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HAAKE流變儀進行壓裂液粘度測試
Stephen.Sun Thermo Fisher Scientific, 材料表征部，中國上海
簡介
壓裂液是在利用液體驅動力進行流體礦開采過程中用到的一類液體。在中國的油田中，壓裂技術作為一種能提高油氣產量的有效方法而得到了廣泛推廣，發展很快。目前壓裂液是壓裂技術中重要的組成部分。表征壓裂液的流變性質是對其評估的主要方法。世界上，特別是在美國，已有多種測試模式可對壓裂液流變性質進行測量。根據中國油田的行業標準，在一定的溫度和壓力下，剪切速率為170 s-1時，在1.5 - 2個小時內粘度值不應低于某一特定值。油田上使用的大多數壓裂液是水基壓裂液，而粘度測試的溫度總是高于100℃，如何能在此條件下高精度且不改變初始特性（如蒸發和剪切效應）地測量壓裂液粘度，這對測量儀器來說是一個巨大挑戰。多年以來的實踐證明，配有*的高溫高壓密閉單元的ThermoFisher Scientific HAAKE MARS及RSXXX系列流變儀是壓裂液評估中實用且可靠的儀器。HAAKE系列產品名錄中有各種型號的高溫高壓密閉單元，例如D100/200, D400/300, D600/250, D70/300和D170/300等，提供壓力可達600 bar，溫度可達300℃且耐酸性的高溫高壓密閉單元，可以滿足油田用戶的所有要求。但是目前用戶提出了新需求，要求能進行現場測試，在遠離實驗室或研究中心的場地進行測試。用戶無法將上述提到的流變儀搬至現場，因為這類流變儀需要空氣壓縮機和循環器，其運輸十分不便。更重要的是，由于現場環境通常比較差且嘈雜，使用空氣軸承的流變儀非常容易受到影響，導致測量數據質量變差。
為了響應這一需求，ThermoFisher Scientific研發并推出了一款便攜式強勁堅固的流變儀，即HAAKE Viscotester iQ流變儀，如圖1所示。此款儀器包括三個主要部分，分別是Viscotester iQ流變儀，圓筒加熱單元和高溫高壓密閉單元（與所有HAAKE 系列儀器兼容）。
圖1：便攜式HAAKE Viscotester iQ流變儀，配有高溫高壓密閉單元，帶電加熱系統，溫度可達300℃
此便攜式儀器的升降是手動控制的，儀器主要特征之一是其具有直觀的操作。高溫高壓密閉單元可被軟件自動識別。不同型號的高溫高壓密閉單元有固定的測量間隙。擰松升降手柄之后，測量頭可平穩地滑到測量位置。測量結束之后，可通過手柄將測量頭升到高位置，高溫高壓密閉單元可拆下清洗。可輕松拆卸整套設備，將其裝入運輸箱（可選擇購買）內。加上所有內容物，每個箱子的重量也不超過20 kg，通過飛機運輸*沒有問題（圖2）。到達現場之后，幾分鐘內就可完成開箱組裝，測試之前無需任何調試。
圖2：便攜式HAAKE Viscotester iQ流變儀的運輸箱
實驗
如上所述，使用此儀器進行測試時無需任何調試，因此操作者只需要準備好樣品，然后對其加壓即可。高溫高壓密閉單元上蓋密封之后，將其放入加熱系統中，調低測量頭就位。操作者可以使用 HAAKE RheoWin 軟件，根據他們編輯的測試作業流程來控制儀器。圖3是溫度為90℃，剪切速率為170 s-1時一種壓裂液基液的測量數據。
圖3：利用便攜式HAAKE Viscotester iQ流變儀進行的典型的壓裂液粘度測試
本次實驗用的是中國油田行業內一種典型的測試方法，用于評估壓裂液的耐熱性和抗剪能力。在圖3中可以看出，在整個測試過程中，剪切速率始終十分穩定地保持在170 s-1，這對后測試結果非常重要。因為樣品中沒有交聯和結構，這種基礎壓裂液的粘度大約為40 mpa.s。在開始的幾分鐘內粘度值不斷變小，這主要是因為溫度需要一定時間來達到穩定值。如果在基礎樣品里加入交聯劑，結果就會立即發生變化（圖4）。
圖4 利用便攜式 HAAKE Viscotester iQ和MARS60 流變儀對交聯壓裂液進行的典型粘度測試
很顯然在加入交聯劑之后，粘度增加了好幾倍，耐熱性也變得更強。在近一個小時內溫度保持在110℃，樣品粘度仍然保持在200 mpa.s 以上，這符合行業標準。另外既使用HAAKE Viscotester iQ流變儀，也使用了MARS60 流變儀對樣品進行了測試，兩者結果相近且具有可比性，只是 MARS60 流變儀得到的數據值比Viscotester iQ流變儀的值略高。
總結
所有結果都證明ThermoFisher Scientific HAAKE Viscotester iQ流變儀是評估壓裂液流變性能實用且可靠的儀器。HAAKE Viscotester iQ 流變儀具有便攜式配置，可輕松將其搬至遠離用戶實驗室的作業現場，進行組裝和操作。HAAKE Viscotester iQ 流變儀的某些指標可與大型流變儀相媲美，其性能非常優異，與大型流變儀接近，為用戶的研究工作提供了更豐富的選擇和更多的可能性。