李秀靈，郭保雨，陳二丁

(勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司　山東　東營(yíng)　257064)

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一種巖芯強(qiáng)度測(cè)試儀器及其應(yīng)用

*李秀靈，郭保雨，陳二丁

(勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司山東東營(yíng)257064)

摘要：目前評(píng)價(jià)鉆井液及處理劑抑制性能的主要方法有頁(yè)巖膨脹實(shí)驗(yàn)和頁(yè)巖回收率實(shí)驗(yàn)。在頁(yè)巖膨脹實(shí)驗(yàn)中，以非膨脹性粘土或泥頁(yè)巖制備的巖芯，常出現(xiàn)頁(yè)巖膨脹高度少，而測(cè)筒中巖芯強(qiáng)度相對(duì)弱的情況。針對(duì)以上問(wèn)題，自主研發(fā)了一種巖芯強(qiáng)度測(cè)試儀器，通過(guò)對(duì)頁(yè)巖膨脹試驗(yàn)后巖芯強(qiáng)度的評(píng)價(jià)和對(duì)比分析，進(jìn)一步測(cè)試鉆井液或處理劑的抑制性能。該儀器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、試驗(yàn)數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好和實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠方便、快捷地對(duì)鉆井液或處理劑的抑制性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：巖芯強(qiáng)度抑制性儀器應(yīng)用

0引言

井壁穩(wěn)定是實(shí)現(xiàn)安全、快速、優(yōu)質(zhì)鉆井的前提，也是影響鉆井成本和綜合開(kāi)發(fā)效益的關(guān)鍵性因素之一。鉆井液抑制性作為評(píng)價(jià)鉆井液性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)和維護(hù)井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，一直是國(guó)內(nèi)外鉆井工作者研究攻關(guān)的熱點(diǎn)。其中，先進(jìn)的評(píng)價(jià)儀器和科學(xué)完善的評(píng)價(jià)手段是開(kāi)展鉆井液抑制性能研究的基本前提。

目前，鉆井液抑制性能評(píng)價(jià)儀器主要有頁(yè)巖膨脹儀器，評(píng)價(jià)方法為頁(yè)巖膨脹實(shí)驗(yàn)和頁(yè)巖回收率實(shí)驗(yàn)。然而這兩種評(píng)價(jià)方法均無(wú)法評(píng)價(jià)頁(yè)巖強(qiáng)度。關(guān)于巖石強(qiáng)度測(cè)試的儀器有巖石硬度計(jì)、巖石強(qiáng)度測(cè)試儀器等，主要通過(guò)劃痕法、點(diǎn)測(cè)試法，壓碎法等，測(cè)試巖石強(qiáng)度、硬度。由于粘土礦物或巖樣經(jīng)過(guò)鉆井液或處理劑浸泡一段時(shí)間后，常出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，因此上述儀器或裝置，無(wú)法測(cè)得浸泡后粘土礦物或巖樣的強(qiáng)度。同時(shí)，劃痕法、點(diǎn)測(cè)試法，壓碎法等不能很好反應(yīng)粘土礦物或巖樣內(nèi)部強(qiáng)度。

由于鉆井液或處理劑的抑制性能不同，同一個(gè)巖樣經(jīng)處理劑浸泡后，其強(qiáng)度變化不盡相同。如：泥頁(yè)巖經(jīng)水相或油相浸泡后，均迅速完全浸濕，二者的泥頁(yè)巖膨脹高度區(qū)別不大，但浸泡后的泥頁(yè)巖強(qiáng)度區(qū)別很大。而且，在常規(guī)頁(yè)巖膨脹實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通常把測(cè)筒中的粘土礦物或頁(yè)巖直接清洗掉，沒(méi)有繼續(xù)評(píng)價(jià)粘土礦物或頁(yè)巖經(jīng)鉆井液或鉆井液用處理劑浸泡前后的強(qiáng)度變化。因此研制出能夠方便量化巖芯強(qiáng)度，豐富抑制性能評(píng)價(jià)手段是目前亟需開(kāi)展的工作。針對(duì)上述問(wèn)題，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，研發(fā)了一種巖芯強(qiáng)度測(cè)試儀器，有效量化了常用頁(yè)巖膨脹儀器巖芯測(cè)筒中的粘土礦物或頁(yè)巖浸泡前后的強(qiáng)度變化，豐富了鉆井液或鉆井液用處理劑抑制性能評(píng)價(jià)手段。

