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。
初始体积不同的样品终了体积也不同，初始体积越小膨胀终了体积越小；初始体
积越大，膨胀终了体积也越大。
2、结果处理
以每个样品的初始体积值为横坐标，膨胀终了体积值为纵坐标在笛卡尔坐标
系中描点，发现这些坐标点线性相关，过这些点作直线，给出直线方程及相关系
数，见图1-图4。
从图1-图4中可以看出，每个样品的膨胀终了体积与膨胀初始体积有很好的
线性相关性，所得相关系数平方均在0.9以上，说明膨胀终了体积与膨胀初始体
积符合线性函数关系。
3、V0* V终*
V0*为不含孔隙样品的初始体积，V终*为样品不含孔隙时的膨胀终了体积。
V0*=W/d (1)
式中：W—实验用干燥样品质量，g;
d —样品密度，g/cm3
当不断增加压力来压实样品时，样品初始体积不断减少，即孔隙体积不断减
少，在理论上认为存在这样一个点，当压力增加到某值时，样品中孔隙将全部被
排除，压力再大样品体积也不会再减少，此时样品的初始体积就是V0*。
由于样品初始体积与膨胀终了体积之间符合线性函数关系，因此从图中（或
用函数关系式可计算出可查到V终*。方法是将图中直线向内延伸，在横坐标轴上
找到 V0*，V0*在直线上对应点的纵坐标就是V终*。或将V0*值代入函数关系式中
的X，计算出Y值即为V终*。
4、样品孔隙体积水化膨胀前后的变化
将1#-17#泥页岩样品水化膨胀前后的孔隙体积计算结果列于表3.样品初始体
积中的孔隙体积按式（2）计算
V1=V初*-V0 (2)
样品膨胀终了时体积中所含孔隙体积按（3）式计算：
V2=
V终- V终* (3)
从表3可以看出样品初始体积中均含一定的孔隙体积，压力越大，样品中孔
隙体积越小；样品初始体积中所含孔隙体积与膨胀终了时样品所含孔隙体积不同，
膨胀终了时样品所含孔隙体积一般小于样品初始体积中所含孔隙体积，这说明样
品膨胀一部分表观为表观体积增加，而一部分隐藏在粒间孔隙中。
现以8#样品为例，说明粒间膨胀的大小及其在样品体积膨胀中所占的比例，
以及忽略粒间膨胀产生的误差大小。从表3中可以看出8#样品初始体积内所含孔
隙体积为0.509cm3,而膨胀终了时样品所含孔隙体积为0.220 cm3，样品孔隙体积
减少了0.289 cm3，即样品向粒间膨胀了0.289 cm3。8#样品（V初为2.094 cm3，
V终为2.80 cm3，表观体积膨胀值（V终-V初）为0.752 cm3，这部分是用通常方法
测得的样品膨胀值，它没有包括粒间膨胀值；粒间膨胀值约为表观膨胀值的38%，
在粒间与表观膨胀值的总和中，粒间膨胀值约占27%。由此看出忽略粒间膨胀值
在评价样品总水化膨胀能力时造成的误差是比较大的。因此V终*- V0*与表观膨胀
率不同，它包括了表观膨胀及粒间膨胀两个部分，代表了由于粘土矿物层间水化
引起的泥页岩体积膨胀的总量。
这里定义： b=( V终*- V0*)/w
式中：b—单位质量样品水化膨胀值总效，cm3/(g土)
而定义： β=( V终*- V0*)/ V0*×100%
式中：β—样品层间水化膨胀度总效。
H=（V终-V初）/ V初×100%
式中：H—表观膨胀度。
式中V初、V终分别为4.0MPa下压实时样品膨胀初始体积与膨胀终了体积。
现将1#～17#样品的H、β、b值列于表4。
表4泥页岩样品的H、β、b值比较
