高温高压动态膨胀量测定仪的研究与应用

赵建刚,孙鹏,陈延滨,石凯,许云博,张晓翼

高温高压动态膨胀量测定仪的研究与应用

赵建刚,孙鹏,陈延滨,石凯,许云博,张晓翼

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

针对目前井壁稳定性评价中页岩膨胀测试设备功能单一的问题，本文设计和研制出一套在高温高压动态条件下测试和评价膨胀抑制剂抑制泥页岩膨胀的装置，具体包括高温高压动态智能膨胀特性评价测试仪的温度控制系统、高压控制系统、钻井液循环系统、膨胀特性参数测试电路，以及对以上各个部分进行统一控制的计算机软件系统；建立高温高压动态膨胀量测定的实验方法，并将仪器和实验方法应用于页岩膨胀抑制剂的研究；填补了国内页岩膨胀测试设备无法模拟井下高温、高压和动态环境的空白。

膨胀；高温；高压；动态；泥页岩

1 引言

长期以来，井壁稳定问题尤其是泥页岩地层井壁稳定问题，一直是国内外钻井工程中经常遇到的情况。特别是自20世纪80年代以来，随着勘探领域向新区扩展，钻遇地层日趋复杂，井壁不稳定问题日益严重，既影响钻井速度与测井、固井质量，还使部分地区无法钻达目的层，严重影响钻进速度、质量和成本，延误勘探与开发的速度，影响其经济效益。经过多年努力，我国井壁稳定技术在机理研究、室内评价测试方法、钻井液处理剂、钻井液体系及技术对策等方面取得了新进展，使我国稳定井壁技术水平有了显著的进步，但在相关测试手段和工具方面严重滞后。因此，需要研制能模拟井下条件的测试仪器。

井壁稳定性的实验室评价方法主要有：膨胀性实验、分散性实验、水化实验等。岩样膨胀实验是井壁稳定性评价的主要方法，通常采用测定岩样线性膨胀百分比(膨胀率)来表示地层的膨胀性能[1]。现阶段页岩膨胀量测试主要参考《中华人民共和国石油天然气行业标准》中的《SY/T 5613-2000泥页岩理化性能实验方法》进行页岩膨胀量实验。但现有的膨胀量测试设备所提供的实验条件仅为常温常压，部分设备虽然也具有加温功能，但最高实验温度仅为80℃。常规仪器不能模拟井下高温、高压和动态环境，因此需要研制一种高温高压动态膨胀量测定仪。

2 高温高压动态膨胀量测定仪研制

2.1 设计思路

在钻井过程中地层膨胀是地层中所含的黏土矿物水化的结果，通常采用测定岩样线性膨胀百分数(膨胀率)来表示地层的膨胀性能。但由于温度和压力对岩样的水化膨胀有较大影响，因此需要在高温高压环境下测定泥页岩的水化膨胀率。通过设计控温和控压装置实现对井下高温高压环境的模拟，并在此基础上设计动态驱动装置模拟井下动态环境。在以上仪器硬件基础上开发一套控制和数据采集软件，自动控制硬件达到实验条件，自动采集和存储实验数据。

2.2 仪器硬件组成部分

高温高压动态膨胀量测定仪硬件组成结构见图1。

2.3 软件系统逻辑结构

高温高压动态膨胀量测定软件逻辑结构见图2。

1.非接触式动态驱动装置；2.页岩膨胀测试腔；3.高温高压测试腔；4.位移传感器；5.压力源；6.钻井液预加温腔。

图2 高温高压动态膨胀量测定软件系统逻辑结构图

2.4 仪器功能和特点

(1)可测量泥页岩水化膨胀量和膨胀率；

(2)具有模拟井下高温高压环境的功能，温度最高达到260℃，最高压力达到7 MPa；

(3)磁力驱动系统转速1000 r/min，此点的线速度为1.04 m/s，因此用磁力驱动系统可以模拟现场流动状态；

(4)软件部分的测控系统实现对温度、压力的控制，数据处理系统具有良好的图形用户界面，可对温度、压力和膨胀量数据进行实时采集和存储，并绘制数据曲线。

3 高温高压动态膨胀量测定仪的应用

3.1 动态、静态应用对比

高温高压动态膨胀量测定仪结构示意图中(如图1)1部件为非接触式动态驱动装置，它位于多孔岩心样品杯下方。动态驱动装置带动磁力搅拌棒旋转时样品杯内的钻井液将同速旋转，并从杯侧面上下循环，样品杯下的钻井液相当于在钻井环空中上返流动的流体，其流速应为磁力棒上的某一运动质点的线速度。高温钻井孔段较深，井径通常为216 mm，钻杆直径127 mm，环空面积240 cm2，泥浆泵排量25～30 L/s，环空流速约1.04～1.25 m/s；仪器样品杯内径25 mm，液体与岩样接触直径大致为20 mm，磁力棒试验用转速1000 r/min，此点的线速度为1.04 m/s。因此用磁力棒可以模拟现场流动状态。

