关于石油压裂支撑剂应用的思考

2023-01-19杨鹏涛王军徐锋波

当代化工研究 2022年5期

＊杨鹏涛王军徐锋波

（中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆井下技术作业公司陕西 718500）

引言

我国工业发展的过程中，石油和天然气也得到了高速的发展，压裂工艺在我国甚至是世界范围之内，尤其是低渗透油气田的开采工作中，进行了广泛地使用。当进行油田开采时，通过压裂技术的高压，将油层的岩石裂缝大开，支撑剂能够直接顺着压裂液而注入，对裂缝形成支撑作用，让裂缝无法闭合，最终形成能够让石油顺利流出的通道，因此，在石油的开采工作中，石油压裂支撑剂是其中无法缺少的重要材料之一，进一步强化对石油压裂支撑剂应用的思考和研究具备着非常重要的现实意义。

1.石油压裂支撑剂概述

(1)作用机理

石油压裂支撑剂也被简称为石油支撑剂，顾名思义，在展开石油深井开采的工作过程中，通过压裂处理之后的高闭合压力低渗透性矿床，能够让油气的岩层直接裂出一条缝隙，待开采的石油就能够顺着这条裂缝直接流出，此时就需要将流体灌注到岩石基层中，保障其压力能够超出地层的破裂强度，促使矿井开采井筒周边的岩石能够在这样的压力之下出现裂缝，最终构建出一个具备高层流能力的通道，促使开采的石油能够顺利流出。

石油压裂支撑剂其主要的构成物质为陶瓷颗粒，在压裂强度上具备非常好的性能。在制作石油压裂支撑剂的过程中，其使用到的重点材料为煤以及性能较为良好的铝矾土等，通过陶瓷烧结，最终就能够得到运用于石油开采工作的石油压裂支撑剂。除了使用煤和铝矾土来制作石油压裂支撑剂，还可以使用玻璃球以及天然形成的金属球等材料，这些材料构成的石油压裂支撑剂在强度上较低，属于中低等石油压裂支撑剂，可以将这类石油压裂支撑剂视为陶瓷颗粒压裂支撑剂的代替品。陶瓷砂在进行生产制作时，其生产制作的流程较为复杂，包括破碎、磨粉以及制作成球等，对于进一步提高石油开采的产量具备非常重要的现实意义。

在深井处开采石油的工作过程中，个别的矿床具备一定的高闭合、低压力渗透特征，通过石油压裂支撑剂对其进行处理过之后，会导致具有石油的岩层地基出现开裂，在这条由裂缝形成的通道中，先在通道中聚合，随后再从通道中流出。这些通过通道流出的液体会直接灌注到岩石基层内，最后出现的压力将会超过底层破裂的压力，致使井筒的周边岩层出现裂缝，最终构建成一个通道，通过这种方式形成的通道，自身具备一定的高层流能录，为了保障在出现裂缝之后，裂缝不会轻易被闭合，开采的石油能够顺利地流出，此时就可以使用石油压裂支撑剂支撑在裂缝中，通过陶瓷支撑材料，和高压溶液一同灌入到地层中，让石油压裂支撑剂能够全面填充在岩层的裂缝中，能够起到有效的裂缝支撑作用，促使裂缝不会在应力释放之后，而逐渐闭合，保障开采石油过程中通道裂缝能够始终保持良好的导流水平，让石油能够顺利流出，进一步增加石油开采过程中的总产量。通过相关的研究调查表明，在进行石油开采的过程中，若是使用到了石油压裂支撑剂，那么最终获得的产量将会比不用石油压裂支撑剂高出30%-50%，甚至能够促使油井的服务年限变得更长。

(2)支撑剂类型

在石油压裂支撑剂中，综合其实际的使用场景，主要可以划分为三种类型，分别为石英砂支撑剂、人造陶粒支撑剂和覆膜支撑剂。

首先是石英砂支撑剂。石英砂支撑剂自身具备非常良好的使用性能，在粒度等级上也设置得较为宽泛，资源相对来说较为丰富多样，在油田开采作业中被使用的频次最广，但是石英山支撑剂自身也存在一定的缺陷和不足，在脆度上相对较大，在强度上不足，在裂缝闭合压力较高时，石英砂很容易出现碎裂的问题，降低了裂缝的支撑时间和裂缝的支撑面积，无法真正的提升油田产量。除此之外，石英砂支撑剂表面凹凸不平，对于增大裂缝的渗透率来说无法发挥出更大的价值和作用。另外，石英砂支撑剂自身具备较高的热膨胀系数，若是石油开采的矿井深度较深，同时矿井的温度也比较高，石英砂可能会在这样的条件下由于相变而出现突然膨胀，达不到提升石油开采产量的效果。

其次是人造陶粒支撑剂，该类石油压裂支撑剂在进行制作的过程中，其主要使用的是传统的工艺，跟石英砂支撑剂相比较，陶粒支撑剂自身具备更强的耐腐蚀性，在强酸碱耐性上也较为良好，在遇到较大的裂缝压力时，自身的抗破碎性能也更好，比石英砂支撑剂更加地耐用。

