趙建剛,孫鵬,陳延濱,石凱,許云博,張曉翼

高溫高壓動(dòng)態(tài)膨脹量測(cè)定儀的研究與應(yīng)用

趙建剛,孫鵬,陳延濱,石凱,許云博,張曉翼

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

針對(duì)目前井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中頁(yè)巖膨脹測(cè)試設(shè)備功能單一的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)和研制出一套在高溫高壓動(dòng)態(tài)條件下測(cè)試和評(píng)價(jià)膨脹抑制劑抑制泥頁(yè)巖膨脹的裝置，具體包括高溫高壓動(dòng)態(tài)智能膨脹特性評(píng)價(jià)測(cè)試儀的溫度控制系統(tǒng)、高壓控制系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、膨脹特性參數(shù)測(cè)試電路，以及對(duì)以上各個(gè)部分進(jìn)行統(tǒng)一控制的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)；建立高溫高壓動(dòng)態(tài)膨脹量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)方法，并將儀器和實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用于頁(yè)巖膨脹抑制劑的研究；填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)頁(yè)巖膨脹測(cè)試設(shè)備無(wú)法模擬井下高溫、高壓和動(dòng)態(tài)環(huán)境的空白。

膨脹；高溫；高壓；動(dòng)態(tài)；泥頁(yè)巖

1 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，井壁穩(wěn)定問(wèn)題尤其是泥頁(yè)巖地層井壁穩(wěn)定問(wèn)題，一直是國(guó)內(nèi)外鉆井工程中經(jīng)常遇到的情況。特別是自20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著勘探領(lǐng)域向新區(qū)擴(kuò)展，鉆遇地層日趨復(fù)雜，井壁不穩(wěn)定問(wèn)題日益嚴(yán)重，既影響鉆井速度與測(cè)井、固井質(zhì)量，還使部分地區(qū)無(wú)法鉆達(dá)目的層，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)速度、質(zhì)量和成本，延誤勘探與開(kāi)發(fā)的速度，影響其經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過(guò)多年努力，我國(guó)井壁穩(wěn)定技術(shù)在機(jī)理研究、室內(nèi)評(píng)價(jià)測(cè)試方法、鉆井液處理劑、鉆井液體系及技術(shù)對(duì)策等方面取得了新進(jìn)展，使我國(guó)穩(wěn)定井壁技術(shù)水平有了顯著的進(jìn)步，但在相關(guān)測(cè)試手段和工具方面嚴(yán)重滯后。因此，需要研制能模擬井下條件的測(cè)試儀器。

井壁穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)方法主要有：膨脹性實(shí)驗(yàn)、分散性實(shí)驗(yàn)、水化實(shí)驗(yàn)等。巖樣膨脹實(shí)驗(yàn)是井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的主要方法，通常采用測(cè)定巖樣線性膨脹百分比(膨脹率)來(lái)表示地層的膨脹性能[1]?，F(xiàn)階段頁(yè)巖膨脹量測(cè)試主要參考《中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中的《SY/T 5613-2000泥頁(yè)巖理化性能實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行頁(yè)巖膨脹量實(shí)驗(yàn)。但現(xiàn)有的膨脹量測(cè)試設(shè)備所提供的實(shí)驗(yàn)條件僅為常溫常壓，部分設(shè)備雖然也具有加溫功能，但最高實(shí)驗(yàn)溫度僅為80℃。常規(guī)儀器不能模擬井下高溫、高壓和動(dòng)態(tài)環(huán)境，因此需要研制一種高溫高壓動(dòng)態(tài)膨脹量測(cè)定儀。

2 高溫高壓動(dòng)態(tài)膨脹量測(cè)定儀研制

2.1 設(shè)計(jì)思路

在鉆井過(guò)程中地層膨脹是地層中所含的黏土礦物水化的結(jié)果，通常采用測(cè)定巖樣線性膨脹百分?jǐn)?shù)(膨脹率)來(lái)表示地層的膨脹性能。但由于溫度和壓力對(duì)巖樣的水化膨脹有較大影響，因此需要在高溫高壓環(huán)境下測(cè)定泥頁(yè)巖的水化膨脹率。通過(guò)設(shè)計(jì)控溫和控壓裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)井下高溫高壓環(huán)境的模擬，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)裝置模擬井下動(dòng)態(tài)環(huán)境。在以上儀器硬件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一套控制和數(shù)據(jù)采集軟件，自動(dòng)控制硬件達(dá)到實(shí)驗(yàn)條件，自動(dòng)采集和存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 儀器硬件組成部分

高溫高壓動(dòng)態(tài)膨脹量測(cè)定儀硬件組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.3 軟件系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

高溫高壓動(dòng)態(tài)膨脹量測(cè)定軟件邏輯結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

1.非接觸式動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)裝置；2.頁(yè)巖膨脹測(cè)試腔；3.高溫高壓測(cè)試腔；4.位移傳感器；5.壓力源；6.鉆井液預(yù)加溫腔。

圖2 高溫高壓動(dòng)態(tài)膨脹量測(cè)定軟件系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

2.4 儀器功能和特點(diǎn)

(1)可測(cè)量泥頁(yè)巖水化膨脹量和膨脹率；

(2)具有模擬井下高溫高壓環(huán)境的功能，溫度最高達(dá)到260℃，最高壓力達(dá)到7 MPa；

(3)磁力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速1000 r/min，此點(diǎn)的線速度為1.04 m/s，因此用磁力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以模擬現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)狀態(tài)；