1儀器簡(jiǎn)介

1.1儀器設(shè)計(jì)原理

該儀器利用油路中壓力(p)與時(shí)間(t)的變化，量化壓制后粘土礦物或頁(yè)巖的強(qiáng)度。在工作中，定量液壓系統(tǒng)連續(xù)給油路供油，推動(dòng)液壓缸上活塞裝置緩慢地向下移動(dòng)，當(dāng)活塞裝置上的探頭接觸到粘土礦物或頁(yè)巖時(shí)，油路上的高精度液壓傳感器往外發(fā)出信號(hào)。

因粘土礦物或頁(yè)巖與活塞探頭的阻力減緩了探頭向下移動(dòng)的速度，此時(shí)液壓系統(tǒng)輸出油的速度不變，油路內(nèi)壓力增大，液壓傳感器信號(hào)發(fā)生變化。因此通過(guò)軟件接收儀器信號(hào)，計(jì)算生成壓力(p)與時(shí)間(t)曲線，可量化粘土礦物或頁(yè)巖的強(qiáng)度。

1.2儀器主要結(jié)構(gòu)

圖1　巖芯強(qiáng)度測(cè)試儀結(jié)構(gòu)圖1-液壓傳感器、2-顯示屏、3-液壓缸、4-安裝板、5-定位套、6-巖芯棒、7-巖芯套、8-托盤(pán)、9-外套筒、10-變頻器、11-電源控制器、12-外殼、13-復(fù)位按鈕、14-下降按鈕、15-上升按鈕、16-開(kāi)始按鈕、17-電機(jī)按鈕、18-電源按鈕、19-電機(jī)、20-換向閥、21-油箱、22-數(shù)據(jù)采集器、23-計(jì)算機(jī)和打印機(jī)。

1.3主要技術(shù)指標(biāo)

工作壓力：0～3.0 MPa；

采集精度：±0.02 MPa；

巖樣直徑：1 in(25.4mm)；

測(cè)量筒容積：24mL；

工作環(huán)境：-10℃～50℃；

巖芯棒直徑：0.001～0.999in；

托盤(pán)開(kāi)孔直徑：0.001～0.999in；

綜合測(cè)量誤差：≤0.5%。

1.4儀器主要特點(diǎn)

1)可與頁(yè)巖膨脹儀器相結(jié)合使用，進(jìn)一步評(píng)價(jià)抑制性能；

2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作、使用安全可靠，智能化程度高；

3)具有自動(dòng)記錄、實(shí)時(shí)打印的功能；

4)效率高，1h內(nèi)可測(cè)出幾十組數(shù)據(jù)；

5)精度高，重復(fù)性好。在相同的時(shí)間下重復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試出的數(shù)據(jù)誤差小，可靠性強(qiáng)；

2與國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)的比較

通過(guò)上述儀器簡(jiǎn)介可知，該儀器能夠在實(shí)驗(yàn)室條件下，結(jié)合頁(yè)巖膨脹儀測(cè)試鉆井液或處理劑的抑制性能，量化頁(yè)巖膨脹儀測(cè)筒中粘土礦物或頁(yè)巖浸泡前后強(qiáng)度變化。當(dāng)頁(yè)巖膨脹儀結(jié)束實(shí)驗(yàn)后，直接轉(zhuǎn)移裝有粘土礦物或巖樣的巖芯筒，安裝在巖芯強(qiáng)度儀器上。通過(guò)儀器中液壓缸的壓力快速采集，實(shí)時(shí)采集壓力變化，由觸摸屏記錄加壓過(guò)程中的實(shí)時(shí)壓力曲線，為了更為方便、人性化、智能化，該設(shè)備通過(guò)電腦軟件記錄并保存整個(gè)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)時(shí)壓力曲線圖，結(jié)合一系列數(shù)據(jù)對(duì)比，量化粘土礦物或巖樣經(jīng)鉆井液或處理劑浸泡前后的強(qiáng)度變化，進(jìn)一步反映鉆井液或處理劑的抑制性能，豐富評(píng)價(jià)手段。

