CN105842425A - 一种岩心夹持器和动态滤失实验装置 - Google Patents

Abstract

提供一种岩心夹持器以及依托其构建的动态滤失实验装置，可以实现对实际地层中取出的岩心进行动态滤失实验。设置有径向贯穿第一堵头和筒体的第一通孔，所述第一通孔设置在第一堵头与岩心交界处，且所述第一通孔与岩心端面相切；所述第二堵头中心设置有连通岩心和外界的第二通孔。通过第一通孔可以循环通入实验液体，实验液体在岩心表面流过，形成滤饼，同时渗漏到岩心中，通过第二通孔可以模拟地层压力并流出滤液，通过测量滤液的体积，结合实验液体的流速和压力以及渗漏时间，可以综合评价钻井时岩心的滤失状况。

Description

一种岩心夹持器和动态滤失实验装置

技术领域

本发明涉及试验设备技术领域，具体讲是一种岩心夹持器和动态滤失实验装置。

背景技术

伴随着国内外经济的高速发展，石油钻探和生产井越来越深，井下温度和压力也越来越高，钻井液面临井下高温、高压和动态的技术难题，对钻井液在高温高压下的滤失特性要求也越来越高，能够模拟井下高温高压及动态条件的滤失实验装置是研究地层滤失特性的必备测试仪器，岩心夹持器是滤失实验装置的核心部件。论文《钻井液高温高压滤失性测试方法和测试仪器的比较》（2015油气田勘探与开发国际会议论文集）介绍了国内外现有的静态和动态滤失测试仪器，静态滤失测试仪难以模拟动态情况，离地层下实际情况有较大出入；美国Fann 公司研发、生产的Model 90 高温高压动态滤失仪，使用不同渗透率的人造岩芯滤筒作为过滤介质，滤液经过岩芯滤筒侧壁由内向外滤出，并在岩芯滤筒侧壁上形成滤饼，这种动态滤失仪的结构已经很接近钻井时的实际渗漏结构，但实际地层所取出的岩心并非环形，只能起到模拟作用，难以达到对实际地层的滤失测定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种岩心夹持器以及依托其构建的动态滤失实验装置，可以实现对实际地层中取出的岩心进行动态滤失实验。

本发明的技术方案是：一种岩心夹持器，包括第一堵头、筒体、胶筒、第二堵头，筒体为中空结构，第一堵头和第二堵头分别设置在筒体空腔两端，岩心安装在第一堵头和第二堵头中间，所述胶筒在筒体腔体内环绕岩心设置，所述筒体上设置有围压口，所述围压口连通胶筒与筒体壁构成的围压腔，其特征在于：还设置有径向贯穿第一堵头和筒体的第一通孔，所述第一通孔设置在第一堵头与岩心交界处，且所述第一通孔与岩心端面相切；所述第二堵头中心设置有连通岩心和外界的第二通孔。

通过第一通孔可以循环通入实验液体，实验液体在岩心表面流过，形成滤饼，同时渗漏到岩心中，通过第二通孔可以模拟地层压力并流出滤液，通过测量滤液的体积，结合实验液体的流速和压力以及渗漏时间，可以综合评价钻井时岩心的滤失状况。

作为一种所述第一通孔的设置方式是，筒体径向钻贯通孔，与所述贯通孔相交的第一堵头设置缺口，所述缺口两侧设置支撑岩心的支撑块。堵头上设置缺口，实验液体可以顺利通过，支撑块可以支撑岩心，使之不至于发生移位。

在实验过程中，经常需要对岩心的压力等性能进行取样，可以采用以下技术方案：所述筒体、胶筒侧面设置有岩心取样孔。侧面设置岩心取样孔，既可以达到取样的目的，又不至于影响滤失的测试。

作为所述岩心取样孔的一种较佳设置方式是：筒体与岩心对应位置径向设置取样堵头安装孔，所述取样堵头安装孔设置有螺纹，取样堵头上设置有与之配套的螺纹，所述取样堵头通过螺纹安装在有取样堵头安装孔中，所述取样堵头末端设置有梯形沉孔，与取样堵头的相对应的胶筒外表面设置有与所述梯形沉孔相对应的圆形凸起，所述圆形凸起的末端直径小于与梯形沉孔的较大直径、大于梯形沉孔的较小直径，取样堵头安装上以后，所述圆形凸起插入所述梯形沉孔并压紧；所述取样堵头、圆形凸起上设置取样孔，取样管插入取样孔中。

