陶粒支撑剂定稿

六支撑剂

在水力压裂中压裂效果成败，有效期长短主要取决于支撑剂的质量。支撑剂的作用在于填充压裂产生的水力裂缝，使之不再重新闭合，且形成一个具有高导流能力的流动通道。在储层特征与裂缝几何尺寸相同的条件下，压裂井的增产效果及其生产动态取决于裂缝的导流能力。裂缝导流能力是指裂缝传导（输送）储层流体的能力，并以裂缝支撑剂层的渗透率（K f）与裂缝支撑缝宽（W f）的乘积[KW]f来表示。一般认为，支撑剂的类型、物理性质（粒度、强度、球度、圆度、密度等）及其在裂缝中的分布（铺置浓度，即单位裂缝面积上的支撑剂量）、以及裂缝的闭合压力是控制裂缝导流能力的主要因素。因此，掌握支撑剂的物理性质及影响裂缝导流能力的诸多因素，有利于合理的选择支撑剂，有利于对压裂液与支撑剂等压裂材料提出更为确切的要求。本节将从支撑剂的类型、支撑剂的物理性质及其评价方法、裂缝导流能力及其影响因素、以及支撑剂的选择等四方面对支撑剂与裂缝导流能力做一介绍。其中引用或节录了中国石油天然气总公司颁发的“水力压裂用支撑剂的评定标准”（SY/T 5108—1997）；（SY/T 6302—1997）及美国石油学会推荐方法（API RP56，RP61）中的有关内容，以供掌握使用。

1、支撑剂的类型

压裂用支撑剂可大致分为天然的与人造的两大类。前者以石英砂为代表，后者则是通常称之为陶粒的支撑剂。

目前在油气增产市场上广泛使用五种价格不同的标准支撑剂，它们是天然石英砂、人造的中等强度低密度的硅酸铝支撑剂（陶粒砂）、人造的中等强度高密度的氧化铝和硅酸盐支撑剂、高强度的铝矾土和高强度的硅酸锆支撑剂、以及涂敷预固化涂层和可固化涂层树脂的天然砂或人造支撑剂。它们在油气生产中各自起到不同的作用。

1）石英砂

石英是自然界中构成地壳的主要成分。部分以硅酸盐化合物状态存在，构成各种矿物岩石。另一部分则以独立状态存在，成为单独的矿物实体。虽然它们的化学成分相同，均为SiO2，但由于造岩成矿的条件不同，而有许多种状态和同质异形体；又由于成矿之后所经历的地质作用不同，而呈现出多种状态。从最纯的结晶态二氧化硅（水晶）到无定型的二氧化硅（蛋白质）均属它的范畴。不同的工业部门和科技领域，只能依据自身的要求，从不同的角度去研究和利用它们。

在石油工业中，在水利压裂增产之初，只有天然石英砂是始终并用作支撑剂压裂的材料。一般用于水利压裂的石英砂颗粒相对密度为2.65 g/㎝3左右，体积密度1.60 g/㎝3～1.65 g/㎝3之间。属于α-石英和β-石英晶型。

50年代和60年代开发了不同的砂源并通过筛选，得到了更高的导流能力。60年代世界上渥太华砂、得克萨斯洲砂、约旦砂、圣彼得砂翁渥克砂等已成为可用的标准压裂砂。70年代至今我国也筛选了兰州砂、承德砂、岳阳砂和内蒙砂等作为标准砂广泛的应用在水利压裂中。

（1）特征

石英砂是一种分布广、硬度大的稳定产物。石英的外观视其种类而异，有的呈乳白色，有的呈灰色半透明状态，断面有玻璃光泽或脂肪光泽，加热后颜色自行消失，条痕为白色，性脆而坚硬。热稳定好，加热到1500℃时开始软化，在1710～1756℃时熔化，但没有固定的

熔点。石英仅溶于氢氟酸，不溶于其它酸碱。石英莫氏硬度为7，折光率为1.544～1.553。密度依晶体而异，变动于2.23～2.65g/㎝3

之间。各种石英的密度与比容见下表12-1-6-1。 表12-1-6-1

石英的密度和比容

晶型 密度g/㎝3

比容（㎝3

/g ）

α-石英 2.533 0.3939 β-石英 2.65 0.3773 α-鳞石英 2.228 0.4488 β-鳞石英 2.242 0.4455 γ-鳞石英 2.77～2.35 0.4405～0.4255

α-方石英 2.229 0.4486 β-方石英 2.33～2.34 0.4292～0.4274

石英玻璃

2.21

0.4524

（2）微观结构

石英砂的微观结构，可分为单晶石英和复晶石英两种结构。单晶石英是指颗粒由一个石英晶体组成的，晶体内部有化学键结合在一起，结构紧密。复晶石英是由两个以上的单晶石英聚集在一起而形成的集合体，与单晶石英比较，内部结构相对松散，常见缝理出现。显然在天然石英砂含量中，单晶石英颗粒所占的重量百分数愈大，则该石英的抗压强度越高。石英在自然界中大部分以β-石英的形态稳定存在，只有很少部分以鳞石英和方石英的介稳状态存在。

①α-石英 化学组成接近纯SiO 2，变化范围及小，常含有液、固、气态的机械混入物。

晶体结构为三方晶

；或21321326

314

3P D P D --a 0=0.491nm ，c 0=0.541nm ，z=3。在晶体结构中，硅氧四面体（Si-O ）彼此以顶角相连构成架状结构，沿c 轴方向作三次螺旋状排列与图12-1-6-1a 。

形态为三方偏方面体晶类）（233332L L D -。[SiO 4]四面体以角顶相连，在c 轴方向呈螺

旋状排布，有左、右旋之分其结晶习性为柱状，柱面上有横纹如图12-1-6-1b 。α-石英的结晶习性，随形成温度和过饱和程度的不同而不同。高温时锥面发育，低温时柱面发育如图12-1-6-1c 。集合体形态有显晶和隐晶质两类，前者常呈晶蔟状、块状、致密状；后者常呈钟乳状、皮壳状、结核状等。

②石英-β 化学组成同α-石英（低温石英），石英-β（高温石英）在573～870℃范围内稳定，低于573℃则转变为α-石英。即α-石英 石英-β。晶体结构为六方晶系，；或22622642P P a 0=0.501，c 0=0.548，z=3。晶体结构，如图12-1-6-2a 。

形态为六方偏方面体晶类，2

66L L 。六方双锥晶形发育，有时可见六方柱与其聚成图12-1-6-2b 。 （3）适用范围

石英砂的使用有0.425～0.85㎜；较粗的有1.18～0.85㎜；1.70～0.85㎜，较细的有0.6～0.3㎜；0.42～0.212㎜规格，但0.425～0.85㎜占有优势，在水利压裂中使用量较大，因为在此范围内在一定的闭合压力下相对破碎率低，导流能力高等优点。使用石英砂水利压