付海江，宣 楊，周 鉞

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）

石油壓裂支撐劑是使地層深處巖石裂隙保持裂開狀態(tài)的支撐物。石油壓裂支撐劑的質(zhì)量是油田壓裂工藝技術(shù)能否獲得良好增產(chǎn)效果的關(guān)鍵因素之一。在對(duì)油田用壓裂支撐劑產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：相同的樣品、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、在不同的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，由于實(shí)驗(yàn)儀器、環(huán)境溫度與濕度、人員誤差等不同，都會(huì)影響檢驗(yàn)最終結(jié)果，造成一定的檢測(cè)誤差。生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)過程中對(duì)壓裂支撐劑進(jìn)行產(chǎn)品復(fù)查時(shí)，因取樣方式、測(cè)試時(shí)間、測(cè)試環(huán)境等因素影響而錯(cuò)誤的判斷產(chǎn)品質(zhì)量，導(dǎo)致在油田檢測(cè)中不符合要求案例較多。特別是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量結(jié)果評(píng)判起到關(guān)鍵性作用的主要指標(biāo)數(shù)據(jù)處在邊緣時(shí)，會(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能作出錯(cuò)誤的評(píng)判，并影響設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)與用料上的選擇，從而造成直接與間接的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。

通過分析生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品檢驗(yàn)過程以及用戶室內(nèi)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量檢測(cè)過程中導(dǎo)致產(chǎn)品主要指標(biāo)誤差原因，從而確定主要的影響因素，并進(jìn)行針對(duì)性的技術(shù)研究。提出改進(jìn)測(cè)試方法，采用新的測(cè)試儀器，達(dá)到降低壓裂支撐劑產(chǎn)品監(jiān)督檢測(cè)的人員誤差，提高測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的目的。

1 影響壓裂支撐劑破碎率的因素分析

1.1 標(biāo)準(zhǔn)因素

目前壓裂支撐劑檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)有SY/T 5108—2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測(cè)試方法》和中國石油天然氣集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 125—2007《壓裂支撐劑性能指標(biāo)及評(píng)價(jià)測(cè)試方法》。

產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的重要依據(jù)。兩份標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于壓裂支撐劑破碎率檢測(cè)內(nèi)容不一致，給生產(chǎn)企業(yè)造成了一定的困惑。其中SY/T 5108—2014標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過多年的修改，從1986版開始頒布執(zhí)行，經(jīng)歷1997版與2006版到現(xiàn)在2014版，最終標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)ISO 13503-2—2006《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測(cè)試推薦方法》而建立；QS/Y 125—2007標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)SY/T 5108—2006建立，但是其中因壓裂支撐劑體積密度不同對(duì)破碎率提出了較為詳細(xì)的要求。經(jīng)過近幾年的測(cè)試，中國石油天然氣集團(tuán)公司采用SY/T 5108—2014作為生產(chǎn)企業(yè)與檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中使用體積密度儀替代密度瓶來降低人為誤差。近幾年調(diào)研中發(fā)現(xiàn)部分生產(chǎn)廠家檢驗(yàn)人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不能完全熟練掌握，導(dǎo)致人為誤差產(chǎn)生。在體積密度測(cè)試中，主要影響因素為稱取150 ml體積支撐劑的準(zhǔn)確性，以及支撐劑與黃銅圓筒口的表面齊平程度。只有規(guī)范了壓裂支撐劑的體積密度操作方法，才能減少人員誤差，提高數(shù)據(jù)重復(fù)率[3]。

1.2 取樣與分樣因素

生產(chǎn)廠家基本使用聚乙烯噸袋裝填壓裂支撐劑，因壓裂支撐劑形態(tài)為近似于球形固體顆粒，所以在運(yùn)輸與貯存中容易發(fā)生顆粒間分層現(xiàn)象。為避免影響破碎率，在噸袋包裝支撐劑抽樣時(shí)，應(yīng)使用管式多孔取樣器，從取樣噸袋不同的5個(gè)點(diǎn)垂直插入不低于取樣器3/4處，取得相同數(shù)量的樣品，總樣品質(zhì)量應(yīng)不少于25 kg，后將混合的25 kg支撐劑放置在16：1的樣品分減器中。分減2次后的樣品約為3 kg，用分樣器將所采樣品均勻分樣。

在實(shí)驗(yàn)過程中分取樣品次數(shù)至少達(dá)到3次以上。選擇分樣器最佳為40格槽多格分樣器，格槽數(shù)量增加越多，顆粒樣品分樣越均勻并具有代表性。破碎率實(shí)驗(yàn)中所需要的用量應(yīng)直接采用分樣器分離出來，減少誤差從而增加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性。

