張貴玲

中國(guó)石化勝利油田分公司 采油工藝研究院 (山東 東營(yíng) 257000）

壓裂支撐劑在地下工作時(shí),要承受地層中的各種腐蝕，所以壓裂支撐劑要具有良好的耐酸性能。酸溶解度是壓裂支撐劑的一個(gè)重要指標(biāo),對(duì)壓裂支撐劑的輸導(dǎo)油、氣能力,工作壽命有著重要影響。酸溶解度測(cè)試國(guó)內(nèi)主要依據(jù)SY/T 5108-2006標(biāo)準(zhǔn)[1]，國(guó)外主要依據(jù)1989年頒布的API RP60、PR61標(biāo)準(zhǔn)[2]。

有著良好耐酸性能的壓裂支撐劑可以在地下巖縫中的酸性環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，并保持高的導(dǎo)流能力，從而可以提高油、氣井的產(chǎn)量。常用的支撐劑主要包括天然石英砂和人造陶粒[3]。2種支撐劑成分不同，天然石英砂的化學(xué)成分是氧化硅，伴有少量的氧化鋁、氧化鐵、氧化鉀、氧化鈣和氧化鎂。人造陶粒主要由鋁礬土（氧化鋁）燒結(jié)或噴吹而成的，具有較高的抗壓強(qiáng)度，目前，多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)陶粒支撐劑所使用的原材料主要為鋁礬土和部分錳石等添加劑。

從支撐劑質(zhì)量性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的支撐劑酸溶解度值都偏高，首先是由于產(chǎn)品本身的質(zhì)量問題，其次是由于實(shí)驗(yàn)操作步驟中所出現(xiàn)的問題。本文主要是對(duì)支撐劑酸溶解度檢測(cè)過程中的影響因素進(jìn)行分析。

1 酸溶解度的測(cè)試

1.1 酸溶解度的測(cè)試步驟

酸溶解度是指在規(guī)定的酸溶液以及反應(yīng)條件下，一定質(zhì)量的支撐劑被酸溶液溶解的質(zhì)量與支撐劑總質(zhì)量的百分比，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)過程主要包括:分樣、配酸、烘干樣品、稱量、水浴、抽濾、烘干、稱量。各步驟先后順序及所使用的儀器如圖1所示。

圖1 酸溶解度測(cè)試步驟及所用儀器

1.2 陶粒支撐劑酸溶解度的測(cè)定值

不同檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)常用的粒徑 在0.425～0.85mm的2種陶粒支撐劑樣品進(jìn)行了酸溶解度對(duì)比試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 不同檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)2種陶粒支撐劑酸溶解度檢測(cè)數(shù)據(jù)

結(jié)果表明:不同檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)同種陶粒支撐劑酸溶解度的檢測(cè)結(jié)果差異很大。對(duì)于樣品1:機(jī)構(gòu)A和機(jī)構(gòu)C相差1%；對(duì)于樣品2:機(jī)構(gòu)A和機(jī)構(gòu)B相差0.7%。

2 酸溶解度檢測(cè)過程的影響因素分析

結(jié)合上述酸溶解度的測(cè)定步驟及所涉及的儀器，對(duì)酸溶解度影響因素進(jìn)行分析，配酸中鹽酸和氫氟酸的質(zhì)量比例，樣品是否經(jīng)過烘干處理，稱量?jī)x器精度，水浴時(shí)間長(zhǎng)短，抽濾過程中沖洗是否徹底，及定性濾紙的使用等因素都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。文中實(shí)驗(yàn)研究所用的樣品是粒徑在0.425～0.85mm的陶粒支撐劑。

2.1 分樣

在檢測(cè)酸溶解度的樣品中，樣品一定具有代表性，首先對(duì)樣品在分樣器中進(jìn)行分樣，分樣次數(shù)一般為3～5次，以確保樣品的均勻性，如果分樣次數(shù)少，將導(dǎo)致分樣后的平行樣分布不均，從而產(chǎn)生一定的誤差。

2.2 配酸

配酸過程存在的誤差包括量取液體，以及不同配酸質(zhì)量比例的混合酸液對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的誤差。

2.2.1 量取

配制質(zhì)量比為12:3的鹽酸氫氟酸溶液，需要分別量取鹽酸和氫氟酸，在量取過程中，視線應(yīng)與量筒凹液面相切，量取時(shí)，如果是仰視，這時(shí)配制的酸液濃度變大，俯視的話則變小。除此之外，就是在量取酸液的過程中，留在量筒壁上的液體也會(huì)對(duì)酸液濃度產(chǎn)生誤差。配液最后用蒸餾水充分稀釋并攪拌均勻，這一系列的配酸過程會(huì)存在一定的人為誤差。

2.2.2 配酸質(zhì)量比例

為了解鹽酸和氫氟酸對(duì)支撐劑酸溶解度影響程度的大小，實(shí)驗(yàn)中分別配制了質(zhì)量比例為12:3、12:2.5、12:2、12:1.5、12:1、12:0.5、12:0 的鹽酸與氫氟酸的混合酸液，進(jìn)行了同一樣品不同配酸質(zhì)量比例的酸溶解度實(shí)驗(yàn)（表2）。

通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn):這2種酸中氫氟酸用量多少直接影響酸溶解度的大小，而鹽酸用量的多少對(duì)酸溶解度的影響并不大。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，隨著氫氟酸比例的減少，酸溶解度也在降低，當(dāng)只有鹽酸時(shí)，酸溶解度降到最低，其值不到0.2%，這主要是因?yàn)闅浞崾且环N強(qiáng)酸，可以溶解支撐劑里面的很多物質(zhì)，而這些物質(zhì)鹽酸卻不能溶解。

