一种岩石的亲水性的定量评价方法及其应用
【专利摘要】本发明涉及一种岩石的亲水性的评价方法，包括以下步骤：a)将待测的固体块状或粉状岩石样品粉碎，并全部过大于100目的标准筛，并于烘箱中烘干，得到干燥后样品；b)测定步骤a)得到的干燥后样品的真密度d；c)使用压力机将步骤a)得到的干燥后样品压制成成型块状样品，并准确测量和/或计算其体积和质量，根据其体积和质量计算其视密度d'；d)使用接触角测定仪测定流体在成型块状样品表面的视接触角θ'；e)使用公式计算成型块状样品的孔隙率εv；f)使用公式来计算真接触角θ以评价岩石的亲水性。本发明还涉及本方法的应用。
【专利说明】
-种岩石的亲水性的定量评价方法及其应用
技术领域
[0001] 本发明设及一种岩石的评价方法，尤其设及一种岩石的定性评价方法。本发明还 设及该方法的应用。
【背景技术】
[0002] 岩石的亲水性是指固体岩石的表面与另一不相溶的流体接触时，流体吸附在其表 面呈一个球盖状的现象。岩石的亲水性取决于其矿物组成及流体性质。一般认为大多数沉 积岩是亲水的，因为沉积岩是沉积在水介质中的，水又是极性分子。但对于控源岩，由于本 身含有许多亲油的有机质颗粒，又能在一定条件下生成控类，因此可W认为是部分亲水，部 分亲油。
[0003] 石油钻井过程中，钻遇的地层多具有亲水性。当具有亲水性的岩石与钻井液中的 水相接触后，会发生水化作用，使岩石中粘±矿物膨胀和分散，轻则引起井眼缩径、井壁剥 落掉块等一系列井壁失稳复杂，重则引发卡钻、填埋钻具甚至井眼报废等井下事故。因此， 在获取井下岩石样本后，通过测定岩石样本的亲水性能，并根据实验结果在钻井液中有针 对性地加入添加剂，有效降低其亲水性，削弱或阻止后续的水化作用，对于钻井中稳定井 壁，具有重要的意义。
[0004] 众所周知，可W通过测量流体与岩石的界面接触角来定量表征岩石的亲水性。接 触角越大，即岩石的亲水性越强。反之，接触角越小，即岩石的亲水性越弱。因此，通过比较 接触角的大小，就可确定岩石亲水性的强弱。
[0005] 按被测物的形状分，界面接触角的测定方法有两种，即分别针对块状固体和粉状 固体。对于块状固体样品，可直接在其表面研磨出一个平滑面，在接触角测量仪上直接测 量。对于粉状固体样品，可采用压片直接测量法，即将粉体在固定条件下压制成可被测量的 固体片或块，然后按块状固体样品的方法测量。因此，选择哪种方法进行接触角测量，依赖 于被测样品的制备方法。
[0006] 实际测量接触角时，通常需要对被测样品进行预先处理，使其表面平整，相对光 滑。样品的制备是一个关键环节，它在判断岩石的润湿性方面有着重要影响。2005年《煤 的润湿性测量中煤样制备方法的探讨》一文中W煤岩为例，阐述了煤岩接触角测量中煤样 表面的两中制备方法，即块煤的研磨面和成型粉煤的压缩面。
[0007] 块状固体研磨面，是利用研磨材料对选取的固体表面进行打磨，形成待测面。2001 年的《Coal Flotation and Fine Coal化ilization》书中曾提到，样品表面的非均质性、表 面粗糖度不一性W及研磨材料和方法的差异性，都会降低测得接触角的准确度和重复性， 因而该法对于准确测量接触角，或者对测量结果进行横向对比时是不可靠的。
[0008] 压缩面法制备样品表面，是将原样品粉碎后，利用加压工艺将其成型。显然，样 品在加压成型后，其待测面的物理化学性质都发生了变化，所测的接触角值不能真实反映 原样品的亲水性。另外，加压成型后的压缩面不仅不平滑、不均匀，而且具有多孔性，根据 化SSie-Baxter公式，多孔性对测得的接触角的值将会产生严重影响，故而运种方法也是不 可靠的。
