毋蘭冰，張勤，董三寶，陳剛,3，裴銀剛

1.西安石油大學(xué)陜西省油氣田環(huán)境污染控制技術(shù)與儲(chǔ)層保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（陜西 西安 710065）

2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司（陜西 西安 710060）

3.西安石油大學(xué)油氣田化學(xué)陜西省高校工程研究中心（陜西 西安 710065）

4.中國石油長慶油田分公司第十二彩油廠（甘肅 慶陽 745400）

0 引言

黏土具有較強(qiáng)的吸水特性，在鉆井過程中地層的黏土遇水便會(huì)水化膨脹[1]，進(jìn)而會(huì)大大增加鉆具摩阻，降低鉆井效率。地層中黏土含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）較高時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致井漏以及卡鉆等問題[2-4]，因此，黏土含量的準(zhǔn)確測量對評估地層鉆井過程中的井壁穩(wěn)定至關(guān)重要。為了預(yù)防在地層鉆井過程中出現(xiàn)井壁失穩(wěn)垮塌，避免造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，人們提出了各種各樣的黏土含量測定方法：超速離心機(jī)法、電泳法等。黏土含量測定技術(shù)的發(fā)展大大提高了人們對地層脆性的認(rèn)知，有效預(yù)防了在地層鉆井過程中因地層脆性較高而造成的井壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

針對黏土提純，中國科學(xué)院地質(zhì)研究所的李琍提出了較完善的靜水沉降法，并詳細(xì)介紹了應(yīng)用于黏土懸浮液濃縮的電泳法[5]。北京大學(xué)地質(zhì)系的黃寶玲等人提出了反復(fù)冷凍-解凍法，該方法可避免將碎屑鉀長石粉碎成黏土粒級，保證黏土提純的精準(zhǔn)度[6]。然而煤系地層巖石樣品著色較重，且含有大量的低密度組分，在實(shí)際操作過程中，目前的黏土提純方法適用性較差，黏土含量不易測定。因此，有必要開發(fā)出簡便可行的測定方法。

本文在SY/T 5408—2018《沉積巖中黏土顆粒含量測定》中沉降虹吸分離法的基礎(chǔ)上探索出了焙燒+沉降分離法。針對煤巖樣品，由于此類物質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量較高，本身密度較小，容易漂浮形成懸浮物[7-8]。為避免出現(xiàn)煤質(zhì)地層黏土礦物顆粒多次水洗靜置沉降分離所制成的懸浮液中仍有大量有機(jī)質(zhì)，進(jìn)而造成較大實(shí)驗(yàn)誤差的情況發(fā)生，首先通過焙燒除去有機(jī)質(zhì)，收集殘留灰分；其次將殘留灰分進(jìn)行沉降分離操作。在沉降分離過程中，為避免由于時(shí)間誤差，密度大的顆粒還沒來得及沉降就被人工清洗至懸浮液存放瓶中的情況發(fā)生[9-10]，在離心后進(jìn)行二篩操作[11-13]。最后，基于焙燒+沉降分離法與XRD 分析法實(shí)驗(yàn)對比，研究焙燒+沉降分離法對煤系地層黏土礦物含量測量的可適性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

長慶油田蘇里格區(qū)域石盒子組地層水和蒸餾水。

低速離心機(jī)，上海某科學(xué)儀器廠；D/max2200PC型X射線衍射儀，美國某公司；AL204型電子分析天平，上海某實(shí)驗(yàn)電爐有限公司；KFS-7-12 型精密控制電爐（馬弗爐），上海某實(shí)驗(yàn)電爐有限公司；WHL-25AB型臺(tái)式電熱恒溫干燥箱，天津市某儀器有限公司。

1.2 煤質(zhì)地層黏土礦物提純流程

本文提出的煤質(zhì)地層黏土礦物提純流程如圖1 所示：稱取質(zhì)量為m的樣品，粉碎、過篩（篩孔0.1 mm）后裝在灰皿中[14-15]；將灰皿置于馬弗爐中在30 min 內(nèi)升溫至500 ℃，在500 ℃恒溫30 min，再于30 min 內(nèi)升至815 ℃并保持3.5 h[16-18]；冷卻后收集灰分并稱重，將灰分轉(zhuǎn)至燒杯中與適量蒸餾水混合，靜置15 min；取杯底沉淀物3～5 cm 上方的懸浮液至另一個(gè)容器，重復(fù)洗滌、靜置，直至燒杯中上層懸浮液清澈為止；將容器中所收集的各次提取的懸浮液進(jìn)行離心操作；除去上清液，將剩余物質(zhì)再次洗滌離心后得到二篩后物質(zhì)；干燥、稱重，得出黏土的質(zhì)量為。

