小粒径支撑剂性能评价和在页岩气压裂中的应用

张伟民，岳 泉，康瑞鑫

（1．北京奇想达新材料有限公司，北京 101127；2．中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司石油工程技术研究院，湖北 武汉 430035；3．青海油田钻采工艺研究院采气工艺室，甘肃 敦煌 736202）

作为一种清洁的非常规天然气资源，页岩气的开发利用对于优化能源结构、保障能源安全、提高能源效率、推动节能减排和促进经济社会发展具有重大战略意义。页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中、以吸附或游离状态聚集的天然气，是一种重要的非常规天然气资源[1]。

页岩气储层以微米级和纳米级孔隙为主[2]，导致孔隙度和渗透率极低。体积压裂是主要的增产措施，根据页岩气储层压裂裂缝扩展研究[3]和现场微地震监测解释结果显示，压裂裂缝呈网状分布，主裂缝周围存在大量次裂缝分支。压裂液和支撑剂在主裂缝和次裂缝分支处均存在分流现象，导致支撑剂的运移与展布规律有别于常规水力压裂。针对支撑剂在压裂裂缝中的运移与展布问题，国内外学者进行了大量的室内实验和数值模拟研究，研究了裂缝形态、支撑剂类型、加砂浓度、流体黏度等对其运移与展布的影响[4-5]。

本文对页岩气压裂所用的小粒径支撑剂（30/50目和40/70目的石英砂、覆膜石英砂、低密度陶粒和覆膜低密度陶粒） 进行基本性能测定和评价，并且对覆膜支撑剂的耐水性和耐温性分别提出了测定方法。

1 实验部分

1.1 主要原材料

30/50 目和40/70 目石英砂，河北围场；30/50目和40/70 目低密度陶粒，A 公司；40/70 目低密度陶粒，B 公司；30/50 目和40/70 目覆膜石英砂，北京奇想达新材料有限公司（简称“C 公司”）；30/50目和40/70 目覆膜石英砂，D 公司；30/50 目和40/70 目覆膜低密度陶粒，C 公司。

1.2 主要实验设备和仪器

BSJ－200 振动筛，中国航空工业第五四零厂；WHY－300 微机控制全自动压力试验机，上海华龙测试仪器有限公司；支撑剂裂缝导流能力测试仪，海安石油科研仪器有限公司；SX－5－12 厢式电阻炉，天津市泰斯特仪器有限公司；101A-2 电热恒温鼓风干燥箱，上海圣欣科学仪器有限公司；CH1015 超级恒温槽，上海衡平仪器仪表厂。

1.3 实验方法

1.3.1 支撑剂的基本性能测定方法

支撑剂的酸溶解度、视密度、体积密度和破碎率按照SY/T 5108-2014《水力压裂和砾石充填作业用支撑剂性能测试方法》进行测定，其导流能力按照SY/T 6302-1997《压裂支撑剂充填层短期导流能力评价推荐方法》进行测定。

1.3.2 覆膜支撑剂耐水性测定方法

称取40 g 覆膜支撑剂，放入100 mL 的烧杯中，加入50 g 水，放入（95±0.5） ℃恒温水浴中，保温24 h 后取出；放入破碎室，按照SY/T 5108-2014《水力压裂和砾石充填作业用支撑剂性能测试方法》进行加载；烘干后筛分，计算破碎率。

1.3.3 覆膜支撑剂耐温性测定方法

称取30 g 覆膜支撑剂，倒入一端可封闭的、长15 cm、内径25 mm 的钢管中，在搅拌条件下倒入50 mL 水，再将钢管的另一端盖住（不能密封）；将盛有覆膜支撑剂的钢管放入装有水的高温罐中，逐步将高温罐升温到指定温度，保温1 h；冷却后从高温罐取出钢管，观测支撑剂颗粒之间是否分散、不黏结。

2 实验结果与讨论

2.1 支撑剂的酸溶解度

由于我国页岩气储层具有石英含量低、碳酸盐岩和黏土含量高的特点，因此对储层进行酸化处理有利于储层透气，这就要求支撑剂的耐酸性比较高。国内的天然石英砂由于杂质含量比较高，致使石英砂支撑剂的酸溶解度偏高；低密度陶粒由于原材料本身因素和烧结温度偏低，致使陶粒支撑剂的酸溶解度也偏高。树脂覆膜对石英砂和低密度陶粒酸溶解度的影响见表1。从表1可知，用树脂对石英砂和低密度陶粒预覆膜固化后，酸溶解度大幅下降，解决了天然石英砂和低密度陶粒支撑剂的酸溶解度偏高的问题，覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒支撑剂更适合酸化压裂工艺。

