水力壓裂支撐劑應用現狀與研究進展

毛崢，李亭，劉德華，楊琦

(1.長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100；2.長江大學 油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430100；3.中聯煤層氣有限責任公司，北京 100020)

水力壓裂作為一門應用廣泛的油氣增產改造技術，自20世紀40年代在美國試驗成功之后，經歷了七十多年的發展[1],其理論和工藝研究取得了巨大的進步。水力壓裂過程中，支撐劑通常由壓裂液攜帶進入地層并用于支撐壓裂后的水力裂縫，從而使地層中形成一定導流能力的人工裂縫[2]，為油氣開采提供滲流通道。水力壓裂支撐劑作為一種用來支撐水力裂縫的關鍵材料，直接影響到壓裂改造效果和壓裂成功率[3]。水力壓裂技術自上世紀出現以來，至今已經使用了許多類型的壓裂支撐劑[4]，如核桃殼、金屬鋁球、玻璃珠等，但是由于材料自身強度和硬度方面存在的缺點，以及成本方面的原因，這些天然支撐劑逐漸難以滿足油氣勘探開發的需求[5]，因而促使了陶粒、石英砂和覆膜支撐劑的應運而生。

目前國內外壓裂現場施工使用的壓裂支撐劑，仍主要以傳統的石英砂，陶粒以及覆膜支撐劑為主，近年來，隨著水力壓裂工藝技術的進步，逐漸出現了一些與工藝相適應的新型支壓裂撐劑，如納米支撐劑和多功能支撐劑等，相較于傳統的支撐劑，這些新型壓裂支撐劑具有更高的抗壓強度和導流能力，以及更低的破碎率等優異的性能。因此，要加大對新型壓裂支撐劑的研究力度，不斷對支撐劑的材料和性能進行優化和技術突破，形成與國內油氣儲層條件相適應的支撐劑技術體系，這對于提高油氣開采綜合效益，實現我國油氣資源的高效開發具有重要的現實意義。

1 壓裂支撐劑應用現狀

對于國外壓裂施工目前應用較為普遍的壓裂支撐劑，主要是以石英砂、陶粒、覆膜支撐劑為主，而國內由于受到地層條件和生產成本等因素的制約，目前各個油氣田大部分壓裂施工主要還是以石英砂和陶粒為主，覆膜支撐劑的使用相對較少[6]。相較于石英砂來說，雖然覆膜支撐劑和陶粒的基本性能更加優異，但由于成本相對較高并且對產量的提升與石英砂相比差距不大，因此，石英砂目前仍然是國內外壓裂施工中應用最為廣泛的壓裂支撐劑。

1.1 石英砂

天然石英砂通常為石英砂巖經風化剝蝕和水力沖刷等作用形成的顆粒，為了使其具有最佳性能，需要經過一系列的加工處理如清洗、烘干、篩分等，才可以作為支撐劑進行使用。石英砂的主要成分為石英，同時伴有少量的Fe2O3和Al2O3以及CaO和MgO等。石英砂的體積密度一般約為1.75 g/cm3，視密度約為 2.65 g/cm3，可以作為壓裂支撐劑的石英砂，其石英含量一般在80%左右，對于更為優質的石英砂來說，石英含量甚至可以達到98%[7]。在水力壓裂作業中，比較常見的石英砂支撐劑主要有兩類，即白砂和棕砂。北美地區壓裂施工常用的為白砂，而國內則大多以棕砂為主，白砂與棕砂相比，性能較為優異，其具有雜質含量少，石英含量高，破碎率低等特點。

石英砂具有價格低廉、操作方便等優點，在閉合壓力低的儲層有較好的增產改造效果。但由于其自身抗壓強度較低、破碎率較大，當儲層閉合壓力達到甚至超過35 MPa時，石英砂會產生大量破碎，同時由于微粒運移、地層堵塞、支撐劑嵌入以及壓裂液傷害等因素的影響，使支撐裂縫的導流能力大幅降低，從而影響壓裂效果，因此，石英砂一般比較適合于地層閉合壓力較小的油氣儲層壓裂作業[7]。此外，石英砂形狀不均勻，圓球度較低，對壓裂管柱、管匯和射孔炮眼等會產生較大磨損[8]。盡管相較于陶粒和覆膜支撐劑來說，石英砂的抗壓強度較低，抵抗破碎的能力較差，但是近年來，國內外壓裂支撐劑發展開始逐漸趨于低成本化，未來石英砂仍然是壓裂支撐劑的首選。

