功能性壓裂支撐劑研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

朱亞軍，孟令韜，趙 健，郭布民，楚靜彪

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；2.天津市海洋石油難動用儲量開采企業(yè)重點實驗室，天津 300459）

近年來，隨著非常規(guī)頁巖氣與致密油探明儲量不斷增加，儲層壓裂改造技術(shù)已逐漸成為該類油藏經(jīng)濟開采的重要手段[1-2]。支撐劑作為壓裂工藝中不可忽略的核心技術(shù)產(chǎn)品，其性能優(yōu)劣直接決定裂縫擴展規(guī)模與壓裂改造效果[3-5]。因此，優(yōu)良的支撐劑對釋放儲層產(chǎn)能、提升油氣產(chǎn)量、增加經(jīng)濟效益起關(guān)鍵性作用。

當(dāng)前壓裂工藝發(fā)展速度快，常規(guī)支撐劑顯露出易嵌入、低導(dǎo)流、自身強度差等缺陷，難以滿足日益復(fù)雜的使用需求[6]。而功能性壓裂支撐劑通過對常規(guī)支撐劑改性、優(yōu)選特殊材料及制備工藝創(chuàng)新，展現(xiàn)出控水導(dǎo)油、高強度低密度與高導(dǎo)流能力等諸多優(yōu)點，受到了廣大油田科研工作者的關(guān)注。本文通過調(diào)研功能性壓裂支撐劑發(fā)展沿革，分析了其制備工藝與性能特點，著重探討了功能性壓裂支撐劑在壓裂工藝中的作用機理。

1 功能性壓裂支撐劑概念的提出

20 世紀(jì)50 年代，阿肯色河中的砂粒被標(biāo)準(zhǔn)石油公司首次用作美國堪薩斯州西南部Hugoton 油田壓裂試驗中的支撐劑，成功解決了壓裂后裂縫閉合等難題，為壓裂試驗取得了較高的經(jīng)濟效益。自壓裂用支撐劑試驗成功以來，科研人員不斷加強支撐劑在裂縫中支撐機理的研究并依據(jù)壓裂開發(fā)的經(jīng)濟性原則進(jìn)一步推動了支撐劑種類發(fā)展與變更。總體來看，支撐劑經(jīng)歷了由原始河砂到陶粒再到功能性壓裂支撐劑的變革[7-8]，其歷程見圖1。

圖1 壓裂用支撐劑發(fā)展歷程時間軸

功能性壓裂支撐劑最早源自樹脂包覆型支撐劑[9]，通過在砂礫表面覆蓋一層樹脂類高分子材料達(dá)到膠囊保護(hù)作用，其原理是高應(yīng)力下樹脂膜將破碎的砂屑包覆，防止壓碎后的小顆粒支撐劑阻塞孔隙通道減小儲層滲透率，顯著提高了支撐劑耐壓性能。此外高分子樹脂材料的包覆還改善了砂礫支撐劑的圓球度、降低了砂礫棱角，進(jìn)一步提升了樹脂包覆型支撐劑導(dǎo)流能力。但有些高分子樹脂材料存在與壓裂液配伍性問題，部分樹脂外殼會與壓裂液中的交聯(lián)劑反應(yīng)，影響壓裂改造效果。新一代功能性壓裂支撐劑從化學(xué)改性與物理改質(zhì)兩種設(shè)計思路出發(fā)，通過線性高分子改性，無機高分子包覆，或使用纖維混砂、物理模型重新構(gòu)筑等手段有效提高了支撐劑應(yīng)用性能，滿足了新興壓裂工藝設(shè)計對支撐劑的各項要求，并已在全球各大油田推廣應(yīng)用[10]。當(dāng)前應(yīng)用較為成熟的功能性壓裂支撐劑主要分為以下四類（圖2）：（1）控水支撐劑；（2）固結(jié)支撐劑；（3）自懸浮支撐劑；（4）相變支撐劑。

圖2 功能性壓裂支撐劑[11]

2 控水支撐劑

針對邊底水型油藏，壓裂改造后產(chǎn)水量大幅提升，而油氣產(chǎn)量卻大打折扣。為提高壓裂后油氣采收率研發(fā)一種阻水導(dǎo)油的壓裂支撐劑成為亟需解決的課題。BESTAOUI-SPURR 等[12]采用接枝改性技術(shù)將親油基團(tuán)接枝于支撐劑表面（圖3），當(dāng)水油兩相同時流過支撐劑時，親油基團(tuán)最大程度保證了油的流動性而限制了水的通過，達(dá)到良好的控水效果。DANSO 等[13]以支撐劑覆膜技術(shù)為導(dǎo)向，采用化學(xué)改性法在支撐劑表面覆上了高分子界面膜，使支撐劑表面潤濕性發(fā)生反轉(zhuǎn)，進(jìn)一步提升了支撐劑控水性能。而宋金波等[14]根據(jù)Cassie-Baxter 模型，改變支撐劑表面粗糙度同樣達(dá)到了疏水親油等目的。

