JHTR真三轴应力夹持器的研究与应用

　［收稿日期］２０１０－０７－
１６
　［基金项目］国家科技重大专项（２００８ＺＸ０５０３６－
００１
）。

　［作者简介］余维初（１９６５－
），男，
２００６年６
月中国石油大学（北京）博士毕业，教授，现主要从事油田化学和油气储层保护研究领

域的教学和科研工作
。

ＪＨＴＲ
真三轴应力夹持器的研究与应用

余维初，蒋光忠，汪伟英，胡三清

（长江大学，湖北荆州４３４０２３）

邹来方，田中兰，杨恒林

（中国石油集团钻井工程技术研究院，北京１００１９５）

［摘要］
研究了一种模拟油气储层及煤层气储层条件下的

ＪＨＴＲ

多功能真三轴应力夹持器，解决了在真三

维压力状态下，科学真实地模拟地层条件下储层渗透率的变化规律及欠平衡、正压差、平衡钻井过程中
的泥浆动态污染过程，并可实现模拟储层污染过程和渗流测试过程一体化，避免多次装夹样品产生应力
效应等问题，解决了国内外现有产品技术上的缺陷，为在真实模拟储层三轴应力条件下进行岩（煤）心
渗透率测试以及其他力学参数变化规律的研究提供了有效的评价手段。该岩（煤）心夹持器操作灵活
、
方便适用，是一种岩心试验的有效工具
。
［关键词］岩（煤）心夹持器；真三轴；动态污染：；
污染评价

［中图分类号］ＴＥ９３７［文献标识码］Ａ ［文章编号］１０００－９７５２（２０１０）
０５－０１５６－０３

１
　

研究现状及存在的问题

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（煤）心夹持器是测定渗透率的一种必不可少的器具
［１］
。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用到模拟煤层岩（煤）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二维围压和轴压条件下的渗透率测试。由于地层应力状态不
尽相同，在地层水平方向上的应力也不尽相同，所以一维或二维应力夹持器不能真实地反映储层的应力
及开采过程中的应力变化情况以及储层渗透率随原地应力的变化规率
［１，２］
。随着钻井技术的不断发展，

笔者针对油田的实际需要，研制的ＪＨＴＲ多功能真三轴应力夹持器能科学真实地模拟地层应力条件下
的储层渗透率的变化规率，以及在真三维应力状态下，模拟欠平衡、正压差、平衡钻井过程中的泥浆动
态污染过程，可实现储层污染过程和渗流测试过程一体化，避免多次装夹煤样产生的应力效应，为油田
生产及科研提供一种有效手段
［３，４］
。

２　ＪＨＴＲ
真三轴应力夹持器的主要结构与原理
２．１
　

主要结构

真三轴应力夹持器由Ｘ轴压盖、左调节螺母
、
Ｘ
轴加压活塞、左固定螺母、左固定块、夹持器筒体、胶

筒、泥浆管道接口、右柱塞、右螺母、右固定块、右调节螺母
、
Ｙ轴压盖、Ｙ
轴加压柱塞等组成（图

１

）。

２．２
　

工作原理

ＪＨＴＲ
真三轴应力夹持器实现了真正意义上的储层样品的三轴应力岩心试验。方形岩心外面是一个
特制的方形胶筒，在Ｘ轴上伸入胶筒内与左端面岩心直接接触，其接触面的环形和直形水线，有利于进口
流体与岩心面充分接触，柱塞通过液压直接加Ｘ轴压力，岩心右端面与固定出口端接触
；
Ｙ
轴压力通过安

装在夹持器筒体上的２个同步柱塞加压，试验与Ｚ轴压力不相连
；
Ｚ
轴压力通过液压泵加压，压力直接加载

到方形胶筒上；试验过程中Ｘ轴压力模拟地层上覆应力
，
Ｙ轴压力模拟最大水平地应力，Ｚ
轴压力模拟最

·６５１·
石油天然气学报（江汉石油学院学报
）

２０１０年１０月　第３２卷　第５
期

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｏｉｌ　ａｎｄ　Ｇａｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｊ．ＪＰＩ
）

