泥页岩水化应力实验方法与实验装置_徐加放

文章编号:1001-5620(2008)04-0013-03泥页岩水化应力实验方法与实验装置徐加放1邱正松1韩丰欣2(1.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东东营;2.中海油监督监理技术公司,天津塘沽)摘要 分析了泥页岩水化应力产生机理及其影响因素,建立了泥页岩水化应力测试方法,并通过对原有实验仪器的改进,建立了泥页岩水化应力定量测定模拟实验装置,实现了泥页岩水化应力的定量测定。

实验结果表明,提出的实验方法得当,使用的实验仪器平行性好,完全可以满足泥页岩水化应力的定量测定,为泥页岩水化应力定量测定和深入研究泥页岩井壁稳定机理提供了一种室内实验研究手段和方法。

实验结果证明了水化应力的存在,其最大值出现在泥页岩与水作用一定时间后,为井壁周期性坍塌提供了解释依据。

关键词 泥页岩 井壁稳定 实验方法 水化应力 实验装置中图分类号:T E283文献标识码:A泥页岩井壁不稳定的主要原因是由于黏土矿物吸水膨胀,造成了岩石强度的下降和在井壁围岩的作用下产生水化应力,造成井壁失稳。

关于泥页岩水化应力的理论模型和预测已有较多报道,但多数过于复杂,且部分参数难以定量,很难准确计算。

有关泥页岩水化应力的实验测定却未见报道,其主要原因是泥页岩水化应力测定的复杂性、实验设备和实验手段的局限性以及影响因素的多样性等。

因此,基于传统岩石力学测定实验方法和泥页岩特性,对泥页岩水化应力实验方法进行了优选,在原有泥页岩化学和力学耦合模拟实验装置基础上对仪器进行改进,实现了泥页岩水化应力的定量测定。

1 泥页岩水化应力产生机理泥页岩通常指黏土矿物含量超过50%的黏土岩。

黏土矿物指细分散的含水铝硅酸盐类矿物的总称,这些矿物在生成的过程中由于硅氧四面体和铝氧八面体的晶格取代作用而带负电荷。

根据表面能趋于最小原理,黏土矿物表面能趋于最小化的主要途径是吸附阳离子和极性的水分子。

泥页岩水化应力的产生过程实质上是泥页岩中黏土吸水膨胀,泥页岩和水作用力微观叠加的宏观体现。

因此,研究泥页岩水化机理必须从研究黏土水化机理做起。

国外20世纪四五十年代就有学者进行黏土水化的研究,主要利用平衡水蒸气法、量热法或接触角法等测量吸附热、润湿热、黏附功等数据,来求算土壤水的有关热力学函数,作为选择、确定黏土颗粒-水相互作用的合理机制的参考。

研究结果认为,水在黏土表面上的吸附初期是以化学吸附为主,后期是以物理吸附为主。

目前关于黏土水化方面的观点可以归纳为以下几个要点[1]。

¹各种黏土矿物遇水时均会引起不同程度的水化,包括表面水化、离子水化和渗透水化。

º黏土水化是黏土膨胀的最根本原因,其膨胀程度与它的水化程度密切相关。

膨胀力初期来源于表面水化能,后期来源于渗透压力和双电层斥力。

»黏土的水化取决于黏土矿物的种类、比表面积和阳离子交换容量,而与表面电荷密度无关。

¼黏土的水化机理为:强极性水分子与黏土晶层上的氧形成氢键,加上层间补偿阳离子的水化能和单位层间负电荷的排斥力,因而水分子易进入单位层间,引起单位层间距增大。

对于蒙脱石在表面水化阶段单位层间最多可吸附4个水分子层,可使体积增加1倍,产生的膨胀压是相当大的。

2 泥页岩水化应力的影响因素泥页岩水化应力的影响因素包括内因和外因,它们的共同作用导致了水化应力的高度复杂性。

基金项目:山东省自然科学基金(Y2006F 66)。

第一作者简介:徐加放,讲师,1973年生,2001年毕业于中国石油大学(华东)获硕士学位,现在中国石油大学(华东)攻读博士学位,主要从事井壁稳定、钻井液体系与处理剂开发、油气层保护等教学与科研工作。

地址:山东省东营市中国石油大学(华东)石油工程学院;邮政编码257061;电话(0546)8391679;E -mail:x jiafang @ 。

第25卷第4期 钻 井 液 与 完 井 液 Vo l.25No.42008年7月 DRILLING FLU ID &COM PLET ION FLUID July 20082.1内因影响泥页岩水化应力的内在因素主要有矿物组构和理化性能等[2~3]。

泥页岩的矿物组构是指构成泥页岩的全部组分的空间位置和几何形态,它常被用来描述泥页岩的颗粒、晶体和胶结物等的空间分布及方位。

泥页岩的组构特征与其剥裂性密切相关,黏土片状颗粒呈近乎完全平行排列的泥页岩具有较强的剥裂性;具有中等剥裂性的泥页岩中的黏土片虽大体上呈定向排列,但常有相当数量的黏土片呈与剥裂面不同角度的相交排列;非剥裂性泥页岩中的黏土片则呈随机排列。

由于泥页岩膨胀、分散和剥落、掉块而引起的井壁不稳定是油气勘探开发过程中经常遇到的复杂问题之一,而决定泥页岩的膨胀、分散和剥落、掉块特征的根本因素取决于其组成和结构[4]。

泥页岩的理化性能主要指泥页岩比表面积、比亲水量、阳离子交换容量等。

比表面积与其黏土矿物含量、黏土矿物种类、水化膨胀和分散特性以及吸附性等密切相关,是泥页岩井壁稳定性评价的一个重要参数,它的引入使井壁稳定性研究从宏观评价向亚微观机理的研究迈进了一步[5]。