1.2 陶粒支撐劑

陶粒支撐劑主要采用高嶺土、鋁礬土、硅酸鎂、軟錳礦、白云石等為原料，經過混料、造粒、干燥、燒結等一系列加工過程制備而成。陶粒按密度可以分為低密度陶粒、中密度陶粒和高密度陶粒。與石英砂相比，陶粒支撐劑的形狀更為均勻，且具有較高的化學穩定性和熱穩定性，以及更高的圓球度和抗壓強度。因此，陶粒支撐劑常用于地層裂縫閉合壓力大的儲層中。可以抵抗高閉合壓力，使水力裂縫保持高導流能力[8]。因此，陶粒支撐劑常被應用于地層閉合壓力較大的油氣儲層壓裂改造。

陶粒支撐劑由于具有相對密度較大的特點，這就對配套的壓裂工藝(如壓裂液性能和泵注條件等)提出了更高的要求，在一定程度上增加了施工難度，而且陶粒的原料選取和生產過程都比較嚴格復雜，加工工藝對其質量和性能的影響很大，因此，陶粒支撐劑的生產成本往往也較高。這些因素使得選用陶粒作為支撐劑進行水力壓裂時，施工成本和風險大大增加，從而限制了陶粒支撐劑的廣泛使用[9]。目前對于非常規油氣的開發，現場也較多采用在石英砂后尾追陶粒的支撐劑組合進行壓裂施工，可以起到防止地層出砂和增加裂縫導流能力的目的。

1.3 覆膜支撐劑

覆膜支撐劑是指將高分子樹脂包覆在石英砂或陶粒支撐劑的骨料外部，利用高閉合壓力將其壓緊，從而制備而成的一種壓裂支撐劑。高分子樹脂膜可以將基體支撐劑表面顆粒間的點與點接觸轉變成小面積接觸，從而將作用于顆粒上的負荷進行了分散，提高了支撐劑顆粒的抗壓強度，使之可以具有更高的抗破碎能力。因而覆膜支撐劑不僅具有陶粒和石英砂支撐劑的優點，而且還表現出更高的強度和圓球度，以及相對密度低等優良的特性，并且覆膜支撐劑也可以用來防止支撐劑的返吐和地層出砂。目前常用的覆膜支撐劑按照其包裹方法可以分為預固化和可固化兩類型，預固化覆膜支撐劑主用來為裂縫提供高導流能力，可固化覆膜支撐劑則主要用來防止出砂[10]。

對基體支撐劑進行覆膜時，高分子樹脂可以對支撐劑表面一些凹凸不平的部分進行填平處理，使得覆膜后的支撐劑表面變得更加圓滑，增大圓球度，同時也使基體支撐劑表面受力更加均勻，從而提高覆膜支撐劑抵抗破碎的能力，使之可以承受更高的閉合壓力。另外，由于覆膜支撐劑具有低密度的特點，可以使攜砂液和泵送成本降低，同時還便于支撐劑進入儲層裂縫的深處。伴隨著樹脂用量的增加，覆膜支撐劑的成本也會大幅增加，為了降低成本，提高經濟性，在保證覆膜支撐劑具有足夠抗壓強度的前提下，應盡可能減少樹脂使用量， 一般控制在6%以下為宜[11]。 目前國內壓裂施工在選擇覆膜支撐劑時多以覆膜石英砂為主，在控制成本的同時，也可以增大支撐劑的抗壓強度，使之可以應用于地層閉合壓力較大的深井壓裂改造。

2 壓裂支撐劑研究進展

近年來，隨著對煤層氣、致密砂巖氣以及頁巖氣等非常規天然氣資源勘探開發力度的不斷加大，以及壓裂技術工藝的逐漸發展，這就對壓裂支撐劑的性能提出了更高的要求，國內外壓裂支撐劑技術也隨之取得了新的進展，研發出多種新型支撐劑以適應壓裂技術發展的需要。

