新型樹脂材料支撐劑的性能評價

楊 哲，盧 淵，2，黃 丹，黃文強，吳 霞，郝 偉

（1.成都理工大學能源學院，四川成都 610059；2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室·成都理工大學，四川成都 610059）

水力壓裂是油氣田增產最常用的方法，而支撐劑是壓裂工藝中重要的用料之一，它的作用是支撐壓裂后形成裂縫壁面，從而提高地層流體通過的能力，獲得增產。目前主要使用的是石英砂支撐劑和陶粒支撐劑兩類，這些支撐劑的密度相對較高，對壓裂液的性能要求較高，輸運距離較短；同時覆膜砂也在少量地投入使用，國內主要用覆膜砂來防砂和控制回流。為解決目前支撐劑存在的缺點，需尋求低密度高強度的支撐劑材料[1]，樹脂材料密度相對較小，且不易發生破碎，可用作支撐劑。因此，本文選用樹脂支撐劑進行性能評價，評價其在壓裂中的支撐效果。

1 常用支撐劑

壓裂支撐劑是指填充并支撐水力壓裂裂縫，使之不再重新閉合而具有一定圓度和球度的固體顆粒。目前常用的支撐劑主要有石英砂、陶粒和覆膜支撐劑，而覆膜支撐劑又包括覆膜砂和覆膜陶粒兩種。國內關于樹脂材料支撐劑的應用還處于探索階段，其應用還比較少[2]。

石英砂作為最常見，也是最廉價的支撐劑，在淺井、低閉合壓力油氣層的水力壓裂中被廣泛使用。石英砂的視密度為2.23 g/cm3～2.65 g/cm3，其密度較大，強度較低，在20 MPa左右就會出現較嚴重的破碎，因此它只適用于閉合壓力較低的油氣井。

陶粒支撐劑的制造通常以鋁礬土礦物為主要原料，經熔融噴吹法或燒結法制備而成。陶粒支撐劑的優點是具有較高的強度，不容易破碎，且具有較好的抗溫、抗鹽能力，它能使水力壓裂裂縫的導流能力遞減更加緩慢；但陶粒支撐劑的相對密度較大，泵注要求較高，提高了泵注成本，且陶粒支撐劑的制備需要消耗掉大量的鋁土資源，其成本比較高。

目前常用的覆膜支撐劑多為樹脂覆膜支撐劑，它包括兩種類型的樹脂覆膜砂：預固化樹脂覆膜支撐劑和可固化樹脂覆膜支撐劑。樹脂覆膜支撐劑比未覆膜支撐劑的體積密度低，降低了對壓裂液的要求。它在閉合壓力作用下會發生形變，因此能夠適應較高的閉合壓力，同時它能包裹破碎后的砂粒小塊，使得微粒運移及微粒堵塞裂縫的概率大大降低，從而使裂縫導流能力得到提升。

2 基礎性能評價

參照中華人民共和國石油天然氣行業標準SY/T 5108-2014《水力壓裂和礫石充填作業用支撐劑性能測試方法》，對樹脂材料支撐劑的密度、溶解度和破碎率進行測定，與常規支撐劑進行對比分析。

試驗主要儀器設備：恒溫水浴箱，電子天平，烘箱，振動篩，破碎室，壓機，定性濾紙，漏斗，量筒，燒杯，秒表等。

2.1 密度測定

支撐劑的密度大小與壓裂液的攜砂能力密切相關，影響壓裂過程中形成的水力裂縫長度。低密度的支撐劑能夠增加裂縫有效長度，提高壓裂井的增產效益。試驗測得樹脂材料支撐劑的密度為1.175 g/cm3，與常規支撐劑的密度對比（見表1）。

表1 樹脂材料支撐劑與常規支撐劑密度對比

由表1可知，樹脂材料支撐劑的密度比常規支撐劑的密度要小得多，說明在水力壓裂施工過程中，樹脂材料支撐劑更容易被泵入裂縫中，可較大節約泵注成本。

2.2 溶解度測定

支撐劑進入地層后，會和地層流體發生反應，因此在進行性能測試時，需考慮支撐劑的溶解度對支撐裂縫導流能力的影響，溶解越多，支撐劑的強度就會下降越多，其支撐裂縫高度和寬度會明顯下降[3]。國標要求在標準酸液中，支撐劑的酸溶解度應小于等于5%，本次試驗未使用標準酸液，而是使用鹽酸和氫氧化鈉溶液對其溶解度進行測定，試驗結果（見表2）。

