影响压裂支撑剂酸溶解度检测结果的因素分析

张贵玲

中国石化胜利油田分公司 采油工艺研究院 (山东 东营 257000）

压裂支撑剂在地下工作时,要承受地层中的各种腐蚀，所以压裂支撑剂要具有良好的耐酸性能。酸溶解度是压裂支撑剂的一个重要指标,对压裂支撑剂的输导油、气能力,工作寿命有着重要影响。酸溶解度测试国内主要依据SY/T 5108-2006标准[1]，国外主要依据1989年颁布的API RP60、PR61标准[2]。

有着良好耐酸性能的压裂支撑剂可以在地下岩缝中的酸性环境下长时间工作，并保持高的导流能力，从而可以提高油、气井的产量。常用的支撑剂主要包括天然石英砂和人造陶粒[3]。2种支撑剂成分不同，天然石英砂的化学成分是氧化硅，伴有少量的氧化铝、氧化铁、氧化钾、氧化钙和氧化镁。人造陶粒主要由铝矾土（氧化铝）烧结或喷吹而成的，具有较高的抗压强度，目前，多数生产企业生产陶粒支撑剂所使用的原材料主要为铝矾土和部分锰石等添加剂。

从支撑剂质量性能评价实验中发现，现有的支撑剂酸溶解度值都偏高，首先是由于产品本身的质量问题，其次是由于实验操作步骤中所出现的问题。本文主要是对支撑剂酸溶解度检测过程中的影响因素进行分析。

1 酸溶解度的测试

1.1 酸溶解度的测试步骤

酸溶解度是指在规定的酸溶液以及反应条件下，一定质量的支撑剂被酸溶液溶解的质量与支撑剂总质量的百分比，实验室检测过程主要包括:分样、配酸、烘干样品、称量、水浴、抽滤、烘干、称量。各步骤先后顺序及所使用的仪器如图1所示。

图1 酸溶解度测试步骤及所用仪器

1.2 陶粒支撑剂酸溶解度的测定值

不同检测机构对常用的粒径 在0.425～0.85mm的2种陶粒支撑剂样品进行了酸溶解度对比试验，检测结果见表1。

表1 不同检测机构对2种陶粒支撑剂酸溶解度检测数据

结果表明:不同检测机构对同种陶粒支撑剂酸溶解度的检测结果差异很大。对于样品1:机构A和机构C相差1%；对于样品2:机构A和机构B相差0.7%。

2 酸溶解度检测过程的影响因素分析

结合上述酸溶解度的测定步骤及所涉及的仪器，对酸溶解度影响因素进行分析，配酸中盐酸和氢氟酸的质量比例，样品是否经过烘干处理，称量仪器精度，水浴时间长短，抽滤过程中冲洗是否彻底，及定性滤纸的使用等因素都会对检测结果产生一定的影响。文中实验研究所用的样品是粒径在0.425～0.85mm的陶粒支撑剂。

2.1 分样

在检测酸溶解度的样品中，样品一定具有代表性，首先对样品在分样器中进行分样，分样次数一般为3～5次，以确保样品的均匀性，如果分样次数少，将导致分样后的平行样分布不均，从而产生一定的误差。

2.2 配酸

配酸过程存在的误差包括量取液体，以及不同配酸质量比例的混合酸液对检测结果产生的误差。

2.2.1 量取

配制质量比为12:3的盐酸氢氟酸溶液，需要分别量取盐酸和氢氟酸，在量取过程中，视线应与量筒凹液面相切，量取时，如果是仰视，这时配制的酸液浓度变大，俯视的话则变小。除此之外，就是在量取酸液的过程中，留在量筒壁上的液体也会对酸液浓度产生误差。配液最后用蒸馏水充分稀释并搅拌均匀，这一系列的配酸过程会存在一定的人为误差。

2.2.2 配酸质量比例

为了解盐酸和氢氟酸对支撑剂酸溶解度影响程度的大小，实验中分别配制了质量比例为12:3、12:2.5、12:2、12:1.5、12:1、12:0.5、12:0 的盐酸与氢氟酸的混合酸液，进行了同一样品不同配酸质量比例的酸溶解度实验（表2）。

通过实验可以发现:这2种酸中氢氟酸用量多少直接影响酸溶解度的大小，而盐酸用量的多少对酸溶解度的影响并不大。从表2中可以发现，随着氢氟酸比例的减少，酸溶解度也在降低，当只有盐酸时，酸溶解度降到最低，其值不到0.2%，这主要是因为氢氟酸是一种强酸，可以溶解支撑剂里面的很多物质，而这些物质盐酸却不能溶解。

