水力压裂支撑剂应用现状与研究进展

毛峥，李亭，刘德华，杨琦

(1.长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100；2.长江大学 油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北 武汉 430100；3.中联煤层气有限责任公司，北京 100020)

水力压裂作为一门应用广泛的油气增产改造技术，自20世纪40年代在美国试验成功之后，经历了七十多年的发展[1],其理论和工艺研究取得了巨大的进步。水力压裂过程中，支撑剂通常由压裂液携带进入地层并用于支撑压裂后的水力裂缝，从而使地层中形成一定导流能力的人工裂缝[2]，为油气开采提供渗流通道。水力压裂支撑剂作为一种用来支撑水力裂缝的关键材料，直接影响到压裂改造效果和压裂成功率[3]。水力压裂技术自上世纪出现以来，至今已经使用了许多类型的压裂支撑剂[4]，如核桃壳、金属铝球、玻璃珠等，但是由于材料自身强度和硬度方面存在的缺点，以及成本方面的原因，这些天然支撑剂逐渐难以满足油气勘探开发的需求[5]，因而促使了陶粒、石英砂和覆膜支撑剂的应运而生。

目前国内外压裂现场施工使用的压裂支撑剂，仍主要以传统的石英砂，陶粒以及覆膜支撑剂为主，近年来，随着水力压裂工艺技术的进步，逐渐出现了一些与工艺相适应的新型支压裂撑剂，如纳米支撑剂和多功能支撑剂等，相较于传统的支撑剂，这些新型压裂支撑剂具有更高的抗压强度和导流能力，以及更低的破碎率等优异的性能。因此，要加大对新型压裂支撑剂的研究力度，不断对支撑剂的材料和性能进行优化和技术突破，形成与国内油气储层条件相适应的支撑剂技术体系，这对于提高油气开采综合效益，实现我国油气资源的高效开发具有重要的现实意义。

1 压裂支撑剂应用现状

对于国外压裂施工目前应用较为普遍的压裂支撑剂，主要是以石英砂、陶粒、覆膜支撑剂为主，而国内由于受到地层条件和生产成本等因素的制约，目前各个油气田大部分压裂施工主要还是以石英砂和陶粒为主，覆膜支撑剂的使用相对较少[6]。相较于石英砂来说，虽然覆膜支撑剂和陶粒的基本性能更加优异，但由于成本相对较高并且对产量的提升与石英砂相比差距不大，因此，石英砂目前仍然是国内外压裂施工中应用最为广泛的压裂支撑剂。

1.1 石英砂

天然石英砂通常为石英砂岩经风化剥蚀和水力冲刷等作用形成的颗粒，为了使其具有最佳性能，需要经过一系列的加工处理如清洗、烘干、筛分等，才可以作为支撑剂进行使用。石英砂的主要成分为石英，同时伴有少量的Fe2O3和Al2O3以及CaO和MgO等。石英砂的体积密度一般约为1.75 g/cm3，视密度约为 2.65 g/cm3，可以作为压裂支撑剂的石英砂，其石英含量一般在80%左右，对于更为优质的石英砂来说，石英含量甚至可以达到98%[7]。在水力压裂作业中，比较常见的石英砂支撑剂主要有两类，即白砂和棕砂。北美地区压裂施工常用的为白砂，而国内则大多以棕砂为主，白砂与棕砂相比，性能较为优异，其具有杂质含量少，石英含量高，破碎率低等特点。

石英砂具有价格低廉、操作方便等优点，在闭合压力低的储层有较好的增产改造效果。但由于其自身抗压强度较低、破碎率较大，当储层闭合压力达到甚至超过35 MPa时，石英砂会产生大量破碎，同时由于微粒运移、地层堵塞、支撑剂嵌入以及压裂液伤害等因素的影响，使支撑裂缝的导流能力大幅降低，从而影响压裂效果，因此，石英砂一般比较适合于地层闭合压力较小的油气储层压裂作业[7]。此外，石英砂形状不均匀，圆球度较低，对压裂管柱、管汇和射孔炮眼等会产生较大磨损[8]。尽管相较于陶粒和覆膜支撑剂来说，石英砂的抗压强度较低，抵抗破碎的能力较差，但是近年来，国内外压裂支撑剂发展开始逐渐趋于低成本化，未来石英砂仍然是压裂支撑剂的首选。