最后就是覆膜支撑剂。该类石油压裂支撑剂能够全面提升支撑剂的强度值以及耐酸碱性，通常情况下也被称之为树脂包覆支撑剂。在覆膜支撑剂中，主要涵盖了两个部分，在内部，是强度较强的骨料，在外部，被树脂全面包裹，将其做为该类支撑剂的涂层。涂层材料的制作，主要是由聚合物制作而成的，自身在性质上不够稳定，很容易伴随着时间的推移而逐渐被分解，因此，当覆膜支撑剂使用到一定的时间时，在性能上会有所下降。覆膜支撑剂最大的缺陷和问题就在于将其使用在石油开采时，在应力上比较集中，很容易碎掉，出现的微小颗粒会聚集到一起，导致石油流出的通道被堵住，不但无法达到提高石油产量的目标，反而有可能会适得其反，导致裂缝的导流能力降低。

2.石油压裂支撑剂的选材标准

（1）确保颗粒的直径均匀。只有保障颗粒的直径大小足够均匀，在进行铺置的过程中，接触面也比较的平整和均匀，受力能够保持平衡，承压荷载水平也会随之而逐渐升高，自身的渗透性也会逐渐增强，现阶段在石油开采工作中所使用到的石油压裂支撑剂颗粒直径大多数都是保持在0.42-0.84mm左右。

（2）确保支撑剂的强度高。不同类型的石油压裂的支撑剂由于其材料不同，在强度上也存在非常显著的差异，石油压裂支撑剂的强度越高，对岩层的承受压力就越大。不同成分的石油压裂支撑剂可以使用在不同石油开采的岩层当中。

（3）保障石油压裂支撑剂的体积保持在一致状态下，石油压裂支撑剂的颗粒球度、颗粒圆度要恰当，这样在支撑岩层裂缝时，应力的分布也能保持足够均匀，能够承受的荷载力值也能达到标准。

（4）配伍性。石油压裂支撑剂和压裂液一同进入到岩层的裂缝中，需要保障石油压裂支撑剂会和储层内的各种物质出现接触，不会发生化学反应，不会因为反应而产生阻碍石油流通的物质，支撑剂自身需要具备较为强大的稳定性。

（5）密度小。若是石油压裂支撑剂自身的密度太大，在相同的支撑剂重量条件下，体积较小，受到的浮力也比较小，在和压裂液一同进入到岩层裂缝中，受到浮力的阻力，最终能够获得的岩层支撑效果无法达到预期标准。

（6）选择来源和分布较为广泛，同时成本投入较少，比较方便进行使用的石油压裂支撑剂。

3.石油压裂支撑剂应用

石油压裂支撑剂自身在石油开采，油田井下支撑中具备非常重要的价值和作用，经常被使用在提高天然气产量等相关工作中。通常情况下，石油压裂支撑剂都是被使用在石油开采的深井中，以及高压石油层的压裂改造工作中。主要是因为这类产品是使用较为优质的铝矾土作为制造石油压裂支撑剂的主要材料，将优质的铝矾土磨碎之后，在其中加入各种添加剂，反复的对粒径进行研磨、抛光，最后通过高温对其进行烧结，因此石油压裂支撑剂自身具备非常良好的光洁度，圆球度也更好，在石油开采过程中具备非常完善的导流能力，除此之外，石油压裂支撑剂自身具备环保性质，在使用的过程中不会对外界自然环境造成损害，值得在石油开采工作中进行推广和使用。

例如水力压裂技术，水力压裂技术是提升石油产量的重要举措，该技术最早是在二十世纪四十年代被提出，发展到今天为止，已经走过了半个世纪的历程。该技术主要划分为两类，分别为天然的和人造的，被普遍地使用在我国各个地区的油田开发工作过程中，尤其是浅井采油，在中深井采油中也被使用的非常广泛。石油压裂支撑剂是水力压裂中的重点组成要素，发展到今天为止，已经获得了很多创新性的突破。在我国油田开发的低渗时期，通过对石油压裂支撑剂的合理使用，使得通过水力压裂来提高石油开采产量的效果大幅度提升。水力压裂主要目标在于，将集中在井筒中的纵向液体流向转变为和井筒互相衔接的导流，要求裂缝中的导流水平一定要超过地层中的导流水平，为了促使裂缝的渗透率能够变得更强，因此需要在其中加入相应的石油压裂支撑剂。加入石油压裂支撑剂的目标主要是为了进一步强化支撑裂缝两端的能力，在注泵停止之后，井下的压力能够直接下降到低于闭合过程中的压力值大小，但是在石油压裂支撑剂的作用之下，能够促使导流的裂缝仍然处于张开的状态下。从二十世纪四十年代提出水利压裂技术之后，到今天半个多世纪的发展时间，支撑剂主要分为人造以及天然两种类型，天然的石油压裂支撑剂，主要是将石英砂为主，而人造石油压裂支撑剂则主要是上文中所提到的烧结陶粒支撑剂。

