一種定量測定黏土結(jié)合水含量的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種定量測定黏土結(jié)合水含量的方法，依次包括以下步驟：(1)制備單離子黏土；(2)取一定量的單離子黏土進行熱重分析，根據(jù)DTG曲線計算得出黏土結(jié)合水的含量wt；(3)取一定量的單離子黏土，質(zhì)量為m，在降溫范圍為0～-50℃，保護氣速率為50ml/min，降溫速率為2.5℃/min的條件下進行差示掃描量熱分析，得到冰的質(zhì)量mi，然后在升溫范圍為0～300℃，保護氣速率為50ml/min，升溫速率為10℃/min的條件下進行差示掃描量熱分析，得到自由水和結(jié)合水的總質(zhì)量mw，從而計算出強結(jié)合水含量ws；(4)計算弱結(jié)合水含量。本發(fā)明原理可靠，操作簡便，可定量評價泥頁巖水化作用，解決了鉆泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定問題。
【專利說明】一種定量測定黏土結(jié)合水含量的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于油氣田鉆井作業(yè)中，鉆遇富含黏土礦物的地層中，定量測定 黏土結(jié)合水含量的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前在國內(nèi)和國外鉆井中，廣泛存在嚴(yán)重的井壁不穩(wěn)定問題，國內(nèi)在深井、復(fù)雜井 的鉆探中鉆井液技術(shù)研究主要通過"試錯式"的研究才能逐漸解決問題，研究的局限性較 大，對井壁穩(wěn)定的研究沒有上升到具有普遍意義，形成的處理劑及體系未系列化，封堵劑和 抑制劑的研究及優(yōu)選與國外相比存在一定的差距，力學(xué)-化學(xué)耦合模型也缺乏系統(tǒng)深入的 定量化研究，主要體現(xiàn)在缺乏有效的評價方法。
[0003] 現(xiàn)階段對泥頁巖與鉆井液接觸后水化作用的強弱的評價，主要依靠滾動回收率、 頁巖線性膨脹率、CST值以及泥頁巖分類方法來評價泥頁巖水化，但是這些方法大多是定性 或者半定量的，有時還會得到相反的結(jié)論，對泥頁巖水化機理方面的研究也難以自圓其說。 有必要定量化研究泥頁巖的水化作用，建立定量化的評價方法，為力學(xué)-化學(xué)耦合模型提 供定量化的參數(shù)，并進一步為定量評價抑制劑的抑制性能，為建立抑制劑性能的評價方法 具有重要意義。
[0004] 泥頁巖的水化作用，實質(zhì)上是泥頁巖中黏土的水化作用。黏土-水體系中存在三 種類型的水：強結(jié)合水、弱結(jié)合水、自由水。黏土結(jié)合水包括強結(jié)合水和弱結(jié)合水。黏土結(jié) 合水從質(zhì)和量的方面理解是黏土和水不同的連結(jié)形式。黏土礦物在不同水化階段吸附的結(jié) 合水具有不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。黏土強結(jié)合水和黏土礦物表面的氧以氫鍵聯(lián)接，緊密靠近固 體顆粒表面且排列有序，具有六角形島狀結(jié)構(gòu)和部分晶體性質(zhì)，黏度比自由水大，這部分水 不能傳遞靜水壓力，黏土強結(jié)合水量的大小與其比表面積成正比。黏土礦物的強結(jié)合水按 實質(zhì)屬于黏土礦物表面親水化合物的結(jié)晶水，屬黏土固相范圍。極性分子引起黏土礦物表 面的離子化作用，這一作用（表面離解作用）控制黏土礦物表面形成水化-離子擴散層的 滲透作用的產(chǎn)生，這水化-離子擴散層就稱為弱結(jié)合水。黏土礦物的弱結(jié)合水按實質(zhì)屬黏 土膠粒擴散層的水，屬液相范圍。在擴散雙電層模型中，強結(jié)合水的厚度相當(dāng)于結(jié)構(gòu)中的緊 密吸附層，較Stern層厚；弱結(jié)合水的厚度相當(dāng)于結(jié)構(gòu)中擴散層，較Couy-Chapman層??；自 由水為本體溶液。
