支撐劑新舊標準及實驗方法比對

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)有限責任服務公司（陜西西安710018）

■標準化

支撐劑新舊標準及實驗方法比對

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)有限責任服務公司（陜西西安710018）

通過新標準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》與舊標準SY/T 5108-2006《壓裂支撐劑性能指標及測試推薦作法》測定支撐劑實驗性能檢測指標的比對，顯示新舊標準方法測定，樣品測定結(jié)果存在差異；且新舊標準方法操作中存在區(qū)別，新標準改善了支撐劑樣品分析的準確度、對我國壓裂支撐劑行業(yè)標準與國際ISO標準的對接起到了重大促進作用。

支撐劑；實驗比對；新舊標準

支撐劑實驗性能檢測指標的合理改進有利于支撐劑行業(yè)的制造和油田支撐劑的使用，新標準的修訂并非降低油田對支撐劑使用的技術(shù)要求，而是在油田發(fā)展的新形勢下圍繞支撐劑技術(shù)指標的提升和成本的競爭朝正確的方向發(fā)展提供保障。新標準是本著科學發(fā)展、合理完善的原則，在原標準的基礎(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)研究中對支撐劑性能實驗測定的要求，結(jié)合室內(nèi)實驗分析、油田具體情況進行了修訂［1-4］。新標準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］在舊的標準基礎(chǔ)上給出了支撐劑7類實驗評價方法及主要性能的比對，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。對新舊標準方法進行實驗分析、比對，通過實驗證明了新舊方法測定樣品時存在差異，且對新舊標準實驗方法的差異性進行了比對。

1　新舊標準的交替

2006年7月10日國家發(fā)展和改革委員會發(fā)布實施SY/T 5108-2006《壓裂支撐劑性能指標及測試推薦作法》［5］。經(jīng)過近10年的分析測試，其標準方法已不能滿足支撐劑產(chǎn)品發(fā)展、產(chǎn)品檢驗、資源和環(huán)境保護與行業(yè)發(fā)展的需要，所以新標準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)布來替代舊標準，新標準于2015年3月1日起實施，原標準SY/T 5108-2006即日起廢止。

2　新舊標準檢測項目的比對

新舊標準比對主要體現(xiàn)在實驗方法、實驗藥劑、實驗儀器發(fā)生變化（表1）。

3　新舊標準檢測項目變化與結(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)系到破碎率試驗時所需樣品的數(shù)量。該值間接決定了壓裂中配套的壓裂液性能和壓裂設備性能，計算支撐裂縫的支撐體積。

舊標準的體積密度是使用密度瓶來測量，新標準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6個不同樣品進行3次平行樣測定所得平均值。

表1　新舊標準的差異

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定好的容器內(nèi)進行測量。操作過程有一定差異，通過二種方法對同一樣品進行的測量，密度儀法測量值重復性相對較好。

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。

新標準：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3種不同規(guī)格的支撐劑用不同介質(zhì)的實驗結(jié)果。

采用低密度油類對覆膜類以及特殊性支撐劑和常規(guī)陶粒砂的視密度進行測量，覆膜類支撐劑、特類支撐劑的視密度測量更加準確，對常規(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)量與絕對體積之比就是絕對密度。反映支撐劑的真實密度，用絕對密度測試儀測量。

表3　3種不同規(guī)格的支撐劑用不同介質(zhì)的實驗結(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，新標準是對支撐劑的破碎率分級，分別為2k（14MPa），4k（28MPa），5k（35MPa），7.5k（52MPa），10k（69MPa），12.5k（86MPa），15k（103MPa）。例如：在52MPa應力條件下支撐劑產(chǎn)生了9%的微粒，支撐劑能夠承受的最大應力值而不產(chǎn)生超過9%的破碎率的應力值為35MPa，對應破碎的等級為5k。

對于新舊標準不同的測定形式進行了實驗，表4為所測的實驗數(shù)據(jù)。

從測定數(shù)據(jù)得知，新標準體積密度的測定方法所測值低于舊標準所測值，根據(jù)體積密度值新標準所測破碎率在相同應力下低于舊標準所測值。舊標準分低密度、中密度、高密度陶粒支撐劑3種規(guī)格，在52MPa應力下不同規(guī)格按不同標準值進行合格判定。新標準取消密度劃分，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力值對應破碎等級判斷是否符合標準要求。

表4　新舊標準不同測定形式的破碎率實驗數(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。確定支撐劑遇酸時的適宜性。舊標的12：3的HCl：HF溶液的配置方法改變；新標采用HCl溶液和NH4HF2晶體配制，由直接接觸反應到緩慢接觸反應，配置溶液的方法變得簡潔，鹽酸酸液揮發(fā)性變小。

對3個樣品進行了實驗，每個樣品分別做了3次平行樣，數(shù)據(jù)見表5。

表5可見新標準所得酸溶解度測定值低于舊標準測定值。酸融解度測定過程中，新標準的藥劑NH4HF2起到穩(wěn)定劑和緩釋的作用。實驗室中，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容易達標。

表5　3個樣品的實驗結(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均勻，不易破碎，裂縫導流能力保持能力比較好。支撐劑在裂縫中運移也相對更容易。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是新舊標準判定圓球度的不同指標。

表6　新舊標準判定圓球度的不同指標

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)或無機物的含量。

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

表7是對同一個樣品分別用圓周旋轉(zhuǎn)和水平往復進行10個平行樣實驗的結(jié)果。

新標準利用水平往復搖樣方式測試數(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，由直接接觸反應到緩慢接觸反應，降低了腐蝕速率，酸溶解度測定值相對于舊標準測定值較低。

3）濁度測定人員之間存在差異，不可避免，使用手動往復搖動的方法較接近國際標準要求。

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絕對密度。

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

表7　同一個樣品分別用圓周旋轉(zhuǎn)和水平往復的實驗結(jié)果/%

［1］趙汝麗.水質(zhì)石油類和動植物油類新舊標準測定方法比對［J］.環(huán)境科學導刊，2015，35（Z1）：82-86.

［2］賀志鵬，楊萍.GB/T 8628以及GB/T 8630新舊標準比較［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)與實踐［M］.北京：中國石化出版社，2015.

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

［5］石油工業(yè)標準化技術(shù)委員會.壓裂支撐劑性能指標及測試推薦方法：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