、壓力、容池和樣品溫度。可以在實驗室使用也可以在野外使用，可選擇防水移動箱，帶輪子，移動方便。OFITE高溫高壓流變儀壓力可達到18MPa，溫度可到260℃，最低0℃。另外還有冷卻系統，冷卻樣品（圖3.1）。
圖3.1 OFITE 1100高溫加壓流變儀
獨特的ORCADA（OFITE R（流變儀）C（控制）and D（數據）A（采集）），軟件簡單。全新的KlikLockTM快速鏈接技術與重新設計的樣品杯相結合，便於拆卸和維修。全新的SAFEHEATTM系統是壹個安全、精確、環境友好、高效的空氣傳輸加熱系統，使得操作更安全簡單，清洗更快速。
3.3.1.2 OFITE高溫高壓流變儀
根據剪切力、剪切速率、時間和壓力直到207MPa和溫度最高至260℃條件，全自動系統準確測定完井液、鉆井液、水泥漿的流變特性。選配冷水系統後，可使測試系統適應於需要冷卻的測試樣品，進壹步增加了儀器的應用範圍（圖3.2）。
圖3.2 OFITE高溫高壓流變儀
使用羅盤來測定扭矩附件頂部磁鐵的轉動。如果沒有對儀器進行補償，防護罩內動力驅動磁鐵的影響。地球磁場的影響、防護罩磁性的影響、彈簧非線性的影響、實驗室磁場和材料的影響、非理想流體流動的影響、產品結構微小變化的影響等綜合結果使測定角度顯示非線性關系。計算機可以容易地完成這些影響的補償。
3.3.1.3 Ceast毛細管流變儀
毛細管流變儀分為單孔型和雙孔型，應用於熱塑性聚合物材料的質量控制和研發工作。在CeastVIEW平臺下，通過VisualRHEO軟件控制儀器。可實現以任意恒剪切速率或活塞桿速度測量。雙孔料筒結構獨立采集分析每個孔所測得的試驗數據。可選各種專用的軟件。可選配多種測量單元：熔體拉伸試驗、口模膨脹、狹縫口模。PVT、半自動清洗等。Rheologic系列：最大力50kN；速度比1∶500000；活塞速度0.0024～1200mm/min。工作溫度50℃～450℃（選配500℃），有兩個PT100傳感器控制。可快速更換的載荷傳感器（範圍：1～50KN），壓力傳感器範圍3.5～200MPa（圖3.3）。
圖3.3 毛細管流變儀
3.3.1.4 Haake RV20/D100高溫高壓黏度儀
Haake RV20/D100該高溫加壓旋轉黏度計的使用上限為203kPa（1400psi）和300℃，它由兩個固定在加熱器上的同軸圓筒組成。外筒用螺栓固定在加熱器（高壓釜）的頂部，內筒支承在滾珠軸承上（外筒通過軸承將內筒托住）。內筒或轉筒靠磁耦合與壹個Rotovisco RV 20相連接。內筒作為轉子，釜外的驅動機構通過電磁耦合帶動內筒轉動；內筒通過電磁耦合將其所受的轉矩傳遞給釜外的驅動機構，使其轉過壹個角度（圖3.4）。
圖3.4 Haake RV20/D100剪應力測試原理
可用計算機控制來自動描繪流變曲線。該儀器在0s-1～1200s-1範圍內可連續變化，並且自動進行數據分析。施加在轉軸上的扭矩可被反應靈敏的電扭力桿測得。測量電扭力桿扭轉的角度即為所施加的扭矩值。剪切應力可由扭矩值通過合適的剪切應力常數來計算得出。
3.3.1.5 美國Grace公司專利產品MODEL 7400/M7500
M7400流變儀包含250mL的漿杯總成，安裝在儀器加壓的測試釜體內，漿杯易於取出，方便漿杯裝樣和清洗。流變儀可配備不同的內筒/轉子（外筒）組合，提供了不同的測量間隙尺寸。轉子（外筒）按需要的速度圍繞內筒轉動，由於內筒和轉子（外筒）之間的環型區域內的液體被剪切，傳導到內筒上的扭矩用壹個應力表類型的扭矩傳感器測量（圖3.5）。
圖3.5 M7400流變儀
