石英砂选矿主控因素及方法研究

王维康 赵峰 闫旭

西南石油大学地球科学与技术学院 四川 成都 610500

压裂是非常规油气提高单井产量和提高采收率的主要技术手段，为油气田的高效开发提供了技术保障[1]。在水力压裂的过程中，为了防止压后的裂缝在地层闭合压力下重新闭合，常常需要人为地往地下输送材料用来支撑裂缝，这些材料被称为支撑剂[2]。压裂作业后，压裂液逐渐排出，储层仅留下支撑剂支撑裂缝，用以提供高导流能力通道，增加油气流流入井筒，保持油气渗流通道长期畅通。随着页岩气行业的飞速发展，预计在未来5年内，支撑剂用量将达（500～600）×104t/a。

石英砂因自身硬度大、不易磨损、化学性质稳定且支撑剂价格相对低廉等性质逐渐变成为压裂工艺中主要使用的支撑剂之一，在压裂作业起着不可替代的作用，在低闭合压力的储层有较好的增产效果，并在1500m的以下的浅井被广泛使用[2]。目前，中国石油页岩气油气资源主要集中于四川地区。到2025年，西南地区预计拟新建水平井约1800口，按目前平均单井支撑剂用量（约2700t规模）和当前核算价格（石英砂成本约1100元/t，陶粒成本约2200元/t），预计累计支撑剂投资约110亿元。石英砂生产成本约为260元/t，而北方石英砂运输到四川等地的运输成本为450～700元/t，如能实现砂源本地化，将极大地降低支撑剂成本[3]。本次研究针对川北、川南、云南三个产地的四种石英矿矿石样品，利用各种分析测试手段，开展石英矿矿石物理性质、力学性质、化学性质等特征分析，在此基础上明确石英矿选矿重点参数，优选出更适合四川本地的优质石英砂。

1 石英矿矿物组成及微观结构特征实验评价

1.1 矿石X-射线衍射全岩矿物分析

将四种矿物按照测试要求，洗油，烘干，研磨至200目颗粒备用。采用背压法将粉末样品装入样品框中压实，放入衍射仪中测试；利用HighScore软件分析原始X-衍射曲线，分析岩石中不同类型矿物的含量，结果可知：四种矿石中全岩矿物均以石英占绝对优势，含量＞98%，其次为少量粘土矿物。云南矿源的矿石中石英含量最高，平均值达到99.43%。三个地区的四种石英砂矿物中除含有石英及少量黏土矿物以外，均未见其他矿物。

1.2 矿石扫描电镜及能谱分析

扫描电镜实验前将石英矿样品制成6mm×6mm×6mm规格的块状，选取较为平整的新鲜断面做喷金处理增强样品的导电性，以提高纳米孔隙的观测效率，并作为电镜下的观察面。利用FEI Quanta 650 FEG场发射扫描电镜进行石英矿微观图像观测和采集。对川北地区、云南地区、川南地区三个地区的四种石英砂矿石样品做了扫描电镜及能谱分析，结果可知：川北（白）石英砂样品主要以石英颗粒为主，粒径主要分布在200～400μm，颗粒主要呈次圆状，可见石英颗粒次生加大边。分选程度、磨圆程度较好，孔隙之间充填少量的黏土矿物，颗粒之间存在着溶蚀现象。岩石胶结致密，可见石英贝壳状断口。川北（黄）石英砂样品主要以石英颗粒为主，粒径主要分布在100～300μm，颗粒呈次圆状，分选程度较好，磨圆程度较好，含薄膜状黏土矿物。岩石胶结相对疏松。能谱分析元素以Si、Al、O等元素为主。云南石英砂矿石样品主要以石英颗粒为主，粒径主要分布在100～300μm，颗粒呈棱角状～次棱角状，分选性较差，磨圆度较差，粒间充填着少量的粘土矿物，可见少量的溶蚀现象，存在石英贝壳状断口，岩石胶结致密。能谱分析元素以Si、Al、O、Fe、C、S、K等元素为主，表明填隙物主要为硅酸盐矿物，Fe元素的存在表明粘土矿物可能含有绿泥石。川南石英砂样品主要以石英颗粒为主，粒径主要分布在200～400μm，颗粒分选程度较差，磨圆程度一般，颗粒间充填着少量的粘土矿物，主要以绿泥石为主。存在颗粒溶蚀现象，岩石胶结相对疏松。该样品能谱分析与云南地区样品一致。

1.3 矿石微观结构特征分析

矿石微观结构主要采用将岩心制成铸体薄片，利用偏光显微镜来进行观察。通过铸体薄片可以更加清晰的看清岩心的粒度大小，主要粒径范围、粒间填隙物含量及类型，观察岩石的结构构造、岩石胶结类型、矿物的成分、岩石矿物的组成，各主要单矿物特征、含量，岩石的定名，直接地观察孔隙大小、孔隙空间、孔隙的类型等[4]。分别对川北、云南、川南三个地区的四种石英砂矿物开展铸体薄片制作及图像分析，结果可知：川北（白）石英矿岩石中石英矿物颗粒分选程度较好，磨圆度以次圆状为主，可见少许的石英颗粒溶蚀现象。常见铸模孔，颗粒间胶结较疏松。川北（黄）地区石英矿物颗粒分选程度较好，磨圆程度较好，呈次圆状。可见少许的石英颗粒溶蚀现象以及石英加大边的生成。颗粒间胶结相对疏松。云南地区石英矿物颗粒分选程度中等，磨圆程度中等，以次棱角状-次圆状为主。可见少许的颗粒溶蚀现象，颗粒间胶结致密。川南地区石英矿物颗粒分选程度较差，磨圆程度较差，呈次棱角状-次圆状。可见少许的颗粒溶蚀现象以及石英加大边的生成，颗粒间胶结相对疏松。其次，4种石英矿岩石胶结致密程度云南最高，川北、川南相当；岩石矿物颗粒粒径中值川北（白）＞云南＞川北（黄）＞川南；岩石中矿物颗粒分选系数川北（白）＞川北（黄）＞云南＞川南；岩石颗粒磨圆度川北（白）＞川北（黄）＞川南＞云南。