[0005] 測定結(jié)合水的方法有很多，比如：容量法，離心沉降法，介電常數(shù)法，核磁共振法， 紅外光譜法，熱分析法等。但是容量法測量精度不夠，離心沉降法只能估算，并不能定量測 定結(jié)合水以及區(qū)分強弱結(jié)合水，使用介電常數(shù)法測量結(jié)合水時，結(jié)合水含量對計算模型有 很大影響，對實驗結(jié)果有較大誤差。核磁共振法可以用來定量測量黏土結(jié)合水，但是跟介電 常數(shù)法一樣，計算結(jié)果的誤差較大。紅外光譜法可以定性研究黏土結(jié)合水的存在形式，熱分 析可以定量分析黏土總結(jié)合水含量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種定量測定黏土結(jié)合水含量的方法，該方法原理可靠， 操作簡便，可定量評價泥頁巖水化作用，為力學(xué)-化學(xué)耦合模型提供定量化的參數(shù)，并進一 步定量評價抑制劑的抑制性能，從而建立抑制劑性能的評價方法，解決了鉆泥頁巖地層的 井壁穩(wěn)定問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0007] 為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。
[0008] -種定量測定黏土結(jié)合水含量的方法，依次包括以下步驟：
[0009] (1)制備單離子黏土
[0010] ①在一定量黏土中加入過量H202水溶液（質(zhì)量濃度30% )，黏土與過氧化氫劇烈 反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣體，并釋放大量的熱。充分反應(yīng)24h后，在60°C水浴中溫和加熱分解剩余 的H 202，在250°C下烘干黏土，用粉碎機將其粉碎，以備后用。
[0011] ②取上述黏土，用純水配制質(zhì)量濃度為1 %的黏土漿，攪拌20min后，加入NaOH (其 加量為黏土質(zhì)量的5% )，水化24h以上。
[0012] ③將黏土水化物進行離心處理，取上部液體，離心管底部殘留物即是雜質(zhì)、劣質(zhì)土 等。
[0013] ④取上部液體中黏土顆粒直徑d < 1 μ m的懸浮液，加入2mol/L同離子氯化物，攪 拌24h充分飽和，去除其他陽離子，用EDTA法檢測是否還有其他陽離子，若有再加入lmol/ L的同離子氯化物，直到懸浮液中沒有其他陽離子。
[0014] ⑤通過陰離子交換樹脂去除懸浮液中的氯離子，用AgN03檢測懸浮液中有無氯離 子；否則，需要用陰離子交換樹脂反復(fù)交換。將懸浮液在60°C條件下進行水浴加熱，除掉大 部分自由水，最后密封儲存。
[0015] (2)通過熱重分析（TG)計算黏土結(jié)合水含量
[0016] 由于水化黏土結(jié)合水脫附的溫度在300°C以內(nèi)，保護氣速率為60mL/min，升溫速 率為10°C /min時對實驗結(jié)果的影響較小。因此設(shè)定熱重分析的實驗條件是：溫度范圍為 40?300°C，保護氣速率為60mL/min，升溫速率為10°C /min。取一定量的單離子黏土放置 在坩堝內(nèi)，在設(shè)定的實驗條件下進行熱重分析，根據(jù)DTG曲線（TG曲線對溫度的一階微商） 可以計算得出此時黏土結(jié)合水的含量占去除自由水和結(jié)合水后單離子黏土的百分數(shù)w t。此 時的黏土不僅吸附了強結(jié)合水，還吸附了大量的弱結(jié)合水。用熱分析法不能區(qū)分強結(jié)合水、 弱結(jié)合水，但是可以肯定的是拐點（DTG曲線的峰值）后失去的重量的是結(jié)合水（強結(jié)合水 +弱結(jié)合水）的總含量。
