周曉蕾

（中國(guó)石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257000）

隨著鉆井液屏蔽暫堵、理想充填、多級(jí)配充填等技術(shù)的發(fā)展，鉆井液中固相顆粒的粒度分布研究受到了石油工作者越來越多的重視，相關(guān)研究成果提出了不少觀點(diǎn)，重晶石粉作為鉆井液中必不可少的固相加重材料，其粒度分布對(duì)鉆井液流變性和濾失性有明顯影響，且鉆井液密度越高，這種影響越明顯，通過優(yōu)化重晶石粒度級(jí)配可以改善鉆井液流變性[1，2]；合理的固相粒度分布可以改善高密度鉆井液的濾餅潤(rùn)滑性[3]。涉及測(cè)量重晶石粉粒度的技術(shù)方法主要有篩余法、沉降法、激光衍射法。篩余法采用標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行人工篩選，從而測(cè)量不同粒度范圍間的重晶石粉含量，該方法只能粗略評(píng)估重晶石粉粒度范圍，不能滿足測(cè)量重晶石粉整體粒度分布的要求。沉降法主要是通過測(cè)量實(shí)驗(yàn)溶液不同沉降時(shí)間密度和溫度，根據(jù)公式計(jì)算出顆粒直徑，GB/T 29170-2012《石油天然氣工業(yè) 鉆井液 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試》中有對(duì)該方法的詳細(xì)描述，但該方法耗時(shí)長(zhǎng)、步驟繁瑣。

激光衍射法是利用激光衍射儀測(cè)量顆粒的粒度分布，其測(cè)量原理是顆粒在各個(gè)方向產(chǎn)生的散射光強(qiáng)度分布取決于顆粒的尺度，顆粒群的散射圖形等于各個(gè)顆粒散射圖形的疊加，通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)模型和數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，計(jì)算出顆粒粒度的體積分布。采用激光衍射法測(cè)定樣品粒度不僅測(cè)量時(shí)間短、步驟簡(jiǎn)單易操作，還可以分析全部的顆粒分布含量及比表面積等參數(shù)。目前激光衍射法測(cè)定重晶石粉粒度分布并沒有明確的測(cè)量方法和標(biāo)準(zhǔn)，本文將通過實(shí)驗(yàn)研究不同因素對(duì)激光衍射法測(cè)定重晶石粉粒度的影響，探討激光衍射法測(cè)定重晶石粉粒度的規(guī)范操作。

1 激光衍射儀的影響

激光衍射儀在使用前應(yīng)先進(jìn)行校準(zhǔn)，確保儀器滿足測(cè)試要求，消除儀器本身對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

GB/T 19077-2016《粒度分布 激光衍射法》適用于粒徑范圍0.1～3 000 μm 顆粒的粒度分布測(cè)量，重晶石粉的粒度范圍在該標(biāo)準(zhǔn)適用粒徑范圍內(nèi)。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儀器校準(zhǔn)的要求，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為校準(zhǔn)顆粒，使用GBW（E）120027 乳膠微粒粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（中值粒徑D50=25.0 μm），校準(zhǔn)Winner2005 型激光粒度分析儀（濟(jì)南微鈉顆粒技術(shù)有限公司制造），以準(zhǔn)確度和重復(fù)性作為校準(zhǔn)指標(biāo)。

1.1 準(zhǔn)確度

GB/T 19077-2016 中要求分析三個(gè)平行樣，取其平均值，相對(duì)誤差表征準(zhǔn)確度。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)和儀器要求，通常采用D10、D50、D90作為表征，當(dāng)然可以根據(jù)自身測(cè)量需要選定合適的表征參數(shù)（見表1）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書上的操作說明進(jìn)行測(cè)量。

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)可以確定儀器測(cè)量的準(zhǔn)確度滿足要求。

表1 準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

1.2 重復(fù)性

GB/T 19077-2016 中要求至少連續(xù)測(cè)量三次粒度分布，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差用來表征重復(fù)性。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)要求和重晶石粉常用表征參數(shù)，采用D10、D50、D90作為表征參數(shù)（見表2）。

