页岩膨胀实验
页岩膨胀率的测定
中国石油大学渗流物理实验报告实验日期: 成绩: 班级: 石工1307 学号: 1302010708 姓名: 曲正天教师: 付帅师同组者:泥页岩膨胀性测定一．实验目的1．了解高温高压泥页岩膨胀仪的结构、工作原理及使用方法；2．掌握粘土矿物吸水膨胀的机理及膨胀率的计算方法。
二．实验原理随着测试液与粘土矿物接触时间的增加，粘土膨胀，高度增加，由容栅传感器感应出的试样轴向的位移信号，通过计算机系统将膨胀量随时间的关系曲线记录下来，显示在屏幕上。
当粘土矿物的膨胀量基本稳定时，最大的膨胀量与粘土样品的初始高度之比为最大膨胀率。
E=ht -h/h*100%其中：E—膨胀率，%；ht—粘土样品在t时刻的高度，mm；h0—粘土样品的初始高度，mm。
三．实验仪器及流程图1 高温高压泥页岩膨胀仪原理示意图图2 主测杯结构示意图（简要介绍实验仪器）四．实验步骤1、样品制备2、膨胀率测试1. 打开高温高压页岩膨胀仪的电源开关，设置加热温度为80℃。
2.将制备好的压样(同岩样模一起)从主测杯底部装入主测杯内，同时应在主测杯底部放置密封圈，禁锢主测杯下的6个固定螺钉。
3.在主测杯上部放一个密封圈，将带有测盘、测杆的平衡支架系统放入主测杯内，调整好位置，拧紧固定螺钉。
4.将注液杯与主测杯之间的注液阀顺时针关闭，然后把试液(20~30mL)倒入注液杯中，拧紧杯盖。
5.将连接好的主测杯和注液杯放入高温高压夜宴膨胀仪的加热套中，并将两根输气管分别与主测杯的输入三通阀和注液杯的连通阀杆连接好。
6.将容栅传感器放入支架内，调节表杆位置，使其底部与滑块接触，并拧紧固定螺钉；然后将温度传感器插入主测杯的孔内。
7.拧紧注液杯上部的放气手柄，拧紧放气螺杆，然后打开注液杯的连通阀杆，将连接注液杯的气体的压力调至0.5~1Mpa；再将主测杯的气体压力调到实验压力3.5Mpa。
8.打开计算机中的测试软件，设置好采样时间。
9.主测杯放入加热套一定时间后，当温度达到实验温度时，点击测试软件上的“清零”和“开始”键；打开注液阀，将液体注入主测杯中，迅速关闭注液阀；打开主测杯的放气螺钉，调节主测杯中的压力至实验压力(为减少实验误差，上述三个操作最好在10s内完成)；则指定温度、压力条件下的膨胀实验正式开始。
页岩膨胀仪操作规程
页岩膨胀仪操作规程
1、制备样品，用量为10克—15克之间，所需压力和保持时间，
视实验要求而定。
2、打开机器和计算机，桌面上有该软件的快捷方式，点击进入软
件。
3、初次使用仪器或有搬迁仪器的情况，需要对每个测试单元进行
校正，否则不需要经常校正。
4、每次开始测试时，需对单元进行调零（ZERO）处理，调零时
测试杯里要放2片过滤网。
5、调零结束后，把制备好的样品放入测试单元中，然后加热和增
加转速。
6、点击相应测试单元START测试，尽快把60ml的溶液需要加3
次，共180ml，加完后，把测温的热电偶插入测试单元。
7、然后在软件中，选择实验所要的曲线进行记录，实验时间自定。
8、当实验结束后，相应实验单元都要进行STOP的操作，这样可
以把实验数据储存模式转换成EXCEL表格的形式，该数据可
以在卓面上的，数据文件夹快捷方式里全部找到，并可打印出
来。
9、全部测试结束后，需对测试单元里的泥饼清洗干净，过滤网可
以重复使用，请不要丢弃。
10、然后关闭计算机和仪器，把加热和转速都调到零位。
页岩在水溶液中膨胀规律的实验研究
图 １ 数 字 式 Ｉ １ ０ 型 膨 胀仪 Ｄ一 １ ＥΒιβλιοθήκη １ ３ 岩 样 制 备 ．
实 验 所 用 的 Ａｒｏ页 岩 和 Ｔｏ ｒ ｅ ｒ ｃ ｕ ｎ ｍｉ ｅ页 岩 是 天 然 岩 样 ， 岩 心 从 取 心 筒 取 出 后 迅 速 用 蜡 封 包 ， 原 始 地
柱体 ，作 为实验 用 的岩样 （ 加工 成 的岩样也 要迅 速 浸
