壓裂支撐劑新進(jìn)展與發(fā)展方向

光新軍，王敏生，韓福偉，耿黎東

（1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101；2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第三鉆井公司，天津 300280）

壓裂支撐劑是油氣儲(chǔ)層改造中用來(lái)支撐壓裂人工裂縫的一種關(guān)鍵材料，是提高壓裂成功率和改造效果的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)壓裂支撐劑材料、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)等技術(shù)的不斷創(chuàng)新，研發(fā)的高強(qiáng)度、高導(dǎo)流、低成本、特殊功能支撐劑可大幅提高油氣井產(chǎn)能，提升油氣勘探開發(fā)效益。目前，國(guó)外油田技術(shù)服務(wù)公司非常重視壓裂支撐劑的研發(fā)與應(yīng)用，并取得了諸多進(jìn)展。及時(shí)了解和掌握國(guó)外壓裂支撐劑技術(shù)的最新進(jìn)展，對(duì)優(yōu)化我國(guó)壓裂支撐劑技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃和科研方向，以及加快壓裂支撐劑的研發(fā)具有重要意義。

1 壓裂支撐劑應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 壓裂支撐劑用量趨勢(shì)

水力壓裂技術(shù)自1947 年在美國(guó)試驗(yàn)成功以來(lái)，已經(jīng)由簡(jiǎn)單的低液量、低排量壓裂增產(chǎn)方法發(fā)展成為一項(xiàng)成熟的開采工藝技術(shù)。過(guò)去10 年，美國(guó)大部分油氣生產(chǎn)都采用了水力壓裂技術(shù)。據(jù)EIA統(tǒng)計(jì)，美國(guó)水力壓裂井生產(chǎn)的天然氣占天然氣總量的2/3左右，生產(chǎn)的原油占美國(guó)原油總量的1/2 左右。近年來(lái)，美國(guó)針對(duì)非常規(guī)油氣開發(fā)陸續(xù)采用超級(jí)壓裂技術(shù)，將常規(guī)壓裂液中單位水平段長(zhǎng)度支撐劑用量不斷提升，大幅提高了單井產(chǎn)量，降低了桶油成本。2014～2018 年間，美國(guó)先鋒自然資源公司在二疊盆地頁(yè)巖油氣開發(fā)中將水平井水平段支撐劑用量由1.49 t/m 增加至4.46 t/m，單井產(chǎn)量提高50%，桶油成本降低21%[1]。大排量壓裂液推動(dòng)了美國(guó)壓裂支撐劑用量的增長(zhǎng)，2011～2018 年，壓裂支撐劑用量總體呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，2016 年受國(guó)際油價(jià)影響，有所下降，2018 年達(dá)到歷史新高的10 900萬(wàn)噸，比2016 年增長(zhǎng)160%，預(yù)計(jì)2021 年支撐劑用量將達(dá)到14 100 萬(wàn)噸。圖1 為2011～2021 年美國(guó)壓裂支撐劑用量趨勢(shì)[2]。

圖1 2011～2021 年美國(guó)不同區(qū)塊壓裂支撐劑用量趨勢(shì)

1.2 壓裂支撐劑成本

壓裂支撐劑是鉆完井成本的重要組成部分，以美國(guó)頁(yè)巖油氣為例，Eagle Ford 頁(yè)巖油氣區(qū)平均建井成本為735 萬(wàn)美元，鉆機(jī)和鉆井液、固井、壓裂設(shè)備、壓裂液和返排、支撐劑5 個(gè)主要成本因素占比達(dá)76%。其中，支撐劑成本占建井成本的13%，為96 萬(wàn)美元，如圖2 所示[3]。

圖2 Eagle Ford 頁(yè)巖油氣區(qū)建井成本構(gòu)成

1.3 壓裂支撐劑的分類

按加工工藝及使用的原材料不同，支撐劑可以分為天然石英砂、覆膜砂和陶粒3 類，盡管陶粒和覆膜砂的支撐性能明顯好于天然石英砂，但其成本較高，天然石英砂仍是水力壓裂作業(yè)中的最常用的支撐劑。圖3 為支撐劑導(dǎo)流能力金字塔圖[4]，第一層是陶粒，高強(qiáng)度、尺寸和形狀均勻、抗溫、導(dǎo)流能力高；第二層是覆膜砂，中等強(qiáng)度、尺寸和形狀不規(guī)則、導(dǎo)流能力中等；第三層是天然石英砂，低強(qiáng)度、尺寸和形狀不規(guī)則、導(dǎo)流能力低。除了覆膜砂和陶粒外，近幾年出現(xiàn)了許多被賦予特種功能的人工壓裂支撐劑，由于價(jià)格高，其應(yīng)用數(shù)量和規(guī)模有限，常常針對(duì)某一類特殊地層應(yīng)用，多在常規(guī)壓裂支撐劑中混入少量使用，或?qū)ｉT用于壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化的先導(dǎo)井。

