小粒徑支撐劑性能評(píng)價(jià)和在頁(yè)巖氣壓裂中的應(yīng)用

張偉民，岳 泉，康瑞鑫

（1．北京奇想達(dá)新材料有限公司，北京 101127；2．中國(guó)石油化工股份有限公司江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院，湖北 武漢 430035；3．青海油田鉆采工藝研究院采氣工藝室，甘肅 敦煌 736202）

作為一種清潔的非常規(guī)天然氣資源，頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)利用對(duì)于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、提高能源效率、推動(dòng)節(jié)能減排和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。頁(yè)巖氣是指主體位于暗色泥頁(yè)巖或高碳泥頁(yè)巖中、以吸附或游離狀態(tài)聚集的天然氣，是一種重要的非常規(guī)天然氣資源[1]。

頁(yè)巖氣儲(chǔ)層以微米級(jí)和納米級(jí)孔隙為主[2]，導(dǎo)致孔隙度和滲透率極低。體積壓裂是主要的增產(chǎn)措施，根據(jù)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂裂縫擴(kuò)展研究[3]和現(xiàn)場(chǎng)微地震監(jiān)測(cè)解釋結(jié)果顯示，壓裂裂縫呈網(wǎng)狀分布，主裂縫周圍存在大量次裂縫分支。壓裂液和支撐劑在主裂縫和次裂縫分支處均存在分流現(xiàn)象，導(dǎo)致支撐劑的運(yùn)移與展布規(guī)律有別于常規(guī)水力壓裂。針對(duì)支撐劑在壓裂裂縫中的運(yùn)移與展布問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，研究了裂縫形態(tài)、支撐劑類型、加砂濃度、流體黏度等對(duì)其運(yùn)移與展布的影響[4-5]。

本文對(duì)頁(yè)巖氣壓裂所用的小粒徑支撐劑（30/50目和40/70目的石英砂、覆膜石英砂、低密度陶粒和覆膜低密度陶粒） 進(jìn)行基本性能測(cè)定和評(píng)價(jià)，并且對(duì)覆膜支撐劑的耐水性和耐溫性分別提出了測(cè)定方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

30/50 目和40/70 目石英砂，河北圍場(chǎng)；30/50目和40/70 目低密度陶粒，A 公司；40/70 目低密度陶粒，B 公司；30/50 目和40/70 目覆膜石英砂，北京奇想達(dá)新材料有限公司（簡(jiǎn)稱“C 公司”）；30/50目和40/70 目覆膜石英砂，D 公司；30/50 目和40/70 目覆膜低密度陶粒，C 公司。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器

BSJ－200 振動(dòng)篩，中國(guó)航空工業(yè)第五四零廠；WHY－300 微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，上海華龍測(cè)試儀器有限公司；支撐劑裂縫導(dǎo)流能力測(cè)試儀，海安石油科研儀器有限公司；SX－5－12 廂式電阻爐，天津市泰斯特儀器有限公司；101A-2 電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海圣欣科學(xué)儀器有限公司；CH1015 超級(jí)恒溫槽，上海衡平儀器儀表廠。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 支撐劑的基本性能測(cè)定方法

支撐劑的酸溶解度、視密度、體積密度和破碎率按照SY/T 5108-2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測(cè)試方法》進(jìn)行測(cè)定，其導(dǎo)流能力按照SY/T 6302-1997《壓裂支撐劑充填層短期導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)推薦方法》進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 覆膜支撐劑耐水性測(cè)定方法

稱取40 g 覆膜支撐劑，放入100 mL 的燒杯中，加入50 g 水，放入（95±0.5） ℃恒溫水浴中，保溫24 h 后取出；放入破碎室，按照SY/T 5108-2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測(cè)試方法》進(jìn)行加載；烘干后篩分，計(jì)算破碎率。

1.3.3 覆膜支撐劑耐溫性測(cè)定方法

稱取30 g 覆膜支撐劑，倒入一端可封閉的、長(zhǎng)15 cm、內(nèi)徑25 mm 的鋼管中，在攪拌條件下倒入50 mL 水，再將鋼管的另一端蓋?。ú荒苊芊猓?；將盛有覆膜支撐劑的鋼管放入裝有水的高溫罐中，逐步將高溫罐升溫到指定溫度，保溫1 h；冷卻后從高溫罐取出鋼管，觀測(cè)支撐劑顆粒之間是否分散、不黏結(jié)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 支撐劑的酸溶解度

