關(guān)于石油壓裂支撐劑應(yīng)用的思考

＊楊鵬濤 王軍 徐鋒波

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司 陜西 718500）

引言

我國工業(yè)發(fā)展的過程中，石油和天然氣也得到了高速的發(fā)展，壓裂工藝在我國甚至是世界范圍之內(nèi)，尤其是低滲透油氣田的開采工作中，進行了廣泛地使用。當進行油田開采時，通過壓裂技術(shù)的高壓，將油層的巖石裂縫大開，支撐劑能夠直接順著壓裂液而注入，對裂縫形成支撐作用，讓裂縫無法閉合，最終形成能夠讓石油順利流出的通道，因此，在石油的開采工作中，石油壓裂支撐劑是其中無法缺少的重要材料之一，進一步強化對石油壓裂支撐劑應(yīng)用的思考和研究具備著非常重要的現(xiàn)實意義。

1.石油壓裂支撐劑概述

(1)作用機理

石油壓裂支撐劑也被簡稱為石油支撐劑，顧名思義，在展開石油深井開采的工作過程中，通過壓裂處理之后的高閉合壓力低滲透性礦床，能夠讓油氣的巖層直接裂出一條縫隙，待開采的石油就能夠順著這條裂縫直接流出，此時就需要將流體灌注到巖石基層中，保障其壓力能夠超出地層的破裂強度，促使礦井開采井筒周邊的巖石能夠在這樣的壓力之下出現(xiàn)裂縫，最終構(gòu)建出一個具備高層流能力的通道，促使開采的石油能夠順利流出。

石油壓裂支撐劑其主要的構(gòu)成物質(zhì)為陶瓷顆粒，在壓裂強度上具備非常好的性能。在制作石油壓裂支撐劑的過程中，其使用到的重點材料為煤以及性能較為良好的鋁礬土等，通過陶瓷燒結(jié)，最終就能夠得到運用于石油開采工作的石油壓裂支撐劑。除了使用煤和鋁礬土來制作石油壓裂支撐劑，還可以使用玻璃球以及天然形成的金屬球等材料，這些材料構(gòu)成的石油壓裂支撐劑在強度上較低，屬于中低等石油壓裂支撐劑，可以將這類石油壓裂支撐劑視為陶瓷顆粒壓裂支撐劑的代替品。陶瓷砂在進行生產(chǎn)制作時，其生產(chǎn)制作的流程較為復(fù)雜，包括破碎、磨粉以及制作成球等，對于進一步提高石油開采的產(chǎn)量具備非常重要的現(xiàn)實意義。

在深井處開采石油的工作過程中，個別的礦床具備一定的高閉合、低壓力滲透特征，通過石油壓裂支撐劑對其進行處理過之后，會導(dǎo)致具有石油的巖層地基出現(xiàn)開裂，在這條由裂縫形成的通道中，先在通道中聚合，隨后再從通道中流出。這些通過通道流出的液體會直接灌注到巖石基層內(nèi)，最后出現(xiàn)的壓力將會超過底層破裂的壓力，致使井筒的周邊巖層出現(xiàn)裂縫，最終構(gòu)建成一個通道，通過這種方式形成的通道，自身具備一定的高層流能錄，為了保障在出現(xiàn)裂縫之后，裂縫不會輕易被閉合，開采的石油能夠順利地流出，此時就可以使用石油壓裂支撐劑支撐在裂縫中，通過陶瓷支撐材料，和高壓溶液一同灌入到地層中，讓石油壓裂支撐劑能夠全面填充在巖層的裂縫中，能夠起到有效的裂縫支撐作用，促使裂縫不會在應(yīng)力釋放之后，而逐漸閉合，保障開采石油過程中通道裂縫能夠始終保持良好的導(dǎo)流水平，讓石油能夠順利流出，進一步增加石油開采過程中的總產(chǎn)量。通過相關(guān)的研究調(diào)查表明，在進行石油開采的過程中，若是使用到了石油壓裂支撐劑，那么最終獲得的產(chǎn)量將會比不用石油壓裂支撐劑高出30%-50%，甚至能夠促使油井的服務(wù)年限變得更長。