2.3 烘干樣品

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定烘干時(shí)間為1h，如果樣品未經(jīng)過烘干處理，直接去進(jìn)行酸溶解度測(cè)試，這將會(huì)引起比較大的誤差。

本實(shí)驗(yàn)通過多個(gè)未經(jīng)過烘干處理和經(jīng)過不同烘干時(shí)間處理的樣品對(duì)比發(fā)現(xiàn)（表3）:未烘干樣品的酸溶解度要小于烘干樣品的酸溶解度值。這主要是因?yàn)槲春娓蓸又写嬖谝欢ǖ乃?，在過濾后的烘干處理中，這些水分蒸發(fā),使得樣品質(zhì)量減少,所以造成了一定的誤差。

對(duì)于經(jīng)過不同烘干時(shí)間樣品的酸溶解度，也存在不同，烘干時(shí)間比較短的樣品，檢測(cè)的酸溶解度要小于烘干時(shí)間為1h的檢測(cè)值。

2.4 冷卻稱量

烘干后的樣品，需放在干燥器冷卻0.5h。一般未經(jīng)過冷卻直接測(cè)量的樣品的酸溶解度測(cè)定值要稍大于經(jīng)過冷卻后的樣品，這可能由于未冷卻的樣品含有一定的水蒸氣，使得稱量值稍大。

表2 配酸質(zhì)量比例對(duì)樣品檢測(cè)結(jié)果的影響

表3 烘干處理對(duì)樣品檢測(cè)結(jié)果的影響

稱量主要是與天平的測(cè)量精度有關(guān)。由于酸溶解度測(cè)定需要的支撐劑質(zhì)量比較小，很小的測(cè)量誤差就會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，所以在稱量時(shí)，一定使用較高測(cè)量精度的天平，測(cè)量精度應(yīng)控制在0.001g，并且需要定時(shí)經(jīng)過專業(yè)機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)檢定。

2.5 水浴

水浴時(shí)間是影響酸溶解度的一個(gè)重要因素，水浴主要是酸溶液和支撐劑樣品反應(yīng)的一個(gè)階段，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定水浴時(shí)間為0.5h。

如果水浴時(shí)間太短，酸和樣品不能充分反應(yīng)，必定會(huì)影響到酸溶解度檢測(cè)結(jié)果，為了研究水浴時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)酸溶解度檢測(cè)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)中分別設(shè)定水浴時(shí)間為 0.25h、0.5h、0.75h、1h、1.25h、1.5h， 最終檢測(cè)結(jié)果見圖2。

通過不同水浴時(shí)間的對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn):水浴時(shí)間在0.25～0.5h時(shí)，支撐劑的酸溶解度上升較快，當(dāng)水浴時(shí)間在0.5～1h時(shí)，上升幅度變緩，水浴時(shí)間大于1h時(shí)，酸溶解度檢測(cè)值基本不變，但是也會(huì)影響酸溶解度的最終檢測(cè)結(jié)果，這說明酸在反應(yīng)之初，溶解速度是比較快的，所以，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水浴時(shí)間進(jìn)行操作，以避免不必要的檢測(cè)誤差。

2.6 真空過濾

2.6.1 過濾

在真空過濾過程中，主要是沖洗不徹底造成的檢測(cè)結(jié)果誤差，如果沖洗液仍顯示酸性，這使得支撐劑樣品中仍有酸液殘留，在過后的高溫烘干下，殘留酸將繼續(xù)溶解一部分支撐劑樣品，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏大。

2.6.2 定性濾紙

真空過濾時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需用定性濾紙，但定性濾紙的使用對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大。準(zhǔn)備了帶有濾紙和不帶濾紙的過濾設(shè)備,分別測(cè)量了幾個(gè)不同樣品的酸溶解度（表4）。

通過幾組實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，帶有濾紙過濾設(shè)備的樣品測(cè)定的酸溶解度要比不帶濾紙的樣品測(cè)定值大，即使未加樣品，也能測(cè)得比較大的酸溶解度，這主要因?yàn)闉V紙被酸腐蝕，從而使得檢測(cè)數(shù)據(jù)偏大。

表4 定性濾紙對(duì)酸溶解度測(cè)定的影響

2.7 其他因素

真空過濾后，要把樣品放到烘箱下進(jìn)行烘干，不同烘干時(shí)間也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，烘干時(shí)間小于30min時(shí)，最終檢測(cè)結(jié)果誤差較大；當(dāng)大于30min時(shí)，所產(chǎn)生的誤差較小。

如果烘干后的樣品未放到干燥器冷卻，而是烘干完直接測(cè)量，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的誤差。除此之外，不同操作人員的檢測(cè)結(jié)果也不同，這主要是人為操作誤差。

3 結(jié) 論

檢測(cè)過程的每一步驟都可能存在影響酸溶解度的因素，除此之外，樣品本身的質(zhì)量、檢測(cè)人員、檢測(cè)機(jī)構(gòu)等，也會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。支撐劑酸溶解度測(cè)定的影響因素不僅僅是單因素方面的影響，而是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，所以為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的公正，研究工作者很有必要對(duì)影響因素做進(jìn)一步的深入探討。

[1]SY/T 5108-2006壓裂支撐劑性能指標(biāo)及測(cè)試推薦方法[S].

[2]API RP601989.Recommended practices for testing high strength proppants used in hydraulic fracturing operations[S].

[3]張琪.采油工程原理與設(shè)計(jì)[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版社,2000.