新型树脂材料支撑剂的性能评价

杨 哲，卢 渊，2，黄 丹，黄文强，吴 霞，郝 伟

（1.成都理工大学能源学院，四川成都 610059；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·成都理工大学，四川成都 610059）

水力压裂是油气田增产最常用的方法，而支撑剂是压裂工艺中重要的用料之一，它的作用是支撑压裂后形成裂缝壁面，从而提高地层流体通过的能力，获得增产。目前主要使用的是石英砂支撑剂和陶粒支撑剂两类，这些支撑剂的密度相对较高，对压裂液的性能要求较高，输运距离较短；同时覆膜砂也在少量地投入使用，国内主要用覆膜砂来防砂和控制回流。为解决目前支撑剂存在的缺点，需寻求低密度高强度的支撑剂材料[1]，树脂材料密度相对较小，且不易发生破碎，可用作支撑剂。因此，本文选用树脂支撑剂进行性能评价，评价其在压裂中的支撑效果。

1 常用支撑剂

压裂支撑剂是指填充并支撑水力压裂裂缝，使之不再重新闭合而具有一定圆度和球度的固体颗粒。目前常用的支撑剂主要有石英砂、陶粒和覆膜支撑剂，而覆膜支撑剂又包括覆膜砂和覆膜陶粒两种。国内关于树脂材料支撑剂的应用还处于探索阶段，其应用还比较少[2]。

石英砂作为最常见，也是最廉价的支撑剂，在浅井、低闭合压力油气层的水力压裂中被广泛使用。石英砂的视密度为2.23 g/cm3～2.65 g/cm3，其密度较大，强度较低，在20 MPa左右就会出现较严重的破碎，因此它只适用于闭合压力较低的油气井。

陶粒支撑剂的制造通常以铝矾土矿物为主要原料，经熔融喷吹法或烧结法制备而成。陶粒支撑剂的优点是具有较高的强度，不容易破碎，且具有较好的抗温、抗盐能力，它能使水力压裂裂缝的导流能力递减更加缓慢；但陶粒支撑剂的相对密度较大，泵注要求较高，提高了泵注成本，且陶粒支撑剂的制备需要消耗掉大量的铝土资源，其成本比较高。

目前常用的覆膜支撑剂多为树脂覆膜支撑剂，它包括两种类型的树脂覆膜砂：预固化树脂覆膜支撑剂和可固化树脂覆膜支撑剂。树脂覆膜支撑剂比未覆膜支撑剂的体积密度低，降低了对压裂液的要求。它在闭合压力作用下会发生形变，因此能够适应较高的闭合压力，同时它能包裹破碎后的砂粒小块，使得微粒运移及微粒堵塞裂缝的概率大大降低，从而使裂缝导流能力得到提升。

2 基础性能评价

参照中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 5108-2014《水力压裂和砾石充填作业用支撑剂性能测试方法》，对树脂材料支撑剂的密度、溶解度和破碎率进行测定，与常规支撑剂进行对比分析。

试验主要仪器设备：恒温水浴箱，电子天平，烘箱，振动筛，破碎室，压机，定性滤纸，漏斗，量筒，烧杯，秒表等。

2.1 密度测定

支撑剂的密度大小与压裂液的携砂能力密切相关，影响压裂过程中形成的水力裂缝长度。低密度的支撑剂能够增加裂缝有效长度，提高压裂井的增产效益。试验测得树脂材料支撑剂的密度为1.175 g/cm3，与常规支撑剂的密度对比（见表1）。

表1 树脂材料支撑剂与常规支撑剂密度对比

由表1可知，树脂材料支撑剂的密度比常规支撑剂的密度要小得多，说明在水力压裂施工过程中，树脂材料支撑剂更容易被泵入裂缝中，可较大节约泵注成本。

2.2 溶解度测定

支撑剂进入地层后，会和地层流体发生反应，因此在进行性能测试时，需考虑支撑剂的溶解度对支撑裂缝导流能力的影响，溶解越多，支撑剂的强度就会下降越多，其支撑裂缝高度和宽度会明显下降[3]。国标要求在标准酸液中，支撑剂的酸溶解度应小于等于5%，本次试验未使用标准酸液，而是使用盐酸和氢氧化钠溶液对其溶解度进行测定，试验结果（见表2）。