[0009] 因此，无论是块状样品的研磨面，还是粉状样品的压缩面，所得的待测面在微观上 都是不平滑的。因此，在该面上直接测得的不是真接触角，而是视接触角。因此，本领域亟 需一种测量结果更加准确、重复性更强的测量真接触角的方法，W更好地定量评价岩石的 亲水性。
【发明内容】
[0010] 为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种全新的岩石的亲水性的 定量评价方法。
[0011] 本发明的方法包括W下步骤：
[0012] a)将待测的固体块状或粉状岩石样品粉碎，并全部过大于100目的标准筛，并于 烘箱中烘干，得到干燥后样品；
[0013] b)测定步骤a)得到的干燥后样品的真密度d ;
[0014] C)使用压力机将步骤a)得到的干燥后样品压制成成型块状样品，并准确测量和/ 或计算其体积和质量，根据其体积和质量计算其视密度d' ；
[0015] d)使用接触角测定仪测定流体在成型块状样品表面的视接触角0 ' ；
[0016] e)使用下面式（1)计算成型块状样品的孔隙率e。，
[0017]
,1,;[0018] f)值用如下式（2)或式（3)夹计算真接触角0 W评价岩石的亲水性：
[0019] 巧）'，
[0020]
[0021] (3),
[0022] 其中，当所述岩石的表面亲水时（即水在所述岩石的表面的接触角小于90°时）， 使用式（2)来计算真接触角，当所述岩石的表面疏水时（即水在所述岩石的表面的接触角 大于90°时），使用式（3)来计算真接触角。
[0023] 在式（1)中，e。表示孔隙率，d表示真密度，d'表示视密度。
[0024] 在式（2)中，0表示真接触角，0'表示视接触角，e。表示孔隙率。
[00巧]在式（3)中，0表示真接触角，0'表示视接触角，e。表示孔隙率。
[0026] 优选的，视密度d'和真密度d的单位为g/cm3。
[0027] 步骤a)至步骤f)可WW任何逻辑上可行的顺序进行，即其可W按步骤a)至步骤 f)的顺序依次进行，也可W不按顺序依次进行，例如步骤e)可W先于步骤d)进行。优选 的，步骤a)至步骤f)按步骤a)至步骤f)的顺序依次进行。
[0028] 如上所述，现有技术中，人们对块状或粉状的固体样品的接触角测量方法由于没 有经过修正而存在较大的偏差，而本发明的发明人通过引入成型块状样品的孔隙率物理 量，将测量的视接触角进行修正得出真接触角的措施，使得所获得的测定结果能够准确地 反映岩石的亲水性能，尤其有利于针对某一种目标岩石，从多种表面湿润剂中选择出在目 标岩石表面的表面润湿性强的表面润湿剂。
[0029] 在本发明的一些优选的实施方式中，步骤a)中所述的粉碎可W借助于能够实现 将样品粉碎至可全部通过大于100目的标准筛的现有的任意设备。在本发明的一些优选的 实施方式中，标准筛目数参考国标《GB/T 6003. 1-1997金属丝编织网试验筛》确定。
[0030] 在本发明的一些优选的实施方式中，所述的干燥后样品的真密度可W使用能够测 量粉状固体的真密度的任意设备或仪器进行测量。在本发明的一些优选的实施方式中，步 骤C)中所使用的压力机可W是能够对粉状固体进行加压得到规则的、便于计算体积的成 型块状样品的任意设备。所述压力机加压成型需要的加压压力、加压时间等条件需根据具 体样品的属性，事先通过实验确定。在本发明的一些优选的实施方式中，所述加压成型的块 状样品需要准确称量质量，准确量取尺寸并计算体积，根据质量和体积计算其视密度。在本 发明的一些优选的实施方式中，步骤C)所述的准确测量是指测量值取到小数点后面2位或 W上，例如测量值取到小数点后面至少2位、测量值取到小数点后面至少3位、测量值取到 小数点后面至少4位、测量值取到小数点后面至少5位等。在本发明的一些优选的实施方 式中，所述的接触角测定仪是指可W测量流体在固体表面接触角的任意仪器设备。所述的 式似和式（3)考虑了加压成型时因加压压力和时间不同引起的成型样品孔隙率的影响因 素，因此加压压力和时间只需确保后续实验过程成型样品不破碎或散开即可。
