壓裂支撐劑技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

壓裂支撐劑技術(shù)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用

1石油壓裂支撐劑的應(yīng)用石油壓裂支束是氣田開采過程中不可或缺的專用材料，尤其是低滲透氣田的開發(fā)。在油田壓裂過程中，將支撐劑混合到壓裂溶液中，用高壓手段向深層巖石裂縫中注入支撐巖石，提高導(dǎo)油率。常規(guī)使用的支撐劑,按使用要求不同,分為:高密度,中密度和低密度三種。三種材料的制備工藝及原料性質(zhì)要求也有所不同。其物理性能和化學(xué)性能差別更大。對于中深油氣井,要求支撐劑具有較高的強(qiáng)度和耐酸性,以承受巖層巨大的壓力和地層中的環(huán)境腐蝕,高密度高強(qiáng)度石油壓裂支撐劑是石油生產(chǎn)行業(yè)主要用于石油及天然氣深井(井深3500m以上)開采專用材料。我國石油工業(yè)的發(fā)展,石油、天然氣開采的難度正逐步加大,石油、天然氣井的深度越來越深,例如塔里木油田的深度達(dá)到了6500m,低滲透礦床也越來越多?？傊?隨著石油工業(yè)開采技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展,以及開采難度的不斷加大,對支撐劑的要求也越來越廣泛,不但要求高密度甚至超高密度,同時也大量使用中密度和低密度。本文歸納介紹幾種石油壓裂支撐劑(高密度、中密度、低密度)的使用原料及制備工藝和性能。2主產(chǎn)品2.1低破碎率油田高強(qiáng)度石油壓裂支撐劑具有耐高溫,耐高壓、耐腐蝕、高強(qiáng)度、高導(dǎo)流能力、低密度、低破碎率等特點,主要用于油田井下支撐,以增加石油天然氣的產(chǎn)量,屬環(huán)保產(chǎn)品。在砂?；蛱樟１砻嫱扛矘渲?能夠進(jìn)一步提高支撐劑的強(qiáng)度和導(dǎo)流性能。所用原料以鋁土礦為主,含Al2O3在65%~70%,對Fe的要求控制為6%~8%。2.2低密度壓裂支撐劑生產(chǎn)原料主要是利用鋁土礦。在機(jī)中密度壓力支撐劑使用于中等油井層,它同樣要求有耐壓,酸蝕、強(qiáng)度、導(dǎo)流、密度,低破碎率等性能但跟高密度相比較,因使用性能要求不同,對原料的要求也不同,如我省鶴慶鋁土礦,含Al2O3的化學(xué)成分在45%~55%之間,含F(xiàn)e較高,平均在10%~15%,開采后直接用來生產(chǎn)壓裂支撐劑,不但Al2O3的含量達(dá)不到要求,(生產(chǎn)中密度壓裂支撐劑原料要求,含Al2O365%~68%,含F(xiàn)e6%~8%)鐵的含量也達(dá)不到要求,因此在目前情況下,要滿足生產(chǎn)中低密度壓裂支撐劑生產(chǎn)原料要求,合理開發(fā)利用鋁土礦資源,就必需在選礦研究上多下功夫,杜絕用好丟次的做法。2.3壓裂支撐劑壓裂比設(shè)計低密度壓裂支撐劑是在石油天然氣開采過程中,由于地下巖層的低滲透壓和低導(dǎo)流能力,很多時侯需要借助水力壓裂技術(shù)使固體顆粒注入地下巖層,支撐起巖層裂縫,從而提高油氣的通過率,這些固體顆粒稱為壓裂支撐劑。在早期,人們都采用天然的石英砂或黑桃殼碎片作為壓裂支撐劑。隨著水力壓裂技術(shù)和材料技術(shù)的進(jìn)步,人造壓裂支撐劑燒結(jié)鋁礬土陶粒和樹脂包裹陶粒以其優(yōu)異的性能正日益廣泛地用于油氣井的壓裂。在油氣井的水力壓裂作業(yè)中,不僅要求支撐劑具有合適的強(qiáng)度,同時也要求支撐劑的密度要低、球度要圓,低密度的支撐劑更容易泵入地下、減少支撐劑用量,而高圓球度的支撐劑顆粒之間有較高的孔隙率,有利于提高油氣井的導(dǎo)流能力。