CO

NTEN

TS ■ 工艺技术

1 低油价下美国页岩油气开发现状及工程技术措施

2 国民油井公司沿钻柱测量系统

3 哈里伯顿FloRite 5级分支井完井系统

4 定向尾管钻井技术应用于不稳定页岩井段

4 贝克休斯MAXCOR井壁取芯技术

5 页岩与流体相互作用测量新方法

7 M-I SWACO公司ULTRADRIL高性能水基钻井液

8 一种新型硼基纳米钻井液润滑剂

9 新一代超高性能水基钻井液体系——PURE-BORE钻井液

9 一种页岩甜点识别新技术

10 一种新型缓蚀聚合物乳化酸

12 含CnF添加剂的复合纳米压裂液

12 贝克休斯Integrity eXplorer固井质量评价技术

13 新型高频套管超声测井仪器及其在玻璃纤维套管固井评价的应用

14 斯伦贝谢EMLA钻头前实时分析

15 斯伦贝谢新型大井眼核磁共振随钻测井仪器及评价应用

16 Meta Internal Clad井下隔离技术

17 小直径、储存式油基泥浆微电阻率成像测井仪及应用

■ 装备工具

18 多次激活旁通阀工具

19 哈里伯顿BaraLogix钻井液检测器

20 新型非爆破型封隔器坐封工具

目

次

石油工程科技动态季刊 2011年创刊 内部发行

2016年 第6卷 第3期 总第23期

2 第6卷 第3期石油工程科技动态

CO

NTEN

TS

21 贝克休斯BASTILLE高温高压可取式生产封隔器

21 Interra能源服务公司AccuStimTM跨座式封隔器

22 新型全通径无限级分段压裂工具

23 CT Energy公司SRD负脉冲水力振荡器

24 AABT方位声波固井质量评价测井仪

24 哈里伯顿新一代油藏监测仪RMT-3DTM

■ 相关学科

26 挪威国家石油公司LOOP技术投资项目

26 Carina™光纤探测技术

27 一种可用于封堵天然裂缝的高性能高强度材料FORM-A-BLOK

27 纳米复合流体提高采收率的综合评价

28 纳米二氧化硅改性智能水泥

29 可修整形状记忆性高分子——实现聚合物形状-性能循环变化的控

制方法

29 植入式“神经尘埃”