表1 树脂覆膜对石英砂和低密度陶粒酸溶解度的影响

2.2 支撑剂的密度

支撑剂的体积密度大小关系到压裂作业的支撑剂用量，体积密度越小，井下裂缝中要填充的支撑剂用量越少。支撑剂的视密度大小影响支撑剂在压裂液中的沉降速率，从而影响支撑剂在井下裂缝中形成的有效支撑裂缝长度，视密度低的支撑剂将有利于形成长的支撑带、提高储层的透气能力。针对小粒径石英砂支撑剂进行研究可以得知，国内石英砂支撑剂的体积密度在1.45～1.60 g/cm3之间，视密度在2.50～2.58 g/cm3之间。

对石英砂采用树脂覆膜后，视密度都下降，但体积密度不一定。树脂覆膜对石英砂和低密度陶粒密度的影响见表2。从表2 可知，1 号支撑剂和3号支撑剂的覆膜石英砂的体密度都减小，2 号支撑剂和4号支撑剂的覆膜石英砂的体密度都增大。原因在于：如果用于覆膜的树脂同辅助添加剂匹配，覆膜工艺适宜，则覆膜后的石英砂表面光滑，流动性好，体积密度增加；而如果用于覆膜的树脂同辅助添加剂不匹配，覆膜工艺不当，则覆膜后的石英砂表面粗糙，流动性不好，体积密度减小，这种假象的体积密度减小容易致使压裂工艺设计者误算覆膜石英砂的用量，粗糙的表面最终影响覆膜石英砂在储层中的透气性。国内低密度陶粒的性能差别比较大，例如相同视密度的低密度陶粒5 号支撑剂和6 号支撑剂，二者体积密度相差甚大（0.11 g/cm3），6 号支撑剂的表面比5 号支撑剂表面明显粗糙；对低密度陶粒树脂覆膜后，视密度都减小，而体积密度都增大。

表2 树脂覆膜对石英砂和低密度陶粒密度的影响

2.3 支撑剂的破碎率

支撑剂的破碎率是影响压裂裂缝导流能力的关键指标。在压裂过程中，用泵将支撑剂送入地层，支撑剂不仅受到压裂液和地层液体的侵蚀，还有可能受到对地层特殊施工使用的酸碱影响，使得支撑剂的破碎率远远大于常规检测的干破碎率。树脂覆膜对支撑剂石英砂和低密度陶粒破碎率的影响见第126页表3，其中括号内为相应的地层压力。对石英砂采用树脂覆膜，不同公司覆膜所用的树脂种类和用量不同以及所用的助剂和工艺不同，导致覆膜石英砂的干破碎率差别不大，然而湿破碎率差异很大，从表3 可知，1 号支撑剂和2 号支撑剂相比较，3 号支撑剂和4 号支撑剂相比较，湿破碎率差别在两倍左右；而对低密度陶粒采用树脂覆膜后，干破碎率和湿破碎率均大幅度下降，湿强度显著提高，覆膜解决了低密度陶粒的强度和耐水性不足的问题。

表3 树脂覆膜对石英砂和低密度陶粒破碎率的影响

2.4 支撑剂的导流能力

支撑剂颗粒的粒径越大、粒径分布越均匀、颗粒越圆和强度越高，形成裂缝的导流能力就越高。支撑剂（石英砂、低密度陶粒、覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒） 的显微镜照片见图1；当铺砂浓度为10 kg/m2时，闭合压力对支撑剂导流能力的影响见图2。由图2 可知以下两点。

图1 支撑剂的显微镜照片

图2 闭合压力对支撑剂导流能力的影响

1） 针对粒径相同的石英砂和低密度陶粒，在覆膜前后，低密度陶粒的导流能力都大于石英砂。主要原因有3 个方面：首先，石英砂和低密度陶粒在覆膜前后，低密度陶粒的圆度和球度都比石英砂好，支撑剂颗粒的圆度和球度越好，颗粒堆积形成的空隙就越大，就越有利于提高液体导流能力；其次，低密度陶粒的颗粒集中度比石英砂高，颗粒集中度越高，颗粒堆积形成的空隙就越大，就越有利于提高液体导流能力；最后，低密度陶粒本体强度比石英砂高。

2） 在低闭合压力时，覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的导流能力小于相应粒径的石英砂和低密度陶粒；随着闭合压力的升高，覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的导流能力逐渐变为大于石英砂和低密度陶粒。这是由于石英砂和低密度陶粒表面覆膜的树脂膜具有疏水性的缘故，在低闭合压力时，覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的疏水性形成的毛细孔阻力大于石英砂和低密度陶粒破碎引起的毛细孔变小的阻力；随着闭合压力的升高，石英砂和低密度陶粒的破碎率增加、毛细孔变小严重，而覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的强度高、破碎率低、毛细孔变小没有石英砂和低密度陶粒毛细孔变小厉害，覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的疏水毛细阻力小于相应石英砂和低密度陶粒毛细孔变小的阻力，从而导流能力大于相应的石英砂和低密度陶粒。