圖3 表面接枝改性支撐劑控水機理示意圖

當(dāng)前控水支撐劑在國內(nèi)油田現(xiàn)場應(yīng)用已較為廣泛。Hexion 油田科技公司研發(fā)的AquaBond 支撐劑[15]，通過改變支撐劑填充層中水的相對滲透率，可實現(xiàn)減少地層產(chǎn)水，維持油氣產(chǎn)量等效果，在美國二疊系盆地頁巖油地層的試驗中相比未使用AquaBond 支撐劑的井壓裂后產(chǎn)能提升49%。劉紅磊[16]結(jié)合表面張力理論，研制了一種油水選擇性支撐劑，達(dá)到了滲油阻水雙重作用，在腰英臺油田160 余井次壓裂數(shù)據(jù)統(tǒng)計中表明，施工成功率提高8.5%，壓后三個月內(nèi)單井增油15%以上，區(qū)塊平均含水率下降了3.6%，應(yīng)用效果顯著。

3 固結(jié)支撐劑

固結(jié)支撐劑是通過黏合助劑膠結(jié)或涂層表面高分子材料橋聯(lián)，形成穩(wěn)定人工井壁的功能性壓裂支撐劑，主要用途是防止疏松儲層壓裂后地層出砂和抑制壓裂后支撐劑返吐使裂縫導(dǎo)流能力降低（圖4）。POPE等[17]最早研發(fā)了RCP 技術(shù)（Resin Coated Proppant）用于防止支撐劑回流返吐。該技術(shù)原理是選用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等材料對支撐劑進(jìn)行預(yù)涂裝，在壓裂施工時末段塞注入裂縫中，但RCP 存儲時間短，在注入裂縫前已有部分樹脂發(fā)生固化，導(dǎo)致施工風(fēng)險上升，且樹脂價格較高也限制了其規(guī)模化應(yīng)用。為克服RCP 技術(shù)缺陷，COOPER 等[18]提出了應(yīng)用新型水基表面改性劑（ASMA）對支撐劑表面改性，該技術(shù)特點是改性后的支撐劑注入地層未完全固化而是相互黏結(jié)，一方面降低了因流體沖刷而導(dǎo)致的支撐劑返吐，另一方面也阻止了因地層出砂引起的油氣運移通道堵塞。國內(nèi)針對固結(jié)支撐劑相關(guān)研究起步較晚，浮厲沛等[19]使用一種雜環(huán)聚合物對石英砂支撐劑進(jìn)行表面改性，通過在高閉合壓力下自聚，可實現(xiàn)固結(jié)防砂，防止支撐劑返吐。

圖4 固結(jié)支撐劑防砂機理示意圖

4 自懸浮支撐劑

自懸浮支撐劑由骨料和聚合物表面涂覆層組成，其機理是表面涂覆層遇水溶脹或遇水增黏，使支撐劑體積增大，密度近似等于水，從而懸浮于壓裂液中[20]（圖5）。相比于常規(guī)支撐劑，自懸浮支撐劑具有密度低、易攜帶等特點，有效提升裂縫支撐體積與儲層改造效果。MAHONEY 等[21]結(jié)合“變粒徑、深鋪置”壓裂設(shè)計思路與自懸浮支撐劑技術(shù)，在德克薩斯州某井場現(xiàn)場成功應(yīng)用，油氣增產(chǎn)效果較鄰井顯著提升。2015 年，國內(nèi)蘇北油田、吉林油田等開展礦場試驗，在前置液造完縫后，采用清水或活性水?dāng)y帶自懸浮支撐劑完成加砂改造，有效壓裂液成本節(jié)約，降低壓后儲層傷害，相比于同區(qū)塊鄰井增產(chǎn)1～2 倍[22]。由于自懸浮支撐劑低密度、低摩阻、低傷害等特點，當(dāng)前廣泛應(yīng)用于深煤層、致密氣藏泡沫壓裂中，展現(xiàn)出較好的懸浮能力與支撐劑展布效果[23]。

圖5 自懸浮支撐劑裂縫鋪展機理示意圖[23]

5 相變支撐劑

相變支撐劑也稱原位生成支撐劑，以液-固相變?yōu)橹鳎▓D6），是一種由液固兩相可轉(zhuǎn)變的新型支撐材料，可實現(xiàn)壓裂液與支撐劑“合二為一”，解決傳統(tǒng)支撐劑易脫砂、砂堵、注入難等問題[24]。張誠成[25]優(yōu)化了相變流體注入地層時的壓力、密度差、黏度比、界面張力、注入比例，并通過室內(nèi)實驗驗證了其在裂縫中具有更好的鋪置能力。杜光焰等[26]構(gòu)建了基于相變流體（PF）和非相變流體（NPF）組成的相變壓裂液體系。該體系在地層溫度（60～120 ℃）刺激下PF 發(fā)生相變生成固體支撐顆粒支撐裂縫，而NPF 占據(jù)的裂縫空間為油氣提供流動通道，提高了裂縫導(dǎo)流能力。

圖6 液-固相變支撐劑在水力壓裂中的應(yīng)用機理示意圖

6 結(jié)論

隨著壓裂儲層改造工藝在深層致密油氣藏開發(fā)中的地位不斷提高，壓裂工藝對支撐劑的性能要求越來越苛刻，支撐劑研究面臨更多機遇與挑戰(zhàn)。功能性壓裂支撐劑通過材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、表面增強改性技術(shù)，提升支撐劑鋪置面積，增強裂縫導(dǎo)流能力，促進(jìn)壓裂工藝提質(zhì)增效。未來，功能性壓裂支撐劑將以智能型、經(jīng)濟型為導(dǎo)向開展攻關(guān)研究，提高壓裂改造效果，降低壓裂作業(yè)成本，實現(xiàn)低滲致密油氣藏經(jīng)濟高效開發(fā)。