30 聚合物太阳能电池

12016年9月 工艺技术石油工程科技动态

低油价下美国页岩油气开发现状

及工程技术措施

美国石油公司在低油价背景下非常重视提高

钻机效率和提高油气井产量，虽然过去几年中在用

钻机数量大幅下降，但每台钻机产生的油气产量稳

定增长。图 1 为 Permian 区钻机数量变化情况和每

台钻机新增的油气产量。2008 ～ 2009 年经济衰退

造成原油价格的下滑导致在用钻机数量减少，但每

台钻机新增产量并未下降。2015 年 1 月开始，受

油价影响，钻井数量大幅下降，但每台钻机新增产

量反而有所增加。一是由于将钻机移至页岩油气核

心区，提高单井油气产量；二是钻井数量下降，作

业者优先淘汰老旧、生产效率低下的钻机，在用

钻机生产效率较高，使得单台钻机生产的油气产量

增加；三是提高钻井效率，缩短钻井周期，单台钻

机年钻井数量增加。在美国 Bakken、Eagle Ford、

Haynesville、Marcellus、Niobrara、Utica 等主要页

岩油气区在用钻机数量和单台钻机新增产量变化情

图 1 Permian 页岩油气区钻机数量变化情况

和每台钻机新增的油气产量

图 2 美国主要页岩油气区垂直井

与水平井数量变化情况

水平井较多

垂直井与水平井数量比

垂直井较多

5.0

4.0

3.0

2.0

1.0

0.0

500

400

300

200

100

0

3,000

2,500

2,000

1,500

1,000

500

0

600

500

400

300

200

100

0

600

500

400

300

200

100

02011 2012 2013 4014 2015 年

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 年

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 年

桶 / 天 台

台

每台钻机新增产量钻机数量

每台钻机新增产量

钻机数量

千立方英尺 / 天

Permian

Eagle FordBakken

况与 Permian 区具有相同规律。

由于油价低迷、钻机数量锐减，美国页岩油气

公司针对各盆地不同开发历史、地质情况采取不同

方法来改进技术和提高产量。Barnett 页岩气区由

于开发历史较长，已进入衰退期，为了提高油气产

量，作业者对具有潜力的老井进行了二次水力压裂。

在 Eagle Ford 页岩气区，通过减少井间距、钻更长

的多分支井、实施更加先进的完井技术以及采用丛

式水平井钻井模式来增加产量，降低综合作业成本。

在 Bakken 页岩气区，作业者通过改善完井技术来

提高产量，如 Whiting 石油公司以及 SM 能源公司

从滑套完井转移到衬管桥塞固井射孔完井；与此同

时，Continental 公司和 Halcon 公司以及 Oasis 公司

通过使用更多的支撑剂或滑溜水压裂液取得了更好

的效果。在 Green River 页岩气区，由于该地区对

环境极其敏感，多年来一直限制钻井作业数量，作

业者通过批钻模式，最大程度减少了对地面环境的

影响。在 Permian 页岩气区，2014 年 1 月还有一

半的井是直井，随着更多垂直井钻井平台停工，近

期垂直井与水平井比率跌破 1:1，但仍比其他地区

具有更高的单井生产率。

（供稿 光新军）

页岩气

致密油

2 第6卷 第3期石油工程科技动态

国民油井公司沿钻柱测量系统

20 世纪 90 年代以来，井底环空随钻测压

（PWD）工具作为 MWD/LWD 工具的一部分被用

来监测泥浆比重和当量循环密度。MWD/LWD 工

具通常采用泥浆脉冲传输数据，信息在泥浆流量低

或者无泥浆流动的情况下无法传输，在起下钻作业、

接单根、堵漏或者井漏的情况下无法检测到相关信

息。国民油井公司研发的沿钻柱测量系统采用有线

钻杆和分布式传感器，沿着钻柱布设多个监测点，

实现对温度、环空压力、旋转和三轴振动数据的测

量，采集到的数据通过高速遥测网络传输到地面，

并输入到钻井数据采集系统。随后，将采集的数据

和地面数据相结合，从而及时和精确地优化钻井参

数、钻井液性能等。

沿钻柱测量系统由以下几部分组成：

（1）井下交互工具。作为 BHA 的一部分，通

过接口与第三方 MWD/LWD、旋转导向系统实现

交互，能够进行双向通讯。

（2）BlackStream 测量工具。集成在有线钻杆

传输网络中，环空压力传感器、动力学和温度测量

仪等组件以固定间隔安装在钻柱上，能够获得沿井

筒的温度、环空压力、旋转和三轴振动数据。这些

仪器由电池供电，获得数据后将数据传输至地面。

（3）DataLinks 工具。能够过滤和放大沿钻柱

传输的信号。

（4）有线钻柱。包括钻杆、钻铤、震击器等，

允许数据信息通过钻柱以高速率传输，传输速率可

达 56000bit/s，比泥浆脉冲遥测大四个数量级。

（5）地面交互工具。包括顶驱数据水龙头和网

络控制器，顶驱数据水龙头是钻柱与顶驱之间的接

口，结合井下数据来优化钻井参数；网络控制器是

连接钻柱网络和地面控制系统的接口。

挪威北海一油田需要采用长水平段水平井

开采，在钻井时，由于安全泥浆密度窗口窄，存

在井漏和井涌的风险。为了保障作业施工，国民

油井公司采用了沿钻柱测量系统，在钻柱内安装

BlackStream 测量工具，以固定间隔嵌入了多个传

感器，以提供实时的井下测量数据。分布式传感

器实时监控井筒流体，获取沿井筒多个位置的当

量循环密度数据，同时能分析井眼清洁和环空流

体性质，估算井温对流体的影响，确定流变模型，

获取的井下数据对漏失和井涌的早期预警起到了

重要作用。

当使用分布式传感器和有线钻柱遥测技术时，

获得的井底数据量大大增加，这有助于作业者更好

地进行决策。为了充分利用由沿钻柱测量系统获得

的信息，需要密切关注获取的数据与实时操作之间

的关系，如何以自动化的方式呈现信息显得尤为重

要。为此，NOV公司采用热图来表示所获得的数据，

使之更加形象化。热图数据实时更新，采用直观的

色阶用于显示当量泥浆密度，能确保对整个井眼的

环空压力分布有一个简单和快速的理解。

（供稿 皮光林） 图 1 沿钻柱测量系统

井下交互工具

地面交互■ 顶驱水龙头■ 网络控制器

有线钻杆

Datalinks

BlackStream 测量工具

32016年9月 工艺技术

哈里伯顿 FloRite 5 级分支井完井系统

FloRite 5 级分支井完井系统是哈里伯顿公司

为实现多分支井主分支井筒间整体式压力密封，完

井后能使后期的分支井眼再入成为可能。该系统的

应用对象主要为储层存在不同压力体系的注水井、

气井等。使用双油管完井后，每个分支均实现了独

立生产。主分支井筒接头处的水力完整性使构建多

目的注水井和生产井成为可能。可调式集流器的使

用让单管柱完井实现分支井眼的选择性进入成为可

能。图 1 为双管柱分采完井和单管柱合采完井。

主要特点：①可实现双管柱分采完井；②在可

调式集流器的协助下可实现单管柱合采完井；③压

差等级可达到 51.7MPa ；④改进后的完井系统可将

2 级和 4 级的多分支井升级为 5 级；⑤与智能完井

技术兼容；⑥已研制成功 L80 和耐热铬镍铁合金

两种钢级的工具。

主要优势：①双分支井油管可实现一次下入；

②在新设备应用和井眼重入应用中均实现与 level 2

和 level 4 完井系统的模块化整合；③主分支井筒

连接位置减少了对破裂压力梯度、地层孔隙压力等

参数的依赖；④ TAML 5 连接处封隔意味着连接接

头的完整性即使应用到气井和高压注水井也不会受

到影响；⑤系统可串叠使用。

FloRite 多分支井完井系统技术参数如表 1

所示。

为了实现 Castilla 油田的降本增产，哥伦比

亚 Ecopetrol 公司采用哈里伯顿公司的 FloRite 5 级

分支井完井系统来提高 K1 和 K2 层位的泄油面

积。该井预计产量为 4300bbls/d，实际产量达到

5650bbls/d，使该井的投资回收期缩短为两个月以

内，达到了很好的降本增产效果。

（供稿 牛成成）

图 1 实现双管柱分采完井（左）

和单管柱合采完井（右）

表 1 FloRite 多分支井完井系统技术参数

FloRite 多分支井完井系统

TAML 5 级完井

系统套管尺寸 245 mm

套管线重 64.7 ～ 69.9 kg/m

分支衬管尺寸 177.8 mm

油管尺寸（分采） 88.9 mm x 88.9mm

油管尺寸（合采） 114 mm x 89 mm x 73 mm

分支井筒再入方式

（合采和分采）

分支井筒通过油管进入，主井筒采

用电缆或者连续油管

封隔能力

油管压力封隔滑套（分支井筒封隔）

或桥塞（主井筒封隔）实现分支井

筒和主井筒的完全封隔

4 第6卷 第3期石油工程科技动态

定向尾管钻井技术

应用于不稳定页岩井段

在北海油田 Midgard 区块的不稳定泥页岩地层

钻井时，面临的一个重大技术挑战是下套管困难。

由于钻井后地层坍塌严重，套管或尾管常常难以下

入至设计井深。贝克休斯定向尾管钻井技术（SDL，

Steerable Drilling Liner）集合了定向钻井和下套管

两项技术，可大大节约时间，并有效将尾管下入。

北海油田 Midgard 区块所钻井水平井水平位移

4000m，垂深 2500m 左右，近似于大位移井。使用

8½in 井眼段设计为 1000m，钻至储层以上 20m，

钻进过程比较顺利。但下尾管时遇到阻卡，重新下

入划眼钻具组合，循环过程中钻井液携带出了大量

的岩屑，说明井眼在完钻后继续垮塌，划眼过程中

钻具组合被卡住，决定侧钻，第二次下尾管时同样

失败。为解决尾管下入的问题，作业者使用了定向

尾管钻井 SDL 技术，SDL 包括一套可回收的导眼

钻具组合 BHA，套在 BHA 外面的 7in 尾管上，内

外两套管串利用下入工具连接，下入工具可以传递

扭矩。尾管可以 30rpm 的转速旋转，以克服轴向

摩阻。导眼钻头在螺杆马达的带动下旋转破岩。尾

管底端安装有扩眼钻头，如图 1 所示。

SDL 除了上述主要部件外，还设计有分流接

头，功能是将钻井液按照 50 ：50 的比例分别用于

驱动螺杆马达和携带 9⅝in 套管中的岩屑，作业者

首先从 9⅝in 套管中下入造斜器，进行磨铣套管并

侧钻，由于 SDL 设计有扩眼钻头，为防止扩眼钻

头与开窗处的套管发生接触，套管开窗后首先下入

了一趟常规造斜钻具组合从 3790m 钻进至 3850m，

再利用 SDL 技术继续钻进，钻压和泵压保持平稳，

钻进至设计井深后，首先提离钻头循环清洗井眼，

投球以断开下入工具，使导眼钻具组合与尾管脱开，

然后第二次投球打开尾管顶部的循环短节，继续携

带岩屑至地面，随后下入水泥插入头和机械塞接入

尾管进行固井作业。SDL 技术使 8½in 井眼的钻井

和下套管在同一时间完成，不仅解决了尾管下入的

难题，同时节约了大量时间。

（供稿 郑德帅）

①下入工具 ②推进器 ③马达 ④扩眼器驱动

⑤ 8 ½in 扩眼器 ⑥ 6in 导眼钻具组合 ⑦ 7in 尾管 ⑧ 5in 钻杆

图 1 定向尾管钻井系统

贝克休斯 MAXCOR 井壁取芯技术

为了提供更快更可靠的取芯服务，贝克休斯对

原有 PowerCOR 旋转井壁取芯工具进行了一系列

的创新，研发了新一代的 MaxCOR 取芯技术，可

快速高效取出直径超过 1.5in 的高质量岩芯，每单

52016年9月 工艺技术

位长度体积比标准旋转取芯设备所取岩芯体积多

225%。

创新内容包括：①简化复杂元件；②使用直驱

电动机代替传统的液压发动机为钻头提供动力；③

使用高级井下动力管理系统控制发动机，确保在各

图 1 取芯钻头及岩芯

种负荷及井眼温度条件下保持最大功率传输效率；

④开发了 MaxCOR 钻头控制系统，使钻头转速比

上一代旋转取芯工具快三倍；⑤通过扩大主轴的兼

容性，扩大了取芯直径。

在各种作业条件下，MaxCOR 取芯技术每次

取芯均可回收 60 个样品。即使在 175MPa 高压、

205 ℃高温的极端恶劣环境下，也能获得较高的

取芯收获率。2010 年，MaxCOR 井壁取芯技术

在巴西深海油田第一次成功测试。作业者要求在

Campos 盆地主要储层中取芯 90 个，实际完成取芯

94 个，平均每个岩芯取芯用时 4 分 36 秒，岩芯最

大长度 2.5in，平均 2 in。多次作业情况下，岩心收

获率达到 97%。除了深海作业，该技术成功应用于

美国页岩油气田作业，包括 Eagle Ford, Marcellus,

Niobrara 和 Bakken 等，在页岩区块使用该技术获

得了高质量的岩芯。图 1 为取芯钻头及岩芯样品。

（供稿 闫 娜）

页岩与流体相互作用测量新方法

为了评价非常规页岩储层与钻井流体之间的

相互作用关系，MI-SWACO 公司开发了一种新的

评价方法——页岩压入法，其实验设备见图 1。设

备可测定压入岩样至设定深度所需要的力，并通过

力的大小确定页岩和流体相互作用的程度。该设备

最高可施加 1600 磅的力，并有多种不同大小和形

状的压头可供选择。

