压裂支撑剂新进展与发展方向

光新军，王敏生，韩福伟，耿黎东

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司第三钻井公司，天津 300280）

压裂支撑剂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。通过对压裂支撑剂材料、设计和生产等技术的不断创新，研发的高强度、高导流、低成本、特殊功能支撑剂可大幅提高油气井产能，提升油气勘探开发效益。目前，国外油田技术服务公司非常重视压裂支撑剂的研发与应用，并取得了诸多进展。及时了解和掌握国外压裂支撑剂技术的最新进展，对优化我国压裂支撑剂技术的发展规划和科研方向，以及加快压裂支撑剂的研发具有重要意义。

1 压裂支撑剂应用现状

1.1 压裂支撑剂用量趋势

水力压裂技术自1947 年在美国试验成功以来，已经由简单的低液量、低排量压裂增产方法发展成为一项成熟的开采工艺技术。过去10 年，美国大部分油气生产都采用了水力压裂技术。据EIA统计，美国水力压裂井生产的天然气占天然气总量的2/3左右，生产的原油占美国原油总量的1/2 左右。近年来，美国针对非常规油气开发陆续采用超级压裂技术，将常规压裂液中单位水平段长度支撑剂用量不断提升，大幅提高了单井产量，降低了桶油成本。2014～2018 年间，美国先锋自然资源公司在二叠盆地页岩油气开发中将水平井水平段支撑剂用量由1.49 t/m 增加至4.46 t/m，单井产量提高50%，桶油成本降低21%[1]。大排量压裂液推动了美国压裂支撑剂用量的增长，2011～2018 年，压裂支撑剂用量总体呈现持续增长趋势，2016 年受国际油价影响，有所下降，2018 年达到历史新高的10 900万吨，比2016 年增长160%，预计2021 年支撑剂用量将达到14 100 万吨。图1 为2011～2021 年美国压裂支撑剂用量趋势[2]。

图1 2011～2021 年美国不同区块压裂支撑剂用量趋势

1.2 压裂支撑剂成本

压裂支撑剂是钻完井成本的重要组成部分，以美国页岩油气为例，Eagle Ford 页岩油气区平均建井成本为735 万美元，钻机和钻井液、固井、压裂设备、压裂液和返排、支撑剂5 个主要成本因素占比达76%。其中，支撑剂成本占建井成本的13%，为96 万美元，如图2 所示[3]。

图2 Eagle Ford 页岩油气区建井成本构成

1.3 压裂支撑剂的分类

按加工工艺及使用的原材料不同，支撑剂可以分为天然石英砂、覆膜砂和陶粒3 类，尽管陶粒和覆膜砂的支撑性能明显好于天然石英砂，但其成本较高，天然石英砂仍是水力压裂作业中的最常用的支撑剂。图3 为支撑剂导流能力金字塔图[4]，第一层是陶粒，高强度、尺寸和形状均匀、抗温、导流能力高；第二层是覆膜砂，中等强度、尺寸和形状不规则、导流能力中等；第三层是天然石英砂，低强度、尺寸和形状不规则、导流能力低。除了覆膜砂和陶粒外，近几年出现了许多被赋予特种功能的人工压裂支撑剂，由于价格高，其应用数量和规模有限，常常针对某一类特殊地层应用，多在常规压裂支撑剂中混入少量使用，或专门用于压裂设计优化的先导井。

图3 支撑剂导流能力金字塔图

2 压裂支撑剂新进展

2.1 超高强度和超低密度支撑剂

1）超高强度支撑剂。随着深部储层的不断开发，传统支撑剂在140 MPa 以上的闭合应力下无法提供足够的导流能力。美国卡博公司研发了一种超高强度高导流性支撑剂，其选用的原材料中矾土的含量接近于100%，大幅降低了支撑剂孔隙度，进而提高强度。在140 MPa下超高强度支撑剂仅2%出现破碎，而传统支撑剂则达到10%；在207 MPa下超高强度支撑剂仅7%出现破碎。同时，超高强度高导流支撑剂具有良好的球度和均匀的粒度，提高了支撑剂砂堆的渗透率，如图4 所示[5]。墨西哥海湾Lower Tertiary 地区的深水油气井储层压力超过140 MPa，温度高达260 ℃，采用超高强度高导流性支撑剂取得了良好的应用效果。

