支撐劑

支撐劑是指具有一定粒度和級配的天然砂或人造高強陶瓷顆粒。陶粒支撐劑(ceramic proppant)以鋁礬土為原料，通過粉末制粒，燒結而成，具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、高強度、高導流能力、低密度、低破碎率等特點，使用最為廣泛。

在砂粒或陶粒表面塗覆樹脂，能夠進一步提高支撐劑的強度和導流性能。支撐劑是壓裂施工的關鍵材料。

基本介紹

• 中文名：支撐劑
• 外文名：ceramic proppant
• 學科：石油工程
• 類型：硬脆性陶粒、韌性支撐劑
• 支撐劑：是壓裂施工的關鍵材料。
• 結構性能：人造高強陶瓷顆粒

支撐劑的作用

石油支撐劑又叫石油壓裂支撐劑。在石油天然氣深井開採時，高閉合壓力低滲透性礦床經壓裂處理後，使含油氣岩層裂開，油氣從裂縫形成的通道中匯集而出，此時需要流體注入岩石基層，以超過地層破裂強度的壓力，使井筒周圍岩層產生裂縫，形成一個具有高層流能力的通道，為保持壓裂後形成的裂縫開啟，油氣產物能順暢通過。用石油支撐劑隨同高壓溶液進入地層充填在岩層裂隙中，起到支撐裂隙不因應力釋放而閉合的作用，從而保持高導流能力，使油氣暢通，增加產量。

類型

1、從類別分類

硬脆性陶粒支撐劑，韌性支撐劑

2、從材質分類

石英砂、金屬鋁球、核桃殼、玻璃珠、塑膠球、鋼球、陶粒、樹脂覆膜砂等，目前使用量為：石英砂占市場份額50%，樹脂覆膜砂約占市場份額15%，陶粒以硬度高，成本低正廣泛套用。

發展情況

近幾年，隨著國內石油壓裂支撐劑生產的發展，石油壓裂支撐劑產品出口量逐漸從無到有，從少到多。不過，總體而言，出口量仍小於進口量。而且產品主要集中在附加值較低的中低端產品上，進口的則是附加值高的高端產品，如性能優秀的高強度石油壓裂支撐劑產品。

我國石油壓裂支撐劑行業發展並不快,市場規模年均增長率在15%左右,企業總產能年均增速在12%左右。企業數量眾多,但大多數是小型企業,產量低,技術含量低,競爭手段也主要集中在產品價格上面,並沒有占據市場較大份額的特大規模企業產生。國內石油需求量繼續增加,石油對外依存度繼續增大。為了滿足國內日益增加的石油需求,石油開採業發展迅速。與此相對應的就是相關產品生產的迅速擴大。我國石油壓裂支撐劑行業在這段時間,發展比較迅速,市場規模增速達到20%。2009 年，中國石油壓裂支撐劑行業投資金額4.7 億元，2011 年增長到6.2億元，年均增長率在13%以上。

支撐劑的要求

對壓裂井而言，支撐劑承受閉合壓力是原地應力與井底流壓的差。通常按破裂壓力與井底流壓之差考慮。井產層深度1450m，按破裂壓裂梯度0.025MPa/m、井底流壓8MPa考慮，支撐劑承受的閉合壓力在25MPa左右。

為獲得最佳化的壓裂設計，使油井壓裂改造增產效益最大，應依據油藏特性和產出能力取得最佳化的裂縫長度和導流能力。

支撐劑性能

支撐劑性能包括支撐劑的物理性能和導流能力。前者包括支撐劑粒度組成及分布、園球度和表面光滑度、濁度、密度(顆粒密度和體積密度)、酸溶解度、抗壓強度；後者包括短期導流能力和長期導流能力。依據石油行業標準SY-5108/97進行。

支撐劑選擇

篩選出的支撐劑應適合於儲層及壓裂工藝要求，同時應易於輸送、價格便宜、貨源廣。

井儲層埋藏深度1300m左右，由於破裂壓裂梯度高（0.025MPa/m），支撐劑承受的閉合壓力在25MPa左右，選用石英砂的導流能力很低，將影響到壓裂效果，應使用普通陶粒作支撐劑。考慮到貨源情況，建議選用20/40目攀鋼或騰飛普通陶粒作支撐劑。在平均閉合壓力25MPa的作用下，該種支撐劑可以提供100 um2·cm的導流能力，該值是短期導流能力試驗結果，考慮到壓裂液對支撐劑層的傷害以及支撐劑長期承壓破碎、壓實和微粒運移等因素對導流能力帶來的影響，因此取該值的20%，即25 um2·cm作為設計計算用值。