实验时装置的球形压头以一定的速度压入岩

石直至达到预先设定的力（50 磅），并记录该过程

中力和压入深度的关系曲线。力和压入深度曲线的

斜率表征了该页岩的硬度。实验中首先在岩样浸泡

之前进行一次测定，作为基线；随后在实验流体中 图 1 页岩压入实验装置

6 第6卷 第3期石油工程科技动态

图 2 不同流体浸泡后的页岩压入实验结果

表 1 压痕实验结果：浸泡 24 小时后页岩硬度变化

基线斜率 24h 后斜率 降低程度

基础油 283 262 7%

16% NaCl 317 245 23%

3% v/v KLASTOP /3% v/v POROSEAL in FW 245 145 41%

3% v/v KLASTOP in FW 296 160 46%

6% v/v SILDRIL L in FW 311 136 56%

10 ppb EMI-2545 in FW 293 122 58%

清水 296 123 59%

浸泡一定时间后再进行一次测定。浸泡前后斜率的

变化既可以表明岩石硬度的降低程度。图 2 为相同

的岩石在不同的流体中浸泡后的压痕实验结果。在

图中可清晰的发现岩石在不同流体中浸泡 24 小时

后硬度降低程度之间的差别。浸泡前后曲线平均斜

率见表 1，可见清水对岩石影响最大，而基础油对

岩石影响程度最小，其他五种体系的影响介于这两

者之间。

该方法是一种定量测定页岩与流体相互作用

的有效方法，已在非常规页岩储层评价中取得了

应用。

（供稿 高书阳）

基线 油 水基钻井液 1 水基钻井液 2 水基钻井液 3 水基钻井液 5

清水

压入深度 /mm

水基钻井液 4

力 /磅

50

40

30

20

10

00 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

72016年9月 工艺技术

表 1 含 POROSEAL 的 ULTRADRIL 体系性能

性能 设计值 最小值 最大值

密度 1.22-1.35 1.22 1.32

YP，lbm/100ft2 45-55 30 48

6rpm 读值 16-20 12 19

API，mL/30min <3 2.4 3

pH 9.5-9.8 9.5 9.8

MBT（坂土含量），lbm/bbl <5 0 5

ULTRAHIB 抑制剂，% 3-3.5 2.9 3

POROSEAL，% 3 2.5 3

ULTRAFREE 表活剂，% 3 2.9 3

ULTRACAP PLUS 抑制剂，lbm/bbl 2-2.5 2 2.7

M-I SWACO 公司 ULTRADRIL高性能水基钻井液

斯伦贝谢 M-I SWACO 公司 ULTRADRIL 高

性能水基钻井液是 POROSEAL 与 ULTRADRIL

形成的复配钻井液体系，具有良好的抑制性能，

体系由三种主处理剂组成，分别为 ULTRAHIB、

ULTRAFREE ROP 和 ULTRACAP PLUS。 其 中，

ULTRAHIB 为聚胺类页岩抑制剂，聚胺通过粘土

活性形成化学键，紧密堆积阻止水分子进入粘土

颗粒间的孔隙达到抑制粘土水化、运移的目的。

ULTRAFREE ROP 为表面活性剂，通过对钻屑和

金属表面的包覆有效降低因粘土水化可能造成的卡

钻风险，该表面活性剂也有效降低了泥包风险并提

高了钻速。ULTRACAP PLUS 为小分子量丙烯酸

共聚物类页岩抑制剂，能够有效包裹钻屑、抑制粘

土分散。通过在粘土表面吸附并形成保护膜，阻止

钻屑相互粘结。而 POROSEAL 为共聚物降滤失封

堵剂，能够封堵微裂缝，降低页岩失稳风险。此

外，该体系中还添加了 6 lbm/bbl 的井壁强化材料

G-SEAL PLUS（一种工业炭黑和石墨架桥剂），以

及 15 lbm/bbl 的碳酸钙。ULTRADRIL 体系性能如

表 1 所示。

ULTRADRIL 高性能水基钻井液成功解决了阿

布扎比海上 Laffan 和 NahrUmr 地层井壁失稳问题，

提前 9 天钻穿 900m 非均质层状页岩地层。

（供稿 董晓强）

8 第6卷 第3期石油工程科技动态

一种新型硼基纳米钻井液润滑剂

近年来，人们致力于开发多种纳米材料润滑剂

以提高水基钻井液的润滑性能。在过去的五年中，

石墨烯和氧化钼基的润滑剂受到广泛关注。但是这

种固体润滑剂受制于其加工技术和成本因素，难以

在现场应用。脂类润滑剂是另一类被广泛关注的润

滑剂，其中有机硼酸酯具有良好的抗氧化能力、低

毒、防磨损等特点。但是由于有机硼酸酯易水解生

成硼酸，限制了其在润滑剂中的应用。针对上述问

题，Platinum NanoChem（PLC）公司利用纳米技术，

研发出一种硼基纳米材料处理剂 PQCB，与传统有

机硼酸酯不同，PLC 公司在硼酸酯分子上引入 N-

杂环结构，从而提高了其水解稳定性和抗高温能力。

其抗温达 200 ℃，具有良好的高温稳定性，且可生

物降解。在 200 ℃下，密度为 1.20 g/cm3 的水基钻

井液加入 5 % 硼基纳米材料处理剂，润滑系数降

低 80 % ，密度为 1.62 g/cm3 的水基钻井液润滑系

数可降低 52 %。与常规的润滑剂相比，这种硼基

纳米材料可改善钻井液的流变性和滤失性能，可有

效降低高温高压滤失值。这是由于这种硼基纳米材

料高温稳定且能够有效抑制聚合物材料的分解。

在缅甸高温井现场应用中，未加入 PQCB 前，

机械钻速低，钻具磨损严重；加入 PQCB 后，机

械钻速由 3 ～ 4m/h 提高至 9m/h。该井的井底温度

达到 176℃，但未发生 PQCB 降解失效的问题。现

场使用中，加入 3% 的 PQCB，钻井液塑性粘度降

低 25%，但动切力变化不大， API 滤失量降低 30%

以上。钻井液的润滑系数降低 36.36%，渗透率恢

复值达到 41%，而商用润滑剂的润滑系数降低大约

13.64%、渗透率恢复值为 49%。图 1 为加入 PQCB

前后现场钻井液性能对比。

此外，与其他酯基润滑剂相比，硼基纳米材料

在钻井液中不会发生水解反应发泡，从而降低硅基

和醇基消泡剂的用量。这种硼基纳米处理剂可以生

物降解，降低钻具的磨损，从而降低钻井综合费用。

（供稿 孔 勇）

图 1 加入 PQCB 前后现场钻井液性能

现场泥浆3%PQCB

活性泥浆无 PQCB

现场泥浆无 PQCB

YP, lb/100ft2 PV, cP API Fluid Loss, ml

活性泥浆3%PQCB

现场泥浆3%PQCB

现场泥浆1.5%PQCB

基浆无PQCB

现场泥浆2.5%PQCB

35

30

25

20

15

10

5

0

3.5

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0

92016年9月 工艺技术

新一代超高性能水基钻井液体系

——PURE-BORE 钻井液

钻井工业一直寻求一种简单而理想的流体作

为钻井液，其具有性能高、成本低、易于使用和维护、

对油气层无伤害且具有环境友好。传统的钻井液体

系在除了水、坂土、重晶石以外还要加入页岩抑制

剂、增粘用剂、降失水剂、润滑剂、稀释剂等处理

剂。针对上述问题，英国 MGS 公司开发出了一种

水溶性聚合物 Pure-Bore 作为钻井液处理剂，并在

此基础上形成了新一代超高性能水基钻井液体系。

Pure-Bore 水溶性聚合物是一种特殊分子设计

的聚合物，富含羟基、胺基等吸附基团，可快速吸

附于井壁，同时分子间和分子内可相互缔合，且

分子大小为纳米尺度。与传统钻井液处理剂功能

单一相比，Pure-Bore 水溶性聚合物实现了多功能

性，可替代水基钻井液的大部分处理剂，如黄原

胶 /CMC/PAC/PHPA 等聚合物、页岩抑制剂 / 聚胺

等常规抑制剂。Pure-Bore 是一种超高抑制性聚合

物，其具有表面活性，可与钻屑和井壁表面相互

作用，形成微包被结构，增强钻井液的抑制性能。

Pure-Bore 具有高剪切稀释性，分子间可相互交联

形成网状结构，大幅度降低泥浆当量密度，优化钻

井液水力参数，提高井眼清洁能力。在分子尺度上，

Pure-Bore 是一种纳米封堵材料，可有效封堵地

层的微裂缝，降低钻井液的滤失量。此外，Pure-

Bore 还是一种环境友好材料，可以生物降解，可

在北海的英国和挪威两侧直接向海排放，能够降低

环境污染。

以 Pure-Bore 为主剂形成的高性能钻井液体系

具有体系成分简单的特点，其典型盐水体系配方为：

1.7 % Pure-Bore + 1.7% 防漏堵漏剂 + 5%KCl+25

%NaCl+ 0.2%NaOH+ 重晶石。在该体系中，水溶

性聚合物 Pure-Bore 作为钻井液的抑制剂、流型调

节剂、降滤失剂和润滑剂等处理剂，实现了一剂多

用，易于现场应用和维护。Pure-Bore 钻井液已成

功在部分美国页岩气井应用，累计进尺达 500 000

米，与传统油基钻井液相比，成本降低达 30 % 以上。

（ 供稿 孔 勇）图 1 PURE-BORE 钻井液在井壁形成网状滤饼

一种页岩甜点识别新技术

哥伦比亚桑坦德工业大学基于世界三个主要

地区（美国、欧洲、中国）页岩气储层特征参数，

在现有脆性指数分析方法的基础上，提出一种识别

页岩甜点及可压性的方法，主要步骤如下：

(1) 深入开展对每个勘探目的层的矿物成分分

析，识别出主要的矿物组分，例如硅酸盐、碳酸盐

10 第6卷 第3期石油工程科技动态

表 1 不同储层识别的甜点和各层的最优压裂液类型

地层 甜点 (ft) 脆性指数均值 (%) TOC 均值 (%wt) 最优压裂液

Barnett 7180-7390 61.6 3.77 滑溜水

Marcellus 5694-5700 71.05 4.57 滑溜水

Geverick Member 13933-13950 58 5.51 混合压裂液

Posidonia 5485-5555 25.5 2.27 线性胶

筇竹寺组 8740-8760 67.1 2.35 滑溜水

和粘土；

(2) 采用岩石力学参数，如杨氏模量和泊松比

深入描述每套目的层的力学特性；

(3) 采用矿物成分和弹性模量数据计算每套目

的层的脆性指数；

(4) 选择最能代表岩石脆性的参数，结合地球

化学数据识别每套目的层的甜点；

(5) 基于甜点的脆性指数分析，结合 TOC 资料，

确定压裂液类型。

为了识别最典型的甜点，汇集了各个研究区不

同深度的 TOC 数据，通过研究脆性指数和 TOC 进

行甜点识别，并确定了甜点标准：TOC>2%、BI（脆

性指数）>40%。通过分析储层脆性指数和力学性

质来优化压裂液类型，并确定了压裂液选择标准：

BI>50% 采用滑溜水；BI<20% 采用线性胶。

所建立的脆性指数综合了力学性质、岩石物理

和地球物理性质，是一种现场适用性较强的方法，

对于已开发的页岩气层、尤其是未进行过非常规资

源潜力评估的页岩气层的甜点预测具有指导性，可

获得最优的压裂改造效果。表 1 为不同储层识别的

甜点和各层的最优压裂液类型。

（供稿 卞晓冰）

一种新型缓蚀聚合物乳化酸

哈里伯顿公司 Oliveira 等发明和测试了一种

含有能溶解于油的新型缓蚀聚合物乳化酸（IEA），

这种聚合物乳化酸具有同时在酸压和支撑剂压裂中

提高携砂能力和产生足够蚓孔的特性。

（1）携砂反乳化酸配方

携砂反乳化酸配方如表 1 所示。

（2）携砂性能测试

在室温、零剪切速率下，支撑剂在 IEA（含 1%

聚合物）和硼酸盐交联液中的静态沉降实验结果表

表 1 IEA 基本配方

反乳化酸配方 体积分数（%）

合成蜡（油外相） 30

油包水乳化剂

（格里芬亲水亲油平衡比：7 ：11）2 ～ 5

聚合物 A 0.8

聚合物 B 0.2

剩余的水 / 酸（15%HCl）相 66.5

112016年9月 工艺技术

图 1 携砂性能测试

图 2 岩心两端压差、岩心渗透率随时间变化图

图 3 常规乳化酸和 IEA 酸化后对比

■ IEA:30:70 的油水比，

含 15%HCI 和 1% 可溶

性聚合物■ 穿透时间 ~65min

入口

入口

■ 乳化酸 :30:70 的油水比。

含 15%HCI，无聚合物 ■ 穿透时间 ~14min

■ 引用：（Buijse, Van Domelen, 1998）硼酸盐

交联液

初始状态 5 分钟后 15 分钟后 20 分钟后

初始状态 3 小时后 6 小时后 9 小时后

0:0

0:20

0:02

:39

0:04

:58

0:07

:17

0:09

:36

0:11

:55

0:14

:14

0:16

:33

0:18

:53

0:21

:12

0:23

:31

0:25

:50

0:28

:09

0:30

:28

0:32

:47

0:35

:06

0:37

:25

0:39

:44

0:42

:03

0:44

:22

0:46

:41

0:49

:00

0:51

:19

0:53

:38

0:55

:57

0:58

:16

1:00

:35

1:02

:54

1:05

:13

1:07

:32

1:09

:51

IEA (1%聚合物 )

