岳前升（長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

劉書杰（中海石油研究中心，北京100027）

胡友林（長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

何保生，李玉光（中海石油研究中心，北京100027）

粘土防膨劑性能評價(jià)的新方法研究

岳前升（長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

劉書杰（中海石油研究中心，北京100027）

胡友林（長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

何保生，李玉光（中海石油研究中心，北京100027）

粘土礦物的水化膨脹是導(dǎo)致鉆井井壁失穩(wěn)和儲(chǔ)層損害的根本原因，粘土礦物防膨評價(jià)方法對于正確使用粘土防膨劑具有重要意義；分析并綜述了粘土防膨劑試驗(yàn)結(jié)果評價(jià)方法及其特點(diǎn)；提出用激光粒度儀法研究粘土防膨的新方法，其基本特點(diǎn)是粘土礦物在不同介質(zhì)中作用后其粒徑分布存在明顯差別，粘土顆粒越小，防膨能力越強(qiáng)；研究表明：粘土礦物經(jīng)粘土防膨劑作用后其粒徑明顯小于蒸餾水；有機(jī)陽離子防膨劑防膨效果要優(yōu)于無機(jī)鹽類防膨劑；試驗(yàn)結(jié)果證明：激光粒度儀法來評價(jià)粘土防膨劑效果的方法是可行的，且其速度快、直觀，與離心膨脹法評價(jià)方法所得結(jié)果比較一致。

粘土礦物；水化膨脹；防膨劑；激光粒度儀；評價(jià)方法

粘土礦物在地層巖石中普遍發(fā)育，其種類主要有蒙脫石、伊/蒙混層、伊利石、高嶺石和綠泥石等，其化學(xué)成分為含鋁硅酸鹽。粘土礦物均具有不同程度水化膨脹特性，尤其以蒙脫石和伊/蒙混層礦物最為嚴(yán)重。粘土礦物的水化膨脹會(huì)導(dǎo)致地層巖石強(qiáng)度降低以及堵塞巖石內(nèi)部孔隙和喉道。因此，粘土礦物水化膨脹特性是造成鉆井井壁失穩(wěn)和發(fā)生油氣層損害的內(nèi)在因素，所以在油氣鉆探和開發(fā)中利用防膨劑對粘土礦物進(jìn)行防膨處理是非常必要的。

粘土防膨劑也稱為粘土穩(wěn)定劑，是油氣田開發(fā)中使用量較大的一類油田化學(xué)品。目前防膨劑主要評價(jià)方法存在著精度不高或重現(xiàn)性不好等缺點(diǎn)，導(dǎo)致許多粘土防膨劑的現(xiàn)場使用效果不佳，達(dá)不到有效防膨目的。為此，筆者嘗試運(yùn)用激光粒度儀法來研究粘土防膨劑的防膨效果和性能。

1 現(xiàn)行粘土防膨劑性能評價(jià)方法存在的問題

1.1 石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

目前粘土防膨劑評價(jià)方法使用最廣泛的是石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《注水用粘土穩(wěn)定劑性能評價(jià)方法》［1］，該標(biāo)準(zhǔn)通過測定粘土水化后線性膨脹率或體積變化評價(jià)防膨效果。這2種評價(jià)方法操作簡單，但存在著誤差較大、重復(fù)性差等缺點(diǎn)。

1.2 X－射線衍射法

X－射線衍射法［2～4］是利用布拉格衍射方程測定礦物的晶面間距，每種礦物具有特定的晶面間距，如果其發(fā)生水化膨脹則其晶面間距必然也隨之發(fā)生變化。由于衍射儀無法測試過于濕潤或含水量太高的樣品，因此樣品需進(jìn)行干燥，在干燥過程中隨水分的蒸發(fā)，處理劑的濃度逐漸變大，這樣會(huì)導(dǎo)致高于初始濃度的處理劑作用于樣品，給評價(jià)結(jié)果帶來較大的誤差。同時(shí)，由于X－射線衍射儀屬大型儀器，普及率不高。

