中國粉體網(wǎng)訊 由于社會(huì)發(fā)展與環(huán)境的壓力，清潔能源在我國能源結(jié)構(gòu)中的占比將逐步增大，常規(guī)性的天然氣資源以及煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)性的天然氣資源將會(huì)成為未來的重要能源。這些能源的開采需要壓裂技術(shù)，更離不開壓裂支撐劑的配合。
什么是壓裂支撐劑？
壓裂支撐劑是油氣儲(chǔ)層改造中用來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率的關(guān)鍵。通過對(duì)壓裂支撐材料、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。預(yù)計(jì)2021年支撐劑用量將達(dá)到14100萬噸。
2011~2021年美國不同區(qū)塊壓裂支撐劑用量趨勢
在油氣開采過程中，壓裂支撐劑能夠增大裂縫的孔隙度，提高油氣的滲透率，從而達(dá)到了油氣增產(chǎn)的目的。質(zhì)量好的支撐劑不僅能夠在較高的閉合應(yīng)力下保持不破碎，同時(shí)還能提高裂縫的導(dǎo)流能力，直接提高油氣井的產(chǎn)量。而質(zhì)量差的壓裂支撐劑一方面在地底高閉合應(yīng)力下會(huì)破碎，從而堵塞裂縫，另一方面會(huì)對(duì)地層造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞。因此，壓裂支撐劑的質(zhì)量是水力壓裂的關(guān)鍵。
支撐劑顯微鏡照片
壓裂支撐劑材料發(fā)展現(xiàn)狀
石油支撐劑材料發(fā)展歷程可以分為5個(gè)階段：
第1階段（1947～1949年）：原標(biāo)準(zhǔn)石油公司首次引入Arkansas River河沙作為支撐劑（Hugoton油田壓裂實(shí)驗(yàn)）。
第2階段（1950～1959年）：20世紀(jì) 50年代 ：采用礦砂作為支撐劑。
第3階段（1960～1969年）：采用圓球度較高的核桃殼、玻璃、塑料微珠
對(duì)支撐劑性能進(jìn)行改良。
第4階段（1970～1979年）：鋁礬土燒結(jié)高抗壓強(qiáng)度的人造陶粒支撐劑，在壓裂過程中尾追一定量的覆膜支撐劑，解決了支撐劑回流、微粒運(yùn)移導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力下降的問題。
第5階段（1980年至今）：低、中密度陶粒支撐劑（優(yōu)化添加材料）。
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。
支撐劑導(dǎo)流能力金字塔圖
目前常用的石油壓裂支撐劑主要有天然材料和人造陶粒壓裂支撐劑兩類，天然材料包括石英砂、核桃殼以及金屬球等天然存在的固狀顆粒，人造陶粒支撐劑主要包括熔融噴吹法制備的陶粒、燒結(jié)陶粒以及樹脂覆膜陶粒。在所有的壓裂支撐劑中，應(yīng)用最為廣泛的是石英砂和人造燒結(jié)陶粒壓裂支撐劑。
支撐劑主要屬性
壓裂支撐劑中用到的非金屬礦物
研究發(fā)現(xiàn)，無論是天然材料和人造陶粒壓裂支撐劑，在制造過程中都有非金屬礦物的參與。根據(jù)自然屬性的差異，支撐劑分為天然、人造，主要品種有天然石英砂、人造陶粒、覆膜支撐劑。
☆石英砂
2014年以來，北美地區(qū)采用石英砂為原料，通過技術(shù)及管理創(chuàng)新替代了陶粒，大幅降低了水力壓裂工程作業(yè)成本，助推了非常規(guī)油氣經(jīng)濟(jì)高效開發(fā)。用低價(jià)格的石英砂（約120美元/t）替代陶粒（約480美元/t），目前北美地區(qū)支撐劑中石英砂占比已達(dá)96%。
另外，小粒徑石英砂成為北美地區(qū)支撐劑使用主流，2018 年北美地區(qū)開采頁巖氣所用的40/70 目和100 目兩種細(xì)砂之和約占所用支撐劑總量的70%以上，其中二疊盆地所用支撐劑中，細(xì)粒石英砂從2015 年開始占據(jù)主導(dǎo)地位，2019年40/70 目與100 目的細(xì)砂占比為80%，在3500m以深的深層100 目石英砂占比已超68.6%。
