張偉民，岳 泉，康瑞鑫

（1．北京奇想達新材料有限公司，北京 101127；2．中國石油化工股份有限公司江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院，湖北 武漢 430035；3．青海油田鉆采工藝研究院采氣工藝室，甘肅 敦煌 736202）

作為一種清潔的非常規(guī)天然氣資源，頁巖氣的開發(fā)利用對于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、提高能源效率、推動節(jié)能減排和促進經(jīng)濟社會發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。頁巖氣是指主體位于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中、以吸附或游離狀態(tài)聚集的天然氣，是一種重要的非常規(guī)天然氣資源[1]。

頁巖氣儲層以微米級和納米級孔隙為主[2]，導致孔隙度和滲透率極低。體積壓裂是主要的增產(chǎn)措施，根據(jù)頁巖氣儲層壓裂裂縫擴展研究[3]和現(xiàn)場微地震監(jiān)測解釋結(jié)果顯示，壓裂裂縫呈網(wǎng)狀分布，主裂縫周圍存在大量次裂縫分支。壓裂液和支撐劑在主裂縫和次裂縫分支處均存在分流現(xiàn)象，導致支撐劑的運移與展布規(guī)律有別于常規(guī)水力壓裂。針對支撐劑在壓裂裂縫中的運移與展布問題，國內(nèi)外學者進行了大量的室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬研究，研究了裂縫形態(tài)、支撐劑類型、加砂濃度、流體黏度等對其運移與展布的影響[4-5]。

本文對頁巖氣壓裂所用的小粒徑支撐劑（30/50目和40/70目的石英砂、覆膜石英砂、低密度陶粒和覆膜低密度陶粒） 進行基本性能測定和評價，并且對覆膜支撐劑的耐水性和耐溫性分別提出了測定方法。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

30/50 目和40/70 目石英砂，河北圍場；30/50目和40/70 目低密度陶粒，A 公司；40/70 目低密度陶粒，B 公司；30/50 目和40/70 目覆膜石英砂，北京奇想達新材料有限公司（簡稱“C 公司”）；30/50目和40/70 目覆膜石英砂，D 公司；30/50 目和40/70 目覆膜低密度陶粒，C 公司。

1.2 主要實驗設(shè)備和儀器

BSJ－200 振動篩，中國航空工業(yè)第五四零廠；WHY－300 微機控制全自動壓力試驗機，上海華龍測試儀器有限公司；支撐劑裂縫導流能力測試儀，海安石油科研儀器有限公司；SX－5－12 廂式電阻爐，天津市泰斯特儀器有限公司；101A-2 電熱恒溫鼓風干燥箱，上海圣欣科學儀器有限公司；CH1015 超級恒溫槽，上海衡平儀器儀表廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 支撐劑的基本性能測定方法

支撐劑的酸溶解度、視密度、體積密度和破碎率按照SY/T 5108-2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測試方法》進行測定，其導流能力按照SY/T 6302-1997《壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法》進行測定。

1.3.2 覆膜支撐劑耐水性測定方法

稱取40 g 覆膜支撐劑，放入100 mL 的燒杯中，加入50 g 水，放入（95±0.5） ℃恒溫水浴中，保溫24 h 后取出；放入破碎室，按照SY/T 5108-2014《水力壓裂和礫石充填作業(yè)用支撐劑性能測試方法》進行加載；烘干后篩分，計算破碎率。

1.3.3 覆膜支撐劑耐溫性測定方法

稱取30 g 覆膜支撐劑，倒入一端可封閉的、長15 cm、內(nèi)徑25 mm 的鋼管中，在攪拌條件下倒入50 mL 水，再將鋼管的另一端蓋?。ú荒苊芊猓粚⑹⒂懈材ぶ蝿┑匿摴芊湃胙b有水的高溫罐中，逐步將高溫罐升溫到指定溫度，保溫1 h；冷卻后從高溫罐取出鋼管，觀測支撐劑顆粒之間是否分散、不黏結(jié)。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 支撐劑的酸溶解度