儀器加壓用壹個空氣驅動液壓泵，礦物油作為壓力介質，連接到高壓泵上的可編程壓力控制器控制壓力的升壓和保壓，漿杯下的葉輪循環流動壓力油改善溫度控制效果，葉輪也用於提供均勻的樣品加熱效果，溫度控制采用壹個連接到內部4000W加熱器和熱電偶的溫度控制器控制，漿杯中心內筒頂部的熱電偶用於測量實際樣品溫度，馬達驅動轉子（外筒）在壹定速度範圍內轉動，樣品黏度根據測量出來的剪切應力和剪切速率計算出來。
M7500是專為復雜樣品進行簡單測試而設計的高溫、超高壓、低剪切、自動、數字流變儀。該儀器專利的測量機構設計消除了昂貴和易損的寶石軸承，可以進行大範圍的測量。由於它獨特的設計，使其便於維護並大大簡化了操作流程。基於微軟數據庫作為支持友好的用戶界面，測試結果自動化的壓力，速度和溫度控制，使實驗結果更加精確和壹致，標準的API實驗可由觸摸式LCD屏幕或者在計算機上單擊鼠標來實現（表3.5）。
表3.5 M7500技術參數
M7500與其他同類產品相比，測試時間短且更容易操作；它不含有易碎和昂貴的精密軸承，維修成本低；最先進的速度控制使得低剪切率測試成為可能，自動剪切應力校準在很大程度上簡化了操作程序。
3.3.1.6 Fann流變儀
（1）Fann稠度儀
Fann稠度儀是壹種高溫高壓儀器，試驗的泥漿在套筒內承受剪切，其最高工作壓力和溫度分別為140MPa和260℃，其測量原理見圖3.6。它通過安裝在樣品釜兩端的兩個交替充電的電磁鐵產生的電磁力，使軟鐵芯作軸向往復運動。存在於運動鐵芯與樣品釜釜壁之間的環形間隙內的泥漿受到剪切，泥漿黏度越高，鐵芯運動越緩慢，從壹端運行到另壹端所用的時間也就越長，泥漿的相對黏度就用鐵芯的運行時間來衡量。Fann稠度儀不能測量絕對黏度，通常將其結果作為相對黏度。這是因為電磁鐵施加給鐵芯的是壹個不變的力，使鐵芯在被測泥漿中從速度為零加速至終速度，在常用的泥漿中鐵芯不能總是勻速運動，因此不能按不變的或確定的環空剪率進行分析。在實際使用中，常用於測量水泥漿的稠度。
圖3.6 Fann稠度儀原理圖
（2）Fann 50C高溫高壓流變儀
Fann50C高溫高壓流變儀是高溫高壓同軸旋轉式黏度計，其最高工作壓力和溫度為7MPa和260℃，其剪應力測量原理如圖3.6。泥漿裝在兩個圓筒的環狀間隙裏，外筒可用不同轉速旋轉。外同在泥漿中旋轉所形成的扭矩，施加在內筒上，使內筒轉過壹個角度。測量這壹角度，即可確定其剪應力值。測量數據用X-Y記錄儀以曲線形式輸出。其轉速可在1～625r/min範圍內無級調速。
Fann 50C早期產品由壓力油提供壓力，適合於作水基泥漿的高溫高壓流變性測試，壓力油對油基泥漿試驗結果影響較大。Fann 50C中期產品有兩種形式，既可由壓力油提供壓力，也可由高壓氮氣或空氣提供壓力。近期產品則只有由高壓氣源提供壓力壹種形式。采用氣壓形式後，就不存在壓力油對泥漿汙染和對測試結果的影響。
（3）Fann 50SL高溫流變儀
50SL是Fann 50C的改進型產品，它在Fann50C原有結構基礎上，新增加了壓力傳感器，冷卻水電磁閥和遠程控制器（RCO），是壹款高精度的同軸旋轉型黏度計，該儀器具有廣泛的通用性，可解決多種黏度測試問題或完成許多程序測試，Fann 50SL（圖3.7）可以測試特殊剪切速率下的流體的流變特性，如賓漢塑性流體和假塑性流體（包括冪律流體）和膨脹性流體，觸變性和膠凝時間也可以測試出來，實驗可以在剪切率、溫度和壓力精確控制的狀態下進行。
該黏度計可以測試出剪切力-剪切率值，也可得到在流變狀態下的剪率特性，通過選擇合適的扭簧、內筒和外筒可得到很寬的黏度測量範圍（量程從50到64000dyn/cm2之間的剪力範圍）。
