《壓裂用膠囊破膠劑技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施情況探討

李　荊，董永剛

中國石化中原石油工程有限公司井下特種作業(yè)公司（河南濮陽457164）

《壓裂用膠囊破膠劑技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施情況探討

李荊，董永剛

中國石化中原石油工程有限公司井下特種作業(yè)公司（河南濮陽457164）

《壓裂用膠囊破膠劑技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了壓裂用膠囊破膠劑的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、包裝、質(zhì)量檢驗(yàn)單及產(chǎn)品說明書。自2010年中原油田實(shí)施該標(biāo)準(zhǔn)以來，發(fā)現(xiàn)膠囊破膠劑產(chǎn)品不能達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的全部技術(shù)指標(biāo)要求，迫切需要查找原因。分別從術(shù)語、計(jì)算公式、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件和技術(shù)指標(biāo)值5個方面，分析和探討了膠囊破膠劑的粒徑范圍、釋放率和黏度保持率這3項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)中存在的不足，提出應(yīng)增加有效含量這一技術(shù)指標(biāo)，建議標(biāo)準(zhǔn)主管部門及時組織修訂該標(biāo)準(zhǔn)。

壓裂用膠囊破膠劑；企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；技術(shù)要求；試驗(yàn)方法

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是為保證產(chǎn)品的適用性，對產(chǎn)品必須達(dá)到的某些或全部特性要求所制定的標(biāo)準(zhǔn)［1］，是產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督的技術(shù)依據(jù)。一個產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)在其性能技術(shù)指標(biāo)確定之后，每項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)值及其試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件便成為產(chǎn)品各相關(guān)方關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，一個高質(zhì)量的企業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定時期現(xiàn)有產(chǎn)品的總體平均技術(shù)水平來確定，在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)問題，及時更正或者修訂，以確保標(biāo)準(zhǔn)的有效性、先進(jìn)性和適用性。

Q/SH 1025 0591-2009《壓裂用膠囊破膠劑技術(shù)條件》技術(shù)指標(biāo)分別為外觀、粒徑范圍、視密度、黏度保持率和釋放率［2］，這5項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)涵蓋了壓裂用膠囊破膠劑的基本性能參數(shù)，通過檢驗(yàn)可以判定壓裂用膠囊破膠劑產(chǎn)品性能的優(yōu)劣。但是標(biāo)準(zhǔn)中有文字表達(dá)不全面、不準(zhǔn)確之處，主要技術(shù)指標(biāo)值的確定、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件也存在問題，使目前所用壓裂用膠囊破膠劑產(chǎn)品無法完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。下面將進(jìn)行逐一探討。

1　粒徑范圍的測定

將篩底和所需的兩只標(biāo)準(zhǔn)篩（規(guī)格Φ0.850mm和Φ0.425mm）安裝在振篩機(jī)上，然后在Φ0.850mm標(biāo)準(zhǔn)篩上倒入50g（精確到0.001g）膠囊破膠劑，加蓋壓緊，振篩10min。稱量篩上和篩底的膠囊破膠劑的質(zhì)量m1，稱量兩只標(biāo)準(zhǔn)篩之間的膠囊破膠劑的質(zhì)量m2，粒徑范圍質(zhì)量分?jǐn)?shù)按式（1）計(jì)算。

式中：C為膠囊破膠劑粒徑范圍內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；m1為篩上和篩底的膠囊破膠劑質(zhì)量，g；m2為兩只篩之間的膠囊破膠劑質(zhì)量，g。

1.1標(biāo)準(zhǔn)篩

依據(jù)GB/T 6003.1-2012《試驗(yàn)篩技術(shù)要求和檢驗(yàn)第1部分金屬絲編織網(wǎng)試驗(yàn)篩》、GB/T 6003.2-2012《試驗(yàn)篩技術(shù)要求和檢驗(yàn)第2部分金屬穿孔板試驗(yàn)篩》、GB/T 6003.3-1999《電成型薄板試驗(yàn)篩》和JJF 1175-2007《試驗(yàn)篩校準(zhǔn)規(guī)范》［3-6］，在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中使用“標(biāo)準(zhǔn)篩”字樣，術(shù)語表述不準(zhǔn)確，在標(biāo)準(zhǔn)文字表述上，地方標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都應(yīng)與國家標(biāo)準(zhǔn)保持一致，因此，應(yīng)將“標(biāo)準(zhǔn)篩”改為“試驗(yàn)篩”。