為此,制作低密度支撐劑的原料多數(shù)為低品位的鋁土礦,石英砂、高嶺土、粘土、鉀長石等。3高密度壓裂支撐劑輔料是石油壓裂支撐劑制作時必不可少的添加劑,不同輔料的加入會得到性能各異的壓裂支撐劑,也就是說在生產(chǎn)過程中,除主要原料外,各種輔料的選擇也極為重要,它有時甚至能左右一種壓裂支撐劑能否獲得滿意性能的效果。目前各生產(chǎn)廠根據(jù)不同產(chǎn)品添加的輔料有以下幾種:如中國專利CN1844298公開的超強(qiáng)度陶粒支撐劑,其中就添加鋁釩土、高鐵鋁土礦、粘土、鉀長石、錳礦為輔料,使支撐劑的性能達(dá)到SY/T5108-1977要求,體積密度1.8g/cm3,視密度3.29g/cm3,抗破碎能力86MPa≤4.17%,69MPa≤2.07%,100MPa≤7.84%。中國專利CN101580706A公開的高密度超高強(qiáng)度壓裂支撐劑,添加氧化鈦,滑石、碳酸鋇、陶瓷粘土、氧化錳等。產(chǎn)品的性能指標(biāo)為:體積密度:1.9~1.98g/cm3;視密度:3.20~3.50g/cm3;86MPa閉合壓力下破碎率2.60%~3.90%,103MPa閉合壓力下破碎率4.60%~8.4%,耐酸性3.40%~5.20%,綜合性能優(yōu)異,可用于深油井的石油壓裂。中國專利CN101606113A公開的低密度燒結(jié)陶粒壓裂支撐劑,以天然石英為主要原料,添加膨潤土、高嶺土、粘土中的一種或幾種作為塑性劑,并加入適量的鎂砂、硼砂、作為燒結(jié)助劑,經(jīng)1100~1450℃高溫?zé)Y(jié),得到體積密度為1.4g/cm3、視密度為2.5g/cm3,圓球度約為0.9,濁度26FTU,28MPa壓力下破碎率為4%的壓裂支撐劑。我省鶴慶溢鑫公司生產(chǎn)的中密度壓裂支撐劑,主料采用本地鋁土礦,先用人工優(yōu)選,選出的鋁土礦含Al2O365%~68%左右。添加MnO22.5%~5%,MgO0.5%~1.0%,硼砂0.5%~1.0%,制粒后經(jīng)篩分進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯燒結(jié),控制窯頭溫度在1350~1380℃,得到體積密度為1.77g/cm3,視密度3.2g/cm3,閉合壓力69MPa下破碎率為5.06%的壓裂支撐劑。近年來,隨著油氣井的開采難度加大,不少科研院所及生產(chǎn)企業(yè)加大了對石油壓裂支撐劑新產(chǎn)品的開發(fā)和研制。對用來生產(chǎn)支撐劑的主料也根據(jù)產(chǎn)品的性能的要求,從鋁土礦,天然石英,硅藻土,增加到多種,如工業(yè)廢渣,赤泥,鋁灰,植物殼等。輔料的選擇更是種類繁多,按支撐劑的要求,為使其達(dá)到性能指標(biāo),在新材料的開發(fā)中不得不尋求更多更好的輔料添加劑,如:稀土(單一稀土、混合稀土),ZrO2、TiO2、BaCO3、MnO2、氫質(zhì)碳酸鈣、陶瓷粘土、氧化鎂等。不同的輔料加入對壓裂支撐劑的性能起到不同的效果,因此對不同新產(chǎn)品開發(fā)研究提供了很大方便。4生產(chǎn)工藝4.1粒—制作工藝流程石油壓裂支撐劑制作工藝流程主要分為三段:原料制備—制?！褵?原料制備包括破碎,加入輔料配料混合,磨料至-400目大于98%。再進(jìn)入制粒工段制粒,經(jīng)過制粒得到合格的生球坯料進(jìn)行煅燒。