钻井液处理剂溶液活度测量方法对比

王志龙，杨龙龙，罗 跃，尹 达，梁红军

(1.长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州434023；2.中国石油塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000)

对钻井液抑制性的控制经常利用钻井液的活度与膨胀抑制性的数据进行对比，因此，室内寻找一种快速便捷的溶液活度测量方法对于全面分析钻井液的抑制机理很有必要。

吸附等温曲线是指一定温度下溶质分子在两相界面上进行的吸附过程达到平衡时它们在两相中浓度之间的关系曲线。在一定温度下,分离物质在液相和固相中的浓度关系可用吸附方程式来表示。吸附等温曲线法通过测量膨润土平衡吸水量，建立与之对应的活度数学模型，从而绘制标准工作曲线，通过该标准工作曲线可以查出未知活度溶液相应的活度[1]。

在大气压条件下，水的蒸汽压与水蒸气中水的体积分数成正比；恒温下，水的蒸汽压与水的活度直接相关，在某一相对湿度下就有与之相对应的活度。饱和湿度法是利用电子湿度计测量已知活度的饱和盐水溶液和蒸馏水上方封闭空间的相对湿度，建立相对湿度和溶液活度的数学关系式，再测量未知活度溶液上方密闭空间的相对湿度，通过该数学关系式即可求得溶液活度[2]。

作者在此对吸附等温曲线法与饱和湿度法测量钻井液处理剂溶液的活度进行了对比。

1 实验

1.1 试剂与仪器

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

电子天平，烘箱，电子湿度计。

1.2 方法

1.2.1 吸附等温曲线法

1)用烧杯配制已知活度的饱和无机盐溶液并放入洗净的干燥器中。

2)称取烘至恒质量的膨润土放入已知质量(m0)的洗净并烘干至恒质量的称量瓶中，称量其总质量(m1)，将称量瓶放入干燥器中。

4)平衡吸水量的计算：

5)计算出不同溶液的平衡吸水量，以平衡吸水量为横坐标、活度为纵坐标绘制标准吸附等温曲线。

1.2.2 饱和湿度法

测量活度的电子湿度计的制作:将电子湿度计的探头插入广口瓶内，调节探头与液面的距离，密封好广口瓶。

将已知活度的饱和无机盐溶液倒入广口瓶中，约2 h后通过电子湿度计读出测量的湿度，建立湿度与活度的数学关系式。

2 结果与讨论

2.1 吸附等温曲线法结果(表1)

由测量的平衡吸水量与已知活度(表1)作图，如图1所示。

表1吸附等温曲线法所测试的平衡吸水量

Tab.1Equilibriumadsorptionwaterquantitytestedbyadsorptionisothermcurvemethod

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

图1 活度与平衡吸水量关系曲线Fig.1 The relationship curve of activity and equilibrium adsorption water quantity

由图1拟合得活度(y)与平衡吸水量(x)的关系式为：y=-0.0088x2+0.2009x-0.0943,R2=0.999。

2.2 饱和湿度法结果(表2)

表2已知活度饱和溶液的湿度测量值

Tab.2 Humidity measurements of saturated solutionswith known activity

由测量的湿度与已知活度(表2)作图，如图2所示。

图2 活度与湿度关系曲线Fig.2 The relationship curve of activity and humidity

由图2拟合得活度(y)与湿度(x)的关系式为：y=0.2521x2+0.725x-0.0512，R2=0.9885。

2.3 关系式的验证

为了验证上述关系式，在室内测量了饱和KNO3、NaCOOH、KCOOH溶液的活度，结果见表3。

由表3可以看出，两种活度测量方法所测不同饱和溶液的活度均与理论值较为接近，但饱和湿度法的实验误差较吸附等温曲线法的更小。

表3饱和溶液活度测量结果

Tab.3 The activity measurements of saturated solutions

为了验证上述方法的广泛性，对不同浓度NaCl溶液进行了活度测量,结果见表4。

表4不同浓度NaCl溶液活度测量结果

Tab.4TheactivitymeasurementsofdifferentconcentrationsofNaClsolution

溶液 吸附等温曲线法吸水量/% 测量活度 饱和湿度法湿度/% 测量活度饱和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，两种活度测量方法所测的不同浓度NaCl溶液的活度接近，表明它们同样适用于不同浓度溶液的活度测量。

2.4 钻井液处理剂溶液的活度测量

在室内将钻井液处理剂分别溶于饱和盐水和蒸馏水中，测试了不同溶液中处理剂加量对活度的影响，结果见表5。

由表5可以看出,两种方法的测试结果具有较好的一致性；随着处理剂的不断加入，蒸馏水和饱和盐水的活度总体呈降低趋势但其变化趋势不大；饱和盐水的活度小于蒸馏水的活度，表明盐含量对溶液活度的影响较处理剂更大。

表5不同溶液中处理剂加量对活度的影响

Tab.5Theinfluenceoftreatingagentadditionamountonactivityindifferentsolutions

处理剂处理剂加量%饱和湿度法测活度饱和盐水 蒸馏水吸附等温曲线法测活度饱和盐水 蒸馏水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 结论

1) 吸附等温曲线法测定钻井液中溶液活度简单易操作，其测试周期较长，一般在1周左右。

2)吸附等温曲线法和饱和湿度法测得的饱和溶液活度具有较好的重复性，但饱和湿度法测试周期短，一般为2 h，且误差较小。

3)对不同浓度的NaCl溶液活度的测量，吸附等温曲线法和饱和湿度法的结果具有较好的一致性，两种方法的适用范围较广，均适用于不同浓度溶液的活度测量。

4)钻井液中盐含量对溶液活度的抑制作用强于所测处理剂对溶液活度的影响。

[1] 李方，蒲小林，罗兴树，等.几种有机盐溶液活度及抑制性实验研究[J].西南石油大学学报，2009,31(3):134-137.

[2] 郑力会，单正锋，刘东.钻井液活度测量仪器开发及应用[J].石油机械，2007,35(5):46-48.