自懸浮支撐劑性能評價關鍵技術指標探討

蘭林

摘 要：自懸浮支撐劑通過遇水自增粘來降低沉降、提升攜砂能力，具有改善鋪砂剖面的技術優勢。目前按照石油行業標準《水力壓裂和礫石充填作業用支撐劑性能測試方法》無法全面表征其性能，給材料評價和優選帶來困難。本文設計出自懸浮支撐劑增粘能力測試方法，提出縱向上、下密度比值來定義懸浮率，并研制出相關設備和評價方法，測試結果表明適用性良好，為產品優選和現場應用奠定了基礎。

關鍵詞：支撐劑，自懸浮，實驗評價，標準

DOI編碼：10.3969/j.issn.1674-5698.2024.06.022

自懸浮支撐劑是在常規支撐劑表面吸附上聚丙烯酰胺類聚合物，當支撐劑接觸水時，聚丙烯酰胺遇水溶脹、增加了液相粘度，同時在支撐劑表面形成膠液包裹層、減少顆粒之間的摩擦作用，因此現場應用表現出支撐劑更利于被攜帶，并顯著降低施工摩阻。自懸浮支撐劑作為一種新型的支撐劑，現行石油行業標準SY/ T 5108《水力壓裂和礫石充填作業用支撐劑性能測試方法》只能測試其常規性能是否滿足技術要求，對于其帶來的技術優勢（更好的攜砂能力和改善鋪置剖面）無法表征，因此有必要針對其特性進行實驗設計，開展實驗優選評價，為現場應用奠定基礎。

1 現行實驗方法用于評價自懸浮支撐劑存在的問題

石油行業標準SY/T 5108《水力壓裂和礫石充填作業用支撐劑性能測試方法》規定了支撐劑8項技術指標的測試方法，包括：圓度、球度、體積密度、視密度、濁度、酸溶解度、破碎率和篩析。其中濁度、酸溶解度和破碎率3個技術指標在評價時存在問題：（1）濁度測試時，自懸浮支撐劑中的聚丙烯酰胺遇水后快速增粘，影響可見光透光性，導致濁度測試誤差很大；（2）酸溶解度測試時，聚丙烯酰胺溶于酸液中，導致酸溶解度夸大；（3）破碎率測試時，表面吸附的聚丙烯酰胺經壓力機加載破碎，過篩時會穿過底篩，計入破碎的支撐劑質量，導致破碎率夸大。因此，現行標準中的濁度不適用于評價自懸浮支撐劑，酸溶解度和破碎率按現行標準直接評價存在夸大的問題，會顯著影響結果準確性。

為準確測試自懸浮支撐劑的酸溶解度和破碎率，必須消除聚丙烯酰胺對測試結果的影響。聚丙烯酰胺在溫度高于2 6 0℃就會分解，斷鏈并碳化。因此引入SY/T 5108中關于覆膜砂的破碎率測試方法，先將支撐劑放入馬弗爐中進行灼燒，使聚丙烯酰胺碳化后再進行酸溶解度和破碎率測試。結果表明：灼燒后酸溶解度和破碎率較灼燒前低7%左右，更能表征自懸浮支撐劑本身的破碎率（見表1）。

其余5項技術指標均能直接用于評價自懸浮支撐劑的達標情況。但前述評價指標只能代表其基本性能，不能表征自懸浮支撐劑的獨特的技術優勢，特別是缺少能表征懸浮率的關鍵指標。現在的方法是觀察支撐劑在量筒縱向上的沉降情況，定性描述為沉降、不完全沉降、懸浮等，無法定量表征自懸浮支撐劑懸浮性能的好壞，給產品優選和現場應用帶來極大困難（如圖1所示）。

2 自懸浮支撐劑優勢技術指標界定

自懸浮支撐劑的制造工藝是：選用合格石英砂或陶粒支撐劑，通過硅烷偶聯劑對其表面改性，然后選取合適的聚合物單體在支撐劑表面聚合生成聚丙烯酰胺類的聚合物。所以，自懸浮支撐劑最大的特點就是表面有一層聚丙烯酰胺類的聚合物，而它在壓裂作業過程中的物理化學變化就是表征其功能的關鍵。壓裂施工中，自懸浮支撐劑自砂罐下方進入放砂漏斗，經螺旋輸送器推入混砂罐，在攪拌器作用下與水、稠化劑、破膠劑等混合，顆粒表面的自懸浮支撐劑水化溶脹、起粘，再經壓裂泵車泵入井筒、壓入地層，在地層中被地溫、破膠劑聯合作用破膠后，又被地層壓力推出地層。因此，自懸浮支撐劑的增粘能力、懸浮性能可代表其性能指標。下面就這兩個技術指標進行分別論述。

