壓裂用樹脂涂覆類可固化支撐劑人工巖心模具的研制及使用方法

付海江

中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院 （黑龍江 大慶 163453）

壓裂工藝技術(shù)對石油、天然氣開采起著非常重要的作用，而石油壓裂支撐劑是壓裂工藝技術(shù)能否獲得成功的關(guān)鍵。常用的壓裂支撐劑為石英砂和陶粒，普通石英砂價格廉價，但強(qiáng)度不高。陶粒具有較高的強(qiáng)度，而且在較深地層可以獲得較高的導(dǎo)流能力，但價格比較昂貴。普通石英砂和陶粒最大的缺點(diǎn)是在地層中發(fā)生運(yùn)移而產(chǎn)生顆粒破裂，導(dǎo)致水力壓裂施工結(jié)束后的排液和其后的油井生產(chǎn)過程，常常出現(xiàn)支撐劑返吐和地層出砂現(xiàn)象，帶到地面的支撐劑和地層砂侵蝕油嘴、閥門和其他設(shè)備。返排和出砂的另一個潛在危害是支撐裂縫長度和寬度減小，致使支撐劑的導(dǎo)流能力下降。為了防止支撐劑返吐和地層出砂，研制了壓裂用樹脂涂覆類可固化支撐劑。

抗壓強(qiáng)度是檢測樹脂涂覆類可固化支撐劑產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中，人工巖心的質(zhì)量直接影響著抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度及平行率。介紹的人工巖心制作裝置適用于樹脂涂覆類可固化支撐劑抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中巖心制作，按照此方法制備巖心具有良好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平行性[1-3]。

1 壓裂用樹脂涂覆類可固化支撐劑人工巖心模具研制

壓裂用樹脂涂覆類可固化支撐劑是指在基體(如石英砂、陶粒等)上冷覆膜或熱覆膜一層固體熱固性樹脂，并將其注入地層裂縫中，在地層應(yīng)力、溫度或活化劑的作用下，骨料上的樹脂軟化，相互黏接和固化，形成一個過濾網(wǎng)。該過濾網(wǎng)可防止地層出砂、支撐劑返吐并減少支撐劑嵌入地層。國內(nèi)按覆膜的樹脂種類主要分兩大類:一類是酚醛樹脂覆膜支撐劑，另一類是環(huán)氧樹脂覆膜支撐劑。兩種支撐劑應(yīng)用于地層溫度在30～180℃的油田，由于生產(chǎn)工藝與固化添加劑不同，因此在地層固化后強(qiáng)度不同[4-6]。目前，樹脂涂覆類支撐劑的檢測基本參考SY/T 5274—2016《樹脂涂敷砂技術(shù)要求》和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》。隨著樹脂涂覆類支撐劑的技術(shù)發(fā)展及新型產(chǎn)品的出現(xiàn)，尤其是頁巖氣的開發(fā)及利用，樹脂涂覆類支撐劑在油田用量逐年增加，2項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的一些技術(shù)內(nèi)容和技術(shù)指標(biāo)已不適用于樹脂涂覆類支撐劑的檢測需要。如SY/T 5274—2016標(biāo)準(zhǔn)只適用于油、氣、水井防砂作業(yè)中使用的樹脂涂敷石英砂，樹脂涂覆類可固化支撐劑為壓裂施工用砂，兩者使用方式不同，標(biāo)準(zhǔn)中的石英砂粒徑范圍、樹脂涂敷石英砂抗壓強(qiáng)度指標(biāo)及分級不適應(yīng)該種類產(chǎn)品；SY/T 5108—2014標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定可固化樹脂涂層支撐劑，固實(shí)晶片不在破碎率檢驗(yàn)范圍內(nèi)。抗壓強(qiáng)度是壓裂用樹脂涂覆類可固化支撐劑產(chǎn)品的重要指標(biāo)之一[7-8]。

