泥页岩膨胀仪性能改进研究

胡 刚 刘平礼 钟双飞 罗志峰 李年银

(1.贵州天然气能源投资股份有限公司， 贵阳 550081；2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 成都 610500)



泥页岩膨胀仪性能改进研究

胡 刚1刘平礼2钟双飞2罗志峰2李年银2

(1.贵州天然气能源投资股份有限公司， 贵阳 550081；2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 成都 610500)

黏土稳定剂作为一种重要的添加剂，广泛地被应用于油气藏开发过程中。为更好地评价其防膨性能，优选出合适的黏土稳定剂，需采用更有效的评价方法和仪器。通过对比现有评价方法的优缺点，发现室内试验常用的评价静态防膨率的膨胀仪法存在一定不足：重复性较差，实验误差较大，导致测试结果不准确。本次研究对膨胀仪测试方法进行改进，采用岩芯粉末和膨润土分别对2种黏土稳定剂进行线性防膨率测试。实验结果表明，改进后的评价结果更加准确可靠。

黏土稳定剂； 防膨性能； 线性防膨率； 膨胀仪

油气田开发过程中，各种工作液将不可避免的进入地层，对储层造成不同程度的伤害。其中，黏土矿物的水化膨胀和分散运移是引起储层渗透率伤害的主要因素。黏土矿物在地层中有2种存在形态，一种是黏土矿物包覆在岩粒表面或附着在基岩表面呈薄膜状，这种形态的黏土与外来液体不配伍就会大大减小孔隙半径，甚至完全封闭喉道；另一种是黏土矿物在岩石孔隙中以填充物的形式存在，这种黏土矿物在液流的作用下易发生运移堵塞喉道[1]。防止发生此类伤害的常用方法是使用黏土稳定剂。黏土稳定剂作为钻完井、注水、酸化压裂工艺中常用的添加剂之一，能够有效地防止黏土矿物对地层渗透率造成的损害，提高油气井产量。因此，黏土稳定剂成为油田开发过程中常用且不可或缺的一种添加剂。

在油气藏的增产改造中，黏土稳定剂的应用越来越广泛，种类越来越多。为了满足工艺要求，需要对黏土稳定剂进行准确的室内实验评价。本次研究在总结防膨性能测试方法优缺点基础上[2-5]，对传统的泥页岩防膨仪测试方法进行改进，然后通过对比实验结果进行评价。

1 膨胀仪法

在石油天然气行业标准《注水用黏土稳定剂性能评价方法》(SYT5971 — 1994)中所提到的防膨仪法，主要是针对线性防膨率进行评价，早期普遍采用土工试验中的WZ-2型土壤膨胀仪进行室内试验测试。由于仪器自身的缺陷，实验过程中岩粉发生膨胀，防止横向膨胀的导环容易被顶出，从而导致实验失败；该仪器从土工试验引用过来，不具有针对性，测试精度不高，不能准确地判断黏土稳定剂的防膨效果。

后来行业发展了一种更具针对性的膨胀仪 —— CPZ-2常温常压智能双通道页岩膨胀仪。一般情况下，该仪器用于常温常压下测试泥页岩水化膨胀特性以及评价优选防塌钻井配方。该仪器采用双通道可同时测试并对比结果，减少测试误差，节省时间，提高工作效率，并且与计算机直接连接使用，是一种目前最佳的无纸记录方式，相对于有纸记录仪而言节约了时间和成本，但是在后续的应用中，测试人员发现该方法重复性较差，而且样品的膨胀度较小，不能克服仪器中测杆和测试液体的重量，使得实验误差大，测试结果不准确。

2 改进膨胀仪测试方法

2.1 工作原理

选择一定量的岩粉样(5，10，15 g)压制好后，加上带吸液板的底盖，将底部封闭好，然后在岩粉上放置一个塑料垫片，用千分尺和杯盖封闭岩样杯口，调试数据采集软件，最后调零千分尺，将岩样杯放入试液后开始测试。由于泥页岩的水化膨胀产生向上位移，使传感器产生信号并传递至计算机，计算机记录按时间膨胀的位移量实时变化曲线及对应数据。

