秦升益，胡寶苓，鐘毓娟，王 歡，王振幫

北京仁創(chuàng)科技集團(tuán)有限公司硅砂資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京100085)

模擬地層條件下的支撐劑耐酸性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)研究

秦升益，胡寶苓，鐘毓娟，王 歡，王振幫

北京仁創(chuàng)科技集團(tuán)有限公司硅砂資源利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京100085)

提出了一種針對(duì)石油壓裂支撐劑耐酸性能檢測(cè)的新型測(cè)試方法和設(shè)備，該方法可模擬地層溫度(30～150℃)、閉合壓力(10～100MPa)和不同酸介質(zhì)流速(1～70mL/min)對(duì)支撐劑進(jìn)行耐酸性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)選用石英砂、陶粒、樹(shù)脂覆膜砂進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明，采用該測(cè)試方法所得的酸溶解度值在酸介質(zhì)相差50倍濃度下較行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試值仍高出5.48%～45.83%，破碎率增幅達(dá)到3.7～15.75倍，導(dǎo)流能力損害率達(dá)到75%～100%。該測(cè)試方法對(duì)壓裂工藝中支撐劑的優(yōu)選有一定指導(dǎo)作用。

壓裂支撐劑;酸溶解度;破碎率;導(dǎo)流能力

石油天然氣開(kāi)采行業(yè)中非常規(guī)油氣藏的開(kāi)采日益增多［1］，勘探過(guò)程中發(fā)現(xiàn)大量酸性油氣藏，例如吉林油田松遼盆地高含CO2氣藏，CO2含量17%～97%，地層水中［HCO3］-濃度達(dá)260～12 670mg/L，酸性強(qiáng)，腐蝕嚴(yán)重，酸性油氣藏對(duì)支撐劑的耐酸性能要求更為苛刻［2-4］?，F(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［5-6］中支撐劑耐酸性能測(cè)試方法未模擬地層高溫高壓及流體流動(dòng)的條件，所測(cè)得的酸溶解度值較實(shí)際情況偏差大。因此提出一種可模擬地層溫度壓力和流體流動(dòng)共存條件下的耐酸性能測(cè)試方法，該方法可對(duì)壓裂工藝中支撐劑的優(yōu)選起到一定的指導(dǎo)作用。

1 耐酸性能評(píng)價(jià)設(shè)備和方法

1.1 設(shè)備

在現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108-2006《壓裂支撐劑性能指標(biāo)及測(cè)試推薦方法》中酸溶解度測(cè)試方法基礎(chǔ)上，參考何紅梅等［7］、蔡寶中等［8］和付海江等［9-10］相關(guān)研究，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一套可模擬地層條件的新耐酸性能測(cè)試方法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方法B)，該測(cè)試方法能模擬地層溫度(30～200℃)、閉合壓力(10～100MPa)、不同酸性介質(zhì)、不同流速(1～70mL/min)等條件，對(duì)支撐劑進(jìn)行耐酸性能測(cè)試。該設(shè)備流程圖如圖1所示。酸儲(chǔ)罐為耐酸塑料材質(zhì)，容積50L;預(yù)熱器用于加熱酸性介質(zhì);導(dǎo)流室為API標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流室，材質(zhì)為哈氏合金，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)外接壓機(jī)給其施加閉合壓力，同時(shí)該容器自身有保溫體系，可保證維持所需地層溫度;通過(guò)冷卻器對(duì)酸性介質(zhì)進(jìn)行降溫冷凝，重新導(dǎo)入酸儲(chǔ)罐進(jìn)行循環(huán)。該套設(shè)備實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 支撐劑耐酸性能測(cè)試設(shè)備流程圖

圖2 支撐劑耐酸性能測(cè)試設(shè)備實(shí)物及配件圖

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 酸溶解度

測(cè)試方法A:行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108-2006《壓裂支撐劑性能指標(biāo)及測(cè)試推薦方法》中耐酸性能測(cè)試方法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方法A)是采用H+濃度為5mol/L，HCl與HF質(zhì)量比為12:3的混合酸液在65℃恒溫水浴中浸泡5g支撐劑0.5h，然后測(cè)定其質(zhì)量損失率，即為酸溶解度值。

測(cè)試方法B:采用上述提到的設(shè)備模擬實(shí)際地層條件(不同地層溫度、閉合壓力、酸性條件、介質(zhì)流速)對(duì)支撐劑進(jìn)行一定時(shí)間的酸蝕，取出支撐劑烘干，稱(chēng)量，計(jì)算支撐劑的質(zhì)量損失率即為酸溶解度。

1.2.2 抗破碎能力

測(cè)試方法A:按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108-2006《壓裂支撐劑性能指標(biāo)及測(cè)試推薦方法》中破碎率的性能測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試方法B:采用酸溶解度測(cè)試方法B處理支撐劑樣品，在取出烘干后，直接過(guò)篩，稱(chēng)量落在標(biāo)準(zhǔn)篩上支撐劑質(zhì)量，計(jì)算破碎率。