(2)支撐劑類型

在石油壓裂支撐劑中，綜合其實際的使用場景，主要可以劃分為三種類型，分別為石英砂支撐劑、人造陶粒支撐劑和覆膜支撐劑。

首先是石英砂支撐劑。石英砂支撐劑自身具備非常良好的使用性能，在粒度等級上也設(shè)置得較為寬泛，資源相對來說較為豐富多樣，在油田開采作業(yè)中被使用的頻次最廣，但是石英山支撐劑自身也存在一定的缺陷和不足，在脆度上相對較大，在強度上不足，在裂縫閉合壓力較高時，石英砂很容易出現(xiàn)碎裂的問題，降低了裂縫的支撐時間和裂縫的支撐面積，無法真正的提升油田產(chǎn)量。除此之外，石英砂支撐劑表面凹凸不平，對于增大裂縫的滲透率來說無法發(fā)揮出更大的價值和作用。另外，石英砂支撐劑自身具備較高的熱膨脹系數(shù)，若是石油開采的礦井深度較深，同時礦井的溫度也比較高，石英砂可能會在這樣的條件下由于相變而出現(xiàn)突然膨脹，達不到提升石油開采產(chǎn)量的效果。

其次是人造陶粒支撐劑，該類石油壓裂支撐劑在進行制作的過程中，其主要使用的是傳統(tǒng)的工藝，跟石英砂支撐劑相比較，陶粒支撐劑自身具備更強的耐腐蝕性，在強酸堿耐性上也較為良好，在遇到較大的裂縫壓力時，自身的抗破碎性能也更好，比石英砂支撐劑更加地耐用。

最后就是覆膜支撐劑。該類石油壓裂支撐劑能夠全面提升支撐劑的強度值以及耐酸堿性，通常情況下也被稱之為樹脂包覆支撐劑。在覆膜支撐劑中，主要涵蓋了兩個部分，在內(nèi)部，是強度較強的骨料，在外部，被樹脂全面包裹，將其做為該類支撐劑的涂層。涂層材料的制作，主要是由聚合物制作而成的，自身在性質(zhì)上不夠穩(wěn)定，很容易伴隨著時間的推移而逐漸被分解，因此，當覆膜支撐劑使用到一定的時間時，在性能上會有所下降。覆膜支撐劑最大的缺陷和問題就在于將其使用在石油開采時，在應(yīng)力上比較集中，很容易碎掉，出現(xiàn)的微小顆粒會聚集到一起，導(dǎo)致石油流出的通道被堵住，不但無法達到提高石油產(chǎn)量的目標，反而有可能會適得其反，導(dǎo)致裂縫的導(dǎo)流能力降低。

2.石油壓裂支撐劑的選材標準

（1）確保顆粒的直徑均勻。只有保障顆粒的直徑大小足夠均勻，在進行鋪置的過程中，接觸面也比較的平整和均勻，受力能夠保持平衡，承壓荷載水平也會隨之而逐漸升高，自身的滲透性也會逐漸增強，現(xiàn)階段在石油開采工作中所使用到的石油壓裂支撐劑顆粒直徑大多數(shù)都是保持在0.42-0.84mm左右。

（2）確保支撐劑的強度高。不同類型的石油壓裂的支撐劑由于其材料不同，在強度上也存在非常顯著的差異，石油壓裂支撐劑的強度越高，對巖層的承受壓力就越大。不同成分的石油壓裂支撐劑可以使用在不同石油開采的巖層當中。

（3）保障石油壓裂支撐劑的體積保持在一致狀態(tài)下，石油壓裂支撐劑的顆粒球度、顆粒圓度要恰當，這樣在支撐巖層裂縫時，應(yīng)力的分布也能保持足夠均勻，能夠承受的荷載力值也能達到標準。

（4）配伍性。石油壓裂支撐劑和壓裂液一同進入到巖層的裂縫中，需要保障石油壓裂支撐劑會和儲層內(nèi)的各種物質(zhì)出現(xiàn)接觸，不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不會因為反應(yīng)而產(chǎn)生阻礙石油流通的物質(zhì)，支撐劑自身需要具備較為強大的穩(wěn)定性。

（5）密度小。若是石油壓裂支撐劑自身的密度太大，在相同的支撐劑重量條件下，體積較小，受到的浮力也比較小，在和壓裂液一同進入到巖層裂縫中，受到浮力的阻力，最終能夠獲得的巖層支撐效果無法達到預(yù)期標準。

（6）選擇來源和分布較為廣泛，同時成本投入較少，比較方便進行使用的石油壓裂支撐劑。

3.石油壓裂支撐劑應(yīng)用

石油壓裂支撐劑自身在石油開采，油田井下支撐中具備非常重要的價值和作用，經(jīng)常被使用在提高天然氣產(chǎn)量等相關(guān)工作中。通常情況下，石油壓裂支撐劑都是被使用在石油開采的深井中，以及高壓石油層的壓裂改造工作中。主要是因為這類產(chǎn)品是使用較為優(yōu)質(zhì)的鋁礬土作為制造石油壓裂支撐劑的主要材料，將優(yōu)質(zhì)的鋁礬土磨碎之后，在其中加入各種添加劑，反復(fù)的對粒徑進行研磨、拋光，最后通過高溫對其進行燒結(jié)，因此石油壓裂支撐劑自身具備非常良好的光潔度，圓球度也更好，在石油開采過程中具備非常完善的導(dǎo)流能力，除此之外，石油壓裂支撐劑自身具備環(huán)保性質(zhì)，在使用的過程中不會對外界自然環(huán)境造成損害，值得在石油開采工作中進行推廣和使用。

