一种定量测定黏土结合水含量的方法技术

本发明专利技术涉及一种定量测定黏土结合水含量的方法，依次包括以下步骤：(1)制备单离子黏土；(2)取一定量的单离子黏土进行热重分析，根据DTG曲线计算得出黏土结合水的含量wt；(3)取一定量的单离子黏土，质量为m，在降温范围为0～-50℃，保护气速率为50ml/min，降温速率为2.5℃/min的条件下进行差示扫描量热分析，得到冰的质量mi，然后在升温范围为0～300℃，保护气速率为50ml/min，升温速率为10℃/min的条件下进行差示扫描量热分析，得到自由水和结合水的总质量mw，从而计算出强结合水含量ws；(4)计算弱结合水含量。本发明专利技术原理可靠，操作简便，可定量评价泥页岩水化作用，解决了钻泥页岩地层的井壁稳定问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于油气田钻井作业中，钻遇富含黏土矿物的地层中，定量测定 黏土结合水含量的方法。
技术介绍
目前在国内和国外钻井中，广泛存在严重的井壁不稳定问题，国内在深井、复杂井 的钻探中钻井液技术研究主要通过试错式的研究才能逐渐解决问题，研究的局限性较 大，对井壁稳定的研究没有上升到具有普遍意义，形成的处理剂及体系未系列化，封堵剂和 抑制剂的研究及优选与国外相比存在一定的差距，力学-化学耦合模型也缺乏系统深入的 定量化研究，主要体现在缺乏有效的评价方法。 现阶段对泥页岩与钻井液接触后水化作用的强弱的评价，主要依靠滚动回收率、 页岩线性膨胀率、CST值以及泥页岩分类方法来评价泥页岩水化，但是这些方法大多是定性 或者半定量的，有时还会得到相反的结论，对泥页岩水化机理方面的研究也难以自圆其说。 有必要定量化研究泥页岩的水化作用，建立定量化的评价方法，为力学-化学耦合模型提 供定量化的参数，并进一步为定量评价抑制剂的抑制性能，为建立抑制剂性能的评价方法 具有重要意义。 泥页岩的水化作用，实质上是泥页岩中黏土的水化作用。黏土-水体系中存在三 种类型的水：强结合水、弱结合水、自由水。黏土结合水包括强结合水和弱结合水。黏土结 合水从质和量的方面理解是黏土和水不同的连结形式。黏土矿物在不同水化阶段吸附的结 合水具有不同的结构和性质。黏土强结合水和黏土矿物表面的氧以氢键联接，紧密靠近固 体颗粒表面且排列有序，具有六角形岛状结构和部分晶体性质，黏度比自由水大，这部分水 不能传递静水压力，黏土强结合水量的大小与其比表面积成正比。黏土矿物的强结合水按 实质属于黏土矿物表面亲水化合物的结晶水，属黏土固相范围。极性分子引起黏土矿物表 面的离子化作用，这一作用（表面离解作用）控制黏土矿物表面形成水化-离子扩散层的 渗透作用的产生，这水化-离子扩散层就称为弱结合水。黏土矿物的弱结合水按实质属黏 土胶粒扩散层的水，属液相范围。在扩散双电层模型中，强结合水的厚度相当于结构中的紧 密吸附层，较Stern层厚；弱结合水的厚度相当于结构中扩散层，较Couy-Chapman层薄；自 由水为本体溶液。 测定结合水的方法有很多，比如：容量法，离心沉降法，介电常数法，核磁共振法， 红外光谱法，热分析法等。但是容量法测量精度不够，离心沉降法只能估算，并不能定量测 定结合水以及区分强弱结合水，使用介电常数法测量结合水时，结合水含量对计算模型有 很大影响，对实验结果有较大误差。核磁共振法可以用来定量测量黏土结合水，但是跟介电 常数法一样，计算结果的误差较大。红外光谱法可以定性研究黏土结合水的存在形式，热分 析可以定量分析黏土总结合水含量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，该方法原理可靠， 操作简便，可定量评价泥页岩水化作用，为力学-化学耦合模型提供定量化的参数，并进一 步定量评价抑制剂的抑制性能，从而建立抑制剂性能的评价方法，解决了钻泥页岩地层的 井壁稳定问题，具有广阔的应用前景。 为实现上述技术目的，本专利技术采用以下技术方案。 -种定量测定黏土结合水含量的方法，依次包括以下步骤： (1)制备单离子黏土 ①在一定量黏土中加入过量H202水溶液（质量浓度30% )，黏土与过氧化氢剧烈 反应，产生大量气体，并释放大量的热。充分反应24h后，在60°C水浴中温和加热分解剩余 的H 202，在250°C下烘干黏土，用粉碎机将其粉碎，以备后用。 ②取上述黏土，用纯水配制质量浓度为1 %的黏土浆，搅拌20min后，加入NaOH (其 加量为黏土质量的5% )，水化24h以上。 ③将黏土水化物进行离心处理，取上部液体，离心管底部残留物即是杂质、劣质土 等。 ④取上部液体中黏土颗粒直径d < 1 μ m的悬浮液，加入2mol/L同离子氯化物，搅 拌24h充分饱和，去除其他阳离子，用EDTA法检测是否还有其他阳离子，若有再加入lmol/ L的同离子氯化物，直到悬浮液中没有其他阳离子。 ⑤通过阴离子交换树脂去除悬浮液中的氯离子，用AgN03检测悬浮液中有无氯离 子；否则，需要用阴离子交换树脂反复交换。