由于我國頁巖氣儲層具有石英含量低、碳酸鹽巖和黏土含量高的特點，因此對儲層進行酸化處理有利于儲層透氣，這就要求支撐劑的耐酸性比較高。國內(nèi)的天然石英砂由于雜質(zhì)含量比較高，致使石英砂支撐劑的酸溶解度偏高；低密度陶粒由于原材料本身因素和燒結(jié)溫度偏低，致使陶粒支撐劑的酸溶解度也偏高。樹脂覆膜對石英砂和低密度陶粒酸溶解度的影響見表1。從表1可知，用樹脂對石英砂和低密度陶粒預覆膜固化后，酸溶解度大幅下降，解決了天然石英砂和低密度陶粒支撐劑的酸溶解度偏高的問題，覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒支撐劑更適合酸化壓裂工藝。

表1 樹脂覆膜對石英砂和低密度陶粒酸溶解度的影響

2.2 支撐劑的密度

支撐劑的體積密度大小關(guān)系到壓裂作業(yè)的支撐劑用量，體積密度越小，井下裂縫中要填充的支撐劑用量越少。支撐劑的視密度大小影響支撐劑在壓裂液中的沉降速率，從而影響支撐劑在井下裂縫中形成的有效支撐裂縫長度，視密度低的支撐劑將有利于形成長的支撐帶、提高儲層的透氣能力。針對小粒徑石英砂支撐劑進行研究可以得知，國內(nèi)石英砂支撐劑的體積密度在1.45～1.60 g/cm3之間，視密度在2.50～2.58 g/cm3之間。

對石英砂采用樹脂覆膜后，視密度都下降，但體積密度不一定。樹脂覆膜對石英砂和低密度陶粒密度的影響見表2。從表2 可知，1 號支撐劑和3號支撐劑的覆膜石英砂的體密度都減小，2 號支撐劑和4號支撐劑的覆膜石英砂的體密度都增大。原因在于：如果用于覆膜的樹脂同輔助添加劑匹配，覆膜工藝適宜，則覆膜后的石英砂表面光滑，流動性好，體積密度增加；而如果用于覆膜的樹脂同輔助添加劑不匹配，覆膜工藝不當，則覆膜后的石英砂表面粗糙，流動性不好，體積密度減小，這種假象的體積密度減小容易致使壓裂工藝設(shè)計者誤算覆膜石英砂的用量，粗糙的表面最終影響覆膜石英砂在儲層中的透氣性。國內(nèi)低密度陶粒的性能差別比較大，例如相同視密度的低密度陶粒5 號支撐劑和6 號支撐劑，二者體積密度相差甚大（0.11 g/cm3），6 號支撐劑的表面比5 號支撐劑表面明顯粗糙；對低密度陶粒樹脂覆膜后，視密度都減小，而體積密度都增大。

表2 樹脂覆膜對石英砂和低密度陶粒密度的影響

2.3 支撐劑的破碎率

支撐劑的破碎率是影響壓裂裂縫導流能力的關(guān)鍵指標。在壓裂過程中，用泵將支撐劑送入地層，支撐劑不僅受到壓裂液和地層液體的侵蝕，還有可能受到對地層特殊施工使用的酸堿影響，使得支撐劑的破碎率遠遠大于常規(guī)檢測的干破碎率。樹脂覆膜對支撐劑石英砂和低密度陶粒破碎率的影響見第126頁表3，其中括號內(nèi)為相應(yīng)的地層壓力。對石英砂采用樹脂覆膜，不同公司覆膜所用的樹脂種類和用量不同以及所用的助劑和工藝不同，導致覆膜石英砂的干破碎率差別不大，然而濕破碎率差異很大，從表3 可知，1 號支撐劑和2 號支撐劑相比較，3 號支撐劑和4 號支撐劑相比較，濕破碎率差別在兩倍左右；而對低密度陶粒采用樹脂覆膜后，干破碎率和濕破碎率均大幅度下降，濕強度顯著提高，覆膜解決了低密度陶粒的強度和耐水性不足的問題。

