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页岩水化膨胀性能的实验研究

2020-08-14 22:24 作者:大发888黄金版app下载 点击:

  页岩水化膨胀性能的实验研究_互联网_IT/计算机_专业资料。页岩水化膨胀性能的实验研究 郭,何 静,范昊坤 【摘 要】在钻井工程中钻遇页岩地层时,经常由于页岩水化膨胀发生井壁坍塌 事故。为进一步认识页岩水化膨胀特性,在页岩全矿物分析结果的基础上,利 用高温

  页岩水化膨胀性能的实验研究 郭,何 静,范昊坤 【摘 要】在钻井工程中钻遇页岩地层时,经常由于页岩水化膨胀发生井壁坍塌 事故。为进一步认识页岩水化膨胀特性,在页岩全矿物分析结果的基础上,利 用高温高压页岩膨胀仪,通过实验分析了温度、压力及钻井液滤液对页岩膨胀 性能的影响,并阐述了原因。 【期刊名称】石油化工应用 【年(卷),期】2017(036)011 【总页数】3 【关键词】页岩;水化膨胀;膨胀率 近些年来,井壁稳定问题尤其是页岩储层井壁稳定问题,一直是油气钻探过程 中经常遇到的情况[1]。导致井壁失稳的直接原因是黏土矿物的水化膨胀,而影 响黏土矿物的水化膨胀因素不仅与其所接触的流体特性有关,也与钻井液作用 环境的接触时间、温度和压力等有关,是一个复杂动态的物理化学过程。因此, 针对页岩温度、压力以及钻井液滤液开展室内膨胀性实验评价是十分必要的。 笔者选择鄂尔多斯盆地三叠系延长组页岩,采用 HTP-2A 型高温高压页岩膨胀 仪测定页岩样品在蒸馏水、钻井液滤液中的膨胀率,得到页岩膨胀受温度和压 力的影响规律,为页岩储层保护提供参考。 1 实验设备及材料 实验装置(见图 1),主要包括 HTP-2A 型高温高压膨胀仪,氮气瓶,计算机等。 实验仪器的主要指标有:测试量程为 20 mm,测量分辨率为 0.01 mm,工作 压力≤5 MPa,工作温度≤120℃。岩样压制过程为:用孔径为 150 μm 标准筛 筛析后,加压至 4 MPa 并稳压 5 min。岩样的全矿物分析结果(见表 1)。 2 实验步骤 (1)称取 10 g 页岩粉末压制成岩饼,放入主测杯底部,调整好位置,并拧紧 注液杯和主测杯注气管线)关闭注液杯与主测杯之间的注液阀,然后向注液杯中倒入 30 mL 实验液, 拧紧杯盖,开启加温开关,等到达实验温度时,打开注液阀大约 10 s 后迅速关 闭注液阀; (3)打开计算机上的控制软件,打开加压氮气阀增压至实验压力时,记录岩样 的位移初始值 H0,设定实验数据采集的时间为 16 h 后,停止实验,记录岩样 的位移最终值 HΔ。 岩样的膨胀率 V 可按式(1)计算[2]: 3 实验结果分析 3.1 温度对页岩膨胀性能的影响 将主测杯中页岩岩饼的实验压力加至 0.5 MPa 和 3.5 MPa,并保持恒定,测试 页岩在 25℃、50℃、75℃、100℃下,膨胀率随时间的变化曲线),实验液为蒸馏水。由图 2 和图 3 可见:无论实验压力加至 0.5 MPa 或 3.5 MPa,温度对页岩膨胀性能的影响都很显著,温度越高,页岩的膨胀率越大。 这是因为温度升高,水分子的热运动加剧,在外部压力的作用下,更容易进入 黏土矿物的晶体间促进水化膨胀[3];同时,温度升高加速了页岩的湿化速率, 遇水吸力也变大。 3.2 压力对页岩膨胀性能的影响 将主测杯中页岩岩饼恒温 25℃和 100℃,测试页岩分别加压 0.5 MPa、2 MPa、 3.5 MPa 下,膨胀率随时间的变化曲线),实验液为蒸馏水。 由图 4 和图 5 可知:恒温 25℃或 100℃条件下,压力对页岩膨胀性能的影响也 比较显著,压力越高,页岩的膨胀率相对越小。这是因为压力越大,外部压力 抵消黏土矿物水化膨胀压的作用越强;同时,黏土矿物表面吸附的扩散双电层 被压缩后,渗透水化的能力变弱,从而页岩的膨胀率降低[4]。 3.3 钻井液滤液对页岩膨胀性能的影响 图 1 注液杯中注入的实验液同样对页岩膨胀性能有影响,由于在钻井工程中, 发生井壁坍塌的直接原因与钻井液性能有关,所以本文选择含无机盐硫酸铵 ((NH4)2SO4)的钻井液滤液作为实验液,在常温常压下测定膨胀率随时间 的关系(见图 6),其基浆配方如下: 5%膨润土+0.3%PHPM+0.1%NH4HPAN+0.4%SPNH+(NH4)2SO4,同时选择蒸馏水和煤油作为实验液的对 比实验。由图 6 可知各实验液的膨胀率大小顺序为:蒸馏水>2.5%硫酸铵钻井 液滤液>5%硫酸铵钻井液滤液>10%硫酸铵钻井液滤液>煤油,这是因为含 (NH4)2SO4 的钻井液滤液中 NH4+可镶嵌到页岩黏土矿物表面两层硅氧四 面体组成的六角环中,将带负电的黏土矿物紧紧连接在一起,增加了黏土层间 的引力[5];同时由于煤油分子中含有的环烷烃和芳香烃,水化作用很强,当其 吸附在页岩层间时可形成一层疏水膜,阻止了大部分页岩颗粒的水化膨胀,故 煤油对页岩膨胀率最低。 4 结论 (1)页岩的水化膨胀是一个随时间动态复杂的过程,温度、压力及其所接触流 体的特性对页岩膨胀性能的影响均比较显著,采用单因素变量实验法发现:随 着实验时间的增长,温度越高,页岩的膨胀率越大;压力越大,页岩的膨胀率 相对越小,刚开始加压时压力能促进页岩黏土矿物水化膨胀,等压力增大到某 临界值又抑制其水化膨胀;含(NH4)2SO4 的钻井液滤液对页岩膨胀的影响 与其浓度有关,浓度越高,膨胀率越小,这是因为浓度越高,黏土层间的引力 越大。 (2)由于仪器设备指标条件所限,实验未进行温度≥120℃、压力≥5 MPa 条 件下和几种影响因素共同作用时对页岩膨胀率的影响实验,等具备相关条件后 应在尽量还原模拟复杂地层的实验条件下,进行深入研究。 参考文献: [1]赵建刚,孙鹏,王琪,等.页岩膨胀抑制剂测试方法研究[J].钻井液与完 井液,2013,30(4):41-42+45. [2]SY/T 5613-2000.泥页岩理化性能实验方法[S].2000. [3]余维初,宋世超,马燕华,等.高温高压泥页岩井壁稳定评价装置的研究 与应用[J].钻井液与完井液,2013,30(3):37-40. [4]刘光法,苗锡庆.黏土矿物水化膨胀影响因素分析[J].石油钻探技术, 2009,37(5):81-84. [5]徐同台,卢淑芹,等.影响泥页岩在清水中膨胀率因素的探讨[J].钻井液 与完井液,2004,21(1):5-7.

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