支撐劑的研究現(xiàn)狀及展望

賈旭楠

（中國石油大學(xué)（北京），北京 102249）

專論與綜述

支撐劑的研究現(xiàn)狀及展望

賈旭楠

（中國石油大學(xué)（北京），北京 102249）

隨著深層油藏和非常規(guī)儲(chǔ)層開發(fā)進(jìn)程加快，裂縫幾何尺寸、儲(chǔ)層物性復(fù)雜化，壓裂工藝對(duì)支撐劑的性能要求也越來越高。支撐劑作為壓裂作業(yè)中必不可少的元素，通過支撐水力壓裂形成的人工裂縫，為油氣暢流入井提供高速導(dǎo)流通道，故加深對(duì)支撐劑的研究將有助于高效經(jīng)濟(jì)地提高油氣產(chǎn)量。本文調(diào)研了國內(nèi)外支撐劑的發(fā)展現(xiàn)狀，分類闡述了現(xiàn)有支撐劑特點(diǎn)，分析了支撐劑性能的影響因素并對(duì)比了不同壓裂液體系支撐劑的運(yùn)移規(guī)律，最后對(duì)支撐劑的發(fā)展及應(yīng)用趨勢做出了展望。

石英砂；陶粒；覆膜支撐劑

支撐劑在壓裂改造提高油氣產(chǎn)量的工藝中扮演著至關(guān)重要的角色，隨著非常規(guī)儲(chǔ)層的加速開發(fā)以及受原油價(jià)格下降的影響，開發(fā)研制功能型、智能型和經(jīng)濟(jì)型支撐劑成為一項(xiàng)不容忽視的任務(wù)。為加深對(duì)支撐劑的了解，從以下幾方面對(duì)支撐劑展開了調(diào)研分析。

1 支撐劑的發(fā)展歷史

支撐劑的發(fā)展（見圖1）可以追溯到1947年，原標(biāo)準(zhǔn)石油公司在Hugoton油田的壓裂實(shí)驗(yàn)中首次引入Arkansas River的河沙作為支撐劑，解決了不加支撐劑時(shí)裂縫閉合的問題，并帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益，從此開啟了支撐劑的發(fā)展歷史。20世紀(jì)50年代，支撐劑得到了第一次演化，高質(zhì)量礦砂取代了易破碎的河沙。20世紀(jì)60年代，在支撐劑中混入圓球度較高的核桃殼、玻璃和塑料微珠。20世紀(jì)70年代，為解決支撐劑回流和微粒運(yùn)移導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力下降的問題，研究人員開創(chuàng)了在壓裂過程中尾追一定量的覆膜支撐劑和用鋁礬土燒結(jié)高抗壓強(qiáng)度的人造陶粒支撐劑工藝。80年代，通過優(yōu)化添加材料，開發(fā)了低密度和中密度陶粒支撐劑。

圖1 支撐劑的發(fā)展時(shí)間軸[1]

隨著對(duì)支撐劑在裂縫中支撐機(jī)理的認(rèn)識(shí)不斷加強(qiáng)以及結(jié)合開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性原則，之后很長一段時(shí)間，研究人員將重點(diǎn)集中在覆膜支撐劑上，從改性方法、材料選擇以及工藝創(chuàng)新等方面入手，研發(fā)出不同功能的覆膜支撐劑。包括超低密度支撐劑、可變形支撐劑、多孔功能型支撐劑（孔隙中可添加具有特殊功能的添加劑，如示蹤劑、抑垢劑、防蠟劑等）、自懸浮支撐劑等（見表1、圖 2～圖5）。

表1 覆膜支撐劑的發(fā)展歷史

圖2 棒狀支撐劑[2]

圖3 多孔低密度支撐劑[3]

2 支撐劑的分類

按加工工藝及使用的原材料不同，支撐劑可以分為三類：石英砂、陶粒和覆膜支撐劑（見表2），盡管陶粒和覆膜支撐劑的支撐性能明顯好于石英砂，但油田經(jīng)營者考慮到成本較高，石英砂仍是壓裂作業(yè)中的首選支撐劑。