安装取样部件时，取样管首先插入胶筒圆形凸起上设置的取样孔中，然后将取样堵头套在取样管上，使取样堵头和取样堵头安装孔上的螺纹对准，旋入取样堵头，取样堵头末端的梯形沉孔内表面接触到圆形凸起外圈，随着取样堵头的下行，圆形凸起外圈逐渐被梯形沉孔内表面压迫，从而使得圆形凸起外表面与梯形沉孔压紧、胶筒取样孔内表面与取样管外圆表面压紧，从而密封并固定取样管。这种方式简便可行，结构可靠，可操作性强。

作为胶筒的一种较佳实施方式：所述胶筒端部与筒体接触处设置有钩形唇边。围压腔充满围压液后，带压力的围压液迫使唇边向筒体内壁贴紧，围压液压力越大，唇边与筒体内壁贴的越紧，从而使得围压腔能够得到有效的密封。

作为胶筒的另一种实施方式：所述胶筒包裹第二堵头，所述第二堵头与胶筒配合处的形状为截顶圆锥形，所述胶筒与第二堵头配合处的直径在松弛状态时小于第二堵头。安装时，将第二堵头插入胶筒中，随着第二堵头的进入，胶筒内表面逐渐贴近堵头外表面，到最终位置时，第二堵头将胶筒撑开，胶筒内表面贴紧第二堵头外表面。

本发明的一种岩心夹持器的一种改进，所述第一堵头中心设置有连通岩心和外界的第三通孔。在使用时，可以将第一通孔封闭，通过第二通孔和第三通孔，可以做岩心驱替实验。

本发明还提供一种依托岩心夹持器所构建的动态滤失实验装置，其特征在于：第一通孔两端通过管路外接循环泵，由循环泵向第一通孔内部泵入实验液体；围压口通过管路连接围压输入泵，由围压输入泵向围压腔内泵入围压液体；第二通孔的出口通过管路连接背压阀的入口，背压阀的出口连接液体体积计量装置。

实验时，首先将被试岩心安装在第一堵头和第二堵头之间，压紧固定；然后启动围压输入泵通过围压口向围压腔通入围压液体，围压液体充满围压腔，并压迫胶筒抱紧被试岩心，从而固定岩心；启动循环泵，向第一通孔中泵入实验液体，所述实验液体持续从岩心表面流过，实验液体侵入岩心，并进入第二通孔，通过背压阀使得岩心和第二通孔中保持一定的压力，此压力用以模拟地层中液体的压力，提高实验液体的压力使其高于第二通孔的压力，实验液体通过岩心，通过背压阀流入液体计量装置，实验液体的流出体积结合压力、流速、流量、温度等参数可以对岩心的性质和状态进行综合研究。

在进行滤失实验时，需要向第一通孔通入压力稳定的实验液体，采用计量泵进行压力稳定是一种较好的方式，但是为了模拟不同钻井液的实际情况，实验液体往往具有强酸性或强碱性或腐蚀性，直接将实验液体流入计量泵将会腐蚀泵体，影响计量泵的正常运转，作为一种对本发明的动态滤失实验装置的一种改进，还包含中间容器，所述中间容器由缸体、左堵头、右堵头和中间活塞组成，所述缸体为中空结构，所述左堵头和右堵头分别固定安装在缸体两侧，所述左堵头设置有左堵头开口，所述右堵头设置有右堵头开口，所述左堵头开口和右堵头开口与缸体、左堵头、右堵头围成的腔体连通，所述中间活塞安装在缸体、左堵头、右堵头围成的腔体中，并可左右移动，缸体、中间活塞、左堵头形成左腔，缸体、中间活塞、右堵头形成右腔；与第二通孔连接的管路设有旁路，所述旁路连接中间容器的右堵头开口，所述中间容器的左堵头开口连接计量泵。