1.2 陶粒支撑剂

陶粒支撑剂主要采用高岭土、铝矾土、硅酸镁、软锰矿、白云石等为原料，经过混料、造粒、干燥、烧结等一系列加工过程制备而成。陶粒按密度可以分为低密度陶粒、中密度陶粒和高密度陶粒。与石英砂相比，陶粒支撑剂的形状更为均匀，且具有较高的化学稳定性和热稳定性，以及更高的圆球度和抗压强度。因此，陶粒支撑剂常用于地层裂缝闭合压力大的储层中。可以抵抗高闭合压力，使水力裂缝保持高导流能力[8]。因此，陶粒支撑剂常被应用于地层闭合压力较大的油气储层压裂改造。

陶粒支撑剂由于具有相对密度较大的特点，这就对配套的压裂工艺(如压裂液性能和泵注条件等)提出了更高的要求，在一定程度上增加了施工难度，而且陶粒的原料选取和生产过程都比较严格复杂，加工工艺对其质量和性能的影响很大，因此，陶粒支撑剂的生产成本往往也较高。这些因素使得选用陶粒作为支撑剂进行水力压裂时，施工成本和风险大大增加，从而限制了陶粒支撑剂的广泛使用[9]。目前对于非常规油气的开发，现场也较多采用在石英砂后尾追陶粒的支撑剂组合进行压裂施工，可以起到防止地层出砂和增加裂缝导流能力的目的。

1.3 覆膜支撑剂

覆膜支撑剂是指将高分子树脂包覆在石英砂或陶粒支撑剂的骨料外部，利用高闭合压力将其压紧，从而制备而成的一种压裂支撑剂。高分子树脂膜可以将基体支撑剂表面颗粒间的点与点接触转变成小面积接触，从而将作用于颗粒上的负荷进行了分散，提高了支撑剂颗粒的抗压强度，使之可以具有更高的抗破碎能力。因而覆膜支撑剂不仅具有陶粒和石英砂支撑剂的优点，而且还表现出更高的强度和圆球度，以及相对密度低等优良的特性，并且覆膜支撑剂也可以用来防止支撑剂的返吐和地层出砂。目前常用的覆膜支撑剂按照其包裹方法可以分为预固化和可固化两类型，预固化覆膜支撑剂主用来为裂缝提供高导流能力，可固化覆膜支撑剂则主要用来防止出砂[10]。

对基体支撑剂进行覆膜时，高分子树脂可以对支撑剂表面一些凹凸不平的部分进行填平处理，使得覆膜后的支撑剂表面变得更加圆滑，增大圆球度，同时也使基体支撑剂表面受力更加均匀，从而提高覆膜支撑剂抵抗破碎的能力，使之可以承受更高的闭合压力。另外，由于覆膜支撑剂具有低密度的特点，可以使携砂液和泵送成本降低，同时还便于支撑剂进入储层裂缝的深处。伴随着树脂用量的增加，覆膜支撑剂的成本也会大幅增加，为了降低成本，提高经济性，在保证覆膜支撑剂具有足够抗压强度的前提下，应尽可能减少树脂使用量， 一般控制在6%以下为宜[11]。 目前国内压裂施工在选择覆膜支撑剂时多以覆膜石英砂为主，在控制成本的同时，也可以增大支撑剂的抗压强度，使之可以应用于地层闭合压力较大的深井压裂改造。

2 压裂支撑剂研究进展

近年来，随着对煤层气、致密砂岩气以及页岩气等非常规天然气资源勘探开发力度的不断加大，以及压裂技术工艺的逐渐发展，这就对压裂支撑剂的性能提出了更高的要求，国内外压裂支撑剂技术也随之取得了新的进展，研发出多种新型支撑剂以适应压裂技术发展的需要。

