功能性压裂支撑剂研究进展与应用现状

朱亚军，孟令韬，赵 健，郭布民，楚静彪

（1.中海油田服务股份有限公司，天津 300459；2.天津市海洋石油难动用储量开采企业重点实验室，天津 300459）

近年来，随着非常规页岩气与致密油探明储量不断增加，储层压裂改造技术已逐渐成为该类油藏经济开采的重要手段[1-2]。支撑剂作为压裂工艺中不可忽略的核心技术产品，其性能优劣直接决定裂缝扩展规模与压裂改造效果[3-5]。因此，优良的支撑剂对释放储层产能、提升油气产量、增加经济效益起关键性作用。

当前压裂工艺发展速度快，常规支撑剂显露出易嵌入、低导流、自身强度差等缺陷，难以满足日益复杂的使用需求[6]。而功能性压裂支撑剂通过对常规支撑剂改性、优选特殊材料及制备工艺创新，展现出控水导油、高强度低密度与高导流能力等诸多优点，受到了广大油田科研工作者的关注。本文通过调研功能性压裂支撑剂发展沿革，分析了其制备工艺与性能特点，着重探讨了功能性压裂支撑剂在压裂工艺中的作用机理。

1 功能性压裂支撑剂概念的提出

20 世纪50 年代，阿肯色河中的砂粒被标准石油公司首次用作美国堪萨斯州西南部Hugoton 油田压裂试验中的支撑剂，成功解决了压裂后裂缝闭合等难题，为压裂试验取得了较高的经济效益。自压裂用支撑剂试验成功以来，科研人员不断加强支撑剂在裂缝中支撑机理的研究并依据压裂开发的经济性原则进一步推动了支撑剂种类发展与变更。总体来看，支撑剂经历了由原始河砂到陶粒再到功能性压裂支撑剂的变革[7-8]，其历程见图1。

图1 压裂用支撑剂发展历程时间轴

功能性压裂支撑剂最早源自树脂包覆型支撑剂[9]，通过在砂砾表面覆盖一层树脂类高分子材料达到胶囊保护作用，其原理是高应力下树脂膜将破碎的砂屑包覆，防止压碎后的小颗粒支撑剂阻塞孔隙通道减小储层渗透率，显著提高了支撑剂耐压性能。此外高分子树脂材料的包覆还改善了砂砾支撑剂的圆球度、降低了砂砾棱角，进一步提升了树脂包覆型支撑剂导流能力。但有些高分子树脂材料存在与压裂液配伍性问题，部分树脂外壳会与压裂液中的交联剂反应，影响压裂改造效果。新一代功能性压裂支撑剂从化学改性与物理改质两种设计思路出发，通过线性高分子改性，无机高分子包覆，或使用纤维混砂、物理模型重新构筑等手段有效提高了支撑剂应用性能，满足了新兴压裂工艺设计对支撑剂的各项要求，并已在全球各大油田推广应用[10]。当前应用较为成熟的功能性压裂支撑剂主要分为以下四类（图2）：（1）控水支撑剂；（2）固结支撑剂；（3）自悬浮支撑剂；（4）相变支撑剂。

图2 功能性压裂支撑剂[11]

2 控水支撑剂

针对边底水型油藏，压裂改造后产水量大幅提升，而油气产量却大打折扣。为提高压裂后油气采收率研发一种阻水导油的压裂支撑剂成为亟需解决的课题。BESTAOUI-SPURR 等[12]采用接枝改性技术将亲油基团接枝于支撑剂表面（图3），当水油两相同时流过支撑剂时，亲油基团最大程度保证了油的流动性而限制了水的通过，达到良好的控水效果。DANSO 等[13]以支撑剂覆膜技术为导向，采用化学改性法在支撑剂表面覆上了高分子界面膜，使支撑剂表面润湿性发生反转，进一步提升了支撑剂控水性能。而宋金波等[14]根据Cassie-Baxter 模型，改变支撑剂表面粗糙度同样达到了疏水亲油等目的。

