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北美地区石英砂支撑剂应用新理念
当前，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%。而在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。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。另外，小粒径石英砂成为北美地区支撑剂使用主流，2018年北美地区开采页岩气所用的40/70目和100目两种细砂之和约占所用支撑剂总量的70%以上，其中二叠盆地所用支撑剂中，细粒石英砂从2015年开始占据主导地位，2019年40/70目与100目的细砂占比为80%，在3500m以深的深层100目石英砂占比已超68.6%。
图1 2008—2019年北美地区页岩气支撑剂粒径分布
北美地区油气公司采取砂源本地化策略，大量使用石英砂的同时，积极在油田周边寻找砂源，就近建砂厂，实现石英砂本地化，降低成本。以美国二叠盆地为例，2019年使用当地黄砂作为支撑剂的压裂井井数为1548口，占比为60%。通过本地化砂厂建设，石英砂价格由180美元/t下降到50美元/t，节省了2/3以上的长途运输费用，仅于2018年已累计节省支撑剂费用达22亿美元，经济效益显著。
通过石英砂替代陶粒、本地化砂厂的持续推进，北美地区非常规油气产量保持高速增长，“砂量换油（气）量”成效突出，石英砂推广应用理念进一步被证实。统计Bakken油田页岩气井累计产量可知，分别采用100%石英砂、55%覆膜石英砂+45%石英砂、55%陶粒+45%石英砂3种支撑剂压裂施工中，其中以55%覆膜石英砂+45%石英砂作为支撑剂施工的井初期产量最大。生产一年后，各井产量逐步趋于稳定，并较为接近，说明使用陶粒支撑剂裂缝导流能力较高，但成本高；使用石英砂支撑剂裂缝导流能力虽然较低，但成本低，且石英砂支撑剂同样可以满足页岩气井长期生产的需求。
中国石英砂支撑剂品质评价
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。支撑剂粒径分布不仅影响破碎率，而且更重要的是影响支撑剂充填层的导流能力，同一规格不同粒径分布的石英砂导流能力变化较大。
全面评价中国六大主要砂源地220组不同规格样品性能，同时评价北美地区代表性砂源，与美国实验室开展平行测试。结果表明：中国石英砂为多晶/ 单晶混合物、圆球度大于或等于0.6，国内40/70目和70/140目石英砂破碎等级可达4K、5K（对应压力为28MPa、35MPa），与美国通用黄砂（得克萨斯州Brady砂）相当，破碎率基本接近，坚定了国内石英砂应用推广。
国内石英砂砂源本地化新进展
中国目前已投入开发的压裂用石英砂主要分布于宁夏青铜峡、河北围场、内蒙古赤峰和通辽等地区，同属北方风成砂，而中国石油非常规油气资源主要集中于南方四川、西北新疆和长庆等地区，石英砂生产成本约为260元/t，而北方石英砂运输到四川、新疆等地的运输成本约为450～700 元/t，如能实现砂源本地化，将极大降低支撑剂成本。
借鉴北美地区油气公司砂源本地化策略，针对中国非常规油气重点开发的准噶尔、鄂尔多斯和四川三大盆地，中国石油组织相关单位在四川、陕西、内蒙古、新疆等地开展51个不同地区砂源地考察、取样、测试分析、出品率评价等工作，为石英砂本地化打下了坚实的物质基础。评价结果表明：①新疆石西地区风成砂品质较新疆其他地区好，主要优势为距离油区近、运输费用低，基本可满足玛湖致密油区块及吉木萨尔页岩油区块产能建设需求；②鄂尔多斯盆地内砂源以风成砂为主，主要位于青铜峡、定边周边，距离长庆陇东致密油区近，砂源品质较好，能满足长庆油田和延长油田致密油气压裂需求；③四川地区砂源主要以石英砂矿矿砂为主，石英含量高，其中江油、青川地区70/140 目粉砂与现场在用石英砂破碎率和导流能力相当，基本满足页岩气浅层压裂需求；④长江流域40/70 目和70/140目河道砂在35MPa闭合应力下破碎率普遍高于30%，不能满足现场水力压裂施工需求。
目前，新疆石西地区已建成50×104t/a 规模的现代化石英砂厂，已初步完成长庆腾格里和鄂托克前旗两个50×104t/a规模砂厂的建设论证工作，推进了中国石油本地化砂厂建设，为支撑剂长远自供提供了保障。本地化石英砂厂的建成将成为新疆油田、长庆油田支撑剂的重要补充，大幅度缓解支撑剂供应短缺问题，同时也将推进国内石英砂砂厂标准化建设，提升石英砂质量标准。
石英砂推广试验成效
在可行性评价研究的基础上，强化顶层设计，有序开展页岩气、致密油石英砂替代陶粒对比先导试验，创建鄂尔多斯、准噶尔玛湖等地区石英砂推广应用六大示范区。石英砂用量由2015年的65×104t提高到2019年的275×104t，占比由不足46% 增加到69%，年节约成本达到20亿元以上。如跟踪分析新疆玛湖油田50余口石英砂试验井与陶粒对比井初期与长期（2年以上）的产量动态，目前结果表明：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，充分证明了石英砂替代陶粒有效可行，展示出广阔的经济效益前景。
预计未来5年内，年均改造井次将达4.5万～5.5万次，支撑剂用量将达（500～600）×104t/a，石英砂支撑剂需求量将是目前的2.5倍。以西南页岩气为例，预计到2025年拟新建水平井约1800 口，按目前平均单井支撑剂用量（约2700t规模）和当前核算价格( 石英砂成本约1100元/t，陶粒成本约2200元/t)，预计累计支撑剂投资约110亿元。若采用石英砂替代陶粒，投资成本有望降到60亿元以内，降幅超40%；若实现砂源本地化后，成本有望进一步降低，这对实现低品位资源的低成本、高效开发意义重大。基于以上研究和认识，为进一步提升石英砂降本增效，未来应持续扩大石英砂在四川页岩气，以及鄂尔多斯、新疆、松辽等致密油气的应用规模，加强石英砂推广应用与就近砂厂建设，提高中国石英砂品质，保障国内油气低成本开发。
（中国粉体网编辑整理/茜茜）
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