煤系地層巖石樣品中黏土含量測定方法研究

毋蘭冰，張勤，董三寶，陳剛,3，裴銀剛

1.西安石油大學陜西省油氣田環境污染控制技術與儲層保護重點實驗室（陜西 西安 710065）

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

3.西安石油大學油氣田化學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

黏土具有較強的吸水特性，在鉆井過程中地層的黏土遇水便會水化膨脹[1]，進而會大大增加鉆具摩阻，降低鉆井效率。地層中黏土含量（質量分數）較高時，還會導致井漏以及卡鉆等問題[2-4]，因此，黏土含量的準確測量對評估地層鉆井過程中的井壁穩定至關重要。為了預防在地層鉆井過程中出現井壁失穩垮塌，避免造成巨大的經濟損失，人們提出了各種各樣的黏土含量測定方法：超速離心機法、電泳法等。黏土含量測定技術的發展大大提高了人們對地層脆性的認知，有效預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險。

針對黏土提純，中國科學院地質研究所的李琍提出了較完善的靜水沉降法，并詳細介紹了應用于黏土懸浮液濃縮的電泳法[5]。北京大學地質系的黃寶玲等人提出了反復冷凍-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上探索出了焙燒+沉降分離法。針對煤巖樣品，由于此類物質有機質含量較高，本身密度較小，容易漂浮形成懸浮物[7-8]。為避免出現煤質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質，進而造成較大實驗誤差的情況發生，首先通過焙燒除去有機質，收集殘留灰分；其次將殘留灰分進行沉降分離操作。在沉降分離過程中，為避免由于時間誤差，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生[9-10]，在離心后進行二篩操作[11-13]。最后，基于焙燒+沉降分離法與XRD 分析法實驗對比，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 實驗部分

1.1 材料與儀器

長慶油田蘇里格區域石盒子組地層水和蒸餾水。

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

1.2 煤質地層黏土礦物提純流程

本文提出的煤質地層黏土礦物提純流程如圖1 所示：稱取質量為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 內升溫至500 ℃，在500 ℃恒溫30 min，再于30 min 內升至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容器，重復洗滌、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行離心操作；除去上清液，將剩余物質再次洗滌離心后得到二篩后物質；干燥、稱重，得出黏土的質量為。

圖1 煤質巖石黏土提純過程

煤質巖石中黏土顆粒質量分數由式（1）得出：

式中：X為煤質巖石中黏土顆粒的質量分數，%；m1為分離提取出的黏土顆粒質量，g；m為煤質巖石樣品總量，g。

2 結果與討論

2.1 煤質地層黏土礦物焙燒+沉降分離法

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

表1 焙燒后灰分水洗次數對測定結果的影響

圖2 煤質巖石黏土提純實操過程圖

2.2 煤質地層黏土礦物XRD分析法

為了驗證煤質地層黏土礦物焙燒+沉降分離法的技術可行性，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量分數進行了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，保持平整狀態后放入X 射線衍射儀中進行掃描[19]，掃描結果如圖3 所示。通過對譜圖進一步解析，得出送檢灰分復合成分的占比情況，解析結果見表2。

表2 復合成分質量占比

圖3 送檢灰分XRD衍射圖

從XRD 實驗結果可以看出，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60.70%，云母中黏土質量分數占比可達5.40%，即通過XRD 法測出的總黏土質量分數占比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量為11.24 g。

2.3 對照分析

為了避免單次實驗的偶然性，控制相同的實驗條件，對等質等量的煤巖樣品參照上述焙燒+沉降分離法進行多次重復測試得出黏土質量分數平均值，并參照XRD分析法同樣進行多次重復測試得出黏土質量分數平均值。

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量分數比XRD 分析法測得的平均黏土質量分數高出9.29%。經分析得出：當采用焙燒+沉降分離法進行煤系地層黏土提純時，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不可避免地被一并收集起來，產生一定誤差，但在可控范圍內。

表3 焙燒+沉降分離法與XRD分析法黏土含量測定

3 結論

本文以煤系地層巖石為研究對象，在常規沉降分離提取法基礎上探索了焙燒+沉降分離法，并與XRD分析法進行了對比。控制相同的實驗條件，對等質等量的煤巖樣品采用上述兩種方法分別進行6次重復實驗，實驗結果表明：焙燒+沉降分離法測得的黏土質量分數平均值高出XRD 分析法測得的黏土質量分數平均值9.29%（誤差在可控范圍內）。與其它他法比，焙燒+沉降分離法的優點是操作簡單、數據可靠。