2.1 表面改性支撐劑

表面改性是指利用某種工藝手段對基體材料表面進行處理，使其獲得與自身不同的性能和結構的一門技術。近年來，表面改性技術被逐步應用于水力壓裂領域，成為壓裂支撐劑研究的熱點，壓裂支撐劑在進行表面改性后會具有一些特殊的功能[12]，使之可以應用于不同地層條件下的儲層壓裂改造。表面改性支撐劑的種類很多，主要包括疏水支撐劑[13]、自懸浮支撐劑[14]、自聚性支撐劑[15]、磁性支撐劑[16]、多功能支撐劑等[17]，它們均是利用表面改性技術，而研發出的性能更加優異的壓裂支撐劑。

疏水支撐劑是利用表面化學改性技術得到的一種具有特殊功能的壓裂支撐劑,它是通過改變支撐劑表面親疏水性能,從而可以控制油水流通性質，有效的提高油氣產量[18]。

任先艷等[19]研發了一種包裹有高分子膜的疏水支撐劑，它是將有機硅前驅體和醇混合，再加入氟代硅烷進行反應，得到的反應液再與線性樹脂混合進行反應，最后加入固化劑進行固化，從而制得超疏水高分子膜支撐劑，由于該支撐劑表面和水的接觸角大于150 ℃，從而顯著提高了支撐劑的疏水性能。

牟紹艷等[20]發明了一種疏水改性支撐劑,其制備方法是向基體支撐劑顆粒中加入少量疏水樹脂膠,并對其進行10～30 min的攪拌或者晃動，使支撐劑顆粒表面被樹脂膠液所潤濕,然后進行固化從而制備得到疏水改性支撐劑。該疏水支撐劑具有良好的親油疏水性，并且制備過程簡單，原料用量也較少，使之可以有效的降低油氣開采成本，提高油氣產量。

自懸浮支撐劑是利用表面改性技術，對基體支撐劑表面進行修飾后接枝聚合的產品[21]。在自懸浮支撐劑的基體顆粒外通常涂覆有水凝膠涂層[22]，水凝膠涂層在水化后，會迅速的發生膨脹，減小了支撐劑的相對密度，使支撐劑顆粒的沉降速度大大降低，增強了支撐劑在壓裂攜砂液中的懸浮性能，改善了支撐劑在地層中的運移狀態，能夠確保支撐劑順利到達裂縫深部，提高壓裂效率和油氣產量[23]。

張鑫等[23]發明了一種膨脹型懸浮支撐劑，它是通過將表面經過處理的基體支撐劑和共聚單體按一定的比例放置于三口燒瓶中，再向三口燒瓶中加入質量分數為30%的氫氧化鈉溶液，緊接著把三口燒瓶放置于溫度為30 ℃的恒溫水浴中，并且通30 min的氮氣，然后在氮氣保護下，向三口燒瓶中加入以亞硫酸氫鈉和過硫酸銨為主要成分的引發劑，同時均勻的攪拌，經過6 h的靜置反應后將三口燒瓶中的聚合體取出，再將其放入溫度為80 ℃的干燥箱中進行干燥，待干燥至恒重后利用粉碎機對聚合體采取粉碎處理，最后在選取相應目數的篩網進行篩選，從而制得膨脹型自懸浮支撐劑。

Mahoney等[24]通過在基體支撐劑表面涂覆一層可溶脹水凝膠，從而制備得到自懸浮支撐劑，基體支撐劑表面的可溶脹水凝膠遇水會發生膨脹，同時水凝膠層厚度會逐漸擴大，從而降低支撐劑的密度，使支撐劑在壓裂液中的懸浮能力增強，而且使用較少的壓裂液量就可以保證將該自懸浮支撐劑輸送至裂縫內的預期位置，起到支撐水力裂縫作用。

