页岩水化膨胀性能的实验研究

郭锦涛，何 静，范昊坤

（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西西安 710075）

页岩水化膨胀性能的实验研究

郭锦涛，何 静，范昊坤

（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西西安 710075）

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。

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）。

图1 实验装置图

表1 页岩矿物组成

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的固定螺钉；

（2）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（见图2、图3），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。

图2 恒压0.5 MPa膨胀率曲线

图3 恒压3.5 MPa膨胀率曲线

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（见图4、图5），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6 钻井液滤液膨胀率曲线

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%NH4-HPAN+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。

［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.

Experimental study on the intumescent performance of shale

GUO Jintao，HE Jing，FAN 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

郭锦涛，男（1990-），陕西西安人，工程师，硕士，主要从事石油钻采工艺的研究工作。