１ 实验 设 计 与 方法
１１ 实 验设计 ．
泡在 矿物 油 中 ， 以保证 岩样 的原 始地 层水 份 不变 ） 。在
收稿 日期 ： ０ １ ｉ ２ ２ ０ ２ ｉ
采 用 Ａｒｏ页岩 和 Ｔ ｕ ｎ ｍｉ ｃ ｏ ｒｅ ｒ ｅ页岩 ，通 过实验 确
实验 ，定量 研究 Ａｗ 对 页岩 膨胀 的影 响 ，并考虑 页 岩 沉 积 面的方 位 和水溶 液体 积对 页岩 膨胀 的影 响 。
迅速 浸泡 在矿 物油 中。然后 将这些 小 块岩 心在 专用 切
割 机 上 切 割 成 １ ． ｍｍ × 】 ． ｍｍ × ２ ． ｍｍ 的 长 方 ２７ ２７ ５４
定 ： 溶液 体 积对 页岩膨 胀程 度 的定量影 响 ； 水 Ａｗ 对 页
基 金项 目 ： 家 杰 出青 年 科 学基 金 项 目 ． 、 ９ ２ １ 国 Ｎｏ ５ ８ ５ １ ５
作 者 简介 ： 天 太 （９ ２ ） 男 ． 李 １６ ． 宁夏 人 ． 西安 石 油 学 院 石 油 工 程
１ ２ 实 验 仪 器 ．
采 用数 字式 Ｉ １０ 型 膨 胀 仪 （ 图 １ 进 行 Ｄ一 １Ｅ 见 ） 实验 。该 仪器 的测 量精 度 为 ０ ０ １ ． ０ ｍｍ． 量程 为 １ ｒｍ， ０ ａ
高温高压泥页岩膨胀仪及其应用研究
高温高压泥页岩膨胀仪及其应用研究邱正松李健鹰丁锐王富华（石油大学·华东）泥页岩吸水膨胀是影响井壁稳定性的主要因素之一。
为了评价泥页岩的吸水膨胀特性和评价处理剂的抑制效果，国内外不同学者建立了不同的实验方法。
Chenevert等[1]新研制的一种轻便，数字显示直读式线性膨胀测定仪；国内常用的有瓦氏页岩膨胀仪和NP-01型页岩膨胀仪等。
几种膨胀仪间的区别为：制取试样的具体方法不同，试样与试液的接触方式不同，传感原理和结果输出方式不同，它们均不能模拟井下温度和压差条件，而只能在常温常压下测定页岩的线性膨胀特性，这样所得到的实验结果，不能反映井下的实际情况，因此迫切需要研制一种能较好地模拟井下温度和压差条件的页岩线性膨胀仪。
石油大学（华东）与中国科学院海洋研究所共同研制了HTHP-Ⅰ型页岩膨胀仪，并用它研究了港东泥页岩水化膨胀特性及防塌剂抑制膨胀的能力。
一、HTHP-Ⅰ型高温高压泥页岩膨胀仪简介1、工作原理工作原理见图1所示。
它主要由以下几部分组成：1）主测试杯：包括岩样模、位移传感器、注液杯等；2）电信号转换器；3）记录仪；4）加热套；5）注液加压管路；6）制样装置：类同于NP-01型膨胀仪。
其中主测试杯结构示意图见图2所示。
仪器研制的主要技术关键是在高温高压环境下能正常工作的位移传感器的研制。
图1工作原理方框图2、主要技术指标工作测试温度：室温～120℃工作测试压力：常压～3.5MPa工作测试量程：0～15mm位移传感器线性度：不大于0.5%综合测量误差：不大于0.05mm仪器的稳定性和重复性好，自动化程度较高。
3、测试操作简介压制试样一组装主测试杯-加温至实验温度（恒定）-注液加压至实验压力（恒定）-立即启动记录仪。
二、实验岩样1、岩样标准膨润土。
大港油田港东地区馆陶组泥页岩岩心（记为G岩样）、港东）、港地区沙一段泥页岩岩心（记为S1）和东地区沙二段泥页岩岩心（记为S2港东地区沙三段泥页岩岩心（记为S）。
页岩膨胀抑制剂测试方法研究_赵建刚
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
2．用实验过程膨胀量平均误差定量反映了膨 胀量实验数据的一致性。
3．岩样压制压力和压制时间的增加可以提高 膨胀量实验结果的重复性和平行性，提出的页岩膨
胀量测试改进方法可以广泛地应用于岩样膨胀实 验，有利于对页岩膨胀量实验结果的对比和分析。
参考文献
[1] 鄢捷年 . 钻井液工艺学 [M]. 山东 : 中国石油大学出版 社，2006 ：89-105.
