一種巖芯強度測試儀器及其應用

李秀靈，郭保雨，陳二丁

(勝利石油工程有限公司鉆井工程技術公司　山東　東營　257064)

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一種巖芯強度測試儀器及其應用

*李秀靈，郭保雨，陳二丁

(勝利石油工程有限公司鉆井工程技術公司山東東營257064)

摘要：目前評價鉆井液及處理劑抑制性能的主要方法有頁巖膨脹實驗和頁巖回收率實驗。在頁巖膨脹實驗中，以非膨脹性粘土或泥頁巖制備的巖芯，常出現頁巖膨脹高度少，而測筒中巖芯強度相對弱的情況。針對以上問題，自主研發了一種巖芯強度測試儀器，通過對頁巖膨脹試驗后巖芯強度的評價和對比分析，進一步測試鉆井液或處理劑的抑制性能。該儀器具有結構簡單、操作方便、試驗數據重現性好和實用性強等特點，能夠方便、快捷地對鉆井液或處理劑的抑制性能進行準確評價。

關鍵詞：巖芯強度抑制性儀器應用

0引言

井壁穩定是實現安全、快速、優質鉆井的前提，也是影響鉆井成本和綜合開發效益的關鍵性因素之一。鉆井液抑制性作為評價鉆井液性能優劣的主要指標和維護井壁穩定的關鍵因素，一直是國內外鉆井工作者研究攻關的熱點。其中，先進的評價儀器和科學完善的評價手段是開展鉆井液抑制性能研究的基本前提。

目前，鉆井液抑制性能評價儀器主要有頁巖膨脹儀器，評價方法為頁巖膨脹實驗和頁巖回收率實驗。然而這兩種評價方法均無法評價頁巖強度。關于巖石強度測試的儀器有巖石硬度計、巖石強度測試儀器等，主要通過劃痕法、點測試法，壓碎法等，測試巖石強度、硬度。由于粘土礦物或巖樣經過鉆井液或處理劑浸泡一段時間后，常出現破碎現象，因此上述儀器或裝置，無法測得浸泡后粘土礦物或巖樣的強度。同時，劃痕法、點測試法，壓碎法等不能很好反應粘土礦物或巖樣內部強度。

由于鉆井液或處理劑的抑制性能不同，同一個巖樣經處理劑浸泡后，其強度變化不盡相同。如：泥頁巖經水相或油相浸泡后，均迅速完全浸濕，二者的泥頁巖膨脹高度區別不大，但浸泡后的泥頁巖強度區別很大。而且，在常規頁巖膨脹實驗中，當測試實驗結束后，通常把測筒中的粘土礦物或頁巖直接清洗掉，沒有繼續評價粘土礦物或頁巖經鉆井液或鉆井液用處理劑浸泡前后的強度變化。因此研制出能夠方便量化巖芯強度，豐富抑制性能評價手段是目前亟需開展的工作。針對上述問題，經過長期研究，研發了一種巖芯強度測試儀器，有效量化了常用頁巖膨脹儀器巖芯測筒中的粘土礦物或頁巖浸泡前后的強度變化，豐富了鉆井液或鉆井液用處理劑抑制性能評價手段。

1儀器簡介

1.1儀器設計原理

該儀器利用油路中壓力(p)與時間(t)的變化，量化壓制后粘土礦物或頁巖的強度。在工作中，定量液壓系統連續給油路供油，推動液壓缸上活塞裝置緩慢地向下移動，當活塞裝置上的探頭接觸到粘土礦物或頁巖時，油路上的高精度液壓傳感器往外發出信號。

因粘土礦物或頁巖與活塞探頭的阻力減緩了探頭向下移動的速度，此時液壓系統輸出油的速度不變，油路內壓力增大，液壓傳感器信號發生變化。因此通過軟件接收儀器信號，計算生成壓力(p)與時間(t)曲線，可量化粘土礦物或頁巖的強度。

1.2儀器主要結構

圖1　巖芯強度測試儀結構圖1-液壓傳感器、2-顯示屏、3-液壓缸、4-安裝板、5-定位套、6-巖芯棒、7-巖芯套、8-托盤、9-外套筒、10-變頻器、11-電源控制器、12-外殼、13-復位按鈕、14-下降按鈕、15-上升按鈕、16-開始按鈕、17-電機按鈕、18-電源按鈕、19-電機、20-換向閥、21-油箱、22-數據采集器、23-計算機和打印機。

