韓天夫，李進(jìn)，王雪竹，趙建剛，魏瑞，許云博，李慧想，石凱，楊銳

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083；2.北京誠通方達(dá)科技有限責(zé)任公司，北京 102401)

0 引言

頁巖氣作為一種清潔、高效能源，在中國具有雄厚的資源基礎(chǔ)，戰(zhàn)略地位非常重要。在頁巖氣資源勘探開發(fā)鉆井過程中，水平井是頁巖氣鉆井開發(fā)的主要組成，在鉆井中面對大量的井壁不穩(wěn)定性問題，有統(tǒng)計(jì)表明，90%的井眼不穩(wěn)定情況發(fā)生在頁巖地層中[3]。井眼不穩(wěn)定的主要原因是水基鉆井液濾液進(jìn)入頁巖層理間隙，黏土礦物遇水膨脹，導(dǎo)致局部地層拉伸破裂，出現(xiàn)井壁垮塌、縮徑等井內(nèi)復(fù)雜情況。當(dāng)然，油基鉆井液可以避免上述問題，但是由于環(huán)保和成本等原因限制了其使用范圍。添加膨脹抑制劑，使水基鉆井液具備強(qiáng)抑制膨脹性功能是行業(yè)研究重點(diǎn)。當(dāng)前，膨脹抑制劑性能的測試評價(jià)已經(jīng)非常成熟，在鉆井中的應(yīng)用也非常廣泛。

NP-01是石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的常溫常壓狀態(tài)下測試評價(jià)泥頁巖膨脹抑制劑性能的典型儀器設(shè)備，此類儀器測試結(jié)果獲得了行業(yè)技術(shù)人員的一致認(rèn)可[1-2]。本次研究以改進(jìn)型的WT-NP-03膨脹量測試儀測試應(yīng)用為例，總結(jié)分析了膨脹量測試中出現(xiàn)的一些影響結(jié)果一致性和平行性問題。通過對儀器測試結(jié)構(gòu)和測試方法的改進(jìn)，經(jīng)過測試驗(yàn)證，達(dá)到目標(biāo)要求。同時(shí)，提出了通過構(gòu)造儀器測試的擬合函數(shù)的方法，作為驗(yàn)證同類儀器測試平行性的參考[4-8]。

1 儀器簡介

WT-NP-03膨脹量測試儀是按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，模擬泥頁巖吸水后體積膨脹的機(jī)理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的典型常溫膨脹量測試儀，其外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.機(jī)殼；2.顯示屏；3.鍵盤；4.傳感器導(dǎo)桿；5.支撐桿；6.活塞桿；7.樣品杯蓋；8.樣品杯；9.底盤

儀器采用數(shù)字式位移傳感器，單片機(jī)控制，可以獨(dú)立測試，也可以通過USB接口連接上位計(jì)算機(jī)，由電腦控制多機(jī)同時(shí)使用，可以實(shí)時(shí)顯示膨脹量數(shù)據(jù)變化和膨脹量曲線。結(jié)構(gòu)上采用了嵌套樣品杯設(shè)計(jì)，滿足按照傳統(tǒng)方式在內(nèi)杯上端添加試劑，少量液體就能完成測試；也可以利用外杯盛裝大容量液體，在測試中隨時(shí)向外杯添加試劑，實(shí)現(xiàn)技術(shù)人員的獨(dú)特測試目標(biāo)。

儀器的測試原理是按照標(biāo)準(zhǔn)先壓制模擬的巖心，將巖心放入內(nèi)(筒)杯中，巖心上面插放活塞桿，再將含有巖心內(nèi)杯組合放入外杯中。當(dāng)外杯盛裝足夠液體后，巖心浸泡在試驗(yàn)溶液中，巖心開始隨著時(shí)間緩慢膨脹變形，膨脹的線性位移量經(jīng)過活塞桿傳導(dǎo)至位移傳感器。由此，膨脹信號經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)化后上傳，經(jīng)過處理即獲得巖樣的膨脹數(shù)據(jù)。

2 膨脹量測試的影響因素及改進(jìn)措施

2.1 克服水化膨脹應(yīng)力的限制

根據(jù)膨脹量測試儀的測試原理，需要模擬的巖心在水化膨脹時(shí)產(chǎn)生足夠的水化膨脹應(yīng)力，才能推動(dòng)活塞等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)向上移動(dòng)。徐力群等提出泥巖與水基鉆井液接觸后產(chǎn)生的水化膨脹應(yīng)力隨著時(shí)間的延長而逐漸增大，基本上在2小時(shí)后達(dá)到最大值并保持不變，并且總體上泥巖在清水中產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力較大，超過12 kPa，在NaCl溶液中次之，KCl溶液中最小，不到4 kPa[5]。因此，在直徑25 cm的標(biāo)準(zhǔn)巖心端面上，巖心膨脹產(chǎn)生的水化膨脹應(yīng)力最大不超過6 N，并且在膨脹初始時(shí)水化膨脹應(yīng)力更小，這就要求活塞和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量不能過大，并且傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦阻力也要非常小，否則在測試中將出現(xiàn)“卡頓”等異?，F(xiàn)象。