計算方法

水力壓裂是在地層中造出一定導流能力及一定長度的填砂裂縫，以此改變地層中流體的滲濾方式，提高向井底的供油能力。裂縫的導流能力，在一定條件下，由砂子在裂縫中的分布所決定，砂子沒有填到的裂縫，很可能閉合後就沒有什麼導流能力。填砂越厚、層數越多，導流能力就相對高些，所以砂子在裂縫中的分布在壓裂設計和效果分析中是很重要的。

填砂裂縫導流能力的大小是由若干因素所決定的。在壓裂施工中，首先應保證設計中的導流能力，因此在壓裂設計中，常有一個加砂程式就是用來確保砂子在縫中的分布，以滿足填砂裂縫導流能力的要求。

60年代曾對砂子在垂直裂縫中的分布進行了實驗研究，其中巴布庫克的方法，直到現在仍被使用著。實驗模型是用兩塊244cm長，30cm高的平行安裝的透明板。縫寬可以調節4.7mm-25.4mm。使用的液體有牛頓液體(0.64mPa·s-90mPa·s)與非牛頓流體(視粘度約為1.5mPa·s-900mPa·s)。使用的支撐劑的相對密度變化範圍從1.04到2.65，粒徑為60/80目，20/40目，40/60目，10/20目，加砂濃度的範圍在1.6%-43.2%之間，上述參數大致位於礦場壓裂工藝的範圍之內。分析多次實驗結果得出如下的規律。

支撐劑在裂縫高度上的分布

混有砂子的液體進入裂縫後，以水平方向流動。顆粒受有水平方向液體的攜帶力、垂直向下的重力以及向上的浮力。使用低粘壓裂液作為攜砂液時，由於顆粒的重力大於浮力與阻力，所以具有很大的沉降傾向，沉在縫底形成砂堤。砂堤減少了攜砂液的過水斷面，使流速提高。液體的流速逐漸達到使顆粒處於懸浮狀態的能力，此時顆粒停止沉降，這種狀態稱為平衡狀態。平衡時的流速稱為平衡流速，平衡流速可以定義為攜帶顆粒最小的流速。在此流速下，顆粒的沉積與捲起處於動平衡狀態。

在平衡狀態下，在垂直裂縫中顆粒濃度的垂直剖面上存在著差別，可以分為四個區域，見圖。由下往上，第一個區域是砂堤區，這部分是沉積下來的砂堤，在平衡狀態下砂堤的高度為平衡高度；第二個區域是顆粒滾流區；第三個區域是懸砂液區，雖然顆粒都處於懸浮狀態，但不是均勻的，存在濃度梯度；最上面的區域是無砂區。

在平衡狀態下增加地面排量，則砂堤區、顆粒滾流區和無砂區均將變薄，懸砂液區則變厚，如果流速足夠大，則沉積下來的砂堤可能完全消失。再進一步增加排量，縫內的濃度梯度剖面消失，成為均質的懸浮流。

如果壓裂液粘度夠高，支撐劑將完全懸浮於壓裂液中，砂濃度均勻分布。若按恆定砂比泵入攜砂液，流體在裂縫中向前流動時，縫內的砂濃度將逐漸提高。停泵後，裂縫端部的砂濃度最高，井底砂濃度最低，接近地面的加砂濃度。因此控制最終裂縫導流能力的關鍵因素是加砂濃度和加砂程式，應避免追求高導流能力而提高加砂濃度，在縫中出現砂比過高引起砂卡事故。

改善支撐劑在裂縫中分布的方法

實際上，支撐劑理論分布的假設是不存在的，砂子粒徑不是均一的，支撐劑的粒徑是一個分布範圍[23]。壓裂液在裂縫中的流速是變化的，溫度以及壓裂液粘度也都不能保持恆定，這樣就出現了複雜的布砂現象。同一批支撐劑，大顆粒先沉降，而小顆粒被輸送到裂縫遠部，直到流速低於平衡流速時才沉降下來。在這種複雜條件下的沉砂及沉砂剖面，可用數值方法在計算機上計算。為使技術上有一定的靈活性，除了加砂程式外，還應當有一套與之相匹配的壓裂液程式，以能適應排量與液體粘度變化的要求。

為了改善支撐劑在裂縫中的不利分布，可以綜合以下兩種布砂方式，即首先採用高粘懸浮液將小顆粒支撐劑輸送到裂縫遠處，使壓開的裂縫面積得到完全支撐；在井底附近裂縫採用低粘壓裂液使大顆粒支撐劑沉積，充分利用動態裂縫寬度，從而得到更高的裂縫導流能力。

預測

預計今後幾年，我國石油壓裂支撐劑行業市場規模將快速擴大，企業總產能也快速增加。石油壓裂支撐劑產品向著高強度的方向發展。而且，產品還會向著更加細分的趨勢發展，產品系列將進一步豐富。我國石油壓裂支撐劑產品市場規模將獲得快速發展，年增長率在27%以上。預計2020年石油壓裂支撐劑產品市場規模增速在29.23%，市場規模在274萬噸左右。