陶粒支撑剂定稿.docx

1、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（Kf）与裂缝支撑缝宽（Wf）的乘积KWf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

2、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 51081997）；（SY/T 63021997）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

3、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

4、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/31.65 g/3之间。属于-石英和-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

5、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17101756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1.5441.553。密度依晶体而异，变动于2.232.65g/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）-石英2.5330.3939-石英2.650.3773-鳞石英2.2280.4488-鳞石英2.2420.4455-鳞石英2.772.350.44050.4255-

6、方石英2.2290.4486-方石英2.332.340.42920.4274石英玻璃2.210.4524（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-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。-石英 化学组成接近纯SiO2，变化范围及小，常含有液、固、气态的机械混入物。

7、晶体结构为三方晶a0=0.491nm，c0=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。SiO4四面体以角顶相连，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。-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。 化学组成同-石英（低温石英），（高温石英）在573870范围内稳定，低于

8、573则转变为-石英。即-石英 。晶体结构为六方晶系，a0=0.501，c0=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，。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0.4250.85；较粗的有1.180.85；1.700.85，较细的有0.60.3；0.420.212规格，但0.4250.85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。使用石英砂水利压裂有一定的局限性因为在2.073.45MPa闭合压力下砂粒开始破碎，到28MPa闭合压力下破碎率在713%之

9、间，因此使用天然石英砂进行水利压裂时要根据地层条件和闭合压力来确定。我国使用的部分较高质量的天然砂物理指标参见表12-1-6-14优点a）适用于低闭合压力的各类储层；b）相对密度低，便于施工泵送。施工中减少泵和设备以及施工管线、管柱在井口内和井口部位磨蚀；c）圆、球度较好的石英砂破碎后成少小碎块状，单仍可保持一定的导流能力；d）价格便宜，资源丰富。缺点a）石英砂抗压强度低，开始破碎压力约为20MPa，不适合在中、高闭合压力的压裂层中使用； b）石英砂抗压强度低，破碎后的碎屑造成微粒运移、堵塞、嵌入、压裂液的伤害（滤饼和残渣）及非达西流动、时间等因素的影响，大大降低导流能力，甚至降低到原来的1/

10、10或更低一些。2）人造陶粒支撑剂（1）人造支撑剂的发展和作用在70年代后期，美国研制烧结铝矾土（陶粒）和熔炼氧化锆支撑剂等。中高强度人造合成材料的发明，在水利支撑剂压裂技术发展方面实现了决定性的突破，这种合成材料与低强度砂明显不同，能抵抗高达69103MPa（1000015000psi）的闭合压力。因此，与研制的高性能现代压裂液一起，为压裂高压深层井开辟了新的途径。在1976年首先在美国砂场上得到应用。而且由于惊人的压裂效果促进了深井压裂的迅速发展。由于烧结铝矾土和熔融氧化锆支撑剂具有粒径分布均匀、圆、球度高、抗酸蚀性强、抗压强度高，在高达139MPa（20000psi）的闭合压力下仍有最好

11、的导流能力。在70年代后期和80年代早期又有两种人造陶瓷类支撑剂引入市场，它们是多铝红柱石和多铝红柱石与金刚砂的混合体，也是低密度和高密度的中等材料，可分别耐压高达55MPa（8000psi）和69 MPa（10000psi）的闭合压力。这两种中等强度的支撑剂从密度、导流能力、抗闭合压力和价格上填补了低强度天然石英砂和高强度烧结铝矾土和熔融氧化锆之间的空白。这两种支撑剂具有相对密度低在施工中悬浮和输送性能好，由携砂液充填到裂缝时不发生沉淀。因而扩大了经济和技术上的应用领域。国内在这个方面是从1979年代开始发展的，研制生产出喷吹的铝矾土高强度支撑剂，1987江苏东方成功的研制出低密度支撑剂。相

12、继以后开发了中密度、高密度不同性能的支撑剂，被广泛应用在我国油气生产上。经过二十年的不懈努力我国攀枝花环业公司的高、中密度支撑剂在同行业中也赶上世界先进水平，在产品的某些性能指标已超过了世界先进水平。（2）化学组成化学组成 烧结硅酸盐和铝矾土支撑剂视采用的原料不同（Al2O3含量），产品形成的晶相不同、密度不同、强度也不同。例如：低密度支撑剂Al2O3含量一般在5055%之间；而中密度和高密度支撑剂则分别是7278%、和8085%之间。化学组成见表12-1-6-2。表12-1-6-2 国内外典型陶粒支撑剂化学组成化学组成国内国外低密度宜兴东方中密度攀枝花环业高密度攀枝花环业低密度CARBOLI