2008—2019 年北美地區(qū)頁巖氣支撐劑粒徑分布
☆人造陶粒
人造陶粒主要組分為鋁礬土礦石（氧化鋁）添加錳礦石、白云石、鉀長石、高嶺土，硅酸鎂或鋁土礦和高嶺土的混和物等為原料，經(jīng)混料、造粒、干燥、燒結(jié)等過程制備得到。其圓球度高（粒徑均勻），孔隙度和滲透率，抗壓強(qiáng)度優(yōu)于石英砂（分為中等強(qiáng)度、高等強(qiáng)度），高閉合應(yīng)力下破碎率低。人造陶粒相對(duì)密度較高。目前，國內(nèi)陶粒生產(chǎn)企業(yè)中密度、高密度陶粒支撐劑性能已接近國外同類產(chǎn)品，低密度支撐劑的產(chǎn)品與國外差距較大。相對(duì)而言，人造陶粒加工工藝復(fù)雜（稱量、磨粉、造粒、煅燒），制造成本高。
￭美國卡博公司研發(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。
￭岳俊磊在超低密高強(qiáng)度壓裂支撐劑的制備及性能研究一文中，以鋁礬土和煤系高嶺土為主要原料，分別輔以鉀長石和工業(yè)氧化鋁，并以白云石和V2O5作為添加劑，采用無壓燒結(jié)技術(shù)制備了超低密高強(qiáng)度的壓裂支撐劑。
目前人造支撐劑的制備對(duì)高品位鋁礬土的依賴性較高，而對(duì)低品位鋁礬土應(yīng)用較低，資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。
￭崔冰峽在高強(qiáng)度低密度壓裂支撐劑的制備研究以孝義輕燒鋁礬土和內(nèi)蒙高嶺土為原料，分別以TiO2和MgO為添加劑，采用強(qiáng)力混合機(jī)造粒方法及無壓煅燒技術(shù)制備出莫來石質(zhì)低密度壓裂支撐劑。又為制備出符合低滲透油氣藏尤其是煤層氣和頁巖氣水力壓裂要求的低密支撐劑，選用高嶺土及其煅燒產(chǎn)物為原料，AlF3和鉬酸銨為添加劑，經(jīng)造粒-煅燒，制備出高嶺土基低密度壓裂支撐劑。通過系統(tǒng)研究造粒工藝、添加劑及煅燒溫度對(duì)支撐劑性能、物相及微觀結(jié)構(gòu)的影響。
鋁礬土基陶粒支撐劑
目前，陶粒支撐劑主要是以鋁礬土為原料，添加各種輔料經(jīng)混料、造粒、干燥、燒結(jié)及篩分等過程制備而成，礬土基壓裂支撐劑一般由剛玉、莫來石、方石英和玻璃相組成。其中剛玉、莫來石、方石英的理論密度分別為3.99g/cm3、3.03g/cm3、2.30~2.34g/cm3。鋁礬土原料中鋁含量較高時(shí)可制備出由剛玉和莫來石相組成的高強(qiáng)度、高密度支撐劑。
高嶺土基陶粒支撐劑
美國專利取瓷土（Al2O3含量低于20wt%）、陶土（Al2O3含量低于25wt%）和高嶺土（Al2O3大約40wt%）為原料，在1150℃~1380℃溫度范圍內(nèi)制備出體積密度為1.30~1.50g/cm3，視密度為2.10~2.55g/cm3的支撐劑。其中含Al2O3量為19.05%的支撐劑試樣體積密度為1.30g/cm3，視密度為2.4g/cm3，35MPa下破碎率為3.8%，52MPa下破碎率為9.5%；Carbo 公司以高嶺土為原料，在1200 ~1350℃ 溫度范圍內(nèi)制備出體積密度為0.95 ~ 1.30g/cm3，視密度為1.60~2.10g/cm3的超低密支撐劑，且燒結(jié)溫度高于 1200℃時(shí)其28 MPa下破碎率低于15%。
Walter 等人分別以高嶺土和鋁礬土為原料制備陶粒壓裂支撐劑，研究結(jié)果表明相比鋁礬土基支撐劑，高嶺土基支撐劑在強(qiáng)度相當(dāng)?shù)臈l件下密度更低。
小結(jié)：從上可知，壓裂支撐劑中非金屬礦物配合數(shù)多，不單單只是石英砂！
參考資料：
石英壓裂砂替代陶粒支撐劑，市場需求有多大？
岳俊磊.超低密高強(qiáng)度壓裂支撐劑的制備及性能研究
崔冰峽.高強(qiáng)度低密度壓裂支撐劑的制備研究
光新軍等.壓裂支撐劑新進(jìn)展與發(fā)展方向
冷悅山等.石油壓裂支撐劑材料開發(fā)應(yīng)用前景分析
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/茜茜）
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