理化科普 | 压裂用支撑剂——油气增产的关键材料

在水力压裂过程中，支撑剂的作用是保持压裂裂缝的开启状态，为油气的流动提供高导流能力的通道。 理想的支撑剂应具备以下性能：

高抗压强度： 以耐受注入时的强大压力和摩擦力。

低密度： 便于泵入井下，减少沉降速度。

高导流能力： 增加油气的流动效率。

良好的化学稳定性： 在高温条件下，与压裂液及储层流体不发生化学作用。

2.1天然石英砂

天然石英砂是一种分布广泛的矿物，主要产于沙漠河滩以及沿海地区。它具有原料丰富、价格低的优势，密度约为 2.65g/cm³，易泵送，对低闭合压力的油气井有增产作用。而且破碎后仍有较好的导流能力，做压裂剂成本低、操作便利、经河水冲刷后表面较为圆润，因此被广泛用作水力压裂支撑剂。然而，石英砂也有明显的不足。其脆性较大、强度较低，裂缝闭合压力高时容易破碎，显著降低裂缝的有效支撑面积，达不到油气增产效果。同时，石英砂表面凹凸性不好，不利于增大裂缝的渗透率。另外，石英砂热膨胀系数较大，当井深度较深、温度较高时，存在因相变而产生突然膨胀的风险。这些缺点使得天然石英砂不能满足深层低渗透油气开发时水力压裂的需要。

2.2人造陶粒

人造陶粒常以铝矾土等矿物料为主要原料，辅以各种矿物添加剂在无压气氛下烧结而成。相对于石英砂来讲，人造陶粒的圆球度高、表面光滑、流动性好、抗压强度高、破碎率低。但是，人造陶粒也存在一些缺点。首先，颗粒密度大，沉降速度快，这就对泵送条件和压裂液的性能提出了更高的要求，增大了成本。其次，铝矾土资源分布分散，加工开采受限，对原料的要求严格，资源利用受限。

2.3覆膜支撑剂

覆膜支撑剂提高了支撑剂的强度、抗酸碱性，又叫树脂包覆支撑剂。通常包含两个部分，内部由具有一定强度的骨料组成，外部则是被树脂包覆作为涂层。它同时具有石英砂密度低以及陶粒支撑剂抗压强度大的特点，表面光滑，导流性能好，易携带传输。除用于压裂支撑外，还可防止压裂液返排时支撑剂返吐、表面剥落以及地层出砂现象。树脂包覆支撑剂的每个颗粒均有一层均匀坚韧的树脂外壳，高温稳定性较好，耐酸腐蚀。不过，覆膜支撑剂也有成本较高、化学稳定性欠佳，高闭合应力下易粘接、导流能力大幅下降等问题。

随着技术的进步，新型支撑剂不断涌现，以满足更高的性能要求。

3.1 低密度支撑剂

低密度支撑剂通过化学改性或物理改性等方法制备，以配合低粘度压裂液或高速率泵送工艺使用。这类支撑剂具有更低的沉降速度和更高的悬浮能力，有助于提高裂缝的导流能力和降低压裂成本。

3.2 高导流能力支撑剂

3.2.1 自悬浮支撑剂

自悬浮支撑剂可以在高剪切下通过外层水化膜使得支撑剂运移至裂缝更深处。这类支撑剂分为膨胀型和增黏型，通过遇水膨胀或增黏的表面涂层，提高了支撑剂的悬浮能力。

3.2.2 非球状支撑剂

非球状支撑剂，如棒状或柱状颗粒，由于其独特的形状，可以形成更稳定的堆积结构，提供更高的导流能力和更好的回流控制性能。

3.3 功能型支撑剂

功能型支撑剂除了实现示踪和原位生成的同时，也在进行其他功能化的研究，如通过在支撑剂表面包覆特殊材料，实现对油气流动的调控。

压裂用支撑剂作为油气增产的关键材料，其技术的发展和创新对于提高油气产量、延长油气井服务年限具有重要意义。随着新材料和新技术的不断涌现，未来的压裂支撑剂将更加高效、环保，为油气资源的可持续开发提供有力支持。同时，对支撑剂运移铺置规律的深入研究，将为现场施工提供更为准确合理的参数设计，更加有效地指导现场施工，提高压裂改造功效、缩短钻井周期、增加油气产量。