1.2粒徑范圍質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算公式

由式（1）可知：計(jì)算公式中分母是用篩上、篩底和兩只篩之間的膠囊破膠劑質(zhì)量之和（以下簡稱累計(jì)質(zhì)量），而不是用稱取試樣的質(zhì)量（以下簡稱試樣質(zhì)量），并且標(biāo)準(zhǔn)中也未規(guī)定累計(jì)質(zhì)量與試樣質(zhì)量之間的最大允許誤差。這樣用累計(jì)質(zhì)量作為分母來計(jì)算膠囊破膠劑粒徑范圍，既不準(zhǔn)確，還會因試驗(yàn)人員細(xì)心程度的不同給試驗(yàn)結(jié)果引入人為誤差，致使試驗(yàn)結(jié)果偏大。為了盡量減小系統(tǒng)誤差，提出如下建議：一是在標(biāo)準(zhǔn)中宜規(guī)定累計(jì)質(zhì)量與試樣質(zhì)量的最大允許誤差；二是用試樣質(zhì)量作為式（1）的分母。

1.3粒徑范圍指標(biāo)

Q/SH 1025 0591-2009《壓裂用膠囊破膠劑技術(shù)條件》規(guī)定了壓裂用膠囊破膠劑粒徑范圍（0.425～0.850mm）不低于80%，然而檢驗(yàn)結(jié)果卻很難達(dá)到此技術(shù)指標(biāo)要求。

實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)以來，先后接受壓裂用膠囊破膠劑委托檢驗(yàn)25批次，從檢驗(yàn)結(jié)果可看出：僅有16.0%的壓裂用膠囊破膠劑試樣達(dá)到粒徑范圍指標(biāo)值，并且試樣在粒徑范圍內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為67.20%，未通過篩孔尺寸為0.850mm試驗(yàn)篩的試樣粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為30.79%，通過篩孔尺寸為0.425mm試驗(yàn)篩的試樣粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為2.01%。

分析認(rèn)為應(yīng)該從壓裂用膠囊破膠劑的生產(chǎn)工藝中去尋找，一般情況下囊芯尺寸為0.425～0.850mm，囊衣的最佳用量為20%～30%。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，用掃描電子顯微鏡觀察美國哈里巴頓公司膠囊破膠劑囊衣的厚度為0.022～0.036mm，國產(chǎn)NBA-101膠囊破膠劑囊衣的厚度為0.027～0.038mm［7］。分別以國產(chǎn)膠囊破膠劑囊衣厚度上限值（0.038mm）、下限值（0.027mm）和囊芯尺寸上限值（0.850mm）、下限值（0.425mm）進(jìn)行計(jì)算，囊芯經(jīng)過囊衣包裹后顆粒最大直徑大概為0.926mm，顆粒最小直徑大概為0.479mm。由此可以推斷出Q/SH 1025 0591-2009《壓裂用膠囊破膠劑技術(shù)條件》中粒徑范圍上限值（0.850mm）偏低，脫離了國內(nèi)壓裂用膠囊破膠劑產(chǎn)品的實(shí)際狀況。因此，建議適當(dāng)增加壓裂用膠囊破膠劑粒徑范圍的上限值。

2　釋放率的測定

壓裂用膠囊破膠劑釋放率是在規(guī)定條件下膠囊所釋放出的破膠劑質(zhì)量占膠囊所包裹破膠劑質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。目前，普遍認(rèn)為在低壓下以滲透釋放為主，在高壓下以擠壓釋放為主，同時也存在著滲透釋放，但高溫下滲透釋放明顯加劇，以滲透釋放為主。因此，壓力、溫度、浸泡時間、地層條件等因素都會影響膠囊破膠劑釋放率。由于室內(nèi)難以完全模擬現(xiàn)場施工過程中地層條件對膠囊破膠劑有效成分釋放率的影響，故在此不考慮地層條件的影響。