图3 表面接枝改性支撑剂控水机理示意图

当前控水支撑剂在国内油田现场应用已较为广泛。Hexion 油田科技公司研发的AquaBond 支撑剂[15]，通过改变支撑剂填充层中水的相对渗透率，可实现减少地层产水，维持油气产量等效果，在美国二叠系盆地页岩油地层的试验中相比未使用AquaBond 支撑剂的井压裂后产能提升49%。刘红磊[16]结合表面张力理论，研制了一种油水选择性支撑剂，达到了渗油阻水双重作用，在腰英台油田160 余井次压裂数据统计中表明，施工成功率提高8.5%，压后三个月内单井增油15%以上，区块平均含水率下降了3.6%，应用效果显著。

3 固结支撑剂

固结支撑剂是通过黏合助剂胶结或涂层表面高分子材料桥联，形成稳定人工井壁的功能性压裂支撑剂，主要用途是防止疏松储层压裂后地层出砂和抑制压裂后支撑剂返吐使裂缝导流能力降低（图4）。POPE等[17]最早研发了RCP 技术（Resin Coated Proppant）用于防止支撑剂回流返吐。该技术原理是选用环氧树脂、酚醛树脂等材料对支撑剂进行预涂装，在压裂施工时末段塞注入裂缝中，但RCP 存储时间短，在注入裂缝前已有部分树脂发生固化，导致施工风险上升，且树脂价格较高也限制了其规模化应用。为克服RCP 技术缺陷，COOPER 等[18]提出了应用新型水基表面改性剂（ASMA）对支撑剂表面改性，该技术特点是改性后的支撑剂注入地层未完全固化而是相互黏结，一方面降低了因流体冲刷而导致的支撑剂返吐，另一方面也阻止了因地层出砂引起的油气运移通道堵塞。国内针对固结支撑剂相关研究起步较晚，浮厉沛等[19]使用一种杂环聚合物对石英砂支撑剂进行表面改性，通过在高闭合压力下自聚，可实现固结防砂，防止支撑剂返吐。

图4 固结支撑剂防砂机理示意图

4 自悬浮支撑剂

自悬浮支撑剂由骨料和聚合物表面涂覆层组成，其机理是表面涂覆层遇水溶胀或遇水增黏，使支撑剂体积增大，密度近似等于水，从而悬浮于压裂液中[20]（图5）。相比于常规支撑剂，自悬浮支撑剂具有密度低、易携带等特点，有效提升裂缝支撑体积与储层改造效果。MAHONEY 等[21]结合“变粒径、深铺置”压裂设计思路与自悬浮支撑剂技术，在德克萨斯州某井场现场成功应用，油气增产效果较邻井显著提升。2015 年，国内苏北油田、吉林油田等开展矿场试验，在前置液造完缝后，采用清水或活性水携带自悬浮支撑剂完成加砂改造，有效压裂液成本节约，降低压后储层伤害，相比于同区块邻井增产1～2 倍[22]。由于自悬浮支撑剂低密度、低摩阻、低伤害等特点，当前广泛应用于深煤层、致密气藏泡沫压裂中，展现出较好的悬浮能力与支撑剂展布效果[23]。

图5 自悬浮支撑剂裂缝铺展机理示意图[23]

5 相变支撑剂

相变支撑剂也称原位生成支撑剂，以液-固相变为主（图6），是一种由液固两相可转变的新型支撑材料，可实现压裂液与支撑剂“合二为一”，解决传统支撑剂易脱砂、砂堵、注入难等问题[24]。张诚成[25]优化了相变流体注入地层时的压力、密度差、黏度比、界面张力、注入比例，并通过室内实验验证了其在裂缝中具有更好的铺置能力。杜光焰等[26]构建了基于相变流体（PF）和非相变流体（NPF）组成的相变压裂液体系。该体系在地层温度（60～120 ℃）刺激下PF 发生相变生成固体支撑颗粒支撑裂缝，而NPF 占据的裂缝空间为油气提供流动通道，提高了裂缝导流能力。

图6 液-固相变支撑剂在水力压裂中的应用机理示意图

6 结论

随着压裂储层改造工艺在深层致密油气藏开发中的地位不断提高，压裂工艺对支撑剂的性能要求越来越苛刻，支撑剂研究面临更多机遇与挑战。功能性压裂支撑剂通过材料优选、结构优化、表面增强改性技术，提升支撑剂铺置面积，增强裂缝导流能力，促进压裂工艺提质增效。未来，功能性压裂支撑剂将以智能型、经济型为导向开展攻关研究，提高压裂改造效果，降低压裂作业成本，实现低渗致密油气藏经济高效开发。