1.2.3 導(dǎo)流能力

酸前:按照SY/T 6302-2009《壓裂支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)推薦方法》進(jìn)行短期導(dǎo)流能力測(cè)試。

酸后:按1.1所述設(shè)備進(jìn)行酸腐蝕，在酸蝕結(jié)束后，不卸載閉合壓力條件下，先用蒸餾水沖洗干凈導(dǎo)流室內(nèi)支撐劑，再進(jìn)行酸后導(dǎo)流能力測(cè)試。

2 耐酸性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 樣品選擇

實(shí)驗(yàn)選取3類(lèi)270、550μm支撐劑，分別為多倫原砂、陶粒和FSS-IV支撐劑。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行基本性能測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 支撐劑樣品基本性能測(cè)試結(jié)果

支撐劑測(cè)試結(jié)果表明，3種樣品為油田常用3種類(lèi)型的支撐劑樣品，F(xiàn)SS-IV支撐劑為樹(shù)脂覆膜石英砂支撐劑，其酸溶解度、破碎率、濁度等指標(biāo)具有優(yōu)勢(shì);陶粒為人造燒結(jié)陶粒，性能優(yōu)異且圓球度最好，多倫原砂性能最差，但多使用于低閉合壓力地層，符合行業(yè)使用要求。

2.2 酸溶解度

分別采用上述方法A和方法B對(duì)3種樣品進(jìn)行酸溶解度對(duì)比測(cè)試，其中方法A所選用酸介質(zhì)為H+濃度為5mol/L的HCl和HF混合液(HCl和HF質(zhì)量比為12:3)常壓下浸泡0.5h，測(cè)試質(zhì)量損失率;方法B所選模擬地層實(shí)驗(yàn)條件如下:先將支撐劑處于閉合壓力(多倫原砂為28MPa，陶粒和FSS為69MPa)，模擬地層溫度80℃，酸性介質(zhì)為pH=1的HCl和HF混合液(HCl和HF質(zhì)量比為12:3)，介質(zhì)流速10.5mL/min中酸蝕時(shí)間24h，再進(jìn)行質(zhì)量損失率測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。并對(duì)酸溶解度測(cè)試前后的樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察，如圖3所示。

表2 支撐劑樣品酸溶解度對(duì)比數(shù)據(jù)

圖3 支撐劑樣品酸后掃描電鏡對(duì)比圖

從表2測(cè)試結(jié)果可看出，在同時(shí)考慮溫度、壓力和介質(zhì)流速的條件下，支撐劑的酸溶解度值明顯提高。方法A和方法B酸介質(zhì)濃度相差50倍，但采用方法B酸溶解度值反而有所升高，其中石英砂從4.80%升至6.31%，陶粒增至6.54%，F(xiàn)SS-IV增至1.75%，說(shuō)明溫度、壓力和介質(zhì)流速同時(shí)存在的情況下，支撐劑的酸溶解程度加強(qiáng)，而支撐劑實(shí)際使用過(guò)程中必然同時(shí)存在這3種影響因素，故支撐劑實(shí)際使用時(shí)的酸溶解程度較行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)偏大，本文的模擬地層條件下酸溶解度值增幅達(dá)5.48%～45.83%。

由圖3可看出，采用方法B酸后的樣品較采用方法A酸后樣品表面腐蝕更為嚴(yán)重，且顆粒破碎多，尤其是陶粒樣品，不論從色澤、破碎情況還是表面腐蝕程度上來(lái)說(shuō)，兩種方法酸后樣品差距最為明顯，從圖3中可看出陶粒經(jīng)方法B酸后接近半數(shù)均為粉末狀。

2.3 抗破碎能力

按照方法A和方法B(實(shí)驗(yàn)條件同上)分別測(cè)試樣品的抗破碎能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。測(cè)試結(jié)果顯示，采用方法B所測(cè)得的支撐劑的破碎率值顯著上升。說(shuō)明模擬地層條件的溫度、壓力及介質(zhì)流速同時(shí)存在時(shí)，支撐劑強(qiáng)度損失較大，抗破碎能力變?nèi)酰渲?，采用方法A所測(cè)得的多倫原砂破碎率為6.66%，采用方法B后破碎率升至31.31%，上升了3.7倍，同樣，陶粒上升了15.75倍，F(xiàn)SS-IV產(chǎn)品上升了12.25倍。

表3 支撐劑樣品破碎率對(duì)比數(shù)據(jù)

