压裂支撑剂的作用在于充填压裂产生的人工裂缝, 待地层压力释放后支撑裂缝, 形成具有高导流能力的油气渗流通道。常用的支撑剂包括天然石英砂和人造陶粒。
在支撑剂的质量检测中, 破碎率是其性能评价的关键技术指标, 是正确选择和使用支撑剂的重要依据。目前, 破碎率的测试, 国内主要依据SY/T 5108-2006标准[1], 美国主要依据1989年颁布的API RP60、API RP61标准[2-3]。
研究发现, 不同检测机构对同种陶粒支撑剂破碎率的检测结果差异很大。本试验从破碎率的测试方法和测试用仪器入手, 探讨分析了影响破碎率测试结果的因素, 并给出解释与建议。
本文中凡未作特殊说明时, 测试条件均为:86 MPa下, 在内径为50.8 mm的破碎室测试。
陶粒支撑剂破碎率的测试主要有6个步骤:分样、过筛、称量、加压、过筛、称量, 各步骤先后顺序及所使用的主要仪器如图 1所示。
国内三家检测机构对三种20/40目陶粒支撑剂破碎率检测结果如图 2所示。
结果表明, 不同检测机构所测得的同种支撑剂破碎率值差异很大, 其中机构1和机构3对样品A的检测结果差值最大, 达到3.5个百分点, 已影响该产品的应用。结合上述破碎率的测试步骤和涉及到的仪器, 对破碎率影响因素进行了分析。
支撑剂的分样在分样器中进行, 如果分样次数少, 将导致分样所得平行样分布不均, 影响测定结果。因此, 一组样品分样次数要求在三次以上。
破碎率测试中两次用到筛网, 其精度和使用时间都将影响破碎率。
筛网的精度将影响振筛后样品的粒径分布, 用美国FORNEY20目/40目标准筛网和中国540厂相同规格筛网对一种样品过筛。结果, 后者过筛全部合格的样品, 前者顶筛上有1.6%的不合格产品。这表明, 540厂20目筛网比同规格美国筛网孔径大。长期使用的筛网, 由于受到铜丝刷的清扫, 孔径将变大, 导致筛出样品实际目数比要求目数高。
将三种支撑剂样品分别经过两套筛网A和B过筛, 其中A为标准筛网, B为顶筛孔径偏大的筛网, 样品过筛后所测破碎率如图 3所示。
由图 3可知, 顶筛孔径偏大将导致样品破碎率偏大。原因可能是:孔径大, 引起过筛后的样品粒径分布变宽, 大颗粒增多, 加压时其受力不均而导致应力集中, 破碎率增大。因此, 破碎率测试需选用标准筛网, 且使用期限一般是三个月, 之后应进行校准或更换新筛网。
振筛机与筛网配合使用, 其功率、振筛时间等都将影响过筛结果, 从而影响样品破碎率。实验研究了SPB-200型振筛机振筛时间对破碎样品质量及破碎率的影响, 结果如表 1所示。
表 1说明, 样品破碎率随振筛时间的增加而增大。振筛10 min的破碎率与5 min相比, 其增加值在0.2~0.3, 符合一定统计学规律。这一规律有一定的实际意义, SY/T 5108-2006规定的振筛时间为10 min, 在样品出厂检测中如果工作量过大, 可适当缩短振筛时间, 并在所测破碎率基础上加某一上限值, 不同样品上限值大小可能不同, 如此可在保证产品质量的前提下缩短测试时间。
一次称量根据所测样品体密度及加压时所选破碎室规格称取相应质量的样品, 二次称量是称取加压后破碎支撑剂的质量。影响称量的因素主要是样品体密度及天平精确度。
三家检测机构选用内径50.8 mm破碎室, 对两组样品体密度的测定值及加压实验需要称取的质量如表 2所示。
由表 2可知, 各机构所测同一样品体密度值不同, 需称取样品的质量也不同。其中, 机构1和机构2对样品A的体密度测定值差异较大, 达0.03 g/cm3, 需称取的样品质量相差0.742 g。原因是:不同测试人员手工操作, 人为影响因素较大; 常用的体密度测试仪, 结构简单, 误差较大, 且只适用于一定目数产品的测定, 不具有普适性。
样品称取质量已定, 则天平的精确度将影响破碎率值。SY/T 5108-2006推荐使用的天平精确度是0.001 g, 且天平每使用半年需校准一次。
加压是破碎实验中的重要过程, 要求压力机在1 min内均匀加压到指定压力, 稳压2 min后卸压。此过程所使用的破碎室和压力机直接影响破碎率的测定值。
破碎室的规格用内径大小来度量, 其取值范围是:38.1 mm < d < 76.2 mm。不同内径的破碎室, 加压时称取的样品质量不同, 需要施加的最大压力也不同。实验研究了同种材料的破碎室内径大小对样品破碎率的影响, 结果如图 4所示。
图 4表明, 样品破碎率随破碎室的内径增大而增大, 原因还不明确。目前国内各家检测机构通常选用内径50.8 mm的破碎室。
破碎室的材料为各种合金钢, 同规格不同材质的破碎室, 破碎率测定值一般不同。实验研究了破碎室硬度对支撑剂破碎率的影响, 结果如图 5所示 。
图 5显示, 破碎室材质硬度越高, 其测得的破碎率值越高, 反之则越低。原因可能是:相同压力下, 破碎室硬度越高, 其壁面对支撑剂的缓冲作用越小, 支撑剂之间相互作用力增加, 更易破碎。
压力机的种类对破碎率的测定值有很大影响, 目前常用的压力机有手动压力机、全自动压力机两种。手动压力机不但压力值显示不精确, 而且人为影响因素很大, 只能作为产品的初步检测。全自动压力机, 以华龙WHY型为例, 加压和稳压全过程都由电脑程序控制, 没有人为影响因素, 是国内测定样品破碎率时推荐使用的压力机。
除上述讨论的因素外, 陶粒支撑剂本身的质量问题也将导致破碎率测定值不稳定[4-6]。有三组样品A、B、C, 体密度和视密度值如表 3所示, 在相同条件下对每组样品分别做三次破碎率测试, 结果如图 6所示。
图 6说明, 在相同条件下测得同一组样品的破碎率值差异很大。原因是:陶粒的体密度和视密度有一定对应关系, 根据相关文献对高密高强陶粒的报道[7-9], 体密度达到1.80 g/cm3, 对应的视密度一般大于3.35 g/cm3。从表 3可知, 这些样品视密度值相对偏小, 说明陶粒中存在很多微空隙, 且空隙分布可能不均匀, 导致陶粒的稳定性差, 同一条件下测得破碎率值相差很大。
陶粒支撑剂破碎率测试中分样、过筛、称量、加压等过程都存在影响破碎率的因素, 且产品本身的质量问题也将影响破碎率的测试结果。只考虑单因素影响, 则过筛时顶筛孔径偏大, 振筛时间过长, 破碎室内径过大、硬度偏高都将导致破碎率偏大。但是, 破碎率的测定值通常受到多个因素共同作用影响, 因素较复杂, 研究工作有待进一步深入。
2010, Vol. 39 Issue (2): 158-160, 170
2010, Vol. 39 Issue (2): 158-160, 170