中國(guó)粉體網(wǎng)訊 石油壓裂支撐劑是一種在開采石油時(shí)使用的裂縫填充材料。在開采石油時(shí)，需要將支撐劑注入壓裂液中，使開采裂縫保持裂開狀態(tài)以保證石油的開采順利進(jìn)行。支撐劑是油氣井初期投資成本的重要部分，而且決定著油氣井的經(jīng)濟(jì)壽命。支撐劑用量過大會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，反之用量過小，會(huì)由于儲(chǔ)層產(chǎn)液不足，造成油氣井沒有經(jīng)濟(jì)效益。
目前市場(chǎng)上使用的石油壓裂支撐劑主要有天然石英砂、陶粒支撐劑、樹脂覆膜砂三類。常用的陶粒支撐劑一般以石英砂、鋁礬土、高嶺土等為主原料。通過成球處理和燒結(jié)來(lái)制備。
天然石英砂
天然石英砂適用于在油井較淺、閉合壓力層較低的開采環(huán)境下。上世紀(jì)40年代，天然石英砂作為支撐劑在石油開采中主要應(yīng)用于1500 m以上的油氣井壓裂。天然石英砂的成本低，相對(duì)密度低，易于泵入輸送，在當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)上很受歡迎。
陶粒支撐劑
陶粒支撐劑的原料一般是含鋁礦物、工業(yè)廢棄物添加一些輔助配料，進(jìn)行特定加工處理后形成一種耐高溫、耐高壓、低密度等符合標(biāo)準(zhǔn)的支撐劑。由于陶粒支撐劑的相對(duì)密度較高，會(huì)出現(xiàn)返吐現(xiàn)象，對(duì)壓裂液的黏度、流變性有較高的要求。因此陶粒支撐劑廣泛地應(yīng)用在深層低滲透油氣層的壓裂開采中。陶粒支撐劑主要采用熔融噴吹法和燒結(jié)法兩種方法來(lái)制備。
樹脂覆膜支撐劑
樹脂覆膜支撐劑是指在以陶粒砂等為核心的外層包裹一層可固化有機(jī)物的支撐劑，這類支撐劑的耐腐蝕、強(qiáng)度、導(dǎo)流能力等都有很大優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用在深層閉合壓力更大的油氣井中。樹脂覆膜砂支撐劑可滿足深層閉合高壓環(huán)境的開采需求，強(qiáng)度和耐腐蝕性均可達(dá)標(biāo)。相對(duì)于陶粒支撐劑，樹脂覆膜支撐劑相對(duì)密度更小，更便于泵注。包裹的樹脂層導(dǎo)流能力要大于未覆膜的陶粒支撐劑，且有著更強(qiáng)的耐腐蝕性。
但樹脂覆膜支撐劑也存在以下問題：原料成本和工藝成本均高于陶粒支撐劑，經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)；外層樹脂膜化學(xué)穩(wěn)定性不強(qiáng)；在高閉合壓力下有可能會(huì)出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，從而影響導(dǎo)流能力。
近年來(lái)隨著開采規(guī)模增大，支撐劑的銷量也在不斷增大。根據(jù)對(duì)支撐劑市場(chǎng)的調(diào)查，不同支撐劑的市場(chǎng)份額為天然石英砂占80%，陶粒支撐劑10%，覆膜樹脂砂10%，可以看出目前市面上的支撐劑還是以石英砂為主。雖然石英砂的強(qiáng)度不大，但成本低，資源廣泛，在多數(shù)的淺井開采中，石英砂就可以達(dá)到支撐劑的標(biāo)準(zhǔn)。
在北美地區(qū)各油公司和油服公司共同致力于“提高單井產(chǎn)量和降低建井成本”，其中鉆完井成本為400萬(wàn)~800萬(wàn)美元，平均為650萬(wàn)美元，壓裂成本占比達(dá)60%。而壓裂成本中材料構(gòu)成是關(guān)鍵，壓裂液成本和支撐劑成本最高分別占到鉆完井成本的19%和25%。特別是支撐劑因素，成為降低成本的重要挖潛對(duì)象。
2014年以來(lái)，北美地區(qū)通過技術(shù)及管理創(chuàng)新，采用石英砂替代陶粒，就近建砂廠等方式，大幅降低了水力壓裂工程作業(yè)成本，助推了非常規(guī)油氣經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)。隨著水平段長(zhǎng)、加砂強(qiáng)度的增加和水平井改造數(shù)量的增多，北美地區(qū)支撐劑用量由2010年的1820×104t增長(zhǎng)到2018年的1.09×108t以上，單井支撐劑用量由2010年的1500t上升到2019年的5000t。基于“經(jīng)濟(jì)夠用”理念，用價(jià)格低的石英砂（約120美元/t）替代陶粒（約480美元/t）,目前北美地區(qū)支撐劑中石英砂占比已達(dá)96%，經(jīng)濟(jì)成本優(yōu)勢(shì)巨大。
