粘土穩(wěn)定劑防膨率評(píng)價(jià)方法分析

張 娜，劉紅霞，張志振，何 留

中國(guó)石化勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心 （山東 東營(yíng) 257000）

在油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，粘土礦物是導(dǎo)致油層損害的重要潛在因素，而儲(chǔ)層水敏性又是油層損害的重要因素之一。因此，對(duì)粘土含量高、水敏性強(qiáng)的儲(chǔ)層，在鉆井、固井、注水、壓裂、酸化、修井和壓井等工藝措施中，使用粘土穩(wěn)定劑是保護(hù)水敏性地層的有效手段[1]。粘土防膨劑是油氣田開(kāi)發(fā)中使用量較大的一類油田化學(xué)品，有效的控制和提高粘土穩(wěn)定劑質(zhì)量對(duì)目前油田的開(kāi)發(fā)非常重要。防膨率是評(píng)價(jià)該產(chǎn)品的一個(gè)主要性能指標(biāo)，目前防膨率的評(píng)價(jià)方法主要依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5971-1994《注水用粘土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法》[2]來(lái)進(jìn)行。本文具體分析了頁(yè)巖膨脹儀法、具塞量筒法和離心法3種實(shí)驗(yàn)方法的誤差來(lái)源和影響因素，并結(jié)合以往歷史檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)各方法的操作給出了建議，以便為提高防膨率的測(cè)定準(zhǔn)確性提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)試劑:粘土穩(wěn)定劑（勝利油田現(xiàn)場(chǎng)在用工業(yè)品）、煤油（試劑純）、蒸餾水（三級(jí)水）。

主要儀器:BSA124S天平 （賽多利斯）、CPZ-2頁(yè)巖膨脹儀（青島膠南分析儀器廠）、L550型自平衡離心機(jī)（湖南湘儀）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

選取勝利油田現(xiàn)場(chǎng)在用的粘土穩(wěn)定劑工業(yè)品，按照中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5971-1994《注水用粘土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法》分別采用頁(yè)巖膨脹儀法、具塞量筒法和離心法進(jìn)行防膨率的測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 頁(yè)巖膨脹儀法

頁(yè)巖膨脹儀法是通過(guò)測(cè)定巖心粉在粘土穩(wěn)定劑溶液、水及煤油中線膨脹增量評(píng)價(jià)防膨率。選取4種粘土穩(wěn)定劑樣品在不同的試驗(yàn)條件下用頁(yè)巖膨脹儀法對(duì)防膨率進(jìn)行了對(duì)比檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1數(shù)據(jù)可知，在相同試驗(yàn)條件下，頁(yè)巖膨脹儀NP-01測(cè)定結(jié)果較CPZ偏高，這主要是因?yàn)槊總€(gè)儀器的位移傳感器的精度是有一定差別的。同時(shí)，不同鈉土的測(cè)定結(jié)果也不一致，其中新疆土測(cè)定結(jié)果較江漢土高，這主要是因?yàn)椴煌a(chǎn)地鈉土的粘土礦物種類和含量不同[3]。而且環(huán)境試驗(yàn)溫度不同也會(huì)帶來(lái)一定的誤差。由此得出，對(duì)于頁(yè)巖膨脹儀法測(cè)定防膨率，要注意以下問(wèn)題:

1）空白和樣品測(cè)試條件盡量保持一致，首先是巖心制備時(shí)，膨潤(rùn)土要稱量準(zhǔn)確并在測(cè)筒內(nèi)展平；選擇控壓精度較高的壓力機(jī)，均勻加壓至所需壓力，并保持穩(wěn)壓10min；檢驗(yàn)時(shí)保持一定的室溫，或者在測(cè)筒外部增加一個(gè)恒溫循環(huán)水??；使用雙通道頁(yè)巖膨脹儀檢驗(yàn)時(shí)，空白和樣品盡量使用同一通道。

表1 頁(yè)巖膨脹儀法防膨率試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比 %

2）頁(yè)巖膨脹儀要用不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)量塊定期自校準(zhǔn)，以保證儀器的準(zhǔn)確性。

2.2 具塞量筒法

具塞量筒法是利用具塞量筒測(cè)定膨潤(rùn)土粉在粘土穩(wěn)定劑溶液、水及煤油中體積膨脹增量評(píng)價(jià)防膨率。選取5種產(chǎn)品在2種濃度下用具塞量筒法對(duì)防膨率進(jìn)行了對(duì)比檢驗(yàn)，見(jiàn)表2。

表2 具塞量筒法防膨率試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

從表2數(shù)據(jù)可知，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好的5種粘土穩(wěn)定劑，室內(nèi)測(cè)定防膨率時(shí)，由于具塞量筒法利用自然沉降，不做離心，使得膨脹高度受樣品類型影響較大[4]。對(duì)于小分子量的樣品溶液，膨潤(rùn)土易沉降，孔隙比較致密，防膨率檢測(cè)數(shù)據(jù)較高，如5號(hào)產(chǎn)品。對(duì)于比較粘稠的大分子量樣品溶液，測(cè)試用鈉土易發(fā)生絮凝，沉降困難，且孔隙間存有一定水分，致使防膨效果偏低，如2號(hào)產(chǎn)品。

同時(shí)具塞量筒法測(cè)定防膨率時(shí)，膨潤(rùn)土在煤油中不發(fā)生膨脹，膨脹體積為膨潤(rùn)土的靜置體積。但膨潤(rùn)土在水中可充分進(jìn)行膨脹，在不同的實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)定的空白值不同，導(dǎo)致防膨率指標(biāo)偏差大。該方法可用于實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易快速測(cè)定，適合直接用膨脹體積來(lái)表征粘土穩(wěn)定劑產(chǎn)品的防膨效果，不適合將空白值代入計(jì)算的防膨率指標(biāo)來(lái)比較產(chǎn)品的優(yōu)劣。

