YPM-01型泥页岩膨胀模拟试验装置的研制及其应用

YPM-01型泥页岩膨胀模拟试验装置的研制及其应用

郭宝利马德才杨俊明刘同茹谢克俊

（华北石油管理局）

一、引言

在研究评价地层泥页岩稳定性及有关处理剂抑制性能方面，泥页岩膨胀试验方法已经发挥了重要作用。通过对泥页岩膨胀量及膨胀规律的测试，可以定性和定量地了解并分析泥页岩样品的水化膨胀规律，也可以评价有关处理剂或配方对地层泥页岩的抑制性能。这对研究新型处理剂或配方，研究泥页岩的水敏特性方面，具有重要作用。在过去十多年中，关于这个方面的研究工作，主要是利用NP-01型泥页岩膨胀测试仪完成的，这种仪器已经得到广泛的推广应用，在不少领域发挥着积极作用。但随着科学技术的进步，对某些问题的研究逐步深入，例如利用常温常压状态下工作的NP-01型泥页岩膨胀测试仪所测出的某些处理剂

抑制性能，在井下高温高压状态下有什么变化；泥页岩的水敏特性，在高温高压条件下与常温常压条件下有什么差别等等。这些问题，由于没有相应的仪器设备很多试验无法进行，因而很多认识无法得到试验的检查验证。因此，随着有关井壁稳定问题研究的深入，迫切需要研究能模拟钻井现场高温高压条件的试验仪器。YPM-01型泥页岩膨胀模拟试验装置，就是在这种情况下进行研制的。

二、原理

YPM-01型泥页岩膨胀模拟试验装置在钻井工程中的应用，主要是通过测定

泥页岩样品在高温高压状态下，与处理剂溶液相互作用而发生水化膨胀变形，由试验结果，分析评价泥页岩的水化膨胀规律或有关处理剂的抑制性能。

依据有关的地质理论，在泥页岩形成过程中，由于上覆地层压力的压实作用，使泥页岩颗粒孔隙中的部分地层水被挤走，并会使岩石孔隙中的离子浓度发生变化。当地层被钻开时，泥页岩颗粒就会吸水膨胀而产生较大的膨胀压，形成缩径、坍塌，发生钻井事故。

基于上述机理，将取自井下的天然岩心，经过适当处理，在一定条件下压

制成样品岩心，代替天然岩心，将岩心置于相应的处理剂溶液中，由该装置给定合适的温度和压力，以模拟有关地层的条件。由于两者的相互作用，随着时间延长，岩心样品会发生变形，经装置的传感器检测出这个变化量，转变为电信号，经放大处理，微机系统显示出检测的数据，并及时描绘出样品岩心的膨胀变化规律曲线，最后打印出测试曲线和数据表，根据测试结果、我们可以进行以下几个方面的分析判断：

1）泥页岩的水化膨胀规律

2）不同处理剂抑制性能的差异

3）确定抑制性处理剂是最佳使用浓度

4）多种处理剂复合的最佳配比

5）处理剂适用的温度、压力条件

为了达到以上功能，确定了装置的主要结构，如图所示：

图1装置主体结构示意图

结构方案中各部分功能如下：

1）制样部件：用于制备试验所需的岩心试样，包括岩心杯，加压部件等；

2）测试部件：承载样品岩心和试验液体，并将位移变量转换为相应的电信号；

3）加温部件：为试验提供需要的恒定温度；

4）加压部件：为试验提供需要的稳定压力；

5）信号转换部件：将测量的位移信号、温度信号和压力信号，转换后输入到微机系统；

6）微机系统：将各有关信号适当处理，显示测量的各参数变化曲线，绘制变化规律曲线，打印主要试验数据表；

三、主要技术参数

YPM-01型泥页岩膨胀模拟试验装置的主要技术参数如下：

测量范围：0～10mm/0～20mm

工作温度：室温～180℃

工作压力：0～10MPa

制样压力：0～100MPa

试验周期：2h/8h/24h

四、主要结构

装置的主要结构分以下几个部分：流程与测试部件，温度控制部件，加压部件，制样部件，微机系统，分别介绍如下：

1、流程与测试部件

仪器的流程采用单路串联工作方式，通过增压装置，使试验溶液与加压介质分离，避免两者混合影响试验结果。仪器的高压试验，利用气源作为压力源，经过增压装置，使试验压力达到10MPa，满足不同井深的模拟压力要求。为了试验方便，仪器同时配备分路接口，可直接用气源加压，满足4MPa以下较低压力的试验需要。也可以利用高压试验流程进行低压试验，但一般不要直接利用气源进行高压试验，以避免在高温高压状态下发生危险。各流程段采用开关阀连接，可以很方便地进行流程组合控制。流程的进口端配备泄压阀，以便压力增加时泄压，流程终端配备排空阀，可在试验后或试验过程排放压力。仪器的几种流程示意图：

图2样机流程示意图

1-液压源 2-进油阀 3-气源 4-进气阀 5-泄压阀 6-增压容器

7-液压缸 8-进液阀 9-液压组件 10-气源 11-进气阀 12-加热器

13-储液杯 14-测试阀 15-测试组件 16-传感器 17-排空阀

仪器试验工作流程大致如下：首先在储液杯注满试验溶液，在测试组件内放好待测岩心样品，由压力源供给需要的压力，待温度达到试验温度后，开启测试阀，使溶液与岩心接触，其相互作用使岩心发生膨胀变形，由传感器测量变形量，由微机处理并显示，打印各试验参数，给出试验过程数据并绘出试验过程的曲线

图3 液压高压试验流程示意图

仪器测试部件包括测杯、储液杯、传感器等，示意图见图6。

为了能迅速准确地测出样心的变化量，需要性能稳定的传感器，并能耐受高温高压的工作条件。一般传感器达不到这种要求，为此，专门设计加工了一种传感器，并对安装结构，选用材料都做了改进，使之能满足使用要求。现代传感器经过试验验证，能在压力10MPa，温度180℃的溶液中正常工作，输出信号稳定，能满足试验要求。

图4气压高压试验流程示意图

测试组件储液杯气压源

图5气压低压试验流程示意图

图6测试部件示意图

所设计的测杯，可以直接用来压制岩心试样，避免了试样重新放置可能带来的误差，使用方便，而且也可以测试经过处理的天然岩心，评价其水化性能或评价有关处理剂的抑制能力。专门设计的测杯结构及相关部件可以测出泥页岩样品的软化变形点，有助于更简捷直观地分析测试结果，预测地层的稳定状体。测试