圖3 支撐劑導(dǎo)流能力金字塔圖

2 壓裂支撐劑新進(jìn)展

2.1 超高強(qiáng)度和超低密度支撐劑

1）超高強(qiáng)度支撐劑。隨著深部?jī)?chǔ)層的不斷開發(fā)，傳統(tǒng)支撐劑在140 MPa 以上的閉合應(yīng)力下無(wú)法提供足夠的導(dǎo)流能力。美國(guó)卡博公司研發(fā)了一種超高強(qiáng)度高導(dǎo)流性支撐劑，其選用的原材料中礬土的含量接近于100%，大幅降低了支撐劑孔隙度，進(jìn)而提高強(qiáng)度。在140 MPa下超高強(qiáng)度支撐劑僅2%出現(xiàn)破碎，而傳統(tǒng)支撐劑則達(dá)到10%；在207 MPa下超高強(qiáng)度支撐劑僅7%出現(xiàn)破碎。同時(shí)，超高強(qiáng)度高導(dǎo)流支撐劑具有良好的球度和均勻的粒度，提高了支撐劑砂堆的滲透率，如圖4 所示[5]。墨西哥海灣Lower Tertiary 地區(qū)的深水油氣井儲(chǔ)層壓力超過(guò)140 MPa，溫度高達(dá)260 ℃，采用超高強(qiáng)度高導(dǎo)流性支撐劑取得了良好的應(yīng)用效果。

圖4 超高強(qiáng)度高導(dǎo)流支撐劑（左）與高強(qiáng)度陶粒支撐劑（右）外觀對(duì)比

2）超低密度支撐劑?；锼c膠液壓裂液相比成本低，易形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，近年來(lái)在水力壓裂中應(yīng)用日益廣泛。但由于滑溜水黏度相對(duì)較小，其懸砂能力及攜砂能力較弱。在施工過(guò)程中，為避免砂堵等復(fù)雜情況，壓裂時(shí)常采用大排量的壓裂工藝以提高支撐劑運(yùn)移效率，增加了施工成本。同時(shí)，在壓裂過(guò)程中，支撐劑易在壓裂裂縫中沉降，難以對(duì)水平井筒裂縫高邊提供有效支撐，進(jìn)而影響主裂縫的導(dǎo)流能力。Sun 公司在鉆井液空心微珠技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了超輕質(zhì)支撐劑，密度為1.066 g/cm3，尺寸為14/40 目和30/80 目，抗壓強(qiáng)度為70 MPa，適用地層溫度為149 ℃，在流動(dòng)的滑溜水壓裂液里基本處于懸浮狀態(tài)，施工時(shí)在常規(guī)支撐劑中混入約4%～5%的超輕質(zhì)支撐劑?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，超低密度支撐劑能夠減緩油氣井產(chǎn)能遞減率，增加單井累計(jì)產(chǎn)出量?？ú┕狙邪l(fā)的輕質(zhì)陶粒支撐劑密度為2.0 g/cm3，與常規(guī)石英砂相比，雖然超低密度支撐劑的密度降低了25%，但與同粒徑(40/70 目)的石英砂相比，沉降速度降低了40%以上。在42 MPa 圍壓下，其長(zhǎng)期導(dǎo)流能力比石英砂提高了43%[6]。

2.2 高導(dǎo)流支撐劑

1）自懸浮支撐劑。自懸浮支撐劑是在現(xiàn)有普通石英砂外添加特殊的化學(xué)薄膜，化學(xué)薄膜在空氣中的密度與石英砂沒有太大的區(qū)別。但放入水中后，與水中溶解的氮?dú)猱a(chǎn)生反應(yīng)，形成泡沫，借助氣泡產(chǎn)生的浮力，整個(gè)石英砂變成棉絮狀的漂浮物，成為一種可懸浮的支撐劑，如圖5 所示。美國(guó)Preferred 公司研發(fā)的自懸浮支撐劑在21 MPa 下表現(xiàn)出良好的抗壓和懸浮效果，懸浮效果維持15 d以上。支撐劑薄膜為憎水涂層設(shè)計(jì)，最大限度降低支撐劑充填層的水堵?lián)p害，通過(guò)持續(xù)降低支撐劑充填層的含水飽和度而不斷提高充填層的油氣相對(duì)滲透率，證明了自懸浮支撐劑可提高油相流度75%。同時(shí)，還具有自清潔、低摩阻、低成本等優(yōu)點(diǎn)[7]。