[0031] 在本发明的一个优选的实施方式中，在将步骤a)中得到的所述干燥后样品进行 步骤b)和/或步骤C)处理之前，将其密封存放于干燥器中备用。
[0032] 在本发明的一个优选的实施方式中，步骤a)中所述的标准筛为200目标准筛。
[0033] 在本发明的一个优选的实施方式中，步骤a)中所述的烘干的烘干溫度为 50-300°C，优选为100-120°C，更优选为105°C，所述烘干的烘干时间为8-48小时，优选为 10-36小时，更优选为24小时。
[0034] 在本发明的一个优选的实施方式中，步骤b)中测定步骤a)得到的干燥后样品的 真密度d使用李氏密度瓶法来求得干燥后样品的真密度d。
[0035] 在本发明的一个优选的实施方式中，所述步骤C)包括如下步骤：
[0036] Cl)根据压力机加压成型的模具内部尺寸、样品的真密度和预计成型后的样品厚 度推算所需要的干燥后样品质量m';
[0037] c2)称取质量为m'的干燥后样品，在推测的加压压力、加压时间下尝试压制；
[0038] c3)改变加压压力或加压时间，重复步骤c2)，直至压力机能将干燥后样品加压成 块状样品，记录下加压压力P和加压时间t ;
[0039] c4)称取质量为m'的干燥后样品，使用压力机在压力P和时间t下将其加压成型， 得到成型块状样品；
[0040] c5)准确测量步骤c4)所得成型块状样品的质量m(精确到小数点后4位），准确 测量其外形尺寸，并计算得到体积V，根据m和V计算成型样品的视密度d'。
[0041] 在本发明的一个优选的实施方式中，步骤Cl)中所述的预计成型后的样品厚度在 5mm~10mm之间。
[0042] 在本发明的一个优选的实施方式中，步骤c5)中所述的准确测量步骤c4)所得成 型块状样品的质量m为精确到小数点后第四位或W上，准确测量其外形尺寸为用游标卡尺 测定，每个物理量测定3个或更多点取平均值，精确到小数点后第二位或W上。
[0043] 在本发明的一个优选的实施方式中，步骤d)中所述的流体为模拟地层水，优选为 溶质质量比为化Cl :CaCl2:MgCl 2 ? 6&0 = 7:0. 6:0. 4的8%标准盐水。
[0044] 本发明的另一个目的在于，提供上述方法在石油和/或煤炭行业中判断地层岩石 亲水性、研发和/或选择钻井液处理剂和体系优化中的应用。
[0045] 本发明的再一个目的在于，提供上述方法在针对目标岩石选择在其表面的表面润 湿性强的表面润湿剂中的应用。
[0046] 本发明的有益效果在于，本发明的评价方法对表征岩石亲水性的表面接触角的测 量更加准确，更加真实地反映岩石的亲水性能，测量结果重复性强，更加适用于在石油行业 中判断地层岩石亲水性、研发和/或选择钻井液处理剂和体系优化。
【具体实施方式】
[0047] W下通过具体的实施例来对本发明进行进一步的说明。需要注意的是，W下实施 例均为阐释性的，而并不对本发明要求保护的范围构成任何限定。本领域技术人员应理解 的是，对于W下【具体实施方式】的任何改进或变化，在没有脱离本发明的精神和范围的情况 下，均在本发明要求保护的范围内。
[004引 实施例1
[0049] 泥页岩的亲水性定量评价。实验使用了新疆某油田的泥岩2块（W下分别称为新 疆泥岩1和新疆泥岩2)、四川某油田页岩1块（W下称为四川页岩）进行定量测量评价，具 体实验步骤如下：
[0050] 1)分别将待测的3个固体块状样品粉碎，并全部过200目标准筛，于105°C烘箱中 烘化，后密封存放于干燥器中备用。
