郭錦濤，何 靜，范昊坤

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075）

頁巖水化膨脹性能的實(shí)驗(yàn)研究

郭錦濤，何 靜，范昊坤

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075）

在鉆井工程中鉆遇頁巖地層時(shí)，經(jīng)常由于頁巖水化膨脹發(fā)生井壁坍塌事故。為進(jìn)一步認(rèn)識頁巖水化膨脹特性，在頁巖全礦物分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用高溫高壓頁巖膨脹儀，通過實(shí)驗(yàn)分析了溫度、壓力及鉆井液濾液對頁巖膨脹性能的影響，并闡述了原因。

頁巖；水化膨脹；膨脹率

近些年來，井壁穩(wěn)定問題尤其是頁巖儲(chǔ)層井壁穩(wěn)定問題，一直是油氣鉆探過程中經(jīng)常遇到的情況[1]。導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的直接原因是黏土礦物的水化膨脹，而影響?zhàn)ね恋V物的水化膨脹因素不僅與其所接觸的流體特性有關(guān)，也與鉆井液作用環(huán)境的接觸時(shí)間、溫度和壓力等有關(guān)，是一個(gè)復(fù)雜動(dòng)態(tài)的物理化學(xué)過程。因此，針對頁巖溫度、壓力以及鉆井液濾液開展室內(nèi)膨脹性實(shí)驗(yàn)評價(jià)是十分必要的。

筆者選擇鄂爾多斯盆地三疊系延長組頁巖，采用HTP-2A型高溫高壓頁巖膨脹儀測定頁巖樣品在蒸餾水、鉆井液濾液中的膨脹率，得到頁巖膨脹受溫度和壓力的影響規(guī)律，為頁巖儲(chǔ)層保護(hù)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

實(shí)驗(yàn)裝置（見圖1），主要包括HTP-2A型高溫高壓膨脹儀，氮?dú)馄?，?jì)算機(jī)等。實(shí)驗(yàn)儀器的主要指標(biāo)有：測試量程為20 mm，測量分辨率為0.01 mm，工作壓力≤5 MPa，工作溫度≤120℃。巖樣壓制過程為：用孔徑為150 μm標(biāo)準(zhǔn)篩篩析后，加壓至4 MPa并穩(wěn)壓5 min。巖樣的全礦物分析結(jié)果（見表1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

表1 頁巖礦物組成

2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）稱取10 g頁巖粉末壓制成巖餅，放入主測杯底部，調(diào)整好位置，并擰緊注液杯和主測杯注氣管線的固定螺釘；

（2）關(guān)閉注液杯與主測杯之間的注液閥，然后向注液杯中倒入30 mL實(shí)驗(yàn)液，擰緊杯蓋，開啟加溫開關(guān)，等到達(dá)實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，打開注液閥大約10 s后迅速關(guān)閉注液閥；

（3）打開計(jì)算機(jī)上的控制軟件，打開加壓氮?dú)忾y增壓至實(shí)驗(yàn)壓力時(shí)，記錄巖樣的位移初始值H0，設(shè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的時(shí)間為16 h后，停止實(shí)驗(yàn)，記錄巖樣的位移最終值HΔ。

巖樣的膨脹率V可按式（1）計(jì)算[2]：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 溫度對頁巖膨脹性能的影響

將主測杯中頁巖巖餅的實(shí)驗(yàn)壓力加至0.5 MPa和3.5 MPa，并保持恒定，測試頁巖在25℃、50℃、75℃、100℃下，膨脹率隨時(shí)間的變化曲線（見圖2、圖3），實(shí)驗(yàn)液為蒸餾水。由圖2和圖3可見：無論實(shí)驗(yàn)壓力加至0.5 MPa或3.5 MPa，溫度對頁巖膨脹性能的影響都很顯著，溫度越高，頁巖的膨脹率越大。這是因?yàn)闇囟壬?，水分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，在外部壓力的作用下，更容易進(jìn)入黏土礦物的晶體間促進(jìn)水化膨脹[3]；同時(shí)，溫度升高加速了頁巖的濕化速率，遇水吸力也變大。

圖2 恒壓0.5 MPa膨脹率曲線

圖3 恒壓3.5 MPa膨脹率曲線

3.2 壓力對頁巖膨脹性能的影響

將主測杯中頁巖巖餅恒溫25℃和100℃，測試頁巖分別加壓0.5 MPa、2 MPa、3.5 MPa下，膨脹率隨時(shí)間的變化曲線（見圖4、圖5），實(shí)驗(yàn)液為蒸餾水。

