本实用新型涉及一种油藏储层粘土膨胀性测定装置及其粘土膨胀装置。
背景技术：
目前，已发现的油气藏储层几乎都含有粘土矿物，尤其低渗透储层中粘土含量更高，各种粘土都会吸水膨胀，不同的粘土矿物水化膨胀的程度不同。粘土发生水化膨胀后，会堵塞甚至堵死油气流动通道，大大降低油藏的渗透率及油气产量，在钻完井作业中还会导致井壁失稳现象的发生。粘土中的水分主要有结晶水、吸附水和自由水三种类型。粘土膨胀性一般与粘土矿物成分、粘粒含量、化学成分等密切相关，粘土颗粒含量越高、粘土的比表面越大、吸水能力越强，膨胀收缩变形就越大。因此，粘土的膨胀性测量对于油气的勘探有着很重要的作用。
目前，粘土膨胀性测量普遍采用的方法是在样品室中将粉碎的粘土样品压制成圆形的岩心柱(也有的不压制，只在样品筒中将上表面整平)而后注入液体并隔一段时间计量粘土上表面升高的高度，直至高度不再变化为止。常用的测定仪器主要分为两类：一类是常温常压下的普通测量仪器，主要包括膨胀量测定仪、低温膨胀仪、自由膨胀率测定仪、常温膨胀量测定仪等，该类仪器只适于常温常压下，精度低，不适于油藏条件下的测定；另一类是针对特殊油气藏粘土的测量仪器，主要是高温高压页岩膨胀仪，该类设备测定精度比常规设备有所提高，数据具有一定参考价值，但操作复杂，占据空间大，价格昂贵。
并且，目前在用的所有测定粘土膨胀的设备在设计和使用过程中都忽略了两点：一是设备设计和操作过程中没有考虑膨胀多孔介质中夹杂空气的影响，尤其在膨胀筒设计上，甚至没有设计抽空设置，这就导致在升温过程中，夹在多孔介质中空气泡膨胀，甚至会在粘土中间形成中空气腔，致使测定的结果偏差较大，在恒温测定时，可能会抵消一部分膨胀量，导致测定结果可信度降低；二是粘土样压制不规范，有太多随意性，压制后的粘土样与天然岩心的物性相差太大，这样测定结果的参考价值就无从体现，这些都是现有测定设备及文献中没有考虑的。所以，现有的测定装置无法做到准确测定粘土膨胀性。综上，在设计研究方案时要充分考虑空气的影响和岩心压制的问题，既要保证能够排除空气的影响又要保证压制的岩心与实际储层物性接近，这样的测定的结果和研究方法才更科学，测定设备才更具灵活性，测定结果更具参考价值，具有十分重要的意义。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种油藏储层粘土膨胀性测定装置，用以解决现有的测定装置无法准确测定粘土膨胀性的问题。本实用新型同时提供一种粘土膨胀装置。
为实现上述目的，本实用新型包括以下方案：
方案一：本方案提供一种油藏储层粘土膨胀性测定装置，包括粘土膨胀装置、注水装置、抽真空装置和实现选择性导通的阀门机构，所述粘土膨胀装置包括膨胀筒，所述膨胀筒包括筒体以及设置在筒体壁上，且沿筒体轴向方向设置的刻度显示机构，所述筒体的上端设置有上通气口，所述筒体的下端设置有下通气口，上通气口和下通气口之间形成装填样品空间，装填样品空间内装填的粘土样品是选取的原始岩心依次经过粉碎和压实后形成的粘土样品块，且在压实后保证该粘土样品块的密度与原始岩心的密度相同；所述注水装置连通所述阀门机构的第一端口，所述阀门机构的第二端口通过管道连接所述下通气口，所述阀门机构的第三端口通过管道连接所述上通气口，所述抽真空装置连通所述阀门机构的第四端口。
