国标用于石油开采的陶粒支撑剂

第4卷增刊过程工程学报 VoI4 Suppl2004年8月The Chineae Jomnal ofProce獬EngineeringAug2004用于石油开采的陶粒支撑剂杨冰，朱钧国，张秉忠，邵友林，吕庆军(清华大学核能与新能源技术研究院，北京102201)摘要：压裂支撑剂是石油和天然气工业需要的重要材料之一，高质量的压裂支撑剂对提高油井 的经济效益有明显的作用本文采用扫描电子显微镜、x光衍射仪和粒子分析仪等，对用铝矾土制 造的陶粒支撑剂进行初步研究，提出提高产品质量的可能的途径关键词：压裂：支撑剂；颗粒1前言石油和天然气工业是我国国民经济发展的重要支柱之一但是目前我国石油和天然气的供需 矛盾日趋紧张，石油的进口量急剧增长2002年我国进口原油6941万吨，比上年增长152对 外依存度达到30，2003年原油净进口量达到9100万吨对外依存度达35在目前的国际政治 经济形势下，我国石油供应过多依赖国际资源，使中国的石油安全问题变得十分突出，严重影响 我国经济发展的安全【l】从目前国内的情况看，中国虽然是一个石油大国，还有一定的发展潜力；但同时中国油气资 源相对贫乏，按每平方公里国土面积的资源量、累计探明可采储量、剩余可采储量和产量值来看， 我国都明显低于世界平均水平，我国的陆上石油和天然气资源经过近半个世纪的开采，许多油气 田已经处于中晚期，油气田的勘探和开发难度加大21在我国石油总探明储量中，低渗透油气田和稠油油藏所占的比重达50以上此类油藏的自 然生产能力差，开采技术难度大，成本高提高这种油气资源的采收速度及采收率，使其能有效地 进行工业性开发利用，对我国的石油安全问题有重大影响【31压裂技术是改造油气田的重要手段，它是利用人工方法把流体注入岩石基层，以超过地层破 裂强度的压力，使井筒周围岩层产生裂缝，形成一个具有高导流能力的通道为保持压裂后形成的 裂缝开启，油气产物能顺畅通过，注入颗粒状的支撑剂是重要措施之一因此，研制高性能的支撑 剂对油气开采有着重要的意义 一2压裂支撑剂性能油气井在经过压裂后其增产效果及生产动态取决于裂缝的导流能力裂缝的导流能力是裂缝 传导储层内流体的能力，以压裂支撑剂的渗透率与裂缝支撑缝宽的乘积来表示因此，支撑剂的类 型、物理性质及其在裂缝中的分布是影响裂缝导流能力的重要因素【4】对支撑剂的性能要求如下：(1)支撑荆要有足够的抗压强度和抗磨损的能力，能耐受注入时的强大压力和摩擦力，并有效 地支撑人工裂缝(2)支撑剂颗粒相对密度要低，便于泵入井下作者简介：杨冰(1945一)女，汉广东揭阳人研究员现在从事新材料和核材料研究工作，E-mail：yangbtsinghUaeducn298过程工程学报 第4卷(3)支撑剂颗粒粒径要符合不同油井的设计要求，一般为0和O8 mm圆度和球度大于09， 而且颗粒均匀，表面光滑，其浊度值应小于1000，以获得尽可能高的导流能力(4)支撑剂颗粒在温度为2000C的条件下，与压裂液及储层流体不发生化学作用酸溶解度最 大允许值应小于7此外，希望货源充足，价格低廉压裂一口油井的施工费用需要花费几十万，甚至上百万元，支撑剂的费用在其中占的比例并 不大，然而，支撑剂的质量对压裂后的效果起着至关重要的作用，直接影响油井生产的净增收入 目前常用的支撑剂有石英砂、陶粒和各种树脂包覆的复合颗粒等其中石英砂的价钱最便宜， 相对密度较低，便于施工泵送，因此被大量使用但是石英砂的强度低、球度差、因而降低了裂缝 的导流能力，特别不适用于闭合压力高的深井用树脂包覆石英砂的复合颗粒，球度有改善，耐腐 蚀性可达到较高指标，即使内部的石英砂被压碎，外面包覆的树脂层可以包裹住碎块，保持裂缝 的导流能力是压裂支撑剂的一个发展方向，但是目前的产品保质期比较短，造价还较高用各种 