2.5 覆膜支撑剂的耐温性

国外油田压裂所用的石英砂纯度高、单晶结构多、强度比较高，为了进一步提高强度，一般用酚醛树脂覆膜石英砂以提高强度。而国内天然石英砂和低密度陶粒的强度低、破碎率高，由于酚醛树脂的覆膜强度低，因此国内生产厂家用环氧树脂和胺类固化剂覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒，用来增加石英砂和低密度陶粒的强度。环氧树脂与胺类固化剂反应形成不溶不熔的三维网络结构，其固化物的性能（例如玻璃化转变温度） 因环氧树脂、胺类固化剂、促进剂和其他成分的种类不同、配比不同而不同，即使其组成不变，因固化条件的改变，其固化物的玻璃化转变温度也不同，这与固化过程中形成的网络结构和形态有关。用环氧树脂增强石英砂和低密度陶粒，环氧树脂用量占石英砂和低密度陶粒质量小于3%，由于树脂在石英砂和低密度陶粒中占比太少，无法用差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，DSC） 测试覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的玻璃化转变温度。

地层压力小于35 MPa 时，压裂支撑一般用石英砂；地层压力在35～69 MPa 之间时，压裂支撑用覆膜石英砂比较多，地层温度一般在130 ℃以下；地层压力大于69 MPa 时，一般用覆膜低密度陶粒和低密度陶粒比较多，地层温度一般在220 ℃以下。根据压裂用覆膜支撑剂的地层温度和压力情况，覆膜石英砂在150 ℃温度条件下和覆膜低密度陶粒在250 ℃温度条件下，分别按照1.3.3 节介绍的覆膜支撑剂耐温性测定方法进行耐温性测试，结果见表4。从表4 可知，不同公司的覆膜石英砂，由于使用的覆膜材料和工艺不同，因此覆膜石英砂的耐温性也不同。

表4 树脂覆膜对支撑剂耐温性的影响

2.6 现场应用

根据涪陵页岩气藏特征，采用“一酸两液三砂”的混合压裂工艺技术。其中，一酸是盐酸，两液是滑溜水和线性胶混合，三砂是粉陶、30/50目支撑剂和40/70目支撑剂。

2012 年11 月7 日，中国石油化工股份有限公司焦页1HF 井开始压裂，压裂段数15 段，射孔长度2 675～3 603 m，平均分段长度62 m，破裂压力68.7 MPa，用北京奇想达新材料有限公司生产的30/50 目覆膜石英砂87 t 和40/70 目覆膜石英砂1 315 t，压裂施工后获高产页岩气流。2014 年4月9 日，涪陵市人民政府将焦页1HF 井命名为“页岩气开发功勋井”，以彰显焦页1HF 井为页岩气大规模开发利用所做出的突出贡献。截至2021 年，累计生产页岩气1.13 亿m3。至今，仍继续保持国内页岩气井生产时间最长的纪录。

2013 年9 月9 日，焦页6-2HF 井开始压裂，压裂段数15 段，射孔长度2 832～4 238 m，平均分段长度94 m，破裂压力51.5 MPa，用北京奇想达新材料有限公司生产的30/50 目覆膜石英砂65 t 和40/70 目覆膜石英砂1 011 t，是涪陵页岩气田投产的第四口井。2014 年9 月6 日，该井成为全国首口累计产量达1 亿m3的高产页岩气井。2016 年2月29 日，该井累计产量突破2 亿m3。2019 年11月8 日，焦页6-2HF 井累计产气量突破3 亿m3，目前仍继续有效。

从2012 年11 月以来，涪陵页岩气210 口井压裂用覆膜石英砂支撑剂，260 口井压裂用低密度陶粒支撑剂；从2018 年6 月开始，为了节约压裂成本，开始使用石英砂支撑剂，至今大约180 口井压裂使用石英砂支撑剂。由于石英砂的强度低，压裂后采气时出现页岩气日产量明显下降、地层出砂严重的问题。为了解决日产量下降和地层出砂问题，必须调整工艺，压裂时首先向裂缝中注入石英砂支撑剂，然后尾追覆膜石英砂支撑剂。

3 结论

对小粒径的石英砂和低密度陶粒采用树脂覆膜，能大幅降低石英砂和低密度陶粒的酸溶解度，提高石英砂和低密度陶粒的干湿强度，降低石英砂和低密度陶粒的视密度，提高石英砂和低密度陶粒的导流能力。覆膜树脂、助剂和工艺不同时，石英砂和低密度陶粒在覆膜前后的体积密度变化没有规律。现场应用说明，树脂覆膜石英砂，能满足页岩气压裂的时效性和透气能力，还可防止地层出砂；对于不同深度的页岩气地层，由于地层压力不同，石英砂、低密度陶粒、覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒支撑剂的强度不同，应根据这些支撑剂的价格、透气能力和强度，综合考虑，选择满足地层需求的支撑剂。