13、TE中密度CARBOPROP高密度CARBOHSPAl2O3SiO2Fe2O3TiO2其它455540552 3231272781318683412808546353.54.512485344480.71.11.52.50.61.2707611158.910.53.24.512818637583412（2）支撑剂的密度通常人们习惯将支撑剂密度（0.4250.85mm）可以划分为三个阶段，低密度、中密度和高密度，体积密度和视密度分别是1.65 g/cm3以下和2.90 g/cm3以下称为低密度支撑剂；1.65 g/cm31.80 g/cm3和3.00 g/cm33.20 g/cm3为中密度支撑剂

14、；1.80 g/cm3以上和3.20 g/cm3以上为高密度支撑剂。物理指标参见表12-1-6-15低密度支撑剂 低密度陶粒生产一般采用含量低的铝矾土和硅酸铝原料外，添加部分附助原料，在12501280烧结而成。由于支撑剂的AL2O3含量低，烧结温度低，所形成的晶体是方石英和少量的莫来石体相构成，故具有低密度。国外以美国CARBO公司的CARBOLITE产品，国内以宜兴东方和新安鑫钰陶粒厂为代表的产品，颗粒密度分别为2.67 g/cm3、2.74 g/cm3和2.89 g/cm3；体积密度分别为1.62 g/cm3、1.58 g/cm3和1.62 g/cm3，52MPa闭合压力下碎率在68%之

15、间，可满足低闭合压力（52MPa，7500psi以下）压裂井的增产要求。中密度支撑剂 我国中密度陶粒支撑剂的生产是采用高铝矾土原料（AL2O3含量7277%），为了促使产品能形成刚玉体（-AL2O3），添加了部分相转剂，由于烧结温度高又添加了降温剂，因此烧结温度控制在13401360。铝矾土含量在这个区域和温度间，形成刚玉体（-AL2O3）仍很困难，因此多数形成了莫来石（3AL2O32SO2也称为富铝红柱石）和少量的刚玉晶体。颗粒密度在3.00 g/cm33.40 g/cm3之间；体积密度在1.68 g/cm31.79 g/cm3之间。这种产品目前已占据国内市场。国外美国CARBO公司的CAR

16、BOPROP产品是中等强度的支撑剂（ISP）颗粒密度3.30 g/cm3；体积密度1.96 g/cm3。中密度支撑剂在52MPa和69MPa压力下破碎率分别在1.342.84%；4.847.10%范围内。这种支撑剂主要用于闭合压力在5269MPa内的压裂施工作业。高密度支撑剂 高强度支撑剂是烧结高铝矾土和氧化锆物料制成。国内主要以烧结高铝矾土生产，AL2O3含量高达8185%之间，烧结温度在13601420。为使生成更多的刚玉相，添加了少量非金属二价离子和三价离子，也降低了烧结温度。这一组成与美国支撑剂基本一致。其晶体结构主要是刚玉及少量的莫来石晶体（X-射线衍射、电镜能谱、热重分析可确定晶型

17、）。这种高强度支撑剂国内攀枝花环业公司和贵州林海的颗粒密度3.393.41 g/cm3；体积密度1.801.87 g/cm3。国外以美国CARBO公司的CARBOHSP产品，颗粒密度3.62 g/cm3体积密度2.04 g/cm3。高密度支撑剂在69MPa和86MPa压力下破碎率分别在3.64.5%；68%范围内。适用于深井、超深井高闭合压力（69100MPa）的压裂增产要求。（4）支撑剂颗粒硬度和设备磨损不同密度的支撑剂因不同机械性质而产生不同硬度，并由此产生了研磨作用，高密度支撑剂在压裂施工过程中严重磨蚀泵和设备管线。在大型水利压裂在高压下用高注入速度泵高浓度支撑剂。在较长时间内，泵入大量

18、支撑剂会引起施工管线、管柱及在井口内和井口部位严重磨蚀问题。根据支撑剂的类型，烧结铝矾土危害最大。生产中烧结铝矾土支撑剂返排时严重刺坏阀门和井口采油树。高密度硅酸铝和氧化物支撑剂也会出现此现象。因此在水利压裂井中应根据井深、闭合压力、岩层物性等，合理选择使用支撑剂。（5）人造支撑剂的优缺点优点）人造支撑剂相对密度高，在相同闭合压力下，与石英砂比较具有破碎率低，导流能力高的性能。尤其是在高闭合压力下能提供一定的导流能力，完成压裂的增产任务。）人造支撑剂具有抗盐、耐温性能，在150200含10%盐水中陈化240后抗压强度不变【注】；在280和溶液PH值为11的条件下，陈化72后，陶粒的重量损失为3

