泥页岩膨胀量测定仪的改进研究

韩天夫，李进，王雪竹，赵建刚，魏瑞，许云博，李慧想，石凯，杨锐

(1.北京探矿工程研究所，北京 100083；2.北京诚通方达科技有限责任公司，北京 102401)

0 引言

页岩气作为一种清洁、高效能源，在中国具有雄厚的资源基础，战略地位非常重要。在页岩气资源勘探开发钻井过程中，水平井是页岩气钻井开发的主要组成，在钻井中面对大量的井壁不稳定性问题，有统计表明，90%的井眼不稳定情况发生在页岩地层中[3]。井眼不稳定的主要原因是水基钻井液滤液进入页岩层理间隙，黏土矿物遇水膨胀，导致局部地层拉伸破裂，出现井壁垮塌、缩径等井内复杂情况。当然，油基钻井液可以避免上述问题，但是由于环保和成本等原因限制了其使用范围。添加膨胀抑制剂，使水基钻井液具备强抑制膨胀性功能是行业研究重点。当前，膨胀抑制剂性能的测试评价已经非常成熟，在钻井中的应用也非常广泛。

NP-01是石油天然气行业标准中推荐的常温常压状态下测试评价泥页岩膨胀抑制剂性能的典型仪器设备，此类仪器测试结果获得了行业技术人员的一致认可[1-2]。本次研究以改进型的WT-NP-03膨胀量测试仪测试应用为例，总结分析了膨胀量测试中出现的一些影响结果一致性和平行性问题。通过对仪器测试结构和测试方法的改进，经过测试验证，达到目标要求。同时，提出了通过构造仪器测试的拟合函数的方法，作为验证同类仪器测试平行性的参考[4-8]。

1 仪器简介

WT-NP-03膨胀量测试仪是按照行业标准要求，模拟泥页岩吸水后体积膨胀的机理进行结构设计的典型常温膨胀量测试仪，其外观结构如图1所示。

1.机壳；2.显示屏；3.键盘；4.传感器导杆；5.支撑杆；6.活塞杆；7.样品杯盖；8.样品杯；9.底盘

仪器采用数字式位移传感器，单片机控制，可以独立测试，也可以通过USB接口连接上位计算机，由电脑控制多机同时使用，可以实时显示膨胀量数据变化和膨胀量曲线。结构上采用了嵌套样品杯设计，满足按照传统方式在内杯上端添加试剂，少量液体就能完成测试；也可以利用外杯盛装大容量液体，在测试中随时向外杯添加试剂，实现技术人员的独特测试目标。

仪器的测试原理是按照标准先压制模拟的岩心，将岩心放入内(筒)杯中，岩心上面插放活塞杆，再将含有岩心内杯组合放入外杯中。当外杯盛装足够液体后，岩心浸泡在试验溶液中，岩心开始随着时间缓慢膨胀变形，膨胀的线性位移量经过活塞杆传导至位移传感器。由此，膨胀信号经过传感器转化后上传，经过处理即获得岩样的膨胀数据。

2 膨胀量测试的影响因素及改进措施

2.1 克服水化膨胀应力的限制

根据膨胀量测试仪的测试原理，需要模拟的岩心在水化膨胀时产生足够的水化膨胀应力，才能推动活塞等传动机构向上移动。徐力群等提出泥岩与水基钻井液接触后产生的水化膨胀应力随着时间的延长而逐渐增大，基本上在2小时后达到最大值并保持不变，并且总体上泥岩在清水中产生的膨胀应力较大，超过12 kPa，在NaCl溶液中次之，KCl溶液中最小，不到4 kPa[5]。因此，在直径25 cm的标准岩心端面上，岩心膨胀产生的水化膨胀应力最大不超过6 N，并且在膨胀初始时水化膨胀应力更小，这就要求活塞和传动机构的重量不能过大，并且传动系统的摩擦阻力也要非常小，否则在测试中将出现“卡顿”等异常现象。

在活塞和传动机构的设计中，要充分考虑整体传动机构的重量，使其尽可能轻。同时在零件加工工艺中应尽量降低表面粗糙度，减少滑动摩擦的接触面积，降低传动系统摩擦阻力带来的负面影响。

表1是测试时间与膨胀量的数据，图2是测试时间与膨胀量的关系曲线，在146 min时开始出现异常值，膨胀数据停在10.36 mm处；直到182 min开始，膨胀数据继续上升，曲线趋于正常变化。此现象表明传动机构出现了卡阻，阻力大于了岩心的水化膨胀应力，传感器无法继续获得有效的膨胀数据。

图2 测试中出现的异常现象

表1 测试中出现的异常现象

2.2 优化液体浸入岩样的方式

液体浸入岩样的方式有两种:双端浸入和单端浸入。双端浸入的方式是将测试结构中岩样上端的活塞和岩样下端的端帽都设计成多孔镂空结构，当岩样浸入液体中时，液体就可以沿双面的镂空浸入岩样中，如图3所示。单端浸入是保留测试结构中岩样上端的活塞的多孔镂空结构，当岩样浸入液体中时，液体仅可以沿上面的镂空浸入岩样中，如图4所示。