图4 超高强度高导流支撑剂（左）与高强度陶粒支撑剂（右）外观对比

2）超低密度支撑剂。滑溜水与胶液压裂液相比成本低，易形成复杂裂缝网络，近年来在水力压裂中应用日益广泛。但由于滑溜水黏度相对较小，其悬砂能力及携砂能力较弱。在施工过程中，为避免砂堵等复杂情况，压裂时常采用大排量的压裂工艺以提高支撑剂运移效率，增加了施工成本。同时，在压裂过程中，支撑剂易在压裂裂缝中沉降，难以对水平井筒裂缝高边提供有效支撑，进而影响主裂缝的导流能力。Sun 公司在钻井液空心微珠技术的基础上，研发了超轻质支撑剂，密度为1.066 g/cm3，尺寸为14/40 目和30/80 目，抗压强度为70 MPa，适用地层温度为149 ℃，在流动的滑溜水压裂液里基本处于悬浮状态，施工时在常规支撑剂中混入约4%～5%的超轻质支撑剂。现场应用表明，超低密度支撑剂能够减缓油气井产能递减率，增加单井累计产出量。卡博公司研发的轻质陶粒支撑剂密度为2.0 g/cm3，与常规石英砂相比，虽然超低密度支撑剂的密度降低了25%，但与同粒径(40/70 目)的石英砂相比，沉降速度降低了40%以上。在42 MPa 围压下，其长期导流能力比石英砂提高了43%[6]。

2.2 高导流支撑剂

1）自悬浮支撑剂。自悬浮支撑剂是在现有普通石英砂外添加特殊的化学薄膜，化学薄膜在空气中的密度与石英砂没有太大的区别。但放入水中后，与水中溶解的氮气产生反应，形成泡沫，借助气泡产生的浮力，整个石英砂变成棉絮状的漂浮物，成为一种可悬浮的支撑剂，如图5 所示。美国Preferred 公司研发的自悬浮支撑剂在21 MPa 下表现出良好的抗压和悬浮效果，悬浮效果维持15 d以上。支撑剂薄膜为憎水涂层设计，最大限度降低支撑剂充填层的水堵损害，通过持续降低支撑剂充填层的含水饱和度而不断提高充填层的油气相对渗透率，证明了自悬浮支撑剂可提高油相流度75%。同时，还具有自清洁、低摩阻、低成本等优点[7]。

图5 普通支撑剂与自悬浮支撑剂传输分布效果

2）亲油支撑剂。亲油支撑剂是一种树脂覆膜砂支撑剂，除了具有常规树脂覆膜支撑剂的优点外，还通过化学处理，将传统树脂覆膜的润湿性由中性变为亲油憎水，当只有水相经过裂缝内的压裂砂堆时，水相可以正常流过该孔隙介质而不会发生水堵；当油水两相混合液经过时，该压裂砂堆能最大程度地抑制水相流动，而不影响油相和气相的流动，从而减少油井的产出液含水率，达到维持油气产量的目的。Hexion 公司研发的亲油支撑剂对压裂液、破胶剂均有良好的配伍性，可用于闭合应力高达70 MPa、井底温度在49～204 ℃范围内的压裂作业环境。在美国二叠盆地页岩油地层进行了应用，11%的40/70 目亲油支撑剂作为末尾段压裂砂泵入近井地带，89%的40/70 目和100 目未覆膜支撑剂泵入远井地带，与邻井采用100%的40/70 目和100 目未覆膜支撑剂压裂相比产能提高49%[8]。