样品 1#～5# 6#～9# 10#～13# 14#～17
#
H 36.8% 40.6% 19.0% 41.4%
β 61.9% 67.6% 41.1% 91.2%
b．cm3/(g土) 0.239 0.260 0.154 0.338
二、结论
1）使用泥页岩水化膨胀测定新方法所得结果表明，泥页岩样品的水化膨胀
不仅引起宏观体积的增加，且造成粒间孔隙减少，通常的测定方法只给出了样品
水化膨胀宏观体积的增加值，而使用新方法不仅能测出样品宏观体积增加值，而
且能测出样品向粒间孔隙膨胀时体积的增加值，因此新方法能测定由于泥页岩中
粘土矿物水化膨胀造成的泥页岩体积的总膨胀量，更真实地反映泥页岩水化膨胀
能力。
2）WLZ-1型膨胀仪使用自身同一测量系统测量样品初始高度及膨胀终了高
度，减少了系统误差，提高了测度精度。仪器结构简单，造价低，使用方便。
3）泥页岩水化膨胀测定新方法还给泥页岩水化膨胀性能与其力学性能关系
的研究创造了条件。
参 考 文 献
[1]李蓉华，周大晨译。预防钻井过程中井下复杂情况的物理-化学方法。石油工
业出版社，1992
NP-01小膨胀仪
青岛恒泰达机电设备有限公司Qingdao Heng Taida Electromechanical Equipment Co. Ltd.膨胀量测定仪使用说明书版本1.0©版权所有青岛恒泰达机电设备有限公司请你仔细阅读《使用手册》，正确掌握本产品的安装和使用方法。
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目录一、概述 (1)二、型号及规格 (1)三、仪器的主要技术参数： (1)四、仪器的结构及工作原理 (2)五、仪器的操作：(图一) (3)六、仪器的维护与保养 (4)七、仪器的运输与储存 (4)一、概述NP型膨胀量测定仪主要是用于检测泥页岩在常温常压条件下其膨胀变化情况的一套简易测量装置，以评定各种处理剂对泥页岩的抑制特性。
二、型号及规格三、仪器的主要技术参数：主要技术参数四、仪器的结构及工作原理该仪器主要由以下部分组成2、测试筒组件：由测试盘、筒体、活塞杆组件组成。
是在测试过程中盛装页岩粉。
4、支架：在测试过程中用来支撑百分表。
5、定位组件：由定位板、挂杯杆组件等组成。
用来固定测试筒。
6、百分表组件：是用来测量膨胀量的测量部件。
7、结构图及明细表(图一)仪器结构图8、工作原理：该装置是将泥页岩粉压实，将处理剂放入盛液杯内，泥页岩膨胀后推动活塞最后由百分表读取膨胀量。
五、仪器的操作：(图一)1.(图一)取出膨胀杯（6），拧下百分表支撑座（5）。
2.把带有滤网的膨胀杯盖（10）拧到膨胀杯（6）上，轻用力旋紧。
把所配滤纸放到膨胀杯内，与滤网贴实。
把页岩粉（装入量自定，最好不低于5克）装入膨胀杯内，轻轻晃平后，再覆上一张滤纸，用压模杆在压力机上压实（所需压力和压合时间由实验要求定）。
压好后，取出压模杆，用小药匙勺刮去着覆在膨胀杯壁的页岩粉(注意不要刮破滤纸)，膨胀岩心制成。
（膨胀杯与岩心制作器为一体，使用方便）3.把膨胀活塞（9）放到膨胀杯里，让活塞头面与岩心滤纸接触，将活塞杆插入百分表支撑座（5）中间导向孔，轻轻把百分表支撑座拧到膨胀杯上。
泥页岩水化对岩石力学强度的影响
１ 实 验 原 理
１ ． １ 泥 页岩 的单轴 抗压 试验 原 理
水平 向的拉应 力 ， 这些 应力 的平 均值 为 ：
２Ｐ ，、
