这些非金属矿物与石英砂一同撑起压裂支撑剂的市场

中国粉体网讯  由于社会发展与环境的压力，清洁能源在我国能源结构中的占比将逐步增大，常规性的天然气资源以及煤层气、页岩气等非常规性的天然气资源将会成为未来的重要能源。这些能源的开采需要压裂技术，更离不开压裂支撑剂的配合。

什么是压裂支撑剂？

压裂支撑剂是油气储层改造中用来支撑压裂人工裂缝的一种关键材料，是提高压裂成功率和改造效率的关键。通过对压裂支撑材料、设计和生产等技术的不断创新，研发的高强度、高导流、低成本、特殊功能支撑剂可大幅提高油气井产能，提升油气勘探开发效益。预计2021年支撑剂用量将达到14100万吨。

2011~2021年美国不同区块压裂支撑剂用量趋势

在油气开采过程中，压裂支撑剂能够增大裂缝的孔隙度，提高油气的渗透率，从而达到了油气增产的目的。质量好的支撑剂不仅能够在较高的闭合应力下保持不破碎，同时还能提高裂缝的导流能力，直接提高油气井的产量。而质量差的压裂支撑剂一方面在地底高闭合应力下会破碎，从而堵塞裂缝，另一方面会对地层造成不可逆转的破坏。因此，压裂支撑剂的质量是水力压裂的关键。

支撑剂显微镜照片

压裂支撑剂材料发展现状

石油支撑剂材料发展历程可以分为5个阶段：

第1阶段（1947～1949年）：原标准石油公司首次引入Arkansas River河沙作为支撑剂（Hugoton油田压裂实验）。

第2阶段（1950～1959年）：20世纪 50年代 ：采用矿砂作为支撑剂。

第3阶段（1960～1969年）：采用圆球度较高的核桃壳、玻璃、塑料微珠

对支撑剂性能进行改良。

第4阶段（1970～1979年）：铝矾土烧结高抗压强度的人造陶粒支撑剂，在压裂过程中尾追一定量的覆膜支撑剂，解决了支撑剂回流、微粒运移导致裂缝导流能力下降的问题。

第5阶段（1980年至今）：低、中密度陶粒支撑剂（优化添加材料）。

压裂支撑剂的分类

按加工工艺及使用的原材料不同，支撑剂可以分为天然石英砂、覆膜砂和陶粒 3 类，尽管陶粒和覆膜砂的支撑性能明显好于天然石英砂，但其成本较高。

支撑剂导流能力金字塔图

目前常用的石油压裂支撑剂主要有天然材料和人造陶粒压裂支撑剂两类，天然材料包括石英砂、核桃壳以及金属球等天然存在的固状颗粒，人造陶粒支撑剂主要包括熔融喷吹法制备的陶粒、烧结陶粒以及树脂覆膜陶粒。在所有的压裂支撑剂中，应用最为广泛的是石英砂和人造烧结陶粒压裂支撑剂。

支撑剂主要属性

压裂支撑剂中用到的非金属矿物

研究发现，无论是天然材料和人造陶粒压裂支撑剂，在制造过程中都有非金属矿物的参与。根据自然属性的差异，支撑剂分为天然、人造，主要品种有天然石英砂、人造陶粒、覆膜支撑剂。

☆石英砂

2014年以来，北美地区采用石英砂为原料，通过技术及管理创新替代了陶粒，大幅降低了水力压裂工程作业成本，助推了非常规油气经济高效开发。用低价格的石英砂（约120美元/t）替代陶粒（约480美元/t），目前北美地区支撑剂中石英砂占比已达96%。

另外，小粒径石英砂成为北美地区支撑剂使用主流，2018 年北美地区开采页岩气所用的40/70 目和100 目两种细砂之和约占所用支撑剂总量的70%以上，其中二叠盆地所用支撑剂中，细粒石英砂从2015 年开始占据主导地位，2019年40/70 目与100 目的细砂占比为80%，在3500m以深的深层100 目石英砂占比已超68.6%。