Ｏｃｔ．２０１０　Ｖｏｌ．３２　Ｎｏ．５
图１　
ＪＨＴＲ
真三轴应力夹持器示意图
小水平地应力，因此Ｙ轴压力要大于或等于Ｚ轴压力。将试验样品装入胶筒，装入Ｘ轴加压柱塞和Ｘ轴压
盖，装入并顶紧右柱塞，连接轴压管线和注入流出试验流程，Ｘ轴、Ｙ轴、Ｚ轴轴压通过３台液压泵控制，三
轴向压力可以互不相同，即可进行真三轴应力条件下的流体渗透率测试试验
。
岩心右端面设计有垂向泥浆污染通道，当流动试验完成后，将右柱塞退出一定距离，打开泥浆通
道，可用于在真三维压力状态下模拟欠平衡、正压差、平衡钻井过程中的泥浆动态污染过程，如果开展
正压差模拟钻井污染试验，还可以通过左端面岩心出口收集泥浆滤失液，ＪＨＴＲ真三轴应力夹持器实现
了储层污染过程模拟和渗流测试过程一体化
［５，６］
。

２．３
　

主要技术参数与技术指标

１）压力　根据地层渗透率的差异，ＪＨＴＲ真三轴应力夹持器分为高压、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　目前常规的钻井深度一般为５０００ｍ，按每１００ｍ地温升高３℃
计算，将橡胶套的抗温强度
设计为
１５０℃，如果地层温度超过１５０℃

，就需要选用特种材料压制胶筒。

３
）
材料

　
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，钢体部分全部采用３１６Ｌ钢制成，胶筒选用特殊橡胶配方制成，具有耐油耐弱酸、碱等特性
。
４）主要技术指标　①工作压力：１６～５０ＭＰａ；②温度：室温～１５０℃；③适用岩心规格：５０×５０×
（５０～７０）ｍｍ。

２．４
　

性能检测

１
）
压力试验

　
将如图１所示的ＪＨＴＲ真三轴应力夹持器装入标准铁岩心，加三轴压力到设计压力

的１．２倍，观察
４８ｈ

，压力无泄漏现象。

２
）
耐温性试验

　
将如图１所示的ＪＨＴＲ真三轴应力夹持器装入标准铁岩心，置于恒温箱中，然后

加三轴压力到
２ＭＰａ

，将温度升高到１５０℃，等温度稳定后，把三轴压力加到夹持器设计压力，
观察

４８ｈ
，压力无泄漏现象。

·７５１·
第３２卷第５期余维初等：ＪＨＴＲ真三轴应力夹持器的研究与应用

　
３　ＪＨＴＲ
真三轴应力夹持器主要特点及应用范围
该ＪＨＴＲ真三轴应力夹持器可用于测量地层岩心在各向异性应力条件下渗透率变化；用于在真三
维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
［７］
；

可试验模拟欠平

衡、正压差、平衡钻井过程中的泥浆动态污染过程、储层污染过程和渗流测试过程一体化，避免多次装
夹煤样产生应力效应；用于储层三维方向的渗透率测试，评价储层岩心三维各向异性特征；用于储层气
液两相渗透率测试
［８］
。

４
　

应用前景分析

ＪＨＴＲ
真三轴应力夹持器能够更真实地模拟地层应力条件和地层温度人条件下的储层渗透率的变化
规律，以及在真三维应力状态下，模拟欠平衡、正压差、平衡钻井过程中的泥浆动态污染过程，克服目
前常规岩（煤）心夹持器不能开展真三维应力试验的缺点，为地质勘探与开发、保护油层研究、煤储层
研究等试验研究提供了既重要又非常适用的一个试验平台；ＪＨＴＲ真三轴应力夹持器将在油气层的发现
和确保油气井的高产和稳产方面、煤层气的勘探和增产等方面发挥重要作用。该产品目前已应用于相关
油田及科研院所，用户普遍认为该产品设计原理正确，结构合理，密封性能好，操作简单可靠，是一种
有效模拟井下岩（煤）心应力的理想试验工具
。

该文报导的研究成果已申请了２项国家专利（专利申请号分别为
２０１０１０１２２０２０．８

，２０１０２０１２８１４１．９）。

［参考文献］
［１］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．

［２］李琪．普通岩心分析技术［Ｍ］
．北京：石油工业出版社，１９９３．

［３］贾军，唐培琴．钻井液对煤层气储层渗透性的损害［Ｊ］．钻井液与完井液，１９９５，１２（６）：
１～６．

［４］任俊，董泽军，张靖伟．煤层气钻井技术［Ｊ］．断块油气田，１９９８，５（２）：
４５～４７．

［５］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．

［６］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．

［７］樊世忠．油气层保护与评价［Ｍ］．北京：石油工业出版社，
１９８８．

［８］谢世铎．油层物理基础［Ｍ］．北京：石油工业出版社，
１９８５．

［编辑］

苏开科

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石油天然气学报（江汉石油学院学报）２０１０年１０月