功能性壓裂支撐劑研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

朱亞軍，孟令韜，趙 健，郭布民，楚靜彪

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；2.天津市海洋石油難動(dòng)用儲(chǔ)量開采企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300459）

近年來，隨著非常規(guī)頁巖氣與致密油探明儲(chǔ)量不斷增加，儲(chǔ)層壓裂改造技術(shù)已逐漸成為該類油藏經(jīng)濟(jì)開采的重要手段[1-2]。支撐劑作為壓裂工藝中不可忽略的核心技術(shù)產(chǎn)品，其性能優(yōu)劣直接決定裂縫擴(kuò)展規(guī)模與壓裂改造效果[3-5]。因此，優(yōu)良的支撐劑對(duì)釋放儲(chǔ)層產(chǎn)能、提升油氣產(chǎn)量、增加經(jīng)濟(jì)效益起關(guān)鍵性作用。

當(dāng)前壓裂工藝發(fā)展速度快，常規(guī)支撐劑顯露出易嵌入、低導(dǎo)流、自身強(qiáng)度差等缺陷，難以滿足日益復(fù)雜的使用需求[6]。而功能性壓裂支撐劑通過對(duì)常規(guī)支撐劑改性、優(yōu)選特殊材料及制備工藝創(chuàng)新，展現(xiàn)出控水導(dǎo)油、高強(qiáng)度低密度與高導(dǎo)流能力等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到了廣大油田科研工作者的關(guān)注。本文通過調(diào)研功能性壓裂支撐劑發(fā)展沿革，分析了其制備工藝與性能特點(diǎn)，著重探討了功能性壓裂支撐劑在壓裂工藝中的作用機(jī)理。

1 功能性壓裂支撐劑概念的提出

20 世紀(jì)50 年代，阿肯色河中的砂粒被標(biāo)準(zhǔn)石油公司首次用作美國堪薩斯州西南部Hugoton 油田壓裂試驗(yàn)中的支撐劑，成功解決了壓裂后裂縫閉合等難題，為壓裂試驗(yàn)取得了較高的經(jīng)濟(jì)效益。自壓裂用支撐劑試驗(yàn)成功以來，科研人員不斷加強(qiáng)支撐劑在裂縫中支撐機(jī)理的研究并依據(jù)壓裂開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性原則進(jìn)一步推動(dòng)了支撐劑種類發(fā)展與變更。總體來看，支撐劑經(jīng)歷了由原始河砂到陶粒再到功能性壓裂支撐劑的變革[7-8]，其歷程見圖1。

圖1 壓裂用支撐劑發(fā)展歷程時(shí)間軸

功能性壓裂支撐劑最早源自樹脂包覆型支撐劑[9]，通過在砂礫表面覆蓋一層樹脂類高分子材料達(dá)到膠囊保護(hù)作用，其原理是高應(yīng)力下樹脂膜將破碎的砂屑包覆，防止壓碎后的小顆粒支撐劑阻塞孔隙通道減小儲(chǔ)層滲透率，顯著提高了支撐劑耐壓性能。此外高分子樹脂材料的包覆還改善了砂礫支撐劑的圓球度、降低了砂礫棱角，進(jìn)一步提升了樹脂包覆型支撐劑導(dǎo)流能力。但有些高分子樹脂材料存在與壓裂液配伍性問題，部分樹脂外殼會(huì)與壓裂液中的交聯(lián)劑反應(yīng)，影響壓裂改造效果。新一代功能性壓裂支撐劑從化學(xué)改性與物理改質(zhì)兩種設(shè)計(jì)思路出發(fā)，通過線性高分子改性，無機(jī)高分子包覆，或使用纖維混砂、物理模型重新構(gòu)筑等手段有效提高了支撐劑應(yīng)用性能，滿足了新興壓裂工藝設(shè)計(jì)對(duì)支撐劑的各項(xiàng)要求，并已在全球各大油田推廣應(yīng)用[10]。當(dāng)前應(yīng)用較為成熟的功能性壓裂支撐劑主要分為以下四類（圖2）：（1）控水支撐劑；（2）固結(jié)支撐劑；（3）自懸浮支撐劑；（4）相變支撐劑。

圖2 功能性壓裂支撐劑[11]

2 控水支撐劑

針對(duì)邊底水型油藏，壓裂改造后產(chǎn)水量大幅提升，而油氣產(chǎn)量卻大打折扣。為提高壓裂后油氣采收率研發(fā)一種阻水導(dǎo)油的壓裂支撐劑成為亟需解決的課題。BESTAOUI-SPURR 等[12]采用接枝改性技術(shù)將親油基團(tuán)接枝于支撐劑表面（圖3），當(dāng)水油兩相同時(shí)流過支撐劑時(shí)，親油基團(tuán)最大程度保證了油的流動(dòng)性而限制了水的通過，達(dá)到良好的控水效果。DANSO 等[13]以支撐劑覆膜技術(shù)為導(dǎo)向，采用化學(xué)改性法在支撐劑表面覆上了高分子界面膜，使支撐劑表面潤濕性發(fā)生反轉(zhuǎn)，進(jìn)一步提升了支撐劑控水性能。而宋金波等[14]根據(jù)Cassie-Baxter 模型，改變支撐劑表面粗糙度同樣達(dá)到了疏水親油等目的。