19、.5%，而石英砂约有50%被溶解，如表12-1-6-3。表12-1-6-3 模拟蒸汽注入条件下支撑剂的重量损失样品温度，时间， PH值重量损失，%烧结铝矾土0.450.92933157270.72933157291.329331572113.5Ottawa砂0.450.928230472731.926028072938.5260280721146.1【注】引用石油工业出版社采油工程技术手册压裂酸化工艺技术）随着闭合压力的增加或乘压时间的延长，陶粒的破碎率要比石英砂低的多，导流能力的递减率也要慢的多。因此，对任一深度，任一储层来说，使用陶粒支撑剂水利压裂都会获得较高的初产量，稳产量与更长的有效期

20、。缺点）人造支撑剂相对颗粒密度较高，例如：石英砂为2.60 g/cm32.70 g/cm3，而陶粒砂则为2.80 g/cm33.60 g/cm3。因此，对压裂液的性能（如粘度，流变性等）及泵送条件（如排量，设备功率等）都提出了更高要求。）陶粒支撑剂的颗粒相对密度与抗压强度均取决于物料中三氧化二铝的含量。随着三氧化二铝的含量增加，陶粒的密度增高，抗压强度也随之增大，所以两者应取得某一平衡。另一方面，在物料的含铝量相同的条件下，加工工艺（粉料细度、半成品强度、烧结温度）是控制该陶粒质量的关键。因此，陶粒的物料选择与制造过程都都比其它支撑剂要求严格、复杂得多。）人造陶粒支撑剂相对磨损大、价格高。3）

21、树脂涂层砂树脂涂层砂是采用一种特殊工艺将改性环氧树脂或者酚醛树脂，在天然石英砂和人造支撑剂上涂敷树脂技术。该技术是在1976年开始研究的，80年代初开始大量应用到油气工业中，至今在油气工业中发挥了极大的作用。（1）特征 树脂涂层砂支撑剂减少了颗粒接触处的点载荷。支撑剂周围的树脂薄膜增加了各颗粒之间的接触面积，所以这些颗粒就能够耐得住压碎之前的较高闭合压力。虽然未涂层的支撑剂砂粒间的点与点接触，接触面积的直径小于颗粒直径10%，变成了小面积接触，接触面积更宽高达直径25%40%分散了作用于砂粒上的负荷，使砂粒具有更高的抗破碎能力。见图12-1-6-3。坚韧的树脂膜在原油、盐水和大多数酸液中，其化

22、学性质是不活泼的。由于面接触树脂膜的塑性流动而降低了点对点的载荷之外，这些树脂膜粘连并包住压碎的砂粒碎屑，减少了碎屑运移这就提高了导流能力；但另一方面由于树脂薄膜在高闭合压力状态下变形则引起导流能力降低。与预固化涂层砂相比可固化支撑剂的接触带由于树脂流动较好而宽的多，在高闭合压力状态下由于树脂涂层的变形所引起的初始导流能力降低，所产生的细粒越少，其导流能力越高。（2）树脂涂层支撑剂的作用 树脂涂层砂可以降低支撑剂的密度，提高支撑剂的强度，减少支撑剂的酸溶解度，压裂施工中减少泵和设备管线以及管柱及在井口内和井口部位严重磨蚀。在疏松岩层中防止支撑剂嵌入，在吐砂井中起到防防砂作用，返排时防止支撑剂回

23、流等。树脂涂层砂常用有两种类型，一种是预固化涂层砂；另一种是可固化涂层砂。各自在压裂施工中起到不同的作用。预固化涂层砂 预固化涂层砂是将支撑剂表面涂敷一层树脂，使每粒支撑剂均有一层坚韧的树脂外壳，在高闭合压力下，由于树脂涂层砂的特性改变了接触方式，增大了接触面积，支撑剂的外壳分散了作用在砂粒的压力，提高了砂粒的抗破碎能力，（如图12-1-6-4；12-1-6-5）。在高的闭合压力下，由于压碎支撑剂的碎屑包覆在树脂壳内，防止了碎屑、细粉砂的运移，能提高了导流能力。可固化涂层支撑剂 可固化涂层砂支撑剂可分为两种，一种是单涂层，另一种是双涂层。单涂层可固化支撑剂是在支撑剂表面事先包裹一层与压裂目的层

24、温度相匹配的树脂，并做为尾追支撑剂置于水利压裂的近井缝段，当裂缝闭合且地层温度恢复后，这种可固化的树脂涂层首先在地层温度下软化成玻璃状，在活化剂作用下开始反应，砂粒间键合在一起，同时与新的裂缝表面也缝合在一起，在裂缝深处与井筒地带形成一条有渗透能力的过滤层“屏障”，稳固了裂缝表面，这样起到防止缝内支撑剂返吐回流的作用。也可用于疏松岩层水利压裂，防止支撑剂嵌入达到压裂目的。双涂层支撑剂是预先涂敷一层预固化树脂层，然后在涂敷一层压裂目的层温度相匹配的有潜伏性固化剂树脂层，使之性能和质量更高于单涂层可固化支撑剂。可固化树脂涂层是依据不同地层温度而特别制作的，可满足不同温度的地层需要。 国内外树脂涂层

