ISO 13503-22024 石油和天然氣工業 包括低碳能源 完井液和材料 第2部分水力壓裂和礫石充填作業中使用的支撐劑性能的測量標準立項發展報告

標題：石油和天然氣工業包括低碳能源完井液和材料第2部分：水力壓裂和礫石充填作業中使用的支撐劑性能的測量標準立項發展報告EnglishTitle:StandardizationDevelopmentReport:Oilandgasindustriesincludinglowercarbonenergy—Completionfluidsandmaterials—Part2:Measurementofpropertiesofproppantsusedinhydraulicfracturingandgravel-packingoperations摘要在全球能源轉型與低碳化發展的大背景下，石油和天然氣行業正面臨效率提升、環境友好與資源高效開發的多重挑戰。水力壓裂和礫石充填技術作為非常規油氣資源開發的關鍵手段，其核心材料——支撐劑的質量與性能直接決定了壓裂改造效果和井筒長期穩定性。本報告圍繞國際標準ISO13503-2:2024《石油和天然氣工業包括低碳能源完井液和材料第2部分:水力壓裂和礫石充填作業中使用的支撐劑性能的測量》的更新與發展，進行了系統性的梳理與分析。報告首先闡述了該標準修訂的背景，即原標準ISO13503-2:2006已不能完全滿足當前復雜地質條件下對支撐劑性能測定的精準性、重復性和可對比性要求。隨后，報告全面介紹了新版標準的核心技術內容，包括支撐劑粒徑分布、圓度球度、濁度、酸溶解度、抗壓強度及導流能力等關鍵性能指標的標準化測試方法更新。報告特別強調，新標準納入了對低碳能源場景（如地熱、CCS等）的適應性考量，體現了國際標準化工作的前瞻性。最后，報告對標準的主要參與單位及未來發展方向進行了深度剖析與展望，旨在為我國相關領域的科研、生產及標準化工作者提供有價值的參考，推動國內支撐劑測試技術標準與國際接軌，支撐能源行業的綠色、高效發展。關鍵詞：石油和天然氣工業；完井液；支撐劑；水力壓裂；礫石充填；性能測量；國際標準；低碳能源Keywords:Oilandgasindustries;Completionfluids;Proppant;Hydraulicfracturing;Gravel-packing;Performancemeasurement;Internationalstandard;Lowercarbonenergy正文1.引言與標準修訂背景水力壓裂技術與礫石充填技術是現代石油和天然氣工業，尤其是非常規油氣（如頁巖氣、致密油）開發中不可或缺的增產措施。而支撐劑，作為注入地層以支撐裂縫、防止其閉合，從而形成高導流能力通道的關鍵材料，其性能優劣直接影響壓裂作業的成敗與油氣井的長期產能。因此，建立一套統一、科學、可重復的支撐劑性能測量標準，對于行業內的技術交流、產品驗收、質量控制和開發方案優化具有至關重要的基礎性作用。ISO13503-2:2006《石油和天然氣工業完井液和材料第2部分:水力壓裂和礫石充填作業中使用的支撐劑性能的測量》自發布以來，一直是全球范圍內支撐劑測試的權威性指導文件。然而，隨著油氣勘探開發向更深、更復雜地層（如高溫高壓、低滲透、強應力敏感性地層）挺進，以及對作業效果評估要求的日益精細化，原標準中的一些測試方法暴露出局限性。例如，針對超低密度或高抗壓強度支撐劑的測試適應性不足，對導流能力測試的長期性、動態性考慮欠缺，以及在測試環境與實際儲層條件（如溫度、壓力、流體性質）的匹配度上存在差異。同時，全球能源結構正在發生深刻變革，低碳能源成為發展主流。國際標準化組織石油、石化和天然氣工業用設備材料與海上結構技術委員會（ISO/TC67）敏銳地捕捉到這一趨勢，在原標準的基礎上，將“包括低碳能源”正式納入標準名稱與范圍。這標志著該標準的適用范圍從傳統的石油天然氣領域，拓展至地熱資源開發、碳捕集與封存（CCS）等新興低碳能源領域，體現了其對行業未來發展的戰略前瞻。