胡 剛 劉平禮 鐘雙飛 羅志峰 李年銀

(1.貴州天然氣能源投資股份有限公司， 貴陽 550081；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500)

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泥頁巖膨脹儀性能改進(jìn)研究

胡 剛1劉平禮2鐘雙飛2羅志峰2李年銀2

(1.貴州天然氣能源投資股份有限公司， 貴陽 550081；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500)

黏土穩(wěn)定劑作為一種重要的添加劑，廣泛地被應(yīng)用于油氣藏開發(fā)過程中。為更好地評價其防膨性能，優(yōu)選出合適的黏土穩(wěn)定劑，需采用更有效的評價方法和儀器。通過對比現(xiàn)有評價方法的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)試驗(yàn)常用的評價靜態(tài)防膨率的膨脹儀法存在一定不足：重復(fù)性較差，實(shí)驗(yàn)誤差較大，導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確。本次研究對膨脹儀測試方法進(jìn)行改進(jìn)，采用巖芯粉末和膨潤土分別對2種黏土穩(wěn)定劑進(jìn)行線性防膨率測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的評價結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

黏土穩(wěn)定劑； 防膨性能； 線性防膨率； 膨脹儀

油氣田開發(fā)過程中，各種工作液將不可避免的進(jìn)入地層，對儲層造成不同程度的傷害。其中，黏土礦物的水化膨脹和分散運(yùn)移是引起儲層滲透率傷害的主要因素。黏土礦物在地層中有2種存在形態(tài)，一種是黏土礦物包覆在巖粒表面或附著在基巖表面呈薄膜狀，這種形態(tài)的黏土與外來液體不配伍就會大大減小孔隙半徑，甚至完全封閉喉道；另一種是黏土礦物在巖石孔隙中以填充物的形式存在，這種黏土礦物在液流的作用下易發(fā)生運(yùn)移堵塞喉道[1]。防止發(fā)生此類傷害的常用方法是使用黏土穩(wěn)定劑。黏土穩(wěn)定劑作為鉆完井、注水、酸化壓裂工藝中常用的添加劑之一，能夠有效地防止黏土礦物對地層滲透率造成的損害，提高油氣井產(chǎn)量。因此，黏土穩(wěn)定劑成為油田開發(fā)過程中常用且不可或缺的一種添加劑。

在油氣藏的增產(chǎn)改造中，黏土穩(wěn)定劑的應(yīng)用越來越廣泛，種類越來越多。為了滿足工藝要求，需要對黏土穩(wěn)定劑進(jìn)行準(zhǔn)確的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評價。本次研究在總結(jié)防膨性能測試方法優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上[2-5]，對傳統(tǒng)的泥頁巖防膨儀測試方法進(jìn)行改進(jìn)，然后通過對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評價。

1 膨脹儀法

在石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《注水用黏土穩(wěn)定劑性能評價方法》(SYT5971 — 1994)中所提到的防膨儀法，主要是針對線性防膨率進(jìn)行評價，早期普遍采用土工試驗(yàn)中的WZ-2型土壤膨脹儀進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)測試。由于儀器自身的缺陷，實(shí)驗(yàn)過程中巖粉發(fā)生膨脹，防止橫向膨脹的導(dǎo)環(huán)容易被頂出，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失?。辉搩x器從土工試驗(yàn)引用過來，不具有針對性，測試精度不高，不能準(zhǔn)確地判斷黏土穩(wěn)定劑的防膨效果。

后來行業(yè)發(fā)展了一種更具針對性的膨脹儀 —— CPZ-2常溫常壓智能雙通道頁巖膨脹儀。一般情況下，該儀器用于常溫常壓下測試泥頁巖水化膨脹特性以及評價優(yōu)選防塌鉆井配方。該儀器采用雙通道可同時測試并對比結(jié)果，減少測試誤差，節(jié)省時間，提高工作效率，并且與計(jì)算機(jī)直接連接使用，是一種目前最佳的無紙記錄方式，相對于有紙記錄儀而言節(jié)約了時間和成本，但是在后續(xù)的應(yīng)用中，測試人員發(fā)現(xiàn)該方法重復(fù)性較差，而且樣品的膨脹度較小，不能克服儀器中測桿和測試液體的重量，使得實(shí)驗(yàn)誤差大，測試結(jié)果不準(zhǔn)確。

2 改進(jìn)膨脹儀測試方法

2.1 工作原理

選擇一定量的巖粉樣(5，10，15 g)壓制好后，加上帶吸液板的底蓋，將底部封閉好，然后在巖粉上放置一個塑料墊片，用千分尺和杯蓋封閉巖樣杯口，調(diào)試數(shù)據(jù)采集軟件，最后調(diào)零千分尺，將巖樣杯放入試液后開始測試。由于泥頁巖的水化膨脹產(chǎn)生向上位移，使傳感器產(chǎn)生信號并傳遞至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)記錄按時間膨脹的位移量實(shí)時變化曲線及對應(yīng)數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

(1)首先將計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集軟件打開，選擇數(shù)據(jù)存儲目錄；

(2)將千分尺與計(jì)算機(jī)USB接口進(jìn)行連接，掃描千分尺A、B，并進(jìn)行調(diào)試；

(3)將壓制好的巖樣與底蓋、上蓋和千分尺安裝好，調(diào)整零點(diǎn)后放在液杯中的底座上；

(4)點(diǎn)擊軟件界面的“開始”鍵，將待測液體倒入液杯至一定量后，巖樣開始吸液膨脹，計(jì)算機(jī)開始記錄；

(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，點(diǎn)擊“結(jié)束”鍵，停止記錄；

(6)從計(jì)算機(jī)中導(dǎo)出數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算添加劑的線性膨脹率。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試樣制備