25、砂与石英砂数据见表12-1-6-4和表12-1-6-5。表12-1-6-4 国内0.450.90树脂涂层砂与石英砂的比较实验条件石英砂（承德砂）预固化涂层砂可固化涂层砂密度：体积密度，g/cm3视密度，g/cm3破碎率，%28MPa52MPa69MPa86MPa支撑剂的导流能力，u10 MPa20 MPa30 MPa40 MPa50 MPa60 MPa1.642.646.725.6125.1759.5439.3822.52/1.522.231.02.53.0115.7989.5472.6464.6343.2631.261.582.2499.9784.3772.3959.5049.1243.14

26、表12-1-6-5 美国0.4250.85树脂涂层砂与石英砂的比较实验条件石英砂涂层砂北部白砂得州中砂预固化可固化密度：体积密度，g/cm3视密度，g/cm3破碎率，%20.7MPa27.6MPa41.4MPa51.7MPa68.9 MPa86.2 MPa支撑剂的渗透率，u13.8MPa27.6 MPa41.4MPa55.2 MPa68.9MPa82.5MPa1.552.654.03801909537181.542.651.43001807028161.602.52.0.10.41.54.52902001509562401.55555989095776550【注】 （可）固化树脂包衣砂支撑剂渗

27、透率的试验条件为90（200）经16h固化。（4）树脂涂层砂的优缺点优点a）适用于中、高闭合压力的各类油气储层压裂使用。b）相对密度低，便于施工泵送。施工中减少泵和设备以及施工管线、管柱在井口内和井口部位磨蚀；c）提高支撑剂的强度，在高闭合压力下涂层砂破碎后由于树脂膜粘连并包住压碎的砂粒碎屑，减少了碎屑运移提高了支撑剂导流能力。d）化学惰性好，能耐地层原油，酸和盐水的侵蚀。e）可控制水力压裂后的支撑剂回流，可防止疏松岩层支撑剂的镶嵌。缺点）树脂涂层支撑剂合成工艺复杂，相对价格高。4）支撑剂使用选择范围见表12-1-6-6支撑剂类型耐闭合压力（MPa）适应井深m用途石英砂282800以下常规水利

28、压裂低密度陶粒砂52以下28003300常规水利压裂中密度陶粒砂526928003600常规水利压裂高密度陶粒砂6910036005000常规水利压裂包衣石英砂（预固化）523300以下常规水利压裂包衣石英砂（可固化）523300以下可用防砂及返吐砂包衣低密度陶粒砂（预固化）6910036005000常规水利压裂包衣低密度陶粒砂（可固化）698630004500可用防砂及返吐砂2、支撑剂的物理性质及其评价方法支撑剂的物理性能包括：支撑剂的粒径分布组成、圆度和球度、酸溶解度、浊度、密度和视密度及抗破碎能力。支撑剂的这些物理性能决定了支撑剂的质量及其在闭合压力下的导流能力。1）理想支撑剂的性质理想

29、支撑剂应具有如下性质：（1）为了获得最大的裂缝支撑宽度，支撑剂应具有足够的抗压强度，不同密度的支撑剂应能承受不同阶段的压力（52MPa、69MPa、86MPa、100MPa）；（2）为了便于泵送，减少支撑剂对设备的磨损并能承受地层闭合压力，支撑剂的密度越低越好；（3）为获得高导流，在易于泵入裂缝的前提下，支撑剂的颗粒应尽量大一些，颗粒要均匀，且圆度和球度应接近1；（4）为了避免对裂缝造成伤害，支撑剂应在温度200的条件下与压裂液及储层流体不产生化学作用；（5）货源充足，价格低廉。下面将对我国现用石英砂和陶粒砂的检测要求，按照中石油天然气SY/T5108-1997“压裂支撑剂性能测试推荐方法”； SY/T6302-1997“压裂支撑剂填充层短期导流能力评价推荐方法”行业标准为主提出一些具体指标。（1）筛析用分样器取得大于100g的支撑剂，再用天平称出100g样品，精确到0.1g。按表16-1-6-7给出的支撑剂粒径范围及相应的6个试验筛加一底盘，从上至下排放好。（表12-1-6-8中国与美国标准筛网尺寸对照表）表12-1-6-7 筛析实验标准筛组合表粒径范围mm1250.900900.450450.224筛 目号16/2020/4040/70