雷俊雄 陳錦風 林澤欽 陳文彬

摘 要：水力壓裂已經成為石油開采的重要手段和有效方式，特別是隨著非常規(guī)油氣藏開采程度的深入，水利壓裂技術需要不斷深入跟進。壓裂支撐劑作為壓裂工藝的關鍵材料，能夠起到支撐壓裂裂縫、提高油氣滲透率的作用。隨著新型支撐劑的研發(fā)和應用，有力促進了壓裂工藝的發(fā)展和進步，文章闡述了國內外壓裂支撐劑的研究現狀，重點介紹了油頁巖灰渣陶粒支撐劑研究進展以及壓裂支撐劑的制備工藝。

關鍵詞：水力壓裂;陶粒支撐劑;油頁巖灰渣

1 引言

從理論上來說，常規(guī)的陶粒支撐劑以純剛玉相為支撐骨架，玻璃相將骨架進行粘結，提高了陶粒支撐劑的強度與耐腐蝕性能。以此為理論依據，在骨架中添加油頁巖渣，提高了陶粒支撐劑組分中的莫來石含量，莫來石相含量增加后會增加韌性，這種情況下，陶粒的整體結構強度更高，不易破碎。不僅如此，在陶粒中增加油頁巖渣并且混合均勻后，油頁巖渣中的有機質組分和氧化鐵成分能夠較快的將其中的碳質組分氧化，能夠形成較為均勻的閉合氣孔，這樣就會使得陶粒的體積密度和視密度更低[1]。

2 支撐劑的研究現狀

2.1 天然石英砂應用現狀

石英砂作為廣泛存在的礦物，因其成分以二氧化硅為主，礦物成分主要是石英，具有密度低、價格低廉、硬度大的特點，在淺井壓裂中廣泛使用，成為較好的支撐劑。但是，天然石英砂存在一些缺點，如受強度限制，不宜應用于閉合壓力較大儲層改造中。圓球度差，對支撐劑導流能力具有一定影響。巖石破碎后，碎料不易排出，特別是運移困難會堵塞地層，進一步影響導流能力[2]。

2.2 人造陶粒支撐劑研究現狀

2.2.1 以生鋁礬土為原料制備支撐劑

當前，人造陶粒支撐劑的生產原料以生鋁礬土為主成分，在礬土中加入一些助熔相成分制造支撐劑，這種配方和生產工藝在陶粒支撐劑中應用廣泛。中原油田工藝研究院采用電熔法制造的人造陶粒具有較低破碎率，在深井中具有較好適用性，屬于國內最早利用電熔法制備支撐劑的嘗試，這種方法基本不再使用。國內許多支撐劑廠商都使用不同方法進行支撐劑制造，成分不同，配方也有差異，并且以文獻和專利的形式見諸報端。例如，浙江東方石油公司采用的支撐劑制備方法：生鋁礬土細粉添加一定比例二氧化錳，在高溫下完全反應，最終形成支撐劑，產品密度小、抗破碎能力強，工藝方法簡單，成為大多數陶粒支撐劑廠家常用的生產工藝[3]。在國外，也有相似的專利披露，例如世界規(guī)模最大的支撐劑生產企業(yè)美國Carb公司研發(fā)出一種新型的燒結支撐劑，這種類型的支撐劑主要有氧化鋁顆粒和粘土燒結而成，工藝簡單，性能優(yōu)良。

2.2.2 以鋁礬土熟料為主要原料制備支撐劑

以熟化的鋁礬土或者含鋁量較高的物料為原料，配合其他添加劑制備的支撐劑應用也較為廣泛，其中較為典型的為宜興東方國際石油公司利用鋁礬土熟料制備的固體支撐劑，這種成熟的配方經過攪拌后能夠篩分得到粒徑0.5mm-1.0mm的圓球顆粒，在回轉窯中經過高溫煅燒，待冷卻后能夠形成合格產品。這種類型的支撐劑利用回轉窯滾動而成，燒結時間較短，能耗較低。例如長春恒勝石油公司技術人員以優(yōu)質高鋁礬土熟料以及工業(yè)廢氣高鋁質耐火磚為原料，并用硅類粘土為輔助原料，制備出高強度人造陶粒支撐劑。這種類型支撐劑由于含有一定量的粘土，具有較好塑性。添加硅灰后可以更好的形成莫來石，棕剛玉則能夠提高支撐劑強度，因此具有良好效果。

2.2.3 以非鋁礬土礦物為原料制備支撐劑

為拓展支撐劑原料空間，有些學者嘗試利用非鋁礬土礦物為原料制備支撐劑，例如哈工大教授唐建忠利用玄武巖制備支撐劑，并且取得了具有應用價值的產品。

2.2.4 添加特殊成分增強支撐劑性能

在制備支撐劑過程中，為增強人造陶粒支撐劑強度、提高陶粒耐腐蝕性能，技術工作者還通過添加特殊組分的方式改善支撐劑性能，例如有的石油公司在鋁礬土和錳粉的基礎上，加入一定量的二氧化錳提高強度。經過高溫燒結，制備的支撐劑視密度能夠達到3.5g/cm3，可以較好的應用在高壓超深井中。

