YPM01型泥页岩膨胀模拟试验装置的研制及其应用.docx
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YPM01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：
加温部件
微机系统
信号转换
制样部件
测试部件
加压部件
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：
1716151413121110987654321
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。
测试组件储液杯增压容器液压缸液压源
排空阀测试阀测压组件进液阀进油阀泄压阀
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。
测试组件储液杯增压容器气压缸液压源
排空阀测试阀测压组件进液阀进气阀泄压阀
图4气压高压试验流程示意图
测试组件储液杯气压源
排空阀测试阀测试组件进气阀泄压阀
图5气压低压试验流程示意图
传感器岩心储液容器溶液
测试杯
测试阀加压阀
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。
测试部件的工作状态，基本可以模拟地层的温度、压力条件，因此，测试过程和结果，即可以反映现场实际工作条件下的变化情况，有助于针对性地解决现场的实际问题。
2、温度控制部件
精确的温度控制，是仪器完成试验的重要组陈部分，本部件主要由控制器、
传感器、加热器组成，示意图见图7
电源
加热器
控制器
传感器
图7温度控制部件框图
由控制器给定试验温度，加热器使测试部件升温，传感器应温度信号，闭环控制实现恒温。
为了提高性能，加热器采用内加热方式，并专门设计了加温套，既避免明火，又能防止因液体滴落可能发生的短路故障。
为提高控温精度和加热效率，配装了不锈钢保温套，填加保温材料，降低了加热器外表的温度。
加热器整体可以移动，使用方便。
温度控制部件，控温范围0～399℃，具有较高的精度。
可以满足试验的需要。
3、加压部件
仪器的承压部件主要有两部分:
工作部分和制样部分。
工作部分工作压力达
到10MPa，压力流程部分各零配件承受压力达到15MPa以上（压力传感器，按工作压力选配）。
为保证各连接接头承受压力，连接管线均采用不锈钢管，利用金属密封环压紧，保证各件不会因受压脱落，也不会泄漏。
各阀门采用不锈钢微调针阀，以保证工作要求。
储液杯和测试组件采用特制密封环密封，既保证溶液不泄露，又保证能耐受高温，而且不会由试验溶液引起物理、化学变化。
制样部分，工作压力可以达到100MPa，试验压力达到130MPa，经试验均能满足工作需要。
以往的高温高压试验仪器，都是在试验部分提高精度，但由于制取岩样的条件与实际情况差别很大。
因此，不能模拟现场条件。
为解决这一问题，我们特别提高了制样压力，以便使制备的岩心更接近实际条件，更好地反映出现场的变化情况。
在实际试验中，制样压力提高到150MPa，未发生故障。
仪器中测筒、储液杯、测杆套、立柱等主要承压零件，都经过耐压强度计算，并对零件进行了实际试验，完全可以保证安全、可靠的工作。
4、制样部件
制样部件的工作压力达到100MPa，试验压力达到130MPa，要求受压部件能
承受，因此，联接管件均采用金属环强压密封，保证工作可靠、安全。
制样压力流程示意图见图8.岩心杯增压阀进油阀加压阀泄压阀
图8制样压力流程示意图
制样压力由加压泵提供，经增压缸增压，达到要求的制样压力，将岩粉或土粉制成形，作为模拟岩心。
为了操作方便并保证安全可靠，由增压缸及制样杯结构确定，增压倍率为6.3504，因此，当压制岩心部分的压力达到100MPa时，液压段压力约16MPa，管件强度和密封要求都比较容易达到，结构也比较合理。
在测杯中压制成模拟岩心之后，直接把测杯装接到测试部件进行试验，不仅操作方便，而且避免了由于模拟岩心移动可能引起的测试误差。
5、微机系统
微机系统在YPM-01型泥页岩膨胀模拟试验装置中，完成的主要功能是将温
度、压力及膨胀位移转换为数字量，进行计算处理、绘图、存储、显示、打印等。
位移信号
微机系统的硬件系统由微型计算机主机、彩色显示器、打印机、数据采集控制模版等部分组成。
如图9所示
打印机
信号变送器
数据采集控制板
微机主机
键盘
