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矿业科技专栏 | 自主创新叩开深部钻探之门

科技部日前通报了国家重大科学仪器设备开发专项部分项目综合验收结论,由中国地质调查局北京探矿工程研究所(以下简称“中国地调局探矿工程所”)牵头完成的“超高温高压钻井液流变仪的研发及产业化”项目验收合格。

什么是超高温高压钻井液流变仪?为什么要开展超高温高压钻井液流变仪的研发,该仪器主要运用于什么领域,又有什么作用呢?带着这些疑问,《中国矿业报》记者近日采访了中国地调局探矿工程所钻探仪器研发中心主任赵建刚。

深部钻探难题,迫切需要攻克

“当前,人类面临着可持续发展的新考验,资源匮乏、环境变化及灾害频繁等挑战愈发凸显。向地球深部进军,已成为必然趋势。地球越深,内部的温度和压力就越高,钻取地下深部样品时,就越容易出现井下复杂事故,导致钻井周期延长、成本飙升,严重时可能导致钻井失败,造成巨大的经济损失。”在接受记者采访时,赵建刚表示。

超高温高压钻井液流变仪(以下简称“超高温高压流变仪”)是一种支撑高温地质钻探的关键测试仪器。

钻井液俗称泥浆,被称为钻井工程的血液。钻井液流变性是钻井液在外力作用下变形或流动的特性,主要由粘度来反映,是钻井液的重要参数,高温高压会对其产生较大影响,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。

谈起当初研发超高温高压流变仪的原因,赵建刚表示,一是深部钻探工程对钻井液测试技术提出了更高的要求,传统测试方法已无法满足当前需求。近年来,随着深部油气矿产、地热、干热岩、深海天然气水合物等钻探工程越来越多地开展,国内现有钻井液测试仪器存在耐高温高压等测试技术难题,无法为高温高压钻井液优选配方提供依据,给我国深部钻探工程带来了严峻的挑战,相关技术成为有待突破的“卡脖子”技术之一。

为解决这一难题,2013年,中国地调局探矿工程所依托科技部国家重大科学仪器设备开发专项项目,团队成员不怕困难,长期钻研于超高温高压和低温高压条件下钻井液的流变性测试、高精度粘度测量、采集与处理等技术难题,成功研制出国内第一台超高压高低温钻井液流变仪,成为目前国内国际上先进高端的钻井液流变性测试仪。

二是我国的超高温高压流变仪一直依赖进口,迫切需要中国自主研发的设备。国内国外都非常重视超高温高压流变仪的研发和使用,但是其核心技术以前一直由西方国家掌握,主要生产商为美国的Fann公司、OFITE公司、Grace公司和德国的Haake公司、奥地利的Anton Paar公司等。

目前,西方国家生产的超高温高压流变仪在国内市场仍处于垄断地位,高端测试仪器市场价普遍在200万元以上,购置设备高昂,亟需中国自主研发的流变仪。

因此,开发研制中国自己的超高温高压流变仪势在必行。

研发过程艰辛,但终研制成功

锲而不舍,金石可镂。任何事物的成功都是一点一滴的积累,超高温高压流变仪的研发过程也是这样的。从2013年至今,历经多年探索,项目组成员攻克了一个又一个难题,从原理样机到工程化样机再到产业化样机,每个阶段都进行了上百次、上千次的测试。

采访时,赵建刚表示,项目组经过反复试验优选了耐腐蚀、耐高温高压的特种材料,不断改进结构,研制了测试腔;使用国际通用的控制模块,设计了温度、压力、转速、粘度测量等硬件控制电路;采用Labview可视化开发平台设计了控制软件系统。这使得该仪器具备了国际通用标准,为实现国际化奠定了基础。

此外,赵建刚还表示,中国地调局探矿工程所牵头研发的超高温高压流变仪属国内首次研制,目前尚无其他单位研发出同类仪器。该仪器满足了我国深部油气、深部矿产、高温地热、天然气水合物及大陆科学钻探等深部钻探工程的需要。

采访时,赵建刚表示,目前,该仪器已实现了高温高压和低温高压条件下的流变性测试。仪器产业化样机通过了可靠性测试,无故障工作累计时长超1000小时,成功实现在高温高压(320℃、220MPa)及低温高压(-10℃、220MPa)条件下的流变性能测试。

该仪器和传统的仪器相比,也得到了创新发展,赵建刚表示:一是创新研发耐高温高压测试腔结构,攻克了高精度粘度测量技术。测试腔采用单层厚壁容器的一体化设计方法,选用耐酸碱盐腐蚀、且在高温高压下不变形的特种材料加工而成。