在此背景下，ISO/TC67組織對ISO13503-2進行了系統性修訂，最終于2024年12月發布了ISO13503-2:2024版本，以取代2006年版。2.標準核心技術內容與修訂要點ISO13503-2:2024標準延續了原標準的框架，但其技術內容更加嚴謹、科學、全面。該標準為支撐劑的實驗室性能測量提供了詳細的程序、設備要求和計算準則。新版標準的核心技術內容與主要修訂要點如下：*適用范圍與規范性引用文件的更新：新版標準明確將適用范圍從“石油和天然氣工業”擴展至“石油和天然氣工業包括低碳能源”，這不僅是名稱上的變化，更在后續測試方法中融入了對地熱儲層高鹽度、高溫流體環境，以及CCS中CO2-水-巖石相互作用環境的考量。同時，更新了所有相關的規范性引用文件，確保測試所用參考標準均為最新技術版本。*粒徑分布測試：這是支撐劑最基本也是最重要的性能。新版標準進一步規范了篩析法的操作細節，明確了根據不同粒徑規格選擇標準篩組的要求，增加了對機械振篩機振幅、頻率等參數的限定，以減少人為因素導致的誤差。同時，引入更現代的圖像分析技術作為可選或輔助方法，為粒徑、圓度、球度的綜合判定提供了新的技術路徑。*圓度與球度：作為衡量支撐劑顆粒形態的關鍵指標，其直接影響裂縫內的堆積密度和孔隙結構，進而影響導流能力。新標準對傳統的圓度-球度對比圖進行了數字化和精細化處理，提供了更清晰、更易于判定的參考圖譜。同時，明確了使用顯微鏡、體視鏡或自動圖像分析設備（如Camsizer）的測試流程，提高了測試結果的客觀性。*濁度與酸溶解度：濁度反映支撐劑攜帶的細粉雜質含量，而酸溶解度測定了支撐劑在酸性環境（如某些壓裂液含有酸性成分）下的化學穩定性。新標準對測試用水的純度（如去離子水電導率）、攪拌速率、靜置時間等實驗條件進行了更嚴格的統一規定，確保了不同實驗室之間結果的可比性。酸溶解度測試中，明確了使用的酸液類型、濃度及反應時間，增強了方法的普適性與安全性。*抗壓強度：抗壓強度是支撐劑抵抗地層閉合壓力的能力。新標準在原有單粒抗壓強度測試方法上進行了重要補充，引入了“破碎率”或“抗壓強度曲線”的概念，通過測試一定量支撐劑在一定壓力下的破碎比例來更全面地評估其性能表現。這一改變更貼近實際儲層中支撐劑在閉合應力作用下的集體失效模式，比單純測試單粒顆粒的破碎力更具工程指導意義。*導流能力測試：這是評估支撐劑填充層流體通過能力的核心測試，也是標準中最復雜、最關鍵的測試項。新標準對導流室的設計、密封方式、流道尺寸等提出了更嚴格的要求，以消除邊緣效應的影響。在測試程序上，新標準明確要求施加多級閉合應力（模擬地層壓力變化），并測量不同應力水平下的滲透率和導流能力。此外，增加了長期導流能力測試（如進行100小時以上的連續流動測試）的規范性附錄，用于模擬支撐劑在儲層中長期服役性能的衰減情況。針對低碳能源應用場景，標準增加了在模擬地熱流體（如鹽水、二氧化硫）或CO2飽和條件下的導流能力測試指南，評估支撐劑在地化環境下的穩定性與長期導流能力。3.標準主要參與單位與組織ISO13503-2:2024標準的修訂工作主要由國際標準化組織下屬的石油、石化和天然氣工業用設備材料與海上結構技術委員會（ISO/TC67）負責，其秘書處由美國國家標準學會（ANSI）承擔。具體的技術工作則由ISO/TC67/SC4“鉆井、完井和修井液及水泥漿”分技術委員會主導。該分技術委員會匯集了來自全球的行業巨頭、專業服務公司、科研機構、實驗室及國家標準化機構。其中，美國石油學會（API）作為全球油氣行業最具影響力的行業協會之一，在該標準的修訂中發揮了核心推動作用。API不僅主導了ISO標準中多個與材料、設備性能相關標準的制定，其自身制定的APIRP19C（支撐劑性能測試推薦做法）更是ISO13503-2:2006的基本藍本。在此次修訂中，API將其多年來在支撐劑測試領域的實踐經驗、實驗室比對結果以及最新的技術研究成果，毫無保留地貢獻給了ISO標準修訂工作組。