图3为同种岩样(钠基准土压制)在相同温度和压力下动态和静态实验结果，由图3可以观察到动态环境下页岩膨胀速度明显高于静态环境。

图3 动态和静态膨胀实验结果对比

3.2 应用实验结果及分析

3.2.1 实验用钻井液配方

1#：5%安邱钙膨润土+3%KCl+4%SMP+0.5%HPAN；

2#：5%安邱钙膨润土+3%硅酸钠+4%SMP+0.5%HPAN；

3#：5%安邱钙膨润土+1%KCl+3%硅酸钠+4%SMP+0.5%HPAN。

3.2.2 实验流程

(1)实验仪器采用本文研制的高温高压动态膨胀仪；

(2)实验条件：温度≥180 ℃，压力≥7 MPa(适用于高温高压试验)；

(3)实验要求，每个配方应做4种状态试验：常温常压静态、常温常压动态、高温高压静态、高温高压动态；

(4)实验时间：每个试验样时间视情况可控制在4～6 h，每0.5 h记录1次数据，并观察和记录试验过程中出现的问题。

3.2.3 实验结果分析

实验结果分别绘制成曲线(图4～图8)，每个配方在相同温度下有静态和动态的对比数据。

图4 1#配方高温膨胀曲线

图5 2#配方常温膨胀曲线

图6 2#配方高温膨胀曲线

图7 3#配方常温膨胀曲线

图8 3#配方高温膨胀曲线

可以看出：

(1)常温状态下，所有配方的静态膨胀率均高于动态膨胀率；而高温下完全相反，动态都高于静态，说明高温动态膨胀试验的必要性。

(2)抑制剂KCl、硅酸钠复合使用比单独使用效果好，在研制、试验新的钻井液配方时，应考虑到多种抑制剂的协同效应和抑制性互补关系。

4 结束语

本文通过对井下环境和钻井液运动特性的研究，研制了能够全面模拟井下高温、高压和钻井液动态环境的高温高压动态膨胀量测定仪。通过动态和静态条件下实验数据的对比说明了动态实验条件的必要性，最后通过应用实验对该仪器的可靠性进行了验证，填补了国内页岩膨胀测试设备无法模拟井下高温、高压和动态环境的空白，可广泛应用于井壁稳定性评价领域。

[1] 鄢捷年. 钻井液工艺学[M]. 山东东营:中国石油大学出版社, 2006.

[2] SY/T 5613—2000泥页岩理化性能实验方法[S].

[3] 杨俊贞,黄达全,马翠雪,等. 钻井液实验用标准钙土研究[J]．钻井液与完井液, 2012, 29(6):13-16.

[4] 郭宝利, 袁孟雷, 王爱玲,等. 聚合醇抑制性能评价研究[J]. 钻井液与完井液, 2005, 22(4):35-36, 39.

[5] 李怀科, 田荣剑, 罗健生,等. 一种定量评价钻井液用胺类抑制剂的新方法[J]. 钻井液与完井液, 2012, 29(6):51-53.

[6] 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.

[7] 孙鹏，程婧格，李伟. 基于多串口通信技术的多联膨胀量测定仪软件系统研究. 地质装备，2012(增刊)：65-68.

2017-01-05

国家高技术研究发展计划(863计划)“高温高压钻井液抑制性及动态膨胀量测定仪的研究”(2006AA06Z212)。

赵建刚(1969-)，男，北京探矿工程研究所勘查仪器研发中心主任、博士、教授级高级工程师，2016年荣获中国地质调查局“优秀地质人才”称号，地球探测与信息技术专业，主要从事探矿工程现场及实验室仪器研制及开发工作，先后主持完成多项国家重大仪器专项、国土资源部地质调查项目和国家高技术研究发展计划(863)项目，北京市海淀区学院路29号中国地质大学探工楼602室，Tel：010-82326470，E-mail：zhaojg@cugb.edu.cn。

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1009-282X(2017)01-0015-03