ISO 13503-22024 石油和天然气工业 包括低碳能源 完井液和材料 第2部分水力压裂和砾石充填作业中使用的支撑剂性能的测量标准立项发展报告

标题：石油和天然气工业包括低碳能源完井液和材料第2部分：水力压裂和砾石充填作业中使用的支撑剂性能的测量标准立项发展报告EnglishTitle:StandardizationDevelopmentReport:Oilandgasindustriesincludinglowercarbonenergy—Completionfluidsandmaterials—Part2:Measurementofpropertiesofproppantsusedinhydraulicfracturingandgravel-packingoperations摘要在全球能源转型与低碳化发展的大背景下，石油和天然气行业正面临效率提升、环境友好与资源高效开发的多重挑战。水力压裂和砾石充填技术作为非常规油气资源开发的关键手段，其核心材料——支撑剂的质量与性能直接决定了压裂改造效果和井筒长期稳定性。本报告围绕国际标准ISO13503-2:2024《石油和天然气工业包括低碳能源完井液和材料第2部分:水力压裂和砾石充填作业中使用的支撑剂性能的测量》的更新与发展，进行了系统性的梳理与分析。报告首先阐述了该标准修订的背景，即原标准ISO13503-2:2006已不能完全满足当前复杂地质条件下对支撑剂性能测定的精准性、重复性和可对比性要求。随后，报告全面介绍了新版标准的核心技术内容，包括支撑剂粒径分布、圆度球度、浊度、酸溶解度、抗压强度及导流能力等关键性能指标的标准化测试方法更新。报告特别强调，新标准纳入了对低碳能源场景（如地热、CCS等）的适应性考量，体现了国际标准化工作的前瞻性。最后，报告对标准的主要参与单位及未来发展方向进行了深度剖析与展望，旨在为我国相关领域的科研、生产及标准化工作者提供有价值的参考，推动国内支撑剂测试技术标准与国际接轨，支撑能源行业的绿色、高效发展。关键词：石油和天然气工业；完井液；支撑剂；水力压裂；砾石充填；性能测量；国际标准；低碳能源Keywords:Oilandgasindustries;Completionfluids;Proppant;Hydraulicfracturing;Gravel-packing;Performancemeasurement;Internationalstandard;Lowercarbonenergy正文1.引言与标准修订背景水力压裂技术与砾石充填技术是现代石油和天然气工业，尤其是非常规油气（如页岩气、致密油）开发中不可或缺的增产措施。而支撑剂，作为注入地层以支撑裂缝、防止其闭合，从而形成高导流能力通道的关键材料，其性能优劣直接影响压裂作业的成败与油气井的长期产能。因此，建立一套统一、科学、可重复的支撑剂性能测量标准，对于行业内的技术交流、产品验收、质量控制和开发方案优化具有至关重要的基础性作用。ISO13503-2:2006《石油和天然气工业完井液和材料第2部分:水力压裂和砾石充填作业中使用的支撑剂性能的测量》自发布以来，一直是全球范围内支撑剂测试的权威性指导文件。然而，随着油气勘探开发向更深、更复杂地层（如高温高压、低渗透、强应力敏感性地层）挺进，以及对作业效果评估要求的日益精细化，原标准中的一些测试方法暴露出局限性。例如，针对超低密度或高抗压强度支撑剂的测试适应性不足，对导流能力测试的长期性、动态性考虑欠缺，以及在测试环境与实际储层条件（如温度、压力、流体性质）的匹配度上存在差异。同时，全球能源结构正在发生深刻变革，低碳能源成为发展主流。国际标准化组织石油、石化和天然气工业用设备材料与海上结构技术委员会（ISO/TC67）敏锐地捕捉到这一趋势，在原标准的基础上，将“包括低碳能源”正式纳入标准名称与范围。这标志着该标准的适用范围从传统的石油天然气领域，拓展至地热资源开发、碳捕集与封存（CCS）等新兴低碳能源领域，体现了其对行业未来发展的战略前瞻。