1.4 矿石主量元素分析

通过对四种石英矿进行主量元素分析可以得出，三个地区的四种石英矿岩石主要含有的氧化物为二氧化硅（SiO2），含量＞98%；均含有少量的三氧化二铝（Al2O3），三氧化二铁（Fe2O3），氧化钙（CaO）和氧化钾（K2O）。

2 矿石颗粒稳定性评价及影响因素分析

2.1 矿物在酸性环境下稳定性评价

压裂过程中注入酸液能有效降低储层破裂压力、清洁地层、提高压裂效果，但酸液同时也会与裂缝中的支撑剂接触而发生化学反应，从而降低支撑剂抗压性能，降低裂缝的导流能力，影响压裂的效果。石英砂主要是由化学成分稳定的硅酸盐矿物组成，主要含二氧化硅，利用氢氟酸进行酸岩反应可以有效的看出酸液与石英矿物成分间的化学反应。

选取四种石英矿物研磨成粉，并在80℃下烘干至恒重后备用，将其与土酸（12%HCl+3%HF）进行充分反应，结果见表1。

表1 四种石英矿石酸蚀率实验结果表

四种石英矿岩石土酸酸蚀率排序：云南＞川南＞川北（黄）＞川北（白）。由于压裂过程中往往前置液中加入酸液，因此酸液对支撑剂的溶蚀会影响到压裂效果，所以酸蚀率应作为石英矿选择的一个关键参数。

2.2 矿石物理性质对破碎率影响分析

在力学性质方面，岩石力学参数用来反映岩石破碎和稳定两方面的性质，一般情况下，弹性模量越高，泊松比越低，矿石越易被压裂。选取研究区四种矿石制成规格为2.5cm×5cm的柱塞状岩心进行三轴压缩测试。测试结果可知：抗压强度：云南＞川北（黄）＞川北（白）＞川南；泊松比：川北（白）＞川北（黄）＞川南＞云南；弹性模量：云南＞川北（黄）＞川北（白）＞川南。

选取四种地区的石英矿矿石，按照G B/T 29172—2012岩心分析方法行业标准对矿石进行密度及硬度测试。结果见表2。

表2 四种石英矿密度及硬度测试结果

四种矿石密度排序为：云南＞川北（黄）＞川北（白）＞川南。矿石硬度由大到小顺序：云南＞川北（白）＞川北（黄）＞川南。

在胶结程度方面，岩石的胶结程度对矿石的抗压强度影响很大，而支撑剂破碎率是针对单独的石英颗粒或石英颗粒集合体，所以矿石的抗压强度与支撑剂破碎率相关性不大。石英矿矿石的硬度对支撑剂破碎率影响不大，矿石硬度主要和矿物成分以及颗粒的胶结程度有关，而胶结程度与岩石成岩作用有关。石英砂矿石硬度越高越好，硬度越高表示石英颗粒胶结程度越高，制成的支撑剂不容易被压碎。而支撑剂的密度越低，在压裂液中就越不容易沉降，会处于悬浮状态，就可以被携砂液携带输送的更远，增加了裂缝改造面积，从而提高油气产量。

3 结束语

1）三个产区的四种矿石中全岩矿物均以石英占绝对优势，含量＞98%，其次为少量粘土矿物。岩石主量元素以SiO2为主，含有少量的Al2O3、Fe2O3、MgO等氧化物。不同的矿物组分对支撑剂破碎率的影响大，但四种矿石中石英矿物含量非常高，所以石英矿物对破碎率影响不大；矿石中还含少量的粘土，由于粘土含量很少，不足以影响破碎率。

2）三个产区的四种矿源石英矿岩石胶结致密程度云南最高，川北、川南相当；岩石矿物颗粒粒径中值川北（白）＞云南＞川北（黄）＞川南；岩石中矿物颗粒分选系数川北（白）＞川北（黄）＞云南＞川南；岩石颗粒磨圆度川北（白）＞川北（黄）＞川南＞云南。矿石的微观结构对破碎率的影响很大，矿物颗粒粒度越接近支撑剂目数，制成的支撑剂就越好；石英颗粒分选性越好，磨圆度越高，支撑剂的性能就越好。

3）矿石的物理性质与支撑剂破碎率的关系不大，支撑剂的硬度取决于制作成的支撑剂是单个的石英颗粒还是集合体；矿石的密度接近支撑剂的视密度，密度越低，携砂液携带支撑剂的距离越远，但破碎率会越大；矿石抗压强度与岩石胶结程度有关，对支撑剂破碎率影响不大；酸液对支撑剂的溶蚀会影响到压裂效果，所以酸蚀率应作为石英矿选择的一个关键参数。

4）通过对四种矿源地石英矿不同性质分析结果，结合支撑剂制作要求及压裂工艺，优选石英矿选矿关键指标参数：密度、粒径中值、分选系数、颗粒磨圆度、石英含量、酸蚀率、抗压强度、杨氏模量。并根据测试数据对其综合性能进行评价，结果表明川北产白色石英矿样品综合性能最佳。