岩石 的抗压强度就是岩石 试件在单轴压力 下达到 破坏的极限值 ， 它在数值上等于破坏时的最大压应力 。 试验 结果 按 下式计 算抗 压 强度 ：
Ｒ 。＝ Ｐ ／ Ａ （ １ ）
Ｏ ＂ ａ
（ ４）
式中： Ｐ一 作用载荷 ， ＭＮ；Ｄ一 圆 柱 形 试 件 的 直 径， Ｉ ＂ １ １ ； Ｌ一 圆柱形试 件 的长度 ， ｍ。
在水 平 向 直 径 平 面 内 ， 产 生 最 大 的 压 应 力 为 （ 在 圆柱形 的 中心处 ） ：
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ３— ２ ３
（ ５）
基金项 目： 国家 自然科学基金重点项 目（ ５ １ １ ３ ４ ０ ０ ４ ） 作者简介 ： 李 海旭（ １ ９ ８ ４一） ， 男， 满族 ， 河北隆化人 ， 西南石油大学在读硕士研究生 ， 研究 方 向为井壁稳定 。
・
离 子抑 制效 果更 明显 。
詈＝ ￡ △ ｔ ， Ｌ △ ＝ ｔ ・ Ａ
８
８ ，
、 （ ２ ）
， 、
ｊ
泊松 比为 ：
△ｄ ・ｆ
０ ‘
１ ． ２ 泥 页岩 的抗拉试 验 原理
本实验利用 巴西劈裂法测定岩石 的抗拉强度。
其 基本 原理 是在 圆柱 体 试 件 的 直径 方 向上 ， 施 加 相 对 的线性 载 荷 ， 使 之 沿 试 件直 径 方 向破 坏 。根 据 弹
钻井液完井液技术手册(09)
1.3.4页岩抑制剂实际上，钻井液中所用的所有的处理剂在钻井过程中的主要作用只有两个，一个作用是维护钻井液性能稳定，另一个作用是保证井眼稳定。
这种起稳定井眼作用的处理剂就称之为页岩抑制剂，又称页岩抑制剂。
页岩抑制剂的作用是防止页岩水化膨胀和分散引起的井壁坍塌、破裂和掉块，以防造成钻井事故。
1.3.5.1钻井液和泥页岩的水化作用钻井液对泥页岩的化学作用，最终可以归结到对井壁岩石力学性能参数、强度参数以及近井壁应力状态的改变。
泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力学性质，使岩石强度降低；另一方面产生水化膨胀，体积增加，若这种膨胀受到约束便会产生膨胀压，从而改变近井壁的应力状态。
如何将钻井液对泥页岩的化学作用带来的力学效应定量化，并将其同纯力学效应结合起来研究井壁稳定问题；F.K.Mody 和A.H.Hale 认为，钻井液和泥页岩间存在的活度差驱使钻井液中的自由水进入泥页岩，从而使近井壁地带的孔隙压力增高，岩石强度降低。
井内水进入泥页岩主要受钻井液与泥页岩井壁间的孔隙压力差和化学势差的控制。
钻井液与泥页岩间化学势差引起的孔隙压力变化为：式中：λ-有效半透膜系数，R -气体常数，T -绝对温度，V -水的偏莫尔体积，A S 、A m -分别为泥页岩和钻井液的水活度，P -钻井液液柱压力，P p -远场孔隙压力，∆μ-化学势差。
如果∆μ大于零，即井眼水化学势大于孔隙水化学势，井眼水就可以进入岩石孔隙内，从而使泥页岩吸水后产生水化膨胀，且井壁的孔隙压力增大，岩石的强度降低，不利于井壁稳定。
反之，泥页岩产生解吸脱水，使井壁的孔隙压力减小，岩石强度增大，有利于井壁的稳定。
因此，从活度平衡的理论出发，要求降低钻井液中水的活度。
这可以通过控制调节钻井液中不同盐的含量或使用特殊的处理剂来改变钻井液中水的活度。
钻井液中水的活度可以通过实验来测定出来，而泥页岩中水的活度却较难确定，一般可以通过地层条件下泥页岩的含水量来测定。