(1)黏土穩(wěn)定劑溶液。試驗(yàn)中選擇現(xiàn)有的2種黏土穩(wěn)定劑，作為測試樣。根據(jù)樣品設(shè)計(jì)濃度，按比例與蒸餾水配成所需溶液各400 mL，編號為樣品a和樣品b。

(2)巖芯粉。將所選巖芯樣品洗油后烘干，破碎成小塊，用粉碎機(jī)粉碎。篩取通過100目篩網(wǎng)的粉末，置于電熱恒溫干燥箱中，于105±1 ℃下恒溫6 h后移至干燥器中冷卻至室溫，存于廣口瓶備用。

(3)膨潤土。取一定量的膨潤土置于電熱恒溫干燥箱中，于105±1 ℃下恒溫6 h后移至干燥器中冷卻至室溫，存于廣口瓶備用。

3.2 防膨率計(jì)算

根據(jù)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)防膨率公式：

(1)

式中：B— 防膨率，%；

H0— 巖粉在煤油中的膨脹高度，mm；

H1— 巖粉在黏土穩(wěn)定劑溶液中的膨脹高度，mm；

H2— 巖粉在水中的膨脹高度，mm。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由于實(shí)驗(yàn)儀器只能同時收集2種液體的膨脹變化曲線，因此，導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)結(jié)果在Excel工作表中繪制其變化曲線，可以更加直觀地比較黏土穩(wěn)定劑的防膨效果(見圖1 — 圖2)。

圖1 巖粉在不同介質(zhì)中膨脹位移變化曲線圖

圖2 膨潤土在不同介質(zhì)中膨脹位移變化曲線圖

由圖2和圖3可以看出：

(1)實(shí)驗(yàn)一般在24 h內(nèi)能夠完成，并且通過軟件記錄數(shù)據(jù)，實(shí)時生成參數(shù)變化曲線圖。直觀了解其膨脹過程的變化，為分析黏土膨脹速率提供依據(jù)；

(2)巖粉膨脹的時間比膨潤土所需時間短，這是由于巖粉中黏土礦物含量低，達(dá)到最終膨脹所需時間短。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和利用式(1)計(jì)算2種黏土穩(wěn)定劑在不同條件下的防膨率，其結(jié)果見表1和表2。

表1 各種溶液對巖粉的防膨率測試結(jié)果

表2 各種溶液對膨潤土的防膨率測試結(jié)果

由表1和表2可知：

(1)黏土穩(wěn)定劑溶液a和b對巖粉的防膨率分別為38.97%和42.60%；

(2)黏土穩(wěn)定劑溶液a和b對膨潤土的防膨率分別為38.0%和41.22%。

對比巖粉和膨潤土條件下得到的防膨率結(jié)果，二者非常相近，在誤差范圍內(nèi)，并且2種黏土穩(wěn)定劑的防膨率與其產(chǎn)品指標(biāo)中45%的防膨率值相差不大。因此，改進(jìn)后的泥頁巖膨脹儀比改進(jìn)前的測試結(jié)果更準(zhǔn)確，操作更簡便。

4 結(jié) 語

針對泥頁巖膨脹儀的不足之處，進(jìn)行了儀器的改進(jìn)工作。改進(jìn)后的膨脹儀操作更加簡便，重復(fù)性高，測試結(jié)果準(zhǔn)確，并且采用軟件記錄數(shù)據(jù)，實(shí)時觀察變化曲線，為黏土穩(wěn)定劑防膨性能的綜合評價提供了更加可靠的手段。

[1] 于佰林.黏土穩(wěn)定劑的研制與應(yīng)用[D].大慶：大慶石油學(xué)院,2008,3-4.

[2] 岳前升,劉書杰,胡友林,等.黏土防膨劑性能評價的新方法研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2010(5):129-131.

[3] 徐洪明,唐洪明,田剛,等.利用X-射線衍射儀評價防膨劑效果的實(shí)驗(yàn)方法[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào),2006(5):33-35.

[4] 崔桂陵.黏土防膨劑[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1989(1):102-109.

[5] 郭麗梅,崔巖,管寶山,等.黏土穩(wěn)定劑評價方法[J].精細(xì)石油化工,2010(6):72-75.

Research on Improvement of the Performance of Mud Shale Dilatometer

HUGang1LIUPingli2ZHONGShuangfei2LUOZhifeng2LINianyin2

(1. Guizhou Natural Gas Energy Investment Co., Ltd., Guiyang 550081, China;2. State Key Lab of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

As a kind of important additives, clay stabilizer is widely applied to reservoir development process. In order to evaluate the performance of clay stabilizer for better use and optimize the proper clay stabilizer, we need to adopt more effective evaluation methods and instruments. Through the comparison and analysis of the advantages and disadvantages of these methods, we found that dilatometer method had certain deficiencies: poor repeatability, great experiment error and inaccurate test results. Therefore, in this paper, the expansion device was improved, and then made use of the core powder and bentonite respectively to test two kinds of clay stabilizer for linear expansion rate. The experiments showed that the evaluation results of improved dilatometer are more accurate and reliable.

clay stabilizer; performance of anti-swelling; line rate of anti-swelling; dilatometer

2014-12-18

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05044)

胡剛(1988 — )，男，四川資中縣人，碩士，研究方向?yàn)橛蜌獠卦霎a(chǎn)技術(shù)。

TE258+.3

A

1673-1980(2015)05-0119-03