自聚性支撐劑是通過對基體支撐劑表面進行覆膜改性得到的產品，在壓裂液泵送過程中，支撐劑顆?？梢宰园l聚集，并且以“砂團”形式存在，使支撐劑在生產過程中不易被沖散，從而避免發生支撐劑回流，同時還可以對因流體沖刷發生運移的儲層微粒，起到一定的攔截作用，從而實現油氣流動通道的“自潔”，使壓裂后的人工裂縫長期有效[25]。

Vo等[26]研發了一種具有一定強度的自聚性支撐劑，它是利用可固化樹脂和增粘劑按一定比例進行混合制備而成，同時Vo等還對自聚性支撐劑的基本性能，尤其是在維持裂縫形態等方面進行了研究。

Lu等[27]為了控制支撐劑回流，提高壓裂經濟效益，研發了一種固結自聚型支撐劑，它是通過在基體支撐劑表面涂覆支撐劑固結助劑(PCA)制得的一種自聚型支撐劑，該類型支撐劑可以有效降低支撐劑的回流，進一步降低壓裂施工成本。

磁性支撐劑和多功能支撐劑也均是利用化學改性的方法得到的具有特殊功能的表面改性支撐劑。Rediger等[28]將熱塑性酚醛樹脂加熱熔化后，與磁鐵礦粉末進行混合，加入固化劑固化后，與六亞甲基四胺一起涂覆在預熱過的基體支撐劑表面上，經過冷卻得到磁性支撐劑。Radwan[29]設計了一種多功能支撐劑，該支撐劑表面涂層由多種表面活性劑和聚合物組成。當用非粘性液體和少量氣體泵送多功能支撐劑時，氣泡可以附著在支撐劑表面，并使其懸浮，而且該多功能涂層還可以與各種流體相配伍，包括高鹽度水和酸性溶液等。同時，多功能涂層還可以改變支撐劑的表面潤濕性，提高支撐劑對氣體的相對滲透率，從而可以大大降低生產成本，提高油氣產量。

2.2 低密度支撐劑

為了改善壓裂液的攜砂性能，增大水力裂縫的縫長，以及裂縫長期導流能力，通?？梢圆捎脺p小支撐劑密度的方法，即減小支撐劑的粒徑，降低支撐劑的沉降速度，從而提高壓裂改造效果。低密度支撐劑的材料通常有胡桃殼、果核、堅果殼等[30]，采用這些材料制備出的壓裂支撐劑，雖然具有很低的密度，但強度往往很低，抵抗破碎的能力較差，一般需要通過在其表面進行覆膜以增加強度。但是由于深部油氣儲層的閉合應力較大，低密度支撐劑的強度難以為水力裂縫提供有效的支撐。因此，對于低密度支撐劑來說，如何在保持高強度的同時盡可能降低支撐劑密度，是未來低密度支撐劑的重要研究方向。

楊兆中等[31]發明了一種以廢礦物油、石英粉為主要原料制備而成的低密度陶粒支撐劑。其制備過程是先對石英粉和廢礦物油等原料進行預處理，緊接著加入氧化硼和無水乙醇進行混合球磨，待混合物中的無水乙醇完全揮發后,再對物料進行干燥研磨處理,利用研磨后的粉體進行造粒制得低密度陶粒支撐劑的素坯，最后在真空條件下將干燥后的素坯進行燒結,從而制備得到低密度碳化硅基復相陶粒支撐劑。該低密度支撐劑具有碳化硅晶體結構，與傳統的陶粒支撐劑相比性能更加優異，可以在保持高強度的同時進一步降低支撐劑密度。

徐永馳[32]研制了一種樹脂類增強多孔低密度支撐劑，其核心材料為樹脂，通過在樹脂粉末中加入成孔劑、固化劑、增強劑等進行混合造粒，待造粒成球后再加入固化劑進行加熱固化。由于在支撐劑的制備過程中引入了成孔劑，可以使樹脂類增強多孔支撐劑的體積密度降低到0.69 g/cm3，視密度降低到1.03 g/cm3，使得該多孔低密度支撐劑的體積密度和視密度相較于傳統支撐劑來說大大降低，使之可以在清水中懸浮。同時測得該支撐劑的破碎率僅為3.36%(27.6 MPa)，這是由于制備過程中加入了增強劑，從而表現出良好的抗破碎能力。

