中国粉体网讯 石油压裂支撑剂是一种在开采石油时使用的裂缝填充材料。在开采石油时，需要将支撑剂注入压裂液中，使开采裂缝保持裂开状态以保证石油的开采顺利进行。支撑剂是油气井初期投资成本的重要部分，而且决定着油气井的经济寿命。支撑剂用量过大会造成不必要的浪费，反之用量过小，会由于储层产液不足，造成油气井没有经济效益。
目前市场上使用的石油压裂支撑剂主要有天然石英砂、陶粒支撑剂、树脂覆膜砂三类。常用的陶粒支撑剂一般以石英砂、铝矾土、高岭土等为主原料。通过成球处理和烧结来制备。
天然石英砂
天然石英砂适用于在油井较浅、闭合压力层较低的开采环境下。上世纪40年代，天然石英砂作为支撑剂在石油开采中主要应用于1500 m以上的油气井压裂。天然石英砂的成本低，相对密度低，易于泵入输送，在当时的市场上很受欢迎。
陶粒支撑剂
陶粒支撑剂的原料一般是含铝矿物、工业废弃物添加一些辅助配料，进行特定加工处理后形成一种耐高温、耐高压、低密度等符合标准的支撑剂。由于陶粒支撑剂的相对密度较高，会出现返吐现象，对压裂液的黏度、流变性有较高的要求。因此陶粒支撑剂广泛地应用在深层低渗透油气层的压裂开采中。陶粒支撑剂主要采用熔融喷吹法和烧结法两种方法来制备。
树脂覆膜支撑剂
树脂覆膜支撑剂是指在以陶粒砂等为核心的外层包裹一层可固化有机物的支撑剂，这类支撑剂的耐腐蚀、强度、导流能力等都有很大优势，可以应用在深层闭合压力更大的油气井中。树脂覆膜砂支撑剂可满足深层闭合高压环境的开采需求，强度和耐腐蚀性均可达标。相对于陶粒支撑剂，树脂覆膜支撑剂相对密度更小，更便于泵注。包裹的树脂层导流能力要大于未覆膜的陶粒支撑剂，且有着更强的耐腐蚀性。
但树脂覆膜支撑剂也存在以下问题：原料成本和工艺成本均高于陶粒支撑剂，经济性不强；外层树脂膜化学稳定性不强；在高闭合压力下有可能会出现粘连现象，从而影响导流能力。
近年来随着开采规模增大，支撑剂的销量也在不断增大。根据对支撑剂市场的调查，不同支撑剂的市场份额为天然石英砂占80%，陶粒支撑剂10%，覆膜树脂砂10%，可以看出目前市面上的支撑剂还是以石英砂为主。虽然石英砂的强度不大，但成本低，资源广泛，在多数的浅井开采中，石英砂就可以达到支撑剂的标准。
在北美地区各油公司和油服公司共同致力于“提高单井产量和降低建井成本”，其中钻完井成本为400万~800万美元，平均为650万美元，压裂成本占比达60%。而压裂成本中材料构成是关键，压裂液成本和支撑剂成本最高分别占到钻完井成本的19%和25%。特别是支撑剂因素，成为降低成本的重要挖潜对象。
2014年以来，北美地区通过技术及管理创新，采用石英砂替代陶粒，就近建砂厂等方式，大幅降低了水力压裂工程作业成本，助推了非常规油气经济高效开发。随着水平段长、加砂强度的增加和水平井改造数量的增多，北美地区支撑剂用量由2010年的1820×104t增长到2018年的1.09×108t以上，单井支撑剂用量由2010年的1500t上升到2019年的5000t。基于“经济够用”理念，用价格低的石英砂（约120美元/t）替代陶粒（约480美元/t）,目前北美地区支撑剂中石英砂占比已达96%，经济成本优势巨大。
中国天然石英砂支撑剂主要分布在新疆陆梁、兰州安宁、宁夏青铜峡、河北围场、内蒙古赤峰和通辽等地，常见的粒径规格为20/40目、30/50目、40/70目和70/140目，石英砂的矿物成分及晶体结构为砂源地固有属性，提高天然石英砂支撑剂质量的关键是控制成品砂的粒径分布及砂表层处理工艺。
中国石油历年支撑剂使用情况
而涂利辉等在石英砂与陶粒物理特性的分析中，以工区使用的20~40目石英砂抗压强度28MPa，20~40目陶粒抗压强度52MPa为试验，目的层闭合压力在45~55MPa。通过室内实验表明石英砂破碎率远大于陶粒，石英砂在闭合压力50MPa时破碎率高达25%；而陶粒在50MPa闭合压力下，仍然保持较完整形态，破碎率<5%。
20/40目石英砂破碎状态
20/40目陶粒破碎形态
陶粒支撑剂的成本相对较小，制备流程简单，硬度、耐酸性等方面比天然石英砂优秀，因此在较深层渗透性低且不易返吐的油气层选择陶粒支撑剂，可以以较小的成本来保证更高标准的开采质量。
石英砂与陶粒在倒流能力的实验表明，在相同条件下，陶粒支撑剂导流能力远远大于石英砂支撑剂的导流能力，且钢板条件下的导流能力均大于岩板条件下的导流能力。
铺砂浓度8kg/m2钢板条件下不同支撑剂测试导流能力对比统计表
铺砂浓度8kg/m2岩板条件下不同支撑剂测试导流能力对比统计表
石英砂钢板/岩板导流能力对比图
陶粒钢板/岩板导流能力对比图
天然气对储层及裂缝段导流能力需求不高，但石英砂的使用对压裂液的返排及地层水流动影响巨大，易形成水锁效应，从而导致天然气流动受阻。因此建议低压高含水气藏仍坚持采用陶粒支撑剂，以保障单井产量及最终采收率。
小结
通过对天然石英砂、陶粒支撑剂和覆膜支撑剂三种石油支撑剂的对比来看，石英砂支撑剂虽然具有其缺点，但其在经济效益方面更有优势，北美及国内用户普遍喜欢使用天然石英砂支撑剂。郑新权等在国内石英砂支撑剂评价及砂源本地化研究进展与前景展望一文中表明，石英砂试验井与陶粒对比井日产量及累计产量基本相当，而与陶粒对比井相比，石英砂试验井单井成本节约135万~348万元，百万吨产能降低成本达3亿元以上。但若是针对低压高含水气藏就要采用陶粒支撑剂，以保障单井产量及最终采收率。覆膜树脂砂制作成本高，制备工艺复杂，但其性能优越，在密度、抗腐蚀性、导流能力等方面均优于其他支撑剂，在油井深度较深，闭合压力较大，返吐严重的开采环境下，其他成本低的支撑剂达不到要求，覆膜树脂砂是最优良的选择。
总之，因地制宜，综合考虑才是上策！
参考资料：
郑新权等.国内石英砂支撑剂评价及砂源本地化研究进展与前景展望
宋攀等.石油压裂支撑剂的研究进展
涂利辉等.石英砂支撑剂对含水气藏产能影响分析评价
（中国粉体网编辑整理/茜茜）
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