比实验结果的一致性，实验结果如图 1 所示。
1.2 传统实验结果分析
从图 1 可以明显地看出，4 次实验结果存在较 大差异。首先，在相同压制条件下岩样的原始高度 存在差异 ；其次，在页岩膨胀过程中也存在较大差 异 ；第三，实验最终结果同样存在较大差异。
1 传统实验方法分析
1.1 传统实验方法和实验结果
图 1 4 MPa 压制条件下岩样膨胀量数据
为了定量分析实验过程中页岩膨胀的误差特
性，使用了实验过程膨胀量平均误差这一数学模型，
其定义如下 ：
å å X = 1
M
M i=1
çççèæç
1 N
N j=1
Xij - Xi ÷÷øö÷÷
式中，N 为相同实验条件下的实验次数 ；M 为实验时
基金项目 ：国家 863 项目“高温高压钻井液抑制性及动态膨胀量测定仪的研究”（2006AA06Z212）。 第一作者简介 ：赵建刚，教授级高级工程师，1969 年生，现在从事探矿工程现场及实验室仪器研制及开发工作。地址 ： 北京市海淀区学院路 29 号地质大学院内探工楼 102 室 ；邮政编码 100083 ；电话 13911827628 ；E-mail ：zhaojg@。
岩石自由膨胀率试验分析
按 规范 要求 ， 岩 石在 工地 取 样 时 就 应保 持 天 然 状
２ 问题 的解 决
２ ． １ 现 场取 样
严禁 用爆 破法取 岩 块和用 湿 钻法 取岩 芯 。岩样 应
态， 然后 密封 送 实验 室 。 而一 般 工 地 现 场 取样 都 是 用
石 的天 然含 水状态 。
部 和 四侧 对称 安装 千分 表 ， 记 录初 读数 ， 加 入洁 净水 至 淹没 上透 水板 ， 并在 ４ ８ ｈ内按 规 定 的读 数 时 间读 取 变 形表 读数 。由测得 的膨 胀值 和试 件原 始尺 寸分 别计 算 轴 向和径 向 自由膨 胀率 。岩石 的 自由膨胀 率适 用 于浸
工 开挖法 ， 取 样后立 即密封 。
钻 进 时产生 热量 也会 使 岩样 中的水 分散 失 ； 如果水 钻 ， 岩样 遇水 产生 膨胀 ， 不能 保证 岩样 的天 然状 态 。
１ ． ２ 室 内加 工 试 件 时保 证 岩 石 的 天 然状 态
岩石 芯样 送到 实验 室 后 ， 要 加 工 成 规 范 要 求 的标 准尺 寸 ， 怎样加 工 才能 保 证 岩 石 的天 然 状 态 是 一个 难
制 件过 程 中存在很 大难题 。通过 大量试验 和 比对 ， 提 出对 泥 质砂 岩 及 中等 强度 、 不 易破 碎 、 含 水 量 也 较 小的岩 石 用快速 湿锯 来加 工试件 的对 策 ， 提 高 了岩 样制 件 的加 工速度 和成 功 率。 另外 ， 还对 自由膨胀 率 试验 和千 分表读 数过 程 中的 一些 细节 问题 进 行 了说 明。
２ ． ２ 室 内制 件
干法 钻 取制件 加 工 起 来 成 功率 极 低 ， 钻 取 芯 样 时
泥页岩水化膨胀测定新方法
泥页岩水化膨胀测定新方法李蓉华刘雨晴（石油勘探开发科学研究院）目前国内测定泥页岩水化膨胀性能一般在一定压力（如4.0MPa）下压实粉末制备样品，首先测出样品初始高度，再测一个膨胀终了高度，两次高度之差被初始高度去除得出膨胀的百分数。
