檢測壓裂支撐劑體積密度影響因素的研究

烏永兵，王江濤，營虎虎，楊生輝

（延長油田股份有限公司， 陜西 延安 717200 ）

壓裂支撐劑體積密度是單位堆積體積的支撐劑質量，包含支撐劑本身和孔隙體積的平均密度，其單位為 g/cm3。體積密度是壓裂支撐劑檢測項目之一，其檢測檢測結果不需量化判斷，但是體積密度的大小影響著抗破碎率的檢測，直接影響壓裂工藝中支撐劑的用量，乃至壓裂成本的多少。

1 實驗儀器

100 mL密度瓶，體積密度測定儀，電子天平等

2 實驗樣品

本實驗選擇了石英砂和陶粒兩種不同類型、不同規格的壓裂支撐劑樣品，具體如表2-1所示。

表2-1 壓裂支撐劑實驗樣品

3 實驗方法

本實驗檢測壓裂支撐劑的體積密度采用密度瓶法和體積密度測定儀法。

3.1 密度瓶法[1]

（1）準備適量的支撐劑樣品，倒入燒杯中；

（2）使用精度為0.001 g的電子天平稱出密度瓶的質量mg；

（3）實驗員將支撐劑樣品勻速倒入密度瓶彎口處，必須一氣呵成，不要晃動或震實密度瓶，稱出裝有支撐劑的密度瓶的質量mgp；

（4）計算

注：密度瓶的容積體積必須校準。

圖3-1 密度瓶和體積密度測定儀

3.2 體積密度測定儀法[2]

本實驗所用的體積密度測定儀如圖3-1（b）所示。

（1）準備適量的支撐劑樣品，倒入燒杯中；

（2）稱出干燥的黃銅圓筒質量mf；

（3）用橡皮球閥堵住漏斗的出口，將黃銅圓筒居中，位于漏斗出口的正下方，將備好的樣品倒入漏斗中；

（4）打開位于漏斗底部的橡皮球閥，令支撐劑流入黃銅圓筒內；

（5）漏斗內的支撐劑全部流出后，用直尺在圓筒邊緣平滑地推移，使支撐劑于黃銅圓筒口的表面齊平；

（6）稱出圓筒內裝滿支撐劑的質量mf+p；

（7）計算：

注：黃銅圓筒容積體積必須校準。

4 實驗步驟

根據檢測壓裂支撐劑體積密度的操作過程，研究討論其影響因素。

4.1 校準體積

本實驗采用純水作為校準液體，在室溫 22 ℃下，測量純水密度，經過修正，計算出純水的密度為 0.999 5 g/cm3。

4.1.1 密度瓶體積校準

本實驗選擇了8個密度瓶，具體如表4-1所示。

表4-1 密度瓶的質量和校準體積表

4.1.2 黃銅圓筒體積校準[2]

經過計算，黃銅圓筒的體積校準為99.306 mL。

4.2 檢測支撐劑體積密度

本實驗中的兩名實驗員，分別按照 3.1和 3.2中的方法進行實驗。每個支撐劑樣品均被檢測3次，分別按式3-1和3-2計算，取平均值作為該樣品的體積密度。

4.2.1 檢測不同支撐劑樣品的體積密度

本實驗選擇表2-1中的8個支撐劑樣品，選擇表4-1中的4號密度瓶，經過檢測和計算。其結果具體如圖4-1所示。

由圖4-1可以看出：

（1）支撐劑樣品1和樣品2為石英砂，兩名實驗員和體積密度測定儀檢測的體積密度相差較大，其原因是石英砂的流動性不好；

（2）支撐劑樣品3、4、5、6、7、8均為陶粒樣品，兩名實驗員檢測的體積密度較為接近，且體積密度測定儀檢測的體積密度與實驗員檢測的體積密度相差不大；

圖4-1 不同支撐劑樣品的體積密度

（3）8種不同的支撐劑，密度瓶法均比體積密度測定儀法檢測的體積密度大。

4.2.2 用不同密度瓶檢測同一支撐劑

文本實驗選擇表2-1中1號石英砂樣品和3號陶粒樣品，分別用表4-1中的密度瓶進行實驗，同樣用每個密度瓶檢測3次，計算后取平均值。用體積密度測定儀分別檢測1號樣品和3號樣品8次。經過檢測和計算，其結果具體如圖4-2和4-3所示。