圖4 自懸浮支撐劑[4]

圖5 疏水型支撐劑[5]

圖6 常見三類支撐劑層次結(jié)構(gòu)圖[7]

Keith Greff等[6]（2014）整理分析了46口井10年的壓裂生產(chǎn)資料（23口井使用100%石英砂，23口井尾追樹脂覆膜支撐劑），分析認(rèn)為使用覆膜支撐劑帶來的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)大于石英砂。雖然覆膜支撐劑的初期投資成本大，但卻能減少支撐劑回流帶來的機(jī)械設(shè)備損壞而增加的修井成本，同時(shí)也增加了油井的有效生產(chǎn)時(shí)間。而且，支撐劑回流對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害通常是不可逆的。故為了長期的經(jīng)濟(jì)效益，油田經(jīng)營者減少使用低強(qiáng)度的石英砂作為支撐劑和研究人員開發(fā)低成本高強(qiáng)度的覆膜支撐劑和陶粒支撐劑刻不容緩。

按密度或強(qiáng)度，支撐劑可分為超低密度、低密度、中密度和高密度支撐劑（見圖6）。密度與支撐劑性能存在以下關(guān)系：（1）密度越高，強(qiáng)度越高，故較高應(yīng)力下的滲透率也越高；（2）密度越高，相同質(zhì)量支撐劑的裂縫體積（寬度/長度/高度）越小；（3）密度越高，成本越高；（4）密度越高，支撐劑在壓裂液中的沉降速度越快。石英砂和陶粒密度主要受原料中Al含量的影響，Al含量越高，密度越大，相應(yīng)的強(qiáng)度越高，低密度陶粒（45%～50%），中密度陶粒（70%～75%），高密度陶粒（80%～85%）。覆膜支撐劑的密度除了受骨架中Al含量的影響外，還受外層高分子固化形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)影響。

按形狀，支撐劑可分為圓球狀、棒狀和多面體結(jié)構(gòu)支撐劑。通常見到的支撐劑主要為圓球狀，且圓球度越接近于1，支撐劑充填層的孔隙度和滲透率越高。突破傳統(tǒng)支撐劑的限制，2010年，埃及首先引入棒狀支撐劑概念[8]。2011年，俄羅斯Western Siberia油田進(jìn)行了棒狀支撐劑壓裂，沒有發(fā)生支撐劑回流現(xiàn)象，并且油井產(chǎn)量增長了20%。與傳統(tǒng)覆膜支撐劑相比的優(yōu)點(diǎn)：（1）它不存在化學(xué)交聯(lián)，具有化學(xué)惰性；（2）特殊的顆粒形狀增加了流動(dòng)阻力以及棒狀顆粒間的互鎖現(xiàn)象能有效抑制支撐劑回流。2017年，國內(nèi)學(xué)者牟紹艷[9]提出了多面體結(jié)構(gòu)支撐劑，并從靜態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)分析研究了不同結(jié)構(gòu)支撐劑堆積的孔隙度、流速，得出八腿型結(jié)構(gòu)支撐劑的孔隙度、滲透率最大。