2.1 表面改性支撑剂

表面改性是指利用某种工艺手段对基体材料表面进行处理，使其获得与自身不同的性能和结构的一门技术。近年来，表面改性技术被逐步应用于水力压裂领域，成为压裂支撑剂研究的热点，压裂支撑剂在进行表面改性后会具有一些特殊的功能[12]，使之可以应用于不同地层条件下的储层压裂改造。表面改性支撑剂的种类很多，主要包括疏水支撑剂[13]、自悬浮支撑剂[14]、自聚性支撑剂[15]、磁性支撑剂[16]、多功能支撑剂等[17]，它们均是利用表面改性技术，而研发出的性能更加优异的压裂支撑剂。

疏水支撑剂是利用表面化学改性技术得到的一种具有特殊功能的压裂支撑剂,它是通过改变支撑剂表面亲疏水性能,从而可以控制油水流通性质，有效的提高油气产量[18]。

任先艳等[19]研发了一种包裹有高分子膜的疏水支撑剂，它是将有机硅前驱体和醇混合，再加入氟代硅烷进行反应，得到的反应液再与线性树脂混合进行反应，最后加入固化剂进行固化，从而制得超疏水高分子膜支撑剂，由于该支撑剂表面和水的接触角大于150 ℃，从而显著提高了支撑剂的疏水性能。

牟绍艳等[20]发明了一种疏水改性支撑剂,其制备方法是向基体支撑剂颗粒中加入少量疏水树脂胶,并对其进行10～30 min的搅拌或者晃动，使支撑剂颗粒表面被树脂胶液所润湿,然后进行固化从而制备得到疏水改性支撑剂。该疏水支撑剂具有良好的亲油疏水性，并且制备过程简单，原料用量也较少，使之可以有效的降低油气开采成本，提高油气产量。

自悬浮支撑剂是利用表面改性技术，对基体支撑剂表面进行修饰后接枝聚合的产品[21]。在自悬浮支撑剂的基体颗粒外通常涂覆有水凝胶涂层[22]，水凝胶涂层在水化后，会迅速的发生膨胀，减小了支撑剂的相对密度，使支撑剂颗粒的沉降速度大大降低，增强了支撑剂在压裂携砂液中的悬浮性能，改善了支撑剂在地层中的运移状态，能够确保支撑剂顺利到达裂缝深部，提高压裂效率和油气产量[23]。

张鑫等[23]发明了一种膨胀型悬浮支撑剂，它是通过将表面经过处理的基体支撑剂和共聚单体按一定的比例放置于三口烧瓶中，再向三口烧瓶中加入质量分数为30%的氢氧化钠溶液，紧接着把三口烧瓶放置于温度为30 ℃的恒温水浴中，并且通30 min的氮气，然后在氮气保护下，向三口烧瓶中加入以亚硫酸氢钠和过硫酸铵为主要成分的引发剂，同时均匀的搅拌，经过6 h的静置反应后将三口烧瓶中的聚合体取出，再将其放入温度为80 ℃的干燥箱中进行干燥，待干燥至恒重后利用粉碎机对聚合体采取粉碎处理，最后在选取相应目数的筛网进行筛选，从而制得膨胀型自悬浮支撑剂。

Mahoney等[24]通过在基体支撑剂表面涂覆一层可溶胀水凝胶，从而制备得到自悬浮支撑剂，基体支撑剂表面的可溶胀水凝胶遇水会发生膨胀，同时水凝胶层厚度会逐渐扩大，从而降低支撑剂的密度，使支撑剂在压裂液中的悬浮能力增强，而且使用较少的压裂液量就可以保证将该自悬浮支撑剂输送至裂缝内的预期位置，起到支撑水力裂缝作用。