在此背景下，ISO/TC67组织对ISO13503-2进行了系统性修订，最终于2024年12月发布了ISO13503-2:2024版本，以取代2006年版。2.标准核心技术内容与修订要点ISO13503-2:2024标准延续了原标准的框架，但其技术内容更加严谨、科学、全面。该标准为支撑剂的实验室性能测量提供了详细的程序、设备要求和计算准则。新版标准的核心技术内容与主要修订要点如下：*适用范围与规范性引用文件的更新：新版标准明确将适用范围从“石油和天然气工业”扩展至“石油和天然气工业包括低碳能源”，这不仅是名称上的变化，更在后续测试方法中融入了对地热储层高盐度、高温流体环境，以及CCS中CO2-水-岩石相互作用环境的考量。同时，更新了所有相关的规范性引用文件，确保测试所用参考标准均为最新技术版本。*粒径分布测试：这是支撑剂最基本也是最重要的性能。新版标准进一步规范了筛析法的操作细节，明确了根据不同粒径规格选择标准筛组的要求，增加了对机械振筛机振幅、频率等参数的限定，以减少人为因素导致的误差。同时，引入更现代的图像分析技术作为可选或辅助方法，为粒径、圆度、球度的综合判定提供了新的技术路径。*圆度与球度：作为衡量支撑剂颗粒形态的关键指标，其直接影响裂缝内的堆积密度和孔隙结构，进而影响导流能力。新标准对传统的圆度-球度对比图进行了数字化和精细化处理，提供了更清晰、更易于判定的参考图谱。同时，明确了使用显微镜、体视镜或自动图像分析设备（如Camsizer）的测试流程，提高了测试结果的客观性。*浊度与酸溶解度：浊度反映支撑剂携带的细粉杂质含量，而酸溶解度测定了支撑剂在酸性环境（如某些压裂液含有酸性成分）下的化学稳定性。新标准对测试用水的纯度（如去离子水电导率）、搅拌速率、静置时间等实验条件进行了更严格的统一规定，确保了不同实验室之间结果的可比性。酸溶解度测试中，明确了使用的酸液类型、浓度及反应时间，增强了方法的普适性与安全性。*抗压强度：抗压强度是支撑剂抵抗地层闭合压力的能力。新标准在原有单粒抗压强度测试方法上进行了重要补充，引入了“破碎率”或“抗压强度曲线”的概念，通过测试一定量支撑剂在一定压力下的破碎比例来更全面地评估其性能表现。这一改变更贴近实际储层中支撑剂在闭合应力作用下的集体失效模式，比单纯测试单粒颗粒的破碎力更具工程指导意义。*导流能力测试：这是评估支撑剂填充层流体通过能力的核心测试，也是标准中最复杂、最关键的测试项。新标准对导流室的设计、密封方式、流道尺寸等提出了更严格的要求，以消除边缘效应的影响。在测试程序上，新标准明确要求施加多级闭合应力（模拟地层压力变化），并测量不同应力水平下的渗透率和导流能力。此外，增加了长期导流能力测试（如进行100小时以上的连续流动测试）的规范性附录，用于模拟支撑剂在储层中长期服役性能的衰减情况。针对低碳能源应用场景，标准增加了在模拟地热流体（如盐水、二氧化硫）或CO2饱和条件下的导流能力测试指南，评估支撑剂在地化环境下的稳定性与长期导流能力。3.标准主要参与单位与组织ISO13503-2:2024标准的修订工作主要由国际标准化组织下属的石油、石化和天然气工业用设备材料与海上结构技术委员会（ISO/TC67）负责，其秘书处由美国国家标准学会（ANSI）承担。具体的技术工作则由ISO/TC67/SC4“钻井、完井和修井液及水泥浆”分技术委员会主导。该分技术委员会汇集了来自全球的行业巨头、专业服务公司、科研机构、实验室及国家标准化机构。其中，美国石油学会（API）作为全球油气行业最具影响力的行业协会之一，在该标准的修订中发挥了核心推动作用。API不仅主导了ISO标准中多个与材料、设备性能相关标准的制定，其自身制定的APIRP19C（支撑剂性能测试推荐做法）更是ISO13503-2:2006的基本蓝本。在此次修订中，API将其多年来在支撑剂测试领域的实践经验、实验室比对结果以及最新的技术研究成果，毫无保留地贡献给了ISO标准修订工作组。