國內(nèi)常用檢驗(yàn)樹脂涂覆支撐劑固化強(qiáng)度指標(biāo)的抗壓強(qiáng)度測試方法是依據(jù)SY/T 5276—2000《化學(xué)防砂人工巖心抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及氣體滲透率的測定》中的實(shí)驗(yàn)方法，但該檢驗(yàn)方法是針對石油領(lǐng)域科學(xué)研究中的人造巖心而制定的，通常用于室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)。人造巖心分為石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)、石英砂填砂管、石英砂磷酸鋁膠結(jié)3種,石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)應(yīng)用最為廣泛。但在壓裂用樹脂涂覆類可固化支撐劑生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)工藝不同會產(chǎn)生涂覆不均勻，導(dǎo)致降低了樹脂有效含量。該標(biāo)準(zhǔn)中對于巖心制作沒有具體要求，參考SY/T 6572—2003《防砂用樹脂性能評價方法》中膠結(jié)巖心制備操作方法，采用帶孔膠塞的玻璃管，置于恒溫水浴中養(yǎng)護(hù)48 h后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[9]。

該方法制備人工巖心因無法施加外力對內(nèi)部產(chǎn)生擠壓敦實(shí)，制備出的巖心相對松散、致密性差，巖心外層產(chǎn)生較多氣泡。玻璃管因材質(zhì)原因無法放置在較高溫條件下制備。敲擊震動過程中易使玻璃管表面產(chǎn)生裂痕，取出巖心時需要敲碎玻璃管，在此過程存在許多安全隱患。

自2008年以來，油田對壓裂用樹脂涂覆類可固化支撐劑使用量增多，各油田檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)都設(shè)計(jì)并制作相關(guān)的人造巖心模具，經(jīng)過多次應(yīng)用發(fā)現(xiàn)以下問題：①因用鐵環(huán)扣緊，在制備巖心過程中不能承受太大壓力，且?guī)r心脫模后因間隙過大，巖心邊壁有明顯的毛刺需打磨，對巖心傷害較大。②裝置雖然可以在制備中承受一定壓力，但是巖心不容易脫模，造成巖心二次受壓影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且上述巖心制作工具，都不能一次做出多組平行的巖心。

綜合多種模具的優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)多次修改與論證，設(shè)計(jì)出高溫高壓巖心制作裝置，該裝置可以在模擬地層實(shí)驗(yàn)環(huán)境下制作出所需直徑Φ25 mm不長于150 mm的巖心。該裝置由壓頭、半套、定位螺釘、堵蓋等部分組成。內(nèi)部承受最高103 MPa閉合壓力，放置最高溫度180℃，具有易打開、易清洗、操作方便簡單等優(yōu)點(diǎn)，并且可以一次性完成人工巖心的制備，現(xiàn)申請國家發(fā)明專利（實(shí)質(zhì)審查號為：CN201610961683.6）。

2 樹脂涂覆類可固化支撐劑人工巖心制備方法

采用高溫高壓巖心制作裝置制作人造巖心過程中，經(jīng)過多次摸索性實(shí)驗(yàn)，參考部分標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于人工巖心制作方法，最后確定以下實(shí)驗(yàn)操作。

1）測量實(shí)驗(yàn)中涂覆類型可固化樣品的非壓實(shí)的體積密度，巖心制作裝置內(nèi)樣品直徑為（2.50±0.02）cm，非壓實(shí)高度為（3.00±0.02）cm，在一個內(nèi)徑為Ф25 mm的巖心裝置內(nèi)，需要支撐劑體積14.72 cm3。不同體積密度的支撐劑，所需用量也不同。計(jì)算公式（1）為樹脂涂覆類可固化樣品的不同體積密度巖心試驗(yàn)的樣品質(zhì)量mn(近似到0.01 g)。

mn=14.72ρbulk（1）

式中：mn為支撐劑樣品質(zhì)量，g；ρbulk為體積密度，g/cm3。

2）用分樣器將樣品減至規(guī)定值后，并稱量出樣品質(zhì)量mn。在醫(yī)用針管中裝滿1 mL蒸餾水，將一片濾紙鋪至巖心制作裝置底部，先將稱量好樣品的1/2量倒入漏斗內(nèi)，等涂覆類型可固化樣品完全平鋪于制作裝置后，用醫(yī)用針管將水均勻地噴灑在樣品上，最后將剩余1/2樣品完全倒入巖心制作裝置中，再將一片濾紙鋪至巖心制作裝置頂部，將壓頭放置巖心裝置中。小心地托起巖心制作裝置并直接放入壓機(jī)內(nèi)，令其正對壓機(jī)扶正盤之下，不要搖動或顛簸，因?yàn)檫@樣可能會使支撐劑充填下沉，加壓時導(dǎo)致顆粒充填形態(tài)發(fā)生變化或顆粒重新排列。以平穩(wěn)的速度給巖心制作裝置的壓頭加壓至2 kN,加載時間小于1 min，保持該壓力2 min，快速卸載壓力，取出壓頭放入過濾片。高溫高壓裝置制備巖心養(yǎng)護(hù)時間為48 h，養(yǎng)護(hù)完成后應(yīng)在30℃烘箱中放置1 h，然后在干燥器內(nèi)冷卻。