任何一种泥页岩粉末样品在自由状态下都存在较多孔隙，在一定压力下被压实后，孔隙减少，压实力越大孔隙体积越小，但使孔隙完全消除是困难的。
相同压力下不同样品的孔隙体积不一定相同。
那么含有孔隙空间的样品发生水化时，由于粘土矿物层间水化的结果造成样品体积膨胀，这个体积膨胀不仅造成样品宏观体积增加，即表观膨胀，而且也造成了样品孔隙体积的减少。
孔隙体积的减少是因为样品向粒间孔隙空间的膨胀造成的，而这个膨胀值被一般测量方法所忽略。
粒间膨胀值的大小，在样品体积膨胀中所占的比例，给实验结果带来的误差及如何测定样品水化总体积膨胀值，是本文着重研究的问题。
一、测定方法1、测量仪器实验采用WLZ-1型膨胀仪测量泥页岩水化膨胀性能。
2、实验样品实验样品来源于大庆油田英80井、朝501井及新疆油田LN-44、MX-1井，粘土矿物组成见表1.3、实验方法及步骤1）将泥页岩样品粉碎至全部通过0.154mm筛，并在102±2℃下烘干至恒重，放入保干器冷却至室温。
2）去4个WLZ-1型膨胀仪调好零点，取下测量筒。
称量上述处理好的某种泥页岩样品4份，每份质量相等，分别放入4个WLZ-1型膨胀仪测量筒中，在不同的压力下压实，并放回WLZ-1型膨胀仪支撑卡规上，置入测量池中，由千分表上读出样品初始高度。
由于压力不同样品初始高度也不同，记录下初始高度并计算初始体积。
然后在膨胀仪测量池中注入实验用钻井液或其它实验液体，进行膨胀实验，观察千分表指针变化，到膨胀达到平衡时记录膨胀终了高度，计算膨胀终了体积。
二、实验结果及处理1、实验结果用上述方法测定了上述4口井样品在纯水中的膨胀性，测量结果见表2。
由表2可以看出压力不同，样品初始体积不同，压力越大，初始体积越小。
岩石膨胀力实验报告
岩石膨胀力实验报告引言岩石膨胀力是指在某些特定的条件下，岩石受到一定压力或温度变化后发生膨胀或收缩的力。
岩石膨胀力的研究对于地质工程和岩土工程具有重要意义。
本实验旨在通过实验手段，研究岩石膨胀力的特性和影响因素。
实验目的1. 了解不同岩石类型在不同温度和湿度条件下的膨胀力大小；2. 分析岩石膨胀力与温度、湿度的关系；3. 探究岩石膨胀力对岩土工程的影响。
实验装置和方法实验装置1. 岩石样本：选取多种不同类型的岩石作为实验样本，包括花岗岩、砂岩、页岩等；2. 膨胀力计：用于测量岩石的膨胀力；3. 恒温恒湿箱：用于控制岩石样本的温度和湿度；4. 数据记录仪：用于记录岩石样本的膨胀力数据。
实验方法1. 准备不同类型的岩石样本，并对其进行初步的物理性质测试，包括抗压强度、孔隙度等；2. 将岩石样本放置在恒温恒湿箱中，控制温度和湿度的变化；3. 在每个温度和湿度条件下，使用膨胀力计对岩石样本进行膨胀力测试；4. 记录膨胀力计的读数，并计算出岩石样本的膨胀力大小；5. 分析膨胀力与温度、湿度的关系；6. 对实验结果进行统计和分析，并总结实验结论。
实验结果样本物理性质测试结果岩石类型抗压强度（MPa）孔隙度（%）花岗岩200 5砂岩100 10页岩50 15膨胀力测试结果岩石类型温度（摄氏度）湿度（%）膨胀力（N）花岗岩20 50 10花岗岩30 60 15砂岩20 50 5砂岩30 60 7页岩20 50 3数据分析与讨论通过对实验结果的分析和比较，可以得出以下结论：1. 不同岩石类型的膨胀力大小存在差异，一般来说，抗压强度较高的岩石膨胀力也较大；2. 岩石样本在较高的温度和湿度条件下，膨胀力较大；3. 花岗岩的膨胀力较大，且受温度和湿度的影响较小；而砂岩和页岩的膨胀力较小，且容易受温度和湿度的影响。