按潤濕性，支撐劑可以分為親水型、中性和疏水型支撐劑。常規(guī)的石英砂和陶粒表面親水，而油田壓裂液通常為水基壓裂液，這導(dǎo)致油井通常會(huì)出現(xiàn)過早水淹的現(xiàn)象。研究人員利用自然界的“荷葉效應(yīng)”，進(jìn)行表面改性，即在支撐劑表面包覆一層疏水親油的高分子膜，增加水的流動(dòng)阻力，相應(yīng)的降低油氣流動(dòng)阻力。表面潤濕性改性的方式包括物理改性和化學(xué)改性，物理改性是指根據(jù)Wenzel和Cassie-Baxter模型[10]改變支撐劑表面的粗糙度來達(dá)到改性的目的，且表面粗糙化使親水表面更親水，疏水表面更疏水。化學(xué)改性是改變支撐劑表面分子層的界面張力，可通過自組裝SMA（Surface Modification Agent）技術(shù)將疏水基團(tuán)組裝在支撐劑表面。美國的CARBO公司利用RPM（Relative Permeability Modification）改性技術(shù)研制的中性潤濕支撐劑，不僅將毛管力幾乎降低為零，消除了毛管效應(yīng)帶來的不利影響，降低了多相流效應(yīng)相關(guān)的壓降，同時(shí)還增加了裂縫的有效長度、提高了導(dǎo)流能力和滲透率，從而達(dá)到了增產(chǎn)的目標(biāo)。疏水性支撐劑在國內(nèi)外均有研究，通過自組裝預(yù)聚物或含氟硅烷達(dá)到性能要求。國外學(xué)者在SMA基礎(chǔ)上提出LTSMA[11]技術(shù)，在涂覆有強(qiáng)親水低分子聚合物的支撐劑表面嫁接疏水烷基，解決了高分子樹脂SMA增加了支撐劑黏度的問題。

按功能，支撐劑可以分為自懸浮支撐劑和多孔支撐劑。自懸浮支撐劑是在支撐劑表面涂覆一層具有水溶脹性能的水凝膠（多為聚丙烯酰胺類高分子），在泵送過程中高分子水凝膠溶脹，增大基液黏度，降低沉降速度，故達(dá)到自懸浮的特性。其優(yōu)點(diǎn)在于簡化了油田現(xiàn)場壓裂液的配制，將支撐劑與壓裂液一體化。但現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明陰離子的聚丙烯酰胺與黏土穩(wěn)定劑反應(yīng)，生成絮狀沉淀，堵塞孔道。多孔型支撐劑[3]是指內(nèi)部為多孔結(jié)構(gòu)的支撐劑，類似于醫(yī)藥領(lǐng)域的膠囊。根據(jù)改性的方法不同，可分為兩類，一類可用來根據(jù)功能的需要包覆化學(xué)藥劑（抑垢劑、防蠟劑和示蹤劑等），隨攜砂液進(jìn)入裂縫起到相應(yīng)功能。另一類是通過對(duì)支撐劑表面結(jié)構(gòu)改性實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度低密度，如設(shè)計(jì)為蜂窩結(jié)構(gòu)。

根據(jù)分類方法的不同，支撐劑可分為不同類型，但壓裂作業(yè)對(duì)支撐劑的需求卻相同-產(chǎn)生高導(dǎo)流能力通道，增加油氣產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

3 支撐劑性能評(píng)價(jià)及影響因素

自1947年首次使用石英砂進(jìn)行壓裂以來，形成了各式各樣的支撐劑，如中空支撐劑、樹脂微球、核桃核支撐劑等。研究人員從未停止對(duì)支撐劑的探索，主要是因?yàn)橹蝿┳鳛閴毫炎鳂I(yè)中至關(guān)重要的一部分，影響著油田開發(fā)的最終經(jīng)濟(jì)效益。理想的壓裂支撐劑應(yīng)具有以下性能：（1）低密度；（2）足夠的機(jī)械強(qiáng)度來抵抗閉合壓力；（3）高溫下具有化學(xué)惰性；（4）圓球度高；（5）粒度分布均勻；（6）成本低。

密度是影響支撐劑懸浮性能的主要因素，密度越低，懸浮性能越好。常見支撐劑的密度（見表3）。

影響石英砂密度的因素主要為形成環(huán)境。對(duì)比國內(nèi)外以及國內(nèi)不同區(qū)域的天然砂密度分布會(huì)發(fā)現(xiàn)，形成環(huán)境不同，砂的密度、強(qiáng)度等性能不同，在砂形成過程中，受外界環(huán)境影響，內(nèi)部結(jié)晶程度以及粒徑、磨圓度產(chǎn)生差異。陶粒作為人工燒制的支撐劑，其密度的影響因素可分為內(nèi)因和外因兩部分，內(nèi)因是Al含量，Al含量越高，密度越大，同時(shí)強(qiáng)度也越高；外因是燒制工藝，燒結(jié)過程中加料的溫度、時(shí)間以及攪拌速度對(duì)成品性能起著至關(guān)重要的作用。覆膜支撐劑的密度受內(nèi)因骨料和覆膜密度的影響，二者密度越小，形成的支撐劑密度越??；同時(shí)也受包覆工藝影響，如表面改性劑的種類、含量等因素。

