石油压裂陶粒支撑剂研究进展探讨

  【摘要】随着石油压裂陶粒支撑剂推广和应用，有效的保证了石油水力压裂技术正常运行，增加了油气井产量，对石油开发具备极其重大意义。笔者结合自己实际在做的工作经验，探讨石油压裂陶粒支撑剂的研究及发展状况，并对工业固体废料在石油压裂陶粒支撑剂的应用做多元化的分析，希望对石油压裂支撑剂研究提供一定的参考价值。

  在油气井开发过程中，注入适量的压裂支撑剂不但可以提高油层的渗透性，同时可以增加油气井的产量，提高油气井开发效益。石油压裂支撑剂主要是指在一定深度的地层岩石裂隙中，一直呈现出开裂状态支撑物，其对两边支撑裂缝壁起着重要的作用，能够使泵注停止之后，井底内压力降低至比闭合压力要小时，让油气井井眼处裂缝始终保持张开状态。随着水利压裂技术的发展，支撑剂合成材料也产生巨大的变化，现阶段应用的支撑剂主要以陶粒为主。本文就陶粒支撑剂研究及发展情况进行分析，以为陶粒支撑剂后期研发提供重要依据。

  现阶段应用较为广泛的支撑剂主要为石英砂支撑剂和陶粒支撑剂。石英砂支撑剂具有密度较小、成本较低、泵送便捷等优点，同时也存在强度低、、易破碎、导油渗透差、光洁度及圆球度低等缺陷，仅适用于埋藏较浅、闭合压力且油气层均较低的水力压裂中。而陶粒支撑剂则适用于埋藏较深、渗透性较低、闭合压力较高及温度较高的水力压裂中。陶粒支撑剂主要是由陶瓷原料制作而成的，呈球形颗粒状，其制备方法主要有两种，即烧结制备法和熔融喷吹制备法。

  利用熔融喷吹制备法制备形成的陶粒支撑剂，主要是把辅助材料及铝矾土等材料进行高温熔化后，在高压气体的喷吹作用下形成的。有关研究者，利用玄武岩作为原料的配制炉料，对其进行熔化、成珠及热处理等操作后，使其成为辉石性的微晶硅酸盐珠体。而我国专利研究中，对某种固体支撑剂和制作技术进行研究，专门针对埋藏较深的油气井压裂技术的固体支撑剂，它单颗粒的抗压强度就能达到390MPa以上，密度在2.8至3.0g/cm3之间，其密度能够在60MPa压力的条件下，破碎率将控制在0.8%至1.6%之间，圆球度等于或者大于0.9，表层的光滑度较高。这种固体支撑剂主要是采用铝矾土作为原料，并添加少量或者不适用添加剂，使其在电弧炉作用下，熔融喷吹，并呈现球状，其具有密度适宜、抗压性较高及破碎率较低等优点，适用于深度在3000至4500米油气井压裂施工中。虽然熔融喷吹制备法在工程实际中得到一些应用，但是其存在耗能量大、成球难控制等缺点，现阶段以较少应用。

  烧结制备法主要是将传统陶瓷制作技术和陶瓷原料相结合，以形成质量良好的陶粒支撑剂。这种制备方法主要以铝矾土作为原料，我国对其制备研究较高。高海利等研究者，在攀枝花当地，以生料、铝矾土、高钛性炉渣等作为原料，并加入适量的辅助材料，其在通过细粉磨、成球操作和热处理等工序时后，形成强度较高的石油压裂陶粒支撑剂，制成样品在压力为69MPa条件下，抗碎率达到了1.61%。马雪等研究者，以铝矾土作为原料，并添加了5%的锰矿，使其在高温1350℃条件下进行烧结，最终制成了强度高且密度低的陶粒支撑剂[1]。陈烨等研究者，同样以铝矾土作为原料，添加适量辅助材料，并通过成球和烧结处理工艺，制成了适合深度适中油气井压裂施工的陶粒支撑剂。刘云等研究者，以高质量的铝矾土作为熟料，并以业废弃的高性质的铝材耐火砖作为原料，并添加适量的粘土、硅灰、棕刚玉、烧结剂等辅助材料，制成懒得强度较高的陶粒支撑剂。上述研究表明，烧结法是制备陶粒支撑剂的理想方法。

