石油壓裂支撐劑的現(xiàn)狀及研究進展

趙 爽 劉 挺 王菊俠（陜西省石油化工研究設(shè)計院西安710054）

石油壓裂支撐劑的現(xiàn)狀及研究進展

趙 爽 劉 挺 王菊俠
（陜西省石油化工研究設(shè)計院西安710054）

介紹了石油壓裂支撐劑，重點總結(jié)了陶粒壓裂支撐劑國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題，并根據(jù)實際情況對陶粒支撐劑的研究方向及發(fā)展趨勢進行了探討。

支撐劑破碎率鋁礬土壓裂技術(shù)高溫煅燒

1 引言

隨著石油、天然氣工業(yè)的發(fā)展，壓裂工藝技術(shù)在全世界范圍內(nèi)低滲透油氣田的開采中得到廣泛應(yīng)用，當(dāng)使用壓裂技術(shù)高壓打開油層巖石裂縫，支撐劑隨著壓裂液注入，支撐裂縫使其無法重新閉合，從而形成油氣流出的通道。故壓裂支撐劑是石油、天然氣低滲透油氣井開采壓裂施工的關(guān)鍵材料。

目前使用的支撐劑主要有：天然石英砂、陶粒支撐劑、樹脂覆膜砂。石英砂由于其粒徑不均勻，光潔度差，壓裂施工后破碎率高，降低了導(dǎo)流能力，無法滿足深井開采的要求。樹脂覆膜砂生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高，使用率不高。陶粒支撐劑由于性能穩(wěn)定、強度高、性價比高，因而廣泛使用。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及存在問題

目前國內(nèi)外陶粒支撐劑一般是以鋁礬土為主料，添加適量輔料及礦化劑，造粒后經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。也有利用熔融噴吹法而成，經(jīng)融化、高溫成型、熱處理等，但該方法制備的陶粒強度低、成本高，因而很少使用。

我國在燒結(jié)法制備陶粒支撐劑領(lǐng)域已取得了很多成果。中國專利公布了“高強度、高密度陶粒支撐劑及其制造方法[1]”，以鋁礬土為主料，添加適量氧化錳粉、氧化鎂粉、氧化鐵粉，研制出了高強高密的陶粒支撐劑；馬雪[2]等以鋁礬土和粘土為主料，添加5%的錳礦，于1 350℃高溫煅燒，制備的支撐劑樣品在52 MPa下破碎率僅為1.61%；蔡寶中[3]等研發(fā)的中密高強的H1陶粒支撐劑，可滿足超高壓深井壓裂開采及酸化壓裂改造。

我國陶粒砂行業(yè)發(fā)展水平不平衡，普遍低于國外水平。國內(nèi)生產(chǎn)的陶粒支撐劑大多為中低端產(chǎn)品，高端陶粒支撐劑主要依賴從美國Carbo公司等進口。美國Carbo公司可生產(chǎn)低鋁含量陶粒支撐劑，氧化鋁含量僅為53%左右。國內(nèi)雖已取得部分研究成果，但未用于生產(chǎn)，市面上的支撐劑產(chǎn)品氧化鋁含量至少在70%以上，且相對表面光潔度低，抗壓強度低，耐酸性能差，無法適應(yīng)超高壓深井壓裂開采的需求。

3 陶粒支撐劑的發(fā)展趨勢

3.1 低鋁高強低密陶粒支撐劑

隨著鋁制品和耐火材料等工業(yè)的飛速發(fā)展，高品位鋁礬土將會出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面。資源的不斷損耗和價格上漲，使用低品位鋁礬土生產(chǎn)的支撐劑成為陶粒支撐劑發(fā)展的趨勢。