2.3 離心法

離心法是利用離心管測(cè)定膨潤(rùn)土粉在粘土穩(wěn)定劑溶液、水及煤油中體積膨脹增量評(píng)價(jià)防膨率。膨潤(rùn)土粉在離心管中充分膨脹后，再通過(guò)對(duì)其離心，使孔隙間的水分排出，克服了具塞量筒法中因樣品絮凝而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)偏差，從而可以較準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)防膨效果[5]，是目前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)檢驗(yàn)或評(píng)價(jià)粘土穩(wěn)定劑產(chǎn)品常用的方法。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，為提高測(cè)定準(zhǔn)確度，離心法操作時(shí)還須注意以下細(xì)節(jié):

1）鈉土:由于不同的鈉膨潤(rùn)土在相同的測(cè)試條件下其膨脹體積差異很大，為了統(tǒng)一對(duì)粘土穩(wěn)定劑產(chǎn)品的評(píng)價(jià)和監(jiān)督，同一行業(yè)內(nèi)的各檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)必須采用統(tǒng)一篩選評(píng)價(jià)的膨潤(rùn)土來(lái)測(cè)試膨脹體積。

2）標(biāo)準(zhǔn)離心管:應(yīng)滿足以下幾項(xiàng)要求:①最小刻度為0.1mL；②精度為0.1mL；③最大刻度為10mL；④表面必須光滑；⑤具有一定壁厚的玻璃離心管，必須抗碎；⑥直徑必須與離心機(jī)鋼管直徑相匹配。

3）離心機(jī):選擇具有自動(dòng)平衡功能的離心機(jī)，轉(zhuǎn)速精度為1r/min，要求離心后界面保持水平，減少讀數(shù)誤差。

4）靜置時(shí)間:樣品溶液與膨潤(rùn)土混勻后，要靜置一段時(shí)間使膨潤(rùn)土充分膨脹。為合理確定膨脹時(shí)間，對(duì)樣品做了隨時(shí)間變化的對(duì)比實(shí)驗(yàn)（表3）。

從表3數(shù)據(jù)可知，靜置2小時(shí)后膨脹體積基本保持穩(wěn)定，同時(shí)為了消除溫度對(duì)膨脹量的影響，在20℃條件下靜置2h較為適宜。

5）離心轉(zhuǎn)速與時(shí)間:玻璃離心管在高離心轉(zhuǎn)速下易發(fā)生破碎，低轉(zhuǎn)速又會(huì)造成離心不充分，讀數(shù)偏大。

為了合理確定離心轉(zhuǎn)速，做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)（表4）。

表3 不同靜置時(shí)間下膨脹體積數(shù)據(jù) mL

表4 不同轉(zhuǎn)速下膨脹體積數(shù)據(jù) mL

從表4數(shù)據(jù)可知，2000r/min轉(zhuǎn)速太高，易造成離心管破碎。轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)，較為適宜。在實(shí)際操作過(guò)程中，可以在離心套筒底部加少量水，可以起到一定的緩沖作用，減少離心管破碎的狀況。

在1500r/min下，進(jìn)行了離心時(shí)間的影響試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同離心時(shí)間的膨脹體積數(shù)據(jù) mL

從表5數(shù)據(jù)可知，1500r/min、離心15min后，膨脹體積基本保持穩(wěn)定。同時(shí)對(duì)不同試驗(yàn)條件的防膨率測(cè)定偏差進(jìn)行了對(duì)比(表6)。

從表6數(shù)據(jù)可知，離心轉(zhuǎn)速和時(shí)間是影響防膨率測(cè)定準(zhǔn)確度的重要因素，樣品與膨潤(rùn)土溶液在20℃條件下靜置2h、1500r/min轉(zhuǎn)速下離心15min測(cè)試的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.76%，該該試驗(yàn)條件能保證粘土穩(wěn)定劑產(chǎn)品防膨率測(cè)定的準(zhǔn)確性和平行性。

表6 不同試驗(yàn)條件下防膨率試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

1）頁(yè)巖膨脹儀法、具塞量筒法受儀器、環(huán)境、空白等因素影響，數(shù)據(jù)的重復(fù)性和準(zhǔn)確度不高。頁(yè)巖膨脹儀法可通過(guò)定期自校準(zhǔn)、確保巖心制備的穩(wěn)定性和保持穩(wěn)定的環(huán)境條件來(lái)提高測(cè)定準(zhǔn)確度。具塞量筒法可用于實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易快速測(cè)定，適合直接用膨脹體積來(lái)表征粘土穩(wěn)定劑產(chǎn)品的防膨效果。

2）離心法可通過(guò)選擇自平衡離心機(jī)、樣品與膨潤(rùn)土溶液在20℃條件下靜置2h、1500r/min轉(zhuǎn)速下離心15min等操作來(lái)提高防膨率測(cè)定的準(zhǔn)確度和重復(fù)性。

[1]陳大鈞，陳馥.油氣田應(yīng)用化學(xué)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2006.

[2]SY/T 5971-1994注水用粘土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法[S].

[3]張建民，沈勤長(zhǎng).粘土水化膨脹試驗(yàn)方法及抑制效能的研究[J].鉆井液與完井液,1987（4）:35-37.

[4]尚蘊(yùn)果,蔣守禮.低滲透儲(chǔ)層注水用粘土穩(wěn)定劑室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究[J].科技信息,2010(23):554-555.

[5]陳紅偉，楊林，呂其波，等.季銨鹽型長(zhǎng)效粘土穩(wěn)定劑的性能評(píng)價(jià)[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010(6):73-75.