二是创新研发外环式强力磁耦合旋转驱动装置,从根本上消除了以往传统设计中采用的动态密封寿命短和精密控制难等问题。

三是创新研发适用于高温高压钻井液流变仪的高精度永磁电机及精密控制电路,实现了0~1000r/min范围内的无级调速全自动控制。

四是创新研发稳定可靠的测控软件。可设置转速、温度、压力、时长等参数,模拟井下高温高压环境,实现自动连续测试。

仪器得到认可,在实践中应用

“超高温高压流变仪的研发得到了行业专家的认可,为深部钻探领域开辟了新的道路。”采访时,赵建刚表示。

他介绍,2018年7月,受科技部委托,自然资源部组织召开了项目初步验收会议,专家组认为,该仪器实现了在320℃、220MPa条件下钻井液流变性能参数测试,解决了超高温高压钻井液流变性能测试难题;成果主要技术指标达到国外同类仪器水平,部分指标超过国外同类产品,填补了国内空白。

2020年9月,在科技部组织的综合验收中,验收意见认为,项目突破了适用于钻井液流变性能测量的超高温高压测控、低温高压测控、高精度粘度测量、高精度电机及测控等核心技术,开发研制了高温高压流变性通用测试腔等关键部件,形成了超高温高压钻井液流变仪产业化样机,并对样机进行了应用验证,性能指标达到了项目任务书的考核要求,完成了项目目标和任务。

实践是检验真理的唯一标准,任何理论都要不断接受实践的检验。虽然仪器得到了专家的认可,但能否成功应用到实际中才是最重要的。

赵建刚介绍,该仪器主要应用于测定高温高压和低温高压条件下钻井液、完井液、压裂液等样品的流变性。目前仪器已在实践中得到应用,2020年,在青海共和干热岩科技攻坚战GH-03井钻探过程中,超高温高压流变仪对200℃、50MPa环境下多个钻井液样品的超高温高压流变性进行了现场测试,克服了地层坍塌掉块、卡钻、埋钻等风险,有效满足了干热岩高温环境下钻井液性能需求,为优化钻井液配方性能提供了依据,提升了钻进效率,保障了工程安全、高效的实施,确保了GH-03定向井安全、顺利完钻。

此外,他还表示,近两年,中国地调局探矿工程所研发的超高温高压流变仪已为中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院、中石化石油工程技术研究院、中国石油大学(北京)、中国地质大学(北京)、南开大学、沙克(天津)石油技术服务有限公司等10余家单位提供了高温高压钻井液流变性测试技术服务,取得了良好的社会和经济效益。目前,已经签订了3台超高温高压流变仪的销售合同,用户分别为中海油能源发展工程技术公司湛江分公司、中石油青海油田钻井泥浆公司油田化学所、山东得顺源石油科技有限公司,展示了良好的市场推广前景。

加速产业化,拓宽国际市场

“通过研发超高温高压流变仪,中国地调局探矿工程所形成了专业较为齐全、结构较为合理的钻井液测试仪器研发团队,初步形成了高端钻井液测试仪器的产业化能力。但这并不是终点,下一步我们将继续加大研发力度,尽早走进国际市场。”采访时,赵建刚表示。

他进一步阐述,下一步要向三方面努力:一是加速推进产业化进程。通过降低超高温高压流变仪的生产成本、加大宣传推广力度,大力拓展国内外市场,提高市场竞争力,推进科研成果产业化。

二是优化仪器结构。围绕深部油气、高温地热和大陆科学钻探等钻探工程现场特点及需求,进一步优化超高温高压流变仪结构,逐步实现小型化和系列化,便于钻探工程现场使用,满足不同用户需求,为高效评价、优选钻井液配方提供支撑。

三是研发其他高端钻井液测试仪器。积极申报各类科研项目,研发高温高压钻井液润滑性能测试、堵漏性能测试等仪器,不断提高我国高端钻井液测试仪器研发水平。

科技创新只有起点,没有终点。核心技术是我们的“命门”,要不来、买不来、讨不来,只能靠自己创造出来。因此,只有不怕困难、锲而不舍,坚持走自主创新之路,才能不在“卡脖子”的地方受制于人,不断推进科技兴国。

我们坚信,在不久的未来,超高温高压流变仪这一设备仪器将会再次创新,走出国门,开拓更广阔的领域,助推地质事业取得更大的发展。

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