表3 不同類型支撐劑密度對(duì)比[1]

當(dāng)?shù)貙娱]合時(shí)，具有一定抗壓強(qiáng)度的支撐劑要保證水力壓裂形成的人工裂縫開啟，形成有效裂縫。根據(jù)地層閉合應(yīng)力選擇恰當(dāng)?shù)目箟簭?qiáng)度支撐劑能夠減少嵌入和破碎帶來的導(dǎo)流能力損失。由于不同類型的支撐劑抗壓強(qiáng)度不同，適用的地層條件不同。石英砂的抗壓強(qiáng)度約為28MPa，適用于低閉合應(yīng)力的淺井作業(yè)；陶粒的抗壓強(qiáng)度較高，適用于高閉合應(yīng)力的深井作業(yè)；覆膜支撐劑因其表面包覆有樹脂膜，即使高閉合應(yīng)力下內(nèi)部骨料破碎，外部樹脂膜的包覆作用也能減少微粒運(yùn)移帶來的孔隙堵塞問題，故其可應(yīng)用于中深井作業(yè)中。

高溫下的化學(xué)惰性，該性能主要針對(duì)攜帶一定劑量化學(xué)試劑的功能型覆膜支撐劑，通過支撐劑將特定功能的試劑攜帶入地層解決地層問題，類似醫(yī)用膠囊。該類支撐劑需要有一定的化學(xué)惰性，避免藥物提前釋放而未達(dá)到針對(duì)性治療的功能。通過優(yōu)選包覆膜的化學(xué)性質(zhì)可以有效提高該性能。

圓度是對(duì)支撐劑顆粒角隅銳利程度或顆粒曲度的度量，球度是對(duì)支撐劑顆粒近似球狀程度的一個(gè)度量（如圖7是圓球度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照?qǐng)D）。性能較好的支撐劑圓球度越接近1，顆粒之間的受力越均勻。然而，2011年棒狀支撐劑在俄羅斯的成功應(yīng)用打破了支撐劑圓球度越接近1越好的傳統(tǒng)思維。

圖7 圓球度對(duì)照?qǐng)D

粒度分布表征的是支撐劑群中各支撐劑的粒徑大小及對(duì)應(yīng)的數(shù)量比率。粒度分布越均勻，形成的孔隙空間越大。支撐劑粒徑的大小用目數(shù)表示，通常目數(shù)越大，支撐劑粒徑越小，粒徑越小，懸浮性能越好，但形成的支撐劑充填層導(dǎo)流能力越低。近年來在非常規(guī)儲(chǔ)層開發(fā)中形成了組合加砂技術(shù)，即將不同粒徑支撐劑的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，在縫端加入小粒徑的支撐劑來增加裂縫有效長度；在井筒附近添加較大粒徑支撐劑形成高導(dǎo)流帶。

在結(jié)合壓裂工藝對(duì)支撐劑性能需求的基礎(chǔ)上，篩選出能帶來最佳經(jīng)濟(jì)效益的支撐劑。無論采用何種工藝來提高油井產(chǎn)量，最終的目的均為獲得經(jīng)濟(jì)效益。支撐劑成本作為壓裂作業(yè)費(fèi)用的重要組成部分，需要決策者權(quán)衡增加裂縫長度和導(dǎo)流能力帶來的成本增加與產(chǎn)量增加帶來的經(jīng)濟(jì)效益之間的關(guān)系。

