壓裂支撐劑新進展與發展方向

光新軍，王敏生，韓福偉，耿黎東

（1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；2.中國石油集團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層改造中用來支撐壓裂人工裂縫的一種關鍵材料，是提高壓裂成功率和改造效果的關鍵。通過對壓裂支撐劑材料、設計和生產等技術的不斷創新，研發的高強度、高導流、低成本、特殊功能支撐劑可大幅提高油氣井產能，提升油氣勘探開發效益。目前，國外油田技術服務公司非常重視壓裂支撐劑的研發與應用，并取得了諸多進展。及時了解和掌握國外壓裂支撐劑技術的最新進展，對優化我國壓裂支撐劑技術的發展規劃和科研方向，以及加快壓裂支撐劑的研發具有重要意義。

1 壓裂支撐劑應用現狀

1.1 壓裂支撐劑用量趨勢

水力壓裂技術自1947 年在美國試驗成功以來，已經由簡單的低液量、低排量壓裂增產方法發展成為一項成熟的開采工藝技術。過去10 年，美國大部分油氣生產都采用了水力壓裂技術。據EIA統計，美國水力壓裂井生產的天然氣占天然氣總量的2/3左右，生產的原油占美國原油總量的1/2 左右。近年來，美國針對非常規油氣開發陸續采用超級壓裂技術，將常規壓裂液中單位水平段長度支撐劑用量不斷提升，大幅提高了單井產量，降低了桶油成本。2014～2018 年間，美國先鋒自然資源公司在二疊盆地頁巖油氣開發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，單井產量提高50%，桶油成本降低21%[1]。大排量壓裂液推動了美國壓裂支撐劑用量的增長，2011～2018 年，壓裂支撐劑用量總體呈現持續增長趨勢，2016 年受國際油價影響，有所下降，2018 年達到歷史新高的10 900萬噸，比2016 年增長160%，預計2021 年支撐劑用量將達到14 100 萬噸。圖1 為2011～2021 年美國壓裂支撐劑用量趨勢[2]。

圖1 2011～2021 年美國不同區塊壓裂支撐劑用量趨勢

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，以美國頁巖油氣為例，Eagle Ford 頁巖油氣區平均建井成本為735 萬美元，鉆機和鉆井液、固井、壓裂設備、壓裂液和返排、支撐劑5 個主要成本因素占比達76%。其中，支撐劑成本占建井成本的13%，為96 萬美元，如圖2 所示[3]。

圖2 Eagle Ford 頁巖油氣區建井成本構成

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中的最常用的支撐劑。圖3 為支撐劑導流能力金字塔圖[4]，第一層是陶粒，高強度、尺寸和形狀均勻、抗溫、導流能力高；第二層是覆膜砂，中等強度、尺寸和形狀不規則、導流能力中等；第三層是天然石英砂，低強度、尺寸和形狀不規則、導流能力低。除了覆膜砂和陶粒外，近幾年出現了許多被賦予特種功能的人工壓裂支撐劑，由于價格高，其應用數量和規模有限，常常針對某一類特殊地層應用，多在常規壓裂支撐劑中混入少量使用，或專門用于壓裂設計優化的先導井。

圖3 支撐劑導流能力金字塔圖

2 壓裂支撐劑新進展

2.1 超高強度和超低密度支撐劑

1）超高強度支撐劑。隨著深部儲層的不斷開發，傳統支撐劑在140 MPa 以上的閉合應力下無法提供足夠的導流能力。美國卡博公司研發了一種超高強度高導流性支撐劑，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，進而提高強度。在140 MPa下超高強度支撐劑僅2%出現破碎，而傳統支撐劑則達到10%；在207 MPa下超高強度支撐劑僅7%出現破碎。同時，超高強度高導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 地區的深水油氣井儲層壓力超過140 MPa，溫度高達260 ℃，采用超高強度高導流性支撐劑取得了良好的應用效果。