何俊海等[1]研制的新型巖石硬度測(cè)定儀將巖樣直接放在液缸活塞上，利用手搖泵推動(dòng)液缸活塞上升，隨著不斷加壓，壓膜逐漸壓入巖樣，通過(guò)完成一個(gè)點(diǎn)巖石硬度試驗(yàn)，記錄壓膜壓入的深度和巖石的載荷，反映出巖石的強(qiáng)度。金志忠[2]研制的QY8型巖石強(qiáng)度測(cè)試儀屬于不規(guī)則巖石強(qiáng)度測(cè)試儀器，直接取用鉆探巖芯或從巖芯上取下制成的塊狀，采用加載液壓千斤頂向上擠壓平板中間的巖石，使其破碎，測(cè)量巖石的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。

王新武等人[3]研制的巖石強(qiáng)度測(cè)試裝置是將巖樣放在在輔助支撐板上， 通過(guò)底部施壓裝置向上推動(dòng)巖樣，使之與上端多個(gè)壓力觸頭接觸，實(shí)現(xiàn)一次多點(diǎn)測(cè)試巖樣強(qiáng)度。馮星等人[4]開(kāi)發(fā)的一種礦山巖石硬度液壓測(cè)試裝置是將巖樣置放上壓力導(dǎo)桿平臺(tái)上，通過(guò)手動(dòng)加壓，使得底部的壓力活塞推動(dòng)壓力導(dǎo)桿平臺(tái)上的巖樣，通過(guò)測(cè)試同等壓力下，鉆頭壓入巖石樣本的深度，評(píng)價(jià)不同巖石的硬度。王昌益等人[5]公布的一種巖石硬度測(cè)定方法以及測(cè)定儀器，是以剛玉為標(biāo)準(zhǔn)參照物，將測(cè)試巖樣切磨成特定標(biāo)準(zhǔn)厚度，放置在帶孔的托盤(pán)上，利用電機(jī)啟動(dòng)鉆頭，測(cè)試鉆頭穿過(guò)巖樣的時(shí)間，計(jì)算出巖樣的硬度。金志忠等人[6]公布了一種便攜式巖石硬度測(cè)試設(shè)備，該設(shè)備通過(guò)劃痕法，利用筆管底部的筆尖測(cè)試巖樣硬度。

上述關(guān)于巖石強(qiáng)度測(cè)試的儀器有巖石硬度計(jì)、巖石強(qiáng)度測(cè)試儀器等，主要通過(guò)劃痕法、點(diǎn)測(cè)試法，壓碎法等，測(cè)試巖石強(qiáng)度、硬度。由于粘土礦物或巖樣經(jīng)過(guò)鉆井液或鉆井液用處理劑浸泡一段時(shí)間后，常出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，因此上述儀器或裝置，無(wú)法測(cè)得浸泡后粘土礦物或巖樣的強(qiáng)度。同時(shí)，劃痕法、點(diǎn)測(cè)試法，壓碎法等不能很好反應(yīng)粘土礦物或巖樣內(nèi)部顆粒膠結(jié)強(qiáng)度，而且，上述儀器多數(shù)為手動(dòng)控制液壓，精確度不高，不能實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3儀器操作方法和步驟

3.1巖芯制備

1)將膨潤(rùn)土或泥頁(yè)巖粉碎過(guò)100目篩，在105±3℃烘干4h。

2)準(zhǔn)確稱取10.0±0.01g烘干后冷卻室溫的鈉膨潤(rùn)土或泥頁(yè)巖，放入巖芯測(cè)筒中，鋪平。然后放在壓力機(jī)上逐漸均勻加壓，直到壓力表上指示在4.0 MPa穩(wěn)壓5min后，卸去壓力，備用。

3.2頁(yè)巖膨脹實(shí)驗(yàn)步驟

1)采用NP-Ⅱ型頁(yè)巖膨脹測(cè)試儀，將巖芯測(cè)筒和測(cè)桿裝入主機(jī)兩根連桿之間并放正，打開(kāi)電源。

土味文化多發(fā)于城鎮(zhèn)與鄉(xiāng)村，他們渴望脫離傳統(tǒng)的農(nóng)耕審美，靠近心目中的“大城市范兒”，成為自己想象中的那一群人（社會(huì)精英、成功人士、江湖大哥），但因?yàn)檠劢?、思維、技能等局限，有濃烈的錯(cuò)位感和滑稽感，于是充斥著自毀自輕的三俗段子、低格調(diào)的表演，比如喊麥與社會(huì)搖。