3 平行性分析

采用粒徑為425～850μm的樹脂涂覆類可固化支撐劑為實(shí)驗(yàn)對象，使用新研制高溫高壓制作模具與玻璃管制備巖心進(jìn)行比較,養(yǎng)護(hù)時間均為48 h。依據(jù)SY/T 5276—2000《化學(xué)防砂人工巖心抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及氣體滲透率的測定》中抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析。

首先取規(guī)格直徑為（2.50±0.10）cm、長度為（2.50±0.10）cm人造巖心。測量巖心的直徑和長度，取值應(yīng)精確到0.01 cm。長度超過要求可以進(jìn)行輕微處理，兩端面研磨平并保持平行，巖心表面不應(yīng)有缺損或裂紋，測定前應(yīng)將巖心表面的雜質(zhì)顆粒清除干凈。小心地托起巖心直接放入壓機(jī)內(nèi)，令其正對壓機(jī)扶正盤之下。以平穩(wěn)的速度加壓至破碎，取最大峰值。抗壓強(qiáng)度見計(jì)算公式（2），計(jì)算結(jié)果應(yīng)精確到0.01 MPa。

式中：pc為抗壓強(qiáng)度，MPa；Fc為破壞時瞬時載荷，N；A為實(shí)測橫截面積，cm2。

按照以上操作方法，分別采用高溫高壓模具與玻璃管制備巖心進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，重復(fù)每組樣品3次，最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同實(shí)驗(yàn)制備巖心的抗壓強(qiáng)度對比表 /MPa

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對425～850μm粒徑樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開展平行性與平行率分析見表2。

表2 425～850μm粒徑采用不同方法制備巖心抗壓強(qiáng)度平行性分析數(shù)據(jù)表 /MPa

根據(jù)格羅布斯準(zhǔn)則，對多組抗壓強(qiáng)度做多次等精度獨(dú)立測量，得到x1,x2,…xn，且xi服從正態(tài)分布，具體公式如下。

為了檢驗(yàn)xi（i=1,2,…,n）中是否存在粗大誤差，將 xi按大小順序排列成順序統(tǒng)計(jì)量x(i),即：x(1)，x(2)…，x(n)。根據(jù)格羅布斯準(zhǔn)則導(dǎo)出：

從而，取定顯著度α=0.01，查詢格羅布斯臨界系數(shù)表，得g(9,0.01)=2.32，通過計(jì)算得出g(｜V(9,0.01)｜),g(｜V(9,0.01)｜)＜g(9,0.01)，所以該組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不存在離群值，且均勻性良好。

用兩種巖心制備方法對425～850μm粒徑壓裂支撐劑樣品的抗壓強(qiáng)度評估值為公式（6），數(shù)據(jù)分析見表3。

表3 兩種巖心制備方法數(shù)據(jù)分析表 /MPa

式中：Z為數(shù)據(jù)平行性評估值。

從表3可以看出，采用高溫高壓模具方法制備出的巖心數(shù)據(jù)平行性好，玻璃管制備的巖心數(shù)據(jù)平行性差。通過數(shù)據(jù)分析，確定高溫高壓巖心制作模具比玻璃管制備的巖心更適用于樹脂涂覆類可固化支撐劑的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)論與建議

1）研制的高溫高壓人工巖心制備模具，具有承受103 MPa閉合壓力，最高溫度180℃，具有易打開、易清洗、操作方便簡單等優(yōu)點(diǎn)，并且可以一次性完成3組制備，為人工巖心制作提供了新方法。

2）申請國家專利，填補(bǔ)了國內(nèi)外對人工巖心無詳細(xì)制備方法的空白，解決了因設(shè)備和操作誤差導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平行率較差的難題，為今后樹脂涂覆類支撐劑檢測實(shí)驗(yàn)提供了可靠的技術(shù)保障。