2.1有效含量

壓裂用膠囊破膠劑有效含量是指膠囊所包裹的破膠劑質(zhì)量占膠囊質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)［8］。它是考察膠囊破膠劑中有效成分含量是否充足的一個重要指標(biāo)。根據(jù)定義，膠囊破膠劑有效含量應(yīng)作為分母中的一項(xiàng)參與其釋放率的計(jì)算；否則，就會導(dǎo)致膠囊破膠劑釋放率計(jì)算結(jié)果偏離真實(shí)值。但是在Q/SH 1025 0591-2009中卻沒有關(guān)于“壓裂用膠囊破膠劑有效含量”這一技術(shù)指標(biāo)的要求，因此，建議標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充技術(shù)指標(biāo)“壓裂用膠囊破膠劑有效含量”的規(guī)定。

2.2試驗(yàn)條件

在Q/SH 1025 0591-2009中4.5僅規(guī)定試驗(yàn)壓力為30MPa，未對試驗(yàn)溫度和靜置浸泡時間做出規(guī)定?，F(xiàn)在從試驗(yàn)溫度和靜置浸泡時間兩個方面來考察對膠囊破膠劑釋放率的影響。

2.2.1試驗(yàn)溫度

取A、B、C、D 4個壓裂用膠囊破膠劑試樣，按照Q/SH 1025 0591-2009中4.5.4的規(guī)定，分別用50mL室溫條件下的蒸餾水制備過硫酸銨溶液，靜置浸泡30min，按照Q/SH 1025 0591-2009中4.5.5的規(guī)定，分別測定試樣的釋放率；然后將定容50mL蒸餾水的容量瓶放入70℃的水浴鍋中加熱恒溫，用此恒溫70℃蒸餾水制備過硫酸銨溶液，并在70℃水浴鍋中恒溫靜置浸泡30min，重復(fù)上述試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知，在試驗(yàn)壓力和靜置浸泡時間恒定的條件下，試驗(yàn)溫度對壓裂用膠囊破膠劑釋放率的影響明顯，釋放速率隨著溫度的升高而增快。因此，建議標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)規(guī)定測定壓裂用膠囊破膠劑釋放率的試驗(yàn)溫度。

表1　溫度對壓裂用膠囊破膠劑釋放率的影響

2.2.2靜置浸泡時間

取A、B、C、D 4個壓裂用膠囊破膠劑試樣，按照Q/SH 1025 0591-2009中4.5的規(guī)定，分別測定在室溫和70℃條件下、不同靜置浸泡時間時壓裂用膠囊破膠劑的釋放率，試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3。從表2和表3中可以看出，在試驗(yàn)壓力和試驗(yàn)溫度恒定的條件下，靜置浸泡時間對壓裂用膠囊破膠劑釋放率的影響明顯，膠囊破膠劑釋放率隨著靜置浸泡時間的延長而增加，而且同一試樣在相同的靜置浸泡時間條件下，70℃條件下膠囊破膠劑釋放率均明顯高于室溫條件下膠囊破膠劑釋放率。這也證明了壓裂用膠囊破膠劑滲透釋放機(jī)理是可靠的。因此，建議標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)規(guī)定測定壓裂用膠囊破膠劑釋放率時其在水中的靜置浸泡時間，以提高標(biāo)準(zhǔn)的可操作性，確保不同試驗(yàn)人員、不同實(shí)驗(yàn)室間對同一試樣的檢驗(yàn)結(jié)果具有可比性。

表2　在室溫（17℃）條件下靜置浸泡時間對釋放率的影響

表3　在70℃條件下靜置浸泡時間對釋放率的影響

2.3釋放率指標(biāo)值

Q/SH 1025 0591-2009《壓裂用膠囊破膠劑技術(shù)條件》規(guī)定了壓裂用膠囊破膠劑釋放率（30MPa）不低于60%。從數(shù)據(jù)可能看出，A、B、C、D 4個試樣在室溫和70℃條件下靜置浸泡120min時膠囊破膠劑釋放率均未達(dá)到此指標(biāo)值。因此，建議根據(jù)國內(nèi)產(chǎn)品實(shí)際狀況，合理確定壓裂用膠囊破膠劑釋放率的試驗(yàn)條件和技術(shù)指標(biāo)值。

3　黏度保持率的測定

壓裂用膠囊破膠劑黏度保持率是在一定試驗(yàn)條件下，加入一定量試樣的壓裂液剪切后的黏度值與未加試樣的壓裂液剪切后的黏度值之比值。它是室內(nèi)模擬考察壓裂施工過程中膠囊破膠劑對壓裂液流變性能和攜砂性能影響程度的一個重要技術(shù)指標(biāo)，對壓裂現(xiàn)場施工確定膠囊破膠劑的加量具有一定的指導(dǎo)意義。