圖1 煤質(zhì)巖石黏土提純過程

煤質(zhì)巖石中黏土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)由式（1）得出：

式中：X為煤質(zhì)巖石中黏土顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；m1為分離提取出的黏土顆粒質(zhì)量，g；m為煤質(zhì)巖石樣品總量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤質(zhì)地層黏土礦物焙燒+沉降分離法

結(jié)合上述黏土提純流程，進(jìn)行煤質(zhì)地層黏土礦物中黏土提純實(shí)驗(yàn)：取28.00 g煤樣品粉碎成0.1 mm粒徑的細(xì)小顆粒，在馬弗爐中進(jìn)行焙燒操作，焙燒后即得灰分（如圖2（a）），稱量得焙燒后灰分質(zhì)量為17.00 g；后將灰分放入燒杯中使用蒸餾水進(jìn)行多次水洗直至杯底剩余沉淀物質(zhì)量不再變化為止（表1），制得懸浮液（如圖2（b）），再將其進(jìn)行離心操作，除去上清液，將剩余物質(zhì)再次洗滌離心后得到二篩后物質(zhì)（如圖2（c））；最后，將二篩后物質(zhì)置于烘箱中烘干得到黏土顆粒（如圖2（d）），稱量得剩余黏土顆粒質(zhì)量為13.29 g。

表1 焙燒后灰分水洗次數(shù)對測定結(jié)果的影響

圖2 煤質(zhì)巖石黏土提純實(shí)操過程圖

2.2 煤質(zhì)地層黏土礦物XRD分析法

為了驗(yàn)證煤質(zhì)地層黏土礦物焙燒+沉降分離法的技術(shù)可行性，參考SY/T 5163—2018《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X 射線衍射分析方法》，對同種煤系地層中的巖石樣品中的黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了XRD 分析。為了控制單一變量，取2.00 g 左右焙燒后的同等灰分放入X 射線衍射儀專用樣品盒中，借用載玻片將樣品壓實(shí)，保持平整狀態(tài)后放入X 射線衍射儀中進(jìn)行掃描[19]，掃描結(jié)果如圖3 所示。通過對譜圖進(jìn)一步解析，得出送檢灰分復(fù)合成分的占比情況，解析結(jié)果見表2。

表2 復(fù)合成分質(zhì)量占比

圖3 送檢灰分XRD衍射圖

從XRD 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，送檢灰分中含有SiO2、CaCO3以及高嶺土、云母等成分，黏土成分均來自于高嶺土與云母中。其中高嶺土中黏土含量占比可達(dá)60.70%，云母中黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比可達(dá)5.40%，即通過XRD 法測出的總黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比66.10%。故對于28 g煤樣品來講，其焙燒操作后剩余灰分17.00 g，通過XRD分析法所得的黏土顆粒質(zhì)量為11.24 g。

2.3 對照分析

為了避免單次實(shí)驗(yàn)的偶然性，控制相同的實(shí)驗(yàn)條件，對等質(zhì)等量的煤巖樣品參照上述焙燒+沉降分離法進(jìn)行多次重復(fù)測試得出黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值，并參照XRD分析法同樣進(jìn)行多次重復(fù)測試得出黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值。

由表3 可以看出兩種方法之間存在一定誤差，焙燒+沉降分離法測得的平均黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)比XRD 分析法測得的平均黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)高出9.29%。經(jīng)分析得出：當(dāng)采用焙燒+沉降分離法進(jìn)行煤系地層黏土提純時(shí)，在收集懸浮液的過程中，對于一些被黏土顆粒挾裹起來的密度更小的物質(zhì)不可避免地被一并收集起來，產(chǎn)生一定誤差，但在可控范圍內(nèi)。

表3 焙燒+沉降分離法與XRD分析法黏土含量測定

3 結(jié)論

本文以煤系地層巖石為研究對象，在常規(guī)沉降分離提取法基礎(chǔ)上探索了焙燒+沉降分離法，并與XRD分析法進(jìn)行了對比?？刂葡嗤膶?shí)驗(yàn)條件，對等質(zhì)等量的煤巖樣品采用上述兩種方法分別進(jìn)行6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：焙燒+沉降分離法測得的黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值高出XRD 分析法測得的黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值9.29%（誤差在可控范圍內(nèi)）。與其它他法比，焙燒+沉降分離法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、數(shù)據(jù)可靠。