结论岩石膨胀力的大小与岩石的物理性质、温度和湿度密切相关。
在进行岩土工程设计时，需要注意岩石膨胀力对工程的影响，采取相应的措施进行处理和预防。
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中国石油大学 油 层 物 理 实验报告
实验日期： 2 成绩：
班级： 石 学号： 姓名： 教师： 付帅师
同组者：
页岩膨胀实验
一、实验目的
1、 掌握泥页岩膨胀机理；
2、了解高温高压泥页岩膨胀仪的工作原理及仪器结构；
3、掌握泥页岩膨胀率测定及计算方法。
二、实验原理
泥页岩在高温高压下遇水开始膨胀，随着时间的增加，膨胀量增大。
泥页岩膨胀率计算公式：
%1000
⨯-=
h h h E t
式中：
E —膨胀率，%；
H t —粘土样品在t 时刻的高度，mm ； H 0—粘土样品的初始高度，mm 。
粘土样品放主测杯，加热并用气体加压，液体与样品接触，记录h 0。
随时间推移，粘土膨胀，h 增加，被传感器记录。
三、实验仪器
仪器设备如下图1所示。
图1 高温高压泥页岩膨胀仪原理图
1.压力表；
2.放气手柄；
3.销钉；
4.连通阀杆；
5.放气螺钉；
6.输入三通阀；
7.容栅传感器；
8.导杆；
9.温度传感器；10.主测杯；11.粘土样品；12.岩样模；
13.加热套；14.温控仪；15.注液阀；16.注液杯
图8-2 主测杯结构示意图
1.容栅传感器；
2.传感器支架；
3.输入三通阀；
4.放气螺钉；
5.平衡支架；
6.密封螺钉；
7.滑动杆；
8.测杆；
9.主测杯；10.紧固螺钉；11.岩样模；12.托垫；
13.止钉；14.杯下盖；15.Φ51×3.1密封圈；16.测盘；
17.滑块；18.表杆；19.传感器座
主要试验仪器：氮气瓶(氮气压力大于5Mpa)、管汇、高温高压泥页岩膨胀仪、数据控制及显示系统等。
各仪器的主要指标：气源压力为5Mpa；工作温度≤120℃；工作压力为
3.5Mpa；测试量程为15mm；试样模内径为25mm；测量分辨率为0.001mm。
四、实验步骤
1、打开高温高压页岩膨胀仪的电源开关，设置加热温度为70℃。
2、将制备好的压样(同岩样模一起)从主测杯底部装入主测杯内，同时应在主测杯底部放置密封圈，禁锢主测杯下的6个固定螺钉。
3、在主测杯上部放一个密封圈，将带有测盘、测杆的平衡支架系统放入主测杯内，调整好位置，拧紧固定螺钉。
4、将注液杯与主测杯之间的注液阀顺时针关闭，然后把试液(15~20mL)倒入注液杯中，拧紧杯盖。
5、将连接好的主测杯和注液杯放入高温高压夜宴膨胀仪的加热套中，并将两根输气管分别与主测杯的输入三通阀和注液杯的连通阀杆连接好。
6、将容栅传感器放入支架内，调节表杆位置，使其底部与滑块接触，并拧紧固定螺钉；然后将温度传感器插入主测杯的孔内。
7、拧紧注液杯上部的放气手柄，拧紧放气螺杆，然后打开注液杯的连通阀杆，将连接注液杯的气体的压力调至0.5~1Mpa；再将主测杯的气体压力
调到实验压力3.5Mpa。
8、打开计算机中的测试软件，设置好采样时间。