压差p

si

渗透率m

d

时间（hh: mm: ss）

压力 渗透率

施工1006

906

806

706

606

506

406

306

206

106

6

60

50

40

30

20

10

0

图 4 聚合物乳化酸穿透后岩心 CT 扫描图

明，IEA 可以在几小时内都保持支撑剂悬浮，而硼

酸盐交联液保持支撑剂悬浮时间小于半小时，如图

1 所示。

图 2 为岩心两端压差、岩心渗透率随时间变化

图，可以看出，持续时间超过一小时以后压差才突

然下降，渗透率逐渐上升，说明酸液穿透岩心。与

Buijse 和 Van Domelen(1998) 在同类型岩心、同实

验条件下对比，IEA 的穿透时间大约是没有聚合物

乳化酸的四倍。IEA 的注入穿透体积也是乳化酸的

四倍，说明 IEA 具有很强的缓蚀性能。

IEA 和乳化酸穿透后的岩心入口端照片如图 3

所示，IEA 穿透后形成的蚓孔更集中。从 CT 扫描

图上看出聚合物乳化酸对渗透率具有较好的选择

性，如图 4 所示，当乳化酸进入高渗透率岩心中，

乳剂的状态稳定，酸液释放的速度较慢，降低了酸

岩反应速率，对岩心起到了缓慢的均匀溶蚀作用。

同时，其较高的粘度减小了酸液的滤失程度。在低

渗透率岩心中，乳剂分解，分离出的酸液加快了酸

岩反应的速率，形成了一条贯穿岩心的蚓孔，起到

了深穿透的作用。

（供稿 周 ）

岩心入口

岩心入口

岩心出口

岩心出口

12 第6卷 第3期石油工程科技动态

含 CnF 添加剂的复合纳米压裂液

阿布扎比海洋油气均为碳酸盐储层，酸化压裂

是一种必要且最为有效的增产手段。为了有效地提

高产量，阿布扎比海洋作业公司的研究人员研选了

一种被称为复合纳米流体的添加剂，实验证明添加

CnF 添加剂的酸液能够增产 40%。

酸液配方的基质酸仍然是 HCl，一般来说，白

云岩用 28% 的 HCl，灰岩用 15% 的 HCl。添加剂

的使用也是根据储层流体和岩性的不同来决定。酸

液中还添加了一种新型的复合纳米添加剂 CnF，这

是一种生物溶解和表面活性剂的混合物，它可以添

加其它功能团到纳米液滴中，诸如页岩稳定剂、破

乳剂、起泡剂或者沥青、石蜡溶剂和抑制剂等。

CnF 的溶剂是柠檬烯，是纯生物产品，在结构

和溶解能力上和二甲苯相仿。CnF 的液液界面使得

自身被地层吸受的比例大幅降低。进入油藏后，就

会有更多的表面活性剂存在于油水和气水界面发

挥作用。与普通表面活性剂相比，添加 CnF 以后，

表面活性剂被吸收的比例降低，因而表面张力大幅

度降低，接触角保持在 60°，液体初始流动压力降

低，因子达到 4。由此，可以返排更多的液体并且

提高了相对渗透率，增加产量。

目前，含有 CnF 添加剂的复合纳米压裂液已

经完成室内试验，显示了较好的效果，下一步将由

第三方实验室进行验证。

（供稿 黄 静）

贝克休斯 Integrity eXplorer 固井质量评价技术

在固井过程中，导致水泥被井筒内泥浆污染的

因素有许多，这些因素会降低水泥的密度和声波阻

抗特性。当水泥的密度小于 11 磅 / 加仑时，用于

评价固井质量的声学技术的分辨率会迅速下降，这

些现有的技术通常会把“被污染的水泥”或“低密

度水泥”解释为“部分胶结”或“未胶结”状态。

贝克休斯研发的 Integrity eXplorer 固井质量评价技

术能够提供较大的水泥密度可测范围，不受井下环

表 1 主要技术规格

工具长度 19 ft 11-1 /4in（6.08 m）

最小套管尺寸（外径） 4-1/2 in（114.3 mm）

最大套管尺寸（外径） 16 in.（406.4 mm）

最大工具外径 3-5/8 in.（92.07 mm）

最大测井速度 30 ft/min（9.14 m/min）

最大工作压力（耐压） 20000 psi（137.9 MPa）

最高工作温度（耐温） 350 ˚F（177 ℃）图 1 水泥胶结测井仪 Integrity eXplorer

132016年9月 工艺技术

境条件的限制，现场即可获取实时数据，作业人员

可迅速做出决策，节约作业时间和费用。

Integrity eXplorer 固井质量评价技术的主要特

点：①使用专门的电磁 - 声波换能器传感器技术，

适用水泥密度范围大，当水泥密度低至 7 磅 / 加仑

时依然有效，因此这项技术可用于评估被污染的、

低密度的和含气泡的水泥；②传感器安装在垫片

上，使其适应测井工具和套管有一定程度的偏心情

况，保证测井的准确性，因此，该工具也是弯曲井

段的理想选择；③评价固井水泥是否存在微环隙时，

Integrity eXplorer 技术无需进行昂贵且耗时的向套

管加压这一步骤，只需进行单趟测井；④ Integrity

eXplorer 技术直接对套管上发出声波，既能在充满

气体的井筒进行测量，也能在发生气侵的泥浆系统

中进行测量，能够在任何井筒流体的环境下对水泥

胶结质量进行测量。

根据 Integrity eXplorer 提供的现场数据，作业

者能够更加迅速地确定本次固井能否达到长期的层

间封隔的效果。贝克休斯在两个充满气体的试验井

中使用 Integrity eXplorer 固井评价技术，即使在有

井口压力的情况下作业，也能够成功获取到固井质

量评价的数据。

（供稿 朱祖扬 张晋凯）

新型高频套管超声测井仪器

及其在玻璃纤维套管固井评价的应用

图 1 仪器结构图和信号提取

Rfc

Tfc

Rc2

分离式稳定器

电路组件

机械部分

补偿器

液压油腔

泥浆传感器

马达部分

组合式分离器

头部传感器

井眼流体

介质 f

前波

玻璃套管

后波

介质 c

胶结物传感器 /探测器

介质 2

随着玻璃纤维套管的抗压、抗温能力不断改善

和生产成本大幅降低，在地下水监测、二氧化碳、

盐水注入、地热及油气井方面开始获得应用。玻璃

纤维套管具有低声速的特征，并且共振频率低于常

规的超声测井仪器的频带范围，其固井质量评价难

度较大。威德福研究人员研究了一种新型的高频超

14 第6卷 第3期石油工程科技动态

声测井仪，仪器由电子元件及机械探头、上下扶正

器以及在仪器前端的扫描探头组成。顶端超声扫描

传感器可以进行多种径向测井，一般在每秒内可进

行 6 次扫描。改良后的高频传感器有一个中心频率

及带宽。带宽可以及时地将玻璃纤维套管内的内部

反射和套管表面的外部反射信号分开，见图 1。因

此，初始反射能够及时消失，从而不会干扰二次反

斯伦贝谢 EMLA 钻头前实时分析

钻头前随钻电阻率的测量可以实现钻头前地

层性质的实时分析，增加井眼轨迹的调整时间，达

到前方地层实时预测目的。斯伦贝谢联合挪威石油

公司开发了钻头前地层随钻电阻率仪器 (EMLA)，

从而实时降低钻井成本及风险。

EMLA 仪器可以用于 12¼in 及 14in 的井眼，

为模块化结构，由一个低频的 EM 发射器安装在旋

转导向钻井系统上、钻头后 1.8m 位置。发射器可

以在钻头周围及钻头前方产生多频感应电流，产生

的感应磁场可以由钻柱后空间位置上隔开的 2 到 3

个接收器进行记录，如图 1 所示。另外，在钻头后

3m 加了一个传播电阻率测量装置。钻头前的地层

结构信息可以通过大量信号处理与反演，将仪器周

围敏感性信号及钻头前分隔开。在处理反演方面，

与远探测传播电阻率相似，钻头前测量解释完全基

于全自动的反演流程，并通过图形用户界面显示，

以提供清晰的储层结构信息，并便于钻井决策。

EMLA 的钻头前预测功能取决于发射器及接

收器的间距、频率、电阻率特征、储层厚度及钻头

前电阻率的对比度。通过多次现场试验，EMLA 可

以实现钻头前 5 到 30m 测量。在挪威的一口油井

进行应用，降低了钻井过程中上覆压力引起垮塌及

压力衰减层破裂风险。这口井井眼尺寸为 12¼in，

实时数据分析后，精确确定了套管下入位置，并且

在接近储层时降低泥浆密度来保护储层，防止储层

的破裂，在钻遇储层 3m 前进入 Mine 地层，储层

电阻率为 5Ω·m，上部泥岩层电阻率在 1 ～ 2 Ω·m。

墨西哥湾底部盐岩层不明确，并且无法从地震上

解释，在一口井钻井过程中最大化设置 EMLA 仪

器，优化操作环境，最终在仪器上增加了第三个

射信号。宽频带的传感器可以允许尖脉冲，以减少

回波的干扰。另外，仪器还采用新的算法进行回波

分离。

此仪器已经在大巴黎盆地的地热井内获得成功

应用，完成了 9⅝in 套管水泥胶结评价、7in 玻璃纤

维套管与 9⅝in 钢套管之间的环形水泥胶结评价。

（供稿 秦黎明）

图 1 仪器结构图

电阻率 TX

间距 #2 (20-22m)

间距 #1 (10-12m)

组合式旋转导向

RCV#2 RCV#1LWD 仪器 LWD 仪器

152016年9月 工艺技术

图 2 盐岩识别

-40

-30

-20

-10

0

10

RvRh

R (Ohm-m)

67.5222.807.702.600.880.3030m

-40

-30

-20

-10

0

10

0.1 1 10 100 1,000 10,0 5 10 15 20 25 30 35 40

EMLA 接收器来最大化的探测钻头前距离。三个

接收器离发射器的位置为 10.9m、21.5m、35.3m。

并且钻前对数据进行了模拟，能够探测 30m 的范

围地层。实时钻井过程中，多次井眼调整，并且及

时在 30m 内发现了盐岩层，如图 2 所示，尽管围

岩电阻率在 1 ～ 2Ω · m，低对比度条件下，井斜

在 30°左右时成功探测到了 5m 厚度的油层，电阻

率值在 4.6Ω · m 左右。

（供稿 秦黎明）

斯伦贝谢新型大井眼核磁共振

随钻测井仪器及评价应用

斯伦贝谢研发了新型 LWD 核磁共振测井仪

(NMR)，能够在高泥浆流速、大井眼条件下应用，

并且还可以保持短回波间隔及较高的高垂直分辨

率。针对不同的岩性、泥浆类型、烃类类型及实时

评价分析进行了实验，能够实时分析储层孔隙度、

岩石质量、烃类性质及储层可生产性等特征，为早

期勘探与开发提供精确的分析。8.25 inLWD 测井

仪采用对称性设计，与 6.75in 仪器相似，但增加了

操作范围，详细的技术参数见表 1，仪器结构见图 1。

静态及无线频率磁场区域关于仪器轴向对称，形成

样品环形区域。另外，仪器增强了泥浆流速及压力

等级。NMR 仪器采集过程中，采用三种方法来降

低仪器的侧向摆动对测量结果的影响：一是低梯度

磁场采用环形设计，横向移动不会明显改变磁场幅

表 1 仪器参数

钻铤尺寸 (in) 6¾ 8¼

井眼尺寸 (in) 8¾ 到 10⅝10⅛ 到

12¼

探测深度 (in) 14 17

仪器长度 (ft) 37 38

最大承受压力 (kpsi) 20 20

最大承受温度 (℃ ) 150 150

流速范围 (gpm)300-600400-800

300-600400-800

狗腿度极限 ( °/100ft)旋转 ( 顶 )滑动 ( 底 )