2 應(yīng)用激光粒度儀進(jìn)行粘土防膨劑性能評價(jià)的新方法

激光粒度儀是20世紀(jì)90年代開始引進(jìn)并很快得到廣泛應(yīng)用的一種先進(jìn)儀器，具有測量精度高、操作簡便等特點(diǎn)［5～7］。下面提出應(yīng)用激光粒度儀進(jìn)行粘土防膨劑性能評價(jià)的新方法。

2.1 工作原理

用激光粒度儀評價(jià)粘土防膨劑性能的基本原理是：粘土礦物顆粒與水作用后體積會(huì)發(fā)生不同程度膨脹；而與粘土防膨劑水溶液作用后，由于粘土防膨劑分子吸附作用，粘土顆粒尺寸也會(huì)發(fā)生變化。用激光粒度儀檢測這種差異，就能發(fā)現(xiàn)粘土防膨劑與粘土顆粒尺寸之間的內(nèi)在聯(lián)系。

2.2 儀器和材料

所用儀器有：歐美克LS－POP（3）型激光粒度儀，測量粒徑范圍0.1～200μm；離心機(jī)；恒溫水浴鍋；電子天平，感量0.001g；高速攪拌機(jī)。所用材料有：蒸餾水；陽離子型粘土防膨劑HCS（主要成份為聚二甲基二烯丙基氯化銨），有效含量60%；二級膨潤土，中海油田服務(wù)股份有限公司產(chǎn)品；無水乙醇、氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、硅酸鈉，均為分析純。

2.3 試驗(yàn)方法

應(yīng)用激光粒度儀進(jìn)行粘土防膨劑性能評價(jià)的試驗(yàn)步驟如下：①將膨潤土粉過100目篩于105±1℃電熱恒溫干燥箱中，恒溫6h，置干燥箱器中冷卻至室溫備用；②配備不同濃度的粘土防膨劑水溶液；③量取300ml粘土防膨劑水溶液，準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量膨潤土粉加入，在3000r/min轉(zhuǎn)速下攪拌5min，在30℃恒溫水浴鍋放置24h；④將樣品在3000r/min轉(zhuǎn)速下攪拌5min后以無水乙醇為循環(huán)液用激光粒度儀快速測定樣品的粒度分布。

2.4 結(jié)果分析

1）膨潤土含量 研究了膨潤土含量對試驗(yàn)結(jié)果影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3%和5%膨潤土試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律性不強(qiáng)，經(jīng)分析后認(rèn)為：膨潤土水化造漿能力較強(qiáng)，較高濃度時(shí)容易形成膠凝結(jié)構(gòu)，即膨潤土顆粒之間會(huì)出現(xiàn)“搭橋”現(xiàn)象，造成粒度分布出現(xiàn)規(guī)律性不強(qiáng)。進(jìn)一步研究表明，膨潤土含量以不超過1%為宜。

2）不同種類防膨劑 研究了0.5%膨潤土在不同濃度防膨劑水溶液中的粒度分布，試驗(yàn)結(jié)果見表1。表1結(jié)果表明，與蒸餾水相比，加入粘土防膨劑后，粘土顆粒粒徑明顯變小，說明粘土顆粒水化膨脹受到明顯抑制，粒徑越小，說明防膨效果越好。在無機(jī)鹽類防膨劑中，相同加量條件下，CaCl2防膨效果最強(qiáng)，其次是Na2SiO3和KCl，NaCl最差；而有機(jī)陽離子型防膨劑HCS防膨效果最好。利用激光粒度儀法所測試驗(yàn)結(jié)果和規(guī)律與其他方法所得結(jié)果比較符合［8～11］。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)用D10、D20和D30較之D50和D90數(shù)據(jù)更具有規(guī)律性。

表1 0.5%膨潤土在不同防膨劑溶液中粒度分布

2.5 離心膨脹法對比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該試驗(yàn)結(jié)果及采用激光粒度儀法進(jìn)行防膨效果評價(jià)方法可行性研究，對該試驗(yàn)中所用到的防膨劑使用離心膨脹法進(jìn)行了防膨率測定，結(jié)果見表2。

