页岩膨胀

中国石油大学 渗流物理 实验报告
实验日期:
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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
粘土矿物在高温高压下与水接触开始膨胀，随着时间的增加，膨胀量增大。

不同时刻的膨胀量除以粘土样品的初始高度可得该岩样在不同时刻的膨胀率。

当膨胀量达到稳定时，可求最大膨胀率。

（1）膨胀率计算公式：
％100*0
h h h E t -=
式中， E —膨胀率，%；mm ；
t h —粘土样品在t 时刻的高度，mm ； 0h —粘土样品的初始高度，mm 。

（2）防膨率计算公式
21E E B -=
式中， B--防膨率，%；
1E --未经处理过的粘土的最大膨胀率，%； 2E --处理过的粘土的最大膨胀率，%。

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
主要实验仪器：
氮气瓶作为气源，提供环压和将测试液体压入主测杯；
高温高压泥页岩膨胀仪作为主要实验场所，提供实验理化条件；
容栅传感器测量岩样的膨胀量；
数据控制及显示系统显示经过处理转换得到的膨胀量。

四．实验步骤
1、样品制备 1）样品烘干
将土样或泥页岩样粉（过100目筛）在105℃条件下烘干4小时以上，冷却至室温，放置于干燥器内备用。

2）样品压制
（1）将带孔托垫放入模内，上面放一张滤纸，用游标卡尺测量深度1h ； （2）用天平称取5～10g 样品装入压模内，用手拍打压模，使其中样品端面平整，
并在表面再放一张滤纸；
（3）将压棒置于模内，轻轻左右旋转下推，与样品接触；将组好的岩样模置于油
压机平台上，加压至6MPa ，5分钟后泄压；取出压棒，倒置压模，倒出岩样表层的土样，用游标卡尺测量深度2h ，岩样长度210h h h -=。

2、膨胀率测试
1．将制备好的粘土试样(同岩样模一起)从主测杯底部装入主测杯内，同时注意主测杯底部放置密封圈，紧固主测杯下6个固定螺钉。

2．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；将滑块往下推移，确保滑块接触到试样。

3．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。

关闭注液杯的连通阀。

4．将连接好的主测杯和注液杯放入加热套中，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，插上销钉。

5．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。

6．拧紧注液杯上部的放气手柄，拧紧主测杯的放气螺钉，然后打开注液杯的连通阀；打开总气源阀，调节减压阀，将连接注液杯的气体压力调至0.5Mpa ，将主测杯的气体压力调实验压力2Mpa 。

7．打开计算机中的测试软件，设置好采样时间。

8．打开电源开关，设置加热温度。

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到实验压力(为减少实验误差，上述三个操作最好在15s 内完成)；则指定温度、压力条件下的膨胀实验正式开始。

10．记录不同时间粘土试样的膨胀量，当膨胀量达到稳定时，停止实验。

11．关闭总气源阀，旋紧主测杯上的放气螺钉，关闭注液杯的连通阀，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)，卸下与注液杯、主测杯相连的管线。

12．卸下容栅传感器，卸下温度传感器。

13．将主测杯从加热套中提出，置于空气中冷却，松开主测杯的放气螺钉，松开注液杯上部的连通阀，打开注液阀，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．整理好实验仪器。

五．数据记录与处理
1．膨胀性测试原始记录
表1 高温高压泥页岩膨胀率测定原始记录表
仪器和样品数据记录粘土样品高度读数h1/mm8.10
仪器编号2# 粘土样品高度读数h2/mm8.00
温度/℃40 粘土样品高度读数h3/mm8.20
压力/MPa 0 粘土样品平均高度h0/mm8.10
膨胀性数据记录
时间t/min 膨胀量
h
∆/mm
时间
t/min
膨胀量
h
∆/mm
时间
t/min
膨胀量
h
∆/mm
0.5 0.0257.5 0.57116 0.783
1 0.2118 0.58518 0.825
1.5 0.2678.5 0.60120 0.866
2 0.3069 0.61622 0.907
2.5 0.3429.5 0.6324 0.945
3 0.3710 0.64126 0.980
3.5 0.40210.5 0.65228 1.014
4 0.42911 0.66730 1.049
4.5 0.45311.5 0.67732 1.081
5 0.47612 0.69234 1.112
5.5 0.49512.5 0.70336 1.141
6 0.51213 0.71438 1.172
6.5 0.531 13.5 0.725 40 1.198 7
0.558
14
0.739
2．不同时刻粘土膨胀率计算。