81616

71414

最小回波间隔 (μs) 600 600

频率 245-250kHz 260kHz图 1 仪器结构图

稳定器

测量区域

天线 泥浆流动

环形磁铁

16 第6卷 第3期石油工程科技动态

度；二是可以通过加上底部钻具组合来模拟仪器移

动，优化仪器位置；三是仪器采用稳定器。高泥浆

速率需要仪器具有更强的抗腐蚀性，比如涡轮发电

机设备需要提供不同动力满足泥浆速率的要求。研

究人员对涡轮发电机转子、定子提供的电源动力和

泥浆速率进行了模拟和分析。

该仪器在两个区域进行了应用。第一个区域为

厄瓜多尔地区的 COCAK-40 井砂岩及碳酸盐岩地

层，此仪器施工过程中，采用 12in 的稳定器，钻

前核磁设计合理，扫描时间为 40s 条件下钻时为

45ft/hr，极化时间为 13s，可满足碳酸盐储层需要。

并且针对 A、B、C、D 四个区域储层进行了取心

实验，确定了 T2 截止值。第二个区域为墨西哥湾

的油基泥浆井，井眼尺寸为 12.25in，并且配合储

层压力实时测量仪、声波、密度及中子等仪器进行

实时分析。获取了精细的孔隙度、渗透率、T2 分布，

并且进行实时反演，确定了储层有利位置。

（供稿 秦黎明）

Meta Internal Clad 井下隔离技术

目前油气井层间隔离的难题让作业者只能依

靠多层管柱结构进行生产作业。而 Meta 公司研发

的 Internal Clad 技术解决了上述难题且提高了油井

产量。

Internal Clad 工具（图 1）可以通过电缆或连

续管作业，能快速便捷重建井筒完整性，在复杂井

况下可以灵活的通过大斜度井段，在内径变化极小

的条件下将选中层位隔离出来，消除多层管柱结构

生产方式的局限性，解决各种复杂的井下隔离问题，

不仅可以提高油井的完整性，还为作业者优化生产

效率并灵活安排不同储层的生产时间和次序提供了

手段。

主要特点包括：

（1）井筒完整性。如果作业过程中遇到意外状

况， Internal Clad 技术通过在金属防护层段形成柔

性金属接触实现封隔，无论是要封堵的射孔，发生

泄漏的井下管柱接头，还是被腐蚀的套管，或是遭

遇水侵的隔离带，都可通过该技术在井筒中建立坚

固的密封，进而重建油井的完整性并将产能最大化。

（2）金属护层 - 内径损失最小化。Internal Clad

技术能在原有套管或油管直径变化极小的前提下穿

过原有金属防护层，并在其下部安装相同直径的护

层，帮助作业者提高储层的产量和采收率。

（3）封隔无效射孔。Internal Clad 技术能快速

便捷的封隔没有生产效益的射孔，同时不会明显影

响井下管柱内径，能够最大化产能。

Internal Clad 技术在 Far East 公司的气井中进

行了应用，在井筒中成功安装的金属防护层隔离了

井深 3250m，120℃高温下的无效射孔，将产气量

从 0.3 MMCF（百万立方英尺）增加 2.0 MMSCF

（百万立方英尺），恢复了气井的产能。

（供稿 牛成成）图 1 Meta Internal Clad 井下隔离工具

172016年9月 工艺技术

小直径、储存式油基泥浆微电阻率

成像测井仪及应用

电阻率扫描成像已经广泛应用于地质、岩石

物理及地质力学方面。威德福研发了一种新型的

小直径、储存式油基泥浆成像测井仪，可用于小

井眼、高狗腿度、水平井等复杂井眼条件的成像。

新型仪器总长度 18.63in，主体直径 2.25in，

最大直径 4.1in。仪器的垂向分辨率在 0.4in，同时

地质特征的分辨率会更高，小于 0.4in，能够实现

高电子对比度信号的探测。测量部分由机械短节、

8 个臂、测量极板及定向短节组成，详细的仪器结

构见图 1。上部四个臂交叉连接，以仪器为中心，

使得在水平井中也能保证极板的应用，如图 2 所示。

下部四个臂是独立的，可实现 6 条井径测量，两条

井径产生于上部四个极板，四条井径产生于下部四

个极板。6 条独立的井径测量及一体化的定向短节

可传输精确的井眼几何形状。仪器的绝大多数电子

元件为模块化组装，以实现极板和仪器部分之间的

电子通讯，使得仪器更能抗干扰和具有较强的稳定

性。仪器还能够实现 9000m 深度高精度数据的存

储，主要仪器参数见表 1。

该仪器已经进行了 80 余口井的施工，其中

水平井施工 29 口井，并且仪器能够适应在含水

从 2% 到 35% 变化的油基泥浆系统及从 2000 到

30000ppm 变化的水矿化度下施工，获得高精度的

图像。另外，水平井最大施工长度达到 19800 英尺。

（供稿 秦黎明）

表 1 仪器技术参数表

仪器指标 参数

数据微电阻率成像、井眼几何及多臂

井径

测量速度 2000ft/ 小时

测量范围0 到 180 井斜，0 到 360 方位，

电阻率范围从 0.2 到 10000

垂向分辨率 0.4 英寸 (10mm) 电阻率测量

井周分辨率 0.2 英寸 (5mm) 电阻率测量

精度井径：± 0.2(5mm), 井斜 (±0.1

度 ), 方位±5 度

分辨率 0.5 英寸 (12.7mm)

井眼流体 油基泥浆、柴油及合成泥浆

最大外径 4.1 英寸 (104mm)

长度 18.63 ft (5.68 m)

重量 141 lb (64 kg)

最大温度 302 ˚F (150℃）

最大压力 15000 psi (103 MPa)

最大井眼直径 13 in (330 mm)

最小井眼直径 4.6 in (117 mm)

图 1 仪器结构图

图 2 仪器图片

2.0ft(0.61m)

探头部分

4.1in(104mm) 极板

2.25in(57.2mm)

存储器 定向模块 18.63 ft(5.68m)