  在陶粒支撑剂制备中有所使用的工业固体废物主要包括氧化、二氧化硅含量均高的粉煤灰、赤泥及陶瓷辊棒废料等。通过运用工业废料来制备陶粒支撑剂，不仅能大大的提升工业废料的利用率，同时能减少工业废料对环境的污染，具有一定的环保作用。

  粉煤灰主要是由发电厂中的煤粉在锅炉内经过燃烧后形成的工业废渣，主要有二氧化硅、三氧化铝、氧化钠、氧化钙、三氧化二铁等化学成分组合而成的，其中二氧化硅含量最高，占45至60%，其次为三氧化二铝，占18至40%。娜仁图雅等研究者，在制备陶粒支撑剂时，以粉煤灰作为原料，并在其中加入适量的黏土、水、成孔剂等辅助材料，对其进行混合，并形成微球，最后在高温烧制下，形成粉煤灰型的陶粒支撑剂。翟冠杰等研究者，在制备陶粒支撑剂时，加入大量的粉煤灰进行烧结，制成的陶粒支撑剂具有强度高、耐火性好、抗渗性高、导热性较低、稳定性高等优点。但是由于制成陶粒支撑剂强度较低，不能应用于石油压裂工艺中。

  赤泥主要是铝土矿在形成氧化铝的过程中排出的固态废料，根据有关数据调查显示，全世界一年生成的赤泥大约有6000万t，而我国一年生成赤泥有400万t以上，但是赤泥总利用率却只有15%左右。大量的赤泥堆放，不仅占据了农田、建筑等用地，而且其含有的碱性物质和氟化物在溶化后，将对水源造成严重污染，同时期含有的固体粉末，将对空气造成污染，对环境及人们身体健康都造成严重影响。尹国勋等研究者，以赤泥作为原料，并加入煤矸石及粉煤灰等辅助料，同时添加适量添加剂，制成了新型的陶粒支撑剂，其密度等级达到了600级，筒压强度达到5.5 Mpa，颗粒抗压达到410 N。我国专利部门对以赤泥为原料，以制备耐酸性的压裂支撑剂工艺，其制备原料的质量比例为，赤泥20% 至60%，含钡物质5%至35%，含铝物质20% 至60%，增塑剂5% 至15%。首相利用球磨机把赤泥、含铝物质进行球磨，形成粉体，然后再加入含钡物质及增塑剂，即可形成半颗粒成品，最后在高温1200至1400℃条件下进行烧结，可制成耐酸性的压裂支撑剂。

  陶瓷辊棒废料主要是陶瓷辊棒在生产的过程中形成的废弃物，现阶段我国每年生成的陶瓷辊棒废料大约有8000～10000 t。陶瓷辊棒废料含有的氧化铝量在60%以上，利用陶瓷棍棒废料作为压裂支撑剂的制备原料，不但可以减少压裂支撑剂的制备成本，同时能大大的提升支撑剂的质量，提高石油压裂技术的经济效益和社会效益。

  随着我国石油压裂技术的持续不断的发展和应用，石油压裂技术成为了我国油气井开发和增产的重要手段。而石油压裂技术的广泛应用，增大可对压裂支撑剂的需求量，对其性质和功能要求也逐步的提升。现阶段，我国对在开发深层且渗透性的油气井时，对于陶粒支撑剂的需求较大，也是油气井增产的关键措施。通过有关研究表明，我国陶粒支撑剂制备方法以烧结法为主，原料可用工业废料来代替，不仅提高了陶粒支撑剂的性能和质量，同时降低了支撑剂制备成本，减少工业废料对环境的污染。

  [1] 赵艳荣，吴伯麟，吴婷婷. 高铝陶粒支撑剂的研制[J].中国陶瓷，2010，9（02）：89-90

  [2] 杨永钊，魏登封，韩超，王煦，朱闪闪. 压裂支撑剂破碎率测试影响因素分析[J].石油与天然气化工，2010，8（02）；87-88

  [3] 王晋槐，赵友谊，龚红宇，张玉军. 石油压裂陶粒支撑剂研究进展[J].硅酸盐通报，2010，12（03）：76-78