[发明专利]一种岩石阳离子交换容量的测定方法

说明书

本发明涉及测定岩石阳离子交换容量(CEC)的一种新方法。它适用于各种粘土矿物、各类油气储层岩石的CEC值的测定。本发明采用化学火焰光度法测定岩样的CEC值，并与经典的化学醋酸铵盐淋洗法测定的CEC值建立定量的关联，可适用于各种粘土矿物和各类油气储层岩石的CEC值的测定。

地岩层石中常见的粘土矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石和绿泥石等，它们具有不同活跃程度的离子交换表面，对油气储层岩石的物理和化学性质影响很大，测定地层岩石的阳离子交换容量对岩石电阻率、自然电位、自然伽马和中子测井等提供重要的定量的参数。最常见的可进行交换反应的阳离子有Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺和NH₄⁺离子，通常以每100克干岩石所含可交换性的阳离子的毫克当量(meq)表示。CEC的测定有多种方法，目前国内外采用的主要有三种：A、多种流体矿化度条件下的电导率测量法(Mortland和mellor)；B、薄膜电位法(Thomas)；C、醋酸铵盐淋洗化学法(Campos)和(Hilchie)。多种矿化度法是不需破碎岩样，测定结果较为一致，并且样品可能最接近于储岩层条件，但多种矿化度方法的缺点是太费时间，且需要一种特殊的电阻率测量装置，因此它很昂贵。薄膜电位测量方法对于有效粘土含量低的岩石样品，测得的CEC值较准确，但对于蒙脱石含量高的岩样，CEC测定值的准确性较差，CEC值是不可靠的，且该实验方法麻烦。醋酸铵盐淋洗化学法是比较容易实现，仪器设备简单，分析准确度和重复性较好，但测定步骤多，分析费时多，一般须三天才能完成一个样品的分析，故分析工作量大、效率低。

GB2235488A公开了一种岩石阳离子交换容量(CEC)的测定方法，其对象是整块的地质岩心(core material)，在测定过程中岩心不能有任何损伤，因此要求在非水条件下进行分析测定，必须采用特定的实验装置和非水溶性的有机化合物溶剂作交换液，测定过程繁杂，周期长，精度低。

CN1062210A公开了一种测定粘土阳离子交换容量的分光光度法，采用以往现有技术中长期使用的NH₄⁺交换法，仅改进了用K⁺交换NH₄⁺，测定NH₄⁺的浓度替代了传统惯用的盐酸吸收NH₄OH的反滴定法，通过两步交换，即以氯化铵溶液为交换液，将阳离子交换为铵离子，再以氯化钾溶液为交换液，得到待测的含铵离子的溶液，然后用分光光度法测量溶液中的铵离子含量，计算阳离子交换容量。其精确度0.5～1.0％，测定的准确度一般5～10％，测定速度一般3～4天，也存在测定过程繁杂，周期长，精度低的问题。

本发明的目的在于提供一种测定岩石阳离子交换容量的新化学方法，它具有仪器设备和测定方法简单、分析准确度高和重复性好，且操作步骤简化，费工时少，可适用于各种粘土矿物和各类油气储层岩石的CEC值的测定。

本发明基于测定岩样阳离子交换容量的基本原理而设计的，粘土矿物上平衡电荷的阳离子是由库仑力束缚在晶层表面上，当粘土矿物处于水电介质中，由于粘土表面吸附水分子和阳离子周围的水化水分子的作用，平衡阳离子与粘土表面间存在一定的距离，阳离子中心位于距粘土Xd处称为OHP(Outer Helmholtz Plane)的平面上，粘土表面上吸附的阳离子受到的库仑力为：

                   F＝KQZ/Xd²

式中K为常数，与粘土和介质种类、温度等因素有关，Q为粘土晶片所带的平均电量，Z为阳离子所带电量，Xd为阳离子与粘土晶片间最近的距离。故对于吸附在同一种粘土晶片上的阳离子，其电荷量越大、水化半径越小(Xd小)，则所受的库仑引力越大，越容易吸附或交换到粘土表面上去。一些常见阳离子的水化半径列于表1。