18 第6卷 第3期石油工程科技动态

多次激活旁通阀工具

多次激活旁通阀是一套可多次打开和关闭的

短节，一般安装在定向、提速和随钻测井等特殊钻

具组合中，可根据井下工况及时打开、关闭进行特

种作业，增强特殊钻具组合的适用性，有利于提高

生产效率，降低井控风险。多次激活旁通阀在随钻

堵漏作业、注酸作业、修井及完井作业中可保护井

下钻具组合，在扩眼作业中可辅助提高切削效率，

在水平井、定向井钻井中可提高环空流速，增强井

壁下侧清洗能力。多次激活旁通阀主要技术优势：

①可实现不起钻堵漏等特殊作业，缩短钻井周期；

②停泵时旁通阀自动关闭，避免可能出现的 U 形

管效应或井控问题；③不受井下工具、仪器和钻头

水眼限制，可实现大排量洗井；④可有效清除定向

井和水平井段岩屑床；⑤可有效保护井下仪器及动

力钻具；⑥可实现多次井下开关作业。

目前主要有 DSI 公司的 PBL 多次激活旁通阀、

Baker Hughes 公司 XP 循环阀、XDT 公司 TAZ 无

限次激活旁通阀、国民油井公司 MOCS 工具以及

威德福公司的 JetStream 钻井循环阀。

（1）控制方式

目前，多次激活旁通阀主流的控制方式是机

械（投球）液压激活方式，包括纯投球液压式，以

及在投球激活的基础上辅助以地面钻井泵控制井下

流体压力和流量。投球激活方式需要增加地面投球

设备，会对钻柱内通径造成影响，降低流速、增大

压力损耗，并且影响其他工具下入。威德福公司

RFID 激活方式可将多个循环阀组合使用，实现选

择性激活。

（2）激活次数

采用多次投球激活的工具需要精确投球计数，

激活次数受限于球篮短节的最大容量，并且球篮短

节需专门起下钻进行清理，影响作业效率，增大作

业风险。目前可实现单趟下入无限次激活的旁通阀

有 3 种形式，一是类似于国民油井公司的 MOCS

工具，改进部分机械结构，可实现无限次激活；二

是类似 XDT 公司的 TAZ 工具，激活球采用特殊材

料，可在井下自然降解，无需球篮短节，不影响其

他工具如测井工具的通过；三是采用如威德福公司图 1 PBL 多次激活旁通阀工作原理

图 2 PBL 旁通阀打开过程 图 3 PBL 旁通阀关闭过程

a、激活状态 b、锁定状态 c、复位状态 d、球篮短节

投开阀球 开阀球到位 打开旁通阀 关闭球到位 阀关闭 恢复正常作业

192016年9月 装备工具

的 RFID 电控方式实现无限次激活，且可以同时监

测井下的状态信息，便于工具性能验证。

（3）工具结构

机械投球式的主流结构通过滑套阀启闭旁通

口，通过转位机构锁定状态位，而采用转位机构会

使状态位的切换受限于索引套筒的路径，无法实现

状态位之间的自由切换。威德福公司的 RFID 循环

阀采用液压缸自动补偿锁定的方式，克服了这个缺

点。多次激活旁通阀的发展趋势是单趟下入无限次

激活和远程智能控制。

DSI 公司的 PBL 多次激活旁通阀由开关球组、

旁通短节和球篮短节 3 部分组成。开关球组按照球

径由大到小排序，依次是激活球、2 个完全相同的

复位球以及锁定球，其中激活球和锁定球采用树脂

材料制成。旁通短节采用滑套阀控制流道启闭，激

活方式为投球激活，投球后钻柱内憋压压缩弹簧，

内滑套下行打开旁通端口。内滑套以及工具外壳上

的 2 个旁通端口都设有球座，当井下流体压力达到

预设的临界压力时剪断落在球座上的激活球或锁定

球。PBL 工具激活方式的关键是通过地面钻井泵

控制井下流体压力大小。PBL 多次激活旁通阀工

作原理如图 1 所示，它有激活和锁定 2 种工作状态。

激活状态时 2 个旁通端口全打开，钻柱内封堵，可

进行井眼清洗、随钻堵漏或其他作业。锁定状态时

仅 1 个旁通端口打开，锁定球在较小的流速和压力

下被泵送到井下，通过立压上升确定锁定球到位后，

地面停泵，实现锁定，在该状态下可以进行流体驱

替等作业。图 2、3 为 PBL 旁通阀打开和关闭过程。

目前，国内尚无多次激活旁通阀产品，国外多

次激活旁通阀结构参数如表 1 所示。

（供稿 谷 磊）

哈里伯顿 BaraLogix 钻井液检测器

由 哈 里 伯 顿 公 司 设 计 的 钻 井 液 检 测 器

BaraLogix DRU 是一种全自动流体密度和流变性检

测装置，在钻井过程中能够提供实时钻井液数据，

操作人员能根据“实时”的钻井液体数据来调整钻

井方案，为钻井过程中决策的制定提供有效数据支

持，减少作业风险、提高钻井效率，以便达到最佳

的钻井效果。

（1）基本原理

BaraLogix DRU 是自动化设备，安装在钻井现

场的泥浆罐附近，能够实时监测钻井液体的密度、

流变特性数据。设备主要由自动氮气发生和吹扫装

置组成，并配备有泥浆供应和回收管线、气源管线，

表 1 旁通阀参数对比

公司 型号 外径 /mm 激活方式 单趟激活次数

DSI PBL 73.03~241.30 投球 + 钻井泵 ≤ 6

XDT TAZ 165.10 投球 无限

贝克休斯 XP 196.85 投球 受限于球篮容量

国民油井 MOCS 120.65~203.20 投球 + 钻井泵 无限

威德福 JetStream 133.35~241.30 RFID 无限

20 第6卷 第3期石油工程科技动态

能够连接局域网。连接装置采用标准尺寸，适用于

大多数钻台连接管线。该设备对钻井液体的密度每

分钟检测一次，对流变性能每十五分钟检测一次，

数据由哈里伯顿公司的 InSite 数据采集系统收集、

传输。InSite 系统能够根据需求进行特定的数据筛

选，并可以实时查看。

（2）主要特性与优势

主要特性：①实时的流体性质数据；②钻井液

体密度能够做到每分钟检测一次；③提供六种流变

性质检测方案，最高频率每 15 分钟检测一次；④

采用模块化设计，结构紧凑；⑤占地面积小，设备

维护简单方便。

优势：①降低钻井风险。拥有比人工钻井液检

测系统更高的数据收集效率，使更准确的井下数据

分析、模拟成为可能，提高了钻井安全系数；更多

的井下液体数据保障了对控压钻井的更精确控制。

②提高钻井效率。实时数据能够提供钻井液体性质

连续变化趋势，减少非作业时间；实时数据帮助操

作人员优化钻井方案。

该技术在加拿大多个地区的漏失层和高温高

压地层成功应用。

（供稿 牛成成）

新型非爆破型封隔器坐封工具

以往桥塞、封隔器等工具的坐封常采用爆破方

式或者水力坐封方式，爆破方式工具存在运输和安

全隐患，而水力坐封工具的坐封能力有限，近年来

关于坐封工具的研究主要朝着非爆破型方向发展。

Probe Holdings 公司研发了一种新型机电坐封工具，

该工具安全高效；操作简便；可靠性高，并可以大

幅降低作业成本。

新型机电坐封工具采用触摸式交互屏幕

图 1 新型机电坐封工具、Cyclops Touch 触摸交互

屏幕以及一键重置设置示意图

触控界面 重置插头 水力模块 适配器接口

电源 / 电池 模块

驱动 / 泵 核心模块

Cyclops Touch，该交互屏幕位于工具表面，采用最

新技术使其适用于井下的高温、高压条件，并同时

适用于油井和气井，如图 1 所示。通过触摸屏的简

单操作就可以对工具进行设定，不需要对工具进行

任何拆卸和组装，不会对工具造成任何可能的损坏。

新型机电坐封工具设有一个自动重置功能，可

以在一分钟之内对工具进行快速重置，新工具主要

分为三个部分：电源模块、Cyclops Touch 触摸屏

模块和水力模块。每个模块都进行了针对性设计，

212016年9月 装备工具

贝克休斯 BASTILLE 高温高压

可取式生产封隔器

BASTILLE 封隔器专门设计用于极度高温高

压井况，作业后能完全回收。在温度 232℃，压力

表 1 技术参数表

套管规格

套管尺寸 9.625in

套管重量 47-53.5lb/ft

封隔器规格

连接 5.5in

内径 4.465in

外径 8.310in

温度范围 93-232℃

封隔压力 137.9MPa

138MPa 的极端井况下能够提供 V0 级别的密封能

力。

封隔器下入到设计位置后，通过管内打压一

趟管柱完成作业。封隔器可通过螺纹直接连在生

产管串上，或者连接在锚定密封总成装置上，便

于不用解封就能回收生产油管。不同于永久式生

产封隔器需要钻除作业，BASTILLE 封隔器剪

切——释放的特点使其可以通过化学切割或贝克

休斯专用的 Mechanical Pipe Cutter ™工具进行回

收。BASTILLE 可取式生产封隔器技术参数见表 1

所示。

（供稿 戴文潮）

采用特殊的设计参数确保工具的可靠性和应用便捷

性，其中的非弹性密封设计使工具可以连续工作高

达 50 次而不需要重新校正。

2015 年 4 月，该工具由 Statoil（挪威国家石

油公司）首次应用于挪威大陆架，并取得成功。

Interra 能源服务公司

AccuStimTM 跨座式封隔器

Interra 能源服务公司 AccuStimTM 跨座式封隔

器可以一趟管柱实现多级完井 / 压裂等作业。封隔

器的高速注射端口对于不同注入速度的施工具有广

泛适应性。封隔器具有全面密闭的特性，可以避免

支撑剂和岩屑对工具机械操作的影响。同时，仪器

的旁路系统缩短了作业时间，提高了作业效率。表

2015 年 5 月至今，已经有 20 套该新型工具被 5 家

不同的公司应用于现场作业，产品覆盖 25 个不同

的油田，并且作业成功率为 100%。

（供稿 侯 磊）

图 1 AccuStimTM 跨座式封隔器图片

22 第6卷 第3期石油工程科技动态

表 1 AccuStimTM 跨座式封隔器参数

AccuStim 尺寸 最大封隔器外径 带扩展拖动块的最大外径 端口流动面积 压力 温度

3.5″ 2.75″ (69.85mm) 3.202″ 155.3cm2 69MPa 230℃

4.5″ 3.75″ (95.35mm) 4.319″ 155.3cm2 69MPa 230℃

5.5″ 4.6″ (116.84mm) 5.094″ 155.3cm2 69MPa 230℃

1 为 AccuStimTM 跨座式封隔器参数。

AccuStimTM 跨座式封隔器主要优势：单趟压

裂多层、使用硬质合金降低磨蚀、较大的压裂端口

面积、通过自平衡阀实现更有效封隔、旁通阀自动

新型全通径无限级分段压裂工具

Interwell 公司研发了一种新型的全通径无限级

分段压裂工具 InterFracTM，如图 1 所示。常规多级

滑套通过将滑套预置在套管管柱中，并逐一投球，

从水平段趾端开始压裂直至全部压裂结束，并进行

返排投产。然而，InterFrac 技术则是从水平井跟端

开始压裂，其原理为：将滑套与筛管组成的管柱随

套管连接入井，通过地面泵送打开工具短节和憋压

球，达到第一级滑套位置时，通过管内加压将打开

短节内的 1# 憋压球从上部变径球座压至短节下部

变径球座并打开滑套压裂第一级，再从地面泵送同

样直径的 2# 憋压球至短节上部变径球座处，通过

管内加压将打开短节推至第二级滑套，同时第一级

滑套自动关闭，打开短节下部变径球座处的憋压球

落至井底，重新投入的位于短节上部变径球座处的

图 1 InterFrac 全通径无限级滑套及打开工具短节

图 2 无限级滑套结构图

图 3 1# 憋压球打开滑套

图 4 2# 憋压球将打开工具推至下一级滑套

平衡工具、偏流器将压裂液导入地层、三密封设计、

具备数据记录系统等。它可以部署在连续油管中或

连接管柱中，利用封隔器隔离压裂之后的区域。

（供稿 肖 博）

232016年9月 装备工具

CT Energy 公司 SRD 负脉冲水力振荡器

CT Energy 公司的 SRD 水力振荡器通过负脉

冲产生的轴向振动来减小钻进过程中钻柱的阻力、

使钻压更加有效的传递至钻头，在水平段滑动钻进