材料和不同的加工工艺制造的陶粒，相对密度稍高于石英砂，对泵送条件及压裂液的性能都提出更高的要求，加大了压裂施工时的难度但是陶粒的球度和圆度远比石英砂好，可达到09以上， 特别是耐腐蚀性、耐温性以及抗压强度都高于石英砂，因此裂缝的导流能力递减率要低很多现在 已经越来越广泛地被油气田所采用表l列出对同一口油井进行压裂施工，采用4种不同类型的支撑剂，预计油井生产半年后得7到的净增收入pJ表1 不同支撑剂的经济净增值Table 1Net worth on different fracture proppantes及类型All(t)价格(元，t)渗透率(呻12)忑菊聂另元-西霸丽萌矛霸F西酹聒西药罚丽一收N万两中强陶粒 50 1600 135 53 80 151 343 低强陶粒 50 1500 88 50 75 150 273 堡垒互萎壁 i旦 !塑 竺 塑 !：! !：! !i从表1可以看出，石英砂价钱最便宜，但由于强度低，不仅初始渗透率低，而且维持压裂缝 隙的导流能力的时间也短，因此得到的净增收入就少不同强度的陶粒施工费用相差不多，但压裂 半年后得到的净增收入却有很大区别所以在条件允许的情况下，应该尽量选用优质的支撑剂3 陶粒支撑剂的微观结构和成份我国每年有数以万吨的支撑剂被泵入地层目前除石英砂外，最常用的支撑剂是用铝矾土制造的陶粒应该充分利用我国丰富的高铝矾土资源，研制高质量的铝矾土压裂支撑剂【61 本文对国内外陶粒支撑剂产品进行了初步的分析和比较首先用日立C一3000N型扫描电镜对国内外陶粒的外表面和内部断面进行观察分析图l为陶粒支撑剂表面形貌，扫描电镜的加速电压15 kV，放大倍数100从图1可以看出，国内陶粒的球度和圆度都大于09，并不亚于国外产品， 但是表面的光洁度却差很多国外陶粒表面光滑、致密国内陶粒的外表面有很多突起，容易脱落， 因此造成国内陶粒在运输和泵入井下时会产生很多微粒，极大影响支撑剂的渗透率图2为3种陶粒支撑剂内部断面的形貌，扫描电镜的加速电压15 kV，放大倍数150从陶粒 的内部断面可以清楚地看出，国外高强陶粒非常致密孔洞较少而且孔径较小：国外中强陶粒虽然 有孔洞，但大孔径的不多，结构也比较致密而国内的陶粒结构不够致密，内部孔洞多而且孔径比增刊 杨冰等：用于石油开采的陶粒支撑剂较大因此，国内陶粒的强度低于国外相应等级产品的强度国外高强陶粒 国外中强陶粒 国内高强陶粒图l陶粒支撑剂表面形貌FigI Surface appearances of ceramic facnIre proppant国外高强陶粒 国外中强陶粒 国内高强陶粒图2陶粒支撑剂断面形貌Fig2 The cross section morphology of ceramic fracture proppant使用型号为Dmax一3A的X射线衍射仪对陶粒的组成进行分析 X射线衍射仪采用Cu靶、40 kV的电压、120 mA的电流强度X 光衍射结果，国内高强陶粒的化学组分中A1203的成份占80以上， 并不低于国外的陶粒，但Si02明显偏低而中强的和低强陶粒中 Si02的含量增高各种陶粒的化学组分列于表2国内外陶粒支撑剂的基本性能比较列于表3从表3中可以看 图3粉体形貌的SEM照片 出，国内外陶粒支撑剂的圆度、球度、密度以及耐腐蚀性能基本相 Fig3 SEMmicrograph ofthe 同，但国内陶粒支撑剂的破损率、导流能力和渗透率等重要性能比Powde国外同类产品低很多【67】 用扫描电镜对国内某厂生产表2陶粒支撑剂化学组成陶粒的原料粉体进行了观察，扫 Table 2 Composition of ceramic fracture proppant描电镜的加速电压为25 kV，放大 倍数是20 K图3为原料粉体的 形貌从图3可以看出，粉体颗粒 形状很不规则，且有一些大的片 状颗粒又用SACP3颗粒尺寸分析 