由于我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有石英含量低、碳酸鹽巖和黏土含量高的特點(diǎn)，因此對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行酸化處理有利于儲(chǔ)層透氣，這就要求支撐劑的耐酸性比較高。國(guó)內(nèi)的天然石英砂由于雜質(zhì)含量比較高，致使石英砂支撐劑的酸溶解度偏高；低密度陶粒由于原材料本身因素和燒結(jié)溫度偏低，致使陶粒支撐劑的酸溶解度也偏高。樹(shù)脂覆膜對(duì)石英砂和低密度陶粒酸溶解度的影響見(jiàn)表1。從表1可知，用樹(shù)脂對(duì)石英砂和低密度陶粒預(yù)覆膜固化后，酸溶解度大幅下降，解決了天然石英砂和低密度陶粒支撐劑的酸溶解度偏高的問(wèn)題，覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒支撐劑更適合酸化壓裂工藝。

表1 樹(shù)脂覆膜對(duì)石英砂和低密度陶粒酸溶解度的影響

2.2 支撐劑的密度

支撐劑的體積密度大小關(guān)系到壓裂作業(yè)的支撐劑用量，體積密度越小，井下裂縫中要填充的支撐劑用量越少。支撐劑的視密度大小影響支撐劑在壓裂液中的沉降速率，從而影響支撐劑在井下裂縫中形成的有效支撐裂縫長(zhǎng)度，視密度低的支撐劑將有利于形成長(zhǎng)的支撐帶、提高儲(chǔ)層的透氣能力。針對(duì)小粒徑石英砂支撐劑進(jìn)行研究可以得知，國(guó)內(nèi)石英砂支撐劑的體積密度在1.45～1.60 g/cm3之間，視密度在2.50～2.58 g/cm3之間。

對(duì)石英砂采用樹(shù)脂覆膜后，視密度都下降，但體積密度不一定。樹(shù)脂覆膜對(duì)石英砂和低密度陶粒密度的影響見(jiàn)表2。從表2 可知，1 號(hào)支撐劑和3號(hào)支撐劑的覆膜石英砂的體密度都減小，2 號(hào)支撐劑和4號(hào)支撐劑的覆膜石英砂的體密度都增大。原因在于：如果用于覆膜的樹(shù)脂同輔助添加劑匹配，覆膜工藝適宜，則覆膜后的石英砂表面光滑，流動(dòng)性好，體積密度增加；而如果用于覆膜的樹(shù)脂同輔助添加劑不匹配，覆膜工藝不當(dāng)，則覆膜后的石英砂表面粗糙，流動(dòng)性不好，體積密度減小，這種假象的體積密度減小容易致使壓裂工藝設(shè)計(jì)者誤算覆膜石英砂的用量，粗糙的表面最終影響覆膜石英砂在儲(chǔ)層中的透氣性。國(guó)內(nèi)低密度陶粒的性能差別比較大，例如相同視密度的低密度陶粒5 號(hào)支撐劑和6 號(hào)支撐劑，二者體積密度相差甚大（0.11 g/cm3），6 號(hào)支撐劑的表面比5 號(hào)支撐劑表面明顯粗糙；對(duì)低密度陶粒樹(shù)脂覆膜后，視密度都減小，而體積密度都增大。

表2 樹(shù)脂覆膜對(duì)石英砂和低密度陶粒密度的影響

2.3 支撐劑的破碎率

支撐劑的破碎率是影響壓裂裂縫導(dǎo)流能力的關(guān)鍵指標(biāo)。在壓裂過(guò)程中，用泵將支撐劑送入地層，支撐劑不僅受到壓裂液和地層液體的侵蝕，還有可能受到對(duì)地層特殊施工使用的酸堿影響，使得支撐劑的破碎率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)檢測(cè)的干破碎率。樹(shù)脂覆膜對(duì)支撐劑石英砂和低密度陶粒破碎率的影響見(jiàn)第126頁(yè)表3，其中括號(hào)內(nèi)為相應(yīng)的地層壓力。對(duì)石英砂采用樹(shù)脂覆膜，不同公司覆膜所用的樹(shù)脂種類和用量不同以及所用的助劑和工藝不同，導(dǎo)致覆膜石英砂的干破碎率差別不大，然而濕破碎率差異很大，從表3 可知，1 號(hào)支撐劑和2 號(hào)支撐劑相比較，3 號(hào)支撐劑和4 號(hào)支撐劑相比較，濕破碎率差別在兩倍左右；而對(duì)低密度陶粒采用樹(shù)脂覆膜后，干破碎率和濕破碎率均大幅度下降，濕強(qiáng)度顯著提高，覆膜解決了低密度陶粒的強(qiáng)度和耐水性不足的問(wèn)題。

