青海共和干热岩GH-03井钻探现场。 北京探矿工程研究所供图
得知我国首台超高温高压钻井液流变仪通过了科技部鉴定，多家公司迅速将订货电话打到了自然资源部中国地质调查局北京探矿工程研究所仪器研发中心。
这台流变仪有何独到之处？为何会引起市场的热烈反应？近日，记者走进该仪器研发单位——北京探矿工程研究所一探究竟。
高温地质钻探关键测试仪受制于人
青海省共和县，我国第一个干热岩勘查与试采项目已进入攻坚战的第二阶段——即将突破高温硬岩钻井和储层建造技术，实现干热岩试验性发电。彼时，共和盆地GH- 03井深已达4008.88米。保障钻探工程高效、安全钻进至关重要。
钻探是靠钻头高速旋转磨削岩石而钻进的。钻进过程中，磨削的大量岩屑若得不到及时清除，就会堵住钻杆与孔壁之间的空隙，造成埋钻、卡钻、烧钻、漏失、塌孔等事故。
目前，清除这些“飞砂走石”主要靠液体循环法，即通过钻杆向钻孔底部输送高速循环钻井液将岩屑带到地面。
“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介绍，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的万能型钻井液，只能根据地下温度压力变化情况及时调整钻井液的配方。
这就需要一种专用仪器——钻井液流变仪，用来模拟井下的温度压力状态，实时测定钻井液等样品的流变性，避免误判。但超高温高压钻井液流变仪的核心技术此前一直被西方国家垄断，我国相关设备长期依赖进口。
而这种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，流变仪是必备的测试仪器之一。
“西方国家生产的一台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、中国海油等每年都要从国外采购十几台。”赵建刚说。
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越来越高。
5年攻关打破技术产品垄断
为突破“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，研发团队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，一举打破了国外高端钻井液流变性测试仪器的垄断，填补了国内空白。
“与现今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310摄氏度和206兆帕，北京探矿工程研究所研发的流变仪可做到320摄氏度和220兆帕，最低可做到零下20摄氏度，并且达到冷却温度所需时间仅为国外最好产品的三分之一。
据介绍，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：
一是降温时间更短，为连续不间断测试奠定基础。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、在高温高压下不变形的特种材料加工而成。
二是使用寿命更长。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。同时，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，设计了独特的磁屏蔽结构，避免了相互之间发生干扰。攻克了以上技术，就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。
三是测量精度更高。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0～1000转/分钟范围内的无级调速全自动控制。
四是可控程度更强。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。
五是市场适应性更广。自主开发设计的软件，可实现中英文一键式简单切换，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具体需要进行拓展。
业内专家表示，未来该仪器大规模进入市场后，可大幅降低钻探成本，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、深部油气矿产勘探开发等重大工程提供高温高压真实条件下的钻井液流变性的实时测试评价手段，确保深部高温高压钻探安全、高效。
研发和产业化工作同步走
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。这是研发团队一直坚持的思路。
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多公里的跋涉，被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，钻探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，工作人员使用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摄氏度和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环境下钻井液性能需求，大大提升了钻进效率，保证了井下安全，确保了GH- 03定向井安全、顺利完钻。
早在2017年样机刚出来时，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、中国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。
2018年，研发团队带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。
“测试结果能作为现场井底实际情况的真实模拟。实验测试结果准确、数据可靠，完全可替代同类进口产品。”锐晖华辰能源科技（北京）有限公司在用户使用意见书中写道。
业界的反馈也让研发团队备受鼓舞。赵建刚表示，接下来，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。
科研成果的取得，离不开植根脚下的土壤。多年来，北京探矿工程研究所坚持“聚焦行业重大需求组织科研工作”理念，培育适合科技创新的土壤、调动科研人员的积极性。一方面，该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，开展钻探新技术与产品的研发，为青年科研人员搭建创新平台。另一方面，以“效率优先、兼顾公平、鼓励创新、注重实绩”为原则，优化绩效工资分配管理，向有突出贡献的人员倾斜。
截至目前，该所共完成国家级、部级各类科研项目260余项，获国家科技进步一等奖、二等奖以及部级科学技术一等奖、二等奖等50余项，获专利、软件著作权等90余项，为我国地质事业发展作出了积极贡献。