最高溫度260℃，壓力7MPa（1000psi）條件下的測試。使用該儀器必須在連接遠程控制器和壹臺合適的電腦的條件下，其控制操作由儀器將傳感器信號通過接口傳送到計算機，計算機再把正確的控制信號輸出給Fann 50SL。加熱、施壓和轉子速度的控制由專門軟件的輸入來控制。在各種剪切速率下的表觀黏度、時間依賴性、連續剪切和溫度效應引起的變化等可快速而準確地測定。50SL是壹般流變特性，包括鉆井液高溫穩定性測定的理想儀器。唯壹不足的是該控制軟件中不具備將曲線在打印機上輸出的功能。
（4）Fann 75流變儀
主要用來測量不同溫度、壓力和剪切速率下鉆井液的剪切應力、黏度。最高測量溫度為260℃，最高測量壓力為138MPa，儀器如圖3.8所示。
該儀器同其他“旋轉”式流變儀工作原理壹樣，轉子/浮子組合如圖所示。
（5）Fann IX77流變儀
範氏IX77型全自動泥漿流變儀（圖3.9）是第壹臺在高壓（30000Psi）和高溫（316℃）的極端條件下測量流體流變性的全自動流變儀。另外，如果配上壹個軟件控制的制冷器可以使實驗在室溫以下的溫度進行。
圖3.7 Fann 50SL高溫流變儀
圖3.8 Fann 75流變儀
該儀器是同軸圓筒測量系統，它使用壹個精密的磁敏角度傳感器來檢測內嵌寶石軸承的彈簧組合的角度，傳感器系統可以校準到±1℃。電機轉速實現了0～640r/min無級調速的全自動控制。
儀器的特點在於借助內嵌微電腦和巧妙的機械及電路設計而帶來的非常安全的傳動機構。它的軟件使儀器的操作、數據采集、輸出報告和報警功能自動進行，最大限度的擴展其應用範圍，給操作帶來較大的靈活性。
IX77禁止用於測試具有赤鐵礦、鈦鐵礦、碳酸鐵成分的或者含有磁性的活亞鐵成分的混合物、溶液、懸浮液和試劑的樣品。
其他高溫高壓流變儀如Chandler 7400（工作極限條件：140MPa和205℃）和Huxley Burtram（105MPa和260℃）與以上類型工作原理相似。
圖3.9 Fann IX77 流變儀
3.3.2 高溫高壓濾失儀
泥漿在鉆井時向地層滲濾是壹個復雜的過程，影響因素較多，它包括在泥漿液柱壓力和儲層壓力之間的壓差作用下，發生的靜止濾失。包括在該壓差下，泥漿在流動狀態下的動濾失，這種流動是由泥漿循環時的返流和鉆柱旋轉時的旋流所引起，它對井壁過濾面產生沖刷作用，影響了滲濾的過程。
高溫高壓濾失儀是壹種在模擬深井條件下，測定鉆井液濾失量，並同時可制取高溫高壓狀態下濾失後形成的濾餅的專用儀器。溫度和壓力在濾出液控制中起著很大的作用。
3.3.2.1 海通達高溫高壓濾失儀
（1）GGS系列（圖3.10；表3.6）
圖3.10 GGS-71型高溫高壓濾失儀
表3.6 GGS系列儀器參數
其中GGS42-選用單孔單層活網鉆井液杯，濾網目數50。
GGS42-2和GGS71-A使用不銹鋼外殼，添加特殊保溫層，熱傳遞效率高，選用通孔單層活網鉆井液杯，濾網目數50；GGS42-2A和 GGS71-B使用不銹鋼外殼，添加特殊保溫層，熱傳遞效率高，選用通孔單層活網鉆井液杯，濾網目數60，有獨立溫度控制系統，采用國外先進的電子溫控器。
（2）HDF-1型高溫高壓動態濾失儀
HDF-1型高溫高壓動態濾失儀克服了靜態濾失儀的不足，使測試結果更加接近井下實際情況。該儀器由電機驅動的主軸帶動杯體內的螺旋葉片對鉆井液進行攪拌。通過SCR控制器控制變速電機，數字顯示主軸轉速（表3.7；圖3.11）。
表3.7 儀器的主要技術參數
圖3.11 HDF-1型濾失儀
3.3.2.2 OFI公司高溫高壓動態全自動失水儀
