陶粒支撑剂定稿

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1、六支撑剂在水力压裂中压裂效果成败，有效期长短主要取决于支撑剂的质量。支撑剂的作用在于 填充压裂产生的水力裂缝，使之不再重新闭合，且形成一个具有高导流能力的流动通道。在 储层特征与裂缝几何尺寸相同的条件下，压裂井的增产效果及其生产动态取决于裂缝的导流 能力。裂缝导流能力是指裂缝传导（输送）储层流体的能力，并以裂缝支撑剂层的渗透率（Kf） 与裂缝支撑缝宽（Wf）的乘积KWf来表示。一般认为，支撑剂的类型、物理性质（粒度、强 度、球度、圆度、密度等）及其在裂缝中的分布（铺置浓度，即单位裂缝面积上的支撑剂量）、 以及裂缝的闭合压力是控制裂缝导流能力的主要因素。因此，掌握支撑剂的物理性质及影响 裂缝导流

2、能力的诸多因素，有利于合理的选择支撑剂，有利于对压裂液与支撑剂等压裂材料 提出更为确切的要求。本节将从支撑剂的类型、支撑剂的物理性质及其评价方法、裂缝导流 能力及其影响因素、以及支撑剂的选择等四方面对支撑剂与裂缝导流能力做一介绍。其中引 用或节录了中国石油天然气总公司颁发的“水力压裂用支撑剂的评定标准” （ SY/T 5108 1997）； （SY/T 63021997）及美国石油学会推荐方法（API RP56, RP61 ）中的有关内容， 以供掌握使用。1、支撑剂的类型压裂用支撑剂可大致分为天然的与人造的两大类。前者以石英砂为代表，后者则是通常 称之为陶粒的支撑剂。目前在油气增产市场上广泛使

3、用五种价格不同的标准支撑剂，它们是天然石英砂、人造 的中等强度低密度的硅酸铝支撑剂（陶粒砂）、人造的中等强度高密度的氧化铝和硅酸盐支撑 剂、高强度的铝矾土和高强度的硅酸锆支撑剂、以及涂敷预固化涂层和可固化涂层树脂的天 然砂或人造支撑剂。它们在油气生产中各自起到不同的作用。1）石英砂石英是自然界中构成地壳的主要成分。部分以硅酸盐化合物状态存在，构成各种矿物岩 石。另一部分则以独立状态存在,成为单独的矿物实体。虽然它们的化学成分相同，均为Si02， 但由于造岩成矿的条件不同，而有许多种状态和同质异形体；又由于成矿之后所经历的地质 作用不同，而呈现出多种状态。从最纯的结晶态二氧化硅（水晶）到无定型的

4、二氧化硅（蛋 白质）均属它的范畴。不同的工业部门和科技领域，只能依据自身的要求，从不同的角度去 研究和利用它们。在石油工业中，在水利压裂增产之初，只有天然石英砂是始终并用作支撑剂压裂的材料。 一般用于水利压裂的石英砂颗粒相对密度为2.65 g/cm 3左右，体积密度1.60 g/cm 31.65 g/ cm 3之间。属于a-石英和B-石英晶型。50年代和60年代开发了不同的砂源并通过筛选，得到了更高的导流能力。60年代世界 上渥太华砂、得克萨斯洲砂、约旦砂、圣彼得砂翁渥克砂等已成为可用的标准压裂砂。70年 代至今我国也筛选了兰州砂、承德砂、岳阳砂和内蒙砂等作为标准砂广泛的应用在水利压裂 中。（

5、1）特征 石英砂是一种分布广、硬度大的稳定产物。石英的外观视其种类而异，有的呈乳白色， 有的呈灰色半透明状态，断面有玻璃光泽或脂肪光泽，加热后颜色自行消失，条痕为白色， 性脆而坚硬。热稳定好，加热到1500C时开始软化，在17101756C时熔化，但没有固定的熔点。石英仅溶于氢氟酸，不溶于其它酸碱。石英莫氏硬度为7,折光率为1.5441.553。 密度依晶体而异，变动于2.232.65g/cm3之间。各种石英的密度与比容见下表12-1-6-1。 表12-1-6-1石英的密度和比容晶型密度g/cm 3比容(m 3/g)a -石英2.5330.3939B -石英2.650.3773a -鳞石英2.

