鉆井液處理劑溶液活度測量方法對比

王志龍，楊龍龍，羅 躍，尹 達(dá)，梁紅軍

(1.長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州434023；2.中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000)

對鉆井液抑制性的控制經(jīng)常利用鉆井液的活度與膨脹抑制性的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，因此，室內(nèi)尋找一種快速便捷的溶液活度測量方法對于全面分析鉆井液的抑制機(jī)理很有必要。

吸附等溫曲線是指一定溫度下溶質(zhì)分子在兩相界面上進(jìn)行的吸附過程達(dá)到平衡時它們在兩相中濃度之間的關(guān)系曲線。在一定溫度下,分離物質(zhì)在液相和固相中的濃度關(guān)系可用吸附方程式來表示。吸附等溫曲線法通過測量膨潤土平衡吸水量，建立與之對應(yīng)的活度數(shù)學(xué)模型，從而繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，通過該標(biāo)準(zhǔn)工作曲線可以查出未知活度溶液相應(yīng)的活度[1]。

在大氣壓條件下，水的蒸汽壓與水蒸氣中水的體積分?jǐn)?shù)成正比；恒溫下，水的蒸汽壓與水的活度直接相關(guān)，在某一相對濕度下就有與之相對應(yīng)的活度。飽和濕度法是利用電子濕度計測量已知活度的飽和鹽水溶液和蒸餾水上方封閉空間的相對濕度，建立相對濕度和溶液活度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，再測量未知活度溶液上方密閉空間的相對濕度，通過該數(shù)學(xué)關(guān)系式即可求得溶液活度[2]。

作者在此對吸附等溫曲線法與飽和濕度法測量鉆井液處理劑溶液的活度進(jìn)行了對比。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

NaCl,KCl,CaCl2,Ca(NO3)2,KNO3,NaCOOH,KCOOH。

電子天平，烘箱，電子濕度計。

1.2 方法

1.2.1 吸附等溫曲線法

1)用燒杯配制已知活度的飽和無機(jī)鹽溶液并放入洗凈的干燥器中。

2)稱取烘至恒質(zhì)量的膨潤土放入已知質(zhì)量(m0)的洗凈并烘干至恒質(zhì)量的稱量瓶中，稱量其總質(zhì)量(m1)，將稱量瓶放入干燥器中。

4)平衡吸水量的計算：

5)計算出不同溶液的平衡吸水量，以平衡吸水量為橫坐標(biāo)、活度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)吸附等溫曲線。

1.2.2 飽和濕度法

測量活度的電子濕度計的制作:將電子濕度計的探頭插入廣口瓶內(nèi)，調(diào)節(jié)探頭與液面的距離，密封好廣口瓶。

將已知活度的飽和無機(jī)鹽溶液倒入廣口瓶中，約2 h后通過電子濕度計讀出測量的濕度，建立濕度與活度的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附等溫曲線法結(jié)果(表1)

由測量的平衡吸水量與已知活度(表1)作圖，如圖1所示。

表1吸附等溫曲線法所測試的平衡吸水量

Tab.1Equilibriumadsorptionwaterquantitytestedbyadsorptionisothermcurvemethod

飽和溶液平衡吸水量/%已知活度蒸餾水13.69401NaCl5.42550.75KCl7.69600.92CaCl22.16420.30Ca(NO3)23.58940.505

圖1 活度與平衡吸水量關(guān)系曲線Fig.1 The relationship curve of activity and equilibrium adsorption water quantity

由圖1擬合得活度(y)與平衡吸水量(x)的關(guān)系式為：y=-0.0088x2+0.2009x-0.0943,R2=0.999。

2.2 飽和濕度法結(jié)果(表2)

表2已知活度飽和溶液的濕度測量值

Tab.2 Humidity measurements of saturated solutionswith known activity

由測量的濕度與已知活度(表2)作圖，如圖2所示。

圖2 活度與濕度關(guān)系曲線Fig.2 The relationship curve of activity and humidity

由圖2擬合得活度(y)與濕度(x)的關(guān)系式為：y=0.2521x2+0.725x-0.0512，R2=0.9885。

2.3 關(guān)系式的驗證

為了驗證上述關(guān)系式，在室內(nèi)測量了飽和KNO3、NaCOOH、KCOOH溶液的活度，結(jié)果見表3。

由表3可以看出，兩種活度測量方法所測不同飽和溶液的活度均與理論值較為接近，但飽和濕度法的實驗誤差較吸附等溫曲線法的更小。

表3飽和溶液活度測量結(jié)果

Tab.3 The activity measurements of saturated solutions

為了驗證上述方法的廣泛性，對不同濃度NaCl溶液進(jìn)行了活度測量,結(jié)果見表4。

表4不同濃度NaCl溶液活度測量結(jié)果

Tab.4TheactivitymeasurementsofdifferentconcentrationsofNaClsolution

溶液 吸附等溫曲線法吸水量/% 測量活度 飽和濕度法濕度/% 測量活度飽和5.42550.75075.30.73915%NaCl5.95010.79180.00.79110%NaCl7.01260.88383.80.8345%NaCl9.64281.02490.60.9130%NaCl13.694011001

由表4可以看出，兩種活度測量方法所測的不同濃度NaCl溶液的活度接近，表明它們同樣適用于不同濃度溶液的活度測量。

2.4 鉆井液處理劑溶液的活度測量

在室內(nèi)將鉆井液處理劑分別溶于飽和鹽水和蒸餾水中，測試了不同溶液中處理劑加量對活度的影響，結(jié)果見表5。

由表5可以看出,兩種方法的測試結(jié)果具有較好的一致性；隨著處理劑的不斷加入，蒸餾水和飽和鹽水的活度總體呈降低趨勢但其變化趨勢不大；飽和鹽水的活度小于蒸餾水的活度，表明鹽含量對溶液活度的影響較處理劑更大。

表5不同溶液中處理劑加量對活度的影響

Tab.5Theinfluenceoftreatingagentadditionamountonactivityindifferentsolutions

處理劑處理劑加量%飽和濕度法測活度飽和鹽水 蒸餾水吸附等溫曲線法測活度飽和鹽水 蒸餾水SPNH00.73910.753110.7210.9770.7420.98920.7290.9680.7370.97330.7410.9540.7350.96240.7410.9430.7350.96650.7490.9290.7400.957SMP-200.73910.753110.7450.9800.7510.98430.7440.9540.7450.97750.7370.9560.7450.95870.7360.9130.7420.937CMC0.00.73910.75310.50.7450.9890.7540.9871.00.7250.9870.7440.9791.50.7320.9720.7420.9782.00.7270.9540.7390.965

3 結(jié)論

1) 吸附等溫曲線法測定鉆井液中溶液活度簡單易操作，其測試周期較長，一般在1周左右。

2)吸附等溫曲線法和飽和濕度法測得的飽和溶液活度具有較好的重復(fù)性，但飽和濕度法測試周期短，一般為2 h，且誤差較小。

3)對不同濃度的NaCl溶液活度的測量，吸附等溫曲線法和飽和濕度法的結(jié)果具有較好的一致性，兩種方法的適用范圍較廣，均適用于不同濃度溶液的活度測量。

4)鉆井液中鹽含量對溶液活度的抑制作用強(qiáng)于所測處理劑對溶液活度的影響。

[1] 李方，蒲小林，羅興樹，等.幾種有機(jī)鹽溶液活度及抑制性實驗研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報，2009,31(3):134-137.

[2] 鄭力會，單正鋒，劉東.鉆井液活度測量儀器開發(fā)及應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2007,35(5):46-48.