OFITE高溫高壓動態失水儀在動態鉆井條件下測量濾失特性。馬達驅動裝配有槳葉的主軸在標準500mL HTHP泥漿池中旋轉，轉速設置範圍為1～1600r/min，模擬鉆井液高溫高壓池中以層流或紊流形式流動。測試方式完全和標準的高溫高壓濾失儀壹樣，唯壹的差異為濾出物收集時鉆井液在高溫高壓池中流動循環。由於濾失介質為普通的圓盤（disk）材質，因此測定結果跟別的或以往的有充分的可比性，該儀器能夠和電腦相連，並自動畫出曲線。最高壓力8.6MPa，最高溫度260℃（圖3.12）。
圖3.12 OFI高溫高壓動態濾失儀
技術特征：①壹款分析轉動中鉆井液的真正循環濾失儀；②變速馬達，1/2Hp永久磁鐵，直流；③池頂帶蓋得以輔助管路連接，移去堵頭，可以添加額外的鉆井液添加劑；④安全校正的防爆片，保證過壓安全；⑤馬達和轉動主軸轉動轉速操作保證1∶1；⑥可調螺旋槳改變到濾失介質距離；⑦可調熱電偶溫度38～260℃；⑧可選的濾失滲透性濾片；⑨500mL容積的不銹鋼高壓池。
3.3.2.3 美國Fann高溫高壓動態全自動失水儀
Fann90高溫高壓動態失水儀使用人造巖心濾筒，濾液從巖心濾筒側壁濾出，能很好地模擬鉆進過程中鉆井液從井壁濾失的過程，不但能測試在壹段時間內累積的濾液量，而且可以繪制濾液隨時間變化的濾失曲線。Fann90的最高工作壓力可達17.2MPa，最高工作溫度260℃。該儀器可與電腦和打印機連接，自動化程度高，操作方便，是當前最先進的高溫高壓動態失水儀（圖3.13）。
圖3.13 Fann90 高溫高壓動失水儀
3.3.2.4 LH-1型鉆井液高溫高壓多功能動態評價實驗儀
“抗高溫高密度水基鉆井液作用機理及性能研究”的多功能動態評價實驗儀，是壹種鉆井液用智能型多功能動態綜合評價實驗儀。該儀器能模擬鉆井過程中的井下情況評價鉆井液性能，並將鉆井液多項高溫高壓性能評價實驗集於壹體，達到壹儀多用的目的（圖3.14）。
圖3.14 鉆井液多功能動態綜合測試儀實物圖
該儀器可以進行高溫高壓靜/動態濾失、高溫高壓鉆屑分散、高溫高壓動態老化等若幹項實驗，采用電腦工控機控制實驗過程，實時顯示實驗狀態、自動采集、處理、顯示實驗數據，實現智能化實驗操作。
儀器主要技術指標：工作溫度0～300℃；工作壓力0～40MPa；轉速0～1200r/min，無級調速；釜體容積800mL；冷卻速率200℃～室溫/10min。
3.3.3 高溫滾子爐
溫度的影響對鉆井液在鉆井內的循環是非常重要的。熱滾爐的作用是評定鉆井液循環與井內時溫度對鉆進的影響。
高溫滾子爐包括爐體、滾筒及滾筒帶動的陳化釜。陳化釜設有壹釜體，釜體上部設有釜蓋，釜體與釜蓋之間設有密封蓋，釜蓋上垂直於釜蓋設有壓緊螺栓，將密封蓋與釜體壓緊。密封蓋與釜體之間設有密封環，所述的密封環為四氟乙烯材質。覆蓋上設有排氣閥，排氣閥穿過密封蓋與釜腔相通，排氣閥兩端設有O型密封圈，密封圈為四氟乙烯材質。釜蓋與釜體上設有支撐環，支撐環為四氟乙烯材質，爐門邊緣設有密封墊，密封墊為四氟乙烯材質。該滾子爐耐高溫、密封效果好，而且體積小、安全系數高，便於使用。
3.3.3.1 青島海通達XGRL-4高溫滾子爐
滾子爐是壹種加熱、老化裝置。采用微處理器智能控制技術，直接設定，數字面板顯示，並可進行偏差指示。適用範圍為50～240℃，滾子轉速為50r/min（圖3.15）。
圖3.15 XGRL-4型高溫滾子爐
該滾子爐采用鋼架結構、矽酸鋁保溫層、不銹鋼外殼；滾筒采用優質金屬材料滾筒和框架、四氟石墨軸承，重量輕、轉動平穩；其加熱系統采用兩根700W加熱管加熱；動力系統由大功率調速電機鏈帶動滾子轉動，傳動平穩可靠、噪音低；溫控部分采用智能儀表設定、顯示和讀出，恒溫準確，溫度超限自動斷開加熱電源，並發出聲光報警。定時部分定時關機。
3.3.3.2 OFFIE 滾子爐
美國OFI公司，五軸高溫滾子爐。適用範圍為50～300℃，滾子轉速為50r/min（圖3.16，圖3.17）。
圖3.16 OFFIE滾子爐
