煤系地层岩石样品中黏土含量测定方法研究

毋兰冰，张勤，董三宝，陈刚,3，裴银刚

1.西安石油大学陕西省油气田环境污染控制技术与储层保护重点实验室（陕西 西安 710065）

2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司（陕西 西安 710060）

3.西安石油大学油气田化学陕西省高校工程研究中心（陕西 西安 710065）

4.中国石油长庆油田分公司第十二彩油厂（甘肃 庆阳 745400）

0 引言

黏土具有较强的吸水特性，在钻井过程中地层的黏土遇水便会水化膨胀[1]，进而会大大增加钻具摩阻，降低钻井效率。地层中黏土含量（质量分数）较高时，还会导致井漏以及卡钻等问题[2-4]，因此，黏土含量的准确测量对评估地层钻井过程中的井壁稳定至关重要。为了预防在地层钻井过程中出现井壁失稳垮塌，避免造成巨大的经济损失，人们提出了各种各样的黏土含量测定方法：超速离心机法、电泳法等。黏土含量测定技术的发展大大提高了人们对地层脆性的认知，有效预防了在地层钻井过程中因地层脆性较高而造成的井壁坍塌风险。

针对黏土提纯，中国科学院地质研究所的李琍提出了较完善的静水沉降法，并详细介绍了应用于黏土悬浮液浓缩的电泳法[5]。北京大学地质系的黄宝玲等人提出了反复冷冻-解冻法，该方法可避免将碎屑钾长石粉碎成黏土粒级，保证黏土提纯的精准度[6]。然而煤系地层岩石样品着色较重，且含有大量的低密度组分，在实际操作过程中，目前的黏土提纯方法适用性较差，黏土含量不易测定。因此，有必要开发出简便可行的测定方法。

本文在SY/T 5408—2018《沉积岩中黏土颗粒含量测定》中沉降虹吸分离法的基础上探索出了焙烧+沉降分离法。针对煤岩样品，由于此类物质有机质含量较高，本身密度较小，容易漂浮形成悬浮物[7-8]。为避免出现煤质地层黏土矿物颗粒多次水洗静置沉降分离所制成的悬浮液中仍有大量有机质，进而造成较大实验误差的情况发生，首先通过焙烧除去有机质，收集残留灰分；其次将残留灰分进行沉降分离操作。在沉降分离过程中，为避免由于时间误差，密度大的颗粒还没来得及沉降就被人工清洗至悬浮液存放瓶中的情况发生[9-10]，在离心后进行二筛操作[11-13]。最后，基于焙烧+沉降分离法与XRD 分析法实验对比，研究焙烧+沉降分离法对煤系地层黏土矿物含量测量的可适性。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

长庆油田苏里格区域石盒子组地层水和蒸馏水。

低速离心机，上海某科学仪器厂；D/max2200PC型X射线衍射仪，美国某公司；AL204型电子分析天平，上海某实验电炉有限公司；KFS-7-12 型精密控制电炉（马弗炉），上海某实验电炉有限公司；WHL-25AB型台式电热恒温干燥箱，天津市某仪器有限公司。

1.2 煤质地层黏土矿物提纯流程

本文提出的煤质地层黏土矿物提纯流程如图1 所示：称取质量为m的样品，粉碎、过筛（筛孔0.1 mm）后装在灰皿中[14-15]；将灰皿置于马弗炉中在30 min 内升温至500 ℃，在500 ℃恒温30 min，再于30 min 内升至815 ℃并保持3.5 h[16-18]；冷却后收集灰分并称重，将灰分转至烧杯中与适量蒸馏水混合，静置15 min；取杯底沉淀物3～5 cm 上方的悬浮液至另一个容器，重复洗涤、静置，直至烧杯中上层悬浮液清澈为止；将容器中所收集的各次提取的悬浮液进行离心操作；除去上清液，将剩余物质再次洗涤离心后得到二筛后物质；干燥、称重，得出黏土的质量为。

图1 煤质岩石黏土提纯过程

煤质岩石中黏土颗粒质量分数由式（1）得出：

式中：X为煤质岩石中黏土颗粒的质量分数，%；m1为分离提取出的黏土颗粒质量，g；m为煤质岩石样品总量，g。

2 结果与讨论

2.1 煤质地层黏土矿物焙烧+沉降分离法

结合上述黏土提纯流程，进行煤质地层黏土矿物中黏土提纯实验：取28.00 g煤样品粉碎成0.1 mm粒径的细小颗粒，在马弗炉中进行焙烧操作，焙烧后即得灰分（如图2（a）），称量得焙烧后灰分质量为17.00 g；后将灰分放入烧杯中使用蒸馏水进行多次水洗直至杯底剩余沉淀物质量不再变化为止（表1），制得悬浮液（如图2（b）），再将其进行离心操作，除去上清液，将剩余物质再次洗涤离心后得到二筛后物质（如图2（c））；最后，将二筛后物质置于烘箱中烘干得到黏土颗粒（如图2（d）），称量得剩余黏土颗粒质量为13.29 g。

表1 焙烧后灰分水洗次数对测定结果的影响

图2 煤质岩石黏土提纯实操过程图

2.2 煤质地层黏土矿物XRD分析法

为了验证煤质地层黏土矿物焙烧+沉降分离法的技术可行性，参考SY/T 5163—2018《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X 射线衍射分析方法》，对同种煤系地层中的岩石样品中的黏土质量分数进行了XRD 分析。为了控制单一变量，取2.00 g 左右焙烧后的同等灰分放入X 射线衍射仪专用样品盒中，借用载玻片将样品压实，保持平整状态后放入X 射线衍射仪中进行扫描[19]，扫描结果如图3 所示。通过对谱图进一步解析，得出送检灰分复合成分的占比情况，解析结果见表2。

表2 复合成分质量占比

图3 送检灰分XRD衍射图

从XRD 实验结果可以看出，送检灰分中含有SiO2、CaCO3以及高岭土、云母等成分，黏土成分均来自于高岭土与云母中。其中高岭土中黏土含量占比可达60.70%，云母中黏土质量分数占比可达5.40%，即通过XRD 法测出的总黏土质量分数占比66.10%。故对于28 g煤样品来讲，其焙烧操作后剩余灰分17.00 g，通过XRD分析法所得的黏土颗粒质量为11.24 g。

2.3 对照分析

为了避免单次实验的偶然性，控制相同的实验条件，对等质等量的煤岩样品参照上述焙烧+沉降分离法进行多次重复测试得出黏土质量分数平均值，并参照XRD分析法同样进行多次重复测试得出黏土质量分数平均值。

由表3 可以看出两种方法之间存在一定误差，焙烧+沉降分离法测得的平均黏土质量分数比XRD 分析法测得的平均黏土质量分数高出9.29%。经分析得出：当采用焙烧+沉降分离法进行煤系地层黏土提纯时，在收集悬浮液的过程中，对于一些被黏土颗粒挟裹起来的密度更小的物质不可避免地被一并收集起来，产生一定误差，但在可控范围内。

表3 焙烧+沉降分离法与XRD分析法黏土含量测定

3 结论

本文以煤系地层岩石为研究对象，在常规沉降分离提取法基础上探索了焙烧+沉降分离法，并与XRD分析法进行了对比。控制相同的实验条件，对等质等量的煤岩样品采用上述两种方法分别进行6次重复实验，实验结果表明：焙烧+沉降分离法测得的黏土质量分数平均值高出XRD 分析法测得的黏土质量分数平均值9.29%（误差在可控范围内）。与其它他法比，焙烧+沉降分离法的优点是操作简单、数据可靠。