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

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StandardizationDevelopmentReport:OilandGasIndustriesIncludingLowerCarbonEnergy—CompletionFluidsandMaterials—Part2:MeasurementofPropertiesofProppantsUsedinHydraulicFracturingandGravel-PackingOperations摘要随着全球油气资源开发向深层、超深层及非常规领域持续推进，水力压裂和砾石充填技术作为提升油气井产能的关键手段，其核心材料——支撑剂的性能评价与质量控制日益受到行业高度重视。支撑剂的质量直接关系到压裂改造效果、油气井长期稳产能力以及作业安全。为进一步规范全球范围内支撑剂性能测试方法与技术要求，国际标准化组织（ISO）发布了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》。该标准作为ISO13503系列标准的重要组成部分，系统规定了支撑剂的粒径分布、圆度球度、酸溶解度、浊度、密度、抗压强度等关键性能指标的测试方法与评价要求，为油气行业支撑剂产品的质量评价、贸易验收及现场应用提供了统一的技术依据。本报告就该标准的立项背景、编制历程、主要技术内容、关键变化及行业应用价值进行全面阐述，并介绍了标准参与单位中国石油集团石油管工程技术研究院有限公司的相关工作情况，以期为行业同仁提供参考。关键词：支撑剂；水力压裂；砾石充填；完井液；ISO13503-2；标准化；性能测试Keywords:Proppants;HydraulicFracturing;GravelPacking;CompletionFluids;ISO13503-2;Standardization;PerformanceTesting1引言1.1标准立项背景水力压裂技术作为油气井增产改造的核心手段，自1947年首次商业化应用以来，已走过七十余年的发展历程。特别是近二十年来，以页岩油气为代表的非常规油气资源的大规模开发，使得水力压裂技术的应用规模和技术复杂度均达到了前所未有的水平。在水力压裂作业中，支撑剂的作用至关重要——它被泵入地层裂缝后，依靠自身的力学强度支撑裂缝面，防止裂缝在关井后重新闭合，从而在地层中形成高导流能力的渗流通道。砾石充填技术则是油气井防砂完井的主流方法，通过在地层与井筒之间充填砾石（即支撑剂），形成物理挡砂屏障，保障油气井长期稳定生产。无论是水力压裂还是砾石充填作业，支撑剂的性能优劣都直接决定了增产改造和防砂作业的成效。性能优良的支撑剂应具备以下基本特征：足够的抗压强度以抵抗地层闭合压力、良好的圆度与球度以保证裂缝导流能力、较低的酸溶解度以抵抗地层流体侵蚀、合理的粒径分布以匹配地层裂缝宽度等。因此，建立一套科学、统一、国际公认的支撑剂性能测试与评价标准，对于保障作业质量、促进国际贸易、推动技术进步具有重要的现实意义。1.2国际标准化背景ISO13503系列标准是国际标准化组织下设的石油和天然气工业标准化技术委员会（ISO/TC67）负责制定的完井液和材料领域核心标准体系。该系列标准旨在为油气井完井作业中使用的各类材料（包括完井液、支撑剂、桥塞等）提供统一的性能测试方法和质量控制要求，从而促进全球范围内油气作业材料的技术互认和贸易流通。ISO13503-2作为该系列中专门针对支撑剂性能测试的标准，其前身可追溯至美国石油学会（API）的APIRP56、APIRP58等推荐做法。这些API标准在全球油气行业中被广泛采用，但随着技术的不断进步和应用的持续拓展，原有标准在适用范围、测试方法精度和先进测试技术引入等方面已难以完全满足行业发展需求。在此背景下，国际标准化组织基于API相关标准，结合全球范围内最新的技术研究成果和工程实践经验，制定并持续修订ISO13503-2标准，为支撑剂性能测试提供更为完善和权威的国际技术规范。值得一提的是，本次发布的ISO13503-2:2024版本在标准名称中特别加入了“包括低碳能源”（includinglowercarbonenergy）的表述，这一变化与ISO/TC67近年来致力于扩大标准适用范围、将地热、碳封存等低碳能源领域纳入标准体系的战略方向相一致，体现了国际标准紧跟能源转型趋势的前瞻性和适应性。2标准编制历程2.1第一版标准的制定（ISO13503-2:2006）ISO13503-2的第一版于2006年发布，标准名称为《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》。