陶粒支撐劑在保證抗壓強度的同時，應(yīng)盡量低密，這樣可以相對減少填充地縫所需的質(zhì)量，也可以降低泵送的難度和減少對泵的損耗，降低壓裂費用。

3.2 利用工業(yè)廢渣制備陶粒支撐劑

制備陶粒支撐劑的工業(yè)廢渣主要為含鋁量較高的廢棄物，如陶瓷輥棒、赤泥、粉煤灰等，配以鋁礬土生料及其他添加劑，制備成新型陶粒支撐劑。陶瓷輥棒氧化鋁含量在60%～70%之間，可以代替鋁礬土生料。赤泥氧化鋁含量一般在30%以內(nèi)，粉煤灰氧化鋁含量在18%～40%之間，但與鋁礬土合適配比，也可生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)陶粒支撐劑。不過與陶瓷棍棒相比，所占比例要小很多。

其他廢棄物如油頁巖渣、煤矸石等，雖然鋁含量不高，但煅燒過程中可以增加陶粒支撐劑中的莫來石含量，莫來石相相互交織，有利于增強增韌，使支撐劑破碎率更低。目前中國專利已發(fā)布“一種加煤矸石的石油壓裂支撐劑”[4]，使含鐵、鈦、錳高的煤矸石得到有效利用。

利用工業(yè)廢渣生產(chǎn)陶粒支撐劑，使原有廢棄物資源化，變廢為寶，符合環(huán)保理念。

3.3 優(yōu)化工藝制備陶粒支撐劑

陶粒支撐劑的制備中，原料的細(xì)度及級配、制粒工藝、燒結(jié)參數(shù)都對支撐劑產(chǎn)品的性能有很大影響。因此，探索更完善的工藝，也是改善陶粒支撐劑的一項重要途徑。

目前支撐劑制備使用的各種原輔料粉料細(xì)度在300目以上。一般來說，原料細(xì)度大，表面積大，有利于制粒過程水分調(diào)節(jié)，有利于提高支撐劑的質(zhì)量和產(chǎn)量。但細(xì)度過大，空氣含量大，制粒時氣體排除會影響強度。此外，合理的顆粒級配，有利于使不同粒徑的顆粒分等級團聚，利于制粒和提高支撐劑強度。

制粒決定了陶粒支撐劑的大小、表面形貌、生坯強度乃至最終產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)等。水分量必須要合適，才能保證支撐劑的質(zhì)量。

燒結(jié)參數(shù)對陶粒支撐劑的影響主要表現(xiàn)在燒成溫度和保溫時間，提高燒成溫度對物相變化十分明顯，延長保溫時間對燒結(jié)作用很大，可保持物相較純。根據(jù)支撐劑體積密度、收縮率、顯氣孔率和強度的變化，并分析顯微結(jié)構(gòu)，優(yōu)化燒結(jié)工藝，制備更優(yōu)質(zhì)的陶粒支撐劑。

此外，將鋁礬土生料粉進行輕燒處理，晶相發(fā)生變化且活性很大，使燒結(jié)過程更易進行和控制，也是研究的又一方向。

4 結(jié)語

我國油氣田大部分是低滲透油氣田，其最基本的特點就是流體滲透能力差、產(chǎn)能低，水力壓裂技術(shù)廣泛使用，石油壓裂支撐劑作為壓裂技術(shù)的關(guān)鍵材料，性能的優(yōu)劣直接影響油氣井產(chǎn)量。因此，高性能陶粒支撐劑將迎來廣闊的市場前景，并不斷發(fā)展。降低原料對高品位鋁礬土的依賴、使用工業(yè)廢棄物、優(yōu)化制備工藝必將成為支撐劑發(fā)展的重要方向。

[1]貴州鑫益能陶粒支撐劑有限公司.高強度、高密度陶粒支撐劑及其制造方法[P].中國專利：CN101429429 A，2012-11-14.

[2]馬雪，姚曉.高強度低密度陶粒支撐劑的制備及性能研究[J].陶瓷學(xué)報，2008,29（2）：91-94.

[3]蔡寶中，徐海升.高強度耐酸支撐劑的研制與開發(fā)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，21（6）：76-79.

[4]李青海，馮宗亮，謝應(yīng)民，田濤.一種加煤矸石的石油壓裂支撐劑[P].中國專利：200910023599.X，2012-9-5.

收稿:2014-12-02

DOI∶10.16206∕j.cnki.65-1136∕tg.2015.01.035