3.1試驗(yàn)條件

影響壓裂用膠囊破膠劑黏度保持率的主要因素有試驗(yàn)溫度、膠囊破膠劑加量、剪切速率和剪切時間。在Q/SH 1025 0591-2009的4.6.2中規(guī)定剪切速率為170s-1，剪切時間為60min，能夠滿足壓裂施工要求，故現(xiàn)在僅考察試驗(yàn)溫度和膠囊破膠劑加量對其黏度保持率的影響程度。為此，選取表3中釋放率最快的試樣A和釋放率最慢的試樣B作為黏度保持率評價對象。

3.1.1試驗(yàn)溫度

在Q/SH 1025 0591-2009中4.6.2規(guī)定試驗(yàn)溫度為60℃；在Q/SH 1025 0591-2009第01號修正單中規(guī)定試驗(yàn)溫度為70℃。因而選擇在常壓、膠囊破膠劑加量為0.01%、試驗(yàn)溫度分別為60℃和70℃的條件下，用RT20流變儀測定膠囊破膠劑黏度保持率，試驗(yàn)結(jié)果見圖1和圖2。經(jīng)計(jì)算，在試驗(yàn)溫度分別為60℃和70℃條件下，試樣A黏度保持率分別為92.4%和67.9%，試樣B黏度保持率分別99.6%和99.1%。由此證明，在壓力和膠囊破膠劑加量一定的條件下，試驗(yàn)溫度對壓裂用膠囊破膠劑黏度保持率的影響顯著，而且試驗(yàn)溫度對釋放速率快的試樣A的影響明顯高于釋放速率慢的試樣B。

圖1　60℃下壓裂液流變曲線

圖2　70℃下壓裂液流變曲線

3.1.2壓裂用膠囊破膠劑加量

在Q/SH 1025 0591-2009中4.6.2規(guī)定膠囊破膠劑加量為0.1g（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%）；在Q/SH 10250591-2009第02號修正單中規(guī)定膠囊破膠劑加量為0.01g（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%）。因而選擇在常壓、試驗(yàn)溫度分別為60℃和70℃膠囊破膠劑加量分別為0.1%和0.01%條件下，用RT20流變儀測定壓裂液的流變曲線，以考察膠囊破膠劑加量對壓裂液流變性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖3～圖6。由圖3～圖6可知，在不同的試驗(yàn)溫度條件下，膠囊破膠劑加量對壓裂液流變性都有較大影響；試驗(yàn)溫度越高，膠囊破膠劑加量對壓裂液流變性的影響越顯著；在相同溫度條件下，釋放速率快的膠囊破膠劑試樣A其加量對壓裂液流變性的影響明顯高于釋放速率慢的膠囊破膠劑試樣B。在試驗(yàn)溫度為70℃、膠囊破膠劑試樣A加量為0.1%的條件下，剪切時間為27min時壓裂液的表觀黏度就低于100mPa·s，剪切時間為60min時壓裂液的表觀黏度在11mPa·s左右，這樣就無法滿足壓裂施工的要求。

圖3　60℃下試樣A不同加量對壓裂液流變性能的影響

圖4　60℃下試樣B不同加量對壓裂液流變性能的影響

圖5　70℃下試樣A不同加量對壓裂液流變性能的影響

圖6　70℃下試樣B不同加量對壓裂液流變性能的影響

3.2黏度保持率指標(biāo)

Q/SH 1025 0591-2009《壓裂用膠囊破膠劑技術(shù)條件》第01號修正單和第02號修正單規(guī)定，壓裂用膠囊破膠劑黏度保持率（70℃，1h，膠囊破膠劑加量為0.01%）不低于70%。