式中：S-測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差，μm；n-測(cè)量次數(shù)；Di-第i次測(cè)量的D50值，μm次測(cè)量平均值，μm。

式中：ΔS-相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)可以確定儀器測(cè)量的重復(fù)性滿足要求。

表2 重復(fù)性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

2 樣品分散的影響

激光衍射儀不能區(qū)分測(cè)定的是單個(gè)顆粒，還是團(tuán)聚以后的顆粒，多數(shù)待測(cè)樣品中都包含團(tuán)聚顆粒。在測(cè)量前應(yīng)確定測(cè)定目標(biāo)是原始顆粒還是團(tuán)聚后顆粒。測(cè)量重晶石粉原始顆粒時(shí)，為了保證顆粒的充分分散，可以在分散介質(zhì)中添加少量分散劑，加快團(tuán)聚顆粒分解為單個(gè)顆粒的速度，通常用5%～6%六偏磷酸鈉水溶液作為分散劑[4，5]。

激光衍射法測(cè)量粒度的前提是在分散劑和機(jī)械力（攪拌、超聲）條件下，使團(tuán)聚顆粒分散，形成穩(wěn)定的分散狀態(tài)[6]。測(cè)量溶液處于穩(wěn)定的分散狀態(tài)，才能保證測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可用。分散方法主要有兩種：（1）將重晶石粉提前溶解分散在5%六偏磷酸鈉水溶液中，制成預(yù)分散溶液，測(cè)量時(shí)將預(yù)分散溶液加入到儀器中；（2）直接將重晶石粉加入到儀器中。

分別對(duì)不同重晶石粉樣品進(jìn)行制備預(yù)分散溶液后測(cè)量D50值和直接加樣測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表3）。為避免超聲影響測(cè)量結(jié)果，測(cè)量前后均不超聲。

由表3 可以看出：測(cè)量前的預(yù)分散雖然很好的將重晶石顆粒充分分散，但在加樣過程中重晶石粉沉降現(xiàn)象明顯，取樣的代表性和均勻性受到影響，直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，重復(fù)性差。直接加樣測(cè)量的重復(fù)性較好。因此測(cè)量重晶石粉粒度時(shí)，不建議事先預(yù)分散，可直接加樣，利用儀器的攪拌和超聲進(jìn)行分散。

表3 分散方式對(duì)重晶石粉測(cè)量結(jié)果的影響

3 樣品測(cè)量濃度的影響

測(cè)量時(shí)應(yīng)保證一定的測(cè)量濃度，濃度過低不能產(chǎn)生足夠的信號(hào)，無法代表樣品的真實(shí)情況，濃度過高容易發(fā)生多重散射（光接連被多個(gè)顆粒散射），影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，誤差大。

激光衍射儀說明書中會(huì)提供儀器適用的遮光率或透光率的范圍，可以根據(jù)儀器說明確定合適的遮光率，減少測(cè)量濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

4 超聲分散的影響

激光衍射儀自帶攪拌和超聲功能，攪拌利用機(jī)械力促進(jìn)樣品的分散，但分散作用有限，對(duì)團(tuán)聚顆粒作用不大。但超聲效果顯著，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響明顯。

針對(duì)重晶石粉，因?yàn)檫x擇直接加樣，利用儀器的攪拌和超聲進(jìn)行分散。那么在加樣后需要選擇是否進(jìn)行超聲預(yù)分散后再測(cè)量。針對(duì)不同重晶石粉樣品，分別進(jìn)行直接測(cè)量、超聲預(yù)分散1 min、2 min、4 min、6 min、10 min后測(cè)量D50值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表4）。