由圖4和圖5可知：恒溫25℃或100℃條件下，壓力對頁巖膨脹性能的影響也比較顯著，壓力越高，頁巖的膨脹率相對越小。這是因?yàn)閴毫υ酱?，外部壓力抵消黏土礦物水化膨脹壓的作用越強(qiáng)；同時(shí)，黏土礦物表面吸附的擴(kuò)散雙電層被壓縮后，滲透水化的能力變?nèi)?，從而頁巖的膨脹率降低[4]。

3.3 鉆井液濾液對頁巖膨脹性能的影響

圖6 鉆井液濾液膨脹率曲線

圖1注液杯中注入的實(shí)驗(yàn)液同樣對頁巖膨脹性能有影響，由于在鉆井工程中，發(fā)生井壁坍塌的直接原因與鉆井液性能有關(guān)，所以本文選擇含無機(jī)鹽硫酸銨（（NH4）2SO4）的鉆井液濾液作為實(shí)驗(yàn)液，在常溫常壓下測定膨脹率隨時(shí)間的關(guān)系（見圖6），其基漿配方如下：5%膨潤土+0.3%PHPM+0.1%NH4-HPAN+0.4%SPNH+（NH4）2SO4，同時(shí)選擇蒸餾水和煤油作為實(shí)驗(yàn)液的對比實(shí)驗(yàn)。由圖6可知各實(shí)驗(yàn)液的膨脹率大小順序?yàn)椋赫麴s水＞2.5%硫酸銨鉆井液濾液＞5%硫酸銨鉆井液濾液＞10%硫酸銨鉆井液濾液＞煤油，這是因?yàn)楹∟H4）2SO4的鉆井液濾液中NH4+可鑲嵌到頁巖黏土礦物表面兩層硅氧四面體組成的六角環(huán)中，將帶負(fù)電的黏土礦物緊緊連接在一起，增加了黏土層間的引力[5]；同時(shí)由于煤油分子中含有的環(huán)烷烴和芳香烴，水化作用很強(qiáng)，當(dāng)其吸附在頁巖層間時(shí)可形成一層疏水膜，阻止了大部分頁巖顆粒的水化膨脹，故煤油對頁巖膨脹率最低。

4 結(jié)論

（1）頁巖的水化膨脹是一個(gè)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)復(fù)雜的過程，溫度、壓力及其所接觸流體的特性對頁巖膨脹性能的影響均比較顯著，采用單因素變量實(shí)驗(yàn)法發(fā)現(xiàn)：隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增長，溫度越高，頁巖的膨脹率越大；壓力越大，頁巖的膨脹率相對越小，剛開始加壓時(shí)壓力能促進(jìn)頁巖黏土礦物水化膨脹，等壓力增大到某臨界值又抑制其水化膨脹；含（NH4）2SO4的鉆井液濾液對頁巖膨脹的影響與其濃度有關(guān)，濃度越高，膨脹率越小，這是因?yàn)闈舛仍礁?，黏土層間的引力越大。

（2）由于儀器設(shè)備指標(biāo)條件所限，實(shí)驗(yàn)未進(jìn)行溫度≥120℃、壓力≥5 MPa條件下和幾種影響因素共同作用時(shí)對頁巖膨脹率的影響實(shí)驗(yàn)，等具備相關(guān)條件后應(yīng)在盡量還原模擬復(fù)雜地層的實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行深入研究。

［1］趙建剛，孫鵬，王琪，等.頁巖膨脹抑制劑測試方法研究［J］.鉆井液與完井液，2013，30（4）：41-42+45.

［2］SY/T 5613-2000.泥頁巖理化性能實(shí)驗(yàn)方法［S］.2000.

［3］余維初，宋世超，馬燕華，等.高溫高壓泥頁巖井壁穩(wěn)定評價(jià)裝置的研究與應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2013，30（3）：37-40.

［4］劉光法，苗錫慶.黏土礦物水化膨脹影響因素分析［J］.石油鉆探技術(shù)，2009，37（5）：81-84.

［5］徐同臺(tái)，盧淑芹，等.影響泥頁巖在清水中膨脹率因素的探討［J］.鉆井液與完井液，2004，21（1）：5-7.

Experimental study on the intumescent performance of shale

GUO Jintao，HE Jing，F(xiàn)AN Haokun
（Research Institute of Shanxi Yanchang Petroleum（Group）Co.，Ltd.，Xi'an Shanxi 710075，China）

When drilling into shale formation in drilling engineering,it is often caused by the collapse of the wellbore due to hydration swelling.In order to further understand the characteristics of hydration swelling,based on the analysis results of shale whole mineralization,the influence of temperature,pressure and drilling fluid filtrate on the intumescent performance of shale was analyzed by experiment,and the reason were explained.

shale；hydrating swelling；expansion ratio

TE254.1

A

1673-5285（2017）11-0137-03

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.11.032

2017-10-08

郭錦濤，男（1990-），陜西西安人，工程師，碩士，主要從事石油鉆采工藝的研究工作。