4.我国石油支撑剂发展前景

水利压裂能够在渗透性能较低、物性相对来说较差的油田内展开压裂工作，让本来价值不高甚至是完全不具备开采价值的油田再次具备开采价值，具备其应有的产能，石油压裂支撑剂的使用能够在其中发挥出关键性的价值和作用。除此之外，全球岩油开采技术的创新性突破也为我国石油压裂支撑剂的发展指明了发展方向，为其提供了更多的可能和生机，为了和压裂技术能够保持与时俱进，因此，石油压裂支撑剂也应该在以下几个方向上加强研究和探索：

（1）需要确保石油压裂支撑剂能够满足各个阶段的压裂技术，支撑剂在水平方向上的移动速度会受到很多外在因素的影响，例如裂缝的宽度大小以及石油压裂支撑剂的浓度值等，当石油压裂支撑剂的颗粒直径和岩石缝隙之间的比值较高时，石油压裂支撑剂的浓度就会此时出现相应的改变，或者是岩石裂缝的壁面出现了变化。在下雨天时比较湿润，那么石油压裂支撑剂的移动和铺置都会被干扰，没办法真正的跟上置液的行进速度，最终导致的结果就是岩石压裂效果不够显著，无法达标其预期目标。现阶段，在整个石油压裂支撑剂领域，很多支撑剂的实际性能都无法满足这一需求，达不到标准的效果，伴随着我国水平井压裂技术的日渐进步，研究和探索出性能更好，提升石油产量效果更佳的支撑剂是支撑剂的必然发展趋势。

（2）需要全面降低石油压裂支撑剂的密度大小，因为对于一些密度较低的石油压裂支撑剂来说，其所受到的重力较小，自身的体积也比较大，在浆液中的浮力也会比较大。在岩石裂缝较高的地方下沉的速度非常慢，这样能够获得的岩石裂缝支撑效果也会比较显著，获得到的有效裂缝面积也会随之而逐渐增大。因此，在未来石油压裂支撑剂的发展过程中，如何在保障石油压裂支撑剂的性能，同时降低支撑剂的密度也是其中的重点研究方向。

（3）需要保障石油压裂支撑剂的经济和环保性。伴随着我国工业事业的发展和进步。各个领域的工厂在进行生产建设的过程中，也排放出了越来越多的废物，这些废物的存在为我国的环境保护工作带来了非常大的压力和挑战。因此，在未来支撑剂的发展过程中，可以尝试使用这些废物来制作支撑剂，既能够节约企业制造支撑剂的成本投入，也可以保护我国的大自然环境，践行了我国的可持续发展战略，实现了石油的绿色开采。

（4）研制出强度更高的烧结陶粒。现阶段，各种人造的烧结陶粒虽然已经具备了非常高的强队，但是相对密度较高的颗粒，也就需要压浆液自身的性能以及泵送条件等实现创新性的突破和发展。因此，石油压裂支撑剂未来最重要的发展方向就是实现强度更高的烧结陶粒，促使石油压裂支撑剂迈上全新的发展台阶。

（5）研发出低密度的空心，同时研发出多孔支撑剂。生产和制造多孔的球粒需要保障球粒的孔隙始终保持在较为均衡的状态之下，达到这一生产制造目标从本质上来说没有那么困难，其主要的制作方式就是将薄壁的小空心球放置在液化床中，随后将他们烘干，与此同时，还需要烧结出多个这样的球粒，随后让他们变成一个更大的球，最后将已经烧结完成的球体使用硬皮包来对其进行涂包。在进行烧结铝矾土的过程中，若是能够使用这样的生产方式，那么就能够确保最终制定出来的石油压裂支撑剂密度和沙子更为接近，也能够实现强度的全面增强。

（6）实现双层树脂涂层技术。在双层树脂的涂层技术中，在内部使用的是预固化薄膜，在外部使用的为可固化的薄层。内层这样设计的主要原因是因为保障石油压裂支撑剂材料的附加强度能够达到标准值，外层这样设计的主要目的在于能够更加有效地对颗粒进行粘结，这样的设计方式，能够将两项优势进行互相结合，既能够全面增强支撑剂的强度值，自身也具备一定的自行固结支撑剂特点。实现双层树脂涂层技术，不管是在什么样的油田开采项目中，不管是面对什么样的岩层裂缝，都能够达到良好的支撑效果。同时，若是实现了双层树脂涂层技术，那么其强度则会超越目前市面上的绝大多数支撑剂，而且在温度不断升高的过程中，其他支撑剂和双层数值涂层支撑剂存在的差距也会越来越显著。

（7）实现多相流和非达西流条件下的支撑剂导流能力研究。目前在进行油田开采的过程中，压裂模型以及在压裂方式上的设计还没有对多相流以及非达西流影响石油压裂支撑剂的渗透率展开更加深入的探索和研究，在这方面的忽视，将会导致石油压裂支撑剂导流能力的研究被限制和约束。因此，在多相流和非达西流的视角之下，随后再展开石油压裂支撑剂的导流水平研究，能够促使压裂设计得更加科学合理，准确性被全面增强，与此同时，也会使得压裂技术在使用过程中成本投入更低，具备更高的性价比和科学合理性。