劉曉亮，衛(wèi) 陽(yáng)，王軍年，潘志剛

（1.新疆礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所，新疆烏魯木齊 830000；2.新疆寶地礦業(yè)股份有限公司，新疆烏魯木齊 830000；3.新疆地礦局第七地質(zhì)大隊(duì)，新疆烏蘇 833300）

石油天然氣開(kāi)采時(shí)高閉合壓力低滲透性礦床經(jīng)壓裂處理后使含油氣巖層裂開(kāi)，油氣從裂縫形成的通道中匯集而出。用石英砂支撐材料隨同高壓溶液進(jìn)入地層充填在巖層裂隙中起到支撐裂隙不因應(yīng)力釋放而閉合的作用，從而保持高導(dǎo)流能力使油氣暢通增加產(chǎn)量。20 世紀(jì)50 年代至今壓裂支撐劑經(jīng)歷了從易破碎的河沙→高質(zhì)量礦砂→支撐劑混入圓球度較高的核桃殼、玻璃和塑料微珠→覆膜支撐劑和人造陶?！?、中密度陶粒等演變和發(fā)展[1]，前人對(duì)壓裂支撐劑的發(fā)展做了大量研究和總結(jié)工作[2-7]。國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣井壓裂材料成本占單井成本的10 %左右，其中中石油長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)區(qū)塊主體采用70/140 目石英砂+40/70 目陶粒的組合支撐劑，單井平均用量為2 200 t～2 600 t，石英砂比例為20 %～30 %[8，9]。新疆主要分布著新疆油田、塔里木油田、吐哈油田三大油氣田，每年需要大量石英砂作為支撐劑來(lái)增產(chǎn)使用，由此可見(jiàn)地產(chǎn)石英砂的使用對(duì)當(dāng)?shù)赜蜌馓镩_(kāi)采降本增產(chǎn)有著重要經(jīng)濟(jì)意義。

1 礦區(qū)地理位置及概況

石英砂礦位于準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠內(nèi)，行政區(qū)隸屬于新疆和布克賽爾蒙古自治縣管轄。準(zhǔn)噶爾盆地中陸續(xù)探明百口泉、烏爾禾、彩南、石西、陸梁、瑪湖等17 個(gè)油氣田，油氣資源總量達(dá)到100×108t 以上，已成為全疆油氣資源的大聚寶盆?，敽?1 個(gè)致密礫巖油藏應(yīng)用118 井次研究成果表明：在油藏埋深小于3 500 m、閉合應(yīng)力低于55 MPa 的區(qū)塊天然石英砂可有效替代陶粒作為壓裂支撐劑，具備進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模的條件[10]。盆地中油田總體鉆深淺、地層破碎、施工壓力較低，油氣開(kāi)采大量使用天然石英砂作為壓裂支撐劑。

2 樣品及測(cè)試條件

石英砂樣品均來(lái)自古爾班通古特沙漠礦區(qū)，樣品由無(wú)色、淺黃色、褐色、淺褐色、黑褐色、黑色砂粒組成，目測(cè)石英大概占60 %，其余部分為不透明巖屑。砂粒粒徑范圍0.1 mm～2 mm，磨圓度好、邊棱角幾乎完全圓化，個(gè)別透明石英中有黑色不透明粒狀包體（見(jiàn)圖1a～圖1c），樣品經(jīng)水洗、烘干、篩分（20 目～40 目）、精淘后進(jìn)行制樣。利用礦物學(xué)測(cè)試方法，結(jié)合偏反光顯微鏡、電子探針、掃描電鏡、水力壓裂支撐劑性能檢測(cè)、工藝礦物學(xué)等測(cè)試研究手段對(duì)石英砂樣品進(jìn)行礦物學(xué)特征研究。

制備重砂樣品4 件、磨制砂薄片4 件、砂光片4件，使用Leica Z16 實(shí)體顯微鏡、Leica 2700P 偏反光顯微鏡觀察樣品外觀形貌特征、結(jié)構(gòu)特征。使用日本電子Jxa-8230 型電子探針顯微分析儀（EPMA）測(cè)試礦物成分及顯微拍照，測(cè)試條件為加速電壓15 kV，電流10 nA，束斑最小直徑1 μm，顯微拍照加速電壓20 kV。水力壓裂支撐劑性能檢測(cè)在中國(guó)石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院測(cè)試，其他實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作在新疆礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所完成。