本实用新型提供的油藏储层粘土膨胀性测定装置包括粘土膨胀装置、注水装置和抽真空装置，将粘土样品装填入膨胀筒筒体中，注水装置用于向粘土样品注水，并且，由于在测定的时候粘土样品中夹杂的孔隙在温度超过大约80℃后会膨胀导致粘土样品分层，或者在粘土样品内部形成中空的大气泡，进而导致测定的结果没有任何参考价值，因此，通过抽真空装置能够将粘土样品中的气泡以及空隙中的空气抽出，杜绝出现粘土分层以及粘土内部形成中空的大气泡等现象，提升检测准确性。因此，配合注水装置和抽真空装置，并观察记录粘土样品的体积变化来测定粘土膨胀性，通过该测定装置能够实现同一温度下的粘土膨胀性测定、粘土膨胀性随温度变化关系的测定、同一压力下的粘土膨胀性测定、不同压力下的粘土膨胀性测定、不同矿化度下的粘土膨胀性测定等测定条件的测定数据，该测定装置能够准确测定多种情况下的粘土膨胀性数据。而且，装填样品空间内装填的粘土样品是原始岩心依次经过粉碎和压实后形成的粘土样品块，且在压实后保证该粘土样品块的密度保持与原始岩心的密度相同，压制后的粘土样品块与天然岩心的物性相差较小，这样实验测得的数据结果有较高的参考价值，更加符合实际。并且，该测定装置结构简单，操作简便，设备占用空间小，测定方法更科学，并排除了粘土中夹杂的空气的影响，测定结果更具参考价值，可以更好地满足油气田钻井、储层保护和开发的需要。
方案二：在方案一的基础上，所述阀门机构为能够选择性导通的六通阀。
方案三：在方案一或二的基础上，所述筒体为不锈钢筒体，所述刻度显示机构为带刻度透视观察窗。
方案四：在方案一或者二的基础上，所述下通气口设置在所述筒体的底面上，所述筒体的底面上设置有多孔滤网。
方案五：在方案一或者二的基础上，所述筒体内设置有用于放置在粘土样品上的多孔压盘。
方案六：在方案一或者二的基础上，所述筒体的顶部设置有封盖。
方案七：在方案一或者二的基础上，所述膨胀筒的上方和下方分别固设有上定位盖板和定位底板，用于将所述膨胀筒固定在上定位盖板和定位底板之间，所述膨胀筒的底部设置有用于将膨胀筒固定在所述定位底板上的固定螺丝。
方案八：在方案七的基础上，所述上定位盖板和定位底板之间设置有用于固定上定位盖板和定位底板的辅助立柱。
方案九：在方案七或者八的基础上，所述定位底板的下方设置有水平调节板。
方案十：在方案一或二的基础上，所述注水装置包括注入泵，所述注入泵连接活塞式中间容器，所述活塞式中间容器连接所述阀门机构的第一端口。
方案十一：在方案一或二的基础上，所述抽真空装置包括真空泵，所述真空泵连接抽真空缓冲中间容器，所述抽真空缓冲中间容器连通所述阀门机构的第四端口。
方案十二：本方案提供一种粘土膨胀装置，包括膨胀筒，所述膨胀筒包括筒体以及设置在筒体壁上，且沿筒体轴向方向设置的刻度显示机构，所述筒体的上端设置有上通气口，所述筒体的下端设置有下通气口，上通气口和下通气口形成装填样品空间。
方案十三：在方案十二的基础上，所述筒体为不锈钢筒体，所述刻度显示机构为带刻度透视观察窗。
方案十四：在方案十二的基础上，所述下通气口设置在所述筒体的底面上，所述筒体的底面上设置有多孔滤网。
方案十五：在方案十二的基础上，所述筒体内设置有用于放置在粘土样品上的多孔压盘。
方案十六：在方案十二的基础上，所述筒体的顶部设置有封盖。
方案十七：在方案十二的基础上，所述膨胀筒的上方和下方分别固设有上定位盖板和定位底板，用于将所述膨胀筒固定在上定位盖板和定位底板之间，所述膨胀筒的底部设置有用于将膨胀筒固定在所述定位底板上的固定螺丝。
方案十八：在方案十七的基础上，所述上定位盖板和定位底板之间设置有用于固定上定位盖板和定位底板的辅助立柱。
方案十九：在方案十七或者十八的基础上，所述定位底板的下方设置有水平调节板。
附图说明
图1是油藏储层粘土膨胀性测定装置结构示意图；
图2是粘土膨胀装置结构示意图；
图3是膨胀筒筒体结构示意图；
图4是图3的a-a截面图；
图5是不锈钢封盖的结构示意图；
图6是定位底板的结构示意图；
图7是上定位盖板的结构示意图；
图8是水平调节板的结构示意图。
具体实施方式
油藏储层粘土膨胀性测定装置实施例