2)調(diào)零后，將待測(cè)試樣倒入巖芯測(cè)筒中，設(shè)置打印時(shí)間間隔，達(dá)到實(shí)驗(yàn)時(shí)間后，取下結(jié)果，清洗測(cè)筒，關(guān)閉電源。

3.3巖芯強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)步驟

1) 將儀器箱置于平整的地面上，打開(kāi)儀電源按鈕18、計(jì)算機(jī)和打印機(jī)23的電源。打開(kāi)計(jì)算機(jī)23中頁(yè)巖強(qiáng)度測(cè)試儀器的程序，設(shè)置保存路徑，填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)人和備注。

2)選取一定尺寸的巖心棒6固定在定位套5中，按住上升按鈕15，直至巖心棒6調(diào)到最上端，松開(kāi)上升按鈕15。

3) 將10g的頁(yè)巖或粘土礦物裝入巖芯套7中，施加4 MPa壓力，時(shí)間為5min，使得粘土礦物或頁(yè)巖有一定的強(qiáng)度。然后將巖芯套7和0.25英寸的托盤(pán)8相接。

4) 將裝有粘土礦物或頁(yè)巖的巖芯套7和托盤(pán)8組合裝入與外套筒9中。將巖心套7、托盤(pán)8和外套筒9組合安裝在定位套5上。

5)在計(jì)算機(jī)23測(cè)試程序中點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)試”，并打開(kāi)儀器上端的開(kāi)始按鈕16，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，顯示屏2和計(jì)算機(jī)23上狀態(tài)顯示為：正在測(cè)試，并開(kāi)始繪制實(shí)時(shí)壓強(qiáng)曲線。

6)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，顯示屏2、計(jì)算機(jī)23測(cè)試程序的狀態(tài)顯示為：測(cè)試結(jié)束。

7)實(shí)驗(yàn)完成后，關(guān)閉電源按鈕18、計(jì)算機(jī)和打印機(jī)23，清洗巖芯棒6、巖芯套7、托盤(pán)8、外套筒9，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

8)如需要進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)，按動(dòng)復(fù)位按鈕13，顯示屏2上狀態(tài)顯示為：“系統(tǒng)復(fù)位請(qǐng)稍后……”直到顯示屏2狀態(tài)顯示為：“系統(tǒng)準(zhǔn)備”后，重復(fù)以上操作。

4儀器應(yīng)用效果

4.1儀器時(shí)效性和重復(fù)性

按照“3實(shí)驗(yàn)方法和步驟”，重復(fù)多次測(cè)定鈉土強(qiáng)度，評(píng)價(jià)該儀器的時(shí)效性和重復(fù)性等，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2　儀器重復(fù)性數(shù)據(jù)圖

從圖2數(shù)據(jù)分析可知，該儀器具有自動(dòng)記錄、實(shí)時(shí)打印的功能。平均測(cè)量誤差≤0.5%，數(shù)據(jù)重復(fù)性高、誤差小，可靠性強(qiáng)。每次測(cè)試時(shí)間≤30s，則1h能測(cè)定幾十個(gè)樣品，效率高。

4.2清水對(duì)粘土、泥頁(yè)巖強(qiáng)度的影響

采用普通粘土和勝利油田在渤南油田義字號(hào)區(qū)塊水平段泥頁(yè)巖鉆屑制備巖芯，按照“3實(shí)驗(yàn)方法和步驟”，評(píng)價(jià)清水對(duì)粘土、泥頁(yè)巖的膠結(jié)強(qiáng)度和膨脹率影響。頁(yè)巖膨脹儀器設(shè)置時(shí)間1 h，總時(shí)間為8h，評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3　頁(yè)巖膨脹高度