由圖2可知，試樣A的黏度保持率為67.9%，未達(dá)到此技術(shù)指標(biāo)要求。選取的評價試樣A是釋放率較快的，經(jīng)多次試驗(yàn)表明，釋放率較慢的試樣B能夠達(dá)到黏度保持率指標(biāo)，但是試樣B的釋放率又不能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)。由于膠囊破膠劑的黏度保持率和釋放率是一對矛盾的技術(shù)指標(biāo)，即在壓裂施工過程中加入膠囊破膠劑后，既要保持壓裂液的高黏度，不能影響壓裂液的流變性和攜砂性能，又要實(shí)現(xiàn)壓裂施工結(jié)束后使壓裂液徹底破膠水化，易于返排，以減少對地層的傷害。因此，壓裂用膠囊破膠劑釋放率和黏度保持率這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的權(quán)衡尤為重要，需要通過大量的試驗(yàn)來確定。

4　建議

1）建議由Q/SH 1025 0591-2009《壓裂用膠囊破膠劑技術(shù)條件》起草單位對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂。

2）建議標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)的術(shù)語應(yīng)與國家標(biāo)準(zhǔn)保持一致。

3）建議修改壓裂用膠囊破膠劑粒徑范圍計(jì)算公式，適當(dāng)調(diào)整壓裂用膠囊破膠劑粒徑范圍上限值，確定合理的粒徑范圍指標(biāo)。

4）建議增加對壓裂用膠囊破膠劑有效含量的技術(shù)要求，試驗(yàn)方法按照SY/T 6380-2008中7.2的規(guī)定，技術(shù)指標(biāo)值需要通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定。

5）建議合理確定壓裂用膠囊破膠劑釋放率和黏度保持率這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，并補(bǔ)充和完善試驗(yàn)條件，提高標(biāo)準(zhǔn)的可操作性。

6）經(jīng)修訂的粒徑范圍、釋放率、黏度保持率三項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)值，至少能保證有60%以上的壓裂用膠囊破膠劑產(chǎn)品達(dá)到要求。

7）建議標(biāo)準(zhǔn)主管部門對油田企業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)定期進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行和實(shí)施情況調(diào)查，收集標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施中存在的問題，并及時組織標(biāo)準(zhǔn)起草單位對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，不斷提升標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量和技術(shù)水平，真正發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)的價值。

［1］付偉.中國石化標(biāo)準(zhǔn)化工作手冊［M］.北京：中國石化出版社，2014.

［2］中原石油勘探局石油化工油田化學(xué)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會.壓裂用膠囊破膠劑技術(shù)條件：Q/SH 1025 0591-2009［S］.河南：中原石油勘探局，2009.

［3］全國顆粒表征與分檢及篩網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.試驗(yàn)篩技術(shù)要求和檢驗(yàn)第1部分金屬絲編織網(wǎng)試驗(yàn)篩：GB/T 6003.1-2012［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［4］全國顆粒表征與分檢及篩網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.試驗(yàn)篩技術(shù)要求和檢驗(yàn)第2部分金屬穿孔板試驗(yàn)篩：GB/T 6003.2-2012［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

［5］全國篩網(wǎng)篩分標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電成型薄板試驗(yàn)篩：GB/T 6003.3-1999［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

［6］全國幾何量工程參量計(jì)量技術(shù)委員會.試驗(yàn)篩校準(zhǔn)規(guī)范：JJF 1175-2007［S］.北京：中國計(jì)量出版社，2007.

［7］楊振周.膠囊破膠劑的生產(chǎn)工藝及釋放機(jī)理［J］.鉆井液與完井液，1999，16（1）：35-38.

［8］采油采氣專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.壓裂用破膠劑性能試驗(yàn)方法：SY/T 6380-2008［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

The technical requirements，test methods，inspection rules，marking，packaging，quality check list and product specifications of thecapsulegelbreakerforfracturingarepresentedin“TheTechnicalConditionsofCapsuleGelBreakerforFracturing”（Q/SH10250591—2009）.Since the implementation of the standard in Zhongyuan Oilfield in 2010，it is found that the capsule gel breaker products can not meet all the technical requirements in the standard，and the cause is urgently needed.The shortages in the particle size range，release rate and viscosity retention rate of capsule gel breaker products are discussed from five aspects of terminologies，calculation formula，test methods，test conditions and technical indexes.It is held that the effective content of the capsule gel breaker products should be added to technical indexes，and it is suggested that the standard management department should organize the revision of the standard in time.

capsule gel breaker for fracturing；enterprise standard；technical requirement；test method

李荊（1973-），女，高級工程師，主要從事壓裂酸化作業(yè)與科研工作。

本文編輯：左學(xué)敏2016-02-26