JHTR真三軸應(yīng)力夾持器的研究與應(yīng)用

余維初，蔣光忠，汪偉英，胡三清（長江大學，湖北荊州434023）

鄒來方，田中蘭，楊恒林（中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京100195）

JHTR真三軸應(yīng)力夾持器的研究與應(yīng)用

余維初，蔣光忠，汪偉英，胡三清（長江大學，湖北荊州434023）

鄒來方，田中蘭，楊恒林（中國石油集團鉆井工程技術(shù)研究院，北京100195）

研究了一種模擬油氣儲層及煤層氣儲層條件下的JHTR多功能真三軸應(yīng)力夾持器，解決了在真三維壓力狀態(tài)下，科學真實地模擬地層條件下儲層滲透率的變化規(guī)律及欠平衡、正壓差、平衡鉆井過程中的泥漿動態(tài)污染過程，并可實現(xiàn)模擬儲層污染過程和滲流測試過程一體化，避免多次裝夾樣品產(chǎn)生應(yīng)力效應(yīng)等問題，解決了國內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品技術(shù)上的缺陷，為在真實模擬儲層三軸應(yīng)力條件下進行巖（煤）心滲透率測試以及其他力學參數(shù)變化規(guī)律的研究提供了有效的評價手段。該巖（煤）心夾持器操作靈活、方便適用，是一種巖心試驗的有效工具。

巖（煤）心夾持器；真三軸；動態(tài)污染：；污染評價

1 研究現(xiàn)狀及存在的問題

測量巖心滲透率是地質(zhì)勘探與開發(fā)、保護油層研究、煤儲層研究等試驗研究中既重要又非常廣泛的一項工作。巖（煤）心夾持器是測定滲透率的一種必不可少的器具［1］。目前模擬評價油層氣、煤層氣儲量及鉆井過程中鉆井液、完井液對儲層傷害程度的評價試驗都用到模擬煤層巖（煤）心夾持器，該夾持器是基于在一維圍壓條件下的滲透率測試或二維圍壓和軸壓條件下的滲透率測試。由于地層應(yīng)力狀態(tài)不盡相同，在地層水平方向上的應(yīng)力也不盡相同，所以一維或二維應(yīng)力夾持器不能真實地反映儲層的應(yīng)力及開采過程中的應(yīng)力變化情況以及儲層滲透率隨原地應(yīng)力的變化規(guī)率［1，2］。隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展，筆者針對油田的實際需要，研制的JHTR多功能真三軸應(yīng)力夾持器能科學真實地模擬地層應(yīng)力條件下的儲層滲透率的變化規(guī)率，以及在真三維應(yīng)力狀態(tài)下，模擬欠平衡、正壓差、平衡鉆井過程中的泥漿動態(tài)污染過程，可實現(xiàn)儲層污染過程和滲流測試過程一體化，避免多次裝夾煤樣產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng)，為油田生產(chǎn)及科研提供一種有效手段［3，4］。

2 JHTR真三軸應(yīng)力夾持器的主要結(jié)構(gòu)與原理

2.1 主要結(jié)構(gòu)

真三軸應(yīng)力夾持器由X軸壓蓋、左調(diào)節(jié)螺母、X軸加壓活塞、左固定螺母、左固定塊、夾持器筒體、膠筒、泥漿管道接口、右柱塞、右螺母、右固定塊、右調(diào)節(jié)螺母、Y軸壓蓋、Y軸加壓柱塞等組成（圖1）。

2.2 工作原理

JHTR真三軸應(yīng)力夾持器實現(xiàn)了真正意義上的儲層樣品的三軸應(yīng)力巖心試驗。方形巖心外面是一個特制的方形膠筒，在X軸上伸入膠筒內(nèi)與左端面巖心直接接觸，其接觸面的環(huán)形和直形水線，有利于進口流體與巖心面充分接觸，柱塞通過液壓直接加X軸壓力，巖心右端面與固定出口端接觸；Y軸壓力通過安裝在夾持器筒體上的2個同步柱塞加壓，試驗與Z軸壓力不相連；Z軸壓力通過液壓泵加壓，壓力直接加載到方形膠筒上；試驗過程中X軸壓力模擬地層上覆應(yīng)力，Y軸壓力模擬最大水平地應(yīng)力，Z軸壓力模擬最小水平地應(yīng)力，因此Y軸壓力要大于或等于Z軸壓力。將試驗樣品裝入膠筒，裝入X軸加壓柱塞和X軸壓蓋，裝入并頂緊右柱塞，連接軸壓管線和注入流出試驗流程，X軸、Y軸、Z軸軸壓通過3臺液壓泵控制，三軸向壓力可以互不相同，即可進行真三軸應(yīng)力條件下的流體滲透率測試試驗。

圖1 JHTR真三軸應(yīng)力夾持器示意圖

巖心右端面設(shè)計有垂向泥漿污染通道，當流動試驗完成后，將右柱塞退出一定距離，打開泥漿通道，可用于在真三維壓力狀態(tài)下模擬欠平衡、正壓差、平衡鉆井過程中的泥漿動態(tài)污染過程，如果開展正壓差模擬鉆井污染試驗，還可以通過左端面巖心出口收集泥漿濾失液，JHTR真三軸應(yīng)力夾持器實現(xiàn)了儲層污染過程模擬和滲流測試過程一體化［5，6］。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標

