壓裂用支撐劑質(zhì)量評價新方法探索

張俊珂 徐夜雨 趙秀琴 徐中義

克拉瑪依禾鑫石油科技有限公司 新疆 克拉瑪依 834000

在水力壓裂過程中，射孔產(chǎn)生裂縫，支撐劑充填在壓裂產(chǎn)生裂縫中，通過高壓泵送將含有支撐劑的攜砂液充入裂縫中，使裂縫受地層應(yīng)力影響不再重新閉合，且形成一個具有高導(dǎo)流能力的流動通道以提高油氣采收率，達到油氣田增產(chǎn)、提效的目的[1]。壓裂支撐劑是一種具有一定強度與球形度的固體顆粒物，壓裂支撐劑在整個水力壓裂過程中，所起到的作用就是支撐巖層裂縫。隨著水力壓裂技術(shù)的發(fā)展，支撐劑的重要性日益凸顯。

1 常見支撐劑

支撐劑主要分為天然和人造兩大類型。天然支撐劑主要是石英砂為代表，人造支撐劑通常為陶粒支撐劑。

石英砂以石英為主，石英含量是衡量石英砂質(zhì)量的重要指標(biāo)，我國壓裂用石英砂中石英含量一般在80%左右，且伴有少量長石、隧石及其它噴出巖及變質(zhì)巖等巖屑。石英砂價格低廉，相對密度較低，便于施工泵送，是目前用量最多的支撐劑，對低閉合壓力的各類儲層，石英砂可以取得一定的增產(chǎn)效果。但石英砂強度較低，開始破碎的壓力約為20MPa，不能用于中、高閉合壓力的壓裂層中使用，且抗壓強度低，破碎后將大大降低裂縫的導(dǎo)流能力[1]。

陶粒的主要成分為鋁礬土和鋁質(zhì)陶土，有很高的強度，在相同的閉合壓力下，與石英砂比較具有破碎率低，導(dǎo)流能力高的性能。但陶粒的顆粒相對密度較高，對壓裂液的性能及泵送條件要求較高，陶粒的物料選擇與制造過程都比其它支撐劑要嚴格、復(fù)雜得多，且受開采及加工困難的限制，價格較貴，限制了陶粒的廣泛使用。

2 支撐劑的性能檢測指標(biāo)

支撐劑的主要物理性質(zhì)包括：支撐劑的粒度組成、圓度、球度、酸溶解度、濁度、密度、抗壓強度等。這些物理性質(zhì)決定了支撐劑的質(zhì)量及其在閉合壓力下的導(dǎo)流能力。支撐劑在實驗室的常規(guī)檢測性能指標(biāo)見表1[1]。

表1 支撐劑的主要性能指標(biāo)

3 基于掃描電鏡的支撐劑檢測

本方法檢測設(shè)備由硬件掃描電鏡、能譜儀和礦物智能分析軟件組成。本次共對2種類型的陶粒，5種類型的石英砂做了分析掃描，分別從支撐劑的礦物類型、孔隙度、粒徑等對支撐劑的質(zhì)量做了分析研究。

3.1 礦物類型

①②號支撐劑為陶粒支撐劑，礦物主要為剛玉、高嶺石，主要成分為鋁硅氧化物；③④⑤⑥⑦號石英砂支撐劑的礦物主要為石英，還含有部分長石顆粒，見圖3.1。支撐劑的的質(zhì)量與礦物成分含量相關(guān)性較大，本方法不僅可以檢測出樣品中的礦物成分，還可以檢測樣品中顆粒的礦物純度，顆粒單一礦物純度在95%以上樣品占比見表2。顆粒中礦物純度越高，抗破碎能力越強。

圖3 .1 支撐劑礦物分布圖

表2 支撐劑顆粒礦物分布

3.2 孔隙度

陶粒支撐劑為人工燒制而成，抗壓能力較強，顆粒中含有孔隙，對陶粒的抗壓性影響較小，且孔隙會降低陶粒的密度，能使陶粒更好的懸浮在壓裂液中。石英支撐劑中抗壓能力弱，且在石英顆粒中間或者邊緣能夠明顯觀察到有裂紋，會降低石英砂的抗壓性?？梢酝ㄟ^計算支撐劑中孔隙度或者顆粒裂紋數(shù)量來判斷石英支撐劑的質(zhì)量，見表3。

表3 支撐劑孔隙度分布

3.3 粒徑

支撐劑的粒徑組成對支撐劑的破碎率影響較大，檢測所用的樣品一定要具有代表性，準確度一定要高[2]，樣品粒徑分布見表4。經(jīng)大量實驗證明，生產(chǎn)過程中增加粗顆粒含量，降低細顆粒含量，也能夠有效的降低支撐劑的破碎率，故對于破碎率較高質(zhì)量不好的的石英砂，也可通過改變粒徑分布使破碎率達到合格[3]。

表4 支撐劑粒徑占比分布

4 結(jié)論

使用掃描電鏡和能譜儀等精密儀器，不僅可以計算支撐劑樣品礦物含量，還可以定量分析單個顆粒礦物純度、孔隙度，粒徑分布等更多參數(shù)，后續(xù)也可以結(jié)合掃描圖片分析支撐劑的磨圓度等，為支撐劑的質(zhì)量檢測提供更多新思路。但是由于每次測量顆粒較少，建議一批樣品選擇多個樣品掃描分析。