圖3 表面接枝改性支撐劑控水機(jī)理示意圖

當(dāng)前控水支撐劑在國內(nèi)油田現(xiàn)場應(yīng)用已較為廣泛。Hexion 油田科技公司研發(fā)的AquaBond 支撐劑[15]，通過改變支撐劑填充層中水的相對(duì)滲透率，可實(shí)現(xiàn)減少地層產(chǎn)水，維持油氣產(chǎn)量等效果，在美國二疊系盆地頁巖油地層的試驗(yàn)中相比未使用AquaBond 支撐劑的井壓裂后產(chǎn)能提升49%。劉紅磊[16]結(jié)合表面張力理論，研制了一種油水選擇性支撐劑，達(dá)到了滲油阻水雙重作用，在腰英臺(tái)油田160 余井次壓裂數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中表明，施工成功率提高8.5%，壓后三個(gè)月內(nèi)單井增油15%以上，區(qū)塊平均含水率下降了3.6%，應(yīng)用效果顯著。

3 固結(jié)支撐劑

固結(jié)支撐劑是通過黏合助劑膠結(jié)或涂層表面高分子材料橋聯(lián)，形成穩(wěn)定人工井壁的功能性壓裂支撐劑，主要用途是防止疏松儲(chǔ)層壓裂后地層出砂和抑制壓裂后支撐劑返吐使裂縫導(dǎo)流能力降低（圖4）。POPE等[17]最早研發(fā)了RCP 技術(shù)（Resin Coated Proppant）用于防止支撐劑回流返吐。該技術(shù)原理是選用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等材料對(duì)支撐劑進(jìn)行預(yù)涂裝，在壓裂施工時(shí)末段塞注入裂縫中，但RCP 存儲(chǔ)時(shí)間短，在注入裂縫前已有部分樹脂發(fā)生固化，導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)上升，且樹脂價(jià)格較高也限制了其規(guī)?；瘧?yīng)用。為克服RCP 技術(shù)缺陷，COOPER 等[18]提出了應(yīng)用新型水基表面改性劑（ASMA）對(duì)支撐劑表面改性，該技術(shù)特點(diǎn)是改性后的支撐劑注入地層未完全固化而是相互黏結(jié)，一方面降低了因流體沖刷而導(dǎo)致的支撐劑返吐，另一方面也阻止了因地層出砂引起的油氣運(yùn)移通道堵塞。國內(nèi)針對(duì)固結(jié)支撐劑相關(guān)研究起步較晚，浮厲沛等[19]使用一種雜環(huán)聚合物對(duì)石英砂支撐劑進(jìn)行表面改性，通過在高閉合壓力下自聚，可實(shí)現(xiàn)固結(jié)防砂，防止支撐劑返吐。

圖4 固結(jié)支撐劑防砂機(jī)理示意圖

4 自懸浮支撐劑

自懸浮支撐劑由骨料和聚合物表面涂覆層組成，其機(jī)理是表面涂覆層遇水溶脹或遇水增黏，使支撐劑體積增大，密度近似等于水，從而懸浮于壓裂液中[20]（圖5）。相比于常規(guī)支撐劑，自懸浮支撐劑具有密度低、易攜帶等特點(diǎn)，有效提升裂縫支撐體積與儲(chǔ)層改造效果。MAHONEY 等[21]結(jié)合“變粒徑、深鋪置”壓裂設(shè)計(jì)思路與自懸浮支撐劑技術(shù)，在德克薩斯州某井場現(xiàn)場成功應(yīng)用，油氣增產(chǎn)效果較鄰井顯著提升。2015 年，國內(nèi)蘇北油田、吉林油田等開展礦場試驗(yàn)，在前置液造完縫后，采用清水或活性水?dāng)y帶自懸浮支撐劑完成加砂改造，有效壓裂液成本節(jié)約，降低壓后儲(chǔ)層傷害，相比于同區(qū)塊鄰井增產(chǎn)1～2 倍[22]。由于自懸浮支撐劑低密度、低摩阻、低傷害等特點(diǎn)，當(dāng)前廣泛應(yīng)用于深煤層、致密氣藏泡沫壓裂中，展現(xiàn)出較好的懸浮能力與支撐劑展布效果[23]。

圖5 自懸浮支撐劑裂縫鋪展機(jī)理示意圖[23]

5 相變支撐劑

相變支撐劑也稱原位生成支撐劑，以液-固相變?yōu)橹鳎▓D6），是一種由液固兩相可轉(zhuǎn)變的新型支撐材料，可實(shí)現(xiàn)壓裂液與支撐劑“合二為一”，解決傳統(tǒng)支撐劑易脫砂、砂堵、注入難等問題[24]。張誠成[25]優(yōu)化了相變流體注入地層時(shí)的壓力、密度差、黏度比、界面張力、注入比例，并通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在裂縫中具有更好的鋪置能力。杜光焰等[26]構(gòu)建了基于相變流體（PF）和非相變流體（NPF）組成的相變壓裂液體系。該體系在地層溫度（60～120 ℃）刺激下PF 發(fā)生相變生成固體支撐顆粒支撐裂縫，而NPF 占據(jù)的裂縫空間為油氣提供流動(dòng)通道，提高了裂縫導(dǎo)流能力。

圖6 液-固相變支撐劑在水力壓裂中的應(yīng)用機(jī)理示意圖

6 結(jié)論

隨著壓裂儲(chǔ)層改造工藝在深層致密油氣藏開發(fā)中的地位不斷提高，壓裂工藝對(duì)支撐劑的性能要求越來越苛刻，支撐劑研究面臨更多機(jī)遇與挑戰(zhàn)。功能性壓裂支撐劑通過材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、表面增強(qiáng)改性技術(shù)，提升支撐劑鋪置面積，增強(qiáng)裂縫導(dǎo)流能力，促進(jìn)壓裂工藝提質(zhì)增效。未來，功能性壓裂支撐劑將以智能型、經(jīng)濟(jì)型為導(dǎo)向開展攻關(guān)研究，提高壓裂改造效果，降低壓裂作業(yè)成本，實(shí)現(xiàn)低滲致密油氣藏經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)。