JHR多功能径向岩心夹持器的研究与应用

肖想松 （荆州市现代石油科技发展有限公司，湖北 荆州 434000）

余维初 （长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023）

孙继光 （中国石油长城钻探工程有限公司钻具公司，辽宁 盘锦 124010）

1 岩心夹持器研究现状及存在的问题

钻井、完井和增产改造等作业过程中，工作液固相和液相不可避免地进入油气层，从而堵塞油气层孔喉并诱发各种敏感性，严重损害储层，阻碍油气勘探开发进程和勘探开发经济效益。油气层损害深度与损害程度与工作液侵入量有关。而侵入量又与岩石物性、钻井压差、泥浆性能以及作业时间等因素相关。因此，模拟作业过程的工作液损害试验，对于评价油气层损害深度和程度，从而优选工作液，特别是为完井作业和增产改造措施的设计提供依据，是关系到能否发现油气层、提高测井解释精度、正确评价储层性能和高效经济开发油气的关键［1，2］。

水平井能够增大泄流面积、减小渗流阻力，改善开采动态，有效地防范水锥和气锥，从而显著提高油气井的产能，然而水平井开发有时并不能达到预期目的。随着常规油气日益枯竭和油气开发方案的调整，调整井、水平井和多分支井也逐渐增多，在钻井、完井和增产改造作业过程中，这些类型井的损害更具复杂性［3］。开展水平井钻井完井液损害室内评价，可以有效揭示水平井损害特殊性，对储层保护方案设计，完善补救措施具有重要意义。

以上试验研究都是通过测量岩心渗透率来进行评价的。测量岩心渗透率是地质勘探与开发、保护油层研究、煤储层研究等试验研究中既重要又非常广泛的一项工作。岩心夹持器是测定渗透率的一种必不可少的器具［4］，目前模拟评价油层气、煤层气储量及钻井过程中钻井液完井液对储层伤害程度的评价试验都要用到岩心夹持器。该夹持器是基于在一维围压条件下的渗透率测试或一维围压和轴压条件下的渗透率测试［4，5］，以及用于模拟钻井的入井流体损害和测量岩心受入井流体损害深度和程度的储层损害评价装置动滤失夹持器［2］。主要有哈斯勒型岩心夹持器、三轴向岩心夹持器、带测压孔的岩心夹持器、动滤失岩心夹持器、真三轴应力夹持器［6］以及用于声速、电阻率、X射线CT扫描和核磁共振等特殊用途的特殊岩心夹持器。其试验岩心均为圆柱状实心样品，损害方式为岩心端面损害，采用轴向流动方式测试岩心的渗透率。普通岩心夹持器的岩心规格一般为直径25～50mm、长度25～600mm，也有根据用户特定要求提供其他尺寸和规格的岩心夹持器。

2 JHR多功能径向岩心夹持器的主要结构与原理

2.1 主要结构

JHR多功能径向岩心夹持器由泥浆进口管道、泥浆出口管道、左端盖、固定螺钉、O型圈、夹持器筒体、加热套、密封垫、活塞O型圈、活塞、右端盖、夹持器支座、夹持器转轴及转轴固定销组成，如图1所示。所述的夹持器左端盖左面与泥浆出口管道固定，泥浆进口管道固定在泥浆出口管道中心并形成双层套管结构，长度可以根据岩心的长度进行调节；左端盖和右端盖通过固定螺丝与夹持器筒体相连，并通过O型圈与夹持器筒体密封；左端盖右面中心和活塞左面中心嵌入密封垫，夹持器活塞安装于夹持器筒体右侧，左端盖和活塞之间安装岩心样品；所述的夹持器筒体外安装加热套和温度传感器，夹持器筒体在水平对称位置有一对夹持器转轴，用于支撑夹持器组件，夹持器转轴端部开有圆孔，两端的圆孔呈90°，通过转轴固定销与夹持器支座固定，夹持器可呈水平或垂直状态，便于开展模拟水平井或垂直井的钻井液完井液损害室内评价。

图1 JHR多功能径向岩心夹持器剖面图 （左）与俯视图

2.2 工作原理

JHR多功能径向岩心夹持器科学真实地模拟了地层条件下的钻井过程中泥浆对地层的污染过程以及地层孔隙流体的真实流动方向。试验样品采用全直径岩心，直径为90～110mm，在岩心中心钻有1个直径32mm的圆孔，模拟裸井眼，形成岩心内径面；将试验岩心安装在夹持器的左端盖和活塞之间，通过轴压加压端注入液压油或水推动活塞压紧试验岩心，试验岩心与夹持器的左端盖和活塞通过密封垫密封，在试验岩心的中心圆孔内安装泥浆进口管道，进口管道与活塞端面距离为10mm；在左端盖与试验岩心接触的平面上沿直径方向按一定距离开有测压点2和测压点3，与测压点1（流体注入端）以及测压点4（流体出口端）组成4个压力梯度测量点。模拟钻井过程时，高压泥浆通过进口管道注入到活塞端面并通过岩心内径面返流至泥浆收集器，完成对岩心内径面的动态污染，损害过程中形成的滤液通过流体注入端流出并计量。