3）柱状支撑剂。压裂作业后的油气井产能优化中，裂缝的导流能力是关键参数。斯伦贝谢公司开发了柱状高强度支撑剂，与高强度球形支撑剂相比，具有更高的裂缝导流能力，并可与其他支撑剂结合使用控制回流。室内实验结果显示，在28 MPa 条件下，柱状支撑剂的平均孔隙直径比球形支撑剂高34%；柱状支撑剂的β因子比对应的球形支撑剂要低20%～40%；在相同条件下，压力下降速率超过一定值时，柱状支撑剂的控制回流性能较树脂支撑剂显著。2012 年在埃及Silah 油田应用，柱状支撑剂作为末尾段压裂砂泵入近井地带，保证近井区域的高导流能力并控制支撑剂回流，使得脱砂率从2011 年的45%降至0。柱状支撑剂在压裂过程中的排列方向影响裂缝导流能力，这方面仍待进一步进行研究来加以确定和改进。支撑剂颗粒随机充填效果如图6 所示[9]。

图6 柱状支撑剂随机充填效果

2.3 多功能支撑剂

1）电磁支撑剂。电磁支撑剂是在低密度支撑剂表面增加导电涂层，使其具有超导特性，用于压裂裂缝监测，克服微地震裂缝监测技术无法分辨裂缝是否是被支撑剂充填的缺陷。美国卡博公司与康菲石油公司合作研发了基于电磁支撑剂的裂缝监测技术，并在现场进行了试验。该技术的原理如图7所示[10-11]，压裂车将涂有导电涂层的可探测支撑剂泵入地层，下入井下电场发生装置产生特定频率的电场。此时具有特殊超导特性的支撑剂产生携带了位置信息的二次感生电磁场，该二次感生信号可以被布置在地面的接收器接收，随后应用反演算法将电磁场反推对支撑剂的分布进行精确成像，得到支撑剂的具体方位。采用低密度导电涂层20/40 目支撑剂在美国二叠盆地一口水平井中进行了成功应用，实现了支撑剂的可视化功能，提高了压裂效果评估的准确性。未来大面积推广应用将有助于压裂参数优化、支撑剂优选、压裂液设计、井位部署、井位调整等。

图7 电磁支撑剂裂缝监测原理

2）防垢支撑剂。油气井生产过程中常常受硫酸钙结垢而不得不定期修井，每次修井需要先用修井机钻头磨铣清除井筒内结垢，然后在每一级压裂段注入除垢剂和酸液，最后再注入液体防垢剂，作业时间长、成本高。防垢支撑剂将防垢剂与陶粒支撑剂有效结合，在陶粒支撑剂生产过程中，在其内部预先形成均匀分布的孔隙度，然后在这些内部相互联通的孔隙孔道内用化学渗入的办法注入固体化学阻垢剂。在现有技术条件下，支撑剂内部孔隙能注入的化学药剂量大于在支撑剂表面所能固结的药量。在支撑剂的表面还增加一层可以按需要定制的高渗或低渗渗透膜，当泵入地层后，一旦支撑剂遇水后，水开始通过渗透膜侵入支撑剂孔隙，溶解阻垢剂并通过渗透膜将形成的化学溶液就地释放至地层，从而阻止或减缓裂缝和井筒内化学结垢，保持油气产量稳定。卡博公司研发的阻垢支撑剂在二叠盆地碳酸岩地层中应用，在压裂液中按0.18%体积比配入了液体阻垢剂，还在普通压裂支撑剂内混合掺入1.5%的阻垢支撑剂，显著延长了油井生产时间，降低了修井频率[12]。

2.4 智能支撑剂

1）智能膨胀支撑剂。智能膨胀支撑剂是由热固性形状记忆聚合物材料制成，其形状记忆效应可通过温度等被激活产生膨胀，轻微释放其存储应力，开启地层中的一些微小裂缝，而不至于压碎岩石，起到保持或进一步增加缝宽和导流能力的作用。同时，支撑剂的膨胀性能在缝内激活后会产生人工屏障，防止支撑剂回流井筒。整个注入过程简单，无需单独压裂泵注设备，可随常规支撑剂一起按照设计泵序分批注入。路易斯安纳州立大学开展了智能膨胀式支撑剂室内研究，物理模拟和数值模拟结果表明，智能膨胀式支撑剂自身强度及激活膨胀后的应力释放对裂缝导流能力的影响最为显著。

