隨著世界油氣開采工業的迅猛發展,開采難度正在逐步加大,油氣井的高層度越來越深,低滲透型礦床越來越多,對高度度壓裂支撐劑產品的需求量也逐步加大,其市場擁有廣闊的發展空間。在石油領域,壓裂是指采油或采氣過程中,利用水力作用,使油氣層形成裂縫的一種方法,又稱水力壓裂。
水力壓裂指的是在高壓情況下,將壓裂液泵入油井中,導致井底產生高壓,當該壓力足以壓裂巖層時,地層就會生成裂縫并向前擴展出一定空間。為了使裂縫保持張開,在巖層壓裂后需在裂縫中隨壓裂液填入支撐劑。輸送完支撐劑后,降低壓裂液粘性并使之回流,這樣導流率高的裂縫就產生了。目前國內外使用的石油壓裂支撐劑一般分為三類:石英砂、陶粒支撐劑和覆膜支撐劑。近年來,油氣價格的持續低迷,降本增效已成為頁巖氣開發的主旋律。北美除鉆完井提速增效外,極大減少了陶粒用量,同時增加石英砂在壓裂施工中所占比例,甚至不用陶粒,大幅降低了壓裂材料的費用,實現了低油氣價下的頁巖氣效益開發。
石英砂是一種分布廣、硬度大的天然的穩定性礦物,其主要化學成分為二氧化硅(SiO2)。石英砂多為石英砂巖經過水力沖刷、風化剝蝕等作用形成的顆粒,因此主產于河灘、沙漠、沿海地帶。我國石油支撐劑行業尚處于起步階段,其壓裂用石英砂主要產于甘肅蘭州、湖北蒲圻、江西永修、湖南岳陽、山東榮城、吉林農安、福建福州、河北承德、新疆和豐等地。
石英砂中的主要礦物成分SiO2的含量高低與其粒度密切相關,通常粒度越大,SiO2含量越高。在中國,作為支撐用的石英砂中,SiO2含量通常在80%左右,并且砂中會含有少量長石、燧石及其它噴出巖及變質巖等巖屑。國外使用的優質石英砂中石英含量高達98%以上。但因為使用用途的不同,壓裂石英砂其實并不怎么看重二氧化硅的含量。在石油行業,對好的壓裂砂自有另一套評判的標準。所以,在石油行業,對好的壓裂砂自有另一套評判的標準。
1.球度與圓度
球度很好理解,是指的是壓裂支撐劑(即石英砂)接近球形的程度。
圓度為工件的橫截面接近理論圓的程度。簡單來講圓度可以理解為“圓潤度”,顆粒棱角越多越尖銳則圓度越差;反之棱角圓滑,圓度就好。
2.酸溶解度
酸溶解度是指在規定的酸溶液及反應條件下,一定質量的支撐劑被酸溶解的質量與總支撐劑質量的百分比。
耐酸性是壓裂支撐劑的重要指標,有良好耐酸性的支撐劑可以在酸性巖層中工作更長時間,并保持良好的導流能力。各種粒徑規格支撐劑允許的酸溶解度值見表1。值得注意的是,石英砂和陶粒支撐劑的酸溶解度指標相同。
表1 酸溶解度指標
支撐劑粒徑規格(μm) | 酸溶解度的允許值(%) |
3350-1700,2360-1180,1700-1000,1700-850,1180-850,1180-600,850-425,600-300 | ≤5.0 |
425-250,425-212,212-106 | ≤7.0 |
3.濁度
支撐劑的濁度為在規定體積的蒸餾水中加入一定質量的支撐劑,經搖動并放置一定時間后液體的渾濁程度,單位是福氏濁度單位(FTU)。濁度主要表征了支撐劑表面光潔度,體現其表面所沾微粒的多少與大小。按照規定,壓裂用石英砂的濁度應不高于100FTU。
4..抗破碎能力
對一定量的石英砂支撐劑,在額定壓力下進行承壓測試所確定的破碎率,表征了支撐劑抗破碎能力。影響破碎率的主要因素是石英砂支撐劑圓度、球度、表面光潔度、顯微結構等。
石英砂支撐劑的破碎率影響著裂縫導流能力。天然石英砂支撐劑的抗破碎能力測試應使用規定尺寸范圍的破碎室,見下圖。
其適用的粒徑規格、規定閉合壓力與破碎率指標見表2。
表2 抗破碎測試壓力及指標
粒徑規格(μm) | 閉合壓力(MPa) | 破碎室壓力(KN) | 破碎率(%) |
1180-850(16/20目) | 21 | 42 | ≤14.0 |
850-425(20/40目) | 28 | 57 | ≤14.0 |
600-300(30/50目) | 35 | 71 | ≤10.0 |
425-250(40/60目) | 35 | 71 | ≤8.0 |
425/212(40/70目) | |||
212-106(70/140目) |
5.體積密度與視密度
石英砂支撐劑的體積密度為單位堆積體積的支撐劑質量(單位g/cm3)反映支撐劑堆積體的整體密度。影響體積密度的主要因素為樣品視密度、圓度、球度、表面光潔度等等。支撐劑的視密度為單位顆粒體積的支撐劑質量(單位g/cm3)。其與體積密度的區別為,計算視密度時的體積不包括顆粒之間的空隙體積。影響支撐劑視密度的主要因素為樣品物相成分、結構與氣孔率。對于不同密度的壓裂支撐劑,采用的測試指標不同。
總結來講,對壓裂用石英砂,有如下要求:粒徑均勻,密度小;強度大,破碎率??;圓度和球度高;雜質含量少;來源廣,價廉。
結語
久在石英砂行業的人都曾記得,在2012年前由于板材砂價格的一路高漲,帶動著大大小小的石英礦價格也一路走高。乃至于,個別的省份地區出現了只要投資板材石英砂,就一定賺錢的現象。于是,懂行的不懂行的,大家一窩蜂的涌入,都殺進了這個本就競爭激烈的行業,造成石英砂行業開始進入了一種無序混亂的發展狀態。
如今,這種混亂且無序的時代將一去不復返了。在環保風暴和價格戰雙重夾擊下,國內石英砂行業更新迭代迅速進行,局面的快速洗牌淘汰了一大批跟不上的企業。在今后數年內,石英砂行業的發展將出現兩極分化,一方面是高純石英砂的高端市場,另一方面是低純石英砂的貨多走量。