本实施例提供一种油藏储层粘土膨胀性测定装置，用于测定粘土膨胀性。测定装置整体上包括三部分，分别是粘土膨胀装置1、注水装置和抽真空装置，粘土膨胀装置1为测定装置的核心部分，粘土样品装填在粘土膨胀装置1中，结合注水装置和抽真空装置进行测定；注水装置用于向粘土膨胀装置1中注入实验水，抽真空装置用于实现抽真空。由于注水装置和抽真空装置属于常规设备，本实施例中给出一种具体的实现方式，如图1所示，注水装置包括注入泵4和活塞式中间容器3，该注入泵4为恒速恒压注入泵，注入泵4连接活塞式中间容器3；抽真空装置包括真空泵5和抽真空缓冲中间容器6，真空泵5连接抽真空缓冲中间容器6。其中，抽真空是必须的，如果不抽真空，在测定的时候粘土样品中夹杂的孔隙在温度超过大约80℃后会膨胀导致粘土样品分层，或者在粘土样品内部形成中空的大气泡，导致测定的结果没有任何参考价值。
注水装置和抽真空装置通过阀门机构连接粘土膨胀装置1。该阀门机构能够实现选择性导通，即通过调节阀门机构的各端口能够实现注水装置、抽真空装置和粘土膨胀装置1之间任两个设备的连通，本实施例中，阀门机构为六通阀2。那么，活塞式中间容器3连接六通阀2的第一端口，六通阀2的第二端口和第三端口连接粘土膨胀装置1，抽真空缓冲中间容器6连通六通阀2的第四端口。
如图2，粘土膨胀装置1包括膨胀筒1-5，如图3所示，膨胀筒1-5包括筒体1-5-6，设计为底面上部敞口，本实施例中，筒体1-5-6的内径为2.5cm，刻度长度为15cm。在筒体1-5-6的筒壁上，且沿筒体1-5-6的轴向方向设置有刻度显示机构，其中，筒体1-5-6的材质并不唯一，本实施例中，筒体1-5-6为不锈钢筒体，那么，为了便于观察刻度，刻度显示机构就要做成透明的，具体为透明的带刻度观察窗1-5-5，如图4所示，带刻度观察窗1-5-5为两个双向对称排列，观察窗刻度最小精度为0.01mL。
如图3所示，筒体1-5-6的上端设置有上通气口1-5-7，筒体1-5-6的下端设置有下通气口1-5-3，上通气口1-5-7和下通气口1-5-3之间形成装填样品空间1-5-8。那么，六通阀2的第二端口通过管道连接下通气口1-5-3，六通阀2的第三端口通过管道连接上通气口1-5-7。进一步地，下通气口1-5-3设置在筒体1-5-6的底面上，在筒体1-5-6内，且在底面上设置有多孔滤网1-5-1。在筒体1-5-6内还设置有多孔压盘1-5-4，用于放置在粘土样品上，以压住粘土样品，并且，多孔压盘1-5-4可以为红色设计，便于后续读数。另外，筒体1-5-6的底部设置有固定螺丝1-5-2。
筒体1-5-6的顶部，即膨胀筒1-5的顶部设置有封盖1-6，如图2所示，该封盖1-6为不锈钢封盖。如图5所示，封盖1-6包括不锈钢封盖本体1-6-2和橡胶密封垫1-6-1，不锈钢封盖安装在膨胀筒顶部，不锈钢封盖本体1-6-2的下部要完全插入膨胀筒1-5的筒体1-5-6的圆形空间内，与筒体1-5-6上端面结合部位通过橡胶密封垫1-6-1进行密封。
如图2所示，膨胀筒1-5的上方和下方分别固设有上定位盖板1-7和定位底板1-4，用于将膨胀筒1-5固定在上定位盖板1-7和定位底板1-4之间。膨胀筒1-5通过固定螺丝1-5-2安装在定位底板1-4中心的膨胀筒底部固定螺栓孔1-4-4上，如图6所示。并且，上定位盖板1-7和定位底板1-4之间设置有用于固定上定位盖板1-7和定位底板1-4的辅助立柱1-9。定位底板1-4的下面设置有水平调节板1-3。