将悬浮液在60°C条件下进行水浴加热，除掉大 部分自由水，最后密封储存。 (2)通过热重分析（TG)计算黏土结合水含量 由于水化黏土结合水脱附的温度在300°C以内，保护气速率为60mL/min，升温速 率为10°C /min时对实验结果的影响较小。因此设定热重分析的实验条件是：温度范围为 40?300°C，保护气速率为60mL/min，升温速率为10°C /min。取一定量的单离子黏土放置 在坩埚内，在设定的实验条件下进行热重分析，根据DTG曲线（TG曲线对温度的一阶微商） 可以计算得出此时黏土结合水的含量占去除自由水和结合水后单离子黏土的百分数w t。此 时的黏土不仅吸附了强结合水，还吸附了大量的弱结合水。用热分析法不能区分强结合水、 弱结合水，但是可以肯定的是拐点（DTG曲线的峰值）后失去的重量的是结合水（强结合水 +弱结合水）的总含量。 (3)通过差示扫描量热法（DSC)计算强结合水含量 前提条件：2012年Tomasz研究了水化黏土与在p/ps = 0. 95条件下黏土等温吸附 的DSC结果，研究发现在相对水汽平衡p/ps = 0. 95条件下，黏土的吸湿水含量等于强结合 水含量，而水化黏土在_50°C后的不冻水含量基本等于在p/ps = 0. 95条件下黏土的吸湿水 含量。因此假设水化黏土在_50°C后的不冻水含量即为强结合水含量。根据这个假设可以 计算对应的强结合水含量占去除自由水和结合水后单离子黏土的百分数w s。 取一定量的单离子黏土，得到单离子黏土测试前的质量m，然后在降温范围为 0?-50°C，保护气速率为50ml/min ;降温速率为2. 5°C /min的条件下进行差示扫描量热 分析，根据经验公式可得到冰的质量叫。然后在升温范围为0?300°C，保护气速率为50ml/ min，升温速率为10°C /min的条件下进行差示扫描量热分析，得到自由水和结合水的总质 量mw，同时得到去除自由水和结合水后单离子黏土的质量为（m-n〇。最后根据以下公式可 计算出强结合水含量。 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定量测定黏土结合水含量的方法，依次包括以下步骤：(1)制备单离子黏土在一定量黏土中加入过量H2O2水溶液，充分反应24h后，在60℃水浴中温和加热分解剩余的H2O2，在250℃下烘干黏土并粉碎，取上述黏土配制质量浓度为1％的黏土浆，搅拌20min后，加入NaOH，NaOH的加量为黏土质量的5％，水化24h以上，再将黏土水化物进行离心处理，取上部液体中黏土颗粒直径d＜1μm的悬浮液，去除其他阳离子和氯离子；(2)通过热重分析计算黏土结合水含量取一定量的单离子黏土放置在坩埚内，在下述实验条件下进行热重分析：温度范围为40～300℃，保护气速率为60mL/min，升温速率为10℃/min，根据DTG曲线计算得出此时黏土结合水占去除自由水和结合水后单离子黏土的百分数wt；(3)通过差示扫描量热法计算强结合水含量取一定量的单离子黏土，其质量为m，在降温范围为0～‑50℃，保护气速率为50ml/min，降温速率为2.5℃/min的条件下进行差示扫描量热分析，根据经验公式可得到冰的质量mi，然后在升温范围为0～300℃，保护气速率为50ml/min，升温速率为10℃/min的条件下进行差示扫描量热分析，得到自由水和结合水的总质量mw，根据以下公式计算出强结合水含量占去除自由水和结合水后单离子黏土的百分数ws：ws=mw-mim-mw]]>mi=ΔHmL]]>ΔHm为低温放热峰的焓变值，J，L为冰的相变潜热，J/g；(4)计算弱结合水含量利用热重分析测量的结合水含量百分数wt减去差示扫描量热法测量的强结合水含量百分数ws，即得到弱结合水含量百分数ww。...

【技术特征摘要】
l. 一种定量测定黏土结合水含量的方法，依次包括以下步骤： (1) 制备单离子黏土 在一定量黏土中加入过量H202水溶液，充分反应24h后，在60°C水浴中温和加热分解 剩余的H202，在250°C下烘干黏土并粉碎，取上述黏土配制质量浓度为1 %的黏土浆，搅拌 20min后，加入NaOH，NaOH的加量为黏土质量的5 %，水化24h以上，再将黏土水化物进行离 心处理，取上部液体中黏土颗粒直径d < 1 μ m的悬浮液，去除其他阳离子和氯离子； (2) 通过热重分析计算黏土结合水含量 取一定量的单离子黏土放置在坩埚内，在下述实验条件下进行热重分析：温度范围为 40?300°C，保护气速率为60mL/min，升温速率为10°C /min，根据DTG曲线计算得出此时黏 土结合水占去除自由水和结合水后单离子黏土的百分数wt ; (...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓明毅，谢刚，梁大川，苏俊霖，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51