粘土穩定劑防膨率評價方法分析

張 娜，劉紅霞，張志振，何 留

中國石化勝利油田分公司技術檢測中心 （山東 東營 257000）

在油田開發過程中，粘土礦物是導致油層損害的重要潛在因素，而儲層水敏性又是油層損害的重要因素之一。因此，對粘土含量高、水敏性強的儲層，在鉆井、固井、注水、壓裂、酸化、修井和壓井等工藝措施中，使用粘土穩定劑是保護水敏性地層的有效手段[1]。粘土防膨劑是油氣田開發中使用量較大的一類油田化學品，有效的控制和提高粘土穩定劑質量對目前油田的開發非常重要。防膨率是評價該產品的一個主要性能指標，目前防膨率的評價方法主要依據行業標準SY/T 5971-1994《注水用粘土穩定劑性能評價方法》[2]來進行。本文具體分析了頁巖膨脹儀法、具塞量筒法和離心法3種實驗方法的誤差來源和影響因素，并結合以往歷史檢驗數據，對各方法的操作給出了建議，以便為提高防膨率的測定準確性提供依據。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑與儀器

實驗試劑:粘土穩定劑（勝利油田現場在用工業品）、煤油（試劑純）、蒸餾水（三級水）。

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

1.2 實驗方法

選取勝利油田現場在用的粘土穩定劑工業品，按照中國石油天然氣行業標準SY/T 5971-1994《注水用粘土穩定劑性能評價方法》分別采用頁巖膨脹儀法、具塞量筒法和離心法進行防膨率的測定。

2 結果與討論

2.1 頁巖膨脹儀法

頁巖膨脹儀法是通過測定巖心粉在粘土穩定劑溶液、水及煤油中線膨脹增量評價防膨率。選取4種粘土穩定劑樣品在不同的試驗條件下用頁巖膨脹儀法對防膨率進行了對比檢驗，試驗結果見表1。

從表1數據可知，在相同試驗條件下，頁巖膨脹儀NP-01測定結果較CPZ偏高，這主要是因為每個儀器的位移傳感器的精度是有一定差別的。同時，不同鈉土的測定結果也不一致，其中新疆土測定結果較江漢土高，這主要是因為不同產地鈉土的粘土礦物種類和含量不同[3]。而且環境試驗溫度不同也會帶來一定的誤差。由此得出，對于頁巖膨脹儀法測定防膨率，要注意以下問題:

1）空白和樣品測試條件盡量保持一致，首先是巖心制備時，膨潤土要稱量準確并在測筒內展平；選擇控壓精度較高的壓力機，均勻加壓至所需壓力，并保持穩壓10min；檢驗時保持一定的室溫，或者在測筒外部增加一個恒溫循環水浴；使用雙通道頁巖膨脹儀檢驗時，空白和樣品盡量使用同一通道。

表1 頁巖膨脹儀法防膨率試驗數據對比 %

2）頁巖膨脹儀要用不同規格的標準量塊定期自校準，以保證儀器的準確性。

2.2 具塞量筒法

具塞量筒法是利用具塞量筒測定膨潤土粉在粘土穩定劑溶液、水及煤油中體積膨脹增量評價防膨率。選取5種產品在2種濃度下用具塞量筒法對防膨率進行了對比檢驗，見表2。

表2 具塞量筒法防膨率試驗數據對比

從表2數據可知，對于現場應用效果良好的5種粘土穩定劑，室內測定防膨率時，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]。對于小分子量的樣品溶液，膨潤土易沉降，孔隙比較致密，防膨率檢測數據較高，如5號產品。對于比較粘稠的大分子量樣品溶液，測試用鈉土易發生絮凝，沉降困難，且孔隙間存有一定水分，致使防膨效果偏低，如2號產品。

同時具塞量筒法測定防膨率時，膨潤土在煤油中不發生膨脹，膨脹體積為膨潤土的靜置體積。但膨潤土在水中可充分進行膨脹，在不同的實驗條件下測定的空白值不同，導致防膨率指標偏差大。該方法可用于實驗室或現場簡易快速測定，適合直接用膨脹體積來表征粘土穩定劑產品的防膨效果，不適合將空白值代入計算的防膨率指標來比較產品的優劣。

2.3 離心法

離心法是利用離心管測定膨潤土粉在粘土穩定劑溶液、水及煤油中體積膨脹增量評價防膨率。膨潤土粉在離心管中充分膨脹后，再通過對其離心，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生的數據偏差，從而可以較準確的評價防膨效果[5]，是目前實驗室內檢驗或評價粘土穩定劑產品常用的方法。經過大量的試驗，為提高測定準確度，離心法操作時還須注意以下細節:

1）鈉土:由于不同的鈉膨潤土在相同的測試條件下其膨脹體積差異很大，為了統一對粘土穩定劑產品的評價和監督，同一行業內的各檢驗機構必須采用統一篩選評價的膨潤土來測試膨脹體積。

2）標準離心管:應滿足以下幾項要求: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直徑必須與離心機鋼管直徑相匹配。

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

4）靜置時間:樣品溶液與膨潤土混勻后，要靜置一段時間使膨潤土充分膨脹。為合理確定膨脹時間，對樣品做了隨時間變化的對比實驗（表3）。

從表3數據可知，靜置2小時后膨脹體積基本保持穩定，同時為了消除溫度對膨脹量的影響，在20℃條件下靜置2h較為適宜。

5）離心轉速與時間:玻璃離心管在高離心轉速下易發生破碎，低轉速又會造成離心不充分，讀數偏大。

為了合理確定離心轉速，做了對比實驗（表4）。

表3 不同靜置時間下膨脹體積數據 mL

表4 不同轉速下膨脹體積數據 mL

從表4數據可知，2000r/min轉速太高，易造成離心管破碎。轉速為1500r/min時，較為適宜。在實際操作過程中，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，進行了離心時間的影響試驗，測試結果見表5。

表5 不同離心時間的膨脹體積數據 mL

從表5數據可知，1500r/min、離心15min后，膨脹體積基本保持穩定。同時對不同試驗條件的防膨率測定偏差進行了對比(表6)。

從表6數據可知，離心轉速和時間是影響防膨率測定準確度的重要因素，樣品與膨潤土溶液在20℃條件下靜置2h、1500r/min轉速下離心15min測試的相對標準偏差為0.76%，該該試驗條件能保證粘土穩定劑產品防膨率測定的準確性和平行性。

表6 不同試驗條件下防膨率試驗結果

3 結論

1）頁巖膨脹儀法、具塞量筒法受儀器、環境、空白等因素影響，數據的重復性和準確度不高。頁巖膨脹儀法可通過定期自校準、確保巖心制備的穩定性和保持穩定的環境條件來提高測定準確度。具塞量筒法可用于實驗室或現場簡易快速測定，適合直接用膨脹體積來表征粘土穩定劑產品的防膨效果。

2）離心法可通過選擇自平衡離心機、樣品與膨潤土溶液在20℃條件下靜置2h、1500r/min轉速下離心15min等操作來提高防膨率測定的準確度和重復性。

[1]陳大鈞，陳馥.油氣田應用化學[M].北京:石油工業出版社，2006.

[2]SY/T 5971-1994注水用粘土穩定劑性能評價方法[S].

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

[4]尚蘊果,蔣守禮.低滲透儲層注水用粘土穩定劑室內實驗研究[J].科技信息,2010(23):554-555.

[5]陳紅偉，楊林，呂其波，等.季銨鹽型長效粘土穩定劑的性能評價[J].重慶科技學院學報:自然科學版,2010(6):73-75.