圖1為制作工藝流程圖:4.2制備概念的確定石油壓裂支撐劑生產(chǎn)制作工藝,跟其它冶金工藝相比,并不復(fù)雜,但煅燒前生坯料制作反而顯得相對困難,原料的粒度、水份、主要成分含量對制作半成品球粒都有直接影響,如果操作不細(xì)心,或是主料粒度達(dá)不到要求,制成的球粒一是不均勻,所需要的合格球不多;二是球的強(qiáng)度不夠,容易破碎;三是球的圓度不夠。三種因素直接影響產(chǎn)品的產(chǎn)量和成本,因此在整個制作工藝環(huán)節(jié)中,半成品球粒的制作尤為重要,得到的球粒質(zhì)量好,進(jìn)回轉(zhuǎn)窯煅燒后,獲得的產(chǎn)品質(zhì)量合格,成品率高。4.3溫度設(shè)置的依據(jù)煅燒是石油壓裂支撐劑生產(chǎn)制作工藝的最后一個環(huán)節(jié),也是最關(guān)鍵環(huán)節(jié),按煅燒工藝要求,煅燒溫度設(shè)置為低,中,高三個區(qū)域。低溫區(qū)為脫水干燥,溫度150℃~550℃,中溫區(qū)為燒結(jié),溫度550℃~1000℃,高溫區(qū)煅燒(相變)成品,溫度1000℃~1350℃,球粒在高溫區(qū)停留時間2~3h,得到的煅燒球粒經(jīng)分級篩分后,合格產(chǎn)品經(jīng)檢驗包裝出售。5psi系列及密度體系石油壓裂支撐劑,按抗破碎度分別為52MPa(7500Psi)、69MPa(1000Psi)、86MPa(12500Psi)和102MPa(15000Psi)四大系列。按體積密度分為:低密度,中密度,高密度。按粒度分為:12~20目、16~20目、16~30目、20~40目、30~50目、40~60目、40~70目、70~100目等。5.1壓裂支撐劑性能要求在石油或油氣開采過程中,油氣井在經(jīng)過壓裂后其增產(chǎn)效果及生產(chǎn)動態(tài)取決于裂縫的導(dǎo)流能力。以壓裂支撐劑的滲透率與裂縫寬的乘積來表示。因此,支撐劑的類型、物理性質(zhì)及其在裂縫中的分布是影響裂縫導(dǎo)流能力的重因素。對常用的壓裂支撐劑的性能要求如下:1)支撐劑要有足夠的抗壓強(qiáng)度和抗磨損能力,能耐受注入時的強(qiáng)大壓力和磨擦力,并有效地支撐人工裂縫。2)支撐劑要便于在混入漿液中容易泵入井下,顆粒相對密度要低。3)支撐劑的顆粒粒徑要符合不同油井的設(shè)計要求,一般為0.4~0.8mm。圓度大于0.9,且顆粒均勻,表面光滑,其濁度值應(yīng)小于100°,以獲得盡可能高的導(dǎo)流能力。4)支撐劑顆粒在溫度為200℃的條件下,與壓裂液及儲層流體不發(fā)生化學(xué)作用,酸溶解度最大允許值應(yīng)小于7%。5.2支撐劑品質(zhì)指標(biāo)石油壓裂支撐劑的技術(shù)指標(biāo)是按石油開采行業(yè)使用要求而定,目前生產(chǎn)企業(yè)所測試的指標(biāo)有:支撐劑的粒徑(mm),體積密度(g/cm3),視密度(g/cm3)在一定的閉合壓力下,支撐劑的破碎率,另外還有支撐劑的球度,濁度,酸溶解度等要求。表1和表2為幾種不同粒徑壓裂支撐劑的技術(shù)指標(biāo):6幾種石油壓裂支撐劑的原料及制作工藝石油壓裂支撐劑的原料及工藝是根據(jù)不同壓裂支撐劑的技術(shù)指標(biāo)要求,在生產(chǎn)中作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,以滿足支撐劑的性能指標(biāo)和用戶要求。如果用戶使用有特殊要求,則在主要原料及制備工藝上都要進(jìn)行篩選和研究。本文所介紹的幾種石油壓裂支撐劑的原料及制作工藝,有以下的共同點:1)主料都是鋁土礦,要求含Al2O3在50%~67%之間,根據(jù)支撐劑的物理化學(xué)性能要求,控制鋁土礦中的雜質(zhì)含量鐵,一般用于