(4)軟件部分的測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力的控制，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具有良好的圖形用戶界面，可對(duì)溫度、壓力和膨脹量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)，并繪制數(shù)據(jù)曲線。

3 高溫高壓動(dòng)態(tài)膨脹量測(cè)定儀的應(yīng)用

3.1 動(dòng)態(tài)、靜態(tài)應(yīng)用對(duì)比

高溫高壓動(dòng)態(tài)膨脹量測(cè)定儀結(jié)構(gòu)示意圖中(如圖1)1部件為非接觸式動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)裝置，它位于多孔巖心樣品杯下方。動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)磁力攪拌棒旋轉(zhuǎn)時(shí)樣品杯內(nèi)的鉆井液將同速旋轉(zhuǎn)，并從杯側(cè)面上下循環(huán)，樣品杯下的鉆井液相當(dāng)于在鉆井環(huán)空中上返流動(dòng)的流體，其流速應(yīng)為磁力棒上的某一運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的線速度。高溫鉆井孔段較深，井徑通常為216 mm，鉆桿直徑127 mm，環(huán)空面積240 cm2，泥漿泵排量25～30 L/s，環(huán)空流速約1.04～1.25 m/s；儀器樣品杯內(nèi)徑25 mm，液體與巖樣接觸直徑大致為20 mm，磁力棒試驗(yàn)用轉(zhuǎn)速1000 r/min，此點(diǎn)的線速度為1.04 m/s。因此用磁力棒可以模擬現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)狀態(tài)。

圖3為同種巖樣(鈉基準(zhǔn)土壓制)在相同溫度和壓力下動(dòng)態(tài)和靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由圖3可以觀察到動(dòng)態(tài)環(huán)境下頁(yè)巖膨脹速度明顯高于靜態(tài)環(huán)境。

圖3 動(dòng)態(tài)和靜態(tài)膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 實(shí)驗(yàn)用鉆井液配方

1#：5%安邱鈣膨潤(rùn)土+3%KCl+4%SMP+0.5%HPAN；

2#：5%安邱鈣膨潤(rùn)土+3%硅酸鈉+4%SMP+0.5%HPAN；

3#：5%安邱鈣膨潤(rùn)土+1%KCl+3%硅酸鈉+4%SMP+0.5%HPAN。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)流程

(1)實(shí)驗(yàn)儀器采用本文研制的高溫高壓動(dòng)態(tài)膨脹儀；

(2)實(shí)驗(yàn)條件：溫度≥180 ℃，壓力≥7 MPa(適用于高溫高壓試驗(yàn))；

(3)實(shí)驗(yàn)要求，每個(gè)配方應(yīng)做4種狀態(tài)試驗(yàn)：常溫常壓靜態(tài)、常溫常壓動(dòng)態(tài)、高溫高壓靜態(tài)、高溫高壓動(dòng)態(tài)；

(4)實(shí)驗(yàn)時(shí)間：每個(gè)試驗(yàn)樣時(shí)間視情況可控制在4～6 h，每0.5 h記錄1次數(shù)據(jù)，并觀察和記錄試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別繪制成曲線(圖4～圖8)，每個(gè)配方在相同溫度下有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的對(duì)比數(shù)據(jù)。

圖4 1#配方高溫膨脹曲線

圖5 2#配方常溫膨脹曲線

圖6 2#配方高溫膨脹曲線

圖7 3#配方常溫膨脹曲線

圖8 3#配方高溫膨脹曲線

可以看出：

(1)常溫狀態(tài)下，所有配方的靜態(tài)膨脹率均高于動(dòng)態(tài)膨脹率；而高溫下完全相反，動(dòng)態(tài)都高于靜態(tài)，說(shuō)明高溫動(dòng)態(tài)膨脹試驗(yàn)的必要性。

(2)抑制劑KCl、硅酸鈉復(fù)合使用比單獨(dú)使用效果好，在研制、試驗(yàn)新的鉆井液配方時(shí)，應(yīng)考慮到多種抑制劑的協(xié)同效應(yīng)和抑制性互補(bǔ)關(guān)系。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)井下環(huán)境和鉆井液運(yùn)動(dòng)特性的研究，研制了能夠全面模擬井下高溫、高壓和鉆井液動(dòng)態(tài)環(huán)境的高溫高壓動(dòng)態(tài)膨脹量測(cè)定儀。通過(guò)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比說(shuō)明了動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)條件的必要性，最后通過(guò)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)對(duì)該儀器的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)頁(yè)巖膨脹測(cè)試設(shè)備無(wú)法模擬井下高溫、高壓和動(dòng)態(tài)環(huán)境的空白，可廣泛應(yīng)用于井壁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)領(lǐng)域。

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2017-01-05

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“高溫高壓鉆井液抑制性及動(dòng)態(tài)膨脹量測(cè)定儀的研究”(2006AA06Z212)。

趙建剛(1969-)，男，北京探礦工程研究所勘查儀器研發(fā)中心主任、博士、教授級(jí)高級(jí)工程師，2016年榮獲中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“優(yōu)秀地質(zhì)人才”稱(chēng)號(hào)，地球探測(cè)與信息技術(shù)專(zhuān)業(yè)，主要從事探礦工程現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室儀器研制及開(kāi)發(fā)工作，先后主持完成多項(xiàng)國(guó)家重大儀器專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)土資源部地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目和國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目，北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)探工樓602室，Tel：010-82326470，E-mail：zhaojg@cugb.edu.cn。

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1009-282X(2017)01-0015-03