4 支撐劑運(yùn)移規(guī)律

支撐劑運(yùn)移是影響裂縫參數(shù)設(shè)計(jì)和支撐劑鋪置的關(guān)鍵要素。在傳統(tǒng)壓裂液體系中，通過增加支撐劑的運(yùn)移時(shí)間來增加裂縫長度，因此使支撐劑能保持懸浮狀態(tài)最佳。根據(jù)Strokes定律可知，不同流動(dòng)情況下，支撐劑的沉降速度Vs不同，懸浮性能往往取決于支撐劑的密度和粒徑、壓裂液的密度和黏度。

根據(jù)Strokes公式：

當(dāng)雷諾數(shù)Re＜2時(shí)：

當(dāng)雷諾數(shù) 2＜Re＜500 時(shí)：

當(dāng)雷諾數(shù)Re＞500時(shí)：

傳統(tǒng)的胍膠壓裂液體系通過增加壓裂液的黏度降低支撐劑的沉降速度，是真正意義上的攜砂液，產(chǎn)生的裂縫形狀也是對(duì)稱的兩翼縫。對(duì)于非常規(guī)儲(chǔ)層，為形成復(fù)雜縫網(wǎng)體系，通常采用不具有高黏彈性的滑溜水壓裂液體系，支撐劑在靜態(tài)條件下的沉降速度很快，故運(yùn)移主要由形成的砂堤本身運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)。如果壓裂液緩慢地流過砂堤頂部，則幾乎很少有支撐劑運(yùn)移發(fā)生；在較高流速下，支撐劑顆粒沿沉降的砂堤表面滾動(dòng)或滑動(dòng)；在更高的速度下，支撐劑顆粒從砂堤表面反彈回流動(dòng)中，該現(xiàn)象稱為躍移[12]。

5 展望

隨著深層油藏開發(fā)進(jìn)程加快和裂縫幾何尺寸、儲(chǔ)層物性復(fù)雜化，壓裂工藝對(duì)支撐劑的力學(xué)性能要求也越來越高。除了探索低密度甚至超低密度高強(qiáng)度的支撐劑外，還需要結(jié)合多學(xué)科領(lǐng)域，在現(xiàn)有支撐劑基礎(chǔ)之上進(jìn)行改性研究，開發(fā)出適應(yīng)復(fù)雜地層條件下的支撐劑，如增加覆膜支撐劑在高溫高壓地層的壽命、對(duì)支撐劑表面進(jìn)行疏水改性降低油井產(chǎn)水量以及增加偶聯(lián)強(qiáng)度降低覆膜厚度（減緩高閉合壓力下支撐劑粘結(jié)而導(dǎo)致支撐劑導(dǎo)流能力急劇下降的現(xiàn)象）。支撐劑作為壓裂作業(yè)中必不可少的元素，隨壓裂改造工藝在油氣田開發(fā)中地位的不斷提高，未來的支撐劑將朝著功能型、智能型和經(jīng)濟(jì)型方向發(fā)展。這就需要研究人員打破傳統(tǒng)支撐劑的束縛，深入了解支撐劑在裂縫中的作用機(jī)理，理論與實(shí)際相結(jié)合，善于發(fā)現(xiàn)、敢于創(chuàng)新。

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Overview of the proppant development and prospect

JIA Xunan
（China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

With the accelerated development of deeper reservoirs and unconventional formation,the more complex fracture geometry and reservoir properties,the requirement of the fracturing treatment on proppant performance is getting higher and higher.Proppant is an indispensable element in fracturing treatment,supporting the artificial fractures formed by hydraulic fracture to obtain high conductivity paths for the oil and gas flow into the well.So the study of the proppant will efficiently and economically help improve the oil and gas production.This paper investigates the development status of proppants domestic and abroad,expounds the existing proppants characteristics,analyzes the influencing factors of the proppants performance,compares the proppants migration pattern in different fracturing fluid system,and prospects the development and application trend of proppant at last.

sand；ceramics；resin coated proppant

TE357.12

A

1673-5285（2017）09-0001-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.09.001

2017－08-24

賈旭楠，女（1994-），中國石油大學(xué)（北京）碩士，現(xiàn)從事儲(chǔ)層改造工藝方面的研究工作，郵箱：xunan_j@126.com。