【原创】石英砂VS陶粒?谁才是未来石油支撑剂首选?


来源:中国粉体网   星耀

[导读]  支撑剂是具有一定粒度和强度、一定圆球度和级配的天然砂或人造高强陶瓷固体颗粒。根据支撑剂的实际应用情况,支撑剂可分为3类——石英砂支撑剂、人造陶粒支撑剂及覆膜支撑剂。不同材料的石油支撑剂性能特点如下表所示。

中国粉体网讯  近期,油价上涨成了最热门的话题。在油价上涨的前两天,就有不少市民来到加油站加满一箱油,有的加油站甚至出现了 “排长龙”现象。油价为啥那么贵呢?


 

图片来源:中国石化胜利油田


影响油价上涨的因素有很多,新冠疫情、俄乌战争、世界经济局势……但最根本的原因是,石油是珍贵的不可再生资源,用一点少一点。众所周知,汽油是从石油中提炼出来的,全球石油资源稀少,想要实现石油资源可持续发展,就要在石油开采上多下功夫。石油支撑剂是提高石油开采产能的关键因素。


1 什么是石油支撑剂


由于某些地层储层物性差、渗透率低,油田开发不得不采用水力压裂。水力压裂是利用地面高压泵组将压裂液注入井中,在井底产生巨大压力形成裂缝,支撑剂经携砂液输送充填至裂缝中发挥支撑作用,裂缝沿着两侧渐渐延长变宽,形成具有一定几何形状、尺寸的填砂裂缝,油气通道畅通,油气流出面积因此增大。所以在压裂过程中,支撑剂是提高产能的关键因素,能够有效地将油气引入油气井,大幅度提高导流能力并维持一定水平。


2 石油支撑剂的性能要求


①支撑剂要有足够的抗压强度和抗磨损能力,能耐受注入时的强大压力和摩擦力, 并有效地支撑人工裂缝。


②支撑剂颗粒相对密度要低,便于泵入井下。


③支撑剂颗粒在温度为200℃的条件下,与压裂液及储层流体不发生化学作用,酸溶解度最大允许值应小于7%。


3 目前石油支撑剂类型


支撑剂是具有一定粒度和强度、一定圆球度和级配的天然砂或人造高强陶瓷固体颗粒。根据支撑剂的实际应用情况,支撑剂可分为3类——石英砂支撑剂、人造陶粒支撑剂及覆膜支撑剂。不同材料的石油支撑剂性能特点如下表所示。


 


3.1石英砂支撑剂


天然石英砂适用于油井较浅、闭合压力层较低的开采环境。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1500m以上的油气井压裂。石英砂因其性能良好、粒度等级广泛、资源丰富、成本低,在当时的市场上很受欢迎。


 


随着开采深度和油井压力的增大,石英砂逐渐不能满足开采要求。石英砂脆性较大、强度较低,裂缝闭合压力高时石英砂容易破碎,显著降低裂缝的有效支撑面积,达不到油气增产效果;石英砂表面凹凸性不好,不利于增大裂缝的渗透率。另外就是石英砂热膨胀系数较大,当井深度较深、温度较高时,石英砂存在因相变而产生突然膨胀的风险。


3.2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。


 

图片来源:万力实业发展有限公司


相对于石英砂支撑剂,陶粒支撑剂的硬度、圆球度、抗腐蚀性等性能更加良好,但陶粒支撑剂相对密度较高,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。


3.3覆膜支撑剂


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,提高了支撑剂的强度、抗酸碱性,又叫树脂包覆支撑剂。


 

图片来源:万力实业发展有限公司


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。


4 石油支撑剂材料现状及发展趋势


近年来随着开采规模增大,支撑剂的销量也在不断增大。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。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。树脂覆膜支撑剂解决了陶粒支撑剂密度大、返吐现象等问题,并且耐腐蚀性大大增强,硬度也能达到要求,也可应用在较深井层,是目前市场上发展前景最大的石油压裂剂。


利用工业废弃物制备石油支撑剂的成本低,经济性强,产品性能也可达标。此方法能够实现废物利用,变废为宝,可以成为以后研究制备石油压裂支撑剂的一个新方向。


参考来源:

【1】暴赫.石油压裂支撑剂作用机理及发展前景.化学工程师.2019.

【2】中东石油智库《石英砂是未来压裂首选支撑剂!真的适合取代陶粒吗?》

【3】宋攀,等.石油压裂支撑剂的研究进展.石油石化绿色低碳.2021.

【4】冷悦山.石油压裂支撑剂材料开发应用前景分析.新材料产业.2018.

(中国粉体网编辑整理/星耀)

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作者:星耀

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