石油压裂支撑剂作用机理及发展前景

石油压裂支撑剂作用机理及发展前景暴赫【摘要】随着油气储量逐渐减少,地层条件愈加复杂,开采难度也越来越大.性能优良的支撑剂可大幅提高油井产量,延长油井服务年限.本文通过查阅文献,详细介绍了支撑剂分类、作用机理、材质优选及施工选择,指出了嵌入机制对油井产能的危害,有利于更好的了解支撑剂性能和使用方法,并对发展现状和以后科研方向做出总结,为水力压裂支撑剂选择提供参考和建议.【期刊名称】《化学工程师》【年(卷),期】2019(033)008【总页数】4页(P70-73)【关键词】支撑剂;增产增注;压裂液;裂缝;导流能力【作者】暴赫【作者单位】东北石油大学石油工程学院,黑龙江大庆163318【正文语种】中文【中图分类】TE357世界的飞速发展愈加体现石油资源的重要性，石油是珍贵的不可再生资源，是支撑工业化进程、各国国民经济腾飞的必要条件。

全球石油资源稀少尤其是在我国，因此，如何做到有效开采愈加重要。

为了提高油气田产量，在生产过程中需要采取一些工艺措施和技术手段。

由于某些地层储层物性差、渗透率低，油田开发不得不采用水力压裂，因此，水力压裂是非常重要的一项技术[1]。

水力压裂是地面高压泵组将压裂液注入井中，在井底产生巨大压力形成裂缝。

支撑剂进入裂缝后发挥支撑作用，裂缝沿着两侧渐渐延长变宽，形成具有一定几何形状、尺寸的填砂裂缝，油气通道畅通，油气流出面积因此增大[2]。

所以在压裂过程中，支撑剂是提高产能的关键因素，能够有效地将油气引入油气井，大幅度提高导流能力并维持一定水平。

1 支撑剂的定义及分类1.1 支撑剂的定义支撑剂是具有一定粒度和强度、一定圆球度和级配的天然砂或人造高强陶瓷固体颗粒[3]。

支撑剂的作用就是当储层被压出裂缝后，经携砂液输送、携带充填至裂缝中使之不再闭合，油气运移变得更容易，油气田产量因此增加。

支撑剂作为压裂液关键组成部分，自身物理化学性质，在裂缝中的运动、沉降等因素都直接决定着填砂裂缝的导流能力和有效支撑裂缝的面积[4]。

1.2 支撑剂的类型根据支撑剂的实际应用情况，支撑剂可分为3类，石英砂支撑剂、人造陶粒支撑剂及覆膜支撑剂。

（1）石英砂支撑剂石英砂因其性能良好、粒度等级广泛、资源丰富被油田大量应用，但同时也存在缺陷。

石英砂脆性较大、强度较低，裂缝闭合压力高时石英砂容易破碎，显著降低裂缝的有效支撑面积，达不到油气增产效果[5]；石英砂表面凹凸性不好，不利于增大裂缝的渗透率。

另外就是石英砂热膨胀系数较大，当井深度较深、温度较高时，石英砂存在因相变而产生突然膨胀的风险。

（2）人造陶粒支撑剂人造陶粒支撑剂的制作采用传统工艺措施，相对于石英砂支撑剂，陶粒支撑剂有耐腐蚀、强度高、耐强酸碱性等优点，破碎率远低于石英，更耐使用。

根据烧结后体积密度和视密度的不同，可将支撑剂分为以下3种[6]，见表1。

表1 人造陶粒压裂支撑剂分类Tab.1 Classification of artificial ceramsite fracturing proppant?（3）覆膜支撑剂覆膜支撑剂提高了支撑剂的强度、抗酸碱性，又叫树脂包覆支撑剂。