1）壓力 根據(jù)地層滲透率的差異，JHTR真三軸應(yīng)力夾持器分為高壓、中壓和低壓3種，高壓夾持器用于測量特低滲的巖心，中低壓夾持器用于測量中、高滲的巖心。

2）溫度 目前常規(guī)的鉆井深度一般為5000m，按每100m地溫升高3℃計算，將橡膠套的抗溫強度設(shè)計為150℃，如果地層溫度超過150℃，就需要選用特種材料壓制膠筒。

3）材料 考慮到試驗過程可能會接觸到弱酸、堿、鹽、油等介質(zhì)，并且要在高溫下保持固有的機械特性，鋼體部分全部采用316L鋼制成，膠筒選用特殊橡膠配方制成，具有耐油耐弱酸、堿等特性。

4）主要技術(shù)指標 ①工作壓力：16～50MPa；②溫度：室溫～150℃；③適用巖心規(guī)格：50×50×（50～70）mm。

2.4 性能檢測

1）壓力試驗 將如圖1所示的JHTR真三軸應(yīng)力夾持器裝入標準鐵巖心，加三軸壓力到設(shè)計壓力的1.2倍，觀察48h，壓力無泄漏現(xiàn)象。

2）耐溫性試驗 將如圖1所示的JHTR真三軸應(yīng)力夾持器裝入標準鐵巖心，置于恒溫箱中，然后加三軸壓力到2MPa，將溫度升高到150℃，等溫度穩(wěn)定后，把三軸壓力加到夾持器設(shè)計壓力，觀察48h，壓力無泄漏現(xiàn)象。

3 JHTR真三軸應(yīng)力夾持器主要特點及應(yīng)用范圍

該JHTR真三軸應(yīng)力夾持器可用于測量地層巖心在各向異性應(yīng)力條件下滲透率變化；用于在真三維壓力狀態(tài)下進行流體流動特性及儲層鉆井液動態(tài)污染前后的滲流變化規(guī)律研究［7］；可試驗?zāi)M欠平衡、正壓差、平衡鉆井過程中的泥漿動態(tài)污染過程、儲層污染過程和滲流測試過程一體化，避免多次裝夾煤樣產(chǎn)生應(yīng)力效應(yīng)；用于儲層三維方向的滲透率測試，評價儲層巖心三維各向異性特征；用于儲層氣液兩相滲透率測試［8］。

4 應(yīng)用前景分析

JHTR真三軸應(yīng)力夾持器能夠更真實地模擬地層應(yīng)力條件和地層溫度人條件下的儲層滲透率的變化規(guī)律，以及在真三維應(yīng)力狀態(tài)下，模擬欠平衡、正壓差、平衡鉆井過程中的泥漿動態(tài)污染過程，克服目前常規(guī)巖（煤）心夾持器不能開展真三維應(yīng)力試驗的缺點，為地質(zhì)勘探與開發(fā)、保護油層研究、煤儲層研究等試驗研究提供了既重要又非常適用的一個試驗平臺；JHTR真三軸應(yīng)力夾持器將在油氣層的發(fā)現(xiàn)和確保油氣井的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)方面、煤層氣的勘探和增產(chǎn)等方面發(fā)揮重要作用。該產(chǎn)品目前已應(yīng)用于相關(guān)油田及科研院所，用戶普遍認為該產(chǎn)品設(shè)計原理正確，結(jié)構(gòu)合理，密封性能好，操作簡單可靠，是一種有效模擬井下巖（煤）心應(yīng)力的理想試驗工具。

該文報導的研究成果已申請了2項國家專利（專利申請?zhí)柗謩e為201010122020.8，201020128141.9）。

［1］余維初，胡三清.JHR新型巖（煤）心夾持器系列的研制與應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，1995，17（6）：82～84.

［2］李琪.普通巖心分析技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1993.

［3］賈軍，唐培琴.鉆井液對煤層氣儲層滲透性的損害［J］.鉆井液與完井液，1995，12（6）：1～6.

［4］任俊，董澤軍，張靖偉.煤層氣鉆井技術(shù)［J］.斷塊油氣田，1998，5（2）：45～47.

［5］余維初，何權(quán).JHMD－Ⅰ新型智能高溫高壓動態(tài)損害失水儀的研制［J］.鉆井液與完井液，2005，22（6）：49～50.

［6］余維初，鄢捷年.JHMD2Ⅱ智能高溫高壓入井流體動態(tài)損害評價系統(tǒng)［J］.鉆井液與完井液，2005，22（1）：25～27.

［7］樊世忠.油氣層保護與評價［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1988.

［8］謝世鐸.油層物理基礎(chǔ)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1985.

TE937

A

1000－9752（2010）05－0156－03

2010－07－16

國家科技重大專項（2008ZX05036－001）。

余維初（1965－），男，2006年6月中國石油大學（北京）博士畢業(yè)，教授，現(xiàn)主要從事油田化學和油氣儲層保護研究領(lǐng)域的教學和科研工作。

［編輯］ 蘇開科