膨脹儀法測定黏土穩定劑防膨率的影響因素

劉莉

中國石油大慶油田有限責任公司 采油工程研究院（黑龍江 大慶 163453）

0 引言

入井流體進入地層后，使地層中的黏土礦物水化膨脹、分散和運移，造成地層滲透率降低。通常在入井流體中加入黏土穩定劑保護地層。為規范油田市場，保證黏土穩定劑產品質量，應對黏土穩定劑質量進行檢測。

防膨率是評價黏土穩定劑的重要指標[1]，通過測定膨潤土粉在黏土穩定劑溶液、試驗用水、煤油中的膨脹量，來評價黏土穩定劑的防膨效果，實驗可以觀察土粉膨脹的全過程。經過大量的室內實驗，發現SY/T 5917—2016《油氣田壓裂酸化及注水用粘土穩定劑性能評價方法》[2]標準中未詳細考慮實驗操作中的影響因素。對防膨率的影響因素進行分析，總結了影響規律，以期對實驗操作提供一定的指導，準確地評價黏土穩定劑[3-7]。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品及材料

膨潤土（渤海土）：膨脹實驗用膨潤土，渤海鉆探泥漿技術服務公司；膨潤土（上海土）：皂土（化學純），上海試四赫維化工有限公司；膨潤土（大慶土）：鉆井液用膨潤土，大慶興利重晶石粉廠；煤油：航空煤油，符合GB 6537—2018《3號噴氣燃料》的規定；黏土穩定劑：陽離子有機聚合物類，大慶市薩爾圖區勇峰化學添加劑廠生產。

1.2 實驗儀器

電子天平：型號PL403-IC，測量范圍0～400 g，分辨率1 mg；熱對流式標準烘箱：型號FD115，測量范圍為室溫～300 ℃，分辨率1 ℃；微電腦頁巖膨脹測試儀：型號NP-03，測量范圍0～20 mm，分辨率0.01 mm。

1.3 膨脹率的評價方法

根據SY/T 5971—2016《油氣田壓裂酸化及注水用粘土穩定劑性能評價方法》中7.6 條膨脹儀法進行測定[7]。

2 結果與討論

2.1 泄壓時測筒內外壓差對巖心制備的影響

巖心制備中發現，對膨潤土粉加壓時，測筒內會形成真空狀態。制備好巖心，往外拔出塞桿時，由于測筒內外存在壓差，一方面，塞桿會攜帶出表面的巖心粉末，另一方面，由于壓力突變，巖心內部也會出現不同程度的損壞，如圖1、圖2 所示。調查發現，2018 年制作的223 組巖心，其中25 組巖心損壞（占11%），造成防膨實驗數據異常。

圖1 測筒和塞桿

圖2 測筒內的巖心

為了解決泄壓時巖心損壞的問題，在巖心筒內壁上開槽。首先確定開槽的位置，先將測筒旋上帶濾紙的底蓋，倒入土粉，壓制完成后巖心的深度記為H。將槽開在巖心筒H深度處，如圖3所示。泄壓時，將塞桿往外拔出，巖心筒內外氣壓通過槽連通，使筒內壓力迅速恢復到大氣壓。后續制作多組巖心，沒有出現巖心松散、損壞的情況。

2.2 膨潤土種類對防膨率測定結果的影響

SY/T 5971—2016《油氣田壓裂酸化及注水用粘土穩定劑性能評價方法》中4.1條要求“膨潤土在水中的膨脹量≥9.5 mm”，選用渤海土、上海土、大慶土分別進行水的膨脹實驗，結果見表1。

圖3 開槽的測筒

表1 不同種類土粉的水膨脹實驗

由表1 可知，不同膨潤土在水中的膨脹體積不同，主要是因為黏土礦物種類、含量與內部結構不同，因此具有不同的膨脹特性。按照標準的要求，選擇渤海土為膨脹實驗用土。

表2 不同粒徑土粉的膨脹實驗

2.3 膨潤土粒徑對防膨率測定結果的影響

將膨潤土用標準篩篩分，分成不同粒徑范圍的土粉以及未篩分的土粉，加入1%黏土穩定劑，進行膨脹實驗，實驗結果見表2。

從表2中可以看出：土粉的粒徑范圍不同，相對平均偏差和最大極差差異并不大。粒徑越小，在水中分散均勻后，越容易水化膨脹；粒徑越大，與水接觸直到完全潤濕耗時較長，水化膨脹速度越慢。當土粉粒徑范圍在0.075～0.150 mm 時，相對平均偏差為1.0%，最大極差為3.8%，均最小。因此選擇膨脹實驗用土的粒徑范圍為0.075～0.150 mm。

2.4 測桿與壓片質量對防膨率測定結果的影響

統計實驗室膨脹測試儀中不同測桿、壓片的質量，結果見表3。

表3 不同測桿、壓片質量

為了找出不同測桿、壓片的質量對膨脹實驗的影響，隨機對測桿、壓片進行組合做膨脹實驗，結果見表4。

從表4 中可以看出：組合2 中，平行實驗1 用的2#測桿、⑧壓片，質量為0.812 6 g，平行實驗2 用的3#測桿、⑦壓片，質量為0.813 4 g，測桿壓片組合的質量最接近，相對平均偏差最小，僅為1.1%。

為了解決測桿、壓片組合質量不同導致的防膨率不同的問題，對測桿、壓片進行了重新組合，結果見表5。

從表5 中可以看出，組合Ⅱ（2#測桿+⑧壓片）、組合Ⅲ（3#測桿+⑦壓片）之間質量差最小，僅為0.000 8 g，因此選擇組合Ⅱ（2#測桿+⑧壓片）、組合Ⅲ（3#測桿+⑦壓片）進行膨脹實驗。

根據以上討論結果，選用粒徑范圍為0.075～0.150 mm的渤海土，通過改造后帶槽的測筒制備巖心，選擇（2#測桿+⑧壓片）、（3#測桿+⑦壓片）做膨脹實驗，結果見表6。

由表6可知，在上述條件下，測得的防膨率相對平均偏差為0.3%，最大極差為0.7%，能夠滿足試驗的要求。

表4 不同測桿、壓片質量對膨脹實驗的影響

表5 測桿、壓片組合

表6 改進后黏土穩定劑的防膨率

3 結論

1) 在巖心筒內壁上開槽，泄壓時，巖心筒內外氣壓通過槽連通，使筒內壓力迅速恢復到大氣壓，制備出外觀完好的巖心。

2)不同類型膨潤土中黏土礦物種類、含量與內部結構不同，導致膨脹體積差異較大。根據標準的要求，選擇在水中膨脹量≥9.5 mm的渤海土進行實驗。

3）土粉的粒徑越小，在水中分散均勻后，越容易水化膨脹；粒徑越大，與水接觸直到完全潤濕耗時較長，水化膨脹速度越慢。當土粉粒徑范圍在0.075～0.150 mm時，相對平均偏差和最大極差最小。

4）選擇質量最接近的測桿、壓片組合進行平行實驗，得到的防膨率穩定性較好。