在活塞和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要充分考慮整體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量，使其盡可能輕。同時(shí)在零件加工工藝中應(yīng)盡量降低表面粗糙度，減少滑動(dòng)摩擦的接觸面積，降低傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦阻力帶來的負(fù)面影響。

表1是測試時(shí)間與膨脹量的數(shù)據(jù)，圖2是測試時(shí)間與膨脹量的關(guān)系曲線，在146 min時(shí)開始出現(xiàn)異常值，膨脹數(shù)據(jù)停在10.36 mm處；直到182 min開始，膨脹數(shù)據(jù)繼續(xù)上升，曲線趨于正常變化。此現(xiàn)象表明傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了卡阻，阻力大于了巖心的水化膨脹應(yīng)力，傳感器無法繼續(xù)獲得有效的膨脹數(shù)據(jù)。

圖2 測試中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象

表1 測試中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象

2.2 優(yōu)化液體浸入巖樣的方式

液體浸入巖樣的方式有兩種:雙端浸入和單端浸入。雙端浸入的方式是將測試結(jié)構(gòu)中巖樣上端的活塞和巖樣下端的端帽都設(shè)計(jì)成多孔鏤空結(jié)構(gòu)，當(dāng)巖樣浸入液體中時(shí)，液體就可以沿雙面的鏤空浸入巖樣中，如圖3所示。單端浸入是保留測試結(jié)構(gòu)中巖樣上端的活塞的多孔鏤空結(jié)構(gòu)，當(dāng)巖樣浸入液體中時(shí)，液體僅可以沿上面的鏤空浸入巖樣中，如圖4所示。

1.上蓋；2.內(nèi)筒；3.活塞桿；4.上端濾紙；5.巖心；6.下端帽；7.下端濾紙；8.液體浸入

1.上蓋；2.內(nèi)筒；3.活塞桿；4.濾紙；5.巖心；6.下端帽；7.液體浸入

理論上，雙端浸入雖然可以促進(jìn)膨脹速度，縮短液體全面浸入巖樣的時(shí)間，但也不可避免地出現(xiàn)了“氣堵”現(xiàn)象。即當(dāng)巖樣浸入液體中時(shí)，巖樣下端的端帽通孔被空氣封堵而無法排出，液體無法經(jīng)過通孔浸入巖樣中，由于這種不均勻的液體浸入，將對膨脹測試的重復(fù)性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

表2是雙端液體浸入的測試數(shù)據(jù)，圖5曲線表明液體雙端浸入時(shí)，初始膨脹比較明顯；在110 min后開始出現(xiàn)平緩，膨脹變形變緩；在130 min后曲線開始明顯上升，膨脹變形加快；在180 min左右，曲線有個(gè)跳躍變化，說明液體浸入加劇，膨脹發(fā)生迅速。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是先期液體浸入的通道并沒有完全通暢，出現(xiàn)通道被氣體堵塞現(xiàn)象，曲線跳躍時(shí)表明被堵塞的通道由于巖心的膨脹擠壓，氣體被排空，通道打開，液體浸入量增加，膨脹產(chǎn)生階躍式變化。綜上可知，雙端液體浸入的方式存在明顯的弊端。

圖5 雙端液體浸入的異常現(xiàn)象

表2 雙端液體浸入的異?，F(xiàn)象

2.3 構(gòu)造膨脹測試擬合函數(shù)

由測試原理可知，泥頁巖膨脹量測定是將巖心的體積膨脹轉(zhuǎn)化為線性位移變化，經(jīng)過傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)引，通過測量線性位移量來獲得巖心的體積膨脹參數(shù)，進(jìn)而可以評價(jià)巖心的膨脹性。不同類型膨脹儀器的測試結(jié)構(gòu)是存在一定的差異，位移傳動(dòng)的方式和結(jié)構(gòu)也不同。最關(guān)鍵的是傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的重量和結(jié)構(gòu)摩擦阻力也不同，這會導(dǎo)致不同儀器的測試結(jié)果不同。即使同類型的儀器之間，也可能存在測試結(jié)果無法比對。巖心的水化膨脹應(yīng)力是一個(gè)非線性的變化過程，這也導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)同類儀器的測試數(shù)據(jù)的一致性需要研究。

