泥页岩测试专用三轴岩心夹持器的研制与应用

余维初，徐四龙（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）

张颖（长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023）

钻井过程中的井壁失稳、各种复杂情况约70%与泥页岩相关［1］。测量岩心渗透率是地质勘探与开发、油气储层保护研究、泥页岩测试等试验中既重要又非常广泛的一项工作。而泥页岩夹持器是用来测量泥页岩岩心渗透率必需的一种专用工具［2，3］。目前，模拟评价油气储层保护、井壁稳定以及钻井过程中钻井液、完井液对储层伤害程度的评估试验都需要用到泥页岩三轴岩心夹持器，而现有的室内其他岩心夹持器只能够进行液相流动渗透试验，不能实现泥页岩岩心与钻井液在岩样的端面形成人为污染。因此，研制一种能够在模拟井下高温高压及循环流动条件下综合评价钻井液对泥页岩井壁稳定性的室内评价试验专用的三轴岩心夹持器就变得非常重要［4］。它的研制成功及时解决了当前快速发展的我国页岩气勘探开发过程中试验研究工作的燃眉之急，解决了单一通过泥页岩极低渗透率和膜效率测试的力化（力学与化学）耦合模型评价井壁失稳的局限性，对我国页岩气勘探与开发过程中优选稳定井壁的钻井液和完井液体系具有重要的现实意义。

1 工作原理

研制的泥页岩测试专用三轴岩心夹持器的结构如图1所示。

将橡胶套套在夹持器的下端盖上，将泥页岩岩心样放入橡胶套中，在橡胶套的上端装入上端盖，固定锁紧上端盖上的上端进口管线和上端出口管线。将压力室筒体吊装到压力室底座上，旋转压力室外盖到底部，套上加热体。加围压，当围压排气口的阀门口有液体流出时，关闭围压排气口的阀门，继续加围压到设定的压力值。从上端流体进口中加入模拟孔隙液，并确保模拟孔隙液的压力、流速保持不变；将夹持器压力室筒体中的泥页岩岩心样的上端压力增加至设定压力并保持压力恒定不变，泥页岩岩心样上、下两端接触的液体均为模拟孔隙液，且上端压力大于下端压力；利用操作软件自动记录泥页岩岩心样上、下两端的压力以及围压的变化，根据测得的压力变化曲线计算出泥页岩岩心样的渗透率，绘制出压力传递曲线。将注入液体改为钻井液，从上端流体进口中加入，并使钻井液流经泥页岩岩心样的上端面以形成端面污染，以替换掉泥页岩岩心样上端的孔隙液，同样保持泥页岩岩心样上端面的压力不变；利用操作软件自动记录泥页岩岩心样上、下两端的压力变化，待下端压力趋于稳定后停止记录，并计算泥页岩膜效率。

2 参数指标

1）压力 根据地质渗透率的不同分为高压、中压、低压，分别用于测量特低、中、高渗透的岩心；采用轴压围压控制系统来实现轴压围压的集合控制，并具有高度的稳定性。

2）温度 橡胶套的耐温强度为150℃，若温度高于150℃，需要用特殊的耐高温材料压制胶筒。加热过程主要采用单相固态继电器控制，该电路具有无触点、无噪声、控温灵敏、可靠性高、控温精度高及温度波动小的优点。

3）材料 钢体全部采用316L钢制成，要求在高温下保持固有的机械特性，并具有耐酸、耐碱、耐油、抗盐的性能；橡胶套采用特殊的橡胶制成，具有耐酸、耐碱、耐油等特性。

4）主要技术指标 ①岩心规格：直径25mm，长度50mm；②轴围压0～50MPa，测试精度0.2%；③使用温度范围：室温～150℃，动态稳定度±1℃。

3 性能检测

1）压力试验 将泥页岩标准岩心装入图1所示的专用三轴岩心夹持器中，加轴压围压至设定压力的1.2倍，观察48h，看压力是否泄露。

2）耐温性试验 将泥页岩标准岩心装入图1所示的专用三轴岩心夹持器中，置于150℃的恒温箱里，并将轴压围压加到2MPa，观察48h，看压力是否泄露。

4 使用特征

该夹持器能够模拟温度、压力条件及三轴应力条件下，对模拟井壁进行泥页岩渗透率测试以及模拟过程中的钻井液与泥页岩孔隙流体之间的理论渗透压测试，优选适合井壁稳定的钻井液体系；可用于在三轴压力状态下进行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［5］。该夹持器能耐压、耐温，保压精度高，重复性能好，同时能进行三轴向加载轴压和围压；仪器结构简单，操作方便，通过调节杆上的强力弹簧和万向压头实现岩心轴向预加压以及平衡岩心的功能，适用于储层气液两相渗透率测试［6］。

5 应用前景

泥页岩测试专用三轴岩心夹持器能够模拟温度、压力条件及三轴应力条件下，对模拟井壁进行泥页岩渗透率测试以及模拟过程中的钻井液与泥页岩孔隙流体之间的理论渗透压测试，优选适合井壁稳定的钻井液体系。泥页岩测试装备针对井壁失稳问题展开了大量研究，主要包括井壁稳定性机理研究、评价装置的研发以及现场实例的分析与处理等方面。根据现场实例分析和室内分析已证实井壁失稳由多种因素造成，如地质构造、原地应力、地层的岩性和产状、粘土矿物类型、钻井液性能及其与泥页岩井壁之间的物化反应、钻井作业的影响等，故在钻进过程中需考虑地层被打开后井壁与钻井液之间的相互作用以及其对岩石力学参数和岩石受力状态的影响，以便更真实地评价井壁失稳问题。该实验装置已经应用于相关油田与科研院所，普遍认为设计合理，结构简单，操作方便，是一种能够有效模拟井下岩（泥页岩）心应力状态理想的实验评价工具，对我国页岩气勘探与开发具有重要的实用价值。

［1］邓虎，孟英峰 .泥页岩稳定性的化学与力学耦合研究 ［J］.石油钻探技术，2003，31（1）：33～36.

［2］余维初，蒋光忠，汪伟，等.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.

［3］余维初，胡三清.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.

［4］余维初，宋世超，马燕华，等 .高温高压泥页岩井壁稳定评价装置的研究与应用 ［J］.钻井液与完井液，2013，30（3）：37～40.

［5］樊世忠 .油气层保护与评价 ［M］.北京：石油工业出版社，1988.

［6］谢世铎 .油层物理基础 ［M］.北京：石油工业出版社，1985.