影響壓裂支撐劑酸溶解度檢測結果的因素分析

張貴玲

中國石化勝利油田分公司 采油工藝研究院 (山東 東營 257000）

壓裂支撐劑在地下工作時,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重要指標,對壓裂支撐劑的輸導油、氣能力,工作壽命有著重要影響。酸溶解度測試國內主要依據SY/T 5108-2006標準[1]，國外主要依據1989年頒布的API RP60、PR61標準[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境下長時間工作，并保持高的導流能力，從而可以提高油、氣井的產量。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）燒結或噴吹而成的，具有較高的抗壓強度，目前，多數生產企業生產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。

從支撐劑質量性能評價實驗中發現，現有的支撐劑酸溶解度值都偏高，首先是由于產品本身的質量問題，其次是由于實驗操作步驟中所出現的問題。本文主要是對支撐劑酸溶解度檢測過程中的影響因素進行分析。

1 酸溶解度的測試

1.1 酸溶解度的測試步驟

酸溶解度是指在規定的酸溶液以及反應條件下，一定質量的支撐劑被酸溶液溶解的質量與支撐劑總質量的百分比，實驗室檢測過程主要包括: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 酸溶解度測試步驟及所用儀器

1.2 陶粒支撐劑酸溶解度的測定值

不同檢測機構對常用的粒徑 在0.425～0.85mm的2種陶粒支撐劑樣品進行了酸溶解度對比試驗，檢測結果見表1。

表1 不同檢測機構對2種陶粒支撐劑酸溶解度檢測數據

結果表明:不同檢測機構對同種陶粒支撐劑酸溶解度的檢測結果差異很大。對于樣品1:機構A和機構C相差1%；對于樣品2:機構A和機構B相差0.7%。

2 酸溶解度檢測過程的影響因素分析

結合上述酸溶解度的測定步驟及所涉及的儀器，對酸溶解度影響因素進行分析，配酸中鹽酸和氫氟酸的質量比例，樣品是否經過烘干處理，稱量儀器精度，水浴時間長短，抽濾過程中沖洗是否徹底，及定性濾紙的使用等因素都會對檢測結果產生一定的影響。文中實驗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

在檢測酸溶解度的樣品中，樣品一定具有代表性，首先對樣品在分樣器中進行分樣，分樣次數一般為3～5次，以確保樣品的均勻性，如果分樣次數少，將導致分樣后的平行樣分布不均，從而產生一定的誤差。

2.2 配酸

配酸過程存在的誤差包括量取液體，以及不同配酸質量比例的混合酸液對檢測結果產生的誤差。

2.2.1 量取

配制質量比為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，視線應與量筒凹液面相切，量取時，如果是仰視，這時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對酸液濃度產生誤差。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存在一定的人為誤差。

2.2.2 配酸質量比例

為了解鹽酸和氫氟酸對支撐劑酸溶解度影響程度的大小，實驗中分別配制了質量比例為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，進行了同一樣品不同配酸質量比例的酸溶解度實驗（表2）。

通過實驗可以發現: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酸溶解度的影響并不大。從表2中可以發現，隨著氫氟酸比例的減少，酸溶解度也在降低，當只有鹽酸時，酸溶解度降到最低，其值不到0.2%，這主要是因為氫氟酸是一種強酸，可以溶解支撐劑里面的很多物質，而這些物質鹽酸卻不能溶解。

2.3 烘干樣品

標準規定烘干時間為1h，如果樣品未經過烘干處理，直接去進行酸溶解度測試，這將會引起比較大的誤差。

本實驗通過多個未經過烘干處理和經過不同烘干時間處理的樣品對比發現（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。這主要是因為未烘干樣中存在一定的水分，在過濾后的烘干處理中，這些水分蒸發,使得樣品質量減少,所以造成了一定的誤差。

對于經過不同烘干時間樣品的酸溶解度，也存在不同，烘干時間比較短的樣品，檢測的酸溶解度要小于烘干時間為1h的檢測值。

2.4 冷卻稱量

烘干后的樣品，需放在干燥器冷卻0.5h。一般未經過冷卻直接測量的樣品的酸溶解度測定值要稍大于經過冷卻后的樣品，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 配酸質量比例對樣品檢測結果的影響

表3 烘干處理對樣品檢測結果的影響

稱量主要是與天平的測量精度有關。由于酸溶解度測定需要的支撐劑質量比較小，很小的測量誤差就會對結果產生很大的影響，所以在稱量時，一定使用較高測量精度的天平，測量精度應控制在0.001g，并且需要定時經過專業機構校準檢定。

2.5 水浴

水浴時間是影響酸溶解度的一個重要因素，水浴主要是酸溶液和支撐劑樣品反應的一個階段，標準規定水浴時間為0.5h。

如果水浴時間太短，酸和樣品不能充分反應，必定會影響到酸溶解度檢測結果，為了研究水浴時間長短對酸溶解度檢測結果的影響，實驗中分別設定水浴時間為 0.25h、0.5h、0.75h、1h、1.25h、1.5h， 最終檢測結果見圖2。

通過不同水浴時間的對比實驗可以發現:水浴時間在0.25～0.5h時，支撐劑的酸溶解度上升較快，當水浴時間在0.5～1h時，上升幅度變緩，水浴時間大于1h時，酸溶解度檢測值基本不變，但是也會影響酸溶解度的最終檢測結果，這說明酸在反應之初，溶解速度是比較快的，所以，實驗中應該嚴格按照標準規定的水浴時間進行操作，以避免不必要的檢測誤差。

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結果誤差，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，殘留酸將繼續溶解一部分支撐劑樣品，從而導致實驗數據偏大。

2.6.2 定性濾紙

真空過濾時，標準規定需用定性濾紙，但定性濾紙的使用對實驗結果影響較大。準備了帶有濾紙和不帶濾紙的過濾設備,分別測量了幾個不同樣品的酸溶解度（表4）。

通過幾組實驗對比可以發現，帶有濾紙過濾設備的樣品測定的酸溶解度要比不帶濾紙的樣品測定值大，即使未加樣品，也能測得比較大的酸溶解度，這主要因為濾紙被酸腐蝕，從而使得檢測數據偏大。

表4 定性濾紙對酸溶解度測定的影響

2.7 其他因素

真空過濾后，要把樣品放到烘箱下進行烘干，不同烘干時間也會對結果產生一定的影響。通過實驗發現，烘干時間小于30min時，最終檢測結果誤差較大；當大于30min時，所產生的誤差較小。

如果烘干后的樣品未放到干燥器冷卻，而是烘干完直接測量，也會產生一個微小的誤差。除此之外，不同操作人員的檢測結果也不同，這主要是人為操作誤差。

3 結 論

檢測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，樣品本身的質量、檢測人員、檢測機構等，也會對檢測結果產生影響。支撐劑酸溶解度測定的影響因素不僅僅是單因素方面的影響，而是多個因素共同作用的結果，所以為了保證實驗結果的公正，研究工作者很有必要對影響因素做進一步的深入探討。

[1]SY/T 5108-2006壓裂支撐劑性能指標及測試推薦方法[S].

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

[3]張琪.采油工程原理與設計[M].東營:石油大學出版社,2000.