表2 離心膨脹法評價(jià)粘土防膨劑結(jié)果

表2結(jié)果顯示，利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)離心法所測結(jié)果與激光粒度儀測試結(jié)果比較一致。

3 結(jié)論與建議

1）應(yīng)用激光粒度儀法通過測試粘土顆粒的粒度分布來研究防膨效果的方法是可行的，且速度快、直觀。

2）粒度分布中可以采用D10、D20或D30值來定性判斷粘土防膨劑防膨效果。

3）對于采用激光粒度儀法定量評價(jià)不同種類粘土防膨劑及其防膨效果量化應(yīng)做進(jìn)一步深入細(xì)致的研究工作。

［1］SY/T 5971－94，注水用粘土穩(wěn)定劑性能評價(jià)方法［S］.

［2］崔付義，馬興芹，張?jiān)浦?，?注水處理用粘土防膨劑的優(yōu)選［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2005，12（1）：75～77，80.

［3］徐洪明，唐洪明，田剛，等.利用X射線衍射儀評價(jià)防膨劑效果的實(shí)驗(yàn)方法［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，28（5）：33～35.

［4］郭志華，許星，衣春霞，等.防膨穩(wěn)定劑系統(tǒng)評價(jià)及礦場應(yīng)用［J］.大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2002，21（6）：44～47.

［5］牛占，李靜，和瑞莉，等.篩法/激光粒度儀法接序測定全樣泥沙級配的調(diào)整處理［J］.水文，2006，26（1）：72～75.

［6］陳營.激光粒度儀法測定HDPE粉末粒度及粒度分布的研究［J］.云南化工，2006，33（1）：46～48.

［7］賀存君，王振新，楊東彪，等.激光粒度儀在鐵礦石目級粒度檢測中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2009，47（3）：107～108.

［8］邱正松，李健鷹，龍萬成，等.無機(jī)鹽抑制頁巖分散的作用探討［J］.油田化學(xué)，1994，11（4）：283～286，299.

［9］邱正松，李健鷹，郭東榮，等.鉀離子和鈣離子協(xié)同抑制作用的探討［J］.鉆井液與完井液，1994，11（4）：1～3，8.

［10］徐同臺(tái)，陳其正，范維慶，等.鉀離子穩(wěn)定井壁機(jī)理的研討［J］.鉆井液與完井液，1998，15（3）：3～8.

［11］Nesbitt L E ，King G P，Thurber N E ，et al.Shale stabilization principles［J］.SPE 14248，1985.

New Method for Evaluating the Performance of Clay－swelling Stabilizer

YUE Qian－sheng（College of Chemistry and Environmental Engineering，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）
LIU Shu－jie（Research Center of CNOOC，Beijing100027，China）
HU You－lin（College of Chemistry and Environmental Engineering，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）
HE Bao－sheng，Li Yu－guang（Research Center of CNOOC，Beijing100027，China）

Hydration swelling of clay minerals was an essential reason for borehole instability and formation damage，the method for evaluating the swelling inhibition was of great significance for correct use of swelling stabilizer.The result of testing，the evaluation method and its characteristics were analyzed and reviewed.A new method by using laser particle size analyzer for evaluating swelling inhibition was presented.The principle was that particle size distribution of clay mineral was different after treating in different media；the smaller clay particle was，the stronger the anti－swelling ability was.The results show that particle size of clay mineral become smaller than that of distilled water after it is treated by using the swelling stabilizer，the effect of organic cationic agent is higher than that of inorganic salt.Moreover，the results by using laser particle size analyzer is consistent with that of centrifuge method.The method by using laser particle size analyzer is feasible.

clay mineral；hydration swelling；swelling stabilizer；laser particle size analyzer；evaluating method

TE 254.4

A

1000－9752（2010）05－0129－03

2010－07－20

國家科技重大專項(xiàng)（2008ZX05056－002－03－04）；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2008CDZ005）。

岳前升（1973－），男，1996年江漢石油學(xué)院畢業(yè)，博士，副教授，現(xiàn)主要從事油田應(yīng)用化學(xué)方面的教學(xué)與研究工作。

［編輯］ 蘇開科