实验时，实验液体由右堵头开口进入右腔中，计量泵将清洁液体泵入左腔，可左右移动的中间活塞既起到隔离左右腔的作用，同时也起到传递左右腔压力，使其平衡的作用；采用这种方式，可在保证计量泵清洁的前提下控制实验液体的压力。

实验时，往往需要测量岩心压力，可采用以下的技术方案：所述筒体、胶筒侧面设置有岩心取样孔；所述岩心取样孔连接压力测量装置。通过岩心取样孔以及压力测量装置，可以方便的了解岩心内部的压力。

附图说明

图1是本发明的岩心夹持器一种实施例通过轴线的剖视图。

图2是图1中岩心夹持器的A-A剖视图。

图3是图1中岩心夹持器的局部放大图。

图4是使用图1中的岩心夹持器所构建的动态滤失实验装置的一个实施例的原理图。

具体实施方式

实施方式一

结合附图1、图2、图3说明岩心夹持器的一种实施方式。

如图1所示：岩心夹持器1包括第一堵头11、筒体12、胶筒14、第二堵头15，筒体12为中空结构，第一堵头11和第二堵头15分别设置在筒体12空腔两端，岩心13安装在第一堵头11和第二堵头15中间，岩心13周围安装有胶筒14，所述筒体12上设置有围压口123，所述围压口123连通胶筒14与筒体壁构成的围压腔16，所述第二堵头15中心设置有连通岩心13和外界的第二通孔；岩心夹持器1上还设置有径向贯穿第一堵头11和筒体12的第一通孔，所述第一通孔设置在第一堵头11与岩心13交界处，且所述第一通孔与岩心13相切。

第一堵头11中心设置有连通岩心13和外界的第三通孔。在使用时，可以将第一通孔封闭，通过第二通孔和第三通孔，可以做岩心驱替实验。

为了安装方便，图1中，第一堵头11由前堵头111和前压帽112组成，前压帽112通过螺纹与筒体12连接在一起，前压帽112压紧前堵头111，前堵头111中心钻第三通孔，所述第三通孔的与外界连通的口是螺纹孔1111。第二堵头15由后调整杆151、后压帽152、后堵头153和调整块154组成，后调整杆151、调整块154中心钻第二通孔，所述第二通孔与外界连通的口是螺纹孔1511。后堵头153插入筒体12与胶筒14连接，后压帽152和筒体12通过螺纹连接，调整块154装入胶筒中，后调整杆151插入后堵头153、后压帽153中，通过螺纹与后压帽152连接，通过调整块154压紧岩心13，通过放入或拿出调整块154、调整后调整杆的151与后压帽153的旋入深度，可以适应不同长度的岩心13。

胶筒14包裹调整块154、后堵头153、后调整杆151（均为第二堵头15的一部分），后堵头153与胶筒14配合处的形状为截顶圆锥形，所述胶筒14与后堵头153配合处的松弛直径小于后堵头153。安装时，将后堵头153插入胶筒14中，随着后堵头153的进入，胶筒14内表面逐渐贴近后堵头153外表面，到最终位置时，后堵头153将胶筒14撑开，胶筒14内表面贴紧并密封后堵头153外表面，安装方便，密封可靠。

如图1、2所示，第一通孔的设置方式是，筒体12径向钻贯通孔，与所述贯通孔相交的前堵头111(第一堵头的一部分)设置缺口1112，所述缺口1112两侧设置支撑岩心13的支撑块1113。堵头上设置缺口1112，实验液体可以顺利通过，支撑块1113支撑岩心13，使之不至于发生移位，第一通孔两端设置进液口121和出液口122。

如图1、2所示，通过进液口121和出液口122可以循环通入实验液体，实验液体在岩心表面流过，形成滤饼，同时渗漏到岩心中，通过第二通孔可以模拟地层压力并流出滤液，通过测量滤液的体积，结合实验液体的流速和压力以及渗漏时间，可以综合评价钻井时岩心的滤失状况。