膨胀率计算公式：
计算举例：
当t=11min 时，h ∆=0.667㎜，有
％100*0
h h
E ∆=
=
％％23.8100*10.8667.0= 计算得到时间——膨胀率数据表：
表2 时间——膨胀率数据表
时间
t/min 膨胀率 ％
时间 t/min 膨胀率 ％
时间 t/min 膨胀率 ％ 0.5 0.31 7.5 7.05 16 9.67 1 2.60 8 7.22 18 10.19 1.5 3.30 8.5 7.42 20 10.69 2 3.78 9 7.60 22 11.20 2.5 4.22 9.5 7.78 24 11.67 3 4.57 10 7.91 26 12.10 3.5 4.96 10.5 8.05 28 12.52 4 5.30 11 8.23 30 12.95 4.5 5.59 11.5 8.36 32 13.35 5 5.88 12 8.54 34 13.73 5.5 6.11 12.5 8.68 36 14.09 6 6.32 13 8.81 38 14.47 6.5 6.56 13.5 8.95 40 14.79 7
6.89
14
9.12
％100*0
h h
E ∆=
3．绘制粘土膨胀率与时间的关系曲线。

0.00
2.004.006.008.0010.0012.00
14.0016.0018.000
5
10
15
20
2530
35
40
45
50
时间/min
膨胀率/％
图1 时间——膨胀率曲线
曲线分析：
流体开始接触岩样时，流体尚未侵入岩样，仅在岩样表面引起岩样的膨胀，曲线上表现出一段小延迟，即膨胀率上升缓慢；而后一段时间，流体侵入岩样，岩样迅速膨胀，曲线上的表现为膨胀率上升速率很大；在流体持续作用于岩样的阶段，岩样持续膨胀，但膨胀率的增长开始下降，根据曲线的走势预测，岩样的膨胀率将在一段时间后达到一个最大值。

六、思考题
1、以蒙脱石为例，简述粘土水化膨胀的机理，及其水化膨胀对储层的伤害。

答：黏土矿物的单元晶层是由硅氧四面体片与铝氧八面体片按不同比例结合而成的。

蒙脱石基本结构层是由2个硅氧四面体片和1个铝氧八面体片组成的，所有硅氧四面体的顶氧原子均指向铝氧八面体，晶层间的作用力为分子间力（不存在氢键），联接松散，水易进入其中；而且蒙脱石存在大量的晶格取代，在尽头表面结合了大量的可交换阳离子，水进入晶层后，这些阳离子解离扩散形成双电层，使晶层表面带负电而相互排斥，产生黏土膨胀。

蒙脱石水化膨胀会导致储层受力增加，储层的孔隙度以及渗透率会降低；水化的黏土颗粒堵塞油气运移通道，从而使油气的产出受到影响。

2、总结岩石粒度组成分析的主要方法，并简述其步骤。

答：常用的粒度分析方法有薄片法、筛析法和沉降法。

对于直径较大的砂粒组成采用薄片法，在岩样上取能代表岩心的薄片，在显微镜下，测量薄片中颗粒的直径，并将测量值换算成Φ值，按1/4间隔分组，计算各组内颗粒百分数。

对于中小直径的砂粒岩样采用筛析法，将岩样除去胶结物并松解后，用直径不同的筛子过筛，分出不同的粒级组分，称出各自的重量，求出百分含量。

μ的岩样，将岩样除去胶结物并松解后，根据斯托克斯公式，当对于粒径小于40m
确定所要求的直径后，可得出在水中该颗粒的沉降速度，从而得出该颗粒自水面下降到指定深度的时间，故按一定时间间隔将沉降下来的颗粒取出烘干称重即可得出不同粒径范围的质量，而后求出质量分数。