表2 酸堿環境下不同支撐劑的溶解度對比

從表2可知，樹脂材料支撐劑在酸堿性環境中的溶解度介于石英砂與陶粒之間，說明樹脂材料支撐劑酸堿溶解度較低，穩定性較好，符合國標要求。

2.3 破碎率測定

支撐劑的抗破碎能力是指一定量的支撐劑，在額定的壓力下進行承壓測試所確定的破碎率。不同粒徑支撐劑在不同閉合壓力下破碎率不同，粒徑越大允許的破碎率越大，但最大不超過25%，同時密度對支撐劑破碎率也有一定影響。

通過試驗，得到樹脂材料支撐劑在不同的閉合壓力下并未發生破碎，而是產生形變，閉合壓力越大，形變越嚴重。因此，破碎率不適用于評價樹脂材料支撐劑的性能，可選用形變程度對其進行評價，試驗結果（見表3）。

樹脂材料支撐劑在閉合壓力作用下的形變能力較強，由表3可知，樹脂材料支撐劑的縱向形變程度（直接受壓面）明顯大于其橫向的形變程度，說明支撐劑在較高閉合壓力下被壓實了一定量，但總體積無明顯變化。

表3 樹脂材料支撐劑破碎試驗后的形變量

3 導流能力評價

裂縫導流能力是指儲層改造作業后[4-8]，產生的人工裂縫或延展的天然裂縫形成一定導流通道后，在閉合壓力作用下通過或輸送儲層流體的能力。裂縫導流能力是壓裂作業參數設計的一個重要部分。一般，室內裂縫導流能力測試中，導流能力記為裂縫滲透率Kf與裂縫寬度Wf的乘積，簡記為KWf。

裂縫導流能力的大小主要與支撐劑的物理性質、支撐劑在裂縫中的鋪置濃度及裂縫閉合壓力有關，也與儲層巖石硬度、溫度、流體性質、非達西流動條件、承壓時間以及壓裂液對鋪砂層的傷害等因素有關。支撐裂縫導流能力綜合反映了支撐劑的各項性能指標以及影響因素。本文參照SY-T6302-2009《壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法》，設定鋪砂濃度10 kg/m2，對粒徑為20/40目的陶粒和樹脂材料支撐劑的導流能力進行測量。試驗結果（見表4、圖1）。

表4 20/40目樹脂材料支撐劑與陶粒導流能力（鋪砂濃度10 kg/m2）

由圖1可知，樹脂材料支撐劑與陶粒的導流能力整體相近，當閉合壓力介于10 MPa～30 MPa時，兩種類型支撐劑裂縫導流能力下降幅度都較大，但陶粒的導流能力優于樹脂材料支撐劑；當閉合壓力為30 MPa～80 MPa時，導流能力下降幅度變緩，且樹脂材料支撐劑導流能力高于陶粒。其主要原因為陶粒在高閉合壓力下會發生破碎，堵塞孔隙和裂縫，使得導流能力大幅降低，而樹脂材料支撐劑在高閉合壓力下會發生形變，不易破碎。因此，對高壓地層進行壓裂改造時可優選樹脂材料支撐劑。

圖1 20/40目樹脂材料支撐劑與陶粒導流能力曲線

4 結論

（1）樹脂材料支撐劑是一種低密度支撐劑，其密度遠小于石英砂和陶粒。其酸溶解度介于石英砂和陶粒之間，穩定性較好。

（2）樹脂材料支撐劑在閉合壓力作用下不易發生破碎，會產生一定程度的形變。因此在對其進行評價時，應主要考慮其形變量。

（3）樹脂材料支撐劑的導流能力與陶粒相近，在低閉合壓力下，陶粒的導流能力較高，在高閉合壓力下，樹脂材料支撐劑的導流能力更優。