具體而言，參與本項標準修訂的知名單位包括但不限于：*行業巨頭：如埃克森美孚（ExxonMobil）、殼牌（Shell）、雪佛龍（Chevron）、英國石油（BP）等，它們作為最終用戶，對標準的實用性、可靠性以及在不同區域、不同儲層條件下的適用性提出了最具價值的反饋。*技術服務公司：如斯倫貝謝（Schlumberger）、哈里伯頓（Halliburton）、貝克休斯（BakerHughes）等，它們是支撐劑測試服務的主要提供者，其遍布全球的實驗室網絡積累了海量數據，為測試方法的改進提供了堅實的實驗依據。例如，斯倫貝謝的DSI（Drilling&Measurements）部門在導流能力測試設備的設計優化方面提供了關鍵技術方案。*專業實驗室與咨詢公司：如位于美國的Stim-Lab、ProppantLaboratories等，作為第三方測試機構，它們專注于支撐劑性能測試技術本身，在標準起草過程中提供了極其專業、細致的意見，尤其在對測試方法的精準性、重復性驗證上發揮了不可替代的作用。以美國石油學會（API）為例進行詳細介紹：API是美國工業主要的石油和天然氣行業協會，成立于1919年，負責石油和天然氣行業多項關鍵標準的制定和維護，其標準在全球范圍內被廣泛采用。API旗下的勘探開發委員會（APIExploration&ProductionCommittee）下屬的完井與修井分委員會中，設有專門的支撐劑測試工作組。該工作組匯集了來自油氣公司、服務公司、設備制造商和獨立實驗室的頂尖專家。在ISO13503-2:2024的修訂過程中，API工作組率先完成了對新版APIRP19C的修訂，并將其中的關鍵技術內容（如導流能力測試的應力控制程序、長期導流能力測試方法、基于圖像分析的圓度球度判定等）通過ISO/TC67的投票程序，成功融入ISO標準。API提供的實驗室間比對（roundrobintest）數據，是驗證新版標準中測試方法可重復性和再現性的關鍵證據。可以說，沒有API的先期研究與標準修訂工作，新版ISO13503-2的順利出臺將面臨巨大挑戰。4.結論與展望ISO13503-2:2024的發布，是國際標準化組織在石油天然氣及低碳能源領域標準化工作的一次重要里程碑。它不僅是技術規范的簡單更新，更是對全球非常規油氣資源高效開發、地熱資源可持續利用以及碳封存技術安全實施的關鍵技術支持。該標準通過更為科學、嚴謹、全面的測試方法，有效提升了支撐劑性能測量的準確性、可重復性和可比性，這對于優化壓裂設計、選擇合適支撐劑、降低作業成本、提高油氣采收率，以及保障低碳能源項目的工程安全和長期運行效率具有不可替代的指導意義。展望未來，支撐劑性能標準的發展將呈現以下趨勢：1.向智能化、數字化發展：隨著機器視覺、人工智能和數據建模技術的飛速發展，未來的標準極有可能更多地接納和規范自動化測試系統。例如，利用人工智能自動識別與分析支撐劑顆粒的形態、粒徑與圓球度，利用數字孿生技術模擬支撐劑在真實儲層應力、溫度、流體作用下的長期導流性能演變，從而減少對大量重復性物理試驗的依賴。2.向更貼近實際工況的測試環境演進：目前的實驗室測試多采用單一或簡化條件，未來標準將推動建立更加“全再現”的測試環境。例如，在導流能力測試中綜合模擬應力、溫度、流體（包括壓裂液、地層水、CO2、H2S）和時間四維動態耦合作用下支撐劑的性能表現，特別是對于CCS場景中支撐劑與酸性流體長期反應及力學性能退化的精細化評估。3.納米與新材料的應用標準：隨著新型材料科學的發展，諸如納米涂層支撐劑、超低密度支撐劑、自支撐型支撐劑等新產品的出現，將對現有測試方法提出挑戰。未來標準將可能需要針對這些新材料的特殊理化性質，開發專門的驗證程序和測試標準，以確保其性能被準確、公正地評估。4.全球協調一致性的加強：雖然ISO標準已具備全球權威性，但各國（如中國的APIQ1認證、ISO/TS290