由圖3數(shù)據(jù)可知，分別經(jīng)清水浸泡8 h后，由泥頁(yè)巖制得的巖芯膨脹高度僅為0.90 mm，8 h內(nèi)膨脹高度變化

圖4　浸泡前后巖芯強(qiáng)度對(duì)比

不大，近乎水平線，而粘土制得的巖芯膨脹高度為1.92 mm，膨脹曲線呈直線上升趨勢(shì)，即h粘土>h泥頁(yè)巖。從圖4(a)數(shù)據(jù)可以看出，泥頁(yè)巖和粘土制得的巖芯，初始強(qiáng)度較接近。但經(jīng)過(guò)8h清水浸泡后，泥頁(yè)巖制得巖芯強(qiáng)度僅為30kPa，p粘土>p泥頁(yè)巖。綜合分析表明，泥頁(yè)巖遇水迅速膨脹，膨脹高度不如粘土明顯，但泥頁(yè)巖吸水后，粘結(jié)力弱，松散，頁(yè)巖強(qiáng)度大幅下降。

4.3胺類抑制劑對(duì)粘土強(qiáng)度的影響

采用普通鈉土，巖芯浸泡8h，按照“3實(shí)驗(yàn)方法和步驟”，評(píng)價(jià)常見(jiàn)胺類抑制劑對(duì)粘土強(qiáng)度率影響，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5　常見(jiàn)胺類抑制劑抑制性能

從圖5可知，胺基硅醇的抑制性能較強(qiáng)，粘土經(jīng)2.0%胺基硅醇浸泡8h后，巖芯強(qiáng)度相比較高。

5結(jié)論

1)鉆井液用頁(yè)巖強(qiáng)度測(cè)試儀結(jié)構(gòu)合理、能夠快速地評(píng)價(jià)巖芯的強(qiáng)度，數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好，準(zhǔn)確度較高。

2)頁(yè)巖強(qiáng)度測(cè)試儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，效率高，適合室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)使用。

3)該裝置的成功應(yīng)用，為鉆井液或處理劑的抑制性能評(píng)價(jià)增添了一種新型的測(cè)試方法，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 何俊海,朱金堂,張麗偉,等.新型巖石硬度測(cè)定儀的研制[J].石油儀器,2008,22(5):26-34.

[2] 金志忠. QY8型巖石強(qiáng)度測(cè)試儀[J].工程機(jī)械,1985,(3):27-28.

[3] 王新武,高富強(qiáng),李鳳霞,等. 巖石強(qiáng)度測(cè)試裝置[P].中國(guó)專利：203658163,2014-06-18.

[4] 馮星,馬朝陽(yáng),杜開(kāi)堯. 一種礦山巖石硬度液壓測(cè)試裝置[P].中國(guó)專利：203259433,2013-10-30.

[5] 王昌益,孫潔. 一種巖石硬度測(cè)定方法以及測(cè)定儀器[P].中國(guó)專利：103439204,2013-12-11.

[6] 王志忠,鐘建強(qiáng),苗剛,等. 便攜式巖石硬度測(cè)試設(shè)備[P].中國(guó)專利： 203479649, 2014-03-12.

Development and Application of Core Strength Test Instrument

LI Xiuling, GUO Baoyu, CHEN Erding

(DrillingEngineeringandTechnologyCompany,ShengliPetroleum,Dongying,Shandong257064,China)

Abstract：At present, the main evaluation methods for the inhibition performance of the drilling fluid or the treating agent are the shale swelling experiment and the recovery rate of shale experiment. In the shale swelling experiments, the cores prepared with non-swelling clay or shale often appear to have the less shale swelling height, but the relatively weak core intensity. Focused on the problems, one core strength test instrument is developed, which can further test inhibition performance of the drilling fluid or the treating agent through the evaluation and comparative analysis of core strength after shale swelling test. The instrument is with simple structure, convenient operation, good reproducibility test data and strong practicability, etc. And it can evaluate inhibition performance of the drilling fluid or the treating agent quickly and easily.

Key words：core strength; inhibition performance; instrument; applications

(收稿日期：2015-11-16編輯：姜婷)

中圖法分類號(hào)：TE135

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-0077(2016)02-0063-04

第一作者簡(jiǎn)介：李秀靈,女，1983年生,工程師, 2008年碩士畢業(yè)于北京化工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè), 現(xiàn)在主要從事泥漿工藝研究工作。E-mail: lixiuling.slyt@sinopec.com。

基金項(xiàng)目：勝利石油管理局項(xiàng)目《水平段泥頁(yè)巖鉆井液封堵防塌技術(shù)研究與應(yīng)用》(SKZ1308)。

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