1.3主要技術指標

工作壓力：0～3.0 MPa；

采集精度：±0.02 MPa；

巖樣直徑：1 in(25.4mm)；

測量筒容積：24mL；

工作環境：-10℃～50℃；

巖芯棒直徑：0.001～0.999in；

托盤開孔直徑：0.001～0.999in；

綜合測量誤差：≤0.5%。

1.4儀器主要特點

1)可與頁巖膨脹儀器相結合使用，進一步評價抑制性能；

2)結構簡單、易于操作、使用安全可靠，智能化程度高；

3)具有自動記錄、實時打印的功能；

4)效率高，1h內可測出幾十組數據；

5)精度高，重復性好。在相同的時間下重復實驗測試出的數據誤差小，可靠性強；

2與國內現有技術的比較

通過上述儀器簡介可知，該儀器能夠在實驗室條件下，結合頁巖膨脹儀測試鉆井液或處理劑的抑制性能，量化頁巖膨脹儀測筒中粘土礦物或頁巖浸泡前后強度變化。當頁巖膨脹儀結束實驗后，直接轉移裝有粘土礦物或巖樣的巖芯筒，安裝在巖芯強度儀器上。通過儀器中液壓缸的壓力快速采集，實時采集壓力變化，由觸摸屏記錄加壓過程中的實時壓力曲線，為了更為方便、人性化、智能化，該設備通過電腦軟件記錄并保存整個過程中的實驗數據。通過實時壓力曲線圖，結合一系列數據對比，量化粘土礦物或巖樣經鉆井液或處理劑浸泡前后的強度變化，進一步反映鉆井液或處理劑的抑制性能，豐富評價手段。

何俊海等[1]研制的新型巖石硬度測定儀將巖樣直接放在液缸活塞上，利用手搖泵推動液缸活塞上升，隨著不斷加壓，壓膜逐漸壓入巖樣，通過完成一個點巖石硬度試驗，記錄壓膜壓入的深度和巖石的載荷，反映出巖石的強度。金志忠[2]研制的QY8型巖石強度測試儀屬于不規則巖石強度測試儀器，直接取用鉆探巖芯或從巖芯上取下制成的塊狀，采用加載液壓千斤頂向上擠壓平板中間的巖石，使其破碎，測量巖石的抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度。

王新武等人[3]研制的巖石強度測試裝置是將巖樣放在在輔助支撐板上， 通過底部施壓裝置向上推動巖樣，使之與上端多個壓力觸頭接觸，實現一次多點測試巖樣強度。馮星等人[4]開發的一種礦山巖石硬度液壓測試裝置是將巖樣置放上壓力導桿平臺上，通過手動加壓，使得底部的壓力活塞推動壓力導桿平臺上的巖樣，通過測試同等壓力下，鉆頭壓入巖石樣本的深度，評價不同巖石的硬度。王昌益等人[5]公布的一種巖石硬度測定方法以及測定儀器，是以剛玉為標準參照物，將測試巖樣切磨成特定標準厚度，放置在帶孔的托盤上，利用電機啟動鉆頭，測試鉆頭穿過巖樣的時間，計算出巖樣的硬度。金志忠等人[6]公布了一種便攜式巖石硬度測試設備，該設備通過劃痕法，利用筆管底部的筆尖測試巖樣硬度。

上述關于巖石強度測試的儀器有巖石硬度計、巖石強度測試儀器等，主要通過劃痕法、點測試法，壓碎法等，測試巖石強度、硬度。由于粘土礦物或巖樣經過鉆井液或鉆井液用處理劑浸泡一段時間后，常出現破碎現象，因此上述儀器或裝置，無法測得浸泡后粘土礦物或巖樣的強度。同時，劃痕法、點測試法，壓碎法等不能很好反應粘土礦物或巖樣內部顆粒膠結強度，而且，上述儀器多數為手動控制液壓，精確度不高，不能實時記錄實驗數據。

3儀器操作方法和步驟

3.1巖芯制備

1)將膨潤土或泥頁巖粉碎過100目篩，在105±3℃烘干4h。

2)準確稱取10.0±0.01g烘干后冷卻室溫的鈉膨潤土或泥頁巖，放入巖芯測筒中，鋪平。然后放在壓力機上逐漸均勻加壓，直到壓力表上指示在4.0 MPa穩壓5min后，卸去壓力，備用。

3.2頁巖膨脹實驗步驟

1)采用NP-Ⅱ型頁巖膨脹測試儀，將巖芯測筒和測桿裝入主機兩根連桿之間并放正，打開電源。

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2)調零后，將待測試樣倒入巖芯測筒中，設置打印時間間隔，達到實驗時間后，取下結果，清洗測筒，關閉電源。