自聚性支撑剂是通过对基体支撑剂表面进行覆膜改性得到的产品，在压裂液泵送过程中，支撑剂颗粒可以自发聚集，并且以“砂团”形式存在，使支撑剂在生产过程中不易被冲散，从而避免发生支撑剂回流，同时还可以对因流体冲刷发生运移的储层微粒，起到一定的拦截作用，从而实现油气流动通道的“自洁”，使压裂后的人工裂缝长期有效[25]。

Vo等[26]研发了一种具有一定强度的自聚性支撑剂，它是利用可固化树脂和增粘剂按一定比例进行混合制备而成，同时Vo等还对自聚性支撑剂的基本性能，尤其是在维持裂缝形态等方面进行了研究。

Lu等[27]为了控制支撑剂回流，提高压裂经济效益，研发了一种固结自聚型支撑剂，它是通过在基体支撑剂表面涂覆支撑剂固结助剂(PCA)制得的一种自聚型支撑剂，该类型支撑剂可以有效降低支撑剂的回流，进一步降低压裂施工成本。

磁性支撑剂和多功能支撑剂也均是利用化学改性的方法得到的具有特殊功能的表面改性支撑剂。Rediger等[28]将热塑性酚醛树脂加热熔化后，与磁铁矿粉末进行混合，加入固化剂固化后，与六亚甲基四胺一起涂覆在预热过的基体支撑剂表面上，经过冷却得到磁性支撑剂。Radwan[29]设计了一种多功能支撑剂，该支撑剂表面涂层由多种表面活性剂和聚合物组成。当用非粘性液体和少量气体泵送多功能支撑剂时，气泡可以附着在支撑剂表面，并使其悬浮，而且该多功能涂层还可以与各种流体相配伍，包括高盐度水和酸性溶液等。同时，多功能涂层还可以改变支撑剂的表面润湿性，提高支撑剂对气体的相对渗透率，从而可以大大降低生产成本，提高油气产量。

2.2 低密度支撑剂

为了改善压裂液的携砂性能，增大水力裂缝的缝长，以及裂缝长期导流能力，通常可以采用减小支撑剂密度的方法，即减小支撑剂的粒径，降低支撑剂的沉降速度，从而提高压裂改造效果。低密度支撑剂的材料通常有胡桃壳、果核、坚果壳等[30]，采用这些材料制备出的压裂支撑剂，虽然具有很低的密度，但强度往往很低，抵抗破碎的能力较差，一般需要通过在其表面进行覆膜以增加强度。但是由于深部油气储层的闭合应力较大，低密度支撑剂的强度难以为水力裂缝提供有效的支撑。因此，对于低密度支撑剂来说，如何在保持高强度的同时尽可能降低支撑剂密度，是未来低密度支撑剂的重要研究方向。

杨兆中等[31]发明了一种以废矿物油、石英粉为主要原料制备而成的低密度陶粒支撑剂。其制备过程是先对石英粉和废矿物油等原料进行预处理，紧接着加入氧化硼和无水乙醇进行混合球磨，待混合物中的无水乙醇完全挥发后,再对物料进行干燥研磨处理,利用研磨后的粉体进行造粒制得低密度陶粒支撑剂的素坯，最后在真空条件下将干燥后的素坯进行烧结,从而制备得到低密度碳化硅基复相陶粒支撑剂。该低密度支撑剂具有碳化硅晶体结构，与传统的陶粒支撑剂相比性能更加优异，可以在保持高强度的同时进一步降低支撑剂密度。

徐永驰[32]研制了一种树脂类增强多孔低密度支撑剂，其核心材料为树脂，通过在树脂粉末中加入成孔剂、固化剂、增强剂等进行混合造粒，待造粒成球后再加入固化剂进行加热固化。由于在支撑剂的制备过程中引入了成孔剂，可以使树脂类增强多孔支撑剂的体积密度降低到0.69 g/cm3，视密度降低到1.03 g/cm3，使得该多孔低密度支撑剂的体积密度和视密度相较于传统支撑剂来说大大降低，使之可以在清水中悬浮。同时测得该支撑剂的破碎率仅为3.36%(27.6 MPa)，这是由于制备过程中加入了增强剂，从而表现出良好的抗破碎能力。