2.3 烘干样品

标准规定烘干时间为1h，如果样品未经过烘干处理，直接去进行酸溶解度测试，这将会引起比较大的误差。

本实验通过多个未经过烘干处理和经过不同烘干时间处理的样品对比发现（表3）:未烘干样品的酸溶解度要小于烘干样品的酸溶解度值。这主要是因为未烘干样中存在一定的水分，在过滤后的烘干处理中，这些水分蒸发,使得样品质量减少,所以造成了一定的误差。

对于经过不同烘干时间样品的酸溶解度，也存在不同，烘干时间比较短的样品，检测的酸溶解度要小于烘干时间为1h的检测值。

2.4 冷却称量

烘干后的样品，需放在干燥器冷却0.5h。一般未经过冷却直接测量的样品的酸溶解度测定值要稍大于经过冷却后的样品，这可能由于未冷却的样品含有一定的水蒸气，使得称量值稍大。

表2 配酸质量比例对样品检测结果的影响

表3 烘干处理对样品检测结果的影响

称量主要是与天平的测量精度有关。由于酸溶解度测定需要的支撑剂质量比较小，很小的测量误差就会对结果产生很大的影响，所以在称量时，一定使用较高测量精度的天平，测量精度应控制在0.001g，并且需要定时经过专业机构校准检定。

2.5 水浴

水浴时间是影响酸溶解度的一个重要因素，水浴主要是酸溶液和支撑剂样品反应的一个阶段，标准规定水浴时间为0.5h。

如果水浴时间太短，酸和样品不能充分反应，必定会影响到酸溶解度检测结果，为了研究水浴时间长短对酸溶解度检测结果的影响，实验中分别设定水浴时间为 0.25h、0.5h、0.75h、1h、1.25h、1.5h， 最终检测结果见图2。

通过不同水浴时间的对比实验可以发现:水浴时间在0.25～0.5h时，支撑剂的酸溶解度上升较快，当水浴时间在0.5～1h时，上升幅度变缓，水浴时间大于1h时，酸溶解度检测值基本不变，但是也会影响酸溶解度的最终检测结果，这说明酸在反应之初，溶解速度是比较快的，所以，实验中应该严格按照标准规定的水浴时间进行操作，以避免不必要的检测误差。

2.6 真空过滤

2.6.1 过滤

在真空过滤过程中，主要是冲洗不彻底造成的检测结果误差，如果冲洗液仍显示酸性，这使得支撑剂样品中仍有酸液残留，在过后的高温烘干下，残留酸将继续溶解一部分支撑剂样品，从而导致实验数据偏大。

2.6.2 定性滤纸

真空过滤时，标准规定需用定性滤纸，但定性滤纸的使用对实验结果影响较大。准备了带有滤纸和不带滤纸的过滤设备,分别测量了几个不同样品的酸溶解度（表4）。

通过几组实验对比可以发现，带有滤纸过滤设备的样品测定的酸溶解度要比不带滤纸的样品测定值大，即使未加样品，也能测得比较大的酸溶解度，这主要因为滤纸被酸腐蚀，从而使得检测数据偏大。

表4 定性滤纸对酸溶解度测定的影响

2.7 其他因素

真空过滤后，要把样品放到烘箱下进行烘干，不同烘干时间也会对结果产生一定的影响。通过实验发现，烘干时间小于30min时，最终检测结果误差较大；当大于30min时，所产生的误差较小。

如果烘干后的样品未放到干燥器冷却，而是烘干完直接测量，也会产生一个微小的误差。除此之外，不同操作人员的检测结果也不同，这主要是人为操作误差。

3 结 论

检测过程的每一步骤都可能存在影响酸溶解度的因素，除此之外，样品本身的质量、检测人员、检测机构等，也会对检测结果产生影响。支撑剂酸溶解度测定的影响因素不仅仅是单因素方面的影响，而是多个因素共同作用的结果，所以为了保证实验结果的公正，研究工作者很有必要对影响因素做进一步的深入探讨。

[1]SY/T 5108-2006压裂支撑剂性能指标及测试推荐方法[S].

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

[3]张琪.采油工程原理与设计[M].东营:石油大学出版社,2000.