中可以达到降低摩阻、提高机械钻速的目的，并且

不会对井下随钻的 LWD/MWD 仪器造成损害。

(1) 工作原理

当泵压作用于振荡短节时，自带的压缩工具

（传输钻压）对水力振荡器进行压缩。一旦立管压

力释放至环形空间，振荡短节的回弹力和立管压力

共同对工具产生一个轴向力，从而能够有效降低钻

柱受到的摩阻力。

(2) 技术优势

① SRD 水力振荡器将负向脉冲转化为轴向机

械振荡来降低摩阻、减少粘滑现象；②在较小的立

管压力下 3 ～ 5Hz 的低频负向脉冲可以产生水锤

效应，且该效应在高低流量环境中可以调节，同时

降低了泵压；③ SRD 负脉冲水力振荡器不会对井

下随钻测量设备造成损害，因此该工具可以安装在

更加靠近钻头的位置。

(3) 性能参数

见表 1。

(4) 应用情况

SRD 负脉冲水力振荡器已在北美 800 多口井图 1 SRD 负脉冲水力振荡器室内实验图片

憋压球落至短节下部变径球座处，并打开第二级滑

套，如此反复直至全部压裂结束。地层油气流体均

通过与每个滑套连接的特殊筛管进入油层套管内，

并进行返排投产。憋压球为可溶解金属材料，可在

井内自行溶解。图 2 为无限级滑套结构图，图 3、

4 为打开第一级滑套流程。

该项技术的主要特点：①压裂级数不受限制，

且压后管内全通径；②采用自水平井跟端至趾端的

压裂方式；③后期无需油管或连续油管进行干预，

大幅节省作业时间和成本；④减少了压裂用水量，

实现了定点精细压裂；⑤预置的特殊筛管能有效防

止地层吐砂发生井筒内砂堵。

目前该项技术仍处在现场试验应用阶段，已经

在挪威、德克萨斯州的两口井中进行了入井试验，

验证了单井投入一个打开工具，从上至下依次打开

压裂滑套等功能的可靠性。

（供稿 魏 辽）

表 1 SRD 负脉冲水力振荡器主要性能参数表

工具规格 流量 (L/min) 压降 (MPa) 脉冲频率 (Hz) 总长度 (m) 连接方式

127mm 800 ～ 1400 1.375 ～ 2.75 3 ～ 4 5.8 NC38、NC40

172mm 1500 ～ 2000 1.375 ～ 2.40 3 ～ 5 6.0 NC50

24 第6卷 第3期石油工程科技动态

哈里伯顿新一代油藏监测仪 RMT-3DTM

哈 里 伯 顿 公 司 在 原 有 的 油 藏 监 测 仪

RMT(Reservoir Monitor Tool) 的基础上开发出新一

代油藏监测仪 RMT-3DTM (Reservoir Monitor Tool

AABT 方位声波固井质量评价测井仪

中国石油大学（北京）同油田企业合作研发的

方位声波固井质量评价测井仪—AABT 测井仪采用

声波相控圆弧阵技术，实现了具有周向分辨率的声

波固井质量评价方法。

AABT 测井仪主要由测井声系、隔声体和井下

电子线路短节等组成，如图 1 所示。其中，测井声

系包含有两组相控圆弧阵发射器以及源距分别为

3ft 和 5ft 的两个单极子接收器，如图 2 所示。发射

器和接收器的中心频率均为 15kHz。AABT 测井仪

工作时，一个扫描周期内，相控圆弧阵发射器可依

次分别向八个方向发射声波信号，相邻两个方向

之间间隔 45°；相控圆弧阵发射器每发射一次，3ft

接收器和 5ft 接收器分别接收 1 道波形，一个扫描

周期内共接收到 16 道波形。AABT 测井仪采用的

频率、源距和间距与传统的 CBL/VDL 一致，可以

同时获得 CBL/VDL 测井资料。

数值模拟和现场测试结果均表明，相控圆弧阵

发射器激发的套管波沿周向的能量分布不均匀。当

I 界面周向胶结质量不一致或者套管在某个方位存

在缺陷时，接收器接收到的八个不同方向声波信号

中套管波的幅度不同，借此可以对 I 界面周向胶结

质量或者套管损伤进行评价。相控圆弧阵发射器激

发的地层波也呈现沿周向能量分布不均匀的特点。

在 I 界面胶结质量很好时，可以根据地层波的周向

幅度差异对 II 界面周向胶结质量进行评价。

现已测得的资料证实了 AABT 测井仪扇区水

泥胶结成像图优于八扇区水泥胶结测井仪和分扇区

衰减率型水泥胶结测井仪，具有评价水泥周向胶结

情况的能力。

（供稿 吴金平）

图 1 AABT 测井仪

图 2 AABT 测井仪的测井声系

T R1 R2 电子舱

隔声体

5ft

T R1 R2

3ft

3-Detector)。仪器采用先进的脉冲中子发生器、新的

脉冲程序、更快速的探测器和全新的数据处理方法，

能以更快的测井速度，一次下井就能获得全部所需

的钻进过程中应用，平均使滑动钻进摩阻降低了

20000 磅～ 40000 磅，立管中的流体产生的水锤

效应使管柱的摩擦系数降低 17%，钻井周期缩短

23.08%。

（供稿 李梦刚）

252016年9月 装备工具

图 1 油藏监测仪 RMT-3DTM 测井成果图 图 2 新一代油藏监测仪三种模式下采集的测试曲线

的储层油气水三相饱和度测量数据，如图 1 所示。

RMT-3DTM 在带保温瓶的条件下其温度压力指标

分别达到了 204℃和 124MPa。RMT-3DTM 的中子发生

器产生 14MeV 高能量中子，与储层基岩形成一系列

碰撞，在相互作用后产生基于原子元素的特定能量

伽马射线。仪器配置了 3 个锗酸铋（BGO）探测器，

通过俘获截面、碳氧比和饱和度（Σ、C/O、SATG）

等 3 种独立的测量，提供俘获和非弹性产额及能谱

伽马等数据。非弹和俘获产额包括碳、氧、硅、钙、氢、

铁、氯、硫、钾及其他元素产额。利用 RMT-3DTM 提

供的资料能够进行油、气、水饱和度评价以及水驱、

蒸汽驱或二氧化碳驱提高采收率监测等。

RMT-3DTM 特别适用于老油田的二次开发，通

过储层监测提高油气产量和采收率，找出漏失产层。

RMT-3DTM 在复杂或未知地层水矿化度条件下准确

测量油、气、水饱和度。通过这些测量数据，可以

制定完善的油田管理决策，以获得更高的油气产量。

在常规和非常规油藏中，RMT-3DTM 提供储层孔隙

度、体积、矿物、岩性以及油气水饱和度等详细资

料，通过这些资料的分析，形成先进的油气井开发

解决方案。

哈里伯顿公司利用新一代油藏监测仪，在一口

测试井分别进行了非弹模式、俘获模式和新的脉冲

模式测试，俘获模式采用 15ft/min 的测井速度，非

弹模式采用 3ft/min 的测井速度，两次测试曲线的

重复性非常好。采用新的脉冲模式，可以一次完成

非弹和俘获两种模式的测量，测试结果与以上两种

模式测试结果相符性较好，如图 2 所示。利用新的

采集模式，一次下井就能获得全部所需的储层油气

水三相饱和度测量数据。

（供稿 邸德家）

STUF FP

STUF CO

Track 2 Depth Track 3

SGFF FP

SGFF SG

SGFU SG

SGFF FP

5.5 cu 30.5

0.33 0.63

0.32 0.62

0 0.1

0 0.1

0.8 1.8

0.9 1.9

0 cu 2

0 cu 2

5 cu 30

FCAP EP

FCAP SG

40000 cps 0

40000 cps 0

40000 cps 0

40000 cps 0

Depth Feet 1:240

COIF FP

COIF CO

LIRF FP

LIRF CO

900

ITCF FP

ITCF CO

Lithology Sigma Sat SATG Sat CO Sat 3DSAT 3DSAT

SHCTotSHCTot

VLIME

VLIME0 % 100 0 % 100 0 % 100 0 % 100 100 % 0

0 % 100VDOLO SHCTotSHCTot

SgTotSgTot

TOTPOR0.4 decp 0.0

EFFPOR0.4 decp 0.0

VGasCor0.4 decp 0.0

VHC0.4 decp 0.0

SATG Gas

CO Oil

CO Oil

CO Oil

26 第6卷 第3期石油工程科技动态

挪威国家石油公司 LOOP 技术投资项目

在应对国际石油市场竞争、技术变革等方面影

响，挪威国家石油公司实行的开放式创新方式值得

借鉴。1991 年以来，挪威国家石油公司通过实施

一项名为 LOOP 的技术投资项目，向全球 260 多

家中小企业提供了 6 亿多挪威克朗资金支持。在受

LOOP 项目资助的石油工程技术中，有大约 75%

的技术成功进入了国际石油市场，并为挪威国家石

油公司带来了 3 倍的收益。

为提高 LOOP 技术项目投资的成功率，挪威国

家石油公司于 2011 年成立了专门的挪威国家石油公

司技术投资（STI）管理团队。这支团队的成员在石

油工程技术、企业管理、企业兼并与收购等方面拥

有着非常丰富的经验。在多数情况下，STI 管理团

队会在初期与其感兴趣的石油企业建立良好关系，

提供研发创新产品和服务，为技术、产品研发提供

资金。其后，STI 管理团队会逐渐收购这些中小企

业的股权，从而获得一大批有价值的石油工程技术。

当中小企业向 LOOP 项目申请资金支持时，

STI 管理团队会根据以下条件对其进行严格审核：

申请者研发的技术是挪威国家石油公司迫切需要的

技术，能为其油气勘探开发带来效益；研究的技术

申请了专利或者受到其它方式的保护；申请者对技

术的开发拥有完整的纪录，能确保技术的可靠性。

这三项条件为挪威国家石油公司筛选出了一批有价

值的中小企业，如 Numascale，Neodrill，Aptomar

以及 Soiltech 等。

目前，高温传感器、钻井液自动检测等石油工

程前瞻技术的研发和推广都受到了 LOOP 投资项

目的支持。

（供稿 皮光林）

Carina ™光纤探测技术

Silixa 公司研发的 Carina ™光纤探测技术通过

应用星型光纤（Constellation fibre），并改进光电收

发器，信噪比提高了 100 倍，极大地提高了光纤分

布式检测的准确性。

光纤在承受应力或温度变化时，发生细微形

变，使光纤中光束的强度、频率、相位等光学参数

发生变化，通过检测这些光学参数的变化就能够探

测震动、温度等物理量。不同于普通单模或多模光

纤的匀质结构，星型光纤的轴心位置具有一个明亮

的散射芯，能使更多的光被反射。返回收发器的反

射光强度衰减小，反射光所携带的测量信息损失也

小，因此能够获得更高的信噪比。

得益于信噪比的提高，该技术可以使井下光纤

检测的灵敏度和准确性大幅提高。例如在产液剖面

检测应用中，地层产液流入井筒的微小声音，可以

被该技术从严重的背景噪声中检测出来，而且可以

探测产液位置，从而分辨产液层。在井下地震应用

中，通过在井筒中布设检测光纤，可以将整个井筒

作为震波的测线，获得高质量、高采样密度的地震

信号，从而获得更高质量的 VSP 剖面，同时相对

于传统的井下地震极大降低施工时间和成本。另外，

由于灵敏度的提高，该技术还有望替代微地震监测

所使用的井中检波器。

（供稿 何 江）

272016年9月 相关学科

一种可用于封堵天然裂缝的

高性能高强度材料 FORM-A-BLOK

M-I SWACO 公司在科威特采用一种 FORM-

A-BLOK 材料成功封堵了碳酸盐储层中天然裂缝的

失返性漏失。FORM-A-BLOK 材料为一种纤维质，

该纤维材料受时间及地层温度的影响小。FORM-

A-BLOK 材料通过在裂缝形成高强度桥塞，可有效

降低裂缝漏失，同时也有助于钻井液提至设计密度。

图 1 为 FORM-A-BLOK 纤维封堵材料 ( 左 ) 及纤

维质材料 ( 右 ) 对比图。

FORM-A-BLOK 为高固相段塞，通过去流体

化作用凝固并形成高强度的稠塞，同时该稠塞也不

图 1 FORM-A-BLOK 纤维封堵材料 ( 左 ) 及纤维质材料 ( 右 )