表3 樹脂覆膜對石英砂和低密度陶粒破碎率的影響

2.4 支撐劑的導流能力

支撐劑顆粒的粒徑越大、粒徑分布越均勻、顆粒越圓和強度越高，形成裂縫的導流能力就越高。支撐劑（石英砂、低密度陶粒、覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒） 的顯微鏡照片見圖1；當鋪砂濃度為10 kg/m2時，閉合壓力對支撐劑導流能力的影響見圖2。由圖2 可知以下兩點。

圖1 支撐劑的顯微鏡照片

圖2 閉合壓力對支撐劑導流能力的影響

1） 針對粒徑相同的石英砂和低密度陶粒，在覆膜前后，低密度陶粒的導流能力都大于石英砂。主要原因有3 個方面：首先，石英砂和低密度陶粒在覆膜前后，低密度陶粒的圓度和球度都比石英砂好，支撐劑顆粒的圓度和球度越好，顆粒堆積形成的空隙就越大，就越有利于提高液體導流能力；其次，低密度陶粒的顆粒集中度比石英砂高，顆粒集中度越高，顆粒堆積形成的空隙就越大，就越有利于提高液體導流能力；最后，低密度陶粒本體強度比石英砂高。

2） 在低閉合壓力時，覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的導流能力小于相應(yīng)粒徑的石英砂和低密度陶粒；隨著閉合壓力的升高，覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的導流能力逐漸變?yōu)榇笥谑⑸昂偷兔芏忍樟?。這是由于石英砂和低密度陶粒表面覆膜的樹脂膜具有疏水性的緣故，在低閉合壓力時，覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的疏水性形成的毛細孔阻力大于石英砂和低密度陶粒破碎引起的毛細孔變小的阻力；隨著閉合壓力的升高，石英砂和低密度陶粒的破碎率增加、毛細孔變小嚴重，而覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的強度高、破碎率低、毛細孔變小沒有石英砂和低密度陶粒毛細孔變小厲害，覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的疏水毛細阻力小于相應(yīng)石英砂和低密度陶粒毛細孔變小的阻力，從而導流能力大于相應(yīng)的石英砂和低密度陶粒。

2.5 覆膜支撐劑的耐溫性

國外油田壓裂所用的石英砂純度高、單晶結(jié)構(gòu)多、強度比較高，為了進一步提高強度，一般用酚醛樹脂覆膜石英砂以提高強度。而國內(nèi)天然石英砂和低密度陶粒的強度低、破碎率高，由于酚醛樹脂的覆膜強度低，因此國內(nèi)生產(chǎn)廠家用環(huán)氧樹脂和胺類固化劑覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒，用來增加石英砂和低密度陶粒的強度。環(huán)氧樹脂與胺類固化劑反應(yīng)形成不溶不熔的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其固化物的性能（例如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度） 因環(huán)氧樹脂、胺類固化劑、促進劑和其他成分的種類不同、配比不同而不同，即使其組成不變，因固化條件的改變，其固化物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也不同，這與固化過程中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和形態(tài)有關(guān)。用環(huán)氧樹脂增強石英砂和低密度陶粒，環(huán)氧樹脂用量占石英砂和低密度陶粒質(zhì)量小于3%，由于樹脂在石英砂和低密度陶粒中占比太少，無法用差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry，DSC） 測試覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

地層壓力小于35 MPa 時，壓裂支撐一般用石英砂；地層壓力在35～69 MPa 之間時，壓裂支撐用覆膜石英砂比較多，地層溫度一般在130 ℃以下；地層壓力大于69 MPa 時，一般用覆膜低密度陶粒和低密度陶粒比較多，地層溫度一般在220 ℃以下。根據(jù)壓裂用覆膜支撐劑的地層溫度和壓力情況，覆膜石英砂在150 ℃溫度條件下和覆膜低密度陶粒在250 ℃溫度條件下，分別按照1.3.3 節(jié)介紹的覆膜支撐劑耐溫性測定方法進行耐溫性測試，結(jié)果見表4。從表4 可知，不同公司的覆膜石英砂，由于使用的覆膜材料和工藝不同，因此覆膜石英砂的耐溫性也不同。