通常包含两个部分，内部由具有一定强度的骨料组成，外部则是被树脂包覆作为涂层。

涂层材料是由聚合物制造而成，性质不稳定，易分解，所以在使用时受到一定限制[7]。

其最大缺点是在使用时所受应力集中，容易破碎，产生的微小颗粒聚集使渗流通道被堵塞，降低裂缝导流能力[8]。

2 支撑剂的筛选2.1 选材标准（1）粒径均匀支撑剂粒径需要均匀，这样在铺置时接触面平整光滑，受力均匀，承压载荷能力也随之提高，同时渗透性也有显著增大。

目前使用的支撑剂直径多半是 0.42～0.84mm[9]。

（2）强度高支撑剂组成不同，其强度也不同，强度越高，承压能力越大。

不同成分配比可用于不同储层条件。

（3）支撑剂颗粒体积大小要基本一样，球度、圆度要好，这样在支撑受力时颗粒上应力分布会比较均匀，可承受的载荷比较大[10]。

（4）配伍性压裂液携带支撑剂进入裂缝中，支撑剂与储层各种物质流体接触，不会发生反应，产生阻碍油气运移的物质，自身也要性质稳定[11]。

（5）密度小支撑剂密度过大，在同样重量条件下体积小、所受浮力小，会导致在压裂液中悬浮受阻，充填支撑效果不理想。

（6）来源、分布广泛，价格低廉，方便选取材料。

2.2 现场作业要求（1）根据现场需求量，选择来源丰富又运输方便的砂产地，做到既经济，又来源充足。

（2）为了提高导流能力，除储层地质条件、裂缝闭合压力、支撑剂性能外，还要考虑加砂方式，不同加砂方式要选择不同的支撑剂。

（3）支撑剂浓度对其在裂缝中的运移分布、铺置规律具有重要影响[12]，支撑剂颗粒在裂缝中的水平运移速度和方向也会因浓度改变而变化，不能做到有效支撑裂缝，不利于支撑剂的输送，影响颗粒位置分布，并最终决定着裂缝的导流能力[13]，因此，在作业时需要控制好浓度。

（4）不同的加砂程序会影响裂缝内支撑剂的运移、填砂和分布，加砂程序不准确会带来砂堵。

在现场施工过程中，为了杜绝砂堵事故的发生，综合注入液量、施工排量等因素，在压裂初期阶段应该尽量采用低砂比，而在压裂末期阶段可根据压裂施工曲线等方法来确定适当砂比，也可在初期低砂比基础上提高一些，既可以台阶式的提高，也可以线性的提高，从而增加裂缝的导流能力[14]。

（5）支撑剂颗粒粒径越大,沉降速度就越快,因此在施工过程中要采取不同的支撑剂粒径组合,在注水初期阶段,小粒径的支撑剂效果更好,这样能保证裂缝端部被支撑剂支撑；在注水末期阶段,大粒径的支撑剂效果更好,这样能保证支撑剂浓度一定的基础上尽可能增大裂缝的导流能力。

3 支撑剂的作用机理3.1 支撑剂填砂裂缝的导流能力填砂裂缝的导流能力是裂缝闭合后，支撑剂充填带对储层流体的通过能力。

其值等于裂缝渗透率与宽度乘积[15]。

导流能力的测定首选实验室模拟方法，其次采用不稳定试井方法或数值模拟方法。

休斯石油公司进行了实验室模拟来测定导流能力，对比了粒径为0.42～0.84mm的砂子和陶粒在不同砂浓度和闭合压力下的导流能力，并提出了一个计算裂缝导流能力的半经验公式。

结果表明陶粒在高闭合压力下具有相当好的导流能力[16]。

式中（Kb）f：裂缝导流能力，μm2·cm；C：裂缝单位面积的单层砂重，kg·m-2；Z：砂子层数；Pc：闭合压力，MPa；BHN：岩石布氏硬度；α，β：常数，见表2。

表2 各种粒径砂的参数值Tab.2 Parameters of sand of various particle sizes? 3.2 支撑剂的输送支撑剂的沉降规律直接影响填砂着裂缝的几何尺寸、在缝中的铺置规律及裂缝的导流能力。

（1）单颗粒支撑剂沉降斯托克斯利用重力阻力相等原理，得出了无限、静止牛顿液体中颗粒匀速沉降的基本关系。

颗粒在静止液体中的重力：式中 ds：颗粒直径，m；ρs，ρf：分别为支撑剂与压裂液密度，kg·m-3；g：重力加速度，m·s-2；Cs：阻力系数；vs：颗粒沉降速度，m·s-1；K：稠度系数，Pa·sn；γ1：砂子自由降落的剪切速率，s-1；n：流性系数。