范俊梅等[33]以納米SiO2、水玻璃、低品位鋁礬土、氧化錳等為原料，采用高溫燒結法和等離子動態燒結相結合的技術手段制備了一種低密度支撐劑，同時研究了不同燒結時間和氧化錳摻雜量對支撐劑破碎率、視密度以及體積密度的影響。制備得到的低密度支撐劑視密度為1.639 g/cm3，破碎率僅為8.91%(69 MPa)，該低密度支撐劑與傳統支撐劑相比，不僅可以在地層水平方向上運移更遠的距離，而且還可以更加均勻的分布在裂縫內，使之可以完全滿足中深油氣井的壓裂要求。

Zou等[34]以粉煤灰、鋁土礦、二氧化錳和白云石為原材料，通過低溫燒結法制備了超低密度的莫來石-剛玉基陶粒支撐劑。并且對該超低密度支撐劑的體積密度和破碎率與燒結溫度和粉煤灰添加量之間的變化規律進行了系統研究。制得的超低密度支撐劑視密度約為2.47 g/cm3，破碎率為8.35%(35 MPa)。

Gu等[35]以核桃殼作為主要材料，使用環氧樹脂、酚醛樹脂浸漬的方法，同時利用特殊的制備工藝，研制了一種低密度支撐劑，其視密度為 1.25 g/cm3，并進行了模擬實驗，在滑溜水中加入該支撐劑后，壓裂產生的支撐裂縫長度比石英砂更長。

2.3 原位支撐劑

目前常用的陶粒、石英砂、覆膜支撐劑等都需要壓裂液攜帶才能進入裂縫，極易在地層產生凝膠殘留，損害裂縫滲透率和導流能力，同時，如果支撐劑大量漏失或者沉降，也會引起早期脫砂和有效支撐裂縫減少，以及井下管柱和泵入設備磨損等問題，為解決目前壓裂施工中所遇到的這些技術難題和挑戰，科研人員研發了一種新型壓裂支撐劑，即原位支撐劑。原位支撐劑[36]是指注入地下的壓裂液，在一定地層溫度和壓力下，可以轉化為有一定圓度和球度的固體支撐劑顆粒。與傳統的壓裂支撐劑相比，這種通過壓裂液原位轉化的支撐劑顆粒尺寸明顯較大，這也使之有足夠的抗壓強度去承受裂縫的高閉合壓力，從而起到支撐裂縫的作用。此外，相較于傳統的壓裂支撐劑，在使用原位支撐劑時不會有凝膠殘留在地層，對裂縫導流能力造成的損害較小，同時原位支撐劑也不需要消耗大量的壓裂液，并且壓裂液返排量較少，造縫能力強[37-38]。

Tong等[39]提出了在富含方解石的頁巖表面通過水熱反應生成羥基磷灰石晶體，以此作為原位支撐劑來提高裂縫導流能力。并且對裂縫導流能力進行了評價，發現經過化學反應處理過的原位支撐劑導流能力，相較于常規的支撐劑提高了3～10倍。

周利華等[40]利用固化反應設計了一種原位支撐劑，即在壓裂泵注時，將加入有相界面穩定劑的壓裂液和支撐劑原料液(原料液組分為稀釋劑、可固化樹脂、pH調節劑、固化劑)一起注入地層中，支撐劑原料液在泵送的過程中，會形成小液珠并自發分散在壓裂液中，同時壓裂液攜帶小液珠進入地層的水力裂縫中，這些小液珠可以在裂縫中發生固化反應，從而形成球形顆粒的支撐劑，達到支撐水力裂縫的目的。該支撐劑具有形成球度好、強度高等特點，可以使裂縫保持高導流能力，提高油氣開發效果。