表4 樹脂覆膜對支撐劑耐溫性的影響

2.6 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)涪陵頁巖氣藏特征，采用“一酸兩液三砂”的混合壓裂工藝技術(shù)。其中，一酸是鹽酸，兩液是滑溜水和線性膠混合，三砂是粉陶、30/50目支撐劑和40/70目支撐劑。

2012 年11 月7 日，中國石油化工股份有限公司焦頁1HF 井開始壓裂，壓裂段數(shù)15 段，射孔長度2 675～3 603 m，平均分段長度62 m，破裂壓力68.7 MPa，用北京奇想達新材料有限公司生產(chǎn)的30/50 目覆膜石英砂87 t 和40/70 目覆膜石英砂1 315 t，壓裂施工后獲高產(chǎn)頁巖氣流。2014 年4月9 日，涪陵市人民政府將焦頁1HF 井命名為“頁巖氣開發(fā)功勛井”，以彰顯焦頁1HF 井為頁巖氣大規(guī)模開發(fā)利用所做出的突出貢獻。截至2021 年，累計生產(chǎn)頁巖氣1.13 億m3。至今，仍繼續(xù)保持國內(nèi)頁巖氣井生產(chǎn)時間最長的紀錄。

2013 年9 月9 日，焦頁6-2HF 井開始壓裂，壓裂段數(shù)15 段，射孔長度2 832～4 238 m，平均分段長度94 m，破裂壓力51.5 MPa，用北京奇想達新材料有限公司生產(chǎn)的30/50 目覆膜石英砂65 t 和40/70 目覆膜石英砂1 011 t，是涪陵頁巖氣田投產(chǎn)的第四口井。2014 年9 月6 日，該井成為全國首口累計產(chǎn)量達1 億m3的高產(chǎn)頁巖氣井。2016 年2月29 日，該井累計產(chǎn)量突破2 億m3。2019 年11月8 日，焦頁6-2HF 井累計產(chǎn)氣量突破3 億m3，目前仍繼續(xù)有效。

從2012 年11 月以來，涪陵頁巖氣210 口井壓裂用覆膜石英砂支撐劑，260 口井壓裂用低密度陶粒支撐劑；從2018 年6 月開始，為了節(jié)約壓裂成本，開始使用石英砂支撐劑，至今大約180 口井壓裂使用石英砂支撐劑。由于石英砂的強度低，壓裂后采氣時出現(xiàn)頁巖氣日產(chǎn)量明顯下降、地層出砂嚴重的問題。為了解決日產(chǎn)量下降和地層出砂問題，必須調(diào)整工藝，壓裂時首先向裂縫中注入石英砂支撐劑，然后尾追覆膜石英砂支撐劑。

3 結(jié)論

對小粒徑的石英砂和低密度陶粒采用樹脂覆膜，能大幅降低石英砂和低密度陶粒的酸溶解度，提高石英砂和低密度陶粒的干濕強度，降低石英砂和低密度陶粒的視密度，提高石英砂和低密度陶粒的導流能力。覆膜樹脂、助劑和工藝不同時，石英砂和低密度陶粒在覆膜前后的體積密度變化沒有規(guī)律。現(xiàn)場應(yīng)用說明，樹脂覆膜石英砂，能滿足頁巖氣壓裂的時效性和透氣能力，還可防止地層出砂；對于不同深度的頁巖氣地層，由于地層壓力不同，石英砂、低密度陶粒、覆膜石英砂和覆膜低密度陶粒支撐劑的強度不同，應(yīng)根據(jù)這些支撐劑的價格、透氣能力和強度，綜合考慮，選擇滿足地層需求的支撐劑。