激光衍射法测定重晶石粉粒度的影响因素研究

周晓蕾

（中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257000）

随着钻井液屏蔽暂堵、理想充填、多级配充填等技术的发展，钻井液中固相颗粒的粒度分布研究受到了石油工作者越来越多的重视，相关研究成果提出了不少观点，重晶石粉作为钻井液中必不可少的固相加重材料，其粒度分布对钻井液流变性和滤失性有明显影响，且钻井液密度越高，这种影响越明显，通过优化重晶石粒度级配可以改善钻井液流变性[1，2]；合理的固相粒度分布可以改善高密度钻井液的滤饼润滑性[3]。涉及测量重晶石粉粒度的技术方法主要有筛余法、沉降法、激光衍射法。筛余法采用标准筛进行人工筛选，从而测量不同粒度范围间的重晶石粉含量，该方法只能粗略评估重晶石粉粒度范围，不能满足测量重晶石粉整体粒度分布的要求。沉降法主要是通过测量实验溶液不同沉降时间密度和温度，根据公式计算出颗粒直径，GB/T 29170-2012《石油天然气工业 钻井液 实验室测试》中有对该方法的详细描述，但该方法耗时长、步骤繁琐。

激光衍射法是利用激光衍射仪测量颗粒的粒度分布，其测量原理是颗粒在各个方向产生的散射光强度分布取决于颗粒的尺度，颗粒群的散射图形等于各个颗粒散射图形的叠加，通过适当的光学模型和数学转换，计算出颗粒粒度的体积分布。采用激光衍射法测定样品粒度不仅测量时间短、步骤简单易操作，还可以分析全部的颗粒分布含量及比表面积等参数。目前激光衍射法测定重晶石粉粒度分布并没有明确的测量方法和标准，本文将通过实验研究不同因素对激光衍射法测定重晶石粉粒度的影响，探讨激光衍射法测定重晶石粉粒度的规范操作。

1 激光衍射仪的影响

激光衍射仪在使用前应先进行校准，确保仪器满足测试要求，消除仪器本身对实验结果的影响。

GB/T 19077-2016《粒度分布 激光衍射法》适用于粒径范围0.1～3 000 μm 颗粒的粒度分布测量，重晶石粉的粒度范围在该标准适用粒径范围内。根据该标准对仪器校准的要求，采用国家标准物质作为校准颗粒，使用GBW（E）120027 乳胶微粒粒度标准物质（中值粒径D50=25.0 μm），校准Winner2005 型激光粒度分析仪（济南微钠颗粒技术有限公司制造），以准确度和重复性作为校准指标。

1.1 准确度

GB/T 19077-2016 中要求分析三个平行样，取其平均值，相对误差表征准确度。结合标准和仪器要求，通常采用D10、D50、D90作为表征，当然可以根据自身测量需要选定合适的表征参数（见表1）。根据标准物质证书上的操作说明进行测量。

根据表1 数据可以确定仪器测量的准确度满足要求。

表1 准确度评价数据

1.2 重复性

GB/T 19077-2016 中要求至少连续测量三次粒度分布，相对标准偏差用来表征重复性。结合标准要求和重晶石粉常用表征参数，采用D10、D50、D90作为表征参数（见表2）。

式中：S-测量标准偏差，μm；n-测量次数；Di-第i次测量的D50值，μm次测量平均值，μm。

式中：ΔS-相对标准偏差。

根据表2 数据可以确定仪器测量的重复性满足要求。

表2 重复性评价数据

2 样品分散的影响

激光衍射仪不能区分测定的是单个颗粒，还是团聚以后的颗粒，多数待测样品中都包含团聚颗粒。在测量前应确定测定目标是原始颗粒还是团聚后颗粒。测量重晶石粉原始颗粒时，为了保证颗粒的充分分散，可以在分散介质中添加少量分散剂，加快团聚颗粒分解为单个颗粒的速度，通常用5%～6%六偏磷酸钠水溶液作为分散剂[4，5]。

激光衍射法测量粒度的前提是在分散剂和机械力（搅拌、超声）条件下，使团聚颗粒分散，形成稳定的分散状态[6]。测量溶液处于稳定的分散状态，才能保证测量数据真实可用。分散方法主要有两种：（1）将重晶石粉提前溶解分散在5%六偏磷酸钠水溶液中，制成预分散溶液，测量时将预分散溶液加入到仪器中；（2）直接将重晶石粉加入到仪器中。

