支撐劑

支撐劑

支撐劑是指具有一定粒度和級配的天然砂或人造高強陶瓷顆粒。陶粒支撐劑(ceramic proppant)以鋁礬土為原料,通過粉末制粒,燒結而成,具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、高強度、高導流能力、低密度、低破碎率等特點,使用最為廣泛。 在砂粒或陶粒表面塗覆樹脂,能夠進一步提高支撐劑的強度和導流性能。支撐劑是壓裂施工的關鍵材料。

支撐劑的作用

石油支撐劑又叫石油壓裂支撐劑。在石油天然氣深井開採時,高閉合壓力低滲透性礦床經壓裂處理後,使含油氣岩層裂開,油氣從裂縫形成的通道中匯集而出,此時需要流體注入岩石基層,以超過地層破裂強度的壓力,使井筒周圍岩層產生裂縫,形成一個具有高層流能力的通道,為保持壓裂後形成的裂縫開啟,油氣產物能順暢通過。用石油支撐劑隨同高壓溶液進入地層充填在岩層裂隙中,起到支撐裂隙不因應力釋放而閉合的作用,從而保持高導流能力,使油氣暢通,增加產量。

類型

1、從類別分類

硬脆性陶粒支撐劑,韌性支撐劑

2、從材質分類

石英砂、金屬鋁球、核桃殼、玻璃珠、塑膠球、鋼球、陶粒、樹脂覆膜砂等,目前使用量為:石英砂占市場份額50%,樹脂覆膜砂約占市場份額15%,陶粒以硬度高,成本低正廣泛套用。

發展情況

近幾年,隨著國內石油壓裂支撐劑生產的發展,石油壓裂支撐劑產品出口量逐漸從無到有,從少到多。不過,總體而言,出口量仍小於進口量。而且產品主要集中在附加值較低的中低端產品上,進口的則是附加值高的高端產品,如性能優秀的高強度石油壓裂支撐劑產品。

我國石油壓裂支撐劑行業發展並不快,市場規模年均增長率在15%左右,企業總產能年均增速在12%左右。企業數量眾多,但大多數是小型企業,產量低,技術含量低,競爭手段也主要集中在產品價格上面,並沒有占據市場較大份額的特大規模企業產生。國內石油需求量繼續增加,石油對外依存度繼續增大。為了滿足國內日益增加的石油需求,石油開採業發展迅速。與此相對應的就是相關產品生產的迅速擴大。我國石油壓裂支撐劑行業在這段時間,發展比較迅速,市場規模增速達到20%。2009 年,中國石油壓裂支撐劑行業投資金額4.7 億元,2011 年增長到6.2億元,年均增長率在13%以上。

支撐劑的要求

對壓裂井而言,支撐劑承受閉合壓力是原地應力與井底流壓的差。通常按破裂壓力與井底流壓之差考慮。井產層深度1450m,按破裂壓裂梯度0.025MPa/m、井底流壓8MPa考慮,支撐劑承受的閉合壓力在25MPa左右。

為獲得最佳化的壓裂設計,使油井壓裂改造增產效益最大,應依據油藏特性和產出能力取得最佳化的裂縫長度和導流能力。

支撐劑性能

支撐劑 支撐劑

支撐劑性能包括支撐劑的物理性能和導流能力。前者包括支撐劑粒度組成及分布、園球度和表面光滑度、濁度、密度(顆粒密度和體積密度)、酸溶解度、抗壓強度;後者包括短期導流能力和長期導流能力。依據石油行業標準SY-5108/97進行。

支撐劑選擇

篩選出的支撐劑應適合於儲層及壓裂工藝要求,同時應易於輸送、價格便宜、貨源廣。

井儲層埋藏深度1300m左右,由於破裂壓裂梯度高(0.025MPa/m),支撐劑承受的閉合壓力在25MPa左右,選用石英砂的導流能力很低,將影響到壓裂效果,應使用普通陶粒作支撐劑。考慮到貨源情況,建議選用20/40目攀鋼或騰飛普通陶粒作支撐劑。在平均閉合壓力25MPa的作用下,該種支撐劑可以提供100 um2·cm的導流能力,該值是短期導流能力試驗結果,考慮到壓裂液對支撐劑層的傷害以及支撐劑長期承壓破碎、壓實和微粒運移等因素對導流能力帶來的影響,因此取該值的20%,即25 um2·cm作為設計計算用值。

計算方法

水力壓裂是在地層中造出一定導流能力及一定長度的填砂裂縫,以此改變地層中流體的滲濾方式,提高向井底的供油能力。裂縫的導流能力,在一定條件下,由砂子在裂縫中的分布所決定,砂子沒有填到的裂縫,很可能閉合後就沒有什麼導流能力。填砂越厚、層數越多,導流能力就相對高些,所以砂子在裂縫中的分布在壓裂設計和效果分析中是很重要的。