3.3巖芯強度測試實驗步驟

1) 將儀器箱置于平整的地面上，打開儀電源按鈕18、計算機和打印機23的電源。打開計算機23中頁巖強度測試儀器的程序，設置保存路徑，填寫實驗名稱、實驗人和備注。

2)選取一定尺寸的巖心棒6固定在定位套5中，按住上升按鈕15，直至巖心棒6調到最上端，松開上升按鈕15。

3) 將10g的頁巖或粘土礦物裝入巖芯套7中，施加4 MPa壓力，時間為5min，使得粘土礦物或頁巖有一定的強度。然后將巖芯套7和0.25英寸的托盤8相接。

4) 將裝有粘土礦物或頁巖的巖芯套7和托盤8組合裝入與外套筒9中。將巖心套7、托盤8和外套筒9組合安裝在定位套5上。

5)在計算機23測試程序中點擊“開始測試”，并打開儀器上端的開始按鈕16，實驗開始，顯示屏2和計算機23上狀態顯示為：正在測試，并開始繪制實時壓強曲線。

6)實驗結束，顯示屏2、計算機23測試程序的狀態顯示為：測試結束。

7)實驗完成后，關閉電源按鈕18、計算機和打印機23，清洗巖芯棒6、巖芯套7、托盤8、外套筒9，結束實驗。

8)如需要進行下一次實驗，按動復位按鈕13，顯示屏2上狀態顯示為：“系統復位請稍后……”直到顯示屏2狀態顯示為：“系統準備”后，重復以上操作。

4儀器應用效果

4.1儀器時效性和重復性

按照“3實驗方法和步驟”，重復多次測定鈉土強度，評價該儀器的時效性和重復性等，試驗結果見圖2。

圖2　儀器重復性數據圖

從圖2數據分析可知，該儀器具有自動記錄、實時打印的功能。平均測量誤差≤0.5%，數據重復性高、誤差小，可靠性強。每次測試時間≤30s，則1h能測定幾十個樣品，效率高。

4.2清水對粘土、泥頁巖強度的影響

采用普通粘土和勝利油田在渤南油田義字號區塊水平段泥頁巖鉆屑制備巖芯，按照“3實驗方法和步驟”，評價清水對粘土、泥頁巖的膠結強度和膨脹率影響。頁巖膨脹儀器設置時間1 h，總時間為8h，評價結果如圖3、圖4所示。

圖3　頁巖膨脹高度

由圖3數據可知，分別經清水浸泡8 h后，由泥頁巖制得的巖芯膨脹高度僅為0.90 mm，8 h內膨脹高度變化

圖4　浸泡前后巖芯強度對比

不大，近乎水平線，而粘土制得的巖芯膨脹高度為1.92 mm，膨脹曲線呈直線上升趨勢，即h粘土>h泥頁巖。從圖4(a)數據可以看出，泥頁巖和粘土制得的巖芯，初始強度較接近。但經過8h清水浸泡后，泥頁巖制得巖芯強度僅為30kPa，p粘土>p泥頁巖。綜合分析表明，泥頁巖遇水迅速膨脹，膨脹高度不如粘土明顯，但泥頁巖吸水后，粘結力弱，松散，頁巖強度大幅下降。

4.3胺類抑制劑對粘土強度的影響

采用普通鈉土，巖芯浸泡8h，按照“3實驗方法和步驟”，評價常見胺類抑制劑對粘土強度率影響，評價結果見圖5。

圖5　常見胺類抑制劑抑制性能

從圖5可知，胺基硅醇的抑制性能較強，粘土經2.0%胺基硅醇浸泡8h后，巖芯強度相比較高。

5結論

1)鉆井液用頁巖強度測試儀結構合理、能夠快速地評價巖芯的強度，數據重現性好，準確度較高。

2)頁巖強度測試儀器結構簡單，易于操作，效率高，適合室內和現場使用。

3)該裝置的成功應用，為鉆井液或處理劑的抑制性能評價增添了一種新型的測試方法，具有較好的推廣應用價值。

參 考 文 獻

[1] 何俊海,朱金堂,張麗偉,等.新型巖石硬度測定儀的研制[J].石油儀器,2008,22(5):26-34.

[2] 金志忠. QY8型巖石強度測試儀[J].工程機械,1985,(3):27-28.

[3] 王新武,高富強,李鳳霞,等. 巖石強度測試裝置[P].中國專利：203658163,2014-06-18.

[4] 馮星,馬朝陽,杜開堯. 一種礦山巖石硬度液壓測試裝置[P].中國專利：203259433,2013-10-30.

[5] 王昌益,孫潔. 一種巖石硬度測定方法以及測定儀器[P].中國專利：103439204,2013-12-11.

[6] 王志忠,鐘建強,苗剛,等. 便攜式巖石硬度測試設備[P].中國專利： 203479649, 2014-03-12.

Development and Application of Core Strength Test Instrument

LI Xiuling, GUO Baoyu, CHEN Erding

(DrillingEngineeringandTechnologyCompany,ShengliPetroleum,Dongying,Shandong257064,China)

Abstract：At present, the main evaluation methods for the inhibition performance of the drilling fluid or the treating agent are the shale swelling experiment and the recovery rate of shale experiment. In the shale swelling experiments, the cores prepared with non-swelling clay or shale often appear to have the less shale swelling height, but the relatively weak core intensity. Focused on the problems, one core strength test instrument is developed, which can further test inhibition performance of the drilling fluid or the treating agent through the evaluation and comparative analysis of core strength after shale swelling test. The instrument is with simple structure, convenient operation, good reproducibility test data and strong practicability, etc. And it can evaluate inhibition performance of the drilling fluid or the treating agent quickly and easily.

Key words：core strength; inhibition performance; instrument; applications

(收稿日期：2015-11-16編輯：姜婷)

中圖法分類號：TE135

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)02-0063-04

第一作者簡介：李秀靈,女，1983年生,工程師, 2008年碩士畢業于北京化工大學應用化學專業, 現在主要從事泥漿工藝研究工作。E-mail: lixiuling.slyt@sinopec.com。

基金項目：勝利石油管理局項目《水平段泥頁巖鉆井液封堵防塌技術研究與應用》(SKZ1308)。

·儀器設備與應用·