余維初，蔣光忠，汪偉英，胡三清（長(zhǎng)江大學(xué)，湖北荊州434023）

鄒來方，田中蘭，楊恒林（中國石油集團(tuán)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(zhǎng)江大學(xué)，湖北荊州434023）

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

研究了一種模擬油氣儲(chǔ)層及煤層氣儲(chǔ)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(xué)真實(shí)地模擬地層條件下儲(chǔ)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(dòng)態(tài)污染過程，并可實(shí)現(xiàn)模擬儲(chǔ)層污染過程和滲流測(cè)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(shí)模擬儲(chǔ)層三軸應(yīng)力條件下進(jìn)行巖（煤）心滲透率測(cè)試以及其他力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律的研究提供了有效的評(píng)價(jià)手段。該巖（煤）心夾持器操作靈活、方便適用，是一種巖心試驗(yàn)的有效工具。

巖（煤）心夾持器；真三軸；動(dòng)態(tài)污染：；污染評(píng)價(jià)

1 研究現(xiàn)狀及存在的問題

測(cè)量巖心滲透率是地質(zhì)勘探與開發(fā)、保護(hù)油層研究、煤儲(chǔ)層研究等試驗(yàn)研究中既重要又非常廣泛的一項(xiàng)工作。巖（煤）心夾持器是測(cè)定滲透率的一種必不可少的器具［1］。目前模擬評(píng)價(jià)油層氣、煤層氣儲(chǔ)量及鉆井過程中鉆井液、完井液對(duì)儲(chǔ)層傷害程度的評(píng)價(jià)試驗(yàn)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(cè)試或二維圍壓和軸壓條件下的滲透率測(cè)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(shí)地反映儲(chǔ)層的應(yīng)力及開采過程中的應(yīng)力變化情況以及儲(chǔ)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(duì)油田的實(shí)際需要，研制的JHTR多功能真三軸應(yīng)力夾持器能科學(xué)真實(shí)地模擬地層應(yīng)力條件下的儲(chǔ)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(dòng)態(tài)污染過程，可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層污染過程和滲流測(cè)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(shí)現(xiàn)了真正意義上的儲(chǔ)層樣品的三軸應(yīng)力巖心試驗(yàn)。方形巖心外面是一個(gè)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(jìn)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(gè)同步柱塞加壓，試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)流程，X軸、Y軸、Z軸軸壓通過3臺(tái)液壓泵控制，三軸向壓力可以互不相同，即可進(jìn)行真三軸應(yīng)力條件下的流體滲透率測(cè)試試驗(yàn)。

圖1 JHTR真三軸應(yīng)力夾持器示意圖

巖心右端面設(shè)計(jì)有垂向泥漿污染通道，當(dāng)流動(dòng)試驗(yàn)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(dòng)態(tài)污染過程，如果開展正壓差模擬鉆井污染試驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層污染過程模擬和滲流測(cè)試過程一體化［5，6］。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)

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(cè)量特低滲的巖心，中低壓夾持器用于測(cè)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(jì)算，將橡膠套的抗溫強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(yàn)過程可能會(huì)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(jī)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(biāo) 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(cè)

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

2）耐溫性試驗(yàn) 將如圖1所示的JHTR真三軸應(yīng)力夾持器裝入標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(diǎn)及應(yīng)用范圍

該JHTR真三軸應(yīng)力夾持器可用于測(cè)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(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［7］；可試驗(yàn)?zāi)M欠平衡、正壓差、平衡鉆井過程中的泥漿動(dòng)態(tài)污染過程、儲(chǔ)層污染過程和滲流測(cè)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(chǔ)層三維方向的滲透率測(cè)試，評(píng)價(jià)儲(chǔ)層巖心三維各向異性特征；用于儲(chǔ)層氣液兩相滲透率測(cè)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(shí)地模擬地層應(yīng)力條件和地層溫度人條件下的儲(chǔ)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(dòng)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(yàn)的缺點(diǎn)，為地質(zhì)勘探與開發(fā)、保護(hù)油層研究、煤儲(chǔ)層研究等試驗(yàn)研究提供了既重要又非常適用的一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)；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(rèn)為該產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理正確，結(jié)構(gòu)合理，密封性能好，操作簡(jiǎn)單可靠，是一種有效模擬井下巖（煤）心應(yīng)力的理想試驗(yàn)工具。

該文報(bào)導(dǎo)的研究成果已申請(qǐng)了2項(xiàng)國家專利（專利申請(qǐng)?zhí)柗謩e為201010122020.8，201020128141.9）。

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

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［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(xiàng)（2008ZX05036－001）。

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

［編輯］ 蘇開科