随着世界油气开采工业的迅猛发展,开采难度正在逐步加大,油气井的高层度越来越深,低渗透型矿床越来越多,对高度度压裂支撑剂产品的需求量也逐步加大,其市场拥有广阔的发展空间。在石油领域,压裂是指采油或采气过程中,利用水力作用,使油气层形成裂缝的一种方法,又称水力压裂。
水力压裂指的是在高压情况下,将压裂液泵入油井中,导致井底产生高压,当该压力足以压裂岩层时,地层就会生成裂缝并向前扩展出一定空间。为了使裂缝保持张开,在岩层压裂后需在裂缝中随压裂液填入支撑剂。输送完支撑剂后,降低压裂液粘性并使之回流,这样导流率高的裂缝就产生了。目前国内外使用的石油压裂支撑剂一般分为三类:石英砂、陶粒支撑剂和覆膜支撑剂。近年来,油气价格的持续低迷,降本增效已成为页岩气开发的主旋律。北美除钻完井提速增效外,极大减少了陶粒用量,同时增加石英砂在压裂施工中所占比例,甚至不用陶粒,大幅降低了压裂材料的费用,实现了低油气价下的页岩气效益开发。
石英砂是一种分布广、硬度大的天然的稳定性矿物,其主要化学成分为二氧化硅(SiO2)。石英砂多为石英砂岩经过水力冲刷、风化剥蚀等作用形成的颗粒,因此主产于河滩、沙漠、沿海地带。我国石油支撑剂行业尚处于起步阶段,其压裂用石英砂主要产于甘肃兰州、湖北蒲圻、江西永修、湖南岳阳、山东荣城、吉林农安、福建福州、河北承德、新疆和丰等地。
石英砂中的主要矿物成分SiO2的含量高低与其粒度密切相关,通常粒度越大,SiO2含量越高。在中国,作为支撑用的石英砂中,SiO2含量通常在80%左右,并且砂中会含有少量长石、燧石及其它喷出岩及变质岩等岩屑。国外使用的优质石英砂中石英含量高达98%以上。但因为使用用途的不同,压裂石英砂其实并不怎么看重二氧化硅的含量。在石油行业,对好的压裂砂自有另一套评判的标准。所以,在石油行业,对好的压裂砂自有另一套评判的标准。
1.球度与圆度
球度很好理解,是指的是压裂支撑剂(即石英砂)接近球形的程度。
圆度为工件的横截面接近理论圆的程度。简单来讲圆度可以理解为“圆润度”,颗粒棱角越多越尖锐则圆度越差;反之棱角圆滑,圆度就好。
2.酸溶解度
酸溶解度是指在规定的酸溶液及反应条件下,一定质量的支撑剂被酸溶解的质量与总支撑剂质量的百分比。
耐酸性是压裂支撑剂的重要指标,有良好耐酸性的支撑剂可以在酸性岩层中工作更长时间,并保持良好的导流能力。各种粒径规格支撑剂允许的酸溶解度值见表1。值得注意的是,石英砂和陶粒支撑剂的酸溶解度指标相同。
表1 酸溶解度指标
支撑剂粒径规格(μm) | 酸溶解度的允许值(%) |
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.浊度
支撑剂的浊度为在规定体积的蒸馏水中加入一定质量的支撑剂,经摇动并放置一定时间后液体的浑浊程度,单位是福氏浊度单位(FTU)。浊度主要表征了支撑剂表面光洁度,体现其表面所沾微粒的多少与大小。按照规定,压裂用石英砂的浊度应不高于100FTU。
4..抗破碎能力
对一定量的石英砂支撑剂,在额定压力下进行承压测试所确定的破碎率,表征了支撑剂抗破碎能力。影响破碎率的主要因素是石英砂支撑剂圆度、球度、表面光洁度、显微结构等。
石英砂支撑剂的破碎率影响着裂缝导流能力。天然石英砂支撑剂的抗破碎能力测试应使用规定尺寸范围的破碎室,见下图。
其适用的粒径规格、规定闭合压力与破碎率指标见表2。
表2 抗破碎测试压力及指标
粒径规格(μm) | 闭合压力(MPa) | 破碎室压力(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.体积密度与视密度
石英砂支撑剂的体积密度为单位堆积体积的支撑剂质量(单位g/cm3)反映支撑剂堆积体的整体密度。影响体积密度的主要因素为样品视密度、圆度、球度、表面光洁度等等。支撑剂的视密度为单位颗粒体积的支撑剂质量(单位g/cm3)。其与体积密度的区别为,计算视密度时的体积不包括颗粒之间的空隙体积。影响支撑剂视密度的主要因素为样品物相成分、结构与气孔率。对于不同密度的压裂支撑剂,采用的测试指标不同。
总结来讲,对压裂用石英砂,有如下要求:粒径均匀,密度小;强度大,破碎率小;圆度和球度高;杂质含量少;来源广,价廉。
结语
久在石英砂行业的人都曾记得,在2012年前由于板材砂价格的一路高涨,带动着大大小小的石英矿价格也一路走高。乃至于,个别的省份地区出现了只要投资板材石英砂,就一定赚钱的现象。于是,懂行的不懂行的,大家一窝蜂的涌入,都杀进了这个本就竞争激烈的行业,造成石英砂行业开始进入了一种无序混乱的发展状态。
如今,这种混乱且无序的时代将一去不复返了。在环保风暴和价格战双重夹击下,国内石英砂行业更新迭代迅速进行,局面的快速洗牌淘汰了一大批跟不上的企业。在今后数年内,石英砂行业的发展将出现两极分化,一方面是高纯石英砂的高端市场,另一方面是低纯石英砂的货多走量。