圖4 超高強度高導流支撐劑（左）與高強度陶粒支撐劑（右）外觀對比

2）超低密度支撐劑。滑溜水與膠液壓裂液相比成本低，易形成復雜裂縫網絡，近年來在水力壓裂中應用日益廣泛。但由于滑溜水黏度相對較小，其懸砂能力及攜砂能力較弱。在施工過程中，為避免砂堵等復雜情況，壓裂時常采用大排量的壓裂工藝以提高支撐劑運移效率，增加了施工成本。同時，在壓裂過程中，支撐劑易在壓裂裂縫中沉降，難以對水平井筒裂縫高邊提供有效支撐，進而影響主裂縫的導流能力。Sun 公司在鉆井液空心微珠技術的基礎上，研發了超輕質支撐劑，密度為1.066 g/cm3，尺寸為14/40 目和30/80 目，抗壓強度為70 MPa，適用地層溫度為149 ℃，在流動的滑溜水壓裂液里基本處于懸浮狀態，施工時在常規支撐劑中混入約4%～5%的超輕質支撐劑。現場應用表明，超低密度支撐劑能夠減緩油氣井產能遞減率，增加單井累計產出量。卡博公司研發的輕質陶粒支撐劑密度為2.0 g/cm3，與常規石英砂相比，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，其長期導流能力比石英砂提高了43%[6]。

2.2 高導流支撐劑

1）自懸浮支撐劑。自懸浮支撐劑是在現有普通石英砂外添加特殊的化學薄膜，化學薄膜在空氣中的密度與石英砂沒有太大的區別。但放入水中后，與水中溶解的氮氣產生反應，形成泡沫，借助氣泡產生的浮力，整個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Preferred 公司研發的自懸浮支撐劑在21 MPa 下表現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計，最大限度降低支撐劑充填層的水堵損害，通過持續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滲透率，證明了自懸浮支撐劑可提高油相流度75%。同時，還具有自清潔、低摩阻、低成本等優點[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，除了具有常規樹脂覆膜支撐劑的優點外，還通過化學處理，將傳統樹脂覆膜的潤濕性由中性變為親油憎水，當只有水相經過裂縫內的壓裂砂堆時，水相可以正常流過該孔隙介質而不會發生水堵；當油水兩相混合液經過時，該壓裂砂堆能最大程度地抑制水相流動，而不影響油相和氣相的流動，從而減少油井的產出液含水率，達到維持油氣產量的目的。Hexion 公司研發的親油支撐劑對壓裂液、破膠劑均有良好的配伍性，可用于閉合應力高達70 MPa、井底溫度在49～204 ℃范圍內的壓裂作業環境。在美國二疊盆地頁巖油地層進行了應用，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能提高49%[8]。

3）柱狀支撐劑。壓裂作業后的油氣井產能優化中，裂縫的導流能力是關鍵參數。斯倫貝謝公司開發了柱狀高強度支撐劑，與高強度球形支撐劑相比，具有更高的裂縫導流能力，并可與其他支撐劑結合使用控制回流。室內實驗結果顯示，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因子比對應的球形支撐劑要低20%～40%；在相同條件下，壓力下降速率超過一定值時，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，保證近井區域的高導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程中的排列方向影響裂縫導流能力，這方面仍待進一步進行研究來加以確定和改進。支撐劑顆粒隨機充填效果如圖6 所示[9]。

圖6 柱狀支撐劑隨機充填效果

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電涂層，使其具有超導特性，用于壓裂裂縫監測，克服微地震裂縫監測技術無法分辨裂縫是否是被支撐劑充填的缺陷。美國卡博公司與康菲石油公司合作研發了基于電磁支撐劑的裂縫監測技術，并在現場進行了試驗。該技術的原理如圖7所示[10-11]，壓裂車將涂有導電涂層的可探測支撐劑泵入地層，下入井下電場發生裝置產生特定頻率的電場。此時具有特殊超導特性的支撐劑產生攜帶了位置信息的二次感生電磁場，該二次感生信號可以被布置在地面的接收器接收，隨后應用反演算法將電磁場反推對支撐劑的分布進行精確成像，得到支撐劑的具體方位。采用低密度導電涂層20/40 目支撐劑在美國二疊盆地一口水平井中進行了成功應用，實現了支撐劑的可視化功能，提高了壓裂效果評估的準確性。未來大面積推廣應用將有助于壓裂參數優化、支撐劑優選、壓裂液設計、井位部署、井位調整等。