3 測(cè)試方法及結(jié)果

3.1 重砂分析

4 件重砂樣品經(jīng)精淘、縮分、磁選、電磁選、重液分離后經(jīng)實(shí)體顯微鏡鏡下鑒定、分析結(jié)果（見(jiàn)表1、表2）。按照礦物物理性質(zhì)把樣品分為磁性礦物、電磁性礦物、無(wú)電磁性礦物和輕礦物四部分。由表1、表2 可知，除SX1-01 樣品中輕礦物質(zhì)量占分析質(zhì)量53.32 %外，其余3 個(gè)樣品輕礦物質(zhì)量占分析質(zhì)量均大于70 %。礦物質(zhì)量分析顯示該區(qū)域石英砂中以輕礦物為主，輕礦物中石英含量占絕大多數(shù)，巖屑次之，含微量長(zhǎng)石。巖屑呈深淺不一的褐紅色、褐黑色，外形和石英相似（見(jiàn)圖1a～圖1c），具有磁性，大量分布在磁性、電磁性、輕礦物部分中。

表1 重砂質(zhì)量分析（g）Tab.1 Gravimetric analysis of heavy sand（g）

表2 重砂礦物分析結(jié)果（%）Tab.2 Analysis results of heavy placer minerals（%）

磁性礦物以磁鐵礦為主，顏色為黑色，呈不規(guī)則粒狀，金屬光澤，粉末黑色，粒度為0.1 mm～0.4 mm，平均粒度0.25 mm。電磁性礦物中有石榴石、赤鐵礦、褐鐵礦、鈦鐵礦、綠簾石、綠泥石、角閃石，其中石榴石、綠簾石、巖屑含量大。石榴石顏色為褐紅色、淺褐紅色、粉紅色，透明，呈滾圓粒狀，玻璃光澤，粒度為0.3 mm～0.6 mm，平均粒度為0.4 mm。綠簾石顏色為黃綠色，半透明，呈磨圓粒狀、集合體狀，玻璃光澤，粉末白色，粒度為0.4 mm～0.6 mm，平均粒度為0.5 mm。無(wú)電磁礦物有鋯石、磷灰石、重晶石、白鈦石、金紅石、銳鈦礦、方鉛礦。

輕礦物中以石英和巖屑為主，石英顏色為無(wú)色、淺黃色、個(gè)別為乳白色、褐黃色、褐紅色，透明至半透明，玻璃光澤，貝殼狀斷口。呈圓形粒狀，棱角磨圓度高，表面呈磨砂狀，個(gè)別有大小不一凹坑，個(gè)別透明石英中有黑色不透明粒狀包體。粒度為0.2 mm～0.8 mm，平均粒度為0.5 mm。

3.2 偏反光顯微鏡下特征

偏光顯微鏡下砂樣中主要成分為石英、巖屑及微量的長(zhǎng)石，磨圓度高、粒徑大小較均一，分選較好。石英呈圓狀分布，粒徑多在0.3 mm～1 mm，石英分為單晶石英和多晶石英兩類(lèi)。單晶石英呈圓狀，內(nèi)部純凈，占石英砂60 %左右，多晶石英為石英巖、石英脈及硅質(zhì)巖等占石英屑40 %左右，其中可見(jiàn)微量長(zhǎng)石及黏土雜質(zhì)礦物。長(zhǎng)石為斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石，呈次圓狀、圓狀，內(nèi)部蝕變?nèi)醣砻婢吣嗷F(xiàn)象。巖屑呈圓狀分布，成分較復(fù)雜多為中基性、酸性火山熔巖屑、凝灰?guī)r、沉積巖屑如泥巖、泥硅質(zhì)巖等，粒徑多在0.5 mm～1 mm，其內(nèi)部具蝕變現(xiàn)象并含有細(xì)粒金屬礦物及鐵質(zhì)，少數(shù)巖屑中含較多綠簾石。

