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清水压裂用超轻支撑剂研究获得重大进展

作者: 时间:2020-02-27 点击数:

针对页岩油气清洁高效开发的需求,我院范俊梅博士在国家自然基金面上项目“超轻支撑剂结构设计、制备及在清水压裂中的性能研究”资助下,历经4年攻关,在清水压裂用超轻支撑剂的制备方面取得重大进展。

现阶段,页岩气开发中压裂用支撑剂通常为石英砂、陶瓷和覆膜支撑剂三类。上述支撑剂的真实密度普遍高于2.40g/cm3,其过高的密度使得其对压裂机械和配套设备要求更高,对压裂液的携砂能力与造缝能力要求更强、用液量更大,这直接造成了压裂成本的大幅增加;而且高密度支撑剂还带来了压裂施工中易沉降、易砂堵、网状裂缝难进入等诸多不足,影响了页岩储层压裂效果;再者,较高粘度压裂液的使用虽可保障上述高密度支撑剂在人造缝网中的有效运移,但压裂后却非常不利于压裂液返排和产能的建立,阻碍了页岩气井采收率的提高。因此,高强度、超轻支撑剂的研究成为页岩气开发领域的急切需求,也成为材料领域研究的热点和重要攻关方向。

图1压裂用支撑剂作用原理

针对上述需求,范俊梅研究团队通过数值模拟软件ProDesign和AutoRVE设计了具有内部多孔、外部壳层闭合和微晶化的微观特征的超轻支撑剂材料,遴选了低品位铝矾土和微硅粉为主料、硅酸钠和氧化锰等核心辅料的关键配方,创造性建立了热等离子动态烧结和后期高温烧结法技术实现了支撑剂低密度和高强度之间的合理平衡,解决目前低密度支撑剂密度高、强度较低的技术难题。研究结果表明,研究制备的超轻支撑剂真实密度为1.0~1.5 g/cm3、承压强度达52MPa,超轻支撑剂在177℃高温下和80天性能稳定,具有良好的长期导流能力。

(a)超轻支撑剂1

 

(b)超轻支撑剂2

   

(c)超轻支撑剂3

图2研制的不同规格超轻支撑剂

基于经典压裂模型PKN模型,室内开展了超轻支撑剂在模拟裂缝中沉降与运移规律研究,结果表明,无论滑溜水体系还是清水体系,相对于常规支撑剂,超轻支撑剂的随裂缝伸展后垂向沉降的趋势几乎不存在,这使得超轻支撑剂在水平方向上可以运移了更长的距离,分布空间也被拉长,这使得其可以有效保障压裂施工中远井筒地带支撑剂的数量,减少网状裂缝砂堵的风险,提高压裂时效和压裂效果;还可以满足清水压裂的施工要求,大幅降低压裂成本,利于压后产能提高,推动油气产能的充分动用,大幅提高整体的压裂效果。

 

(a)

(b)

(c)

(d)

图3不同支撑剂在裂缝中运移和分布图(x为长度,z为高度)

(a)常规支撑剂;(b)超轻支撑剂1;(c)超轻支撑剂2;(d)超轻支撑剂3

总之,该项目研究成果对于构筑新型超轻支撑剂的结构设计、建立超轻支撑剂的新型制备工艺、揭示超轻支撑剂内部结构与综合性能的关系、获得超轻支撑剂在页岩裂缝中运移规律、推动页岩气清水压裂技术的发展均具有重要研究意义。

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