1.3 溫度與濕度因素

目前，壓裂支撐劑分為陶粒與石英砂，陶粒生產(chǎn)過程為混配料經(jīng)過造粒工藝制備成半成品顆粒，把半成品顆粒在100℃下烘干，然后在1 250℃左右燒結(jié)2 h后經(jīng)過降溫篩析最終得到成品。溫度驟然變化會(huì)對(duì)破碎率產(chǎn)生影響；石英砂生產(chǎn)過程為開采篩析并經(jīng)水洗烘干得到成品，濕度驟然變化也會(huì)對(duì)破碎率產(chǎn)生影響。壓裂支撐劑規(guī)格種類繁多，產(chǎn)品生產(chǎn)廠家眾多，原產(chǎn)地環(huán)境復(fù)雜，產(chǎn)品的溫度與濕度變化較大，因此導(dǎo)致生產(chǎn)廠家在檢驗(yàn)壓裂支撐劑質(zhì)量時(shí)錯(cuò)誤判斷產(chǎn)品質(zhì)量，并將不合格產(chǎn)品送至油田導(dǎo)致直接經(jīng)濟(jì)損失。中國石油天然氣集團(tuán)公司油田分布地域廣泛，庫房間存放條件不同會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成影響，存放不當(dāng)會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)生間接經(jīng)濟(jì)損失。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試生產(chǎn)與存放條件，得到不同溫度與濕度的壓裂支撐劑破碎率，規(guī)避有可能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失[4]。

選取陶粒規(guī)格中425～850 μm、69 MPa產(chǎn)品用來測(cè)試溫度對(duì)該產(chǎn)品的影響。該產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)通過降溫篩析后的最高溫度為150℃，依次為120℃、100℃、80℃、60℃、45℃。貯存庫房最低存放溫度-20℃、-40℃溫度環(huán)境下與實(shí)驗(yàn)要求常溫20℃破碎率對(duì)比數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 陶粒在不同溫度條件下破碎率對(duì)比

從圖1中可以看出，陶粒在不同溫度下其破碎率變化較大，就測(cè)試樣品而言，在最高150℃溫度下其破碎率是實(shí)驗(yàn)要求溫度破碎率2倍左右，當(dāng)溫度降低到-40℃時(shí)與實(shí)驗(yàn)要求溫度相比增加15%。

支撐劑生產(chǎn)過程中，高溫?zé)Y(jié)的陶粒經(jīng)過冷卻與篩分后，灌入包裝袋中，并存放于倉庫內(nèi)。選取規(guī)格425～850 μm、69 MPa產(chǎn)品，在不同生產(chǎn)企業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行破碎率實(shí)驗(yàn)，測(cè)試溫度與時(shí)間對(duì)陶粒支撐劑破碎率的影響，見表1。

表1 不同生產(chǎn)企業(yè)溫度與時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)比表

隨著放置時(shí)間的增加，陶粒溫度下降，其破碎率也在不斷降低。因此，對(duì)剛生產(chǎn)完成的陶粒進(jìn)行破碎率檢驗(yàn)，其數(shù)值不能正確反映支撐劑的破碎率。建議將陶粒內(nèi)部溫度冷卻2 h后進(jìn)行的破碎率實(shí)驗(yàn)定為產(chǎn)品初期破碎率參照值，產(chǎn)品最終參照值為產(chǎn)品生產(chǎn)24 h后檢測(cè)結(jié)果。

選取石英砂規(guī)格中425～850 μm、28 MPa產(chǎn)品用來測(cè)試潮濕對(duì)該產(chǎn)品的影響，該產(chǎn)品水洗烘干的最高濕度為95%，依次為80%、75%、60%、20%和5%。濕度環(huán)境下與常規(guī)實(shí)驗(yàn)要求濕度45%破碎率對(duì)比數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 石英砂在不同潮濕條件下破碎率對(duì)比

從圖2中可以看出，石英砂在不同潮濕條件下其破碎率有一定的提高，就測(cè)試樣品而言，在最高濕度95%環(huán)境下其破碎率比實(shí)驗(yàn)要求濕度下的破碎率增加75%，當(dāng)濕度低于45%對(duì)破碎率影響較小。

1.4 破碎室硬度因素

最新SY/T 5108—2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測(cè)試方法》規(guī)定了洛氏硬度要求，為證明硬度對(duì)試樣影響較大，開展了室內(nèi)不同硬度條件的破碎率變化實(shí)驗(yàn)。采用美國4340鋼的材質(zhì)進(jìn)行加工，制作洛氏硬度不同的破碎室。破碎室加工完成后分別用不同洛氏硬度破碎室進(jìn)行測(cè)試，選擇同一種支撐劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并均分，采用3次平行實(shí)驗(yàn)取均值做為該破碎室測(cè)得的破碎率，如圖3所示[5]。