具体而言，参与本项标准修订的知名单位包括但不限于：*行业巨头：如埃克森美孚（ExxonMobil）、壳牌（Shell）、雪佛龙（Chevron）、英国石油（BP）等，它们作为最终用户，对标准的实用性、可靠性以及在不同区域、不同储层条件下的适用性提出了最具价值的反馈。*技术服务公司：如斯伦贝谢（Schlumberger）、哈里伯顿（Halliburton）、贝克休斯（BakerHughes）等，它们是支撑剂测试服务的主要提供者，其遍布全球的实验室网络积累了海量数据，为测试方法的改进提供了坚实的实验依据。例如，斯伦贝谢的DSI（Drilling&Measurements）部门在导流能力测试设备的设计优化方面提供了关键技术方案。*专业实验室与咨询公司：如位于美国的Stim-Lab、ProppantLaboratories等，作为第三方测试机构，它们专注于支撑剂性能测试技术本身，在标准起草过程中提供了极其专业、细致的意见，尤其在对测试方法的精准性、重复性验证上发挥了不可替代的作用。以美国石油学会（API）为例进行详细介绍：API是美国工业主要的石油和天然气行业协会，成立于1919年，负责石油和天然气行业多项关键标准的制定和维护，其标准在全球范围内被广泛采用。API旗下的勘探开发委员会（APIExploration&ProductionCommittee）下属的完井与修井分委员会中，设有专门的支撑剂测试工作组。该工作组汇集了来自油气公司、服务公司、设备制造商和独立实验室的顶尖专家。在ISO13503-2:2024的修订过程中，API工作组率先完成了对新版APIRP19C的修订，并将其中的关键技术内容（如导流能力测试的应力控制程序、长期导流能力测试方法、基于图像分析的圆度球度判定等）通过ISO/TC67的投票程序，成功融入ISO标准。API提供的实验室间比对（roundrobintest）数据，是验证新版标准中测试方法可重复性和再现性的关键证据。可以说，没有API的先期研究与标准修订工作，新版ISO13503-2的顺利出台将面临巨大挑战。4.结论与展望ISO13503-2:2024的发布，是国际标准化组织在石油天然气及低碳能源领域标准化工作的一次重要里程碑。它不仅是技术规范的简单更新，更是对全球非常规油气资源高效开发、地热资源可持续利用以及碳封存技术安全实施的关键技术支持。该标准通过更为科学、严谨、全面的测试方法，有效提升了支撑剂性能测量的准确性、可重复性和可比性，这对于优化压裂设计、选择合适支撑剂、降低作业成本、提高油气采收率，以及保障低碳能源项目的工程安全和长期运行效率具有不可替代的指导意义。展望未来，支撑剂性能标准的发展将呈现以下趋势：1.向智能化、数字化发展：随着机器视觉、人工智能和数据建模技术的飞速发展，未来的标准极有可能更多地接纳和规范自动化测试系统。例如，利用人工智能自动识别与分析支撑剂颗粒的形态、粒径与圆球度，利用数字孪生技术模拟支撑剂在真实储层应力、温度、流体作用下的长期导流性能演变，从而减少对大量重复性物理试验的依赖。2.向更贴近实际工况的测试环境演进：目前的实验室测试多采用单一或简化条件，未来标准将推动建立更加“全再现”的测试环境。例如，在导流能力测试中综合模拟应力、温度、流体（包括压裂液、地层水、CO2、H2S）和时间四维动态耦合作用下支撑剂的性能表现，特别是对于CCS场景中支撑剂与酸性流体长期反应及力学性能退化的精细化评估。3.纳米与新材料的应用标准：随着新型材料科学的发展，诸如纳米涂层支撑剂、超低密度支撑剂、自支撑型支撑剂等新产品的出现，将对现有测试方法提出挑战。未来标准将可能需要针对这些新材料的特殊理化性质，开发专门的验证程序和测试标准，以确保其性能被准确、公正地评估。4.全球协调一致性的加强：虽然ISO标准已具备全球权威性，但各国（如中国的APIQ1认证、ISO/TS290