具体做法是：用已知不同活度的溶液在恒湿气中与页岩达到活度平衡后（至少静置15天），测定页岩的吸水量，再绘制该页岩的吸水量与其活度的等温关系曲线。
井壁稳定问题(2)
井内泥浆对泥页岩的化学作用,最终可以归结到对 井壁岩石力学性能参数、强度参数以及近井壁应力 状态的改变。泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力 学性能,使岩石强度降低;
另一方面产生水化膨胀,如果这种膨胀受到约束便 会产生膨胀压力,从而改变近井壁的应力状态。
井内泥浆对泥页岩的作用机制不难理解,但如何将 这种化学作用带来的力学效应加以定量化,并将其同 纯力学效应结合起来研究井壁稳定性问题,过去相当 长时间的研究中没有考虑这一问题。到目前为止,国 内外关于化学力学耦合的文献很少。从文献资料来 看,其研究方法主要表现在两个方面,即实验研究和理 论研究两方面。
岩石越来越不稳定。
2) Sv > Sh1 = Sh2 地层坍塌压力与井斜方位角无关。并且, 随着井
斜角增大, 井壁坍塌压力开始变化较小,后随井斜角 的增大, 井壁坍塌压力逐渐增大。
3) Sh1 > Sv > Sh2 根据国家地震局的水压致裂的压力测量结果表明,
在钻井深度范围内, 我国绝大多数地区处于此种应力 状态。此时, 随着井斜角的增大, 井壁坍塌压力逐渐 减小, 井壁趋于稳定。
φ= 28°, C = 18M Pa, η= 1。
3) Sh1 > S v > Sh2 原始资料: Sv = 10519M Pa, Sh1 = 11218M Pa, Sh2 = 7813M Pa,
Pp = 46103M Pa, φ=2616°, C = 23195M Pa, η= 0.4。
4) Sh1 > Sh2 > Sv 处于这种原地应力状态的现场资料极为少见, 这里给定: Sv =
研究思路：
1. 钻井液与泥页岩间的化学位差是导致水进出页岩的主要驱 动力之一。 2. 化学位差导致的水进出泥页岩改变了近井眼处孔隙压力、 页岩强度、近井眼处有效应力状态, 从而导致了井壁失稳的 发生。 3. 综合考虑钻井液与页岩相互作用时的力学与化学方面的相 互影响, 建立斜井中泥页岩井眼稳定的力学、化学耦合模型。
钙离子测定
第一章钻井液原材料及处理剂第一节钻井液原材料及处理剂简介第二节钻井液原材料及处理剂质量检验相关参数四、钙离子测试（一）测定意义钻井液原材料及处理剂中钙盐主要作为无机絮凝剂及页岩抑制剂。
首先利用钙盐可以制备抑制型钻井液，在水敏地层，抑制泥页岩的水化膨胀。
其次可以配制化学处理剂，同聚合物配合使用，提高其抗盐、抗钙能力。
此外在钻井液中大量引入钙离子时，可以堵塞岩石细小裂缝，减少漏失。
[王平全, 周世良编著. 北京: 石油工业出版社.2003. 9. 第39页]但是当钙离子过多时，钻井液则会遭受到钙侵，导致分散钻井液立即失去良好的流动性，滤失量剧增，泥饼厚度增加，且结构松散。
[鄢捷年主编.钻井液工艺学.东营:中国石油大学.2001.5.第160页]当污染严重时，会严重影响钻井液的流变和滤失性能，还会加剧对钻具的损坏和腐蚀。
[鄢捷年主编. 钻井液工艺学. 东营: 中国石油大学. 2001.5. 第153页]因此钻井液及钻井液原材料中钙离子的含量的测定具有重要的意义。