光片中分布金屬礦物量少，褐鐵礦、赤鐵礦、磁鐵礦、黃鐵礦及白鈦石都包裹在部分巖屑中。褐鐵礦呈半自形-他形粒狀，粒徑0.01 mm～0.03 mm，由黃鐵礦蝕變形成。赤鐵礦呈半自形-他形粒狀、板狀，粒徑0.01 mm～0.05 mm。磁鐵礦半自形粒狀，粒徑0.01 mm～0.04 mm。黃鐵礦呈自形粒狀，白鈦礦呈他形粒狀，粒徑極細(xì)，包裹在巖屑中。

3.3 電子探針?lè)治?/h3>

圖1 石英砂外觀及鏡下特征Fig.1 Appearance and microscopic characteristics of quartz sand

實(shí)體顯微鏡下分別挑選4 件重砂樣品中若干粒透明、純凈的石英經(jīng)清洗、烘干后，通過(guò)膠結(jié)→切磨→拋光→噴碳等工序制成光片進(jìn)行電子探針波普測(cè)試分析（見(jiàn)表3）。從表3 可見(jiàn)該區(qū)域石英化學(xué)成分較為單一以SiO2為主，個(gè)別樣品含微量FeO、MnO、TiO2、Na2O、MgO、Al2O3、K2O、CaO，這與大多數(shù)α-石英中含：鐵、鎂、鋁、鈣、鋰、鈉、鉀、鍺、硼等一致[11]。樣品中氧化物SiO2含量范圍為99.62 %～99.99 %，與系統(tǒng)礦物學(xué)中α-石英化學(xué)成分吻合。

帶棱角的砂粒在強(qiáng)烈的擾動(dòng)水體中互相撞擊時(shí)作用力集中在尖角上，在平坦的解理面上刻蝕出V 型撞擊坑，砂粒的解理面經(jīng)顆粒互相撞擊摩擦使石英光滑的表面出現(xiàn)許多極細(xì)的參差狀的上翻薄片[12]。風(fēng)成砂磨圓度很高，在風(fēng)的作用下發(fā)生吹蝕、搬運(yùn)和堆積，在這一過(guò)程中石英砂表面產(chǎn)生了一些機(jī)械撞擊的碟形坑，碟形坑是風(fēng)成砂的特殊標(biāo)志。固相SiO2與H2O 產(chǎn)生非常微弱的反應(yīng)生產(chǎn)正硅酸H4SiO4，它在水中電離成H+和SiO4-，當(dāng)水溶液呈堿性時(shí)溶液中的OH-與從正硅酸電離出來(lái)的H+結(jié)合成水，使整個(gè)反應(yīng)式向著生成更多的SiO44-的方向進(jìn)行（SiO2+2H2O→H4SiO4→SiO44-+4H+；4H++4OH-→4H2O），石英為非均質(zhì)體在不同晶面上沿結(jié)構(gòu)軟弱部位形成形狀各異的溶蝕坑[13]，最常見(jiàn)為圓形、次圓形邊緣凹凸不齊的溶蝕坑。

表3 石英電子探針?lè)治靓谺/%Tab.3 Quartz electron probe analysis ωB/%

電鏡下將樣品分別放大45X-230X 可見(jiàn)石英砂磨圓度較高，砂粒邊沿與棱角幾乎完全圓化，表面有溶蝕凹坑（見(jiàn)圖2a、圖2c），部分顆粒中可見(jiàn)沖積過(guò)程中因機(jī)械作用形成的V 形坑和凹坑（見(jiàn)圖2e）和強(qiáng)烈風(fēng)砂暴時(shí)，機(jī)械撞擊的碟形凹坑和溝槽[14]（見(jiàn)圖2a、圖2f），石英表面的解理片經(jīng)受了撞擊、摩擦和化學(xué)溶解作用顯示出許多極細(xì)呈參差狀的上翻薄片（見(jiàn)圖2b、圖2d）。幾種類(lèi)型表觀特征推斷該地石英砂是經(jīng)過(guò)沖積、風(fēng)成和化學(xué)溶蝕多種作用疊加所致。

