新型樹脂材料支撐劑的性能評(píng)價(jià)

楊 哲，盧 淵，2，黃 丹，黃文強(qiáng)，吳 霞，郝 偉

（1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059；2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·成都理工大學(xué)，四川成都 610059）

水力壓裂是油氣田增產(chǎn)最常用的方法，而支撐劑是壓裂工藝中重要的用料之一，它的作用是支撐壓裂后形成裂縫壁面，從而提高地層流體通過的能力，獲得增產(chǎn)。目前主要使用的是石英砂支撐劑和陶粒支撐劑兩類，這些支撐劑的密度相對(duì)較高，對(duì)壓裂液的性能要求較高，輸運(yùn)距離較短；同時(shí)覆膜砂也在少量地投入使用，國(guó)內(nèi)主要用覆膜砂來防砂和控制回流。為解決目前支撐劑存在的缺點(diǎn)，需尋求低密度高強(qiáng)度的支撐劑材料[1]，樹脂材料密度相對(duì)較小，且不易發(fā)生破碎，可用作支撐劑。因此，本文選用樹脂支撐劑進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)其在壓裂中的支撐效果。

1 常用支撐劑

壓裂支撐劑是指填充并支撐水力壓裂裂縫，使之不再重新閉合而具有一定圓度和球度的固體顆粒。目前常用的支撐劑主要有石英砂、陶粒和覆膜支撐劑，而覆膜支撐劑又包括覆膜砂和覆膜陶粒兩種。國(guó)內(nèi)關(guān)于樹脂材料支撐劑的應(yīng)用還處于探索階段，其應(yīng)用還比較少[2]。

石英砂作為最常見，也是最廉價(jià)的支撐劑，在淺井、低閉合壓力油氣層的水力壓裂中被廣泛使用。石英砂的視密度為2.23 g/cm3～2.65 g/cm3，其密度較大，強(qiáng)度較低，在20 MPa左右就會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的破碎，因此它只適用于閉合壓力較低的油氣井。

陶粒支撐劑的制造通常以鋁礬土礦物為主要原料，經(jīng)熔融噴吹法或燒結(jié)法制備而成。陶粒支撐劑的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的強(qiáng)度，不容易破碎，且具有較好的抗溫、抗鹽能力，它能使水力壓裂裂縫的導(dǎo)流能力遞減更加緩慢；但陶粒支撐劑的相對(duì)密度較大，泵注要求較高，提高了泵注成本，且陶粒支撐劑的制備需要消耗掉大量的鋁土資源，其成本比較高。

目前常用的覆膜支撐劑多為樹脂覆膜支撐劑，它包括兩種類型的樹脂覆膜砂：預(yù)固化樹脂覆膜支撐劑和可固化樹脂覆膜支撐劑。樹脂覆膜支撐劑比未覆膜支撐劑的體積密度低，降低了對(duì)壓裂液的要求。它在閉合壓力作用下會(huì)發(fā)生形變，因此能夠適應(yīng)較高的閉合壓力，同時(shí)它能包裹破碎后的砂粒小塊，使得微粒運(yùn)移及微粒堵塞裂縫的概率大大降低，從而使裂縫導(dǎo)流能力得到提升。

2 基礎(chǔ)性能評(píng)價(jià)

參照中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5108-2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測(cè)試方法》，對(duì)樹脂材料支撐劑的密度、溶解度和破碎率進(jìn)行測(cè)定，與常規(guī)支撐劑進(jìn)行對(duì)比分析。

試驗(yàn)主要儀器設(shè)備：恒溫水浴箱，電子天平，烘箱，振動(dòng)篩，破碎室，壓機(jī)，定性濾紙，漏斗，量筒，燒杯，秒表等。

2.1 密度測(cè)定

支撐劑的密度大小與壓裂液的攜砂能力密切相關(guān)，影響壓裂過程中形成的水力裂縫長(zhǎng)度。低密度的支撐劑能夠增加裂縫有效長(zhǎng)度，提高壓裂井的增產(chǎn)效益。試驗(yàn)測(cè)得樹脂材料支撐劑的密度為1.175 g/cm3，與常規(guī)支撐劑的密度對(duì)比（見表1）。

表1 樹脂材料支撐劑與常規(guī)支撐劑密度對(duì)比

由表1可知，樹脂材料支撐劑的密度比常規(guī)支撐劑的密度要小得多，說明在水力壓裂施工過程中，樹脂材料支撐劑更容易被泵入裂縫中，可較大節(jié)約泵注成本。

2.2 溶解度測(cè)定

支撐劑進(jìn)入地層后，會(huì)和地層流體發(fā)生反應(yīng)，因此在進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，需考慮支撐劑的溶解度對(duì)支撐裂縫導(dǎo)流能力的影響，溶解越多，支撐劑的強(qiáng)度就會(huì)下降越多，其支撐裂縫高度和寬度會(huì)明顯下降[3]。國(guó)標(biāo)要求在標(biāo)準(zhǔn)酸液中，支撐劑的酸溶解度應(yīng)小于等于5%，本次試驗(yàn)未使用標(biāo)準(zhǔn)酸液，而是使用鹽酸和氫氧化鈉溶液對(duì)其溶解度進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果（見表2）。