趙立強等[41]提出了一種自支撐相變壓裂技術，通過向儲層中注入非相變流體和相變流體組成的相變壓裂液體系(Phase-transition Fracturing Fluid System，簡稱 PFFS)，在地層溫度的刺激下，壓裂液體系中的相變流體會發生相變，使液體轉變成固體，從而形成相變支撐劑顆粒(Chemical-phase-transition Proppant,簡稱 CP)，從而達到增強裂縫遠端導流能力和支撐裂縫的目的，同時非相變流體所占據的裂縫空間，可以在壓裂液返排后成為油氣流動的通道。

2.4 納米支撐劑

在頁巖油氣儲層中，分布著一些天然微裂縫，同時壓裂過程中也會有微裂縫的產生，但由于目前的壓裂支撐劑粒徑還不足夠小，不能隨壓裂液進入誘導和天然存在的微裂縫中，無法阻止微裂縫的閉合，從而降低了裂縫導流能力，影響復雜縫網的形成[42]。針對這個問題，Bose等[43]率先提出了納米支撐劑的概念，納米支撐劑的粒徑在100 nm～1 μm之間，其原理是在泵注常規壓裂支撐劑之前，先向地層中注入這些納米級的支撐劑，使之在裂縫兩翼的微裂縫中進行充填，從而可以達到支撐微裂縫的目的，同時還可以增加縫網的導流能力和總長度。此外，還可以利用納米材料對支撐劑進行覆膜，使之表現出更加優異的性能。

Ren等[44]研究了一種具有超疏水性的納米材料覆膜支撐劑，它是將經過特殊處理的酚醛樹脂包裹在常規的陶粒支撐劑表面而制得的，其中酚醛樹脂涂層是由熒光改性的二氧化硅納米顆粒構成。從而在支撐劑表面形成一層熒光改性的納米粗糙結構，相較于常規支撐劑具有更高的抗壓強度和導流能力以及低破碎率。

徐泉等[45]發明了一種用于非常規儲層水力壓裂的納米顆粒覆膜支撐劑。它是通過在樹脂和聚合物粉末中加入納米顆粒，形成的支撐劑覆膜與骨料之間親和力更好，骨料與覆膜之間的粘附更強，覆膜后的支撐劑表面完整，且覆膜后的支撐劑圓球度高，經過納米顆粒涂覆的支撐劑具有抗壓強度高，懸浮能力強，返排率低等特點。

相較于傳統支撐劑，不管是納米材料覆膜支撐劑或者是納米級的支撐劑均表現出更加優異的性能，但是由于技術工藝復雜，制備成本高昂等問題，使納米支撐劑的大規模商業化應用受到了限制，未來如何降低制造成本，以及優化制備工藝將是納米支撐劑的重要研究方向。

3 結論和展望

(1)隨著對非常規油氣資源勘探開發進程的加快，儲層深度越來越大，儲層物性也逐漸趨于復雜化，常規的壓裂支撐劑已經很難滿足油氣開采的需要，這就對壓裂支撐劑的性能提出了更高的要求。要加大對高強度低密度甚至超低密度支撐劑的研究，從而降低支撐劑的沉降速度，減少地層脫砂，使支撐劑越容易鋪置到深部儲層和裂縫遠端，提升壓裂改造效果。

(2)新型壓裂支撐劑雖然在室內實驗研究中表現出優異的性能，但由于制備成本高昂，技術工藝復雜等因素，目前尚不能得到大規模的商業化應用，這就需要繼續探索低成本的壓裂支撐劑材料，可以利用某些工業廢料如粉煤灰、鋁土礦廢石、各種含硅渣等來制備壓裂支撐劑，同時也可以考慮以天然的礦砂和河砂為原料，經過簡單的加工處理制得壓裂用支撐劑，這些低成本支撐劑不僅可以替代傳統的石英砂和陶粒支撐劑用于壓裂施工，還可以有效降低壓裂生產成本。

(3)壓裂支撐劑是水力壓裂作業中不可或缺的重要一環，在非常規油氣儲層壓裂改造中扮演著至關重要的角色。未來可以將納米材料和智能材料等高新技術與水力壓裂工藝相融合，加大對性能更加優良的壓裂支撐劑的研發力度和技術突破，使壓裂支撐劑朝著經濟型、智能型、功能型的方向發展，從而實現非常規油氣高效經濟開發。