温度信号
压力信号
显示器
图9硬件系统示意图
YPM-01型泥页岩膨胀模拟试验装置的每一操作和功能都是通过软件系统完成的，要求运行速度快，功能强，经过分析对比，选用BorlandC++3.1为编程语言，它扩展了原标准的C语言，具有很强的功能。
软件程序流程如图10所示
本系统采用人机对话方式，给出详细的提示信息，使用者只要按照提示信息按动键盘，就可正确操作。
下面给出简要的使用说明。
1）启动：
硬件系统连接正确无误后，打开试验系统电源，打开计算机系统电源，计算
机自动引导DOS操作系统，显示系统提示符C﹥。
在系统提示符C﹥下，输入：
YPM回车
系统运行，显示起始画面。
2）使用：
①试验：
按空格键进入试验系统，按系统提示，选择功能2
②打印：
按空格键进入试验系统，按系统提示，选择功能3，系统自动打印出测试曲线
③系统自检：
按空格键进入试验系统，按系统提示，选择功能1，系统开始自检
④对比：
按空格键进入对比系统，按系统提示，选择功能4，系统开始输出几次试验
的一组曲线，以对比试验结果。
微机系统保证了装置各项功能的实现，每一项操作、均可按屏幕提示进行选择，使用非常方便，试验全过程各项参数的变化情况可自动记录并存储，根据需要，可以显示整个试验周期的试验规律曲线和主要测试数据，并可打印输出。
五、整机调试
YPM-01型泥页岩膨胀模拟试验装置组装完成之后，对其进行调试，只要测试有关性能，分述如下：
1、密封及耐压试验
将三台样机分别编号为1、2、3，按工作流程注水加压，达到最高工作压力
10MPa，维持30min，观察各接点、管路、各零配件，没有破坏和渗漏为合格，检测结果见表1：
显示系统名称及相关信息
开始
初始化变量
关闭文件
打印结束
返回
自检
到终止记录?
打印数据
数据送缓冲区
打印机方式设定
图形数据转换
图形数据计算
绘曲线
读数据文件
开打印中断
打印开始
输入数据文件名
结束?
存储结果并关闭计算机
绘曲线
计算结果
读压力量数据
读温度量数据
读位移量数据
初始化采集控制变量
试验开始
初始化采集控制
绘坐标
打开数据文件
输入数据文件名
试验开始
试验、打印、自检
N
Y
YN
图10整个程序的流程框图
表1样机密封及耐压试验结果
结果
编号
密封及耐压
1
合格
2
合格
3
合格
然后调节压力到8MPa，待压力稳定后，每隔30min记录一次压力值，共记录4次，计算压力测量误差，应不大于±0.3MPa，试验结果见表2.
表2样机压力试验结果
结果
编号
测量值，MPa
误差
1
2
3
4
1
8.1
8.1
8.0
8.0
合格
2
8.0
7.9
8.0
8.0
合格
3
8.0
8.1
8.1
8.0
合格
2、升温及恒温试验
使仪器按工作流程注水加压处于工作状态，开始升温，同时记时，选取应用
较多的高温点定值为150℃，当达到定值温度时记录升温时间，然后每隔30min，记录一次温度值，共记录4次，计算温度测量误差应不大于±1℃，仪器控温范围为室温～180℃。
试验结果见表3
表3样机升温及恒温试验结果
结果
编号
升温时间
测量值
误差
1
2
3
4
1
30
150
150
150
150
合格
2
30
150
150
150
150
合格
3
30
150
150
149
150
合格
3、测量位移精度试验
在仪器上取下测杯，装好位移传感器，找准零点，用1级标准量块分别给定
位移量：
1、2、4、8、10mm，观察数字显示值，应与标准量块给定值符合，测量误差不大于±0.1mm。
测量结果见表4
表4样机位移精度测量结果
结果
编号
1
2
4
8
10
误差
1
1.00
2.00
4.00
8.01
10.01
合格
2
1.00
2.00
3.99
8.00
9.98
合格
3
1.01
2.01
4.01
8.00
10.00
合格
4、绝缘电阻试验
将仪器各部件联通，用500V兆欧表测量仪器电源输入端与外壳件间的绝缘
电阻，应不小于20MΩ，试验结果见表5
表5样机绝缘电阻试验结果
结果
编号
绝缘电阻值
1
合格
2
合格
3
合格
5、样机稳定性试验
使样机处于工作状态，按通用工作条件，选定工作压力为5MPa。
工作温度
为90℃，给定一固定的位移量，使仪器联机运行，记录曲线应分别给出三条平滑的直线。
试验结果见图11、图12、图13
六、应用试验及分析