（二）测试方法首先钙离子易与钠蒙脱石中钠离子发生离子交换，使其转化为钙蒙脱石，而钙离子的水化能力比钠离子要弱的多，因此钙离子的引入会使蒙脱石絮凝程度增加，致使钻井液的黏度、切力和滤失量增大。
其次钙离子本身是一种无机絮凝剂，会压缩粘土颗粒表面的扩散双电层，使水化膜变薄，电位下降，从而引起粘土晶片面-面和端-面聚结，造成粘土颗粒分散度下降。
[鄢捷年主编. 钻井液工艺学. 东营: 中国石油大学. 2001.5. 第159页]钙离子可通过以下途径进入钻井液即钻遇石膏层，钻遇盐水层，因地层盐水中一般含有钙离子，钻水泥塞，因水泥凝固后产生氢氧化钙，使用的配浆水是硬水，石灰用做钻井液添加剂。
[鄢捷年主编. 钻井液工艺学. 东营:中国石油大学. 2001. 5. 第153页]在钻井液及其材料中对钙离子检测时通常采用乙二胺四乙酸二钠(EDTA)配位滴定法，即在强碱性溶液中用EDTA滴定Ca2+，反应方程式为-2-4+2CaYY+Ca 。
钻井工程井壁稳定新技术
钻井工程井壁稳定新技术井壁稳定问题包括钻井过程中的井壁坍塌或缩径（由于岩石的剪切破坏或塑性流动）和地层破裂或压裂（由于岩石的拉伸破裂）两种类型。
一、化学因素井壁稳定机理：1、温度和压力对泥岩水化膨胀性能的影响：膨润土水化膨胀速率和膨胀量随着温度的增高而明显的提高，尤其当温度超过120℃时，膨胀曲线形状有较大的变化，膨润土的膨胀程度随着压力的增高而明显下降。
2、泥页岩水化在10～24h范围内出现Na＋突然释放现象，阳离子释放总量及Na＋释放所占的比例越高，泥页岩越易分散，就越易引起井塌。
3、PH值水溶液中PH值低于9时，影响不大，PH值继续增加，泥岩岩水化膨胀加剧，促使泥页岩坍塌。
4、活度与半透膜对泥页岩水化的影响水基钻井液可通过加入无机盐降低活度来减缓泥岩水化膨胀；半透膜影响存有争议。
二、各种防塌处理剂稳定井壁机理1、K+防塌机理一是离子交换，另一是晶格固定，对不同类型的泥页岩，其作用方式不相同，随着PH值的增高，混入Ga2+、Na +等离子浓度的增加，会阻碍对泥页岩的固定作用。
钾离子主要对于蒙皂石等高活性粘土矿物起抑制作用。
2、硅酸盐类稳定剂（1）硅酸盐稳定粘土机理：1）主要机理：尺寸较宽的硅酸粒子通过吸附、扩散等途径结合到粘土晶层端部，堵塞粘土层片间的缝隙，抑制粘土的水化，从而稳定粘土，在某些极端的应用条件（如高温、长时间接触等）下，硅酸盐能与粘土进行化学反应长身无定形的、胶结力很大的物质，使粘土等矿物颗粒凝结层牢固的整体。
2）次要机理：负电性硅酸粒子结合到已经预水化的粘土颗粒端部，使其电动电位升高，粘度、切力和滤失量下降，有利于形成薄而韧的泥饼。
（2）硅粒子防塌机理有机硅在泥岩表面迅速展开，形成薄膜，在一定温度下，有机硅中的—Si—OH基和粘土表面的—Si—OH基缩合脱水形成—Si—O—Si—键，在粘土表面形成一种很强的化学吸附作用，同时有机硅中的有机基团有憎水作用，使粘土表面发生润湿反转，从而使泥岩水化得到控制。
第八章井壁稳定
2、井壁失稳与岩石破坏类型的关系 井壁失稳(unstable borehole)时岩石的破坏类型主要有两种： 拉伸破坏(tensile failure)、剪切破坏（shear failure )。 剪切破坏又分为两种类型: 一种是脆性破坏，导致井眼扩大，这会给固井、测井带来问题。 这种破坏通常发生在脆性岩石中，但对于弱胶结地层由于冲蚀作用 也可能出现井眼扩大； 另一种是延性破坏，导致缩径，发生在软泥岩、砂岩、岩盐等 地层，在工程上遇到这种现象要不断地划眼，否则会出现卡钻现象。 拉伸破坏或水力压裂会导致井漏，严重时可造成井喷。 实际上井壁稳定与否最终都表现在井眼围岩的应力状态。如果 井壁应力超过强度包线，井壁就要破坏；否则井壁就是稳定的。