[0017] (3)通過差示掃描量熱法（DSC)計算強結(jié)合水含量
[0018] 前提條件：2012年Tomasz研究了水化黏土與在p/ps = 0. 95條件下黏土等溫吸附 的DSC結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)在相對水汽平衡p/ps = 0. 95條件下，黏土的吸濕水含量等于強結(jié)合 水含量，而水化黏土在_50°C后的不凍水含量基本等于在p/ps = 0. 95條件下黏土的吸濕水 含量。因此假設(shè)水化黏土在_50°C后的不凍水含量即為強結(jié)合水含量。根據(jù)這個假設(shè)可以 計算對應(yīng)的強結(jié)合水含量占去除自由水和結(jié)合水后單離子黏土的百分數(shù)w s。
[0019] 取一定量的單離子黏土，得到單離子黏土測試前的質(zhì)量m，然后在降溫范圍為 0?-50°C，保護氣速率為50ml/min ;降溫速率為2. 5°C /min的條件下進行差示掃描量熱 分析，根據(jù)經(jīng)驗公式可得到冰的質(zhì)量叫。然后在升溫范圍為0?300°C，保護氣速率為50ml/ min，升溫速率為10°C /min的條件下進行差示掃描量熱分析，得到自由水和結(jié)合水的總質(zhì) 量mw，同時得到去除自由水和結(jié)合水后單離子黏土的質(zhì)量為（m-n〇。最后根據(jù)以下公式可 計算出強結(jié)合水含量。
[0020]

【權(quán)利要求】
l. 一種定量測定黏土結(jié)合水含量的方法，依次包括以下步驟： (1) 制備單離子黏土 在一定量黏土中加入過量H202水溶液，充分反應(yīng)24h后，在60°C水浴中溫和加熱分解 剩余的H202，在250°C下烘干黏土并粉碎，取上述黏土配制質(zhì)量濃度為1 %的黏土漿，攪拌 20min后，加入NaOH，NaOH的加量為黏土質(zhì)量的5 %，水化24h以上，再將黏土水化物進行離 心處理，取上部液體中黏土顆粒直徑d < 1 μ m的懸浮液，去除其他陽離子和氯離子； (2) 通過熱重分析計算黏土結(jié)合水含量 取一定量的單離子黏土放置在坩堝內(nèi)，在下述實驗條件下進行熱重分析：溫度范圍為 40?300°C，保護氣速率為60mL/min，升溫速率為10°C /min，根據(jù)DTG曲線計算得出此時黏 土結(jié)合水占去除自由水和結(jié)合水后單離子黏土的百分數(shù)wt ; (3) 通過差示掃描量熱法計算強結(jié)合水含量 取一定量的單離子黏土，其質(zhì)量為m，在降溫范圍為0?-50°C，保護氣速率為50ml/ min，降溫速率為2. 5°C /min的條件下進行差示掃描量熱分析，根據(jù)經(jīng)驗公式可得到冰的質(zhì) 量叫，然后在升溫范圍為0?300°C，保護氣速率為50ml/min，升溫速率為10°C /min的條 件下進行差示掃描量熱分析，得到自由水和結(jié)合水的總質(zhì)量mw，根據(jù)以下公式計算出強結(jié) 合水含量占去除自由水和結(jié)合水后單離子黏土的百分數(shù)w s : mw - ?1 =- 』 m - mw m, = ￡ ￡- AHm為低溫放熱峰的焓變值，J，L為冰的相變潛熱，J/g ; (4) 計算弱結(jié)合水含量 利用熱重分析測量的結(jié)合水含量百分數(shù)wt減去差示掃描量熱法測量的強結(jié)合水含量 百分數(shù)I，即得到弱結(jié)合水含量百分數(shù)ww。
【文檔編號】G01N5/04GK104297096SQ201410503883
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】鄧明毅, 謝剛, 梁大川, 蘇俊霖 申請人:西南石油大學(xué)