圖5 普通支撐劑與自懸浮支撐劑傳輸分布效果

2）親油支撐劑。親油支撐劑是一種樹脂覆膜砂支撐劑，除了具有常規(guī)樹脂覆膜支撐劑的優(yōu)點(diǎn)外，還通過(guò)化學(xué)處理，將傳統(tǒng)樹脂覆膜的潤(rùn)濕性由中性變?yōu)橛H油憎水，當(dāng)只有水相經(jīng)過(guò)裂縫內(nèi)的壓裂砂堆時(shí)，水相可以正常流過(guò)該孔隙介質(zhì)而不會(huì)發(fā)生水堵；當(dāng)油水兩相混合液經(jīng)過(guò)時(shí)，該壓裂砂堆能最大程度地抑制水相流動(dòng)，而不影響油相和氣相的流動(dòng)，從而減少油井的產(chǎn)出液含水率，達(dá)到維持油氣產(chǎn)量的目的。Hexion 公司研發(fā)的親油支撐劑對(duì)壓裂液、破膠劑均有良好的配伍性，可用于閉合應(yīng)力高達(dá)70 MPa、井底溫度在49～204 ℃范圍內(nèi)的壓裂作業(yè)環(huán)境。在美國(guó)二疊盆地頁(yè)巖油地層進(jìn)行了應(yīng)用，11%的40/70 目親油支撐劑作為末尾段壓裂砂泵入近井地帶，89%的40/70 目和100 目未覆膜支撐劑泵入遠(yuǎn)井地帶，與鄰井采用100%的40/70 目和100 目未覆膜支撐劑壓裂相比產(chǎn)能提高49%[8]。

3）柱狀支撐劑。壓裂作業(yè)后的油氣井產(chǎn)能優(yōu)化中，裂縫的導(dǎo)流能力是關(guān)鍵參數(shù)。斯倫貝謝公司開發(fā)了柱狀高強(qiáng)度支撐劑，與高強(qiáng)度球形支撐劑相比，具有更高的裂縫導(dǎo)流能力，并可與其他支撐劑結(jié)合使用控制回流。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在28 MPa 條件下，柱狀支撐劑的平均孔隙直徑比球形支撐劑高34%；柱狀支撐劑的β因子比對(duì)應(yīng)的球形支撐劑要低20%～40%；在相同條件下，壓力下降速率超過(guò)一定值時(shí)，柱狀支撐劑的控制回流性能較樹脂支撐劑顯著。2012 年在埃及Silah 油田應(yīng)用，柱狀支撐劑作為末尾段壓裂砂泵入近井地帶，保證近井區(qū)域的高導(dǎo)流能力并控制支撐劑回流，使得脫砂率從2011 年的45%降至0。柱狀支撐劑在壓裂過(guò)程中的排列方向影響裂縫導(dǎo)流能力，這方面仍待進(jìn)一步進(jìn)行研究來(lái)加以確定和改進(jìn)。支撐劑顆粒隨機(jī)充填效果如圖6 所示[9]。

圖6 柱狀支撐劑隨機(jī)充填效果

2.3 多功能支撐劑

1）電磁支撐劑。電磁支撐劑是在低密度支撐劑表面增加導(dǎo)電涂層，使其具有超導(dǎo)特性，用于壓裂裂縫監(jiān)測(cè)，克服微地震裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)無(wú)法分辨裂縫是否是被支撐劑充填的缺陷。美國(guó)卡博公司與康菲石油公司合作研發(fā)了基于電磁支撐劑的裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)。該技術(shù)的原理如圖7所示[10-11]，壓裂車將涂有導(dǎo)電涂層的可探測(cè)支撐劑泵入地層，下入井下電場(chǎng)發(fā)生裝置產(chǎn)生特定頻率的電場(chǎng)。此時(shí)具有特殊超導(dǎo)特性的支撐劑產(chǎn)生攜帶了位置信息的二次感生電磁場(chǎng)，該二次感生信號(hào)可以被布置在地面的接收器接收，隨后應(yīng)用反演算法將電磁場(chǎng)反推對(duì)支撐劑的分布進(jìn)行精確成像，得到支撐劑的具體方位。采用低密度導(dǎo)電涂層20/40 目支撐劑在美國(guó)二疊盆地一口水平井中進(jìn)行了成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了支撐劑的可視化功能，提高了壓裂效果評(píng)估的準(zhǔn)確性。未來(lái)大面積推廣應(yīng)用將有助于壓裂參數(shù)優(yōu)化、支撐劑優(yōu)選、壓裂液設(shè)計(jì)、井位部署、井位調(diào)整等。

