中國粉體網訊 石油壓裂支撐劑是一種在開采石油時使用的裂縫填充材料。在開采石油時，需要將支撐劑注入壓裂液中，使開采裂縫保持裂開狀態以保證石油的開采順利進行。支撐劑是油氣井初期投資成本的重要部分，而且決定著油氣井的經濟壽命。支撐劑用量過大會造成不必要的浪費，反之用量過小，會由于儲層產液不足，造成油氣井沒有經濟效益。
目前市場上使用的石油壓裂支撐劑主要有天然石英砂、陶粒支撐劑、樹脂覆膜砂三類。常用的陶粒支撐劑一般以石英砂、鋁礬土、高嶺土等為主原料。通過成球處理和燒結來制備。
天然石英砂
天然石英砂適用于在油井較淺、閉合壓力層較低的開采環境下。上世紀40年代，天然石英砂作為支撐劑在石油開采中主要應用于1500 m以上的油氣井壓裂。天然石英砂的成本低，相對密度低，易于泵入輸送，在當時的市場上很受歡迎。
陶粒支撐劑
陶粒支撐劑的原料一般是含鋁礦物、工業廢棄物添加一些輔助配料，進行特定加工處理后形成一種耐高溫、耐高壓、低密度等符合標準的支撐劑。由于陶粒支撐劑的相對密度較高，會出現返吐現象，對壓裂液的黏度、流變性有較高的要求。因此陶粒支撐劑廣泛地應用在深層低滲透油氣層的壓裂開采中。陶粒支撐劑主要采用熔融噴吹法和燒結法兩種方法來制備。
樹脂覆膜支撐劑
樹脂覆膜支撐劑是指在以陶粒砂等為核心的外層包裹一層可固化有機物的支撐劑，這類支撐劑的耐腐蝕、強度、導流能力等都有很大優勢，可以應用在深層閉合壓力更大的油氣井中。樹脂覆膜砂支撐劑可滿足深層閉合高壓環境的開采需求，強度和耐腐蝕性均可達標。相對于陶粒支撐劑，樹脂覆膜支撐劑相對密度更小，更便于泵注。包裹的樹脂層導流能力要大于未覆膜的陶粒支撐劑，且有著更強的耐腐蝕性。
但樹脂覆膜支撐劑也存在以下問題：原料成本和工藝成本均高于陶粒支撐劑，經濟性不強；外層樹脂膜化學穩定性不強；在高閉合壓力下有可能會出現粘連現象，從而影響導流能力。
近年來隨著開采規模增大，支撐劑的銷量也在不斷增大。根據對支撐劑市場的調查，不同支撐劑的市場份額為天然石英砂占80%，陶粒支撐劑10%，覆膜樹脂砂10%，可以看出目前市面上的支撐劑還是以石英砂為主。雖然石英砂的強度不大，但成本低，資源廣泛，在多數的淺井開采中，石英砂就可以達到支撐劑的標準。
在北美地區各油公司和油服公司共同致力于“提高單井產量和降低建井成本”，其中鉆完井成本為400萬~800萬美元，平均為650萬美元，壓裂成本占比達60%。而壓裂成本中材料構成是關鍵，壓裂液成本和支撐劑成本最高分別占到鉆完井成本的19%和25%。特別是支撐劑因素，成為降低成本的重要挖潛對象。
2014年以來，北美地區通過技術及管理創新，采用石英砂替代陶粒，就近建砂廠等方式，大幅降低了水力壓裂工程作業成本，助推了非常規油氣經濟高效開發。隨著水平段長、加砂強度的增加和水平井改造數量的增多，北美地區支撐劑用量由2010年的1820×104t增長到2018年的1.09×108t以上，單井支撐劑用量由2010年的1500t上升到2019年的5000t。基于“經濟夠用”理念，用價格低的石英砂（約120美元/t）替代陶粒（約480美元/t）,目前北美地區支撐劑中石英砂占比已達96%，經濟成本優勢巨大。
中國天然石英砂支撐劑主要分布在新疆陸梁、蘭州安寧、寧夏青銅峽、河北圍場、內蒙古赤峰和通遼等地，常見的粒徑規格為20/40目、30/50目、40/70目和70/140目，石英砂的礦物成分及晶體結構為砂源地固有屬性，提高天然石英砂支撐劑質量的關鍵是控制成品砂的粒徑分布及砂表層處理工藝。
中國石油歷年支撐劑使用情況
而涂利輝等在石英砂與陶粒物理特性的分析中，以工區使用的20~40目石英砂抗壓強度28MPa，20~40目陶粒抗壓強度52MPa為試驗，目的層閉合壓力在45~55MPa。通過室內實驗表明石英砂破碎率遠大于陶粒，石英砂在閉合壓力50MPa時破碎率高達25%；而陶粒在50MPa閉合壓力下，仍然保持較完整形態，破碎率<5%。
20/40目石英砂破碎狀態
20/40目陶粒破碎形態
陶粒支撐劑的成本相對較小，制備流程簡單，硬度、耐酸性等方面比天然石英砂優秀，因此在較深層滲透性低且不易返吐的油氣層選擇陶粒支撐劑，可以以較小的成本來保證更高標準的開采質量。
石英砂與陶粒在倒流能力的實驗表明，在相同條件下，陶粒支撐劑導流能力遠遠大于石英砂支撐劑的導流能力，且鋼板條件下的導流能力均大于巖板條件下的導流能力。
鋪砂濃度8kg/m2鋼板條件下不同支撐劑測試導流能力對比統計表
鋪砂濃度8kg/m2巖板條件下不同支撐劑測試導流能力對比統計表
石英砂鋼板/巖板導流能力對比圖
陶粒鋼板/巖板導流能力對比圖
天然氣對儲層及裂縫段導流能力需求不高，但石英砂的使用對壓裂液的返排及地層水流動影響巨大，易形成水鎖效應，從而導致天然氣流動受阻。因此建議低壓高含水氣藏仍堅持采用陶粒支撐劑，以保障單井產量及最終采收率。
小結
通過對天然石英砂、陶粒支撐劑和覆膜支撐劑三種石油支撐劑的對比來看，石英砂支撐劑雖然具有其缺點，但其在經濟效益方面更有優勢，北美及國內用戶普遍喜歡使用天然石英砂支撐劑。鄭新權等在國內石英砂支撐劑評價及砂源本地化研究進展與前景展望一文中表明，石英砂試驗井與陶粒對比井日產量及累計產量基本相當，而與陶粒對比井相比，石英砂試驗井單井成本節約135萬~348萬元，百萬噸產能降低成本達3億元以上。但若是針對低壓高含水氣藏就要采用陶粒支撐劑，以保障單井產量及最終采收率。覆膜樹脂砂制作成本高，制備工藝復雜，但其性能優越，在密度、抗腐蝕性、導流能力等方面均優于其他支撐劑，在油井深度較深，閉合壓力較大，返吐嚴重的開采環境下，其他成本低的支撐劑達不到要求，覆膜樹脂砂是最優良的選擇。
總之，因地制宜，綜合考慮才是上策！
參考資料：
鄭新權等.國內石英砂支撐劑評價及砂源本地化研究進展與前景展望
宋攀等.石油壓裂支撐劑的研究進展
涂利輝等.石英砂支撐劑對含水氣藏產能影響分析評價
（中國粉體網編輯整理/茜茜）
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