3 儀器測試

本次測試所使用的儀器是WT-NP-03膨脹量測試儀，其測量范圍：0～20 mm，分辨率0.01 mm。所使用的材料是膨潤土(渤海土)。

3.1 測試1：雙儀器對比測試

材料：鈉基膨潤土。

溶液：清水。

時(shí)間：2小時(shí)。

儀器1：巖心厚度8.85 mm。

儀器2：巖心厚度8.72 mm。

測試結(jié)果見表3和圖6。

表3 鈉基膨潤土清水溶液2小時(shí)膨脹測試結(jié)果

由圖6中可以看出，兩臺儀器的測試數(shù)據(jù)曲線趨勢基本一致，儀器的平行性符合程度也比較高，兩個(gè)儀器的測試數(shù)據(jù)有所差異的原因是由巖心制備時(shí)壓制的壓力差異所導(dǎo)致的。表3中兩個(gè)儀器的測試數(shù)據(jù)之間的比值的穩(wěn)定性也證明了這一點(diǎn)，鈉基膨潤土的水化膨脹比較緩慢，膨脹曲線基本上趨近于對數(shù)曲線，但特征不明顯。

圖6 鈉基膨潤土清水溶液2小時(shí)膨脹測試結(jié)果

3.2 測試2：三臺儀器對比測試

材料：鉆井液膨脹實(shí)驗(yàn)用膨潤土(標(biāo)準(zhǔn))。

溶液：清水。

時(shí)間：9小時(shí)。

儀器1：巖心1厚度10.83 mm。

儀器2：巖心2厚度10.63 mm。

儀器3：巖心3厚度10.78 mm。

測試結(jié)果見表4和圖7。

表4 標(biāo)準(zhǔn)土清水溶液9小時(shí)膨脹測試結(jié)果

圖7 實(shí)驗(yàn)用膨潤土(標(biāo)準(zhǔn))9小時(shí)膨脹測試結(jié)果

由圖7中可以看出，三臺儀器的測試數(shù)據(jù)曲線趨勢基本一致，儀器的平行性符合程度也比較高，三臺儀器的測試數(shù)據(jù)有所差異如前文所描述，可以根據(jù)表4中數(shù)據(jù)之間的比值是否穩(wěn)定一致進(jìn)行判斷。鈣基膨潤土的水化膨脹比較明顯，膨脹效果比較突出，膨脹曲線基本上趨近于對數(shù)曲線，但特征也比較明顯。儀器1測試結(jié)果如表5所示，相應(yīng)的擬合函數(shù)見圖8。

表5 儀器1測試結(jié)果

圖8 儀器1測試結(jié)果的擬合函數(shù)

儀器1測試結(jié)果的擬合函數(shù)表達(dá)為：

y=1.3577ln(x)-2.5057

(1)

R2=0.9601

(2)

儀器2測試結(jié)果的擬合函數(shù)表達(dá)為：

y=1.4344ln(x)-2.8527

(3)

R2=0.9647

(4)

儀器3測試結(jié)果的擬合函數(shù)表達(dá)為：

y=1.2674ln(x)-2.4391

(5)

R2=0.9479

(6)

式中：y是膨脹量的擬合值，mm；x為時(shí)間，min；R2是擬合相關(guān)系數(shù)，無量綱。

三臺儀器測試結(jié)果的擬合函數(shù)趨近于對數(shù)函數(shù)，而且相關(guān)系數(shù)都超過0.9，基本接近，進(jìn)一步說明儀器的平行性非常好，同時(shí)也可以作為檢驗(yàn)膨脹測試儀測試結(jié)果一致性的參考依據(jù)。

4 結(jié)語

本文結(jié)合泥巖水化膨脹應(yīng)力的計(jì)算和液體浸入巖心的不同方式，分析了膨脹量測試中出現(xiàn)的一些影響結(jié)果一致性和平行性問題，通過對儀器測試結(jié)構(gòu)和測試方法的改進(jìn)后的測試驗(yàn)證，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

試驗(yàn)結(jié)果說明，巖心膨脹特征在初始2小時(shí)比較明顯，特征顯著，后期趨于平緩，鈣基膨潤土比鈉基膨潤土的膨脹效果好。常溫膨脹測試的曲線特征趨近于對數(shù)曲線，可以通過擬合函數(shù)作為同類儀器測試結(jié)果對比的參考依據(jù)。