石油压裂支撑剂的现状及研究进展

赵 爽 刘 挺 王菊侠（陕西省石油化工研究设计院西安710054）

石油压裂支撑剂的现状及研究进展

赵 爽 刘 挺 王菊侠
（陕西省石油化工研究设计院西安710054）

介绍了石油压裂支撑剂，重点总结了陶粒压裂支撑剂国内外研究现状及存在的问题，并根据实际情况对陶粒支撑剂的研究方向及发展趋势进行了探讨。

支撑剂破碎率铝矾土压裂技术高温煅烧

1 引言

随着石油、天然气工业的发展，压裂工艺技术在全世界范围内低渗透油气田的开采中得到广泛应用，当使用压裂技术高压打开油层岩石裂缝，支撑剂随着压裂液注入，支撑裂缝使其无法重新闭合，从而形成油气流出的通道。故压裂支撑剂是石油、天然气低渗透油气井开采压裂施工的关键材料。

目前使用的支撑剂主要有：天然石英砂、陶粒支撑剂、树脂覆膜砂。石英砂由于其粒径不均匀，光洁度差，压裂施工后破碎率高，降低了导流能力，无法满足深井开采的要求。树脂覆膜砂生产工艺复杂，成本高，使用率不高。陶粒支撑剂由于性能稳定、强度高、性价比高，因而广泛使用。

2 国内外现状及存在问题

目前国内外陶粒支撑剂一般是以铝矾土为主料，添加适量辅料及矿化剂，造粒后经高温烧结而成。也有利用熔融喷吹法而成，经融化、高温成型、热处理等，但该方法制备的陶粒强度低、成本高，因而很少使用。

我国在烧结法制备陶粒支撑剂领域已取得了很多成果。中国专利公布了“高强度、高密度陶粒支撑剂及其制造方法[1]”，以铝矾土为主料，添加适量氧化锰粉、氧化镁粉、氧化铁粉，研制出了高强高密的陶粒支撑剂；马雪[2]等以铝矾土和粘土为主料，添加5%的锰矿，于1 350℃高温煅烧，制备的支撑剂样品在52 MPa下破碎率仅为1.61%；蔡宝中[3]等研发的中密高强的H1陶粒支撑剂，可满足超高压深井压裂开采及酸化压裂改造。

我国陶粒砂行业发展水平不平衡，普遍低于国外水平。国内生产的陶粒支撑剂大多为中低端产品，高端陶粒支撑剂主要依赖从美国Carbo公司等进口。美国Carbo公司可生产低铝含量陶粒支撑剂，氧化铝含量仅为53%左右。国内虽已取得部分研究成果，但未用于生产，市面上的支撑剂产品氧化铝含量至少在70%以上，且相对表面光洁度低，抗压强度低，耐酸性能差，无法适应超高压深井压裂开采的需求。

3 陶粒支撑剂的发展趋势

3.1 低铝高强低密陶粒支撑剂

随着铝制品和耐火材料等工业的飞速发展，高品位铝矾土将会出现供不应求的局面。资源的不断损耗和价格上涨，使用低品位铝矾土生产的支撑剂成为陶粒支撑剂发展的趋势。

陶粒支撑剂在保证抗压强度的同时，应尽量低密，这样可以相对减少填充地缝所需的质量，也可以降低泵送的难度和减少对泵的损耗，降低压裂费用。

3.2 利用工业废渣制备陶粒支撑剂

制备陶粒支撑剂的工业废渣主要为含铝量较高的废弃物，如陶瓷辊棒、赤泥、粉煤灰等，配以铝矾土生料及其他添加剂，制备成新型陶粒支撑剂。陶瓷辊棒氧化铝含量在60%～70%之间，可以代替铝矾土生料。赤泥氧化铝含量一般在30%以内，粉煤灰氧化铝含量在18%～40%之间，但与铝矾土合适配比，也可生产出优质陶粒支撑剂。不过与陶瓷棍棒相比，所占比例要小很多。

其他废弃物如油页岩渣、煤矸石等，虽然铝含量不高，但煅烧过程中可以增加陶粒支撑剂中的莫来石含量，莫来石相相互交织，有利于增强增韧，使支撑剂破碎率更低。目前中国专利已发布“一种加煤矸石的石油压裂支撑剂”[4]，使含铁、钛、锰高的煤矸石得到有效利用。

利用工业废渣生产陶粒支撑剂，使原有废弃物资源化，变废为宝，符合环保理念。

3.3 优化工艺制备陶粒支撑剂

陶粒支撑剂的制备中，原料的细度及级配、制粒工艺、烧结参数都对支撑剂产品的性能有很大影响。因此，探索更完善的工艺，也是改善陶粒支撑剂的一项重要途径。

目前支撑剂制备使用的各种原辅料粉料细度在300目以上。一般来说，原料细度大，表面积大，有利于制粒过程水分调节，有利于提高支撑剂的质量和产量。但细度过大，空气含量大，制粒时气体排除会影响强度。此外，合理的颗粒级配，有利于使不同粒径的颗粒分等级团聚，利于制粒和提高支撑剂强度。

制粒决定了陶粒支撑剂的大小、表面形貌、生坯强度乃至最终产品的微观结构等。水分量必须要合适，才能保证支撑剂的质量。

烧结参数对陶粒支撑剂的影响主要表现在烧成温度和保温时间，提高烧成温度对物相变化十分明显，延长保温时间对烧结作用很大，可保持物相较纯。根据支撑剂体积密度、收缩率、显气孔率和强度的变化，并分析显微结构，优化烧结工艺，制备更优质的陶粒支撑剂。

此外，将铝矾土生料粉进行轻烧处理，晶相发生变化且活性很大，使烧结过程更易进行和控制，也是研究的又一方向。

4 结语

我国油气田大部分是低渗透油气田，其最基本的特点就是流体渗透能力差、产能低，水力压裂技术广泛使用，石油压裂支撑剂作为压裂技术的关键材料，性能的优劣直接影响油气井产量。因此，高性能陶粒支撑剂将迎来广阔的市场前景，并不断发展。降低原料对高品位铝矾土的依赖、使用工业废弃物、优化制备工艺必将成为支撑剂发展的重要方向。

[1]贵州鑫益能陶粒支撑剂有限公司.高强度、高密度陶粒支撑剂及其制造方法[P].中国专利：CN101429429 A，2012-11-14.

[2]马雪，姚晓.高强度低密度陶粒支撑剂的制备及性能研究[J].陶瓷学报，2008,29（2）：91-94.

[3]蔡宝中，徐海升.高强度耐酸支撑剂的研制与开发[J].西安石油大学学报（自然科学版），2006，21（6）：76-79.

[4]李青海，冯宗亮，谢应民，田涛.一种加煤矸石的石油压裂支撑剂[P].中国专利：200910023599.X，2012-9-5.

收稿:2014-12-02

DOI∶10.16206∕j.cnki.65-1136∕tg.2015.01.035