圖7 電磁支撐劑裂縫監測原理

2）防垢支撐劑。油氣井生產過程中常常受硫酸鈣結垢而不得不定期修井，每次修井需要先用修井機鉆頭磨銑清除井筒內結垢，然后在每一級壓裂段注入除垢劑和酸液，最后再注入液體防垢劑，作業時間長、成本高。防垢支撐劑將防垢劑與陶粒支撐劑有效結合，在陶粒支撐劑生產過程中，在其內部預先形成均勻分布的孔隙度，然后在這些內部相互聯通的孔隙孔道內用化學滲入的辦法注入固體化學阻垢劑。在現有技術條件下，支撐劑內部孔隙能注入的化學藥劑量大于在支撐劑表面所能固結的藥量。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，當泵入地層后，一旦支撐劑遇水后，水開始通過滲透膜侵入支撐劑孔隙，溶解阻垢劑并通過滲透膜將形成的化學溶液就地釋放至地層，從而阻止或減緩裂縫和井筒內化學結垢，保持油氣產量穩定。卡博公司研發的阻垢支撐劑在二疊盆地碳酸巖地層中應用，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混合摻入1.5%的阻垢支撐劑，顯著延長了油井生產時間，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，其形狀記憶效應可通過溫度等被激活產生膨脹，輕微釋放其存儲應力，開啟地層中的一些微小裂縫，而不至于壓碎巖石，起到保持或進一步增加縫寬和導流能力的作用。同時，支撐劑的膨脹性能在縫內激活后會產生人工屏障，防止支撐劑回流井筒。整個注入過程簡單，無需單獨壓裂泵注設備，可隨常規支撐劑一起按照設計泵序分批注入。路易斯安納州立大學開展了智能膨脹式支撐劑室內研究，物理模擬和數值模擬結果表明，智能膨脹式支撐劑自身強度及激活膨脹后的應力釋放對裂縫導流能力的影響最為顯著。

圖8 支撐劑膨脹10%和20%時與相同粒徑常規支撐劑充填后孔隙度及滲透率對比

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%，分別對應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力條件下，楊氏模量太小導致支撐劑產生的形變過大，影響支撐效果，未來需要研發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化學反應形成的球狀固體顆粒，壓裂液泵注過程中可以進入各種尺度的裂縫，進而對多尺度裂縫進行有效支撐。由于原位成形支撐劑尺寸大于傳統支撐劑，不會出現脫砂等問題。沙特阿美石油公司開展了原位成形支撐劑的室內研究，圖9 為66 ℃下原位轉化支撐劑形成過程。左圖是化學反應前的均質溶液，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]。顆粒直徑是化學溶液停留在裂縫中的時間函數，泵注時間和停留時間越長，形成的顆粒直徑越大，越有利于裂縫的支撐。力學性能測試顯示，原位成形支撐劑具有較高的硬度和很好的彈性，不會像傳統支撐劑發生破碎，當外力卸載后恢復至原始形狀，可以保持裂縫的長期導流能力和有效控制支撐劑的回流。

圖9 66 ℃下原位轉化支撐劑的形成過程

3 發展方向

隨著我國油氣勘探的不斷深入，勘探開發對象越來越復雜，油氣資源品味越來越差。2006～2015年，全國累計探明低滲透石油地質儲量占總儲量的67.5%；2008～2015 年，全國累計探明致密氣地質儲量占總儲量的60%～72%，遠大于2005～2007年的20%～40%。2016 年，全國新增探明石油地質儲量9.1 億噸，其中低滲透、致密油占67%；新增天然氣地質儲量6540 億立方米，其中低滲透、致密氣占73%[15]。低滲致密油氣經濟高效開發對水力壓裂技術提出了新的挑戰，對壓裂支撐劑成本、性能和功能提出了新的要求，未來需要在低成本、高強度低密度、高導流能力、多功能化、智能化方面開展攻關研究，提高壓裂改造效果，大幅降低噸油成本，實現低滲致密油氣藏的經濟高效開發。

1.低成本加工制造技術。目前，新型支撐劑制造工藝復雜、成本較高，還未實現大規模應用。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，開展低成本制造和表面處理技術研究，降低工藝難度和生產成本。

2.高強度低密度支撐劑。隨著油氣勘探開發儲層越來越深，地層閉合應力增大，對支撐劑的強度越來越高。支撐劑強度提升會帶來密度的增加，導致支撐劑在近井地帶快速沉降，造成脫砂。需要開展高強度低密度支撐劑的研發，保證支撐劑強度的同時，降低支撐劑的密度。

3.高導流支撐劑。利用表面改性技術對支撐劑表面進行涂覆、化學吸附或反應來改善支撐劑性能，實現疏水親油、束縛成團、控制回流等功能，大幅提高壓裂裂縫導流能力。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，實現支撐劑的定向排列，發揮特殊形狀支撐劑的導流效果。

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

5.智能支撐劑。隨著智能材料、納米材料等高新技術與油氣勘探開發工程技術不斷融合發展，未來可能對石油工程技術產生顛覆性變革。需要開展智能膨脹支撐劑、原位成形支撐劑等研究，使支撐劑針對井下環境做出智能響應，提高壓裂效果。