泥页岩水化膨胀测定新方法
李蓉华 刘雨晴
（石油勘探开发科学研究院）
目前国内测定泥页岩水化膨胀性能一般在一定压力（如4.0MPa）下压实粉
末制备样品，首先测出样品初始高度，再测一个膨胀终了高度，两次高度之差被
初始高度去除得出膨胀的百分数。任何一种泥页岩粉末样品在自由状态下都存在
较多孔隙，在一定压力下被压实后，孔隙减少，压实力越大孔隙体积越小，但使
孔隙完全消除是困难的。相同压力下不同样品的孔隙体积不一定相同。那么含有
孔隙空间的样品发生水化时，由于粘土矿物层间水化的结果造成样品体积膨胀，
这个体积膨胀不仅造成样品宏观体积增加，即表观膨胀，而且也造成了样品孔隙
体积的减少。孔隙体积的减少是因为样品向粒间孔隙空间的膨胀造成的，而这个
膨胀值被一般测量方法所忽略。
粒间膨胀值的大小，在样品体积膨胀中所占的比例，给实验结果带来的误差
及如何测定样品水化总体积膨胀值，是本文着重研究的问题。
一、测定方法
1、测量仪器
实验采用WLZ-1型膨胀仪测量泥页岩水化膨胀性能。
2、实验样品
实验样品来源于大庆油田英80井、朝501井及新疆油田LN-44、MX-1井，
粘土矿物组成见表1.
3、实验方法及步骤
1）将泥页岩样品粉碎至全部通过0.154mm筛，并在102±2℃下烘干至恒重，
放入保干器冷却至室温。
2）去4个WLZ-1型膨胀仪调好零点，取下测量筒。称量上述处理好的某种
泥页岩样品4份，每份质量相等，分别放入4个WLZ-1型膨胀仪测量筒中，在不
同的压力下压实，并放回WLZ-1型膨胀仪支撑卡规上，置入测量池中，由千分表
上读出样品初始高度。由于压力不同样品初始高度也不同，记录下初始高度并计
算初始体积。然后在膨胀仪测量池中注入实验用钻井液或其它实验液体，进行膨
胀实验，观察千分表指针变化，到膨胀达到平衡时记录膨胀终了高度，计算膨胀
终了体积。
二、
实验结果及处理
1、实验结果
用上述方法测定了上述4口井样品在纯水中的膨胀性，测量结果见表2。
由表2可以看出压力不同，样品初始体积不同，压力越大，初始体积越小。
初始体积不同的样品终了体积也不同，初始体积越小膨胀终了体积越小；初始体
积越大，膨胀终了体积也越大。
2、结果处理
以每个样品的初始体积值为横坐标，膨胀终了体积值为纵坐标在笛卡尔坐标
系中描点，发现这些坐标点线性相关，过这些点作直线，给出直线方程及相关系
数，见图1-图4。
从图1-图4中可以看出，每个样品的膨胀终了体积与膨胀初始体积有很好的
线性相关性，所得相关系数平方均在0.9以上，说明膨胀终了体积与膨胀初始体
积符合线性函数关系。
3、V0* V终*
V0*为不含孔隙样品的初始体积，V终*为样品不含孔隙时的膨胀终了体积。
V0*=W/d (1)
式中：W—实验用干燥样品质量，g;
d —样品密度，g/cm3
当不断增加压力来压实样品时，样品初始体积不断减少，即孔隙体积不断减
少，在理论上认为存在这样一个点，当压力增加到某值时，样品中孔隙将全部被
排除，压力再大样品体积也不会再减少，此时样品的初始体积就是V0*。
由于样品初始体积与膨胀终了体积之间符合线性函数关系，因此从图中（或
用函数关系式可计算出可查到V终*。方法是将图中直线向内延伸，在横坐标轴上
找到 V0*，V0*在直线上对应点的纵坐标就是V终*。或将V0*值代入函数关系式中
的X，计算出Y值即为V终*。
4、样品孔隙体积水化膨胀前后的变化
将1#-17#泥页岩样品水化膨胀前后的孔隙体积计算结果列于表3.样品初始体
积中的孔隙体积按式（2）计算
V1=V初*-V0 (2)
样品膨胀终了时体积中所含孔隙体积按（3）式计算：
V2=
V终- V终* (3)
从表3可以看出样品初始体积中均含一定的孔隙体积，压力越大，样品中孔
隙体积越小；样品初始体积中所含孔隙体积与膨胀终了时样品所含孔隙体积不同，
膨胀终了时样品所含孔隙体积一般小于样品初始体积中所含孔隙体积，这说明样
品膨胀一部分表观为表观体积增加，而一部分隐藏在粒间孔隙中。
现以8#样品为例，说明粒间膨胀的大小及其在样品体积膨胀中所占的比例，
以及忽略粒间膨胀产生的误差大小。从表3中可以看出8#样品初始体积内所含孔
隙体积为0.509cm3,而膨胀终了时样品所含孔隙体积为0.220 cm3，样品孔隙体积
减少了0.289 cm3，即样品向粒间膨胀了0.289 cm3。8#样品（V初为2.094 cm3，
V终为2.80 cm3，表观体积膨胀值（V终-V初）为0.752 cm3，这部分是用通常方法
测得的样品膨胀值，它没有包括粒间膨胀值；粒间膨胀值约为表观膨胀值的38%，
在粒间与表观膨胀值的总和中，粒间膨胀值约占27%。由此看出忽略粒间膨胀值
在评价样品总水化膨胀能力时造成的误差是比较大的。因此V终*- V0*与表观膨胀
率不同，它包括了表观膨胀及粒间膨胀两个部分，代表了由于粘土矿物层间水化
引起的泥页岩体积膨胀的总量。
这里定义： b=( V终*- V0*)/w
式中：b—单位质量样品水化膨胀值总效，cm3/(g土)
而定义： β=( V终*- V0*)/ V0*×100%
式中：β—样品层间水化膨胀度总效。
H=（V终-V初）/ V初×100%
式中：H—表观膨胀度。
式中V初、V终分别为4.0MPa下压实时样品膨胀初始体积与膨胀终了体积。
现将1#～17#样品的H、β、b值列于表4。
表4泥页岩样品的H、β、b值比较
样品 1#～5# 6#～9# 10#～13# 14#～17
#
H 36.8% 40.6% 19.0% 41.4%
β 61.9% 67.6% 41.1% 91.2%
b．cm3/(g土) 0.239 0.260 0.154 0.338
二、结论
1）使用泥页岩水化膨胀测定新方法所得结果表明，泥页岩样品的水化膨胀
不仅引起宏观体积的增加，且造成粒间孔隙减少，通常的测定方法只给出了样品
水化膨胀宏观体积的增加值，而使用新方法不仅能测出样品宏观体积增加值，而
且能测出样品向粒间孔隙膨胀时体积的增加值，因此新方法能测定由于泥页岩中
粘土矿物水化膨胀造成的泥页岩体积的总膨胀量，更真实地反映泥页岩水化膨胀
能力。
2）WLZ-1型膨胀仪使用自身同一测量系统测量样品初始高度及膨胀终了高
度，减少了系统误差，提高了测度精度。仪器结构简单，造价低，使用方便。
3）泥页岩水化膨胀测定新方法还给泥页岩水化膨胀性能与其力学性能关系
的研究创造了条件。
参 考 文 献
[1]李蓉华，周大晨译。预防钻井过程中井下复杂情况的物理-化学方法。石油工
业出版社，1992