例如水力壓裂技術(shù)，水力壓裂技術(shù)是提升石油產(chǎn)量的重要舉措，該技術(shù)最早是在二十世紀四十年代被提出，發(fā)展到今天為止，已經(jīng)走過了半個世紀的歷程。該技術(shù)主要劃分為兩類，分別為天然的和人造的，被普遍地使用在我國各個地區(qū)的油田開發(fā)工作過程中，尤其是淺井采油，在中深井采油中也被使用的非常廣泛。石油壓裂支撐劑是水力壓裂中的重點組成要素，發(fā)展到今天為止，已經(jīng)獲得了很多創(chuàng)新性的突破。在我國油田開發(fā)的低滲時期，通過對石油壓裂支撐劑的合理使用，使得通過水力壓裂來提高石油開采產(chǎn)量的效果大幅度提升。水力壓裂主要目標在于，將集中在井筒中的縱向液體流向轉(zhuǎn)變?yōu)楹途不ハ嚆暯拥膶?dǎo)流，要求裂縫中的導(dǎo)流水平一定要超過地層中的導(dǎo)流水平，為了促使裂縫的滲透率能夠變得更強，因此需要在其中加入相應(yīng)的石油壓裂支撐劑。加入石油壓裂支撐劑的目標主要是為了進一步強化支撐裂縫兩端的能力，在注泵停止之后，井下的壓力能夠直接下降到低于閉合過程中的壓力值大小，但是在石油壓裂支撐劑的作用之下，能夠促使導(dǎo)流的裂縫仍然處于張開的狀態(tài)下。從二十世紀四十年代提出水利壓裂技術(shù)之后，到今天半個多世紀的發(fā)展時間，支撐劑主要分為人造以及天然兩種類型，天然的石油壓裂支撐劑，主要是將石英砂為主，而人造石油壓裂支撐劑則主要是上文中所提到的燒結(jié)陶粒支撐劑。

4.我國石油支撐劑發(fā)展前景

水利壓裂能夠在滲透性能較低、物性相對來說較差的油田內(nèi)展開壓裂工作，讓本來價值不高甚至是完全不具備開采價值的油田再次具備開采價值，具備其應(yīng)有的產(chǎn)能，石油壓裂支撐劑的使用能夠在其中發(fā)揮出關(guān)鍵性的價值和作用。除此之外，全球巖油開采技術(shù)的創(chuàng)新性突破也為我國石油壓裂支撐劑的發(fā)展指明了發(fā)展方向，為其提供了更多的可能和生機，為了和壓裂技術(shù)能夠保持與時俱進，因此，石油壓裂支撐劑也應(yīng)該在以下幾個方向上加強研究和探索：

（1）需要確保石油壓裂支撐劑能夠滿足各個階段的壓裂技術(shù)，支撐劑在水平方向上的移動速度會受到很多外在因素的影響，例如裂縫的寬度大小以及石油壓裂支撐劑的濃度值等，當石油壓裂支撐劑的顆粒直徑和巖石縫隙之間的比值較高時，石油壓裂支撐劑的濃度就會此時出現(xiàn)相應(yīng)的改變，或者是巖石裂縫的壁面出現(xiàn)了變化。在下雨天時比較濕潤，那么石油壓裂支撐劑的移動和鋪置都會被干擾，沒辦法真正的跟上置液的行進速度，最終導(dǎo)致的結(jié)果就是巖石壓裂效果不夠顯著，無法達標其預(yù)期目標?，F(xiàn)階段，在整個石油壓裂支撐劑領(lǐng)域，很多支撐劑的實際性能都無法滿足這一需求，達不到標準的效果，伴隨著我國水平井壓裂技術(shù)的日漸進步，研究和探索出性能更好，提升石油產(chǎn)量效果更佳的支撐劑是支撐劑的必然發(fā)展趨勢。

（2）需要全面降低石油壓裂支撐劑的密度大小，因為對于一些密度較低的石油壓裂支撐劑來說，其所受到的重力較小，自身的體積也比較大，在漿液中的浮力也會比較大。在巖石裂縫較高的地方下沉的速度非常慢，這樣能夠獲得的巖石裂縫支撐效果也會比較顯著，獲得到的有效裂縫面積也會隨之而逐漸增大。因此，在未來石油壓裂支撐劑的發(fā)展過程中，如何在保障石油壓裂支撐劑的性能，同時降低支撐劑的密度也是其中的重點研究方向。