仪测试粉体的粒径分析结果表300过程工程学报 第4卷 表3陶粒支撑剂性能Table 3Performance of ceramic fracture proppant国外国内项目高强中强低强高强中强 低强粒径072066 073O45-09 04509O45-09 圆度、球度09，09 09090909 视密度(咖m3)356 327271333127体积密度(gm3)2018815718175155酸溶解度重量损失()3545172-4-56闭合压力下破损率f69 Mpa) O7 20 83 35-8 蔓623 导流能力|lm2cm(60 MPa) 10242 8693 6016 40，56 2643 渗透率pm2(6OMPa)24278 19738 1184313104 7853明，粉体颗粒相当粗糙，平均粒径为659 gm，而且粉体粒径非常不均匀，分布在0640 pm极宽 的范围内这正是该厂生产的陶粒含A1203的成份不低但强度和破损率却比国外产品差的重要原 因之一因此，改进和加强制粉工序，降低粉体的粒径，改善粉体粒径的均匀性，会有效地提高陶 粒的质量另外，在粉体中增加添加剂，也会成功地提高陶粒的强度和降低陶粒的密度通过以上初步的分析研究可知，目前国内陶粒支撑剂的性能和国外同类产品相比还有差距 而细化造粒时的粉体原料，改进制造工艺将会大大改善产品的质量4 结论石油和天然气开采中为了提高产量要使用大量的压裂支撑剂颗粒，高质量的陶粒支撑剂对 提高油井的经济效益有重要的作用充分利用我国富有的高铝矾土资源，研究改进陶粒支撑剂 制造的工艺技术，是一件有意义的工作对国内外陶粒支撑剂的性能、成份和微观组织的对比 研究表明，支撑剂的性能取决于它的化学组成和微观结构因此，优选原料和改进粉体加工工 艺可以有效地提高支撑剂的质量参考文献：【l】李飞对我国石油安全战略的几点思考【J】世界经济与政治论坛，2003，6：7780【2】魏一鸣，韩智勇，延吉生关于中国石油天然气工业发展战略研究的若干思考J】中国基础科学，2003，2：56-60【3】孙焕章，曹刚，杨勇等低渗透油田提高采收率技术【M】中国石油化工股份有限公司油气田提高采收率技术座谈会文集2001，何生厚焦方正主编北京：中国石化出版社，2002。87一128【4】万仁溥，罗英俊主编采油技术手册修订本第九分册，压裂酸化工艺技术【M】北京：石油工业出版社，19985 16527【5】朱文，朱华银支撑荆裂缝渗透率差异及其优质问题对压裂后经济现值的影响【J】石油钻采工艺1996，18(4)：8589【6】赵杰，胡晓力，尹虹我国高铝矾土资源及在硅酸盐工业中的应用【J】陶瓷，2002，180(6)：43-45【7】石油天然气行业标准压裂支撑剂性能测试推荐方法，SY厂r 5108一1997【8】石油天然气行业标准压裂支撵剂充填层短期导流能力评价推荐方法。SY厂r 6302一1997Application of Fracture Proppant in Oil and Gas ProductionYANG Bing。ZHU Jun-guo，ZHANG Bingzhong，SHAO YouIin，Lu Qing-jun(Institute ofNuclearAndNew Energy Technology,Tsinghua University,Beoing 102201，China)Abstract：The fracture proppant is one of the key materials for petroleum and natural gas productionHigh quality of the proppant will conduce to increase the profitability of the oil and gas well