如图1、3所示，筒体12与岩心13对应位置径向设置取样堵头安装孔124，所述取样堵头安装孔124设置有螺纹，取样堵头17上设置有与之配套的螺纹，所述取样堵头17通过螺纹安装在有取样堵头安装孔124中，所述取样堵头17末端设置有梯形沉孔171，与取样堵头17的相对应的胶筒14外表面设置有与所述梯形沉孔171相对应的圆形凸起141，所述圆形凸起141的末端直径d1小于与梯形沉孔171的较大直径D、大于梯形沉孔171的较小直径d，取样堵头17安装上以后，所述圆形凸起141插入所述梯形沉孔171并压紧；所述取样堵头17、圆形凸起141上设置取样孔，取样管18插入取样孔中。

安装取样部件时，取样管18首先插入胶筒圆形凸起141上设置的取样孔中，然后将取样堵头17套在取样管18上，使取样堵头17和取样堵头安装孔124上的螺纹对准，旋入取样堵头17，取样堵头17末端的梯形沉孔171内表面接触到圆形凸起141外圈，随着取样堵头17的下行，圆形凸起141外圈逐渐被梯形沉孔171内表面压迫，从而使得圆形凸起141外表面与梯形沉孔171压紧、胶筒14取样孔内表面与取样管18外圆表面压紧，从而密封并固定取样管18。这种方式简便可行，结构可靠，可操作性强。

如图3所示，胶筒14端部与筒体12接触处设置有钩形唇边142。围压腔16充满围压液后，带压力的围压液迫使唇边142向筒体12内壁贴紧，围压液压力越大，唇边142与筒体12内壁贴的越紧，从而使得围压腔16能够得到有效的密封。

实施方式二：

实施方式二是使用实施方式一中的岩心夹持器所构建的动态滤失实验装置进行动态滤失实验的一个实施例。

如图4所示，循环泵5出口通过管路连接进液口121，循环泵5入口通过管路连接出液口122，由循环泵5向第二通孔内部泵入实验液体；围压口123通过管路连接围压输入泵4，由围压输入泵4向围压腔16内泵入围压液体；第三通孔的与外界连通的孔1111封堵。第二通孔与外界连通的口螺纹孔1511通过管路连接背压阀2的入口，背压阀2的出口连接液体体积计量装置3。取样管18通过管路连接压力测量装置8，通过岩心取样孔以及压力测量装置，可以方便的了解岩心内部的压力，筒体12安装温度测量装置9。

与循环泵5连接的管路设置旁路，连接中间容器7的右堵头开口711,中间容器7的左堵头开口741连接计量泵6。中间容器7的结构是：中间容器7由缸体72、左堵头74、右堵头71和中间活塞73组成，所述缸体72为中空结构，所述左堵头74和右堵头71分别固定安装在缸体72两侧，所述左堵头74设置有左堵头开口741，所述右堵头71设置有右堵头开口711，所述左堵头开口741和右堵头开口711与缸体72、左堵头74、右堵头71围成的腔体连通，所述中间活塞73安装在缸体72、左堵头74、右堵头71围成的腔体中，并可左右移动，缸体72、中间活塞73、左堵头74形成左腔75，缸体72、中间活塞73、右堵头71形成右腔76。

实验时，将被试岩心13安装在前堵头111和调整块154之间，后堵头151旋入压紧；然后启动围压输入泵4通过围压口123向围压腔16通入围压液体，围压液体充满围压腔16，并压迫胶筒14抱紧被试岩心13，启动循环泵4，向第一通孔中泵入并充满实验液体。

循环泵5、管路、第一通孔循环稳定后，启动计量泵6，将清洁液体泵入左腔75，驱动中间活塞73移动，压迫右腔76中的实验液体进入循环泵5、管路、第一通孔的循环系统中，从而提高第一通孔中的压力至实验压力，通过计量泵中间活塞73，间接控制第一通孔中的压力。左右移动的活塞73既起到隔离左右腔的作用，同时也起到传递左右腔压力，使其平衡的作用，可在保证计量泵6清洁的前提下控制实验液体的压力。

所述实验液体持续从岩心13表面流过，实验液体侵入岩心13，并进入第二通孔，通过背压阀2使得岩心13和第二通孔中保持一定的压力，此压力用以模拟地层中液体的压力，提高实验液体的压力使其高于第二通孔的压力，实验液体通过岩心13，通过背压阀2流入液体计量装置3，通过压力测量装置8测量岩心13内压力，通过温度测量装置9测量模拟环境温度。