一、井壁不稳定的危害
在我国各大油田的长期勘探开发过程中，井壁不稳定问题一直 比较突出。如环渤海湾地区主要表现为馆陶、明化镇组泥页岩地层 的水化膨胀，造成缩径卡钻事故；东营底、沙河街、孔店组泥页岩 地层的剥落掉块，造成井径扩大(out of gauge hole )、坍塌卡钻 (stuck drill pipe )、电测质量低下、固井不合格等工程事故； 一些特殊层位如：生物灰岩、裂隙性玄武岩、软弱砂岩的井塌井漏 等。
（公式复杂） ，再利用破坏准则（failure criterion ）求解。
三、井壁破裂的判据
对于拉伸破坏一般采用最大拉应力理论：
3 Pp t
其中 3 为井壁上的最小主应力； t 为地层的抗拉强度。
对于直井，均匀水平地应力的情况，有:
Pf Pw 2 h t Pp
对于直井，非均匀水平地应力的情况 ：
pw 图8-1 井壁围岩的应力分析
H h
h
H h
h
h
pw
泥页岩孔隙压力传递特性研究
水化膨胀 ， 地层力学性能降低 ， 井壁不利于稳定 ； 当
钻井 液液 柱压 力小 于地层 压力 时 ， 在压 力差 作用 下 ， 地层 孔 隙流体 向井 筒渗 透 扩 散 ， 地 层 岩 石 骨 架 的有 效应 力等 于上 覆 地层 压 力 减 去 孔 隙水 压 ， 当地 层 孔 隙压 力迅 速降 低 的 时候 ， 导致 地 层 岩 石 骨 架有 效 应
作 者简介 ： 李德 远（ １ ９ ８ ６一 ） ， 男， 四川 阆中人 ， 西南石油大学在读硕 士研究 生 ， 研究方 向为油气 田开发 。
・
６３ ・
李德 远 ， 等： 泥 页岩 孔 隙压 力传 递特 性研 究 边 界 条件 ：
ｔ＞ ０ ｔ＞ ０ ＝ ０， Ｃｓ ＝ Ｃｄ ｆ ； Ｐ ＝ Ｐｗ ＝ ∞ ， Ｃｓ ＝ Ｃｏ ； Ｐ ＝ Ｐ０
Ｐ ｎ一 地层 原始孔 隙水 压 ， ＭＰ ａ ； Ｐ ｗ 一 井底 流体 压力 ， ＭＰ ａ ； Ｃ 一 钻井 液溶 质浓 度 ， ｍ ｏ ｌ ・ Ｌ 。 。 ； １ 、 Ⅱ一 恒定 参数 ， ｍ ｏ ｌ ・ ｓ・ ｋ ｇ ～・ ｍ～； Ｋ Ｉ 和 ＫⅡ一 恒 定参 数 ， ｍ ・ ｓ・ ｋ ｇ 一。 求解 模 型时 ， 首 先定 义变量
岩 石产 生 向井 内移 动 趋 势 的 应力 ， 称 作 井 壁 坍 塌 应
力。井壁坍塌应力是引起井壁失稳的根本原因。此
外， 原先 地层 应力 被钻 井液 液柱 压力取 代 之后 ， 地层 和钻 井液 之 间必然存 在 压差 。 当钻井 液液 柱压 力 大 于地 层压 力 时 ， 在 压 力 差 的 作 用 下井 筒 中钻 井 液 向 地层 渗透 扩散 ， 钻 井 液 进 入 泥 页 岩地 层 将 会 引起 其
泥页岩水化应力实验方法与实验装置
文章 编 号 ： ０ １ ５ ２ （ ０ ８ ０ — ０ ３ ０ １ ０ — ６ ０ ２ ０ ） ４０ １ —３
泥 页岩 水 化 应 力 实验 方 法 与 实验 装 置
徐 加 放 邱 正 松 韩 丰欣
（． 国 石 油 大 学 （ 东 ） 油 工 程 学 院 ， 东 东 营 ；． １中 华 石 山 ２ 中海 油 监 督 监 理 技 术 公 司 ， 津 塘 沽 ） 天