由表4 可知：超聲預(yù)分散后測(cè)量的重晶石D50比未超聲預(yù)分散的測(cè)量結(jié)果偏低，說明超聲可以有效地分散重晶石粉團(tuán)聚的大顆粒，測(cè)量前的超聲能夠更好的分散顆粒。隨著超聲分散時(shí)間的增長(zhǎng)，D50值逐漸減小，超聲預(yù)分散6 min 后D50值趨于穩(wěn)定。但是最終趨于穩(wěn)定的結(jié)果并不能代表重晶石粉的真實(shí)顆粒分布，雖然有超聲輔助分散，但重晶石粉中大顆粒仍會(huì)發(fā)生沉降。因此，超聲預(yù)分散的時(shí)間并不是越長(zhǎng)越好，建議超聲預(yù)分散的時(shí)間可設(shè)定在1～2 min 范圍內(nèi)。

表4 超聲預(yù)分散對(duì)重晶石粉測(cè)量結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定超聲預(yù)分散時(shí)間為1 min，針對(duì)不同重晶石粉樣品，分別進(jìn)行測(cè)量過程中未超聲分散和超聲分散的D50值測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表5）。

由表5 可知：測(cè)量過程中是否超聲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和重復(fù)性影響較小。測(cè)量過程中的超聲分散是為了防止顆粒團(tuán)聚，防止造成測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定或偏大，對(duì)于重晶石粉這類較易分散的樣品測(cè)量過程中是否超聲對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大。

表5 測(cè)量過程中超聲分散對(duì)重晶石粉測(cè)量結(jié)果的影響

5 數(shù)據(jù)采集時(shí)間的影響

如果樣品充分分散，測(cè)得的粒度分布不應(yīng)存在顯著的波動(dòng)或突然變化[6]。但在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)由于重晶石粉本身密度大、大顆粒較多，沉降現(xiàn)象明顯，不僅超聲預(yù)分散的時(shí)間對(duì)測(cè)量結(jié)果有明顯影響，數(shù)據(jù)采集時(shí)間對(duì)測(cè)量結(jié)果也有顯著影響（見圖1）。

圖1 數(shù)據(jù)采集時(shí)間對(duì)重晶石粉測(cè)量結(jié)果的影響

由圖1 可知：受重晶石粉沉降影響，隨著測(cè)量時(shí)間的增加，D50呈減小趨勢(shì)，采集時(shí)間60 s 后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定（大顆粒已經(jīng)沉降）。為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和規(guī)范化操作，應(yīng)設(shè)定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集時(shí)間。時(shí)間過短，樣品分散不夠充分，時(shí)間過長(zhǎng)，大顆粒沉降導(dǎo)致測(cè)量不夠準(zhǔn)確，建議采集時(shí)間可設(shè)定在20～40 s 內(nèi)。

6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響

從上述影響因素研究可以看出由于重晶石粉的密度大、大顆粒多等特點(diǎn)，在測(cè)量過程中并不能得到一直穩(wěn)定不變的數(shù)據(jù)，所以需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，判斷數(shù)據(jù)的可用性。

對(duì)于一次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（固定一臺(tái)激光粒度儀），在確定了測(cè)量步驟和數(shù)據(jù)采集時(shí)間后，計(jì)算數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，滿足GB/T 19077-2016 中D50的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)不超過3%、D10和D90的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過5%的要求，該次測(cè)量數(shù)據(jù)即可用。

對(duì)于某個(gè)樣品的測(cè)量，應(yīng)該平行測(cè)量三次，三次測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，則取三次測(cè)量的平均值作為最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

7 結(jié)論

在測(cè)量重晶石粉粒度分布方法中激光衍射法具有用時(shí)短、步驟簡(jiǎn)單、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，激光衍射法在測(cè)定重晶石粉粒度的實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)受到儀器本身、樣品分散、測(cè)量濃度、超聲分散、數(shù)據(jù)采集時(shí)間、如何選取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等諸多因素的影響。通過實(shí)驗(yàn)研究不同因素對(duì)激光衍射法測(cè)定重晶石粉粒度的影響，探索出能夠減少因素影響的實(shí)驗(yàn)步驟，為更加準(zhǔn)確的測(cè)定重晶石粉粒度分布提供了參考。