表3 樹(shù)脂覆膜對(duì)石英砂和低密度陶粒破碎率的影響

2.4 支撐劑的導(dǎo)流能力

支撐劑顆粒的粒徑越大、粒徑分布越均勻、顆粒越圓和強(qiáng)度越高，形成裂縫的導(dǎo)流能力就越高。支撐劑（石英砂、低密度陶粒、覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒） 的顯微鏡照片見(jiàn)圖1；當(dāng)鋪砂濃度為10 kg/m2時(shí)，閉合壓力對(duì)支撐劑導(dǎo)流能力的影響見(jiàn)圖2。由圖2 可知以下兩點(diǎn)。

圖1 支撐劑的顯微鏡照片

圖2 閉合壓力對(duì)支撐劑導(dǎo)流能力的影響

1） 針對(duì)粒徑相同的石英砂和低密度陶粒，在覆膜前后，低密度陶粒的導(dǎo)流能力都大于石英砂。主要原因有3 個(gè)方面：首先，石英砂和低密度陶粒在覆膜前后，低密度陶粒的圓度和球度都比石英砂好，支撐劑顆粒的圓度和球度越好，顆粒堆積形成的空隙就越大，就越有利于提高液體導(dǎo)流能力；其次，低密度陶粒的顆粒集中度比石英砂高，顆粒集中度越高，顆粒堆積形成的空隙就越大，就越有利于提高液體導(dǎo)流能力；最后，低密度陶粒本體強(qiáng)度比石英砂高。

2） 在低閉合壓力時(shí)，覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的導(dǎo)流能力小于相應(yīng)粒徑的石英砂和低密度陶粒；隨著閉合壓力的升高，覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的導(dǎo)流能力逐漸變?yōu)榇笥谑⑸昂偷兔芏忍樟！＿@是由于石英砂和低密度陶粒表面覆膜的樹(shù)脂膜具有疏水性的緣故，在低閉合壓力時(shí)，覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的疏水性形成的毛細(xì)孔阻力大于石英砂和低密度陶粒破碎引起的毛細(xì)孔變小的阻力；隨著閉合壓力的升高，石英砂和低密度陶粒的破碎率增加、毛細(xì)孔變小嚴(yán)重，而覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的強(qiáng)度高、破碎率低、毛細(xì)孔變小沒(méi)有石英砂和低密度陶粒毛細(xì)孔變小厲害，覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的疏水毛細(xì)阻力小于相應(yīng)石英砂和低密度陶粒毛細(xì)孔變小的阻力，從而導(dǎo)流能力大于相應(yīng)的石英砂和低密度陶粒。

2.5 覆膜支撐劑的耐溫性

國(guó)外油田壓裂所用的石英砂純度高、單晶結(jié)構(gòu)多、強(qiáng)度比較高，為了進(jìn)一步提高強(qiáng)度，一般用酚醛樹(shù)脂覆膜石英砂以提高強(qiáng)度。而國(guó)內(nèi)天然石英砂和低密度陶粒的強(qiáng)度低、破碎率高，由于酚醛樹(shù)脂的覆膜強(qiáng)度低，因此國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家用環(huán)氧樹(shù)脂和胺類固化劑覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒，用來(lái)增加石英砂和低密度陶粒的強(qiáng)度。環(huán)氧樹(shù)脂與胺類固化劑反應(yīng)形成不溶不熔的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其固化物的性能（例如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度） 因環(huán)氧樹(shù)脂、胺類固化劑、促進(jìn)劑和其他成分的種類不同、配比不同而不同，即使其組成不變，因固化條件的改變，其固化物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也不同，這與固化過(guò)程中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和形態(tài)有關(guān)。用環(huán)氧樹(shù)脂增強(qiáng)石英砂和低密度陶粒，環(huán)氧樹(shù)脂用量占石英砂和低密度陶粒質(zhì)量小于3%，由于樹(shù)脂在石英砂和低密度陶粒中占比太少，無(wú)法用差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry，DSC） 測(cè)試覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

地層壓力小于35 MPa 時(shí)，壓裂支撐一般用石英砂；地層壓力在35～69 MPa 之間時(shí)，壓裂支撐用覆膜石英砂比較多，地層溫度一般在130 ℃以下；地層壓力大于69 MPa 時(shí)，一般用覆膜低密度陶粒和低密度陶粒比較多，地層溫度一般在220 ℃以下。根據(jù)壓裂用覆膜支撐劑的地層溫度和壓力情況，覆膜石英砂在150 ℃溫度條件下和覆膜低密度陶粒在250 ℃溫度條件下，分別按照1.3.3 節(jié)介紹的覆膜支撐劑耐溫性測(cè)定方法進(jìn)行耐溫性測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4。從表4 可知，不同公司的覆膜石英砂，由于使用的覆膜材料和工藝不同，因此覆膜石英砂的耐溫性也不同。

