检测压裂支撑剂体积密度影响因素的研究

乌永兵，王江涛，营虎虎，杨生辉

（延长油田股份有限公司， 陕西 延安 717200 ）

压裂支撑剂体积密度是单位堆积体积的支撑剂质量，包含支撑剂本身和孔隙体积的平均密度，其单位为 g/cm3。体积密度是压裂支撑剂检测项目之一，其检测检测结果不需量化判断，但是体积密度的大小影响着抗破碎率的检测，直接影响压裂工艺中支撑剂的用量，乃至压裂成本的多少。

1 实验仪器

100 mL密度瓶，体积密度测定仪，电子天平等

2 实验样品

本实验选择了石英砂和陶粒两种不同类型、不同规格的压裂支撑剂样品，具体如表2-1所示。

表2-1 压裂支撑剂实验样品

3 实验方法

本实验检测压裂支撑剂的体积密度采用密度瓶法和体积密度测定仪法。

3.1 密度瓶法[1]

（1）准备适量的支撑剂样品，倒入烧杯中；

（2）使用精度为0.001 g的电子天平称出密度瓶的质量mg；

（3）实验员将支撑剂样品匀速倒入密度瓶弯口处，必须一气呵成，不要晃动或震实密度瓶，称出装有支撑剂的密度瓶的质量mgp；

（4）计算

注：密度瓶的容积体积必须校准。

图3-1 密度瓶和体积密度测定仪

3.2 体积密度测定仪法[2]

本实验所用的体积密度测定仪如图3-1（b）所示。

（1）准备适量的支撑剂样品，倒入烧杯中；

（2）称出干燥的黄铜圆筒质量mf；

（3）用橡皮球阀堵住漏斗的出口，将黄铜圆筒居中，位于漏斗出口的正下方，将备好的样品倒入漏斗中；

（4）打开位于漏斗底部的橡皮球阀，令支撑剂流入黄铜圆筒内；

（5）漏斗内的支撑剂全部流出后，用直尺在圆筒边缘平滑地推移，使支撑剂于黄铜圆筒口的表面齐平；

（6）称出圆筒内装满支撑剂的质量mf+p；

（7）计算：

注：黄铜圆筒容积体积必须校准。

4 实验步骤

根据检测压裂支撑剂体积密度的操作过程，研究讨论其影响因素。

4.1 校准体积

本实验采用纯水作为校准液体，在室温 22 ℃下，测量纯水密度，经过修正，计算出纯水的密度为 0.999 5 g/cm3。

4.1.1 密度瓶体积校准

本实验选择了8个密度瓶，具体如表4-1所示。

表4-1 密度瓶的质量和校准体积表

4.1.2 黄铜圆筒体积校准[2]

经过计算，黄铜圆筒的体积校准为99.306 mL。

4.2 检测支撑剂体积密度

本实验中的两名实验员，分别按照 3.1和 3.2中的方法进行实验。每个支撑剂样品均被检测3次，分别按式3-1和3-2计算，取平均值作为该样品的体积密度。

4.2.1 检测不同支撑剂样品的体积密度

本实验选择表2-1中的8个支撑剂样品，选择表4-1中的4号密度瓶，经过检测和计算。其结果具体如图4-1所示。

由图4-1可以看出：

（1）支撑剂样品1和样品2为石英砂，两名实验员和体积密度测定仪检测的体积密度相差较大，其原因是石英砂的流动性不好；

（2）支撑剂样品3、4、5、6、7、8均为陶粒样品，两名实验员检测的体积密度较为接近，且体积密度测定仪检测的体积密度与实验员检测的体积密度相差不大；

图4-1 不同支撑剂样品的体积密度

（3）8种不同的支撑剂，密度瓶法均比体积密度测定仪法检测的体积密度大。

4.2.2 用不同密度瓶检测同一支撑剂

文本实验选择表2-1中1号石英砂样品和3号陶粒样品，分别用表4-1中的密度瓶进行实验，同样用每个密度瓶检测3次，计算后取平均值。用体积密度测定仪分别检测1号样品和3号样品8次。经过检测和计算，其结果具体如图4-2和4-3所示。

图4-2 不同密度瓶检测的石英砂体积密度

图4-2和4-3可以看出：

图4-3 不同密度瓶检测的陶粒体积密度

（1）实验员甲，检测石英砂的体积密度相差较大，而检测陶粒的体积密度相差较小，实验员乙检测石英砂和陶粒的体积密度均相差较大；

（2）不同的实验员，用不同密度瓶检测的支撑剂体积密度相差较大，而体积密度测定仪检测的体积密度比较恒定。

4.2.3 用同一密度瓶检测同一个支撑剂样品

本实验选择表2-1中3号陶粒样品，用表4-1中的4号密度瓶进行实验，两名实验员分别检测8次，用体积密度测定仪检测3号样品8次。经过检测和计算，其结果具体如图4-4所示。

图4-4 同一密度瓶检测陶粒的体积密度

由图4-4可以看出：

（1）不同的实验员，检测同一个支撑剂样品的体积密度差别较大；

（2）图4-4的数据与图4-1中的1、3号样品和图4-2、4-3中的4号密度瓶检测的数据，同一支撑剂样品，同一密度瓶，同一实验员检测是体积密度差别较大，说明实验员主观因素对其检测结果影响很大。

5 数据讨论

5.1 结果误差讨论

（1）实验员用同一密度瓶检测石英砂最大相差0.068 2 g/cm3，检测陶粒最大相差0.012 3 g/cm3，其主要原因是陶粒的球度圆度比石英砂的好，流动性好；

（2）用体积密度测定仪检测的石英砂最大相差0.003 7 g/cm3，检测陶粒最大相差0.002 7 g/cm3，其主要原因是体积密度测定仪的流速较大，石英砂和陶粒的流动性影响不大。

5.2 对检测抗破碎能力的影响

本实验设定抗破碎率为9%，

密度瓶法检测的石英砂体积密度最大相差0.068 2 g/cm3，则对其抗破碎率影响为15.16%，检测的陶粒最大相差0.012 3 g/cm3，则对其抗破碎影响为 2.73%；体积密度测定仪法检测的石英砂对其抗破碎率影响为0.8%，检测的陶粒对其抗破碎率影响为0.6%。

6 结论与建议

（1）实验室内检测支撑剂体积密度，同一实验员，用不同的密度瓶检测同一个支撑剂样品，其差别较大，极差为0.027 1 g/cm3。同一实验员，用同一密度瓶检测同一个支撑剂样品，差别较大，极差为0.068 3 g/cm3；同一实验员，用体积密度测定仪检测同一个支撑剂样品，差别较小，极差为0.003 7 g/cm3。

（2）建议取消密度瓶法检测支撑剂密度，运用体积密度测定仪检测支撑剂体积密度，因为体积密度测定仪检测的结果重复性和精密度较好。

（3）密度瓶法对石英砂抗破碎率影响为15.16%，对陶粒抗破碎；率影响为2.73%；体积密度测定仪法对石英砂抗破碎率影响为0.8%，对陶粒抗破碎率影响为0.6%。

（4）建议压裂设计人员，应考虑支撑剂的体积密度值的真实性。

[1]SY/T 5108-2006 压裂支撑剂性能指标及测试推荐方法[S].

[2]SY/T 5108-2014 水力压裂和砾石充填作业用支撑剂性能测试方法[S]. 2006，33（4）：37-40.