表2 酸碱环境下不同支撑剂的溶解度对比

从表2可知，树脂材料支撑剂在酸碱性环境中的溶解度介于石英砂与陶粒之间，说明树脂材料支撑剂酸碱溶解度较低，稳定性较好，符合国标要求。

2.3 破碎率测定

支撑剂的抗破碎能力是指一定量的支撑剂，在额定的压力下进行承压测试所确定的破碎率。不同粒径支撑剂在不同闭合压力下破碎率不同，粒径越大允许的破碎率越大，但最大不超过25%，同时密度对支撑剂破碎率也有一定影响。

通过试验，得到树脂材料支撑剂在不同的闭合压力下并未发生破碎，而是产生形变，闭合压力越大，形变越严重。因此，破碎率不适用于评价树脂材料支撑剂的性能，可选用形变程度对其进行评价，试验结果（见表3）。

树脂材料支撑剂在闭合压力作用下的形变能力较强，由表3可知，树脂材料支撑剂的纵向形变程度（直接受压面）明显大于其横向的形变程度，说明支撑剂在较高闭合压力下被压实了一定量，但总体积无明显变化。

表3 树脂材料支撑剂破碎试验后的形变量

3 导流能力评价

裂缝导流能力是指储层改造作业后[4-8]，产生的人工裂缝或延展的天然裂缝形成一定导流通道后，在闭合压力作用下通过或输送储层流体的能力。裂缝导流能力是压裂作业参数设计的一个重要部分。一般，室内裂缝导流能力测试中，导流能力记为裂缝渗透率Kf与裂缝宽度Wf的乘积，简记为KWf。

裂缝导流能力的大小主要与支撑剂的物理性质、支撑剂在裂缝中的铺置浓度及裂缝闭合压力有关，也与储层岩石硬度、温度、流体性质、非达西流动条件、承压时间以及压裂液对铺砂层的伤害等因素有关。支撑裂缝导流能力综合反映了支撑剂的各项性能指标以及影响因素。本文参照SY-T6302-2009《压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》，设定铺砂浓度10 kg/m2，对粒径为20/40目的陶粒和树脂材料支撑剂的导流能力进行测量。试验结果（见表4、图1）。

表4 20/40目树脂材料支撑剂与陶粒导流能力（铺砂浓度10 kg/m2）

由图1可知，树脂材料支撑剂与陶粒的导流能力整体相近，当闭合压力介于10 MPa～30 MPa时，两种类型支撑剂裂缝导流能力下降幅度都较大，但陶粒的导流能力优于树脂材料支撑剂；当闭合压力为30 MPa～80 MPa时，导流能力下降幅度变缓，且树脂材料支撑剂导流能力高于陶粒。其主要原因为陶粒在高闭合压力下会发生破碎，堵塞孔隙和裂缝，使得导流能力大幅降低，而树脂材料支撑剂在高闭合压力下会发生形变，不易破碎。因此，对高压地层进行压裂改造时可优选树脂材料支撑剂。

图1 20/40目树脂材料支撑剂与陶粒导流能力曲线

4 结论

（1）树脂材料支撑剂是一种低密度支撑剂，其密度远小于石英砂和陶粒。其酸溶解度介于石英砂和陶粒之间，稳定性较好。

（2）树脂材料支撑剂在闭合压力作用下不易发生破碎，会产生一定程度的形变。因此在对其进行评价时，应主要考虑其形变量。

（3）树脂材料支撑剂的导流能力与陶粒相近，在低闭合压力下，陶粒的导流能力较高，在高闭合压力下，树脂材料支撑剂的导流能力更优。