2.2 实验方法及步骤

(1)首先将计算机中的数据采集软件打开，选择数据存储目录；

(2)将千分尺与计算机USB接口进行连接，扫描千分尺A、B，并进行调试；

(3)将压制好的岩样与底盖、上盖和千分尺安装好，调整零点后放在液杯中的底座上；

(4)点击软件界面的“开始”键，将待测液体倒入液杯至一定量后，岩样开始吸液膨胀，计算机开始记录；

(5)实验结束后，点击“结束”键，停止记录；

(6)从计算机中导出数据，进行数据处理，计算添加剂的线性膨胀率。

3 试验验证

3.1 试样制备

(1)黏土稳定剂溶液。试验中选择现有的2种黏土稳定剂，作为测试样。根据样品设计浓度，按比例与蒸馏水配成所需溶液各400 mL，编号为样品a和样品b。

(2)岩芯粉。将所选岩芯样品洗油后烘干，破碎成小块，用粉碎机粉碎。筛取通过100目筛网的粉末，置于电热恒温干燥箱中，于105±1 ℃下恒温6 h后移至干燥器中冷却至室温，存于广口瓶备用。

(3)膨润土。取一定量的膨润土置于电热恒温干燥箱中，于105±1 ℃下恒温6 h后移至干燥器中冷却至室温，存于广口瓶备用。

3.2 防膨率计算

根据石油行业标准防膨率公式：

(1)

式中：B— 防膨率，%；

H0— 岩粉在煤油中的膨胀高度，mm；

H1— 岩粉在黏土稳定剂溶液中的膨胀高度，mm；

H2— 岩粉在水中的膨胀高度，mm。

3.3 实验结果及分析

由于实验仪器只能同时收集2种液体的膨胀变化曲线，因此，导出实验结果在Excel工作表中绘制其变化曲线，可以更加直观地比较黏土稳定剂的防膨效果(见图1 — 图2)。

图1 岩粉在不同介质中膨胀位移变化曲线图

图2 膨润土在不同介质中膨胀位移变化曲线图

由图2和图3可以看出：

(1)实验一般在24 h内能够完成，并且通过软件记录数据，实时生成参数变化曲线图。直观了解其膨胀过程的变化，为分析黏土膨胀速率提供依据；

(2)岩粉膨胀的时间比膨润土所需时间短，这是由于岩粉中黏土矿物含量低，达到最终膨胀所需时间短。

根据实验结果和利用式(1)计算2种黏土稳定剂在不同条件下的防膨率，其结果见表1和表2。

表1 各种溶液对岩粉的防膨率测试结果

表2 各种溶液对膨润土的防膨率测试结果

由表1和表2可知：

(1)黏土稳定剂溶液a和b对岩粉的防膨率分别为38.97%和42.60%；

(2)黏土稳定剂溶液a和b对膨润土的防膨率分别为38.0%和41.22%。

对比岩粉和膨润土条件下得到的防膨率结果，二者非常相近，在误差范围内，并且2种黏土稳定剂的防膨率与其产品指标中45%的防膨率值相差不大。因此，改进后的泥页岩膨胀仪比改进前的测试结果更准确，操作更简便。

4 结 语

针对泥页岩膨胀仪的不足之处，进行了仪器的改进工作。改进后的膨胀仪操作更加简便，重复性高，测试结果准确，并且采用软件记录数据，实时观察变化曲线，为黏土稳定剂防膨性能的综合评价提供了更加可靠的手段。

[1] 于佰林.黏土稳定剂的研制与应用[D].大庆：大庆石油学院,2008,3-4.

[2] 岳前升,刘书杰,胡友林,等.黏土防膨剂性能评价的新方法研究[J].石油天然气学报,2010(5):129-131.

[3] 徐洪明,唐洪明,田刚,等.利用X-射线衍射仪评价防膨剂效果的实验方法[J].西南石油学院学报,2006(5):33-35.

[4] 崔桂陵.黏土防膨剂[J].石油大学学报(自然科学版),1989(1):102-109.

[5] 郭丽梅,崔岩,管宝山,等.黏土稳定剂评价方法[J].精细石油化工,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

国家科技重大专项(2011ZX05044)

胡刚(1988 — )，男，四川资中县人，硕士，研究方向为油气藏增产技术。

TE258+.3

A

1673-1980(2015)05-0119-03