支撐劑新舊標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)驗(yàn)方法比對(duì)

董小麗，甘爭龍，楊紅英，姚　亮，楊丹丹，劉　鵬

1.中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心（陜西西安710018）

2.西安長立油氣工程技術(shù)有限責(zé)任服務(wù)公司（陜西西安710018）

■標(biāo)準(zhǔn)化

支撐劑新舊標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)驗(yàn)方法比對(duì)

董小麗1，甘爭龍2，楊紅英1，姚亮1，楊丹丹1，劉鵬2

1.中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心（陜西西安710018）

2.西安長立油氣工程技術(shù)有限責(zé)任服務(wù)公司（陜西西安710018）

通過新標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108-2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測試方法》與舊標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108-2006《壓裂支撐劑性能指標(biāo)及測試推薦作法》測定支撐劑實(shí)驗(yàn)性能檢測指標(biāo)的比對(duì)，顯示新舊標(biāo)準(zhǔn)方法測定，樣品測定結(jié)果存在差異；且新舊標(biāo)準(zhǔn)方法操作中存在區(qū)別，新標(biāo)準(zhǔn)改善了支撐劑樣品分析的準(zhǔn)確度、對(duì)我國壓裂支撐劑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與國際ISO標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)接起到了重大促進(jìn)作用。

支撐劑；實(shí)驗(yàn)比對(duì)；新舊標(biāo)準(zhǔn)

支撐劑實(shí)驗(yàn)性能檢測指標(biāo)的合理改進(jìn)有利于支撐劑行業(yè)的制造和油田支撐劑的使用，新標(biāo)準(zhǔn)的修訂并非降低油田對(duì)支撐劑使用的技術(shù)要求，而是在油田發(fā)展的新形勢下圍繞支撐劑技術(shù)指標(biāo)的提升和成本的競爭朝正確的方向發(fā)展提供保障。新標(biāo)準(zhǔn)是本著科學(xué)發(fā)展、合理完善的原則，在原標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，充分調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)資料，根據(jù)支撐劑基本理論及國內(nèi)同行業(yè)生產(chǎn)研究中對(duì)支撐劑性能實(shí)驗(yàn)測定的要求，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析、油田具體情況進(jìn)行了修訂［1-4］。新標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108-2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測試方法》［6］在舊的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上給出了支撐劑7類實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法及主要性能的比對(duì)，為油田水力壓裂及礫石充填支撐劑技術(shù)健康、安全、環(huán)境控制等要求提供了技術(shù)保證和支持。對(duì)新舊標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析、比對(duì)，通過實(shí)驗(yàn)證明了新舊方法測定樣品時(shí)存在差異，且對(duì)新舊標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法的差異性進(jìn)行了比對(duì)。

1　新舊標(biāo)準(zhǔn)的交替

2006年7月10日國家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布實(shí)施SY/T 5108-2006《壓裂支撐劑性能指標(biāo)及測試推薦作法》［5］。經(jīng)過近10年的分析測試，其標(biāo)準(zhǔn)方法已不能滿足支撐劑產(chǎn)品發(fā)展、產(chǎn)品檢驗(yàn)、資源和環(huán)境保護(hù)與行業(yè)發(fā)展的需要，所以新標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108-2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測試方法》［6］由國家能源局發(fā)布來替代舊標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)于2015年3月1日起實(shí)施，原標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108-2006即日起廢止。

2　新舊標(biāo)準(zhǔn)檢測項(xiàng)目的比對(duì)

新舊標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)主要體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)藥劑、實(shí)驗(yàn)儀器發(fā)生變化（表1）。

3　新舊標(biāo)準(zhǔn)檢測項(xiàng)目變化與結(jié)果分析

3.1體積密度、視密度和真密度

1）體積密度是描述一個(gè)單位的支撐劑質(zhì)量，包括支撐劑和孔隙體積。確定充填裂縫或裝滿儲(chǔ)罐所需支撐劑的質(zhì)量。體積密度的測試結(jié)果直接關(guān)系到破碎率試驗(yàn)時(shí)所需樣品的數(shù)量。該值間接決定了壓裂中配套的壓裂液性能和壓裂設(shè)備性能，計(jì)算支撐裂縫的支撐體積。

舊標(biāo)準(zhǔn)的體積密度是使用密度瓶來測量，新標(biāo)準(zhǔn)是使用密度儀來測量，表2是分別用二種方法測得體積密度值。表2數(shù)據(jù)是對(duì)6個(gè)不同樣品進(jìn)行3次平行樣測定所得平均值。

表1　新舊標(biāo)準(zhǔn)的差異

表2　2種方法測得體積密度值/（g·cm-3）

原理相同，都是讓待測試樣品自由下落充滿標(biāo)定好的容器內(nèi)進(jìn)行測量。操作過程有一定差異，通過二種方法對(duì)同一樣品進(jìn)行的測量，密度儀法測量值重復(fù)性相對(duì)較好。