6、2280.4488B -鳞石英2.2420.4455Y-鳞石英2.77 2.350.44050.4255a-方石英2.2290.4486B-方石英2.33 2.340.42920.4274石英玻璃2.210.4524(2)微观结构石英砂的微观结构，可分为单晶石英和复晶石英两种结构。单晶石英是指颗粒由一个石 英晶体组成的，晶体内部有化学键结合在一起，结构紧密。复晶石英是由两个以上的单晶石 英聚集在一起而形成的集合体，与单晶石英比较，内部结构相对松散，常见缝理出现。显然 在天然石英砂含量中，单晶石英颗粒所占的重量百分数愈大，则该石英的抗压强度越高。石 英在自然界中大部分以B-石英的形态稳定存在，只

7、有很少部分以鳞石英和方石英的介稳状态a芒英的晶体览构300： 的投影存在。 Q -石英化学组成接近纯SiO,变化2范围及小，常含有液、固、气态的机械混 入物。晶体结构为三方晶D 4 P3 21 或D 6 P3 21； a =0.491nm31320，C0=O.541nm, z=3。在晶体结构中，硅氧 四面体(Si-O)彼此以顶角相连构成架状 结构，沿c轴方向作三次螺旋状排列与图 12-1-6-1a。fl H韦其曲晶1*习出b O-SS的晶億nflOLO. r 10Ll. xfll&l. X EiG 3 01 nJffiL2-L-6-3-石英的睜品越斟形态为三方偏方面体晶类D3 - 23。叫四面

8、体以角顶相连，在C轴方向呈螺 旋状排布，有左、右旋之分其结晶习性为柱状，柱面上有横纹如图12-1-6-lb。a -石英的结 晶习性，随形成温度和过饱和程度的不同而不同。高温时锥面发育，低温时柱面发育如图 12T-6Tc。集合体形态有显晶和隐晶质两类，前者常呈晶簇状、块状、致密状；后者常呈钟 乳状、皮壳状、结核状等。 卩-石英 化学组成同a-石英（低温石英），0 -石英（高温石英）在573870C范围 内稳定，低于573C则转变为a-石英。即a -石英癥 卩-石英。晶体结构为六方晶/ II nffl(Si畑Ml停*丸抿砒柚；右）-4Li：“尸-石英的品体塔拘庄C0001）上的投宦系, P6222

9、或代220.50】，co=0.548, z=3。晶体结构，如图 1。12-1-6-2石英晶体结构形态为六方偏方面体晶类，仔力。六方双锥晶形发育，有时可见六方柱与其聚成图 12-1-6-2bo(3) 适用范围石英砂的使用有0.4250.85 mm；较粗的有1.180.85 mm； 1.700.85 mm，较细的有0.60.3 mm； 0.420.212 mm规格，但0.4250.85 mm占有优势，在水利压裂中使用量较大， 因为在此范围内在一定的闭合压力下相对破碎率低，导流能力高等优点。使用石英砂水利压 裂有一定的局限性因为在2.073.45MPa闭合压力下砂粒开始破碎，到28MPa闭合压力下破

10、 碎率在713%之间，因此使用天然石英砂进行水利压裂时要根据地层条件和闭合压力来确 定。我国使用的部分较高质量的天然砂物理指标参见表12-1-6-14优点a）适用于低闭合压力的各类储层；b）相对密度低，便于施工泵送。施工中减少泵和设备以及施工管线、管柱在井口内和井口部位磨蚀；c）圆、球度较好的石英砂破碎后成少小碎块状，单仍可保持一定的导流能力；d）价格便宜，资源丰富。缺点a）石英砂抗压强度低，开始破碎压力约为20MPa,不适合在中、高闭合压力的压裂层中 使用；b）石英砂抗压强度低，破碎后的碎屑造成微粒运移、堵塞、嵌入、压裂液的伤害（滤 饼和残渣）及非达西流动、时间等因素的影响，大大降低导流能力

