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为了确保深部钻探有精准“血液” --我国首台

更新时间:2021-11-25

  1018人现场达成签约意向!河南招才引智创新发展data-rea。原标题:为了确保深部钻探有精准“血液” --我国首台超高温高压钻井液流变仪研发记

  得到国家重大科学仪器设备开发专项“超高温高压钻井液流变仪的研发及产业化”项目通过科技部验收的消息后,乌鲁木齐柯瑞尔油田科技有限公司和锐晖华辰能源科技(北京)有限公司两家公司迅速将订购超高温高压钻井液流变仪的电话打到了中国地质调查局北京探矿工程研究所仪器研发中心。

  这台仪器有何魅力?为什么能引起市场的强烈反应呢?记者日前走进研发单位自然资源部中国地质调查局北京探矿工程研究所。

  青海省共和县,我国第一个干热岩勘查与试采项目已进入到攻坚战的第二阶段,即将突破高温硬岩钻井和储层建造技术,实现我国首例干热岩试验性发电。此时,共和盆地GH-03井深已达4008.88米,现场工作人员使用北京探工所自主研发的Super HTHP Rheometer 2018超高温高压钻井液流变仪模拟井下高温(200摄氏度)和高压(50兆帕)的环境,测试了多个钻井液样品的高温高压流变性能,为现场适时高效优化钻井液配方性能提供了可靠的依据,保障了钻探工程高效、安全钻进。

  钻探过程中,在机械的带动下通过旋转钻头产生向心运动,并通过侵削、研磨使岩石发生裂痕并破碎,起到向下钻进的作用。钻进过程中会产生大量“飞砂走石”(以下称为岩屑),目前,清除这些岩屑主要靠液体循环法,即通过钻杆向钻孔底部输送高速循环的钻井液(俗称泥浆)将岩屑带到地面。

  “钻井液被称为钻探工程的血液,其流变性(如粘度、切力等)直接影响钻探效率和质量。”北京探矿工程研究所仪器研发中心主任赵建刚说,由于地下地质情况千变万化,不可能有一款适应所有地质体钻探的万能型钻井液。

  解决的办法是根据地下温度、压力和地层的变化情况及时调整泥浆的配方。这就需要一种专用仪器——高温高压钻井液流变仪,模拟井下的高温高压状态,实时测定钻井液等样品的流变性,避免误判。

  此前,超高温高压钻井液流变仪的核心技术一直由西方国家掌握,我国相关测试设备也长期依赖进口。

  如今,超高温高压钻井液流变仪是高温地质钻探领域的关键测试仪器,在深部油气、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中发挥着重要作用。国际油气钻探工程招标中,超高温高压钻井液流变仪已成为的必备测试仪器之一。

  “西方国家生产的超高温高压钻井液流变仪价格普遍在200万元以上,中石油、中石化、中海油等公司和科研院所每年都要从国外采购十几台。”赵建刚说。

  进入新世纪,随着油气和固体矿产勘查逐渐向深部转移,我国地热、页岩气、天然气水合物等新能源开发日渐火热,深地钻探工程研究不断展开,钻探企业国际经营力度逐年加大,在超高温高压钻井液流变性测试分析上不再受制于人的呼声也越来越高。

  为了突破“卡脖子”技术,北京探矿工程研究所于2012年向科技部申请了国家重大科学仪器设备开发专项“超高温高压钻井液流变仪的研发与产业化”项目。

  经过5年多艰苦努力,项目攻克了耐高温高压测试腔结构、外环式强力磁耦合旋转驱动装置、高精度粘度测量和井下环境模拟等技术,自主研发了国内首台超高温高压钻井液流变仪——Super HTHP Rheometer 2018超高温高压钻井液流变仪。

  该设备填补了国外对高端钻井液流变仪的空白,打破了西方国家的技术和产品垄断。

  “与目前国外最先进的产品比,我们的参数更优。”赵建刚说。目前,国外产品的超高温高压数据只能做到316度和206兆帕,北京探矿工程研究所研发的流变仪则可做到320度和220兆帕,最低可做到零下20℃,并且达到冷却温度所需的时间是国外最好产品的三分之一。

  他介绍,与国外同类产品相比,Super HTHP Rheometer 2018超高温高压钻井液流变仪具有以下优势:

  降温时间更短、为连续不间断测试奠定了基础。研发团队创新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。