1.上盖；2.内筒；3.活塞杆；4.上端滤纸；5.岩心；6.下端帽；7.下端滤纸；8.液体浸入

1.上盖；2.内筒；3.活塞杆；4.滤纸；5.岩心；6.下端帽；7.液体浸入

理论上，双端浸入虽然可以促进膨胀速度，缩短液体全面浸入岩样的时间，但也不可避免地出现了“气堵”现象。即当岩样浸入液体中时，岩样下端的端帽通孔被空气封堵而无法排出，液体无法经过通孔浸入岩样中，由于这种不均匀的液体浸入，将对膨胀测试的重复性产生严重的影响。

表2是双端液体浸入的测试数据，图5曲线表明液体双端浸入时，初始膨胀比较明显；在110 min后开始出现平缓，膨胀变形变缓；在130 min后曲线开始明显上升，膨胀变形加快；在180 min左右，曲线有个跳跃变化，说明液体浸入加剧，膨胀发生迅速。出现该现象的原因是先期液体浸入的通道并没有完全通畅，出现通道被气体堵塞现象，曲线跳跃时表明被堵塞的通道由于岩心的膨胀挤压，气体被排空，通道打开，液体浸入量增加，膨胀产生阶跃式变化。综上可知，双端液体浸入的方式存在明显的弊端。

图5 双端液体浸入的异常现象

表2 双端液体浸入的异常现象

2.3 构造膨胀测试拟合函数

由测试原理可知，泥页岩膨胀量测定是将岩心的体积膨胀转化为线性位移变化，经过传动结构的导引，通过测量线性位移量来获得岩心的体积膨胀参数，进而可以评价岩心的膨胀性。不同类型膨胀仪器的测试结构是存在一定的差异，位移传动的方式和结构也不同。最关键的是传动结构的重量和结构摩擦阻力也不同，这会导致不同仪器的测试结果不同。即使同类型的仪器之间，也可能存在测试结果无法比对。岩心的水化膨胀应力是一个非线性的变化过程，这也导致实现同类仪器的测试数据的一致性需要研究。

3 仪器测试

本次测试所使用的仪器是WT-NP-03膨胀量测试仪，其测量范围：0～20 mm，分辨率0.01 mm。所使用的材料是膨润土(渤海土)。

3.1 测试1：双仪器对比测试

材料：钠基膨润土。

溶液：清水。

时间：2小时。

仪器1：岩心厚度8.85 mm。

仪器2：岩心厚度8.72 mm。

测试结果见表3和图6。

表3 钠基膨润土清水溶液2小时膨胀测试结果

由图6中可以看出，两台仪器的测试数据曲线趋势基本一致，仪器的平行性符合程度也比较高，两个仪器的测试数据有所差异的原因是由岩心制备时压制的压力差异所导致的。表3中两个仪器的测试数据之间的比值的稳定性也证明了这一点，钠基膨润土的水化膨胀比较缓慢，膨胀曲线基本上趋近于对数曲线，但特征不明显。

图6 钠基膨润土清水溶液2小时膨胀测试结果

3.2 测试2：三台仪器对比测试

材料：钻井液膨胀实验用膨润土(标准)。

溶液：清水。

时间：9小时。

仪器1：岩心1厚度10.83 mm。

仪器2：岩心2厚度10.63 mm。

仪器3：岩心3厚度10.78 mm。

测试结果见表4和图7。

表4 标准土清水溶液9小时膨胀测试结果

图7 实验用膨润土(标准)9小时膨胀测试结果

由图7中可以看出，三台仪器的测试数据曲线趋势基本一致，仪器的平行性符合程度也比较高，三台仪器的测试数据有所差异如前文所描述，可以根据表4中数据之间的比值是否稳定一致进行判断。钙基膨润土的水化膨胀比较明显，膨胀效果比较突出，膨胀曲线基本上趋近于对数曲线，但特征也比较明显。仪器1测试结果如表5所示，相应的拟合函数见图8。

表5 仪器1测试结果

图8 仪器1测试结果的拟合函数

仪器1测试结果的拟合函数表达为：

y=1.3577ln(x)-2.5057

(1)

R2=0.9601

(2)

仪器2测试结果的拟合函数表达为：

y=1.4344ln(x)-2.8527

(3)

R2=0.9647

(4)

仪器3测试结果的拟合函数表达为：

y=1.2674ln(x)-2.4391

(5)

R2=0.9479

(6)

式中：y是膨胀量的拟合值，mm；x为时间，min；R2是拟合相关系数，无量纲。

三台仪器测试结果的拟合函数趋近于对数函数，而且相关系数都超过0.9，基本接近，进一步说明仪器的平行性非常好，同时也可以作为检验膨胀测试仪测试结果一致性的参考依据。

4 结语

本文结合泥岩水化膨胀应力的计算和液体浸入岩心的不同方式，分析了膨胀量测试中出现的一些影响结果一致性和平行性问题，通过对仪器测试结构和测试方法的改进后的测试验证，测试数据准确可靠。

试验结果说明，岩心膨胀特征在初始2小时比较明显，特征显著，后期趋于平缓，钙基膨润土比钠基膨润土的膨胀效果好。常温膨胀测试的曲线特征趋近于对数曲线，可以通过拟合函数作为同类仪器测试结果对比的参考依据。