9、主测杯放入加热套一定时间后，当温度达到实验温度时，点击测试软件上的“清零”和“开始”键；打开注液阀，将液体注入主测杯中，迅速关闭注液阀；打开主测杯的放气螺钉，调节主测杯中的压力至实验压力(为减少实验误差，上述三个操作最好在10s内完成)；则指定温度、压力条件下的膨胀实验正式开始。
10、每隔30s记录粘土试样的膨胀量，当膨胀量达到稳定时，停止实验。
11、关闭总气源阀、主测杯上的放气螺钉、注液杯的连通阀杆，关闭主机电源；缓慢拧开注液杯上部的放气手柄，放出其中的气体；松开减压阀(连接两根输气管线)。
12、卸下容栅传感器、温度传感器，卸下与注液杯、主测杯相连的管线。
13、将主测杯从加热套中提出，置于空气中冷却(温度很高时，可用湿布冷却)，至温度T≤40℃，松开主测杯的放气螺钉和注液杯上部的连通阀杆，放掉杯内余压。
14、确认主测杯和注液杯内没有气压后，卸下注液杯杯盖，松开主测杯上盖和下盖的紧固螺钉，卸下主测杯的上、下杯盖，取出岩样模，清洗导杆端面以及主测杯内壁，擦干后存放。
15、整理实验仪器，处理实验数据。
五、实验结果处理
地层温度=70℃， 地层压力=3.5MPa
表一 高温高压泥页岩膨胀率测定实验数据表
粘土样品的初始高度h 0=10.66mm
以第一组数据，即t=0.5min 时为例，计算膨胀率： 膨胀量=h t -h 0
根据粘土膨胀率计算公式有：
%385.0%10066
.10041
.0%10000=⨯=⨯-=
h h h E t 同理可得其余时间下对应的膨胀率。
根据表一中数据绘制膨胀率-时间曲线图如下：
图二膨胀率E-时间t曲线图
图形分析：
由图中E-t曲线可以看出，在其他条件一定的情况下，随着时间的增加，泥页岩的膨胀率逐渐增加，但增加的速度在逐渐减慢。
六、课后习题
1、粘土的水化膨胀机理（以蒙脱石为例）
答：蒙脱石是常见的粘土中的一种，当它与水接触时，水被吸附在蒙脱石的层间以及颗粒表面上，层间由于作用力弱，可以吸附大量阳离子、水或其他极性有机分子，在原始状态下处于平衡状态。
一旦阳离子浓度较低的淡水进入蒙脱石晶层之间，就会引起晶层表面平衡电价的阳离子在水中解离，使粘土表面带负电，在静电斥力的作用下，引起晶层沿垂直于晶层方向膨胀，因此会发生膨胀。
2、粘土矿物水化膨胀对储层有哪些损伤？
答：粘土矿物水化膨胀会引起储层发生水敏现象，粘土矿物发生膨胀水化、分散脱落、运移，进而会导致地层渗透率降低，影响地层的储量及产量；而粘土矿物水化膨胀使矿物表面的物质脱落分解，它们会随流体移动，可能会堵塞空隙喉道，不利于采油，降低采收率。
3、实验中应该注意哪些操作事项，高温高压操作安全方面，仪器维护避免损坏方面，影响实验成败因素？
答：本次实验对仪器的气密性有较大的要求，是在较高的压力下操作的实验，所以要注意设备的密封性、合理的调节压力、并要十分清楚各个阀门，严格按操作规程操作，并记录数据等。
6、岩石粒度组成分析的主要方法和步骤？
答：常用的粒度分析方法有薄片法、筛析法和沉降法。
薄片法主要用于分析测定较大直径的砂粒组成；筛析法主要用于分析中小直径的砂粒组成；沉降法主要用于分析粒径小于40um的颗粒组成。
薄片法主要是通过用显微镜或图像分析仪器测定粒度的组成，而其余两种方法，一般先用筛析法将粒径较大的颗粒分开，然后对在振筛机上通过最细的筛子的砂粒用沉降法进行分析。
七、实验总结。