2）視密度是表征不包括支撐劑之間孔隙體積的一種密度，反映單位顆粒體積的支撐劑質(zhì)量。通常用低黏度液體來測量，液體潤濕了顆粒表面，包括液體不可以觸及的孔隙體積。

新標(biāo)準(zhǔn)：采用低密度油（黏度小于5mPa·s）做為測試液體，低密度石蠟油、煤油、柴油或與之相似的油類，在使用溫度下的最大黏度小于5 mPa·s。表3是對(duì)3種不同規(guī)格的支撐劑用不同介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

采用低密度油類對(duì)覆膜類以及特殊性支撐劑和常規(guī)陶粒砂的視密度進(jìn)行測量，覆膜類支撐劑、特類支撐劑的視密度測量更加準(zhǔn)確，對(duì)常規(guī)支撐劑的測量結(jié)果影響基本不大。

3）真密度即絕對(duì)密度是不包括支撐劑中的孔隙及支撐劑之間的孔隙體積。支撐劑質(zhì)量與絕對(duì)體積之比就是絕對(duì)密度。反映支撐劑的真實(shí)密度，用絕對(duì)密度測試儀測量。

表3　3種不同規(guī)格的支撐劑用不同介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果/（g.cm-3）

3.2破碎率

測定支撐劑破碎率是為了確定在給定應(yīng)力條件下支撐劑破碎的數(shù)量。用于確定并比較支撐劑抗破碎的性能。確定支撐劑材料可承受的最大壓力。

新舊方法破碎率測定的對(duì)比：破碎率的測定方法沒有發(fā)生變化，只是在測定的形式上有所改變，新標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)支撐劑的破碎率分級(jí)，分別為2k（14MPa），4k（28MPa），5k（35MPa），7.5k（52MPa），10k（69MPa），12.5k（86MPa），15k（103MPa）。例如：在52MPa應(yīng)力條件下支撐劑產(chǎn)生了9%的微粒，支撐劑能夠承受的最大應(yīng)力值而不產(chǎn)生超過9%的破碎率的應(yīng)力值為35MPa，對(duì)應(yīng)破碎的等級(jí)為5k。

對(duì)于新舊標(biāo)準(zhǔn)不同的測定形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，表4為所測的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從測定數(shù)據(jù)得知，新標(biāo)準(zhǔn)體積密度的測定方法所測值低于舊標(biāo)準(zhǔn)所測值，根據(jù)體積密度值新標(biāo)準(zhǔn)所測破碎率在相同應(yīng)力下低于舊標(biāo)準(zhǔn)所測值。舊標(biāo)準(zhǔn)分低密度、中密度、高密度陶粒支撐劑3種規(guī)格，在52MPa應(yīng)力下不同規(guī)格按不同標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行合格判定。新標(biāo)準(zhǔn)取消密度劃分，以支撐劑產(chǎn)生最大的碎屑不超過9%來確定其承受的最大應(yīng)力值對(duì)應(yīng)破碎等級(jí)判斷是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4　新舊標(biāo)準(zhǔn)不同測定形式的破碎率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)/%

3.3酸溶解度

測量支撐劑中可溶物質(zhì)數(shù)量指標(biāo)。確定支撐劑遇酸時(shí)的適宜性。舊標(biāo)的12：3的HCl：HF溶液的配置方法改變；新標(biāo)采用HCl溶液和NH4HF2晶體配制，由直接接觸反應(yīng)到緩慢接觸反應(yīng)，配置溶液的方法變得簡潔，鹽酸酸液揮發(fā)性變小。

對(duì)3個(gè)樣品進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，每個(gè)樣品分別做了3次平行樣，數(shù)據(jù)見表5。

表5可見新標(biāo)準(zhǔn)所得酸溶解度測定值低于舊標(biāo)準(zhǔn)測定值。酸融解度測定過程中，新標(biāo)準(zhǔn)的藥劑NH4HF2起到穩(wěn)定劑和緩釋的作用。實(shí)驗(yàn)室中，氫離子電離的速度變慢，酸的腐蝕速率變低，故支撐劑酸溶解度相對(duì)容易達(dá)標(biāo)。

表5　3個(gè)樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果/%

3.4圓度球度

球度、圓度值越接近1.0，在常規(guī)壓裂工藝中，在地層裂縫鋪置后，顆粒之間受力越相對(duì)均勻，不易破碎，裂縫導(dǎo)流能力保持能力比較好。支撐劑在裂縫中運(yùn)移也相對(duì)更容易。球度是支撐劑顆粒近似球狀程度的量度；圓度是支撐劑顆粒角隅銳利程度或顆粒曲度量度。用途在于各類支撐劑的特性描述。表6是新舊標(biāo)準(zhǔn)判定圓球度的不同指標(biāo)。