范俊梅等[33]以纳米SiO2、水玻璃、低品位铝矾土、氧化锰等为原料，采用高温烧结法和等离子动态烧结相结合的技术手段制备了一种低密度支撑剂，同时研究了不同烧结时间和氧化锰掺杂量对支撑剂破碎率、视密度以及体积密度的影响。制备得到的低密度支撑剂视密度为1.639 g/cm3，破碎率仅为8.91%(69 MPa)，该低密度支撑剂与传统支撑剂相比，不仅可以在地层水平方向上运移更远的距离，而且还可以更加均匀的分布在裂缝内，使之可以完全满足中深油气井的压裂要求。

Zou等[34]以粉煤灰、铝土矿、二氧化锰和白云石为原材料，通过低温烧结法制备了超低密度的莫来石-刚玉基陶粒支撑剂。并且对该超低密度支撑剂的体积密度和破碎率与烧结温度和粉煤灰添加量之间的变化规律进行了系统研究。制得的超低密度支撑剂视密度约为2.47 g/cm3，破碎率为8.35%(35 MPa)。

Gu等[35]以核桃壳作为主要材料，使用环氧树脂、酚醛树脂浸渍的方法，同时利用特殊的制备工艺，研制了一种低密度支撑剂，其视密度为 1.25 g/cm3，并进行了模拟实验，在滑溜水中加入该支撑剂后，压裂产生的支撑裂缝长度比石英砂更长。

2.3 原位支撑剂

目前常用的陶粒、石英砂、覆膜支撑剂等都需要压裂液携带才能进入裂缝，极易在地层产生凝胶残留，损害裂缝渗透率和导流能力，同时，如果支撑剂大量漏失或者沉降，也会引起早期脱砂和有效支撑裂缝减少，以及井下管柱和泵入设备磨损等问题，为解决目前压裂施工中所遇到的这些技术难题和挑战，科研人员研发了一种新型压裂支撑剂，即原位支撑剂。原位支撑剂[36]是指注入地下的压裂液，在一定地层温度和压力下，可以转化为有一定圆度和球度的固体支撑剂颗粒。与传统的压裂支撑剂相比，这种通过压裂液原位转化的支撑剂颗粒尺寸明显较大，这也使之有足够的抗压强度去承受裂缝的高闭合压力，从而起到支撑裂缝的作用。此外，相较于传统的压裂支撑剂，在使用原位支撑剂时不会有凝胶残留在地层，对裂缝导流能力造成的损害较小，同时原位支撑剂也不需要消耗大量的压裂液，并且压裂液返排量较少，造缝能力强[37-38]。

Tong等[39]提出了在富含方解石的页岩表面通过水热反应生成羟基磷灰石晶体，以此作为原位支撑剂来提高裂缝导流能力。并且对裂缝导流能力进行了评价，发现经过化学反应处理过的原位支撑剂导流能力，相较于常规的支撑剂提高了3～10倍。

周利华等[40]利用固化反应设计了一种原位支撑剂，即在压裂泵注时，将加入有相界面稳定剂的压裂液和支撑剂原料液(原料液组分为稀释剂、可固化树脂、pH调节剂、固化剂)一起注入地层中，支撑剂原料液在泵送的过程中，会形成小液珠并自发分散在压裂液中，同时压裂液携带小液珠进入地层的水力裂缝中，这些小液珠可以在裂缝中发生固化反应，从而形成球形颗粒的支撑剂，达到支撑水力裂缝的目的。该支撑剂具有形成球度好、强度高等特点，可以使裂缝保持高导流能力，提高油气开发效果。