表2 酸堿環(huán)境下不同支撐劑的溶解度對(duì)比

從表2可知，樹脂材料支撐劑在酸堿性環(huán)境中的溶解度介于石英砂與陶粒之間，說明樹脂材料支撐劑酸堿溶解度較低，穩(wěn)定性較好，符合國(guó)標(biāo)要求。

2.3 破碎率測(cè)定

支撐劑的抗破碎能力是指一定量的支撐劑，在額定的壓力下進(jìn)行承壓測(cè)試所確定的破碎率。不同粒徑支撐劑在不同閉合壓力下破碎率不同，粒徑越大允許的破碎率越大，但最大不超過25%，同時(shí)密度對(duì)支撐劑破碎率也有一定影響。

通過試驗(yàn)，得到樹脂材料支撐劑在不同的閉合壓力下并未發(fā)生破碎，而是產(chǎn)生形變，閉合壓力越大，形變?cè)絿?yán)重。因此，破碎率不適用于評(píng)價(jià)樹脂材料支撐劑的性能，可選用形變程度對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果（見表3）。

樹脂材料支撐劑在閉合壓力作用下的形變能力較強(qiáng)，由表3可知，樹脂材料支撐劑的縱向形變程度（直接受壓面）明顯大于其橫向的形變程度，說明支撐劑在較高閉合壓力下被壓實(shí)了一定量，但總體積無明顯變化。

表3 樹脂材料支撐劑破碎試驗(yàn)后的形變量

3 導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)

裂縫導(dǎo)流能力是指儲(chǔ)層改造作業(yè)后[4-8]，產(chǎn)生的人工裂縫或延展的天然裂縫形成一定導(dǎo)流通道后，在閉合壓力作用下通過或輸送儲(chǔ)層流體的能力。裂縫導(dǎo)流能力是壓裂作業(yè)參數(shù)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。一般，室內(nèi)裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試中，導(dǎo)流能力記為裂縫滲透率Kf與裂縫寬度Wf的乘積，簡(jiǎn)記為KWf。

裂縫導(dǎo)流能力的大小主要與支撐劑的物理性質(zhì)、支撐劑在裂縫中的鋪置濃度及裂縫閉合壓力有關(guān)，也與儲(chǔ)層巖石硬度、溫度、流體性質(zhì)、非達(dá)西流動(dòng)條件、承壓時(shí)間以及壓裂液對(duì)鋪砂層的傷害等因素有關(guān)。支撐裂縫導(dǎo)流能力綜合反映了支撐劑的各項(xiàng)性能指標(biāo)以及影響因素。本文參照SY-T6302-2009《壓裂支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)推薦方法》，設(shè)定鋪砂濃度10 kg/m2，對(duì)粒徑為20/40目的陶粒和樹脂材料支撐劑的導(dǎo)流能力進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果（見表4、圖1）。

表4 20/40目樹脂材料支撐劑與陶粒導(dǎo)流能力（鋪砂濃度10 kg/m2）

由圖1可知，樹脂材料支撐劑與陶粒的導(dǎo)流能力整體相近，當(dāng)閉合壓力介于10 MPa～30 MPa時(shí)，兩種類型支撐劑裂縫導(dǎo)流能力下降幅度都較大，但陶粒的導(dǎo)流能力優(yōu)于樹脂材料支撐劑；當(dāng)閉合壓力為30 MPa～80 MPa時(shí)，導(dǎo)流能力下降幅度變緩，且樹脂材料支撐劑導(dǎo)流能力高于陶粒。其主要原因?yàn)樘樟Ｔ诟唛]合壓力下會(huì)發(fā)生破碎，堵塞孔隙和裂縫，使得導(dǎo)流能力大幅降低，而樹脂材料支撐劑在高閉合壓力下會(huì)發(fā)生形變，不易破碎。因此，對(duì)高壓地層進(jìn)行壓裂改造時(shí)可優(yōu)選樹脂材料支撐劑。

圖1 20/40目樹脂材料支撐劑與陶粒導(dǎo)流能力曲線

4 結(jié)論

（1）樹脂材料支撐劑是一種低密度支撐劑，其密度遠(yuǎn)小于石英砂和陶粒。其酸溶解度介于石英砂和陶粒之間，穩(wěn)定性較好。

（2）樹脂材料支撐劑在閉合壓力作用下不易發(fā)生破碎，會(huì)產(chǎn)生一定程度的形變。因此在對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)主要考慮其形變量。

（3）樹脂材料支撐劑的導(dǎo)流能力與陶粒相近，在低閉合壓力下，陶粒的導(dǎo)流能力較高，在高閉合壓力下，樹脂材料支撐劑的導(dǎo)流能力更優(yōu)。