2.3 存在的問題

支撐劑研究雖然經過了七十余年的歷史，但是仍然面臨許多問題沒有得到解決，概況起來主要有以下幾個方面[4]：

①當前支撐劑行業(yè)的發(fā)展處于不均衡狀態(tài)，整體上看，國外的研究程度要高于國內研究程度，目前國內研究仍以高鋁礬土為制備支撐劑的主要原料，尤其對覆膜支撐劑的研究深度與水平，仍然低于國外;

②在低鋁礬土的制備與研究方面，國內研究程度仍然低于國外。以支撐劑燒結后鋁含量為例，國內產品含量大多高于80%，而美國有些公司研制的支撐劑燒結后鋁含量不足50%。同樣，配方研制的差異性也使得生產設備、生產工藝落后于國外水平;

③輕質高強度支撐劑的研究和應用和國外相比同樣存在差距，雖然對這類支撐劑的研究已經超過了20年，也形成了許多文獻和專利，但是指導生產的產品數量有限;

④支撐劑導流能力需要持續(xù)深化研究。雖然樹脂包覆支撐劑的研究與生產形成了配套體系，在一定時間內也起到了增強導流能力的作用，但是長期導流能力仍然需要增強;

⑤對支撐劑回流能力的增強還需要繼續(xù)研究。雖然當前學術界形成了許多不同技術門類，但用于指導生產的產品數量不斷，需要進一步的研究與深化。

3 油頁巖灰渣陶粒支撐劑研究現狀

燒結過程是陶粒制備中的重要環(huán)節(jié)，在高溫燒結下，球形顆粒發(fā)生了內部變化，表現為粉體小顆粒之間的接觸體積變大，小的顆粒聚集程度增強，小的顆粒之間會逐步形成晶界。陶粒的內部氣體形狀發(fā)生變化，氣孔由連通狀態(tài)變?yōu)殚]合狀態(tài)，這些物理變化便是陶粒燒結過程中產生的變化。但是，對燒結過程的描述仍然缺少本質上的揭示。

3.1 粉料成球的機理研究

粉料在水的毛細管力作用下會形成母球，母球受毛細管力以及機械力會逐漸變大，最后在機械力影響下會被壓實。促使粉料成球的推動力主要是水分的毛細力和外部機械力作用，在各種力的作用下會增強生球的機械強度。

3.2 陶粒支撐劑助熔相機理研究

陶粒支撐劑助熔相主要可以分為兩大類，分別是Na2O，K2O，CaO，MgO以及MnO2，FeO，TiO2，相比而言，前者的助熔效果要優(yōu)于后者，一般情況下，前者的含量在1-3%之間，后者含量在1-5%之間。

3.3 高溫燒結機理研究

在高溫燒結過程中，陶粒內部會產生相應的物理化學反應，屬于液相燒結和固相燒結共同作用的過程。利用陶粒燒結過程中的推動力作用，加上粉末物料的表面能大于燒結體的界面能，勢必向低能量轉移。因此，需要提高燒結溫度，推動整個反應的正常進行。按照已有模式的固相燒結理論，在對固相燒結過程中，主要是擴散傳質方式。顆粒點接觸處的應力使得擴散介質定向移動，出現顆粒重排情況，進而顆粒內部氣孔呈現均勻分布[5]。在油頁巖灰渣陶粒球中加入一定量粘結劑后，在燒結時，既會出現固相相態(tài)，又會出現液相相態(tài)。通常來說，油頁頁灰渣陶粒的液相燒結傳質方式有兩種：流動傳質和溶解--沉淀傳質。

3.4 燒結過程中的推動力機理研究

理論研究認為，粉末物料的表面能高于多品燒結體的晶界能，這就是燒結推動力。粉體在燒結以后，晶界能成為粉體主要能量方式，也保證了晶界材料的穩(wěn)定性。但是，受粉體表面自由能限制，燒結驅動力變小，在低溫下燒結工序難以持續(xù)，需要對系統(tǒng)及時補充能量，也就是通過提高溫度，使燒結過程順利進行。

參考文獻：

[1]錢家麟，王劍秋，李術元.世界油頁巖資源利用和發(fā)展趨勢[J].吉林大學學報（地球科學版）.2018，36（6）：87-89.

[2]施國泉，郭家俊.油頁巖灰渣的綜合利用[J].能源政策研究通訊，2019，7（6）：20-23.

[3]劉招君等.油頁巖的綜合開發(fā)與利用[J].世界地質，2018， 23（19）：11-13.

[4]肖其海.油頁巖灰聚烯烴填充母粒的應用[J].塑料科技，2017，8（6）：21-26.

[5]劉云.高強度陶粒支撐劑的研制[J].陶瓷，2018，8（10）：24-26.