2008―2019 年北美地区页岩气支撑剂粒径分布

☆人造陶粒

人造陶粒主要组分为铝矾土矿石（氧化铝）添加锰矿石、白云石、钾长石、高岭土，硅酸镁或铝土矿和高岭土的混和物等为原料，经混料、造粒、干燥、烧结等过程制备得到。其圆球度高（粒径均匀），孔隙度和渗透率，抗压强度优于石英砂（分为中等强度、高等强度），高闭合应力下破碎率低。人造陶粒相对密度较高。目前，国内陶粒生产企业中密度、高密度陶粒支撑剂性能已接近国外同类产品，低密度支撑剂的产品与国外差距较大。相对而言，人造陶粒加工工艺复杂（称量、磨粉、造粒、煅烧），制造成本高。

￭美国卡博公司研发了一种超高强度高导流性支撑剂，其选用的原材料中矾土的含量接近于100%，大幅降低了支撑剂孔隙度，进而提高强度。

￭岳俊磊在超低密高强度压裂支撑剂的制备及性能研究一文中，以铝矾土和煤系高岭土为主要原料，分别辅以钾长石和工业氧化铝，并以白云石和V2O5作为添加剂，采用无压烧结技术制备了超低密高强度的压裂支撑剂。

目前人造支撑剂的制备对高品位铝矾土的依赖性较高，而对低品位铝矾土应用较低，资源浪费现象严重。

￭崔冰峡在高强度低密度压裂支撑剂的制备研究以孝义轻烧铝矾土和内蒙高岭土为原料，分别以TiO2和MgO为添加剂，采用强力混合机造粒方法及无压煅烧技术制备出莫来石质低密度压裂支撑剂。又为制备出符合低渗透油气藏尤其是煤层气和页岩气水力压裂要求的低密支撑剂，选用高岭土及其煅烧产物为原料，AlF3和钼酸铵为添加剂，经造粒-煅烧，制备出高岭土基低密度压裂支撑剂。通过系统研究造粒工艺、添加剂及煅烧温度对支撑剂性能、物相及微观结构的影响。

铝矾土基陶粒支撑剂

目前，陶粒支撑剂主要是以铝矾土为原料，添加各种辅料经混料、造粒、干燥、烧结及筛分等过程制备而成，矾土基压裂支撑剂一般由刚玉、莫来石、方石英和玻璃相组成。其中刚玉、莫来石、方石英的理论密度分别为3.99g/cm3、3.03g/cm3、2.30~2.34g/cm3。铝矾土原料中铝含量较高时可制备出由刚玉和莫来石相组成的高强度、高密度支撑剂。

高岭土基陶粒支撑剂

美国专利取瓷土（Al2O3含量低于20wt%）、陶土（Al2O3含量低于25wt%）和高岭土（Al2O3大约40wt%）为原料，在1150℃~1380℃温度范围内制备出体积密度为1.30~1.50g/cm3，视密度为2.10~2.55g/cm3的支撑剂。其中含Al2O3量为19.05%的支撑剂试样体积密度为1.30g/cm3，视密度为2.4g/cm3，35MPa下破碎率为3.8%，52MPa下破碎率为9.5%；Carbo 公司以高岭土为原料，在1200 ~1350℃ 温度范围内制备出体积密度为0.95 ~ 1.30g/cm3，视密度为1.60~2.10g/cm3的超低密支撑剂，且烧结温度高于 1200℃时其28 MPa下破碎率低于15%。

Walter 等人分别以高岭土和铝矾土为原料制备陶粒压裂支撑剂，研究结果表明相比铝矾土基支撑剂，高岭土基支撑剂在强度相当的条件下密度更低。

小结：从上可知，压裂支撑剂中非金属矿物配合数多，不单单只是石英砂！

参考资料：

石英压裂砂替代陶粒支撑剂，市场需求有多大？

岳俊磊.超低密高强度压裂支撑剂的制备及性能研究

崔冰峡.高强度低密度压裂支撑剂的制备研究

光新军等.压裂支撑剂新进展与发展方向

冷悦山等.石油压裂支撑剂材料开发应用前景分析

（中国粉体网编辑整理/茜茜）

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