赵立强等[41]提出了一种自支撑相变压裂技术，通过向储层中注入非相变流体和相变流体组成的相变压裂液体系(Phase-transition Fracturing Fluid System，简称 PFFS)，在地层温度的刺激下，压裂液体系中的相变流体会发生相变，使液体转变成固体，从而形成相变支撑剂颗粒(Chemical-phase-transition Proppant,简称 CP)，从而达到增强裂缝远端导流能力和支撑裂缝的目的，同时非相变流体所占据的裂缝空间，可以在压裂液返排后成为油气流动的通道。

2.4 纳米支撑剂

在页岩油气储层中，分布着一些天然微裂缝，同时压裂过程中也会有微裂缝的产生，但由于目前的压裂支撑剂粒径还不足够小，不能随压裂液进入诱导和天然存在的微裂缝中，无法阻止微裂缝的闭合，从而降低了裂缝导流能力，影响复杂缝网的形成[42]。针对这个问题，Bose等[43]率先提出了纳米支撑剂的概念，纳米支撑剂的粒径在100 nm～1 μm之间，其原理是在泵注常规压裂支撑剂之前，先向地层中注入这些纳米级的支撑剂，使之在裂缝两翼的微裂缝中进行充填，从而可以达到支撑微裂缝的目的，同时还可以增加缝网的导流能力和总长度。此外，还可以利用纳米材料对支撑剂进行覆膜，使之表现出更加优异的性能。

Ren等[44]研究了一种具有超疏水性的纳米材料覆膜支撑剂，它是将经过特殊处理的酚醛树脂包裹在常规的陶粒支撑剂表面而制得的，其中酚醛树脂涂层是由荧光改性的二氧化硅纳米颗粒构成。从而在支撑剂表面形成一层荧光改性的纳米粗糙结构，相较于常规支撑剂具有更高的抗压强度和导流能力以及低破碎率。

徐泉等[45]发明了一种用于非常规储层水力压裂的纳米颗粒覆膜支撑剂。它是通过在树脂和聚合物粉末中加入纳米颗粒，形成的支撑剂覆膜与骨料之间亲和力更好，骨料与覆膜之间的粘附更强，覆膜后的支撑剂表面完整，且覆膜后的支撑剂圆球度高，经过纳米颗粒涂覆的支撑剂具有抗压强度高，悬浮能力强，返排率低等特点。

相较于传统支撑剂，不管是纳米材料覆膜支撑剂或者是纳米级的支撑剂均表现出更加优异的性能，但是由于技术工艺复杂，制备成本高昂等问题，使纳米支撑剂的大规模商业化应用受到了限制，未来如何降低制造成本，以及优化制备工艺将是纳米支撑剂的重要研究方向。

3 结论和展望

(1)随着对非常规油气资源勘探开发进程的加快，储层深度越来越大，储层物性也逐渐趋于复杂化，常规的压裂支撑剂已经很难满足油气开采的需要，这就对压裂支撑剂的性能提出了更高的要求。要加大对高强度低密度甚至超低密度支撑剂的研究，从而降低支撑剂的沉降速度，减少地层脱砂，使支撑剂越容易铺置到深部储层和裂缝远端，提升压裂改造效果。

(2)新型压裂支撑剂虽然在室内实验研究中表现出优异的性能，但由于制备成本高昂，技术工艺复杂等因素，目前尚不能得到大规模的商业化应用，这就需要继续探索低成本的压裂支撑剂材料，可以利用某些工业废料如粉煤灰、铝土矿废石、各种含硅渣等来制备压裂支撑剂，同时也可以考虑以天然的矿砂和河砂为原料，经过简单的加工处理制得压裂用支撑剂，这些低成本支撑剂不仅可以替代传统的石英砂和陶粒支撑剂用于压裂施工，还可以有效降低压裂生产成本。

(3)压裂支撑剂是水力压裂作业中不可或缺的重要一环，在非常规油气储层压裂改造中扮演着至关重要的角色。未来可以将纳米材料和智能材料等高新技术与水力压裂工艺相融合，加大对性能更加优良的压裂支撑剂的研发力度和技术突破，使压裂支撑剂朝着经济型、智能型、功能型的方向发展，从而实现非常规油气高效经济开发。