[发明专利]一种粘土膨胀试验方法及其装置

说明书

本发明涉及研究粘土性能的试验方法及其装置，更具体地说，是能模拟石油地质钻井井内压力及渗滤条件的一种粘土膨胀试验方法及其装置。

本发明附图说明如下：

图1为Roehl等人的粘土膨胀试验装置和试验程序示意图;

图2为本发明的粘土膨胀试验装置和试验程序示意图;

图3为粘土膨胀试验装置试验筒总成装配图;

图4为不同试液压力下粘土试块膨胀曲线图;

图5为不同聚合物试液对粘土试块膨胀抑制性（R）的曲线图;

图6为Na膨润土和Ca膨润土粘土试块在不同试液中的膨胀曲线及试液的原子吸收分析结果。

在石油和地质钻井中，地下水化膨胀的粘土矿物所组成的泥页岩对钻井的工艺和质量影响极大，所以了解它们的水化膨胀性和所用粘土膨胀抑制剂的作用和效果的评价是非常必要的。

目前，在粘土水化膨胀机理研究及粘土膨胀抑制剂评价时，经常使用的是在纵向压力下测试粘土膨胀的试验方法。如1982年9月在美国召开的第57届石油工程师年会上，Roehl等人提出一种粘土实验方法和装置（美国石油工程学会SPE论文集11117号），其实验过程是：先将样品粘土粉末在试验筒2内压制成粘土试块5，连同试验筒2一起放入恒温试液槽9中，再依次放入滤纸6，多孔盘27、流体分配器40、密封圈29、注液活塞41，然后由气缸42自上而下给粘土试块5加一定的纵向压力，再用蠕动泵43注入试验液体。液体通过多孔盘27和流体分配器40之间间隙，一边向粘土试块5内自然渗透，一面从试验筒2上缘溢流到恒温试液槽9内，供循环使用。粘土试块5水化膨胀，向上推动活塞42，通过位移传感器44可记录下粘土试块5的线膨胀值，供分析之用。

这种粘土膨胀试验方法，其粘土样品与试液的接触方式是采用自然接触，在评价泥页岩层的粘土矿物水化膨胀性及其抑制剂性能时存在以下几个问题：

1.用活塞施加一个恒定纵向压力来模拟作用于泥页岩上的液体压持力是不合理的。原因在于：实际上泥页岩都具有一定的有效孔隙度和渗透率的，特别是在后生成岩阶段，出现蒙脱石向伊-蒙混混层粘土矿物转变时，其有效孔隙度和渗透率都会从原来下降的趋势异常突变地增加。因此，除了泥页岩本身从钻井流体中吸水外，钻井液柱压力与泥页岩孔隙压力之间的压力差作用下，钻井流体也会向泥页岩内部渗滤。而在纵向活塞压力下的粘土膨胀试验中就不存在渗透这一项，试液只能靠粘土样品自然吸入。纵向活塞力越大，水进入粘土样品内部反而更困难，即使延长试验时间也难以改善。

2.从粘土颗粒的受力上看，固体活塞式的压持力与液体压持力是不同的。因为粘土颗粒之间所受之力P1为外力P2与孔隙压力P之差，即：P1＝P2-P，粘土在恒定固体活塞压力P2下的膨胀，因为是自然吸水方式，故在不同膨胀时刻时，其孔隙压力P均不变（等于大气压力，表压为0），因此P1也不变。但对于恒定液体压力下的膨胀，就不同了，由于液体向孔隙中渗透，故使孔隙压力随渗入深度而变化，因此粘土颗粒的受力P1也有一个相应的变化：在同一个截面上，P1随着压力液体的纵深渗入而减小。而且渗透性越好，压力减小得越快。

3.在评价测试分子量较高的聚合物试液时，由于试液粘度较高，运移速度慢，不容易深入粘土样品内部，因此试验耗时较长。此外，聚合物分子易在渗透板孔隙中吸附，这样，一是会对孔道造成一定的阻塞，延长试验时间，二是消耗了一部分聚合物分子而影响试验结果。

由此可见，不合理模拟实际井内条件，就不可能取得与实际情况相近的粘土膨胀试验及评价结果，特别是不适于评价对泥页岩孔隙和微裂缝具有封堵阻塞作用的处理剂，如包被剂、磺化沥青以及分子量较高的聚合物等。

本发明旨在克服上述缺点，提供一种比较简便，合理模拟实际井内条件，更适于石油钻井实际的一种粘土膨胀试验方法及其装置。

本发明是对上述的粘土膨胀试验的改进，其试验方法的主要程序是：先将样品粘土粉加入试验筒2中，在压力下制成粘土试块5，合理模拟井下条件，在预定温度下向试验筒内2注入试液使粘土试块5水化膨胀，试验筒2内试液的压力为98KPa至4400KPa，然后，使粘土试块5底部与大气相通，让粘土试块5上表面与下表面产生压力差，收集通过粘土试块5所滤出的试液，供分析之用，同时通过对放在粘土试块上的多孔压盘4和位移杆3测量计算出粘土的膨胀度。