表6　新舊標(biāo)準(zhǔn)判定圓球度的不同指標(biāo)

確定圓度球度使用最廣泛的的方法是使用Krumbien/Sloss圖版法，現(xiàn)在已采用照相技術(shù)或數(shù)字技術(shù)來確定這些參數(shù)，可以提高工作效率。

3.5濁度

濁度是確定懸浮顆粒數(shù)量或其他細(xì)微分離的物質(zhì)，反映了支撐劑顆粒表面粉塵、泥質(zhì)或無機(jī)物的含量。

新標(biāo)準(zhǔn)要求：天然石英砂和礫石充填支撐劑的濁度不應(yīng)超過150FTU；陶粒支撐劑和樹脂覆膜支撐劑的濁度不應(yīng)超過100FTU（100FTU為2006標(biāo)準(zhǔn)）。新增加了濁度校準(zhǔn)液的制備方法，擴(kuò)大石英砂和礫石的濁度范圍。

表7是對(duì)同一個(gè)樣品分別用圓周旋轉(zhuǎn)和水平往復(fù)進(jìn)行10個(gè)平行樣實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

新標(biāo)準(zhǔn)利用水平往復(fù)搖樣方式測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)離散度較小，平行樣測試誤差小。

4　結(jié)論

1）圓球度好的支撐劑具備最理想的支撐條件，使用圖版法確定支撐劑的圓球度是經(jīng)濟(jì)有效的測試方法。目前采用的照相技術(shù)以及數(shù)字化技術(shù)提高了測定圓球度的效率，減少勞動(dòng)力。

2）酸溶解度使用新藥劑HCl溶液和NH4HF2晶體，NH4HF2起到穩(wěn)定劑與緩釋的作用，由直接接觸反應(yīng)到緩慢接觸反應(yīng)，降低了腐蝕速率，酸溶解度測定值相對(duì)于舊標(biāo)準(zhǔn)測定值較低。

3）濁度測定人員之間存在差異，不可避免，使用手動(dòng)往復(fù)搖動(dòng)的方法較接近國際標(biāo)準(zhǔn)要求。

4）使用密度儀規(guī)范了體積密度測試方法，使用低密度油類作為介質(zhì)測試視密度可包括液體不可觸及的孔隙體積，盡可能滿足新增指標(biāo)絕對(duì)密度。

5）取消了密度劃分限制，增加了支撐劑的破碎率分級(jí)，嚴(yán)格控制了樣品的等級(jí)。新標(biāo)準(zhǔn)在檢測方法和樣品采集上進(jìn)行了方法更新，壓裂技術(shù)理論和實(shí)踐更加成熟，與國際接軌的新標(biāo)準(zhǔn)在原有標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)行了較大幅度的修改與增補(bǔ)，使標(biāo)準(zhǔn)更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)。且結(jié)合我國目前支撐劑發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了改進(jìn)，具有較強(qiáng)的操作性，使支撐劑的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)更加完善，為我國支撐劑檢測提供了有利支撐。

表7　同一個(gè)樣品分別用圓周旋轉(zhuǎn)和水平往復(fù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果/%

［1］趙汝麗.水質(zhì)石油類和動(dòng)植物油類新舊標(biāo)準(zhǔn)測定方法比對(duì)［J］.環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2015，35（Z1）：82-86.

［2］賀志鵬，楊萍.GB/T 8628以及GB/T 8630新舊標(biāo)準(zhǔn)比較［J］.染整技術(shù)，2015（8）：48-49.

［3］王步娥，宋開利.致密油氣開采技術(shù)與實(shí)踐［M］.北京：中國石化出版社，2015.

［4］趙明國，黨慶功.石油工程實(shí)驗(yàn)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2014.

［5］石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).壓裂支撐劑性能指標(biāo)及測試推薦方法：SY/T 5108-2006［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［6］國家能源局.水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測試方法：SY/T 5108-2014［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2015.

There is difference between the measurement results of proppant properties using new standard SY/T5108-2014“Test meth?od for performance of proppant for hydraulic fracturing and gravel packing operations”and old standard SY/T5108-2006“Performance indexes of fracturing proppant and recommended testing method”separately，and the testing methods of new and old standard are differ?ent.The new standard improves the accuracy of proppant sample analysis，and it has played an important role in promoting the consisten?cy of the industry standard for fracturing support agent in China with the international ISO standard.

proppant；experimental comparison；new and old standards

董小麗（1979-），女，工程師，現(xiàn)主要從事環(huán)境監(jiān)測工作。

本文編輯：尉立崗2016-06-25