填砂裂縫導流能力的大小是由若干因素所決定的。在壓裂施工中,首先應保證設計中的導流能力,因此在壓裂設計中,常有一個加砂程式就是用來確保砂子在縫中的分布,以滿足填砂裂縫導流能力的要求。

60年代曾對砂子在垂直裂縫中的分布進行了實驗研究,其中巴布庫克的方法,直到現在仍被使用著。實驗模型是用兩塊244cm長,30cm高的平行安裝的透明板。縫寬可以調節4.7mm-25.4mm。使用的液體有牛頓液體(0.64mPa·s-90mPa·s)與非牛頓流體(視粘度約為1.5mPa·s-900mPa·s)。使用的支撐劑的相對密度變化範圍從1.04到2.65,粒徑為60/80目,20/40目,40/60目,10/20目,加砂濃度的範圍在1.6%-43.2%之間,上述參數大致位於礦場壓裂工藝的範圍之內。分析多次實驗結果得出如下的規律。

支撐劑在裂縫高度上的分布

混有砂子的液體進入裂縫後,以水平方向流動。顆粒受有水平方向液體的攜帶力、垂直向下的重力以及向上的浮力。使用低粘壓裂液作為攜砂液時,由於顆粒的重力大於浮力與阻力,所以具有很大的沉降傾向,沉在縫底形成砂堤。砂堤減少了攜砂液的過水斷面,使流速提高。液體的流速逐漸達到使顆粒處於懸浮狀態的能力,此時顆粒停止沉降,這種狀態稱為平衡狀態。平衡時的流速稱為平衡流速,平衡流速可以定義為攜帶顆粒最小的流速。在此流速下,顆粒的沉積與捲起處於動平衡狀態。

支撐劑 支撐劑

在平衡狀態下,在垂直裂縫中顆粒濃度的垂直剖面上存在著差別,可以分為四個區域,見圖。由下往上,第一個區域是砂堤區,這部分是沉積下來的砂堤,在平衡狀態下砂堤的高度為平衡高度;第二個區域是顆粒滾流區;第三個區域是懸砂液區,雖然顆粒都處於懸浮狀態,但不是均勻的,存在濃度梯度;最上面的區域是無砂區。

在平衡狀態下增加地面排量,則砂堤區、顆粒滾流區和無砂區均將變薄,懸砂液區則變厚,如果流速足夠大,則沉積下來的砂堤可能完全消失。再進一步增加排量,縫內的濃度梯度剖面消失,成為均質的懸浮流。

如果壓裂液粘度夠高,支撐劑將完全懸浮於壓裂液中,砂濃度均勻分布。若按恆定砂比泵入攜砂液,流體在裂縫中向前流動時,縫內的砂濃度將逐漸提高。停泵後,裂縫端部的砂濃度最高,井底砂濃度最低,接近地面的加砂濃度。因此控制最終裂縫導流能力的關鍵因素是加砂濃度和加砂程式,應避免追求高導流能力而提高加砂濃度,在縫中出現砂比過高引起砂卡事故。

改善支撐劑在裂縫中分布的方法

實際上,支撐劑理論分布的假設是不存在的,砂子粒徑不是均一的,支撐劑的粒徑是一個分布範圍[23]。壓裂液在裂縫中的流速是變化的,溫度以及壓裂液粘度也都不能保持恆定,這樣就出現了複雜的布砂現象。同一批支撐劑,大顆粒先沉降,而小顆粒被輸送到裂縫遠部,直到流速低於平衡流速時才沉降下來。在這種複雜條件下的沉砂及沉砂剖面,可用數值方法在計算機上計算。為使技術上有一定的靈活性,除了加砂程式外,還應當有一套與之相匹配的壓裂液程式,以能適應排量與液體粘度變化的要求。

為了改善支撐劑在裂縫中的不利分布,可以綜合以下兩種布砂方式,即首先採用高粘懸浮液將小顆粒支撐劑輸送到裂縫遠處,使壓開的裂縫面積得到完全支撐;在井底附近裂縫採用低粘壓裂液使大顆粒支撐劑沉積,充分利用動態裂縫寬度,從而得到更高的裂縫導流能力。

預測

預計今後幾年,我國石油壓裂支撐劑行業市場規模將快速擴大,企業總產能也快速增加。石油壓裂支撐劑產品向著高強度的方向發展。而且,產品還會向著更加細分的趨勢發展,產品系列將進一步豐富。我國石油壓裂支撐劑產品市場規模將獲得快速發展,年增長率在27%以上。預計2020年石油壓裂支撐劑產品市場規模增速在29.23%,市場規模在274萬噸左右。

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