该版本主要基于APIRP56（用于水力压裂作业的砂支撑剂推荐的测试方法）和APIRP58（用于水力压裂和砾石充填作业的砂支撑剂测试的推荐做法）等标准文件进行编制，系统整合了支撑剂性能测试的核心项目，包括粒径分布、圆度与球度、酸溶解度、浊度、密度和抗压强度等。该标准的发布为全球支撑剂性能测试提供了第一个真正意义上的国际通用技术规范。2.2第一次修订（ISO13503-2:2009/Amd1:2010）随着行业实践经验的积累和技术认知的深化，ISO/TC67于2009年至2010年间对ISO13503-2进行了第一次修订。此次修订主要针对标准中若干技术细节进行了优化和完善，包括测试条件的具体化、样品制备流程的规范化和数据处理方法的精确化，同时更正了第一版中个别表述不够清晰或易于产生歧义的条款。修订后的标准进一步增强了可操作性和测试结果的重复性。2.3第二次修订（ISO13503-2:2024）近年来，随着深井、超深井和非常规油气资源开发力度的不断加大，对支撑剂性能提出了更高要求，同时新的支撑剂产品（如覆膜支撑剂、陶粒支撑剂等）不断涌现，原有的测试标准在若干方面已显示出一定的局限性。与此同时，ISO/TC67在低碳能源领域的标准化布局也在稳步推进。在上述背景下，ISO/TC67于2021年正式启动ISO13503-2的第二次系统性修订工作，历经多轮工作组会议、草案讨论、国际标准草案（DIS）投票和最终国际标准草案（FDIS）投票等阶段，于2024年12月正式发布ISO13503-2:2024版本。3标准主要内容3.1标准适用范围ISO13503-2:2024规定了水力压裂和砾石充填作业中所用支撑剂的性能测量方法，涵盖支撑剂的物理性能、化学性能和力学性能等多个维度的测试。该标准适用于各类支撑剂材料，包括石英砂、覆膜砂、陶粒支撑剂及其他特殊功能支撑剂。本标准的适用范围覆盖了油气行业中常规及非常规资源的开发场景，同时兼顾地热资源开发、页岩油气开采等低碳能源领域的应用需求，体现了标准的广泛适用性和前瞻性。3.2核心测试项目（1）粒径分布支撑剂的粒径分布是其最基本也是最重要的性能指标之一，直接关系到支撑剂在裂缝中的铺置效果和导流能力。标准规定了采用标准筛组进行筛析测试的方法，明确了筛分设备的要求、筛分时间的设定、各粒径区间质量百分比的记录与计算方法，以及粒径分布曲线的绘制要求。同时，标准对取样方法、样品缩分等前期操作也给出了详尽规范，以确保测试结果的代表性和可重复性。（2）圆度与球度支撑剂的圆度（颗粒棱角的磨圆程度）和球度（颗粒接近球形的程度）是影响裂缝导流能力和支撑剂抗破碎性能的关键因素。标准规定采用图像分析法对支撑剂颗粒的形貌进行评价，通过显微镜或自动图像分析系统获取颗粒的二维投影图像，参照标准图版或通过几何计算得出圆度和球度的定量值。2024版标准在图像采集与分析方面的要求更加精细化，以适应当前数字化检测技术的发展水平。（3）酸溶解度支撑剂在地层环境中可能长期接触各种酸性流体（如含CO₂、H₂S的地层水、酸化工作液等），其耐酸性能直接关系到长期导流能力的维持。标准规定的酸溶解度测试方法为：将一定质量的支撑剂样品置于规定浓度的盐酸-氢氟酸混合溶液中，在规定的温度条件下反应一定时间，通过测定溶解损失量来评价支撑剂的耐酸性能。2024版标准对酸溶液的配制、反应温度和时间等关键参数进行了更为明确的规定。（4）浊度支撑剂中若含有较多的粉尘、泥质等杂质，在水中的浊度值会显著升高，这些杂质可能对支撑剂充填层的渗透率产生不利影响。标准规定的浊度测试方法为：将支撑剂样品与规定体积的蒸馏水混合并充分振荡，静置后取上层清液用浊度计测定浊度值。2024版标准对浊度计的校准要求和测试条件进行了细化。（5）密度支撑剂的体积密度和视密度是压裂设计中计算支撑剂用量和估算充填层质量的重要参数。标准分别规定了体积密度和视密度的测试方法：体积密度采用已知容积的密度杯称量计算获得，视密度则通过气体置换法（如氦气比重瓶法）或液体置换法测定。2024版标准对密度测试的仪器精密度要求和不同测试方法的适用性范围给出了更详细的说明。（6）抗压强度抗压强度是支撑剂最为关键的力学性能指标，直接反映了支撑剂在地层闭合压力下的抗破碎能力。标准规定的抗压强度测试方法为：将规定粒径范围的支撑剂样品装入专用的破碎室，在压力试验机上以规定的加载速率施加压力至目标闭合应力值，稳压规定时间后卸压，取出样品筛分称量破碎产生的细粒（通常以小于规定粒径下限的颗粒计）的质量百分比，以此评价支撑剂的抗破碎性能。2024版标准对不同闭合应力等级下的测试要求和破碎率评价指标进行了系统规定。3.32024版主要技术变化与2006版及其增补文件相比，ISO13503-2:2024版标准在以下方面进行了重要的技术调整和内容扩展：（1）标准名称的更新。新版本在标准名称中增加“包括低碳能源”的表述，将标准的适用范围从传统的油气开采领域拓展至地热、碳捕集利用与封存等低碳能源领域，以适应全球能源转型的发展趋势。（2）术语定义的修订与扩充。