压裂支撑剂的研究及应用现状

粉体网 · 公众号 · · 2025-03-24 10:50

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引言

水力压裂技术作为油气开采的主要增产技术，已经广泛应用于致密油气等非常规储层的高效开发、老油气井的二次改造等领域。水力压裂技术就是在油气的开采过程中，利用高压的水来冲击地下油气层，使地层破坏形成裂缝 ^[ ¹ ^] ，而石油压裂支撑剂是在水力压裂作业完成后，为了使地层中裂缝不再重新闭合，向裂缝中加入的圆球度较好的固体颗粒 ^[ ² ^] 。支撑剂作为水力压裂的关键材料，对压裂的效果具有决定性的影响。

压裂支撑剂的类型

标准的支撑剂通常具有密度低、强度高、颗粒均匀、低成本、易制备等基本特点 ^[ ³ ^] 。目前，国内外应用比较普遍的压裂支撑剂主要有天然石英砂、陶粒和树脂覆膜支撑剂 3 种，其中石英砂支撑剂主要应用在浅层的油气井开发中使用，而陶粒支撑剂和覆膜支撑剂和陶粒支撑剂在中深层油气井中使用较多。

石英砂支撑剂

天然石英砂是一种主要由 SiO ₂ 和少量 Al ₂ O ₃ 、 Fe ₂ O ₃ 组成的硅酸盐矿物，视密度为 2.65g/cm ³ ^[ ³ ^] ，通常为石英砂岩经风化剥蚀和水力冲刷等作用形成的颗粒，为了使其具有最佳性能，需要经过一系列的加工处理如清洗、烘干、筛分等，才可以作为支撑剂进行使用 ^[ ⁴ ^] 。石英含量是衡量石英砂质量的重要指标，我国压裂用石英砂中石英含量一般在 80% 左右，且伴有少量长石、燧石及其他喷出岩及变质岩等岩屑。

石英砂大致可分为白砂和棕砂，白砂的石英含量且单晶占比高，杂质少，具有较好的抗破碎强度，棕砂颜色较深，且杂质含量和多晶石英占比较高，强度相比白砂来说较差。中国目前已投入开发使用的的压裂用石英砂主要分布于内蒙古赤峰、内蒙古通辽、宁夏青铜峡和河北围场等地 ^[ ^3-5 ^] 。

石英砂支撑剂自身具备非常良好的使用性能，其导流能力好，价格便宜，其在粒度等级上也设置的较为宽泛，资源来源相对较广，易于获得，其相对密度较低，具有一定的耐腐蚀性能，适用于各种腐蚀液中，在油田开采作业中使用的频次较高，在压裂作业中起着不可替代的作用，在低闭合压力储层有较好的增产效果，并在 1500m 以下的浅井被广泛使用 ^[1 ^{，

6} ^] 。但随着开采深度的增加，其自身劣势逐渐显露，石英砂球度低，呈不规则、尖角形状，易划伤管壁，石英砂强度较低，一般在 20~30MPa 便会破碎，在深井地层中无法起到支撑作用，并且破碎后形成的残渣会堵塞通道，阻碍流体运移，反而会降低裂缝导流能力 ^[ ³ ^] 。

陶粒支撑剂

陶粒支撑剂的原料一般是含铝矿物、工业废弃物添加一些辅助配料，进行特定加工处理后形成一种耐高温、耐高压、低密度等符合标准的支撑剂。陶粒支撑剂比较成熟的制备工艺为熔融喷吹法和烧结法 ^[ ⁷ ^] 。

熔融喷吹法是指将物料在高温熔融至液态，在溶体流出时用过热蒸汽进行喷吹，使物料形成球状，在生产耐火纤维及其他球状产品时有所应用，该方法因技术成本较高、对设备精度及成球控制的要求苛刻而并未被广泛采用。

烧结法是先将原料研磨成粉末后造粒，再高温加热使其致密化成型，烧结法制备陶粒支撑剂的原料来源基本有：采用高铝矿土进行制备，如铝矾土，高岭土等，用这些原料生产的支撑剂硬度大，但密度也随之增大。另一种是采用低铝矿土或工业废弃物作为原料，在保证硬度不降低的同时，降低密度和酸溶解度。总之，烧结法在烧结成球、制备陶瓷、金属等方面有着较多的应用，也是目前生产制备陶粒支撑剂最为广泛的方法 ^[ ^7-8 ^] 。

陶粒支撑剂按密度可以分为低密度陶粒支撑剂、中密度陶粒支撑剂和高密度陶粒支撑剂，影响人造陶粒密度的主要因素是 Al ₂ O ₃ 的含量，高 Al ₂ O ₃ 含量的陶粒密度和石英砂支撑剂相比较，陶粒支撑剂自身具备更强的耐腐蚀性，在强酸碱耐性上也较为良好，在遇到较大的裂缝压力时，自身的抗破碎性能也更好，比石英砂支撑剂更加地耐用 ^[ ⁹ ^] 。但是陶粒支撑剂也有许多不可避免的缺点：陶瓷支撑剂密度大，沉降速率过快，不易输送到压裂位置，对压裂设备的性能要求很高，制备工艺复杂，成本较高 ^[ ¹ ^] 。因此，陶粒支撑剂常被应用于地层闭合压力较大的油气储层压裂改造。目前关于陶粒的研究方向主要有低密度、低成本、工业固废资源化利用等 ^[ ⁵ ^] 。

树脂覆膜支撑剂

石英砂和陶粒都是脆性材料，在地层条件高应力作用下支撑剂之间是点对点接触，可能会发生应力集中造成脆性破碎。为了解决这些问题，树脂覆膜支撑剂被研发生产。在石英砂表面或者陶粒表面包覆一层有机树脂材料，树脂在支撑剂表面固化后，可以制备出一种强度较高，密度较低且性能优越的支撑剂，即树脂覆膜支撑剂。树脂可以填平颗粒表面凹凸不平的地方，改善支撑剂的圆球度，降低支撑剂的视密度和体积密度，从而减少压裂液中携砂液和现场泵送设备所需要的成本，并使支撑剂运移至裂缝更深处 ^[ ¹⁰ ^] 。

覆膜支撑剂根据包覆方式可分为预固化覆膜支撑剂和可固化覆膜支撑剂。预固化覆膜支撑剂是指支撑剂表面包覆树脂在支撑剂进入地层之前就已完全固化或部分固化。可固化覆膜支撑剂指支撑剂表面的树脂在地层中发生固化，该方式可实现更好的防砂效果 ^[ ⁵ ^] 。

树脂覆膜支撑剂可满足深层闭合高压环境的开采需求，强度和耐腐蚀性均可达标。相对于陶粒支撑剂，树脂覆膜支撑剂密度更小，更便于泵注。包裹的树脂导流层能力要大于未覆膜的陶粒支撑剂，且有着更强的耐腐蚀性。覆膜支撑剂最大的缺陷和问题是其应用在石油开采中时，在应力上比较集中，很容易碎掉，出现的微小颗粒会聚集到一起，导致石油流出的通道被堵住，不但无法达到提高石油产量的目标，反而有可能会适得其反，导致裂缝的导流能力降低 ^[ ⁹ ^] 。

压裂支撑剂的性能指标及选择标准

压裂支撑剂的研究及应用现状

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