[0051] 2)使用李氏密度瓶法，分别测定干燥后的3个粉状样品的真密度d。
[0052] 3)根据压力机加压成型的模具内部尺寸、样品的真密度和预计成型后的样品厚度 (在5mm~IOmm之间）推算所需要的干燥后样品质量m'。
[0053] 4)称取质量为m'的粉状样品，在推测的某个加压压力、加压时间下尝试压制。
[0054] 5)改变加压压力或加压时间，重复步骤4)，直至压力机能将粉状样品加压成块状 样品，记录下加压压力P和加压时间t。
[0055] 6)称取质量约为m'的粉状样品，使用压力机在压力P和时间t下将其加压成型， 后准确称量所得成型样品质量m (精确到小数点后4位），用游标卡尺准确量取其外形尺寸 (每个物理量测定3个点取平均值，精确到小数点后第二位）并计算得到体积V，根据m和 V计算成型样品的视密度d'。
[0056] 7)重复步骤3)~步骤6)，获取另外2个样品的成型样品的视密度d'。
[0057] 8)使用接触角测定仪测定8%标准盐水（即模拟地层水，溶质质量比为：NaCl : CaC12 :MgC12 ?細20 = 7:0. 6:0. 4)分别在上述成型样品表面的视接触角0 '，每个样品均 测量3次。
[0058] 9)分别使用式（2)计算3个样品的真接触角0。
[005引结果见表1和表2。
[0060] 实施例2
[0061] 煤岩的亲水性定量评价。实验步骤与实施例1相同，不同之处在于，实验使用了新 疆某油田的煤岩2块（W下分别称为新疆煤岩1和新疆煤岩2)、山西某油田煤岩1块（W 下称为山西煤岩）代替了实施例1中的泥岩和页岩，使用了式（3)代替式（2)计算最终的 真接触角0。
[006引结果见表1和表2。
[006引实施例3
[0064] 考察加压压力或加压时间对泥页岩亲水性定量评价结果的影响。实验步骤与实施 例1相同，不同之处在于，只使用了实施例1中的一种泥岩（即新疆泥岩2)进行实验，且改 变了实验时所用的加压压力或加压时间（具体请参见表1)。
[00财结果见表1。
[006引 实施例4
[0067] 考察加压压力或加压时间对煤岩亲水性定量评价结果的影响。实验步骤与实施例 1相同，不同之处在于，实验仅使用了新疆某油田的煤岩1块（即新疆煤岩2)代替了实施 例1中的泥岩和页岩，且改变了实验时所用的加压压力或加压时间。使用了公式（3)代替 公式（2)计算最终的真接触角0。
[006引结果见表1。
[0069] 表1实施例1~4的测定结果
[0070]
[0071] 根据表1所示的测定结果可W看出，使用本发明的方法可W定量的测定岩石表面 的接触角，W此评价岩石的亲水性。本发明的方法测量的数据平行，相对误差小，准确度高。 由于考虑了孔隙率（e。）的影响，即使压制成型过程中，改变了加压压力或加压时间，但对 最终测定的结果影响极小，运就保证了本发明方法的可靠性和有效性。
[007引对比例1
[0073] 使用块状固体的研磨面（参考《煤的润湿性测量中煤样制备方法的探讨》，2005 年）进行接触角测定。实验使用了新疆泥岩1和新疆煤岩1，具体步骤如下：
[0074] I)选定好待测块状样品，用60~1200硬度不等的细砂纸对样品表面进行带水粗 磨。
[00巧]2)用蒸馈水清洗样品表面，W除去研磨时掉下的粘附在表面上的颗粒。
[0076] 3)用干净的毛玻璃对用细砂纸粗磨后的粗表面再次湿磨。
[0077] 4)用超声波清洗槽对样品清洗几分钟。
[007引 5)按顺序重复W上步骤4~5次。
[0079] 6)在磨光处理后的样品表面上选3个待测点，测量8%标准盐水在其表面的接触 角0，测得3个值。
[0080] 将实施例1、实施例2的部分结果和对比例1的测定结果列于表2。
[0081] 表2实施例1~2和对比例1的测定结果 [008?!