圖3.17 老化罐
3.3.3.3 Fann 701滾子爐
美國Fann公司的Fann 701型五軸高溫滾子爐，適用範圍為50～300℃，滾子轉速為50r/min（圖3.18）。
圖3.18 Fann滾子爐
3.3.4 其他高溫高壓評價儀器現狀
3.3.4.1 高溫高壓堵漏儀
高溫高壓堵漏儀主要是用來模擬高溫高壓條件下進行堵漏材料實驗，對壹套泥漿系統既可以做填砂床實驗又可以做縫板實驗，還可以做巖心靜態汙染實驗以及測量堵漏層形成後抗反排壓力的大小。如：JHB高溫高壓堵漏儀由加壓部分、加溫部分、縫板模擬部分等組成。參看圖3.19～圖3.22。
圖3.19 高溫高壓堵漏儀實物圖
圖3.20 高溫高壓堵漏儀結構圖
圖3.21 實驗縫板實物圖
圖3.22 實驗用滾珠及套筒實物圖
3.3.4.2 高溫高壓膨脹儀現狀
膨脹儀是評價黏土礦物膨脹性能的重要試驗儀器，主要用於防塌泥漿及處理劑的研究方面。通過電腦回執曲線可準確測定泥頁巖試樣在不同條件下的膨脹量和膨脹率。用以評價不同的防塌處理對頁巖泥水化的抑制能力，並針對不同的地層及不同組分的泥頁巖選擇適用的處理劑，以控制、削弱泥頁巖的水化膨脹進而防止可能出現的坍塌、卡鉆等事故的發生。
常溫常壓膨脹儀不能模擬井下條件下黏土的膨脹情況和加入黏土抑制劑後對黏土的防膨脹效果。
（1）HTP-C4高溫高壓雙通道膨脹儀
HTP-C4型高溫高壓單通道膨脹量儀，能較好模擬井下溫度（≤260℃）和壓力（≤7MPa）條件下，測試頁巖的水化膨脹特性，為石油鉆井井壁穩定性研究、評價和優選防塌鉆井液配方提供了壹種先進的測試手段。HTP-C4型頁巖膨脹儀采用非接觸式高精度傳感器，電腦監控記錄，性能穩定，測試範圍大，無漂移，通電即可使用，兩個樣品可同時測量（表3.8；圖3.23）。
表3.8 儀器的主要技術參數
圖3.23 HTP-4型高溫高壓單通道膨脹儀
（2）JHTP非接觸式高溫高壓智能膨脹儀
高溫高壓膨脹儀雖然能模擬井下溫度和壓力條件，但其使用的是接觸式線性位移傳感器，這種接觸式傳感器受膨脹腔結構的影響，在高壓密封和位移之間產生矛盾，使黏土的線性膨脹量不能得到真實的反映，因為增大了試驗誤差。
圖3.24是壹種非接觸式高溫高壓智能膨脹儀結構圖。它由加熱體、實驗腔體、腔蓋、腔體、腔身、圓鐵餅、非接觸式位移傳感器、試驗液體加入口、加壓孔、前置器、數據采集器及輸出設備組成。它是利用非接觸式位移傳感器與圓鐵餅之間的距離隨黏土餅膨脹時提高變化而變短，而改變傳感器的輸出電壓，使數據采集器得到實驗參數，達到在室內評價黏土礦物的膨脹性能。克服了現有膨脹儀不能真實和準確地描述井下條件黏土的膨脹情況、實驗誤差大、加入抑制劑後對黏土的防膨脹效果不能預計的問題。結構簡單，操作方便，實驗數據準確。
圖3.24 JHTP非接觸式智能膨脹儀結構
3.3.4.3 高溫高壓黏附儀
該儀器可測定鉆井液在常溫中壓（0.7MPa）及在常溫高壓（3.5MPa）條件下濾失後形成濾餅的黏附性能，同時還可測試鉆井液樣品在高溫（～170℃）高壓（3.5MPa）條件下濾失後形成濾餅的黏附性能。黏附盤加壓方式為氣動（圖3.25）。
3.3.4.4 高溫高壓腐蝕測定儀
OFI高溫高壓腐蝕測試儀是用於測試金屬試樣在高溫高壓動態條件下對各種腐蝕液體的反應速率。該系統主要由壓力釜、控制儀表及閥門、樣品支架和試樣玻璃器皿組成。
壓力釜采用特制的合金鋼材料，最大工作壓力34.5MPa，最高溫度可達204.4℃。壓力釜及內部樣品由熱電偶加溫。加熱速率範圍為2.5℉/min到3℉/min。機箱內包括壹個馬達用以搖動測量支架，壹臺高壓泵用於提供系統壓力。系統設有安全裝置，包括安全警報等。
圖3.25 GNF-1型黏附儀