激光衍射法測(cè)定重晶石粉粒度的影響因素研究

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(lái)越多的重視，相關(guān)研究成果提出了不少觀(guān)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(guò)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(mǎn)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(guò)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(guò)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(méi)有明確的測(cè)量方法和標(biāo)準(zhǔn)，本文將通過(guò)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(mǎn)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(jiàn)表1）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)上的操作說(shuō)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(mǎn)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(lái)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(jiàn)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(mǎn)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(jiàn)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(guò)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(guò)低不能產(chǎn)生足夠的信號(hào)，無(wú)法代表樣品的真實(shí)情況，濃度過(guò)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(shuō)明書(shū)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(shuō)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(jiàn)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(shuō)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(guò)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(jiàn)表5）。

由表5 可知：測(cè)量過(guò)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(guò)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(lèi)較易分散的樣品測(cè)量過(guò)程中是否超聲對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大。

表5 測(cè)量過(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)短，樣品分散不夠充分，時(shí)間過(guò)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(guò)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(mǎn)足GB/T 19077-2016 中D50的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)不超過(guò)3%、D10和D90的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過(guò)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(mǎn)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(guò)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(guò)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。