[0083] 根据表2所示的测定结果可W看出，使用本发明的方法测定的岩石表面视接触 角，经过修正后与块状样品研磨面上直接测的接触角接近，证明了本发明方法的可靠性。块 状样品的研磨面，即使经过复杂的打磨工序，但由于岩石本身的非均质性、打磨的人为因素 影响，在其上面直接测得的接触角，平行性仍然较差，不能客观准确地反映岩石的亲水性 能。而与研磨面上测得的接触角相比，本发明的方法克服了岩石非均质性和孔隙率的影响， 测定的接触角平行性更好。
【主权项】
1. 一种岩石的亲水性的定量评价方法，包括W下步骤： a) 将待测的固体块状或粉状岩石样品粉碎，并全部过大于100目的标准筛，并于烘箱 中烘干，得到干燥后样品； b) 测定步骤a)得到的干燥后样品的真密度d ; C)使用压力机将步骤a)得到的干燥后样品压制成成型块状样品，并准确测量和/或计 算其体积和质量，根据其体积和质量计算其视密度d' ； d) 使用接触角测定仪测定流体在成型块状样品表面的视接触角0 ' ； e) 使用下面式（1)计算成型块状样品的孔隙率￡y，(1);f) 使用如下式（2)或式（3)来计算真接触角0 W评价岩石的亲水性：或者 (2):， (3)， 其中，当所述岩石的表面亲水时，使用式（2)来计算真接触角，当所述岩石的表面疏水 时，使用式（3)来计算真接触角。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将步骤a)中得到的所述干燥后样品进 行步骤b)和/或步骤C)处理之前，将其密封存放于干燥器中备用。3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤a)中所述的标准筛为200目标 准筛。4. 根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其特征在于，步骤a)中所述烘干的烘干 溫度为50-300°C，优选为100-120°C，更优选为105°C，所述烘干的烘干时间为8-48小时，优 选为10-36小时，更优选为24小时。5. 根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，步骤b)中测定步骤a)得到 的干燥后样品的真密度d使用李氏密度瓶法来求得干燥后样品的真密度d。6. 根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤C)包括如下步 骤： Cl)根据压力机加压成型的模具内部尺寸、样品的真密度和预计成型后的样品厚度推 算所需要的干燥后样品质量m'; c2)称取质量为m'的干燥后样品，在推测的加压压力、加压时间下尝试压制； c3)改变加压压力或加压时间，重复步骤c2)，直至压力机能将干燥后样品加压成块状 样品，记录下加压压力P和加压时间t ; c4)称取质量为m'的干燥后样品，使用压力机在压力P和时间t下将其加压成型，得到 成型块状样品； c5)准确测量步骤c4)所得成型块状样品的质量m(精确到小数点后4位），准确测量 其外形尺寸，并计算得到体积V，根据m和V计算成型样品的视密度d'。7. 根据权利要求6中任意一项所述的方法，其特征在于，步骤Cl)中所述的预计成型后 的样品厚度在5mm~IOmm之间。8. 根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，步骤c5)中所述的准确测量步骤c4) 所得成型块状样品的质量m为精确到小数点后第四位或W上，准确测量其外形尺寸为用游 标卡尺测定，每个物理量测定3个或更多点取平均值，精确到小数点后第二位或W上。9. 根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，其特征在于，步骤d)中所述的流体为模 拟地层水，优选为溶质质量比为化Cl :CaCl2:MgCl 2 ? 6&0 = 7:0. 6:0. 4的8%标准盐水。10. 根据权利要求1-9中任意一项所述的方法在石油和/或煤炭行业中判断地层岩石 亲水性、研发和/或选择钻井液处理剂和体系优化中的应用。11. 根据权利要求1-9中任意一项所述的方法在针对目标岩石选择在其表面的表面润 湿性强的表面润湿剂中的应用。
【文档编号】G01N13/00GK105987863SQ201510091750
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月28日
【发明人】李雄, 徐江, 褚奇, 刘贵传, 张国, 孔勇, 李大奇
【申请人】中国石油化工股份有限公司, 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院