圖3 破碎室硬度對(duì)壓裂支撐劑（陶粒）破碎率的影響

從圖3中可以看出，硬度對(duì)陶粒的破碎率影響較大，在相同的材質(zhì)下，破碎室硬度越高破碎率也相應(yīng)的提高，反之越低。但是一定范圍中HRC41-HRC55基本平行，變異系數(shù)1%，基本對(duì)于數(shù)據(jù)沒有影響。但硬度HRC20～HRC41，破碎率的變異系數(shù)差異在4%左右，因此標(biāo)準(zhǔn)中提出HRC≥43是具有一定科學(xué)依據(jù)的。

1.5 鋪砂方法因素

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，鋪砂方法為人工倒入支撐劑。其中人員誤差較大，因?yàn)榈谷敕绞讲煌?，?dǎo)致破碎率數(shù)據(jù)平行性差。經(jīng)過多年對(duì)該檢驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)，摸索出了兩套鋪砂方法，從而避免人為鋪砂引起的數(shù)據(jù)偏移。其一采用體積密度儀進(jìn)行鋪砂，因體積密度儀的人為誤差較少已經(jīng)被行業(yè)中公認(rèn)，所以采用此儀器可以避免各實(shí)驗(yàn)室的人為誤差；其二采用國外標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)中內(nèi)部采用的鋪砂裝置進(jìn)行鋪砂（圖4），但因該裝置含有技術(shù)專利，沒有辦法在行業(yè)中推廣，該裝置如被允許廣泛使用，建議大規(guī)模使用。

2 國內(nèi)壓裂支撐劑破碎率對(duì)比結(jié)果

經(jīng)過與多家具有省級(jí)檢驗(yàn)?zāi)芰Φ膶?shí)驗(yàn)室溝通，統(tǒng)一控制實(shí)驗(yàn)室的溫度為20℃、濕度25%～45%、依據(jù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108—2014并且采用機(jī)械方法鋪砂進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。采用了粒徑為425～850 μm 69 MPa的陶粒作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別將樣品郵寄至幾家實(shí)驗(yàn)室。在郵寄樣品前先對(duì)樣品均勻性進(jìn)行分析，以AB01樣品為例（表2），依據(jù)粗大誤差分析，表明樣品足夠均勻[6]。

圖4 國外標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)中內(nèi)部采用的鋪砂裝置

表2 要因確認(rèn)表

由表2中的數(shù)據(jù)可知平均值-x=1.706 1，標(biāo)準(zhǔn)差s=0.000999，查格拉布斯臨界系數(shù)，得：g(5,0.01)=1.749；由于：Gn=（ ||V5,max/s）=0.001 2/0.000 999=1.201 2＜g（5,0.01）=1.749,所以該組測(cè)量值不存在離群值。

AB01樣品均勻性分析見表3。

由表3可以看出，S/σ試驗(yàn)值=0.000 999/2.5＝0.000 4＜S/σ最大推薦值=0.3。

表3 AB01樣品均勻性分析

采用CNAS-GL02《能力驗(yàn)證結(jié)果的統(tǒng)計(jì)處理和能力評(píng)價(jià)指南》中的穩(wěn)健Z比分?jǐn)?shù)評(píng)價(jià)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

結(jié)果的評(píng)價(jià)原則：

式中：Z為比分?jǐn)?shù)；x為某試驗(yàn)室測(cè)試值；X為參加比對(duì)試驗(yàn)測(cè)試值的中位值；IQR為各試驗(yàn)室測(cè)試值的四分位間距。

評(píng)判依據(jù)：當(dāng)│Z│≤2時(shí)，結(jié)果滿意；當(dāng)2＜│Z│＜3時(shí)，有問題，可疑；當(dāng)│Z│≥3時(shí)，結(jié)果不滿意。

樣品AB01破碎率比對(duì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表4、表5、表6。

從表6中可以看出，破碎率測(cè)試中無2＜ ||Z＜3和 ||Z≥3的單位， ||Z≤2的有5家，占總數(shù)的100%。

表4 AB01樣品性能比對(duì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

表5 AB01樣品破碎率分析結(jié)果

表6 AB01樣品比對(duì)結(jié)果分析表

2 結(jié)論與建議

1）對(duì)生產(chǎn)廠家與質(zhì)檢中心檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境分析，確定了支撐劑碎率的影響因素為標(biāo)準(zhǔn)、取樣與分樣、溫度與濕度、鋪砂方法。

2）經(jīng)過大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)溫濕度超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值時(shí)，支撐劑的破碎率隨著溫濕度增加而增加。當(dāng)溫度低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值時(shí)，隨著溫度的降低破碎率升高。當(dāng)濕度低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值時(shí)，破碎率變化不大。

3）建議壓裂支撐劑生產(chǎn)廠家將產(chǎn)品生產(chǎn)2 h后的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)定為產(chǎn)品初期破碎率參照值，產(chǎn)品最終參照值為產(chǎn)品生產(chǎn)24 h后檢測(cè)結(jié)果。