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对比三大石油压裂支撑剂材料,石英砂的优势在退却?

songweidong
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楼主 发表于:2020-08-19 14:38:30
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压裂开采是油气田稳产增产的重要技术手段,对低渗透率及超深油气藏的开发尤为重要。其中压裂支撑剂是进行油气压裂开采的核心技术产品。它是油气储层改造中用来支撑压裂人工裂缝的一种关键材料,是提高压裂成功率和改造效果的关键。


水力压裂作业流程图


支撑剂是具有一定粒度和强度、一定圆球度和级配的天然砂或人造高强陶瓷固体颗粒。自世界上第一例油气田水力压裂技术成功应用以来,支撑剂的发展已经有数十年。目前工业上使用的支撑剂主要有天然石英砂、人造陶粒、覆膜支撑剂3种。


天然石英砂


石英砂是一种分布广泛的硬度大质脆的天然矿物,主要产于沙漠河滩以及沿海地区。天然石英砂主要组分为二氧化硅(SiO2),同时有少量的Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、CaO、MgO等成分。石英砂的主要矿物成分是石英,含量通常在80%以上,在优质石英砂中含量高达98.5%以上,石英砂因石英含量较高而具有坚硬、耐磨、化学性能稳定等特点,仅溶于氢氟酸,不溶于其他酸。



石英砂具有原料丰富、价格低,密度小(约为2.65g·cm-3)、易泵送,破碎后仍有较好的导流能力等优势,对低闭合压力的油气井有一定的增产作用。而且石英砂做压裂剂成本低、操作便利、经河水冲刷后表面较为圆润,因此被广泛用作水力压裂支撑剂。


但是,选用石英砂为支撑剂也存在一些不足:石英砂脆性较大、强度较低,裂缝闭合压力高时石英砂容易破碎,显著降低裂缝的有效支撑面积,达不到油气增产效果;石英砂表面凹凸性不好,不利于增大裂缝的渗透率。另外就是石英砂热膨胀系数较大,当井深度较深、温度较高时,石英砂存在因相变而产生突然膨胀的风险。这些缺点往往使得天然石英砂不能满足深层低渗透油气开发时水力压裂的需要。


人造陶粒



在石英砂支撑剂强度不满足高闭合压力油气井性能要求的情况下,研究者们发明了一种人造陶粒支撑剂。陶粒支撑剂常以铝矾土等矿物料为主要原料,辅以各种矿物添加剂在无压气氛下烧结而成。而且根据烧结后体积密度和视密度的不同,可将支撑剂分为低密度、中密度、高密度3种。


人造陶粒压裂支撑剂分类



相对于石英砂来讲,陶粒支撑剂的圆球度高、表面光滑、流动性好、抗压强度高、破碎率低。但其同样也存有缺点:(1)颗粒密度大,沉降速度快,这就对泵送条件和压裂液的性能提出了更高的要求,增大成本;(2)铝矾土资源分布分散,加工开采受限,对原料的要求严格,资源利用受限。


覆膜支撑剂


覆膜支撑剂提高了支撑剂的强度、抗酸碱性,又叫树脂包覆支撑剂。通常包含两个部分,内部由具有一定强度的骨料组成,外部则是被树脂包覆作为涂层。


树脂包覆支撑剂同时具有石英砂密度低以及陶粒支撑剂抗压强度大的特点,表面光滑,导流性能好,易携带传输,除用于压裂支撑外,还可有效的防止压裂液返排时支撑剂返吐、表面剥落以及地层出砂现象,树脂包覆支撑剂的每个颗粒均有一层均匀坚韧的树脂外壳,且颗粒之间也因一定的聚合作用键合在一起,高温稳定性较好,耐酸腐蚀。但其也存在成本较高、化学稳定性欠佳,高闭合应力下易粘接、导流能力大幅下降等缺点。


天然石英砂的优势是否在退却?


首先,石英砂于 60 年代后开始现场应用,凭借其性能特点以及成本优势,目前仍在浅井和中深井压裂作业中被大量使用。但人造陶粒因圆球度好、强度高、耐腐蚀、导流能力最隹,在中、深井中大量使用。且树脂覆砂因树脂有増强、改善圆滑度等功能,性能较原砂有了进一步提髙,可代替人造陶粒在中深井中使用。其需求也在缓慢增加。


2018年我国人造陶粒支撑剂需求总量为119.51万吨,石英砂支撑剂需求总量为89.19万吨,覆膜支撑剂需求总量为46.12万吨。


2016-2018年我国不同类型压裂支撑剂需求总量统计(单位:万吨)



2018年我国人造陶粒支撑剂市场规模为22.83亿元,规模同比增长10.29%;石英砂支撑剂市场规模为5.66亿元,规模同比增长11.20%;覆膜支撑剂市场规模为4.98亿元,规模同比增长4.18%。


2016-2018年我国不同类型压裂支撑剂规模情况(单位:亿元)



随着我国油气勘探的不断深入,勘探开发对象越来越复杂,油气资源品味越来越差。且随着中浅层石油的减少,急需开采深层油气,但是由于地层压力的不断增大,天然石英砂在满足水力压裂技术对支撑剂的要求上似乎没有多少优势可言。


此外,低渗致密油气经济高效开发对水力压裂技术提出了新的挑战,对压裂支撑剂成本、性能和功能提出了新的要求,一些低成本、高强度低密度、高导流能力、多功能化、智能化支撑剂等正在加强攻关研究。在油气勘探越来越复杂、深入的趋势下,天然石英砂的一些优势或许正在退却。


参考资料:

冷悦山等.石油压裂支撑剂材料开发应用前景分析

暴赫.石油压裂支撑剂作用机理及发展前景

光新军等.压裂支撑剂新进展与发展方向

岳俊磊.超低密高强度压裂支撑剂的制备及性能研究

刘冰.非金属矿制备低密度石油裂支撑剂及其性能研究

中国产业信息网.2020-2026年中国石油压裂支撑剂行业发展模式分析及投资趋势分析报告