圖4-2 不同密度瓶檢測的石英砂體積密度

圖4-2和4-3可以看出：

圖4-3 不同密度瓶檢測的陶粒體積密度

（1）實驗員甲，檢測石英砂的體積密度相差較大，而檢測陶粒的體積密度相差較小，實驗員乙檢測石英砂和陶粒的體積密度均相差較大；

（2）不同的實驗員，用不同密度瓶檢測的支撐劑體積密度相差較大，而體積密度測定儀檢測的體積密度比較恒定。

4.2.3 用同一密度瓶檢測同一個支撐劑樣品

本實驗選擇表2-1中3號陶粒樣品，用表4-1中的4號密度瓶進行實驗，兩名實驗員分別檢測8次，用體積密度測定儀檢測3號樣品8次。經過檢測和計算，其結果具體如圖4-4所示。

圖4-4 同一密度瓶檢測陶粒的體積密度

由圖4-4可以看出：

（1）不同的實驗員，檢測同一個支撐劑樣品的體積密度差別較大；

（2）圖4-4的數據與圖4-1中的1、3號樣品和圖4-2、4-3中的4號密度瓶檢測的數據，同一支撐劑樣品，同一密度瓶，同一實驗員檢測是體積密度差別較大，說明實驗員主觀因素對其檢測結果影響很大。

5 數據討論

5.1 結果誤差討論

（1）實驗員用同一密度瓶檢測石英砂最大相差0.068 2 g/cm3，檢測陶粒最大相差0.012 3 g/cm3，其主要原因是陶粒的球度圓度比石英砂的好，流動性好；

（2）用體積密度測定儀檢測的石英砂最大相差0.003 7 g/cm3，檢測陶粒最大相差0.002 7 g/cm3，其主要原因是體積密度測定儀的流速較大，石英砂和陶粒的流動性影響不大。

5.2 對檢測抗破碎能力的影響

本實驗設定抗破碎率為9%，

密度瓶法檢測的石英砂體積密度最大相差0.068 2 g/cm3，則對其抗破碎率影響為15.16%，檢測的陶粒最大相差0.012 3 g/cm3，則對其抗破碎影響為 2.73%；體積密度測定儀法檢測的石英砂對其抗破碎率影響為0.8%，檢測的陶粒對其抗破碎率影響為0.6%。

6 結論與建議

（1）實驗室內檢測支撐劑體積密度，同一實驗員，用不同的密度瓶檢測同一個支撐劑樣品，其差別較大，極差為0.027 1 g/cm3。同一實驗員，用同一密度瓶檢測同一個支撐劑樣品，差別較大，極差為0.068 3 g/cm3；同一實驗員，用體積密度測定儀檢測同一個支撐劑樣品，差別較小，極差為0.003 7 g/cm3。

（2）建議取消密度瓶法檢測支撐劑密度，運用體積密度測定儀檢測支撐劑體積密度，因為體積密度測定儀檢測的結果重復性和精密度較好。

（3）密度瓶法對石英砂抗破碎率影響為15.16%，對陶?？蛊扑?；率影響為2.73%；體積密度測定儀法對石英砂抗破碎率影響為0.8%，對陶?？蛊扑槁视绊憺?.6%。

（4）建議壓裂設計人員，應考慮支撐劑的體積密度值的真實性。

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

[2]SY/T 5108-2014 水力壓裂和礫石充填作業用支撐劑性能測試方法[S]. 2006，33（4）：37-40.