如图6所示，除了膨胀筒底部固定螺栓孔1-4-4之外，定位底板1-4上还有固定定位底板螺栓孔1-4-1、辅助立柱固定螺栓孔1-4-2和气泡式水平装置1-4-3，定位底板1-4通过设置在三个固定定位底板螺栓孔1-4-1的定位底板固定螺栓1-1固定在水平调节板1-3上，三个辅助立柱固定螺栓孔1-4-2用于固定辅助立柱，气泡式水平装置1-4-3用于显示是否水平。将定位底板1-4固定在水平调节板1-3上后，调节水平调节板1-3底部的旋转定位调节螺栓1-2，并观察定位底板1-4上气泡式水平装置1-4-3的气泡是否位于圆圈中心范围内，以此判断底座是否水平。如图7所示，不锈钢封盖本体1-6-2的上部要插入到上定位盖板1-7中心的中空式封盖固定卡孔1-7-2中。辅助立柱1-9穿过辅助立柱固定螺栓孔1-4-2和辅助立柱穿孔1-7-1，并通过盖板定位固定螺栓1-8固定辅助立柱，以固定整个装置。
如图8所示，水平调节板1-3的底部安装有两个旋转定位调节螺栓1-3-1(即旋转定位调节螺栓1-2)，可以通过顺时针和逆时针旋转定位调节螺栓1-2来调节高低，进而调节装置水平。定位底板固定螺栓1-1穿过固定定位底板螺栓孔1-3-2和固定定位底板螺栓孔1-4-1将定位底板1-4和水平调节板1-3固定在一起。
基于上述测定装置的粘土膨胀性测定方法的操作步骤如下：
1.1原料准备
选取形状规则的完好的岩心，岩心在108℃下烘干12小时以上，而后测量长度、直径、质量等基础数据，并计算岩心密度，为原始岩心密度。
1.2样品制备
将上述选定的岩心粉碎呈颗粒状和粉末状混合物，并经过100目的筛网筛滤，并将筛滤后的颗粒与粉末混合均匀，防止细小颗粒吸收空气中的水分，将样品在80℃烘干4h，而后放置在干燥器中。
1.3样品装填
将膨胀筒固定在定位底板上，取出干燥器中的样品，在天平上称取一定质量的样品，按照步骤1.1计算的岩石密度计算出该质量对应的体积，设为体积V，将上述称量好的样品从粘土膨胀装置中膨胀筒顶端缓导入筒体中，装填过程中要使筒体倾斜45°，样品顺着筒体内壁滑落，装样品过程要缓慢，防止样品中的粉末飞起，装填完成后，将筒体放置竖直，在样品空间上部放置直径2.5cm的岩心垫块，并将不锈钢封盖和上定位盖板都安装好，通过均匀旋转上定位盖板上部辅助立柱的三个螺栓为粘土样品加压压实到体积V，形成粘土样品，原则上要求粘土样品装填压实后的高度是筒体内直径的1.0～1.5倍。由于压制后形成的粘土样品的体积与计算出的体积相同，因此，压制后形成的粘土样品的密度保持与原始岩心相同的密度，这样实验测得的结果才更符合实际。而后取出岩心垫块，将圆形多孔压盘放入筒体内粘土样品上表面，而后装上定位盖板密封，整个过程保证筒体竖直，且不要有剧烈振动。
1.4设备固定与调节水平
将定位底板通过螺栓固定在水平调节板上，而后置于恒温箱中，设备移动过程中要缓慢。通过调节底部的旋转定位调节螺栓来调节水平，并通过观察气泡式水平装置中心气泡的位置来判断是否水平。
1.5抽真空
实验用水是按照实际地层水资料由实验室配制的模拟水，将筒体上下通气口及活塞式中间容器和抽真空缓冲中间容器均接入连接真空泵的六通阀，将需要饱和的水样倒入活塞式中间容器中，活塞式中间容器中液面高度以活塞式中间容器空腔高度的三分之二为宜，留出足够的空气的空间，关闭活塞式中间容器底部的阀门。对膨胀筒和活塞式中间容器水样进行抽真空，在-0.1MPa压力下抽真空12小时，而后关闭筒体上下通气口，缓慢打开活塞式中间容器底部阀门，通过恒速恒压注入泵对活塞式中间容器底部注水，将活塞式中间容器上部原空气占据的空间排出，使其整个为储水空间。
1.6饱和实验水
在实验温度下，接通恒速恒压注入泵以0.5mL/min的速度从筒体的下通气口注水，在注水体积与粘土样品的体积相等时，停止注水，从上通气口抽真空10min，完全排出粘土样品中的空气，使粘土样品完全饱和地层水，而后继续从上通气口注水，直到水充满整个空间将恒速恒压注入泵改为恒压模式，此时，记录粘土样品上表面读数V0。