受时间以及温度的影响。应用该体系能够减少因起

下钻次数而增加的钻井作业时间。

科威特南部某井 6½in 井眼侧钻至 Najmah 地

层后在 4245m 处发生钻井液失返性漏失，采用常

规堵漏材料和三段水泥塞封堵裂缝，继续钻进 46m

时的漏失速率仍达 20.7~23.8 m3/h。采用含 FORM-

A-BLOK 材料的封堵浆有效阻止了浆体的进一步漏

失，封堵后没有后续漏失发生，节约钻时达 60 小时。

（供稿 董晓强）

10um

纳米复合流体提高采收率的综合评价

利用分散在水中的金属纳米粒子的混合物，

Cairo 大学研究了不同参数对混合纳米流体提高采

收率的影响。

采用溶胶 - 凝胶法制备了 SiO2、Al2O3 和 Fe2O3

纳米粒子，并制备了 0.01 wt.% 的混合纳米粒子流

体，将配比为 25% 的 SiO2、35% 的 Al2O3 和 40%

的 Fe2O3 的纳米粒子混合物分散于 3wt.%NaCl 浓度

的盐水和 0.5wt.%NaCl 浓度的盐水中。实验选取了

四块砂岩岩心作为研究对象，岩心参数见表 1 所示。

第一块岩心用于测试分散流体盐度对于采收

率的影响，岩心被连续三次浸没在混合纳米粒子流

体中，流体中混合纳米粒子的类型相同，但分散溶

液的矿化度不同，每次浸没至停止产油为止。实验

结果证明分散溶液的矿化度对于采收率的影响可以

28 第6卷 第3期石油工程科技动态

纳米二氧化硅改性智能水泥

随着深水油气勘探开发钻井日益增多，带来了

相应的固井施工难题。通过对多起事故原因的调查

以及对环保和经济效益的考量，发现保持水泥环的

完整性非常重要。因此，监测和跟踪油井水泥的整

个变化过程以确保在使用寿命期间水泥环的完整性

显得非常重要。

C. Vipulanandan 在最新的研究中报道，将水

与水泥比率为 0.38 的智能水泥进行二氧化硅纳米

（NanoSiO2）颗粒修饰，通过评估其传感特性的改

变，可以监测其在整个使用寿命期间的变化行为。

智能水泥是通过向水泥中加入 0.1％的导电填料制

备而成，使其变成为压阻材料。使用双曲线模型将

含有和不含有 NanoSiO2 的智能水泥浆在两个不同

温度（25℃和 85℃）下的剪切稀化行为量化，并

与赫歇尔 - 巴尔克莱模型进行了三个材料参数的比

表 1 四块岩心参数

岩心 长度（mm） 直径（mm） 孔隙体积（cm3） 孔隙度（%） 渗透率（md）

1 58.60 25.20 8.64 29.56 808

2 58.46 25.23 7.78 26.62 620

3 71.48 25.25 10.76 30.06 538

4 76.30 25.28 11.56 30.18 572

较。结果表明，该双曲线模型预测的 NanoSiO2 改

性智能水泥浆的剪切应力和剪切应变率之间的剪切

稀化的关系非常好。另外，双曲线模型具有最大剪

应力极限而其他模型则没有。基于该双曲线模型，

添加 1％ NanoSiO2 使得智能水泥浆在 25℃和 85℃

下所产生的最大剪切应力分别为 179Pa 和 400Pa。

添加 1％ NanoSiO2 使得智能水泥的初始电阻率增

加 35%，使形成的水泥石养护 1 天和养护 28 天抗

压强度分别增加 13％和 41％。对于添加 NanoSiO2

修饰的智能水泥，峰值应力电阻的电阻率变化比抗

压强度变化高出 1200 倍。该研究得出改性智能水

泥 24 小时电阻率的最大信号变化和抗压强度之间

的线性关系。

这种使用电阻率的变化确定材料的完整性的

好处包括其精确、易于测试和无损特征。另外，此

忽略不计。

第二块岩心用于研究注水后纳米流体的应用

对于采收率的影响。岩心注水后马上加入混合纳米

流体。实验结果显示混合纳米流体的加入成功形成

了集油带。

第三块岩心从经济的角度确定使用纳米流体

交替注入取代连续注入的可行性。实验结果从采收

率角度和经济角度证实了混合纳米流体交替注入的

使用优于连续注入流体。

最后，低矿化度的分散流体和纳米流体的注入

用于测试第四块岩心的性能。实验结果证明，低矿

化度分散溶液结合混合纳米粒子流体可以有效提高

采收率。

（供稿 黄 静）

292016年9月 相关学科

技术可用于监测水泥的长期行为。当然，水泥的电

阻率也受若干因素的影响，如孔结构、孔溶液组合

可修整形状记忆性高分子

——实现聚合物形状 - 性能循环变化的控制方法

形状记忆高分子是在一定条件下可固定“记

忆”某种形态的智能高分子材料。当外部条件发生

变化时，即有外部刺激时，材料可相应地改变形状，

并将其二次固定在此种变化形态下；当外部环境再

次发生变化，这种智能高分子材料可以马上对环境

刺激产生响应，并以特定的方式和规律再一次发生

变化，进而实现材料结构、形态的可逆性、循环性

的转变。

Wiley 数据库《聚合物科学期刊：B 聚合物物

理》上近期刊发了一系列基于形状记忆高分子的特

刊论文，罗彻斯特大学、阿克隆大学等院校的研究

人员在相关论文中提出了“可修整形状记忆”概念。

加工或使用聚合物材料的过程中，在冷却时拉伸聚

合物，可以使聚合物固定在一种非平衡形态，即其

“变化形态”。之后的外部触发将释放存储的弹性能

量，从而允许聚合物松弛到其平衡态，或者是初始

态、初始形状。典型的外部触发因素是温度变化，

近年来发展出了注入光、磁场、pH 改变等新触因。

一些特殊的智能材料可以克服多种外在触因而只对

一种特殊的条件作出响应。

形状记忆型聚合物包涵很广的聚合物类型，包

括液晶高分子、聚合物 - 金属复合物、离子凝胶、

导电高分子等等。聚合物材料的多样性成功的拓展

了形状记忆这种特殊性能的应用范围。在工业上应

用案例方面已有大量报道，制备热收缩管、容器外

包及衬里、航空航天设备器件等。还有一些较新的

应用，如针对机器人手臂所需的适应性抓握材料、

运动穿戴材料、温度响应型窗口密封胶等。在生物

医药领域，形状记忆性高分子还在人体力学设计骨

骼夹板、移植器官支架以及缝合线等方面进行了应

用研究。

特刊论文展示了基于结构 - 性能关系和多类型

聚合物材料，对于可修整、可选材、可循环变形的

形状记忆性高分子未来发展的潜力。着眼于设计，

制备可以精细调控形状、并具有“自愈”性能的可

循环高分子材料，不仅可以满足于新材料在先进制

造业与生物医药领域的需求，在石油工程技术应用

中，选择低成本聚合物材料，引入“可修整形状记

忆性能”，在井筒稳定、储层改造以及提高采收率

等方面也具有十分重要的研究价值。

（供稿 何 剑）

物、水泥含量、水与水泥的比率、温度甚至污染等。

（供稿 苗 霞）

植入式“神经尘埃”

加州大学伯克利分校的研究小组发明了一种

能植入人体的“神经尘埃”。它可以被植入大脑，

或者实时监控体内神经、肌肉和器官。该神经尘埃

可植入体内、连结人体与电脑，且不需靠电线或电

30 第6卷 第3期石油工程科技动态

图 1 长为 3mm 的神经尘埃已成功植入实验鼠体内

聚合物太阳能电池

太阳能电池作为一种有效能源利用方式，具有

在储量、环保等方面优于传统化石能源开发利用的

特点，引起人们的广泛关注。近年，聚合物太阳能

电池掀起了一场低成本取代硅太阳能电池的革命。

为了获得高效率储能，富勒烯（C60）成为在聚合

物太阳能电池中分离电荷载体所必需的原料。然而，

大量的富勒烯分子在光照条件下并不稳定，在高温

中易形成较大型结晶。

最近，由侯建辉（音译）领导的化学家团队研

发了无富勒烯的高效率聚合物太阳能电池，通过研

发将称为 PBDB-1 聚合物与一种称为 ITIC 的小分

子相结合替代富勒烯。依靠这种组合结构，阳光的

能量以 11% 的效率被转化。瑞典的几位科学家对

该电池器件进行了光伏损失谱的表征，验证了这种

新型的聚合物太阳能电池出色的能量转化效率。

通过改善聚合物材料的结构，提升两组分组合

结构的性能，相信可以进一步提升能量转化率和适

应环境能力。

（供稿 何 剑）

池供电。在应用上，不仅可即时回传身体器官健康

状态，甚至可进一步用于义肢控制、癫痫治疗等方面。

研究负责人 Maharbiz 表示，体内遥测在过去

一直被视为不可能，因为还没找到方法可以将极微

小的东西放入身体深处。而这项研究发明仅 1mm3

大的感测器，如一粒沙般大，可植入生物肌肉或周

围神经。研究指出，感应器内含一个压电晶体，透

过超声波提供感测器和传送资料所需的电源，目

前已成功植入实验鼠的肌肉和神经，如图 1 所示。

这项技术目前尚未突破将尺寸缩小至 50μm 以下，

无法用于脑部和中枢神经系统。下一步的目标为缩

小感测器尺寸以便植入脑部，并可在体内运作至少

10 年以上。

过去，大多植入脑中用来控制义肢的电极需要

和电线连接并穿过头骨，且大多仅能运作一至两年。

不过更新、更小的神经尘技术，可让无线感应器永

久被置入在头骨中，减少电极可能引发的感染和不

必要的操作。研究人员现在正在研究进一步小型化

这个尘粒，发现更多的生物相容性材料来把它们包

装进来，这样它们能在身体内的时间更长，并在它

们中纳入其它的传感器。未来希望能够把能量发送

到整个身体并与身体各处的植入物通讯，来以不同

的方式记录来自各种器官的数据，甚至报告关于肿

瘤或癌症治疗的症状。

借鉴相关研究思路，神经尘埃类传感器网络有

望用于井下实时监测、储层描述等石油工程领域，

通过将具备通讯功能的微型传感器送入井下，实现

对井下温度、压力等参数的实时监测。也可以混入

水泥浆，监测其水化过程和水泥环的完整性。

（供稿 赵汩凡）