（3）需要保障石油壓裂支撐劑的經(jīng)濟和環(huán)保性。伴隨著我國工業(yè)事業(yè)的發(fā)展和進步。各個領(lǐng)域的工廠在進行生產(chǎn)建設(shè)的過程中，也排放出了越來越多的廢物，這些廢物的存在為我國的環(huán)境保護工作帶來了非常大的壓力和挑戰(zhàn)。因此，在未來支撐劑的發(fā)展過程中，可以嘗試使用這些廢物來制作支撐劑，既能夠節(jié)約企業(yè)制造支撐劑的成本投入，也可以保護我國的大自然環(huán)境，踐行了我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，實現(xiàn)了石油的綠色開采。

（4）研制出強度更高的燒結(jié)陶?！，F(xiàn)階段，各種人造的燒結(jié)陶粒雖然已經(jīng)具備了非常高的強隊，但是相對密度較高的顆粒，也就需要壓漿液自身的性能以及泵送條件等實現(xiàn)創(chuàng)新性的突破和發(fā)展。因此，石油壓裂支撐劑未來最重要的發(fā)展方向就是實現(xiàn)強度更高的燒結(jié)陶粒，促使石油壓裂支撐劑邁上全新的發(fā)展臺階。

（5）研發(fā)出低密度的空心，同時研發(fā)出多孔支撐劑。生產(chǎn)和制造多孔的球粒需要保障球粒的孔隙始終保持在較為均衡的狀態(tài)之下，達到這一生產(chǎn)制造目標從本質(zhì)上來說沒有那么困難，其主要的制作方式就是將薄壁的小空心球放置在液化床中，隨后將他們烘干，與此同時，還需要燒結(jié)出多個這樣的球粒，隨后讓他們變成一個更大的球，最后將已經(jīng)燒結(jié)完成的球體使用硬皮包來對其進行涂包。在進行燒結(jié)鋁礬土的過程中，若是能夠使用這樣的生產(chǎn)方式，那么就能夠確保最終制定出來的石油壓裂支撐劑密度和沙子更為接近，也能夠?qū)崿F(xiàn)強度的全面增強。

（6）實現(xiàn)雙層樹脂涂層技術(shù)。在雙層樹脂的涂層技術(shù)中，在內(nèi)部使用的是預(yù)固化薄膜，在外部使用的為可固化的薄層。內(nèi)層這樣設(shè)計的主要原因是因為保障石油壓裂支撐劑材料的附加強度能夠達到標準值，外層這樣設(shè)計的主要目的在于能夠更加有效地對顆粒進行粘結(jié)，這樣的設(shè)計方式，能夠?qū)身梼?yōu)勢進行互相結(jié)合，既能夠全面增強支撐劑的強度值，自身也具備一定的自行固結(jié)支撐劑特點。實現(xiàn)雙層樹脂涂層技術(shù)，不管是在什么樣的油田開采項目中，不管是面對什么樣的巖層裂縫，都能夠達到良好的支撐效果。同時，若是實現(xiàn)了雙層樹脂涂層技術(shù)，那么其強度則會超越目前市面上的絕大多數(shù)支撐劑，而且在溫度不斷升高的過程中，其他支撐劑和雙層數(shù)值涂層支撐劑存在的差距也會越來越顯著。

（7）實現(xiàn)多相流和非達西流條件下的支撐劑導(dǎo)流能力研究。目前在進行油田開采的過程中，壓裂模型以及在壓裂方式上的設(shè)計還沒有對多相流以及非達西流影響石油壓裂支撐劑的滲透率展開更加深入的探索和研究，在這方面的忽視，將會導(dǎo)致石油壓裂支撐劑導(dǎo)流能力的研究被限制和約束。因此，在多相流和非達西流的視角之下，隨后再展開石油壓裂支撐劑的導(dǎo)流水平研究，能夠促使壓裂設(shè)計得更加科學(xué)合理，準確性被全面增強，與此同時，也會使得壓裂技術(shù)在使用過程中成本投入更低，具備更高的性價比和科學(xué)合理性。

5.結(jié)論

綜上所述，將石油壓裂支撐劑使用在油田開采工作中，能夠發(fā)揮出重要的價值和作用，作為使用壓裂技術(shù)的重點材料，性能更高、效果更好的石油壓裂支撐劑將成為提升我國石油開采產(chǎn)量的重要材料，具備更加廣闊的發(fā)展前景。因此，應(yīng)該強化對石油壓裂支撐劑使用的研究，促使我國的石油開采工作邁向全新的發(fā)展階段。