泥頁(yè)巖測(cè)試專(zhuān)用三軸巖心夾持器的研制與應(yīng)用

余維初，徐四龍（長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

孫繼光（中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司鉆具公司，遼寧 盤(pán)錦 124010）

張穎（長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

鉆井過(guò)程中的井壁失穩(wěn)、各種復(fù)雜情況約70%與泥頁(yè)巖相關(guān)［1］。測(cè)量巖心滲透率是地質(zhì)勘探與開(kāi)發(fā)、油氣儲(chǔ)層保護(hù)研究、泥頁(yè)巖測(cè)試等試驗(yàn)中既重要又非常廣泛的一項(xiàng)工作。而泥頁(yè)巖夾持器是用來(lái)測(cè)量泥頁(yè)巖巖心滲透率必需的一種專(zhuān)用工具［2，3］。目前，模擬評(píng)價(jià)油氣儲(chǔ)層保護(hù)、井壁穩(wěn)定以及鉆井過(guò)程中鉆井液、完井液對(duì)儲(chǔ)層傷害程度的評(píng)估試驗(yàn)都需要用到泥頁(yè)巖三軸巖心夾持器，而現(xiàn)有的室內(nèi)其他巖心夾持器只能夠進(jìn)行液相流動(dòng)滲透試驗(yàn)，不能實(shí)現(xiàn)泥頁(yè)巖巖心與鉆井液在巖樣的端面形成人為污染。因此，研制一種能夠在模擬井下高溫高壓及循環(huán)流動(dòng)條件下綜合評(píng)價(jià)鉆井液對(duì)泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性的室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)專(zhuān)用的三軸巖心夾持器就變得非常重要［4］。它的研制成功及時(shí)解決了當(dāng)前快速發(fā)展的我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中試驗(yàn)研究工作的燃眉之急，解決了單一通過(guò)泥頁(yè)巖極低滲透率和膜效率測(cè)試的力化（力學(xué)與化學(xué)）耦合模型評(píng)價(jià)井壁失穩(wěn)的局限性，對(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)發(fā)過(guò)程中優(yōu)選穩(wěn)定井壁的鉆井液和完井液體系具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工作原理

研制的泥頁(yè)巖測(cè)試專(zhuān)用三軸巖心夾持器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

將橡膠套套在夾持器的下端蓋上，將泥頁(yè)巖巖心樣放入橡膠套中，在橡膠套的上端裝入上端蓋，固定鎖緊上端蓋上的上端進(jìn)口管線和上端出口管線。將壓力室筒體吊裝到壓力室底座上，旋轉(zhuǎn)壓力室外蓋到底部，套上加熱體。加圍壓，當(dāng)圍壓排氣口的閥門(mén)口有液體流出時(shí)，關(guān)閉圍壓排氣口的閥門(mén)，繼續(xù)加圍壓到設(shè)定的壓力值。從上端流體進(jìn)口中加入模擬孔隙液，并確保模擬孔隙液的壓力、流速保持不變；將夾持器壓力室筒體中的泥頁(yè)巖巖心樣的上端壓力增加至設(shè)定壓力并保持壓力恒定不變，泥頁(yè)巖巖心樣上、下兩端接觸的液體均為模擬孔隙液，且上端壓力大于下端壓力；利用操作軟件自動(dòng)記錄泥頁(yè)巖巖心樣上、下兩端的壓力以及圍壓的變化，根據(jù)測(cè)得的壓力變化曲線計(jì)算出泥頁(yè)巖巖心樣的滲透率，繪制出壓力傳遞曲線。將注入液體改為鉆井液，從上端流體進(jìn)口中加入，并使鉆井液流經(jīng)泥頁(yè)巖巖心樣的上端面以形成端面污染，以替換掉泥頁(yè)巖巖心樣上端的孔隙液，同樣保持泥頁(yè)巖巖心樣上端面的壓力不變；利用操作軟件自動(dòng)記錄泥頁(yè)巖巖心樣上、下兩端的壓力變化，待下端壓力趨于穩(wěn)定后停止記錄，并計(jì)算泥頁(yè)巖膜效率。

2 參數(shù)指標(biāo)

1）壓力 根據(jù)地質(zhì)滲透率的不同分為高壓、中壓、低壓，分別用于測(cè)量特低、中、高滲透的巖心；采用軸壓圍壓控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)軸壓圍壓的集合控制，并具有高度的穩(wěn)定性。

2）溫度 橡膠套的耐溫強(qiáng)度為150℃，若溫度高于150℃，需要用特殊的耐高溫材料壓制膠筒。加熱過(guò)程主要采用單相固態(tài)繼電器控制，該電路具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)噪聲、控溫靈敏、可靠性高、控溫精度高及溫度波動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)。