  使用寿命更长。团队研发了外环式强力磁耦合旋转驱动装置,实现了从高温高压测试腔外部通过磁场耦合非接触式驱动测试外筒转动。并采用高精度磁场传感器以非接触方式测试代表样品粘度大小的磁偏转角度。在转速驱动和粘度测试两套非接触式磁系统之间,设计了独特的屏蔽结构,避免了相互之间干扰的发生。以上技术的攻克,从根本上消除了以往传统设计中出现的高温高压动态密封寿命短和粘度宽范围精密测量的难题。

  测量精度更高。采用永磁技术研制适用于高温高压钻井液流变仪的高精度电机及控制电路,实现流变性的高精度测量。电机转速实现了0~1000r/min范围内的无级调速全自动控制。

  可控程度更强。自主研发的稳定可靠的测控软件可设置转速、温度、压力、时长等参数,组建复杂、专业的自动测试序列,模拟井下真实环境,实现自动、连续的流变性分析。

  市场适应性更广。自主开发设计的软件,可实现中英文一键式在线切换,可适应国内外两个市场的需求。软件底层采用国际通用的Labview开发平台,用户购买后还可根据自己的具体需要进行拓展。

  专家表示,未来该仪器大规模进入市场后,不但可以大幅度降低钻探成本,而且可以为地球深部探测、高温干热岩钻探、天然气水合物钻采、大陆科学钻探、高原冻土带钻探和极地钻探等重大工程提供高温高压和低温高压真实条件下钻井液流变性实时测试评价手段,确保深部高温高压钻探安全、高效。

  产品研发和产业化同步——产品研发的过程就是产品迭代的过程,产品验证的过程就是市场推广的过程。这是设备研发团队一直以来坚持的道路。

  2020年,Super HTHP Rheometer 2018超高温高压钻井液流变仪产业化样机经过1500多公里的前途跋涉,运到了青海省共和县干热岩GH-03定向井施工现场。

  共和干热岩地层温度高、裂隙发育明显,钻井过程中易出现地层坍塌掉块、卡钻、埋钻等风险,对钻井液流变性、携沙性、封堵性、护壁性等要求较高。

  为及时监测现场钻井液流变性能,实现钻井现场快速决断,使用Super HTHP Rheometer 2018超高温高压钻井液流变仪及时测试现场超高温水基钻井液在200度和50兆帕环境下配方性能,根据试验结果,随时调整钻井液配方,有效满足了干热岩高温高压环境下钻井液性能需求,从而提升了钻进效率,保证了井下安全,确保了GH-03定向井安全、顺利完钻。

  这是产品研发和产业化同步走的一个场景。早在2017年样机刚出来后,研发团队就在室内试验的基础上,带着样机先后走进中石油、中石化、中海油和中国地质大学(北京)、中国石油大学(北京)等单位进行了实验验证。

  业界的反馈让研发团队倍感鼓舞。2018年,研发团队带着样机到长江大学进行实验。得知消息后,荆州的3家泥浆助剂生产企业,立即请求研发团队帮其进行测试。原计划一周完成的实验,延长到了一个多月。

  赵建刚表示,下一步,他们将围绕深部油气、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,增加钻井液超高温高压密度和沉降稳定性测试功能,逐步实现模块化、小型化、系列化和多功能,同时大力拓展国内外市场,加速推进科研成果产业化。

  据悉,北京探矿工程研究所自成立以来始终坚持“聚焦行业重大需求组织科研工作”的理念,培育适合科技创新的土壤、调动科研人员的创新积极性。

  该所负责人表示,为激发科研人员科技创新的积极性,该所多措并举建立起了内部激励机制:

  一方面,设立所立科研项目,为青年科研人员搭建创新平台。青年科研人员思维活跃但申请大项目难度较高,北京探矿工程研究所利用科技成果转化基金设立所立科研项目,作为国家科技专项和地质调查项目的重要补充,重点围绕满足国家重大战略需求和市场需求,开展钻探新技术与产品的研发。

  另一方面,发挥绩效工资的导向和激励作用,激发全体科研人员的创新激情。以“效率优先、兼顾公平、鼓励创新、注重实绩”为原则,北京探矿工程研究所对绩效工资分配管理进行优化,向做出突出贡献和成绩的人员倾斜。

  一系列举措激发了科研人员的创造性和积极性。据统计,该所共完成国家级、部级的各类科研项目260余项,获国家科技进步一等奖、二等奖和部级科学技术一等奖、二等奖等科技奖励50余项,获得专利、软件著作权等90余项。科研和技术人员用实际行动践行“责任、创新、合作、奉献、清廉”的新时代地质文化。不忘初心、牢记使命,解决了一系列制约我国钻探工程发展的卡脖子问题,取得了一批国际国内领先的技术成果,为我国地质事业的发展做出了积极贡献。返回搜狐,查看更多