比亲水量相当于泥页岩表面水化膜厚度(水化短程斥力),代表泥页岩水化表面能下降的幅度,是衡量泥页岩水化变形以及强度性质变化的本质特性指标。

阳离子交换容量是指泥页岩表面可被交换的阳离子总量,是泥页岩带电性的直接体现,也与泥页岩诸多性能直接相关。

2.2外因影响水化应力的外部因素很多,如压实程度、水溶液中电解质的种类和浓度、pH值、作用时间、温度和井内钻井液柱压力与孔隙压力之差、井内钻井液化学势与泥页岩化学势之差或活度差、泥页岩孔喉尺寸和形状等。

各种外因的不确定性导致了水化应力变化的复杂性。

水溶液中电解质通过离子交换吸附,压缩双电层并产生渗透作用,影响泥页岩的水化。

研究表明,OH-能明显促进黏土水化分散,加速泥页岩坍塌。

温度和压力也是影响泥页岩水化膨胀、分散的一个重要因素。

驱动水由钻井液向页岩迁移的动力是钻井液与页岩的水化学势之差,只有存在效率较高的半透膜时,钻井液与页岩的水活度差才能在较长时间内控制水的迁移。

油基钻井液防塌性能好的原因之一是油基钻井液与泥页岩间存在半透膜效应[6]。

3实验研究方法泥页岩吸水后,引起黏土片之间的双电层及其作用力的变化,黏土颗粒之间的位置需重新调整,此时若没有外力束缚,泥页岩将以膨胀的形式表现出来;若反馈控制岩样体积不变,泥页岩水化将以应力的形式表现出来。

实验检测反馈力的大小,也就定量测定了泥页岩的水化应力。

根据传统岩石力学实验和类似实验方法,可用于泥页岩水化应力测定的实验方法有以下几种。

3.1固定体积法将泥页岩样放入假三轴实验釜体内,加载适当压力后,关闭加载阀门,使釜体腔内液压油体积不变。

岩心吸水膨胀,釜体腔内压力增加,其变化值即为泥页岩水化应力(轴向同理)。

实验原理见图1。

该方法原理简单,操作方便。

但液压油有一定的压缩性(约为1@10-4M Pa),影响实验精度;隔离岩心与液压油的橡胶套具有可压缩性,影响实验精度。

图1固定体积法水化应力测试原理3.2悬臂梁法将泥页岩样放入假三轴实验釜体内,悬臂梁探头与橡胶套紧密接触,岩心吸水膨胀,悬臂梁变形,反馈控制压力,使悬臂梁应变为零,压力变化值即为泥页岩水化应力。

实验原理见图2。

该方法原理简单,操作方便。

但隔离岩心与液压油的橡胶套具有可压缩性,影响实验精度。

图2悬臂梁法水化应力测试原理3.3应变片法应变片法是测试岩石力学性能最常用的方法,14钻井液与完井液2008年7月其原理是将应变片贴在岩心上,岩心受力发生变形,由应变片将信号导出,反馈控制应变片输出值不变,即岩心应变为零,附加应力变化即为水化应力值。

应变片法原理简单,影响因素少,测试精度高。

但以往的操作方法可以应用于砂岩、石灰岩、玄武岩等非水化岩石的应力应变测试,而不适用于泥页岩水化应力的测试。

其主要原因是应变片较小,泥页岩水化膨胀,颗粒间作用力减弱,甚至分散,黏贴应变片部分可以从岩心上脱落,则失去了其信号传输功能。

为此,经多方调研和求证,最终采用加长应变片长度,使其刚好环绕岩心1周,首尾相接,无论泥页岩颗粒间作用力如何减小,应变片都不会从岩心脱落。

实验原理见图3。

图3 应变片法水化应力测试原理4 实验仪器设备实验方法确定后,如何实现泥页岩水化应力的定量测定成为研究的又一难点。

必须研制新的仪器设备或在原有类似设备基础上进行改进,以满足实验要求。

中国石油大学(华东)研制开发的泥页岩井壁稳定性水化-力学耦合模拟试验装置(SH M 仪),可用于泥页岩极低渗透率和半透膜效率的测定,钻井液和泥页岩渗流机理以及钻井液处理剂防塌作用机理等研究[7]。

经研究论证,若其高温高压釜体经过一定改造,在原有仪器基础上增加应变测定和数据采集装置,并编制相应软件实现对压力的反馈控制,则有可能实现泥页岩水化应力的定量测定。

改造结果见图3。

5 实验结果及误差分析选取某油田典型泥页岩样,对其两端分别进行水化应力实验,结果见图4。

最大水化应力及其出现时间:端面a:P max 为3.597M Pa,T max 为22.26h;端面b:P max 为3.526MPa,T max 为26.88h 。

由此可见,在井下实际条件下,泥页岩遇水会发生水化应力,且有可能较大;最大水化应力是在岩层被钻开一定时间后产生的。

水化应力最大值标准偏差为:Rx =6ni =1(x i - x )2n(n-1)=0.0355最大值误差为1%,所以实验方法是可靠的。

图4 水化应力实验结果6 结论11分析了泥页岩水化应力产生的原因及其影响因素。

21优选出了适合于泥页岩水化应力测定的实验方法,并对仪器进行改进以满足水化应力测试的需要。

31实验结果表明,优选实验方法得当,实验仪器平行性好,完全可以满足泥页岩水化应力的定量测定,为泥页岩水化应力定量测定和深入研究泥页岩井壁稳定机理提供了一种先进的室内实验研究手段和方法。

41实验结果证明了泥页岩水化应力的存在,并证明最大水化应力是在岩层钻开一定时间后产生的,为井壁周期性坍塌提供了解释依据。

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