分别对不同重晶石粉样品进行制备预分散溶液后测量D50值和直接加样测量，实验结果（见表3）。为避免超声影响测量结果，测量前后均不超声。

由表3 可以看出：测量前的预分散虽然很好的将重晶石颗粒充分分散，但在加样过程中重晶石粉沉降现象明显，取样的代表性和均匀性受到影响，直接影响实验结果，重复性差。直接加样测量的重复性较好。因此测量重晶石粉粒度时，不建议事先预分散，可直接加样，利用仪器的搅拌和超声进行分散。

表3 分散方式对重晶石粉测量结果的影响

3 样品测量浓度的影响

测量时应保证一定的测量浓度，浓度过低不能产生足够的信号，无法代表样品的真实情况，浓度过高容易发生多重散射（光接连被多个颗粒散射），影响实验结果，误差大。

激光衍射仪说明书中会提供仪器适用的遮光率或透光率的范围，可以根据仪器说明确定合适的遮光率，减少测量浓度对实验结果的影响。

4 超声分散的影响

激光衍射仪自带搅拌和超声功能，搅拌利用机械力促进样品的分散，但分散作用有限，对团聚颗粒作用不大。但超声效果显著，对测量结果影响明显。

针对重晶石粉，因为选择直接加样，利用仪器的搅拌和超声进行分散。那么在加样后需要选择是否进行超声预分散后再测量。针对不同重晶石粉样品，分别进行直接测量、超声预分散1 min、2 min、4 min、6 min、10 min后测量D50值，实验结果（见表4）。

由表4 可知：超声预分散后测量的重晶石D50比未超声预分散的测量结果偏低，说明超声可以有效地分散重晶石粉团聚的大颗粒，测量前的超声能够更好的分散颗粒。随着超声分散时间的增长，D50值逐渐减小，超声预分散6 min 后D50值趋于稳定。但是最终趋于稳定的结果并不能代表重晶石粉的真实颗粒分布，虽然有超声辅助分散，但重晶石粉中大颗粒仍会发生沉降。因此，超声预分散的时间并不是越长越好，建议超声预分散的时间可设定在1～2 min 范围内。

表4 超声预分散对重晶石粉测量结果的影响

实验中设定超声预分散时间为1 min，针对不同重晶石粉样品，分别进行测量过程中未超声分散和超声分散的D50值测定，实验结果（见表5）。

由表5 可知：测量过程中是否超声对实验结果和重复性影响较小。测量过程中的超声分散是为了防止颗粒团聚，防止造成测量结果不稳定或偏大，对于重晶石粉这类较易分散的样品测量过程中是否超声对测量结果影响不大。

表5 测量过程中超声分散对重晶石粉测量结果的影响

5 数据采集时间的影响

如果样品充分分散，测得的粒度分布不应存在显著的波动或突然变化[6]。但在实验过程中发现由于重晶石粉本身密度大、大颗粒较多，沉降现象明显，不仅超声预分散的时间对测量结果有明显影响，数据采集时间对测量结果也有显著影响（见图1）。

图1 数据采集时间对重晶石粉测量结果的影响

由图1 可知：受重晶石粉沉降影响，随着测量时间的增加，D50呈减小趋势，采集时间60 s 后数据趋于稳定（大颗粒已经沉降）。为了数据的准确性和规范化操作，应设定统一的数据采集时间。时间过短，样品分散不够充分，时间过长，大颗粒沉降导致测量不够准确，建议采集时间可设定在20～40 s 内。

6 实验数据的影响

从上述影响因素研究可以看出由于重晶石粉的密度大、大颗粒多等特点，在测量过程中并不能得到一直稳定不变的数据，所以需要对实验数据进行评估，判断数据的可用性。

对于一次测量的实验数据（固定一台激光粒度仪），在确定了测量步骤和数据采集时间后，计算数据的相对标准偏差，满足GB/T 19077-2016 中D50的相对标准偏差应不超过3%、D10和D90的相对标准偏差不超过5%的要求，该次测量数据即可用。

对于某个样品的测量，应该平行测量三次，三次测量的相对标准偏差满足标准要求，则取三次测量的平均值作为最终实验结果。

7 结论

在测量重晶石粉粒度分布方法中激光衍射法具有用时短、步骤简单、重复性好等优点，激光衍射法在测定重晶石粉粒度的实验过程中会受到仪器本身、样品分散、测量浓度、超声分散、数据采集时间、如何选取实验数据等诸多因素的影响。通过实验研究不同因素对激光衍射法测定重晶石粉粒度的影响，探索出能够减少因素影响的实验步骤，为更加准确的测定重晶石粉粒度分布提供了参考。