测试岩心径向渗透率时通过夹持器筒体上的流体注入端注入模拟地层水或煤油，并通过流体注入排气端排出岩心与夹持器筒体间的空气，模拟地层水或煤油在压差作用下从试验岩心外径面渗透进入到内径面并通过流体出口端流出进入计量系统。运用达西定律计算岩心受泥浆污染前后的径向渗透率、径向梯度渗透率及渗透率恢复值。

2.3 多功能岩心夹持器的主要技术参数与技术指标的确定

1）压力的确定 根据地层渗透率的差异，径向岩心夹持器分为高压、中压和低压3种，高压夹持器用于测量特低渗的岩心，中低压夹持器用于测量中、高渗的岩心。

2）温度的确定 目前常规的钻井平均深度一般为6000m左右，按每100m地温升高3℃计算，最高不超过180℃。

3）材料的选择 考虑到试验过程可能会接触到弱酸、碱、盐、油等介质，并且要在高温下保持固有的机械特性及密封功能，刚体部分全部采用316L钢制成，密封垫采用优质聚四氟乙烯材料，O型圈选用特殊橡胶配方，具有耐油耐弱酸、碱等特性。

4）主要技术指标 ①流动压力16～50MPa；轴压压力0～60MPa；②温度为室温～180℃；③适用岩心规格φ90～110mm （外）×φ32mm （内）×80～200mm （长）；④安装方式有水平 （水平井）、垂直 （直井）2种；⑤泥浆返速0.6～1.78m/s（泥浆泵排量为3m3/h）。

3 JHR多功能径向岩心夹持器主要特点及应用范围

3.1 主要特点

JHR多功能径向岩心夹持器采用活塞和平面密封垫组合的形式对试验岩心加载模拟地应力，能有效阻止渗透率测试或泥浆污染时流体在岩心端面流动，改变了传统夹持器采用圆形橡胶套加围压的方式；泥浆在试验岩心的内径面进行污染，与钻井过程类似，改变了原来对岩心端面进行污染损害的方法；岩心渗透率测试的方向为岩心的直径方向，改变了原来对岩心进行轴向渗透率测试及评价的手段；在径向上采用多测点采集压力数据的形式，开展岩心梯度渗透率以及渗透率恢复值的测试，评价钻井液完井液对储层损害的程度和深度。

3.2 应用范围

JHR多功能径向岩心夹持器可用于测量地层或模拟岩心在应力条件下的渗透率变化；用于开展流体流动特性及储层钻井液动态污染前后的渗流变化规律研究［6］；完成模拟欠平衡、正压差、平衡钻井过程中的泥浆加压注入、储层污染［7］；用于开展直井、水平井及位移井的储层损害程度、预防措施及油气层储量评估的研究。

4 应用前景分析

JHR多功能径向岩心夹持器采用全直径岩心模拟地层径向流动试验以及模拟水平井大位移井在欠平衡、正压差、平衡钻井等过程中的动态污染，科学真实地模拟地层条件下储层渗透率的变化规律，通过多点压力采集并测定岩心受污染前后的梯度渗透率和渗透率恢复值，实现模拟钻井污染过程和渗流测试过程一体化［2］，解决了目前常规试验中采用小岩心开展轴向渗透率测试及岩心端面污染的局限性，为地质勘探与开发、保护油层研究、大位移井储层损害、损害预防及储量评估研究提供了有效的评价手段，为油田的生产及科研提供一种有效平台。该产品目前已在相关油田及科研院所应用，用户普遍认为产品设计原理正确，结构合理，密封性能好，操作简单，安全可靠。

［1］余维初，何权.JHMD－Ⅰ新型智能高温高压动态损害失水仪的研制 ［J］.钻井液与完井液，2005，22（6）：49～50.

［2］余维初，鄢捷年.JHMD2Ⅱ智能高温高压入井流体动态损害评价系统 ［J］.钻井液与完井液，2005，22（1）：25～27.

［3］王永恒，康毅力，陈一键，等 .水平井钻井完井损害实验评价技术新进展 ［J］.钻井液与完井液，2006，23（1）：72～75.

［4］余维初，胡三清，刘罡，等.JHR新型岩 （煤）心夹持器系列的研制与应用 ［J］.石油钻采工艺，1995，17（6）：82～84.

［5］李琪 .普通岩心分析技术 ［M］.北京：石油工业出版社，1993.

［6］余维初，蒋光忠.JHTR真三轴应力夹持器的研究与应用 ［J］.石油天然气学报 （江汉石油学院学报），2010，32（5）：156～158.

［7］樊世忠 .油气层保护与评价 ［M］.北京：石油工业出版社，1988.

［编辑］ 苏开科