表4 樹(shù)脂覆膜對(duì)支撐劑耐溫性的影響

2.6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)涪陵頁(yè)巖氣藏特征，采用“一酸兩液三砂”的混合壓裂工藝技術(shù)。其中，一酸是鹽酸，兩液是滑溜水和線性膠混合，三砂是粉陶、30/50目支撐劑和40/70目支撐劑。

2012 年11 月7 日，中國(guó)石油化工股份有限公司焦頁(yè)1HF 井開(kāi)始?jí)毫?，壓裂段?shù)15 段，射孔長(zhǎng)度2 675～3 603 m，平均分段長(zhǎng)度62 m，破裂壓力68.7 MPa，用北京奇想達(dá)新材料有限公司生產(chǎn)的30/50 目覆膜石英砂87 t 和40/70 目覆膜石英砂1 315 t，壓裂施工后獲高產(chǎn)頁(yè)巖氣流。2014 年4月9 日，涪陵市人民政府將焦頁(yè)1HF 井命名為“頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)功勛井”，以彰顯焦頁(yè)1HF 井為頁(yè)巖氣大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用所做出的突出貢獻(xiàn)。截至2021 年，累計(jì)生產(chǎn)頁(yè)巖氣1.13 億m3。至今，仍繼續(xù)保持國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣井生產(chǎn)時(shí)間最長(zhǎng)的紀(jì)錄。

2013 年9 月9 日，焦頁(yè)6-2HF 井開(kāi)始?jí)毫?，壓裂段?shù)15 段，射孔長(zhǎng)度2 832～4 238 m，平均分段長(zhǎng)度94 m，破裂壓力51.5 MPa，用北京奇想達(dá)新材料有限公司生產(chǎn)的30/50 目覆膜石英砂65 t 和40/70 目覆膜石英砂1 011 t，是涪陵頁(yè)巖氣田投產(chǎn)的第四口井。2014 年9 月6 日，該井成為全國(guó)首口累計(jì)產(chǎn)量達(dá)1 億m3的高產(chǎn)頁(yè)巖氣井。2016 年2月29 日，該井累計(jì)產(chǎn)量突破2 億m3。2019 年11月8 日，焦頁(yè)6-2HF 井累計(jì)產(chǎn)氣量突破3 億m3，目前仍繼續(xù)有效。

從2012 年11 月以來(lái)，涪陵頁(yè)巖氣210 口井壓裂用覆膜石英砂支撐劑，260 口井壓裂用低密度陶粒支撐劑；從2018 年6 月開(kāi)始，為了節(jié)約壓裂成本，開(kāi)始使用石英砂支撐劑，至今大約180 口井壓裂使用石英砂支撐劑。由于石英砂的強(qiáng)度低，壓裂后采氣時(shí)出現(xiàn)頁(yè)巖氣日產(chǎn)量明顯下降、地層出砂嚴(yán)重的問(wèn)題。為了解決日產(chǎn)量下降和地層出砂問(wèn)題，必須調(diào)整工藝，壓裂時(shí)首先向裂縫中注入石英砂支撐劑，然后尾追覆膜石英砂支撐劑。

3 結(jié)論

對(duì)小粒徑的石英砂和低密度陶粒采用樹(shù)脂覆膜，能大幅降低石英砂和低密度陶粒的酸溶解度，提高石英砂和低密度陶粒的干濕強(qiáng)度，降低石英砂和低密度陶粒的視密度，提高石英砂和低密度陶粒的導(dǎo)流能力。覆膜樹(shù)脂、助劑和工藝不同時(shí)，石英砂和低密度陶粒在覆膜前后的體積密度變化沒(méi)有規(guī)律。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用說(shuō)明，樹(shù)脂覆膜石英砂，能滿足頁(yè)巖氣壓裂的時(shí)效性和透氣能力，還可防止地層出砂；對(duì)于不同深度的頁(yè)巖氣地層，由于地層壓力不同，石英砂、低密度陶粒、覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒支撐劑的強(qiáng)度不同，應(yīng)根據(jù)這些支撐劑的價(jià)格、透氣能力和強(qiáng)度，綜合考慮，選擇滿足地層需求的支撐劑。