3.4 水力壓裂支撐劑性能測(cè)試

新疆油田實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院依照SY/T 5108-2014水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測(cè)試方法，通過(guò)從外觀、圓度、球度、粒徑、支撐劑破碎率、酸溶解度、濁度等共12 個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)壓裂石英砂是否達(dá)到支撐劑工業(yè)要求。在4 個(gè)采樣區(qū)各采原樣1 件進(jìn)行水力壓裂用支撐劑性能測(cè)試（見(jiàn)表4），從表4 看出圓度、球度均符合標(biāo)準(zhǔn)，但多數(shù)樣品的粒級(jí)、濁度達(dá)不到要求，支撐劑破碎率作為最重要指標(biāo)之一（應(yīng)力28 MPa）只有一個(gè)樣品破碎率≤9.0 %，其他樣品實(shí)測(cè)數(shù)值略超。影響石英砂支撐劑破碎率的主要原因是石英砂中有較高含量巖屑，粒級(jí)、濁度不合格經(jīng)分析認(rèn)為是樣品沒(méi)有經(jīng)水洗去除表面細(xì)小雜質(zhì)、灰塵及石英顆粒周?chē)嗤恋扔绊懸蛩亍?/p>

圖2 石英砂的表面結(jié)構(gòu)特征Fig.2 Surface structure characteristics of quartz sand

表4 水力壓裂支撐劑性能測(cè)試結(jié)果Tab.4 Hydraulic fracturing proppant performance test results

3.5 工藝礦物學(xué)特征分析

石英砂提純就是清除其原礦中含有的雜質(zhì)，進(jìn)而獲得純度較高的高純或者是超高純石英砂。當(dāng)前生產(chǎn)中較為常用的石英砂提純方法有以下5 種：水洗、分級(jí)脫泥法、擦洗法、磁選法、浮選法[15]。大量巖屑摻雜在石英砂中導(dǎo)致其破碎率超標(biāo)，為去除石英砂中的巖屑降低石英砂破碎率，將水洗、烘干后100 g 的石英砂經(jīng)周期式脈動(dòng)高梯度磁選機(jī)濕式分選出磁性部分19.73 g，非磁性部分79.90 g。選出的磁性部分為黑色、黑褐色巖屑，非磁性部分以石英為主摻雜少量褐色的巖屑，通過(guò)磁選可有效剔除近20 %巖屑，提高石英砂中石英純度。由于樣品量少等原因未進(jìn)一步做提純后石英砂破碎率實(shí)驗(yàn)，按現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)測(cè)試成果筆者認(rèn)為通過(guò)精細(xì)的水洗→烘干→篩分→磁選→色選等選礦工藝提高石英純度降低其破碎率，可滿足油氣企業(yè)壓裂支撐劑工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

（1）新疆石西油田一帶壓裂用石英砂經(jīng)重砂分析：石英砂主要由石英和巖屑組成，重礦物含量少，由磁鐵礦、石榴石、鈦鐵礦、綠簾石、綠泥石、白鈦石、鋯石、磷灰石、重晶石等組成。石英中SiO2成分高，含量范圍為99.62 %～99.99 %，在偏光顯微鏡下呈單晶和集合體狀，根據(jù)電鏡下表面微觀特征推斷該地石英砂是經(jīng)過(guò)沖積、風(fēng)成和化學(xué)溶蝕多種地質(zhì)作用疊加所致。

（2）根據(jù)SY/T 5108-2014 水力壓裂支撐劑性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析，石英砂中巖屑含量過(guò)多引起破碎率不達(dá)標(biāo)，經(jīng)周期式脈動(dòng)高梯度磁選機(jī)濕式分選可有效剔除石英砂中近20 %巖屑，大幅提高石英砂中石英純度以達(dá)到破碎率要求，可通過(guò)細(xì)致的水洗→烘干→篩分→磁選等選礦工藝剔除巖屑降低其破碎率，使其可用于油氣淺井壓裂支撐劑使用。

（3）新疆準(zhǔn)葛爾盆地分布石西、百口泉、烏爾禾、彩南等17 個(gè)油氣田，該地石英砂的開(kāi)發(fā)和利用能有效降低當(dāng)?shù)赜蜌馄髽I(yè)生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)出，使企業(yè)獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)對(duì)當(dāng)?shù)氐牡胤浇?jīng)濟(jì)有明顯促進(jìn)作用。