圖7 電磁支撐劑裂縫監(jiān)測(cè)原理

2）防垢支撐劑。油氣井生產(chǎn)過(guò)程中常常受硫酸鈣結(jié)垢而不得不定期修井，每次修井需要先用修井機(jī)鉆頭磨銑清除井筒內(nèi)結(jié)垢，然后在每一級(jí)壓裂段注入除垢劑和酸液，最后再注入液體防垢劑，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、成本高。防垢支撐劑將防垢劑與陶粒支撐劑有效結(jié)合，在陶粒支撐劑生產(chǎn)過(guò)程中，在其內(nèi)部預(yù)先形成均勻分布的孔隙度，然后在這些內(nèi)部相互聯(lián)通的孔隙孔道內(nèi)用化學(xué)滲入的辦法注入固體化學(xué)阻垢劑。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，支撐劑內(nèi)部孔隙能注入的化學(xué)藥劑量大于在支撐劑表面所能固結(jié)的藥量。在支撐劑的表面還增加一層可以按需要定制的高滲或低滲滲透膜，當(dāng)泵入地層后，一旦支撐劑遇水后，水開始通過(guò)滲透膜侵入支撐劑孔隙，溶解阻垢劑并通過(guò)滲透膜將形成的化學(xué)溶液就地釋放至地層，從而阻止或減緩裂縫和井筒內(nèi)化學(xué)結(jié)垢，保持油氣產(chǎn)量穩(wěn)定?？ú┕狙邪l(fā)的阻垢支撐劑在二疊盆地碳酸巖地層中應(yīng)用，在壓裂液中按0.18%體積比配入了液體阻垢劑，還在普通壓裂支撐劑內(nèi)混合摻入1.5%的阻垢支撐劑，顯著延長(zhǎng)了油井生產(chǎn)時(shí)間，降低了修井頻率[12]。

2.4 智能支撐劑

1）智能膨脹支撐劑。智能膨脹支撐劑是由熱固性形狀記憶聚合物材料制成，其形狀記憶效應(yīng)可通過(guò)溫度等被激活產(chǎn)生膨脹，輕微釋放其存儲(chǔ)應(yīng)力，開啟地層中的一些微小裂縫，而不至于壓碎巖石，起到保持或進(jìn)一步增加縫寬和導(dǎo)流能力的作用。同時(shí)，支撐劑的膨脹性能在縫內(nèi)激活后會(huì)產(chǎn)生人工屏障，防止支撐劑回流井筒。整個(gè)注入過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)需單獨(dú)壓裂泵注設(shè)備，可隨常規(guī)支撐劑一起按照設(shè)計(jì)泵序分批注入。路易斯安納州立大學(xué)開展了智能膨脹式支撐劑室內(nèi)研究，物理模擬和數(shù)值模擬結(jié)果表明，智能膨脹式支撐劑自身強(qiáng)度及激活膨脹后的應(yīng)力釋放對(duì)裂縫導(dǎo)流能力的影響最為顯著。

圖8 支撐劑膨脹10%和20%時(shí)與相同粒徑常規(guī)支撐劑充填后孔隙度及滲透率對(duì)比

從圖8 可以看到，密度為0.95 g/cm3，彈性模量為520 MPa 的智能膨脹支撐劑在90 ℃、不同圍壓下，受溫度激活后，膨脹值為原始粒徑的10%和20%，分別對(duì)應(yīng)的充填支撐劑堆積孔隙度可提高10%以上，滲透率可提高25%～100%[13]。與常規(guī)支撐劑相比，智能支撐劑效果不顯著，主要是由于在高閉合應(yīng)力條件下，楊氏模量太小導(dǎo)致支撐劑產(chǎn)生的形變過(guò)大，影響支撐效果，未來(lái)需要研發(fā)更大彈性模量的智能膨脹支撐劑材料。