3）材料 鋼體全部采用316L鋼制成，要求在高溫下保持固有的機(jī)械特性，并具有耐酸、耐堿、耐油、抗鹽的性能；橡膠套采用特殊的橡膠制成，具有耐酸、耐堿、耐油等特性。

4）主要技術(shù)指標(biāo) ①巖心規(guī)格：直徑25mm，長(zhǎng)度50mm；②軸圍壓0～50MPa，測(cè)試精度0.2%；③使用溫度范圍：室溫～150℃，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度±1℃。

3 性能檢測(cè)

1）壓力試驗(yàn) 將泥頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)巖心裝入圖1所示的專(zhuān)用三軸巖心夾持器中，加軸壓圍壓至設(shè)定壓力的1.2倍，觀察48h，看壓力是否泄露。

2）耐溫性試驗(yàn) 將泥頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)巖心裝入圖1所示的專(zhuān)用三軸巖心夾持器中，置于150℃的恒溫箱里，并將軸壓圍壓加到2MPa，觀察48h，看壓力是否泄露。

4 使用特征

該夾持器能夠模擬溫度、壓力條件及三軸應(yīng)力條件下，對(duì)模擬井壁進(jìn)行泥頁(yè)巖滲透率測(cè)試以及模擬過(guò)程中的鉆井液與泥頁(yè)巖孔隙流體之間的理論滲透壓測(cè)試，優(yōu)選適合井壁穩(wěn)定的鉆井液體系；可用于在三軸壓力狀態(tài)下進(jìn)行流體流動(dòng)特性及儲(chǔ)層鉆井液動(dòng)態(tài)污染前后的滲流變化規(guī)律研究［5］。該夾持器能耐壓、耐溫，保壓精度高，重復(fù)性能好，同時(shí)能進(jìn)行三軸向加載軸壓和圍壓；儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，通過(guò)調(diào)節(jié)桿上的強(qiáng)力彈簧和萬(wàn)向壓頭實(shí)現(xiàn)巖心軸向預(yù)加壓以及平衡巖心的功能，適用于儲(chǔ)層氣液兩相滲透率測(cè)試［6］。

5 應(yīng)用前景

泥頁(yè)巖測(cè)試專(zhuān)用三軸巖心夾持器能夠模擬溫度、壓力條件及三軸應(yīng)力條件下，對(duì)模擬井壁進(jìn)行泥頁(yè)巖滲透率測(cè)試以及模擬過(guò)程中的鉆井液與泥頁(yè)巖孔隙流體之間的理論滲透壓測(cè)試，優(yōu)選適合井壁穩(wěn)定的鉆井液體系。泥頁(yè)巖測(cè)試裝備針對(duì)井壁失穩(wěn)問(wèn)題展開(kāi)了大量研究，主要包括井壁穩(wěn)定性機(jī)理研究、評(píng)價(jià)裝置的研發(fā)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例的分析與處理等方面。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例分析和室內(nèi)分析已證實(shí)井壁失穩(wěn)由多種因素造成，如地質(zhì)構(gòu)造、原地應(yīng)力、地層的巖性和產(chǎn)狀、粘土礦物類(lèi)型、鉆井液性能及其與泥頁(yè)巖井壁之間的物化反應(yīng)、鉆井作業(yè)的影響等，故在鉆進(jìn)過(guò)程中需考慮地層被打開(kāi)后井壁與鉆井液之間的相互作用以及其對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)和巖石受力狀態(tài)的影響，以便更真實(shí)地評(píng)價(jià)井壁失穩(wěn)問(wèn)題。該實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)應(yīng)用于相關(guān)油田與科研院所，普遍認(rèn)為設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，是一種能夠有效模擬井下巖（泥頁(yè)巖）心應(yīng)力狀態(tài)理想的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)工具，對(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)發(fā)具有重要的實(shí)用價(jià)值。

［1］鄧虎，孟英峰 .泥頁(yè)巖穩(wěn)定性的化學(xué)與力學(xué)耦合研究 ［J］.石油鉆探技術(shù)，2003，31（1）：33～36.

［2］余維初，蔣光忠，汪偉，等.JHTR真三軸應(yīng)力夾持器的研究與應(yīng)用 ［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)（江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)），2010，32（5）：156～158.

［3］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.

［4］余維初，宋世超，馬燕華，等 .高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)裝置的研究與應(yīng)用 ［J］.鉆井液與完井液，2013，30（3）：37～40.

［5］樊世忠 .油氣層保護(hù)與評(píng)價(jià) ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1988.

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