3 自懸浮支撐劑關鍵技術指標實驗方法建立

3.1 增粘能力

增粘能力測試沿用壓裂液常用的六速旋轉粘度計，選取壓裂作業中砂比25%作為自懸浮支撐劑加量，制定實驗評價方法如下。

（1）室溫下量取400mL蒸餾水，在攪拌的情況下加入400×25%×ρbulk（體積密度）g自懸浮支撐劑，加完后攪拌3min（支撐劑從接觸水到輸送到井底的時間）。

（2）將水化液倒入支撐劑規格下限相應的篩網中過濾，取濾液用六速旋轉粘度計測試100轉讀數，乘以3為其黏度。

3.2 懸浮性能

3.2.1 懸浮率測試原理

懸浮性能是表征自懸浮支撐劑最為直觀的技術指標。目前一般采用量筒觀察支撐劑在縱向剖面的沉降程度來定性描述，沒有定量評價的實驗方法，給材料優選帶來困難。想定量測試自懸浮支撐劑的懸浮性能就得找到一個支撐劑沉降會引起的物理變化參數來進行定義。支撐劑沉降是顆粒在縱向剖面從上到下逐步富集的過程，引起變化的物理參數主要包括：沉降剖面上的橫向透光性、不同位置的密度差異。剖面上的橫向透光性定量測試涉及基準校正、吸光度測試等較為復雜的操作，不便于實驗室操作，因此選用沉降剖面不同位置的密度差異來測試懸浮性能。為進一步簡化實驗操作，優選測試沉降剖面上下各1/2體積的密度，利用上、下密度比值來定義懸浮率。

3.2.2 懸浮率測試儀

實驗室沒有現成可用于測試上、下密度值的裝置，需要設計和加工。懸浮率測試儀如圖2所示，其組成包括：等徑沉降筒體、底座、閘板閥和以閘板閥為界劃分的兩個等體積腔體（標識有刻度線）。裝置中沉降筒體用于承接支撐劑混合液，閘板閥用于劃分上、下單元。閘板閥打開時，整個沉降筒體處于全通徑狀態，不影響沉降；閘板關閉時能橫向完全切割流體，不截留流體。相比蝶形閥橫擔于筒體中會影響支撐劑沉降和球形閥中心體積會截留部分流體而言，更具適應性。閘板閥關閉時其自身會占一部分體積，裝置上半部分體積設置時實際應扣除閘板閥的閥板體積。

3.2.3 測試方法

實驗室仍舊選用25%砂比作為測試流體，測試方法如下。

（1）稱量空懸浮率測試儀的質量，記為m1。

（2）室溫下量取400mL蒸餾水，在攪拌的情況下加入4 0 0×25%×ρbu lk（體積密度）g自懸浮支撐劑，加完后攪拌3min。

（3）立即將混合液倒入懸浮率測試儀至上刻度線，開始計時，稱量裝置整體質量m2，然后靜置。

（4）靜置15min后關閉閘板閥，倒出上半部分流體，用蒸餾水沖洗裝置內壁，并用紙巾擦拭干凈，稱量質量為m3。

（5）閘板閥上、下混合流體密度比值即為其質量比，計算公式如下：

4 測試結果分析

按上述實驗評價方法，選取10 個不同廠家的樣品進行測試。結果表明：（1）粘度值越高，表明其含有聚丙烯酰胺越高，就更能提升壓裂液粘度，增加液體的懸浮性；（2）懸浮率指標分布在0.72～ 0.93，具有較寬分布，能定量表征縱向上自懸浮支撐劑的沉降剖面，值越小、懸浮性越差，如果完全不沉降，上、下沒有密度差，則懸浮率為1；（3）粘度和懸浮率具有較好的相關性，粘度高的自懸浮支撐劑懸浮率相應也更好。總體來說，提出的增粘能力和懸浮率指標能用于表征自懸浮支撐劑的關鍵性能（見表2）。

5 結論及認識

（1）自懸浮支撐劑具有提高攜砂能力、改善鋪置剖面的獨特優勢，石油行業標準無法全面表征其性能，現行的懸浮率測試方法也只能定性描述其懸浮性。

（2）形成增粘能力和懸浮率測試兩套實驗評價方法，能用于定量表征自懸浮支撐劑的攜砂和懸浮能力，為該類產品的優選和現場應用奠定了基礎。