针对近年来新型支撑剂不断涌现的实际情况，新版本对“支撑剂”“覆膜支撑剂”“超轻支撑剂”等术语进行了更为准确的定义和分类说明，增加了对新型支撑剂材料的涵盖能力。（3）测试方法的细化与优化。针对长期实践中反馈的技术问题，新版本对多个测试方法的操作细节进行了修订和完善，如粒径分布测试中增加了对超声筛分等辅助手段的规定、圆度球度评价中引入了自动图像分析的相关要求、抗压强度测试中细化了不同闭合压力等级与粒径组合的对应关系等。（4）新增附录。新版本可能新增了部分资料性附录，为使用者提供补充性的技术指导，如测试报告的推荐格式、测量不确定度的评定指南等，进一步提升了标准的实用性。4主要参与单位介绍4.1中国石油集团石油管工程技术研究院有限公司中国石油集团石油管工程技术研究院有限公司（以下简称“石油管工程院”）是中国石油天然气集团有限公司直属的综合性科研机构，是石油管及油气田材料领域最重要的研究单位之一。该院在石油管材及油气田材料的科学研究、技术开发、标准制修订和工程试验检测等方面具有雄厚的实力和丰富的经验。在ISO13503-2:2024标准的修订过程中，石油管工程院作为中国对口单位的主要技术支撑力量，深度参与了标准的各项技术讨论和草案修订工作。该院依托其在油气田井筒材料领域的深厚技术积累和专业人才队伍，在支撑剂性能评价方法的研究与验证方面发挥了重要作用。石油管工程院拥有国际先进的支撑剂性能检测试验平台，先后承担了大量国内外支撑剂产品的性能评价与质量检验工作，积累了丰富的测试数据和工程应用经验。在标准修订过程中，该院专家团队开展了多轮比对试验和方法验证工作，为部分关键测试参数的确定提供了可靠的试验数据支撑，相关研究成果被标准技术工作组采纳。此外，石油管工程院也是全国石油天然气标准化技术委员会石油管材专业标准化技术委员会等国内标准化组织的重要成员单位，在推动ISO标准在国内的转化实施和行业标准制修订方面发挥着桥梁和纽带作用。未来，该院将继续发挥自身技术优势，积极参与国际标准化活动，为提升中国在石油天然气装备与材料领域的国际话语权持续贡献力量。5标准实施的意义与展望5.1对行业发展的推动意义ISO13503-2:2024的发布与实施，对于推动全球油气行业及低碳能源领域的技术进步与规范化发展具有重要意义。首先，该标准为全球范围内支撑剂产品提供了统一、科学的性能测试与质量评价依据，有利于消除技术壁垒，促进支撑剂产品的国际贸易和国际合作。其次，标准中测试方法的系统化和精确化有助于支撑剂生产企业优化产品设计和质量控制，推动行业整体技术水平的提升。第三，对油气田作业者而言，依据该标准对入井支撑剂进行严格的质量把关，是保障压裂改造效果、延长油气井寿命、提高经济效益的重要技术保障。此外，在能源转型的大背景下，该标准向低碳能源领域的延伸拓展，也为地热开发、储气库建设等新兴领域的完井作业提供了可借鉴的技术规范。5.2未来发展展望展望未来，ISO13503-2标准仍将持续跟踪行业技术发展和工程应用需求的变化，不断进行修订和完善。从技术发展方向看，以下几个领域值得关注：一是智能化、自动化测试技术的引入，如基于机器视觉的支撑剂形貌自动分析、基于人工智能的破碎率预测模型等；二是非常规和新型支撑剂（如超轻支撑剂、自悬浮支撑剂、可降解支撑剂等）性能评价方法的开发与标准化；三是支撑剂长期导流能力测试、支撑剂与地层流体配伍性评价等延伸性测试方法的研究与规范化。随着全球能源结构的持续转型和油气开采技术的不断进步，ISO13503-2必将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。6结论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》是国际标准化组织在支撑剂性能测试领域发布的最新版本标准。该标准在总结和继承原有版本技术成果的基础上，充分吸收了近年来全球油气行业在支撑剂材料研发、性能测试技术、工程应用实践等方面的最新进展，对标准名称、术语定义、测试方法和内容结构进行了系统性的修订和完善。该标准的发布实施，为全球油气行业和低碳能源领域的支撑剂性能测试提供了科学权威的技术规范，对于保障水力压裂和砾石充填作业质量、促进国际技术交流和贸易合作、推动行业技术进步和规范化发展，必将发挥积极而深远的作用。中国石油集团石油管工程技术研究院有限公司作为该标准修订的重要参与单位，其技术贡献体现了中国在石油天然气工业国际标准化领域日益增强的参与度和影响力。参考文献[1]ISO13503-2:2024,Oilandgasindustriesincludinglowercarbonenergy—Completionfluidsandmaterials—Part2:Measurementofpropertiesofproppantsusedinhydraulicfracturingandgravel-packi