2）原位成形支撐劑。原位成形支撐劑是壓裂液在地層條件下通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成的球狀固體顆粒，壓裂液泵注過(guò)程中可以進(jìn)入各種尺度的裂縫，進(jìn)而對(duì)多尺度裂縫進(jìn)行有效支撐。由于原位成形支撐劑尺寸大于傳統(tǒng)支撐劑，不會(huì)出現(xiàn)脫砂等問(wèn)題。沙特阿美石油公司開展了原位成形支撐劑的室內(nèi)研究，圖9 為66 ℃下原位轉(zhuǎn)化支撐劑形成過(guò)程。左圖是化學(xué)反應(yīng)前的均質(zhì)溶液，中圖是液體混合30 min 后支撐劑顆粒形成的早期階段，右圖是在靜置60 min 后形成的支撐劑顆粒[14]。顆粒直徑是化學(xué)溶液停留在裂縫中的時(shí)間函數(shù)，泵注時(shí)間和停留時(shí)間越長(zhǎng)，形成的顆粒直徑越大，越有利于裂縫的支撐。力學(xué)性能測(cè)試顯示，原位成形支撐劑具有較高的硬度和很好的彈性，不會(huì)像傳統(tǒng)支撐劑發(fā)生破碎，當(dāng)外力卸載后恢復(fù)至原始形狀，可以保持裂縫的長(zhǎng)期導(dǎo)流能力和有效控制支撐劑的回流。

圖9 66 ℃下原位轉(zhuǎn)化支撐劑的形成過(guò)程

3 發(fā)展方向

隨著我國(guó)油氣勘探的不斷深入，勘探開發(fā)對(duì)象越來(lái)越復(fù)雜，油氣資源品味越來(lái)越差。2006～2015年，全國(guó)累計(jì)探明低滲透石油地質(zhì)儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的67.5%；2008～2015 年，全國(guó)累計(jì)探明致密氣地質(zhì)儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的60%～72%，遠(yuǎn)大于2005～2007年的20%～40%。2016 年，全國(guó)新增探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量9.1 億噸，其中低滲透、致密油占67%；新增天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量6540 億立方米，其中低滲透、致密氣占73%[15]。低滲致密油氣經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)對(duì)水力壓裂技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，對(duì)壓裂支撐劑成本、性能和功能提出了新的要求，未來(lái)需要在低成本、高強(qiáng)度低密度、高導(dǎo)流能力、多功能化、智能化方面開展攻關(guān)研究，提高壓裂改造效果，大幅降低噸油成本，實(shí)現(xiàn)低滲致密油氣藏的經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)。

1.低成本加工制造技術(shù)。目前，新型支撐劑制造工藝復(fù)雜、成本較高，還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。需要完善支撐劑加工工藝，改善支撐劑粒度、粒徑、光滑度等性能。同時(shí)，開展低成本制造和表面處理技術(shù)研究，降低工藝難度和生產(chǎn)成本。

2.高強(qiáng)度低密度支撐劑。隨著油氣勘探開發(fā)儲(chǔ)層越來(lái)越深，地層閉合應(yīng)力增大，對(duì)支撐劑的強(qiáng)度越來(lái)越高。支撐劑強(qiáng)度提升會(huì)帶來(lái)密度的增加，導(dǎo)致支撐劑在近井地帶快速沉降，造成脫砂。需要開展高強(qiáng)度低密度支撐劑的研發(fā)，保證支撐劑強(qiáng)度的同時(shí)，降低支撐劑的密度。

3.高導(dǎo)流支撐劑。利用表面改性技術(shù)對(duì)支撐劑表面進(jìn)行涂覆、化學(xué)吸附或反應(yīng)來(lái)改善支撐劑性能，實(shí)現(xiàn)疏水親油、束縛成團(tuán)、控制回流等功能，大幅提高壓裂裂縫導(dǎo)流能力。開展柱狀支撐劑等特殊形狀支撐劑及其泵注入工藝的研究，實(shí)現(xiàn)支撐劑的定向排列，發(fā)揮特殊形狀支撐劑的導(dǎo)流效果。

4.多功能支撐劑。以支撐劑為載體，實(shí)現(xiàn)裂縫支撐的同時(shí)提升壓裂整體效果。需要開展示蹤支撐劑、電磁支撐劑、防垢支撐劑的研究，有效探測(cè)支撐劑分布，或防止井筒結(jié)垢等其他功能。

5.智能支撐劑。隨著智能材料、納米材料等高新技術(shù)與油氣勘探開發(fā)工程技術(shù)不斷融合發(fā)展，未來(lái)可能對(duì)石油工程技術(shù)產(chǎn)生顛覆性變革。需要開展智能膨脹支撐劑、原位成形支撐劑等研究，使支撐劑針對(duì)井下環(huán)境做出智能響應(yīng)，提高壓裂效果。