11、，甚至降低到原来的1/10 或更低一些。2）人造陶粒支撑剂（1）人造支撑剂的发展和作用在70年代后期，美国研制烧结铝矾土（陶粒）和熔炼氧化锆支撑剂等。中高强度人造 合成材料的发明，在水利支撑剂压裂技术发展方面实现了决定性的突破，这种合成材料与低 强度砂明显不同，能抵抗高达69103MPa（1000015000psi）的闭合压力。因此，与研制 的高性能现代压裂液一起，为压裂高压深层井开辟了新的途径。在1976年首先在美国砂场上 得到应用。而且由于惊人的压裂效果促进了深井压裂的迅速发展。由于烧结铝矾土和熔融氧 化锆支撑剂具有粒径分布均匀、圆、球度高、抗酸蚀性强、抗压强度高，在高达 139MPa （

12、20000psi）的闭合压力下仍有最好的导流能力。在70年代后期和80年代早期又有两种人造陶瓷类支撑剂引入市场，它们是多铝红柱石 和多铝红柱石与金刚砂的混合体，也是低密度和高密度的中等材料，可分别耐压高达55MPa（8000psi）和69 MPa （10000psi）的闭合压力。这两种中等强度的支撑剂从密度、导流能 力、抗闭合压力和价格上填补了低强度天然石英砂和高强度烧结铝矾土和熔融氧化锆之间的 空白。这两种支撑剂具有相对密度低在施工中悬浮和输送性能好，由携砂液充填到裂缝时不 发生沉淀。因而扩大了经济和技术上的应用领域。国内在这个方面是从1979年代开始发展的，研制生产出喷吹的铝矾土高强度支撑

13、剂， 1987江苏东方成功的研制出低密度支撑剂。相继以后开发了中密度、高密度不同性能的支撑 剂，被广泛应用在我国油气生产上。经过二十年的不懈努力我国攀枝花环业公司的高、中密 度支撑剂在同行业中也赶上世界先进水平，在产品的某些性能指标已超过了世界先进水平。 （2）化学组成 化学组成 烧结硅酸盐和铝矶土支撑剂视采用的原料不同Al2O3含量），产品形成的晶相 不同、密度不同、强度也不同。例如：低密度支撑齐!Al2O3含量一般在5055%之间；而中密度和高密度支撑剂则分别是7278%、和8085%之间。化学组成见表12-1-6-2。表12-1-6-2国内外典型陶粒支撑剂化学组成化学组成国内国外低密度

14、宜兴东方中密度 攀枝花环业咼密度 攀枝花环业低密度CARBOLITE中密度CARBOPROP咼密度CARBOHSPA102 3455572788085485370768186SiO240551318464448111537FeO2 32368350.7 1.18.9 10.558TiO223343.5 4.51.5 2.53.2 4.534其它1212120.6 1.212122）支撑剂的密度通常人们习惯将支撑剂密度（00.4250.85mm）可以划分为三个阶段，低密度、中密度 和高密度，体积密度和视密度分别是1.65 g/cm3以下和2.90 g/cm3以下称为低密度支撑剂； 1.65 g/

15、cm31.80 g/cm3和 3.00 g/cm33.20 g/cm3为中密度支撑剂；1.80 g/cm3 以上和 3.20 g/cm3以上为高密度支撑剂。物理指标参见表12-1-6-15 低密度支撑剂 低密度陶粒生产一般采用含量低的铝矶土和硅酸铝原料外，添加部分附助 原料，在1250C1280C烧结而成。由于支撑剂的AL2O3含量低，烧结温度低，所形成的晶 体是方石英和少量的莫来石体相构成，故具有低密度。国外以美国CARB0公司的CARBOLITE 产品，国内以宜兴东方和新安鑫钰陶粒厂为代表的产品，颗粒密度分别为2.67 g/cm3、2.74 g/cm3和 2.89 g/cm3；体积密度分别为 1.62 g/cm3、1.58 g/cm3和 1.62 g/cm3， 52MPa 闭合压 力下碎率在68%之间，可满足低闭合压力（52MPa，7500psi以下）压裂井的增产要求。 中密度支撑剂我国中密度陶粒支撑剂的生产是