实验液体的流出体积结合压力、流速、流量、温度等参数可以对岩心的性质和状态进行综合研究。

实施方式三：

实施方式二是使用实施方式一中的岩心夹持器进行驱替实验的一个实施例。

封闭螺纹口121和螺纹口122，由孔1111通入实验液体，实验液体从岩心13流过，流入第二通孔中，由螺纹孔1511导出并测量，进行正向驱替实验。

封闭螺纹口121和螺纹口122，由螺纹孔1511通入气体，驱使实验液体从岩心13流出，流入第三通孔中，由孔1111导出并测量，进行反向驱替实验。

Claims (10)

1.一种岩心夹持器，包括第一堵头、筒体、胶筒、第二堵头，筒体为中空结构，第一堵头和第二堵头分别设置在筒体空腔两端，岩心安装在第一堵头和第二堵头中间，所述胶筒在筒体腔体内环绕岩心设置，所述筒体上设置有围压口，所述围压口连通胶筒与筒体壁构成的围压腔，其特征在于：还设置有径向贯穿第一堵头和筒体的第一通孔，所述第一通孔设置在第一堵头与岩心交界处，且所述第一通孔与岩心端面相切；所述第二堵头中心设置有连通岩心和外界的第二通孔。

2.根据权利要求1所述的岩心夹持器，其特征在于：所述第一通孔的设置方式是，筒体径向钻贯通孔，与所述贯通孔相交的第一堵头设置缺口，所述缺口两侧设置支撑岩心的支撑块。

3.根据权利要求1或2所述的岩心夹持器，其特征在于：所述筒体、胶筒侧面设置有岩心取样孔。

4.根据权利要求3所述的岩心夹持器，其特征在于：所述岩心取样孔的设置方式是：筒体与岩心对应位置径向设置取样堵头安装孔，所述取样堵头安装孔设置有螺纹，取样堵头上设置有与之配套的螺纹，所述取样堵头通过螺纹安装在有取样堵头安装孔中，所述取样堵头末端设置有梯形沉孔，与取样堵头的相对应的胶筒外表面设置有与所述梯形沉孔相对应的圆形凸起，所述圆形凸起的末端直径小于与梯形沉孔的较大直径、大于梯形沉孔的较小直径，取样堵头安装上以后，所述圆形凸起插入所述梯形沉孔并压紧；所述取样堵头、圆形凸起上设置取样孔，取样管插入取样孔中。

5.根据权利要求1至2任一项所述的岩心夹持器，其特征在于：所述胶筒端部与筒体接触处设置有钩形唇边。

6.根据权利要求1至2任一项所述的岩心夹持器，其特征在于：所述胶筒包裹第二堵头，所述第二堵头与胶筒配合处的形状为截顶圆锥形，所述胶筒与第二堵头配合处的直径在松弛状态时小于第二堵头。

7.根据权利要求1至2任一项所述的岩心夹持器，其特征在于：所述第一堵头中心设置有连通岩心和外界的第三通孔。

8.使用权利要求1至7任一项所述的岩心夹持器的动态滤失实验装置，其特征在于：第一通孔两端通过管路外接循环泵，由循环泵向第一通孔内部泵入实验液体；围压口通过管路连接围压输入泵，由围压输入泵向围压腔内泵入围压液体；第二通孔的出口通过管路连接背压阀的入口，背压阀的出口连接液体体积计量装置。

9.根据权利要求8所述的岩心夹持器的动态滤失实验装置，其特征在于：还包含中间容器，所述中间容器由缸体、左堵头、右堵头和中间活塞组成，所述缸体为中空结构，所述左堵头和右堵头分别固定安装在缸体两侧，所述左堵头设置有左堵头开口，所述右堵头设置有右堵头开口，所述左堵头开口和右堵头开口与缸体、左堵头、右堵头围成的腔体连通，所述中间活塞安装在缸体、左堵头、右堵头围成的腔体中，并可左右移动；与第一通孔连接的管路设有旁路，所述旁路连接中间容器的右堵头开口，所述中间容器的左堵头开口连接计量泵。

10.根据权利要求7所述的岩心夹持器的动态滤失实验装置，其特征在于：所述筒体、胶筒侧面设置有岩心取样孔；所述岩心取样孔连接压力测量装置。