摘 要 分 析 了泥 页 岩 水 化 应 力 产 生 机 理 及 其 影 响 因 素 ， 立 了泥 页岩 水 化 应 力 测 试 方 法 ， 通 过 对 原 有 实 验 建 并
仪 器 的 改进 ， 立 了泥 页 岩 水 化 应 力 定 量 测 定 模 拟 实验 装 置 ， 现 了 泥 页 岩水 化 应 力 的定 量 测 定 。 实 验 结 果 表 明 ， 建 实
关泥 页岩水 化 应力 的 实验 测 定却 未 见 报 道 ， 主 要 其
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 ， 于 传统岩 石力 学测 定实 验方 法 和泥 页岩特性 ， 基
对 泥页 岩水化 应力 实 验 方 法 进行 了优 选 ， 原 有 泥 在 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 。
ｌ 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 ５ 的 黏 土 Ｏ
基金 项 目 ： 山东 省 自然 科 学基 金 （ ２ ０ Ｆ ６ 。 Ｙ ０ ６６ ）
提 出 的 实验 方 法得 当 ， 用 的实 验 仪 器 平 行 性 好 ， 全 可 以满 足 泥 页岩 水 化应 力 的 定 量 测 定 ， 泥 页岩 水 化 应 力 定 使 完 为
膨胀土 胀缩总率
膨胀土胀缩总率膨胀土是一种具有特殊性质的土壤，它在吸湿后会发生膨胀，而在干燥时又会发生收缩。
膨胀土的胀缩性质是由其中的粘土矿物引起的，这些矿物在水分作用下会发生体积变化，从而导致土壤的膨胀和收缩。
膨胀土的胀缩总率是指在一定条件下，膨胀土在吸湿和干燥过程中发生的最大体积变化与原始体积之比。
胀缩总率可以用来评估膨胀土的胀缩性能和变形特性，对于土壤工程和土木工程设计非常重要。
膨胀土的胀缩总率可以通过实验室试验或现场测试来确定。
下面是一种常用的实验室试验方法来测定膨胀土的胀缩总率：1. 准备试样：从野外或现场采集膨胀土样品，并将其带回实验室。
将土样进行干燥处理，去除其中的可风化物和有机物质，并破碎成适当的颗粒大小。
2. 预备试样容器：选择一个合适的容器，如试验室用容器或模具，并清洁干燥。
3. 填充试样：将干燥处理后的土样填充到试样容器中，以一定的压实度填充，并记录试样的初始质量和体积。
4. 加水：将试样容器中的土样完全浸泡在水中，保持一定的水头，并记录试样的浸入水中的时间。
5. 测量体积变化：在试样浸水一段时间后，取出试样容器，将试样从容器中取出，并轻轻地去除表面多余的水分。
然后使用体积计或其他测量设备，测量试样的体积变化，并记录下来。
6. 计算胀缩总率：根据测量得到的试样体积变化和初始体积，计算胀缩总率。
胀缩总率的计算公式如下：胀缩总率= (试样最大体积-初始体积) / 初始体积×100%通过以上步骤，可以得到膨胀土的胀缩总率。
需要注意的是，胀缩总率受到许多因素的影响，如土壤的粘土含量、粒度分布、初次压实状态、水头等。
因此，在进行胀缩总率试验时，需要控制这些影响因素，并确保实验条件的准确性和一致性。
膨胀土的胀缩总率对土壤工程和土木工程具有重要的指导意义。
在工程设计中，了解土壤的胀缩性能可以帮助工程师选择合适的基础设计方案、确定地基处理方式，并预测土壤在吸湿和干燥过程中的体积变化，从而减少工程风险和损失。