1.7测试过程
1.7.1同一温度下的粘土膨胀性测定
按照1.6的方法将粘土样品充分饱和水并使整个筒体空间储满水后，记录初始体积V0，而后以2h为间隔分别记录各时间点的体积读数(Vt1，Vt2，Vt3……)，直到体积不再变化，此时的体积记为Vtn，结束实验。
1.7.2粘土膨胀性随温度变化关系的测定
按照1.6的方法将粘土样品充分饱和水并使整个筒体空间储满水后，记录初始体积V0；①以2h间隔记录体积读数，直到粘土样品体积不再变化的体积记为V′t1，结束该温度下的实验；②升温至下一温度，重复步骤①，直至完成所有设定温度下的测定，体积不再变化时的读数分别记为V′t2，V′t3，V′t4，……V′tn，结束实验。
1.7.3同一压力下的粘土膨胀性测定
按照1.6的方法将粘土样品充分饱和水并使整个筒体空间储满水后，继续从上通气口注水，并观察粘土样品筒内压力变化，在压力达到设定压力后，将注入泵设为恒压模式，记录此时的粘土样品体积为Vp0，而后以2h为间隔分别记录各时间点的体积读数(Vp1，Vp2，Vp3……)，直到体积不再变化，此时的体积记为Vpn，结束实验。
1.7.4不同压力下的粘土膨胀性测定
按照1.6的方法将粘土样品充分饱和水并使整个筒体空间储满水后；①继续从上通气口注水，并观察粘土样品筒内压力变化，在压力达到设定压力后，将注入泵设为恒压模式，记录此时的粘土体积为Vp0；②而后以2h为间隔记录体积读数，直到粘土样品体积不再变化时体积记为Vp1，结束该压力下的实验；③更换下一压力，重复步骤①～②，直至测完所有设定压力下的实验，体积不再变化时的读数分别记为V′p1，V′p2，V′p3，V′p4，……V′pn，结束实验。
1.7.5不同矿化度下的粘土膨胀性测定
准备多个粘土膨胀性测定装置，粘土样品装填完成后，①按照1.5～1.6的方法将粘土样品充分饱和设定矿化度水并使整个筒体空间储满水后，记录此时各筒体的粘土样品体积Vk01，Vk02，Vk03，Vk04，……Vk0n；而后以2h为间隔分别记录各粘土样品体积读数，直到样品体积不再变化时的体积记为V′k1，V′k2，V′k3，V′k4，……V′kn，结束实验。
1.8滤网冲洗
实验结束，将粘土样品取出后，要对底端的滤网进行冲洗，防止残留的粘土堵塞滤网，冲洗可采用空气曝气冲洗，即在膨胀筒完全打开情况下，筒内保持高出滤网5cm左右的水，从底端注入阀以适当流量注入空气，被分割的小空气泡流经滤网时，将其中的残留颗粒剪切掉并悬浮在液体中，将悬浮液排出，并重新注入适量清水，直至冲洗干净，排除液体即可。
1.9数据处理
膨胀率数据的计算：样品膨胀的体积占原始体积的百分比。详细计算公式如下：
同一温度下的膨胀率计算：
上式中，V0是同一温度下初始体积；Vtn是同一温度下膨胀后的体积。
升温后的膨胀率计算：
上式中，V0为初始温度下的初始体积；V′tn为目标温度下膨胀后的体积。
同一压力下的粘土膨胀性计算：
上式中，Vp0为同一压力下的初始体积；Vpn为同一压力下膨胀后的体积。
升压后的膨胀率计算：
上式中，Vp0为初始压力下的初始体积；V′pn为目标压力下膨胀后的体积。
某一矿化度下的膨胀率计算：
上式中，Vk0n为某一矿化度下的初始体积；V′kn为同一矿化度下膨胀后的体积。
以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。
粘土膨胀装置实施例
本实施例提供一种粘土膨胀装置，该粘土膨胀装置属于油藏储层粘土膨胀性测定装置的一部分，但是，该粘土膨胀装置是一个独立的设备，可以单独生产和保护，由于上述油藏储层粘土膨胀性测定装置实施例已对该粘土膨胀装置的结构以及功能做出了详细地描述，本实施例就不再具体说明。