2.4 導(dǎo)流能力

參照現(xiàn)壓裂支撐劑導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)方法［11］，采用API標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)流能力測(cè)試儀分別對(duì)3種樣品進(jìn)行對(duì)應(yīng)閉合壓力下的導(dǎo)流能力，介質(zhì)為蒸餾水，采用圖4中耐酸性能測(cè)試設(shè)備，對(duì)這3種樣品在溫度80℃，多倫原砂閉合壓力為28MPa，陶粒和FSS-IV為69MPa，酸性介質(zhì)為pH=1的HCl和HF混合液(HCl和HF質(zhì)量比為12:3)，介質(zhì)流速10.5mL/min的條件下進(jìn)行24h酸蝕，再通過(guò)蒸餾水進(jìn)行導(dǎo)流能力測(cè)試，進(jìn)一步考察模擬地層條件對(duì)支撐劑性能測(cè)試與行標(biāo)測(cè)試的差異性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從酸蝕前后支撐劑的導(dǎo)流能力對(duì)比可知，常規(guī)短期導(dǎo)流能力測(cè)試采用蒸餾水做介質(zhì)，環(huán)境溫度為25℃時(shí)，多倫原砂酸蝕前導(dǎo)流能力約為28μm2·cm，陶粒酸蝕前導(dǎo)流能力高達(dá)約68μm2·cm;方法B酸蝕24h后28MPa石英砂導(dǎo)流能力降至7μm2·cm左右，降低幅度為75%;陶粒的導(dǎo)流能力變化尤為明顯，酸蝕后由于陶粒腐蝕嚴(yán)重，基本呈粉末狀無(wú)孔隙，導(dǎo)致69MPa下壓差超限法測(cè)試導(dǎo)流能力;FSSIV酸蝕后導(dǎo)流能力降至5μm2·cm以下，降幅也高達(dá)80%。溫度、壓力、酸介質(zhì)同時(shí)存在時(shí)3種類(lèi)型支撐劑導(dǎo)流能力損失均較大，在這樣的測(cè)試條件下，陶粒喪失導(dǎo)流能力。

圖4 支撐劑樣品酸前/酸后導(dǎo)流能力對(duì)比

3 結(jié)論

1)開(kāi)發(fā)的耐酸腐蝕模擬裝置能夠?qū)崿F(xiàn)模擬地層溫度(30～200℃)、閉合壓力(10～100MPa)、不同酸性介質(zhì)、不同流速(1～70mL/min)等條件，對(duì)支撐劑進(jìn)行耐酸性能測(cè)試。能更真實(shí)的反映支撐劑的性能指標(biāo)，同行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法比較，不論從酸溶解度、破碎率還是導(dǎo)流能力方面，二者測(cè)試值均有較大差異。通過(guò)該測(cè)試結(jié)果可更進(jìn)一步的指導(dǎo)壓裂作業(yè)中支撐劑的選取，尤其是高酸性等特種油氣藏的開(kāi)發(fā)。

2)在模擬地層閉合壓力(多倫原砂為28MPa，陶粒和FSS為69MPa)，模擬地層溫度80℃，酸性介質(zhì)為pH=1的HCl和HF混合液(HCl和HF質(zhì)量比為12:3)，介質(zhì)流速10.5mL/min中酸蝕時(shí)間24h的情況下對(duì)多倫原砂、陶粒、FSS-IV樹(shù)脂覆膜支撐劑進(jìn)行了酸溶解度、抗破碎能力、導(dǎo)流能力測(cè)試，結(jié)果顯示酸溶解度增幅達(dá)5.48%～45.83%，破碎率增加3.7～15.75倍，導(dǎo)流能力損害率達(dá)75%以上，其中陶粒損害最為嚴(yán)重。

3)上述3種支撐劑的測(cè)試結(jié)果顯示，酸性特殊地層對(duì)支撐劑的強(qiáng)度、導(dǎo)流能力等要求更高，陶粒為無(wú)機(jī)燒結(jié)產(chǎn)品，耐酸性能較差，不適于高酸性地層壓裂開(kāi)發(fā)和酸化作業(yè)后的地層壓裂開(kāi)發(fā)，石英砂經(jīng)酸蝕后抗破碎能力損失較大，F(xiàn)SS-IV樹(shù)脂覆膜支撐劑在耐酸性能方面較陶粒具有一定的優(yōu)勢(shì)，但還需進(jìn)一步提高性能以便更適合于酸性地層條件下的壓裂工藝。

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An evaluation method of acid-proof performance of proppants for fracturing is proposed and the corresponding device is designed.Using the method and the device，the acid-proof performance of quartz sand，ceramic and resin-coated sand proppants is evaluated under the simulation formation conditions of temperature of 30～150℃，closure pressure of 10～100MPa and acid liquid flow rate of 1～70mL/min.The results show that，the acid dissolution rate and the breakage rate of the proppants measured by the method is higher 5.48%～45.83%and 3.70～15.75 times separately than those measured using the industrial standard measuring method，while the acid concentration of the former is only 1/50 of the latter;the damage rate of the proppants to fracture flow capacity reach to 75%～100%.The evaluation method of acid-proof performance of proppants can provide help for the optimization of the proppants for fracturing.

proppant for fracturing;acid solubility;breakage rate;flow capacity

學(xué)敏

2014-09-12

973項(xiàng)目“若干資源高效開(kāi)發(fā)關(guān)鍵基礎(chǔ)研究”(編號(hào):2012CB724200)之“石爐尾氣凈化與天然氣高效開(kāi)采應(yīng)用基礎(chǔ)研究”(編號(hào):2012CB724203)

秦升益(1961-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事新材料方面的研究工作。