（2）支撑剂在裂缝中的沉降砂子在缝中并不是单一颗粒，而是具有一定浓度的运动，因此单颗砂子会受到干扰沉降影响。

计算公式为式中 vsi：干扰沉降速度，m·s-1；C1：携砂液液体所占体积分数。

（3）影响颗粒沉降的因素液体中多颗粒沉降时，由于粒子间相互干扰，沉降速度低于单颗粒沉降速度。

原因有3方面：（a）单颗粒沉降引起周围液体向上流动、阻尼了周围颗粒下沉；（b）液体密度、粘度都有所增加，所受浮力和沉降阻力都增大而减缓颗粒沉降速度；（c）颗粒沉降时，裂缝壁面的不平整会减缓颗粒沉降速度。

3.3 支撑剂的嵌入机理当填砂裂缝闭合压力增大时，支撑剂可能会嵌入地层改变裂缝缝宽，使宽度变小，裂缝导流能力下降严重。

此外支撑剂浓度增大也会加剧嵌入对导流能力的伤害程度。

闭合压力和浓度值较小时,伤害表现并不明显，但增大到一定值时危害就会体现出来。

因此在油井进行水力压裂前需要研究支撑剂嵌入机理，考虑其嵌入比例、弹性形变量对裂缝宽度的影响，在数值模拟的基础上，对比分析支撑剂浓度、弹性模量等因素对裂缝宽度和导流能力的影响规律，用物模数据证明结论，避免嵌入情况发生[17]。

4 支撑剂的发展现状及发展前景4.1 支撑剂的发展现状自世界上第一例油气田水力压裂技术成功应用以来，支撑剂的发展已经有数十年。

工业上使用的支撑剂主要有石英砂、陶粒、覆膜支撑剂3种。

石英砂于60年代后开始现场应用，目前仍在浅井和中深井压裂作业中被大量使用，但在深层致密油气藏压裂作业时，已无法满足耐高温、高压的性能要求；陶粒支撑剂具有强度高、耐酸碱性等优点，耐压能力比石英砂要好很多，但由于价格昂贵，给投产成本带来很大压力。

此外，在部分高裂缝闭合压力条件下，陶粒也会发生破碎失去作用；随着覆膜支撑剂的出现和技术不断进步，石英砂覆膜被环氧树脂覆膜砂替代，外部覆膜树脂层可以对碎块和微粒起到良好的包覆作用，支撑裂缝维持较高导流能力[18]。

4.2 支撑剂的发展前景水力压裂可以在低渗透、物性差的油藏内进行压裂，本已不具备开采价值的油气田会再次拥有产能，而支撑剂的性能对压裂效果起到关键作用[19]。

另外，世界上页岩油开采技术的突破也给支撑剂的发展带来契机。

为赶上压裂技术的发展，支撑剂也应当在以下几方面进行研究：（1）适应水平井压裂技术需要，支撑剂的水平运移速度实际情况下会受到裂缝壁面、宽度以及支撑剂浓度的影响，当支撑剂粒径与缝宽的比值较大时，支撑剂浓度发生变化，或者裂缝壁面润湿性发生变化时，支撑剂的运移铺置都会受到影响，无法跟上前置液的速度，导致压裂效果变差[20]。

目前市场上支撑剂的性能已经不能达到这些要求，随着水平井压裂技术的日趋成熟，研发出性能更优、增产效果更好的支撑剂迫在眉睫；（2）降低支撑剂密度，由于低密度支撑剂所受重力小、体积大、浮力大，在缝高的方向沉降速度缓慢，支撑效果明显，这样能够得到的有效裂缝支撑面积也就越大，因此如何在保持优质性能的条件下研制出低密度的支撑剂也是未来的一个研究方向；（3）要经济环保，随着工业不断发展，工厂生产同时也排出许多固体废弃物，造成环境上困扰，可用这些废弃物来制造支撑剂，节省成本保护环境又紧贴时代可持续发展的绿色思想。

5 结论（1）石油压裂支撑剂可广泛用于低渗高压油气层的压裂改造，具有耐压强度高，导流能力强等优点[21]。

在进行水力压裂开采时，支撑剂随压裂液进入裂缝使之不易闭合，形成具有高导流能力的通道，油井因此增产。

（2）支撑剂嵌入时有发生，因此，在进行水力压裂时应利用物模实验或数值模拟，分析各种因素对裂缝宽度和导流能力的影响规律，并采取措施避免嵌入情况发生。