中國(guó)天然石英砂支撐劑主要分布在新疆陸梁、蘭州安寧、寧夏青銅峽、河北圍場(chǎng)、內(nèi)蒙古赤峰和通遼等地，常見的粒徑規(guī)格為20/40目、30/50目、40/70目和70/140目，石英砂的礦物成分及晶體結(jié)構(gòu)為砂源地固有屬性，提高天然石英砂支撐劑質(zhì)量的關(guān)鍵是控制成品砂的粒徑分布及砂表層處理工藝。
中國(guó)石油歷年支撐劑使用情況
而涂利輝等在石英砂與陶粒物理特性的分析中，以工區(qū)使用的20~40目石英砂抗壓強(qiáng)度28MPa，20~40目陶粒抗壓強(qiáng)度52MPa為試驗(yàn)，目的層閉合壓力在45~55MPa。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明石英砂破碎率遠(yuǎn)大于陶粒，石英砂在閉合壓力50MPa時(shí)破碎率高達(dá)25%；而陶粒在50MPa閉合壓力下，仍然保持較完整形態(tài)，破碎率<5%。
20/40目石英砂破碎狀態(tài)
20/40目陶粒破碎形態(tài)
陶粒支撐劑的成本相對(duì)較小，制備流程簡(jiǎn)單，硬度、耐酸性等方面比天然石英砂優(yōu)秀，因此在較深層滲透性低且不易返吐的油氣層選擇陶粒支撐劑，可以以較小的成本來(lái)保證更高標(biāo)準(zhǔn)的開采質(zhì)量。
石英砂與陶粒在倒流能力的實(shí)驗(yàn)表明，在相同條件下，陶粒支撐劑導(dǎo)流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石英砂支撐劑的導(dǎo)流能力，且鋼板條件下的導(dǎo)流能力均大于巖板條件下的導(dǎo)流能力。
鋪砂濃度8kg/m2鋼板條件下不同支撐劑測(cè)試導(dǎo)流能力對(duì)比統(tǒng)計(jì)表
鋪砂濃度8kg/m2巖板條件下不同支撐劑測(cè)試導(dǎo)流能力對(duì)比統(tǒng)計(jì)表
石英砂鋼板/巖板導(dǎo)流能力對(duì)比圖
陶粒鋼板/巖板導(dǎo)流能力對(duì)比圖
天然氣對(duì)儲(chǔ)層及裂縫段導(dǎo)流能力需求不高，但石英砂的使用對(duì)壓裂液的返排及地層水流動(dòng)影響巨大，易形成水鎖效應(yīng)，從而導(dǎo)致天然氣流動(dòng)受阻。因此建議低壓高含水氣藏仍堅(jiān)持采用陶粒支撐劑，以保障單井產(chǎn)量及最終采收率。
小結(jié)
通過對(duì)天然石英砂、陶粒支撐劑和覆膜支撐劑三種石油支撐劑的對(duì)比來(lái)看，石英砂支撐劑雖然具有其缺點(diǎn)，但其在經(jīng)濟(jì)效益方面更有優(yōu)勢(shì)，北美及國(guó)內(nèi)用戶普遍喜歡使用天然石英砂支撐劑。鄭新權(quán)等在國(guó)內(nèi)石英砂支撐劑評(píng)價(jià)及砂源本地化研究進(jìn)展與前景展望一文中表明，石英砂試驗(yàn)井與陶粒對(duì)比井日產(chǎn)量及累計(jì)產(chǎn)量基本相當(dāng)，而與陶粒對(duì)比井相比，石英砂試驗(yàn)井單井成本節(jié)約135萬(wàn)~348萬(wàn)元，百萬(wàn)噸產(chǎn)能降低成本達(dá)3億元以上。但若是針對(duì)低壓高含水氣藏就要采用陶粒支撐劑，以保障單井產(chǎn)量及最終采收率。覆膜樹脂砂制作成本高，制備工藝復(fù)雜，但其性能優(yōu)越，在密度、抗腐蝕性、導(dǎo)流能力等方面均優(yōu)于其他支撐劑，在油井深度較深，閉合壓力較大，返吐嚴(yán)重的開采環(huán)境下，其他成本低的支撐劑達(dá)不到要求，覆膜樹脂砂是最優(yōu)良的選擇。
總之，因地制宜，綜合考慮才是上策！
參考資料：
鄭新權(quán)等.國(guó)內(nèi)石英砂支撐劑評(píng)價(jià)及砂源本地化研究進(jìn)展與前景展望
宋攀等.石油壓裂支撐劑的研究進(jìn)展
涂利輝等.石英砂支撐劑對(duì)含水氣藏產(chǎn)能影響分析評(píng)價(jià)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/茜茜）
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