利用YPM-01型泥页岩膨胀模拟试验装置，可以进行多种有关的试验，对相应样品进行定性或定量的测试、评价，从已做过的部分试验结果，已发现一些新的规律，有待进一步深入研究探讨。
对部分试验简要介绍如下。
1、膨润土水化膨胀与温度的关系
在4.5MPa的恒定压力下，不同的试验温度，对于膨润土的水化膨胀速度有
较大的影响，试验曲线见图14。
由图14可以看出，在4.5MPa的恒定压力下，试验温度40～120℃的一组试验，随着温度的增加，膨润土的水化速度加快，即在这种试验条件下，水的渗透速度随温度的升高而增加，导致膨润土样品达到膨胀平衡的时间缩短。
图中曲线上的拐点为软化变形点，表明在确定的试验条件下，膨润土样品达到整体渗透膨胀，其强度降低，软化而产生变形。
产生软化变形点之后，样品基本达到了最大膨胀量。
在实际应用中，如果井眼周围泥页岩变软或者由于钻井液的作用使井眼周围泥页岩强度下降，那么井眼将失稳。
因此，可推测井眼地层的稳定状体，预测井壁膨胀变形可能发生的时间，当然，这还需要经过大量的实验进行探索。
试验温度增加，加快了膨润土的膨胀速度，但这并非确定的规律，如图14所示的一组试验，保持其它条件不变，试验温度增加到140℃，膨润土的水化膨胀量不仅没有增加，反而大大降低了，如图15所示。
这表明，膨润土在试验条件下，存在一个钝化温度点，在这一温度区，基本不产生膨胀变形。
担当温度下降时，膨润土样品则恢复膨胀变形，如图15中曲线后部所示。
重复试验，曲线仍与图15前部相同，证明试验产生的规律是可靠的。
在试验中间，将温度降低10℃，然后在恢复到140℃，则打破了平衡状体，膨润土样品开始产生膨胀变形，即使再恢复到原来温度，膨胀变形仍然继续发生，直至最大膨胀量。
如如图16所示。
图17130℃试验报告
按以上的试验条件，选定试验稳定为130℃，测试曲线仍和较低温度时的规律一致，如图17所示。
以上试验证明：
在试验条件下膨润土样品，确定存在一个钝化温度，一旦温度发生变化，平衡即被打破。
这种现象也受到压力的影响，如果压力提高，温度还是140℃，则不产生钝化平衡现象，如图18所示。
在这种新的试验条件下，其钝化点，可能会在另一温度时产生，也可能不会发生。
2、膨润土水化膨胀试验，在温度为120℃，制样压力为30MPa条件，选取
不同的试验压力，测试结果如图19所示。
从试验结果看，随着压力的增加，膨润土的水化膨胀速度加快，这与以前的某些试验结果有所不同。
测试曲线明显地呈现几个台阶，表明膨润土不仅有颗粒间的表面水化，而且产生了颗粒晶格内部的渗透水化膨胀，由于不同阶段的膨胀速度不同，使曲线呈台阶形状。
按以往某些试验，随着压力的增加，膨胀速度应收到限制，但从我们是试验结果来看，随着压力的增加，膨胀速度不仅没有降低，反而提高了。
这可能是由于在确定的试验条件下，压力增加，使膨润土上部承受较高的压力，加速了水向膨润土内部渗透的动力，结果造成了膨润土水化速度的增加。
这种现象，也受到制样压力的影响。
3、其它有关试验
1）5％工业氯化钾水溶液与膨润土相关试验，见图20.
2）濮阳刘庄3井4070m岩粉与蒸馏水相关试验，见图21.
3）3％氯化钠水溶液与膨润土相关试验，见图22。
4）4％氯化钾水溶液与膨润土相关试验，见图23.
5）膨润土与自来水相关试验，见图24。
七、小结
YPM-01型泥页岩膨胀模拟试验装置，在钻井工程领域关于井壁稳定的研究中，可以从不同的方面开展有关工作，除测试评价地层泥页岩的水化膨胀性能之外，还可检测评价有关处理剂的耐高温高压性能。
仪器检测部分特殊的设计结构，可给出样品在试验条件下软化变形点的特殊标志，有助于预测井下地层的稳定状态。
仪器配装的微机系统，有效地提高了整机的测试精度和工作效率，使操作更方便可靠。
从已做过的一些试验结果分析，已经得到某些新的现象和规律，有助于进一步分析研究。
本仪器也可以在地质、化工等其它有关领域应用，测试评价相应的样品在高温高压状态下的性能。
YPM-01型泥页岩膨胀模拟试验装置，经过一些单位实际应用，证明其具有性能稳定，灵敏度高，操作方便、可靠等优点，特别是仪器所达到的技术指标，对很多研究领域都是非常必要的。
因此，本仪器进一步应用，必将对有关领域科研或生产起到积极的促进作用。
参考文献
1邱正松等.温度与压差对粘土水化膨胀性能的影响，钻井液与完井液，1991，3
（1）
2郭保利.页岩膨胀测试仪及其应用，钻井泥浆，1986（3，4）
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