图8 支撑剂膨胀10%和20%时与相同粒径常规支撑剂充填后孔隙度及渗透率对比

从图8 可以看到，密度为0.95 g/cm3，弹性模量为520 MPa 的智能膨胀支撑剂在90 ℃、不同围压下，受温度激活后，膨胀值为原始粒径的10%和20%，分别对应的充填支撑剂堆积孔隙度可提高10%以上，渗透率可提高25%～100%[13]。与常规支撑剂相比，智能支撑剂效果不显著，主要是由于在高闭合应力条件下，杨氏模量太小导致支撑剂产生的形变过大，影响支撑效果，未来需要研发更大弹性模量的智能膨胀支撑剂材料。

2）原位成形支撑剂。原位成形支撑剂是压裂液在地层条件下通过化学反应形成的球状固体颗粒，压裂液泵注过程中可以进入各种尺度的裂缝，进而对多尺度裂缝进行有效支撑。由于原位成形支撑剂尺寸大于传统支撑剂，不会出现脱砂等问题。沙特阿美石油公司开展了原位成形支撑剂的室内研究，图9 为66 ℃下原位转化支撑剂形成过程。左图是化学反应前的均质溶液，中图是液体混合30 min 后支撑剂颗粒形成的早期阶段，右图是在静置60 min 后形成的支撑剂颗粒[14]。颗粒直径是化学溶液停留在裂缝中的时间函数，泵注时间和停留时间越长，形成的颗粒直径越大，越有利于裂缝的支撑。力学性能测试显示，原位成形支撑剂具有较高的硬度和很好的弹性，不会像传统支撑剂发生破碎，当外力卸载后恢复至原始形状，可以保持裂缝的长期导流能力和有效控制支撑剂的回流。

图9 66 ℃下原位转化支撑剂的形成过程

3 发展方向

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。2006～2015年，全国累计探明低渗透石油地质储量占总储量的67.5%；2008～2015 年，全国累计探明致密气地质储量占总储量的60%～72%，远大于2005～2007年的20%～40%。2016 年，全国新增探明石油地质储量9.1 亿吨，其中低渗透、致密油占67%；新增天然气地质储量6540 亿立方米，其中低渗透、致密气占73%[15]。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，未来需要在低成本、高强度低密度、高导流能力、多功能化、智能化方面开展攻关研究，提高压裂改造效果，大幅降低吨油成本，实现低渗致密油气藏的经济高效开发。

1.低成本加工制造技术。目前，新型支撑剂制造工艺复杂、成本较高，还未实现大规模应用。需要完善支撑剂加工工艺，改善支撑剂粒度、粒径、光滑度等性能。同时，开展低成本制造和表面处理技术研究，降低工艺难度和生产成本。

2.高强度低密度支撑剂。随着油气勘探开发储层越来越深，地层闭合应力增大，对支撑剂的强度越来越高。支撑剂强度提升会带来密度的增加，导致支撑剂在近井地带快速沉降，造成脱砂。需要开展高强度低密度支撑剂的研发，保证支撑剂强度的同时，降低支撑剂的密度。

3.高导流支撑剂。利用表面改性技术对支撑剂表面进行涂覆、化学吸附或反应来改善支撑剂性能，实现疏水亲油、束缚成团、控制回流等功能，大幅提高压裂裂缝导流能力。开展柱状支撑剂等特殊形状支撑剂及其泵注入工艺的研究，实现支撑剂的定向排列，发挥特殊形状支撑剂的导流效果。

4.多功能支撑剂。以支撑剂为载体，实现裂缝支撑的同时提升压裂整体效果。需要开展示踪支撑剂、电磁支撑剂、防垢支撑剂的研究，有效探测支撑剂分布，或防止井筒结垢等其他功能。

5.智能支撑剂。随着智能材料、纳米材料等高新技术与油气勘探开发工程技术不断融合发展，未来可能对石油工程技术产生颠覆性变革。需要开展智能膨胀支撑剂、原位成形支撑剂等研究，使支撑剂针对井下环境做出智能响应，提高压裂效果。