探讨石油压裂陶粒支撑剂研究进展

2023-02-19

一、前言

为了使油气井产量有所增加, 并增加油气层的可渗性, 我们常在其勘探开采时加入一定分量的压裂支撑剂, 藉此来增加开采油气的利润。我们把位于距地面适度距离的岩层石块的缝隙里常处于分裂形态的支撑物体称为石油压裂支撑剂。它对于两侧的裂缝壁有着十分重大的意义, 即便泵注已经暂停, 油气井深处压力变的低于闭合压力, 石油压裂支撑剂仍可以使油气井口的缝隙时刻呈现分裂形态。而就目前来讲, 水利压裂技术已经得到长足的提高, 合成支撑剂的主要资源亦变为陶粒。此篇论文从以陶粒为原料的支撑剂发展历程角度入手, 从而进一步促进陶粒支撑剂日后的发展。

二、制作陶粒支撑剂的方法

在目前来讲, 应用面最大的支撑剂类型多是石英砂为材料的支撑剂与以陶粒为材料的支撑剂。石英砂支撑剂的优点是密实、便于输送、成本不高等, 而其也存在一定缺点, 如不牢固、不利于渗油、不利于保存、不光滑等, 因此以石英砂为原材料的支撑剂多在深度浅、油气层低、闭合压力低的压裂地区使用。与之相反的, 原材料为陶瓷的陶粒支撑剂则多见于深度大、不利渗透、温度高且闭合压力高的压裂地区。则适用于埋藏较深、渗透性较低、闭合压力较高及温度较高的水力压裂中。陶粒支撑剂有熔融喷吹和烧结两种制作方法, 它的形态多为球形颗粒状。

1. 熔融喷吹制备法

采取熔融喷吹的形式制作而成的陶粒支撑剂, 就是将铝矾土等和辅助材料熔于高温后又经强压力气体喷吹冷固而成的支撑剂。曾有他国石油研究学家采用以玄武岩为主料进行的支撑剂实验, 对玄武岩采取熔化、热处理和成珠的方法完成处理后, 它变成了具有辉石性的微晶硅酸盐珠体。与之不同的是在我国的探索道路中, 曾就某固体支撑剂及其制作方法进行探索, 研制出了一种专用于深度大的油气井中实现压裂技术的固体支撑剂。这种特殊固体支撑剂的原材料主要为铝矾土, 在此基础上少加或不加其他添加剂, 最终将其经过电弧炉的熔融喷吹作用, 最终形态为球状。这种特殊支撑剂有许多优势如疏密适中、抗高压低压、易于保存等。它的使用适宜于深度范围为3000到4500米之间的油气井工程。但有其利必有其弊, 熔融喷吹这一制作方法虽得到了小范围运用, 但其耗能高、不好控制的缺点致使其在目前时期尚未大范围使用。

2. 烧结制备法

烧结制备法就是为了造就优质的陶粒支撑剂而把陶瓷与传统的陶瓷制作技术糅合到一起的方法。其主要原材料为铝矾土。这种制作方法在我国发展时间较长, 高海利等许多石油学家就曾在攀枝花地区, 采取生料、高钦性炉渣、铝矾土等放入数量适当的材料进行辅助, 的方法研制。在完成复杂的细粉磨、成球操作及热处理等多道程序后研制出了一种高强度的石油压裂陶粒支撑剂。其样品在压力69MPa的前提下, 抗碎率为1.61%。由此可以看出, 烧结法是制作陶粒支撑剂的最佳方案。

三、工业废料对于陶粒支撑剂的意义

采取重复利用工业废料的方式来制作陶粒支撑剂, 一方面可以使工业废料得到再利用, 减少了资源的浪费, 降低成本。另一方面又能实现可持续发展, 减轻废料污染环境程度, 起到环保的效果。而在陶粒支撑剂制作过程里可重复使用的工业固体废物有氧化程度、二氧化硅含量都较高的赤泥、粉煤灰和陶瓷辊棒废料等。

1. 赤泥

铝土矿在变成氧化铝时所产生的固体废物就是赤泥。就日前国家曾发表的研究数据我们知道, 中国每年可产生的赤泥高达40万吨以上, 而其全部的利用程度低达15%左右。如此数量巨大的赤泥长期存积, 浪费大量建筑用地与农田用地, 并且赤泥中的氟化物和碱性物质高温溶解后会在一定程度上污染本地水源, 而其中的固体粉末又会在一定程度上污染空气, 这既不利于环境的可持续发展又会大幅度降低人类身体素质。我国石油研究学家尹国勋等人就以赤泥为主要原材料制成了新型的陶粒支撑剂, 即在赤泥里放入煤研石和粉煤灰等材料进行辅助, 又加入适量的添加剂制作而成。中国专利部门的以耐酸为目的所制成的将赤泥作为主要原材料的支撑剂是先将赤泥、含铝物质用球磨机球磨, 呈现粉末状形态后再添加含钡物质和增塑剂而制成半颗粒状成品, 最终将其在高温1200至1400摄氏度的前提下烧结所形成的。

2. 粉煤灰

发电厂里的煤粉经由高温燃烧产生的工业废渣就是粉煤灰。其化学成分多由二氧化硅、氧化钠、氧化钙、三氧化铝、三氧化二铁等集合形成。国际石油研究者娜仁图雅等人在制作以粉煤灰为主要原材料的陶粒支撑剂时, 在粉煤灰里添加了适宜数量的水、载土、成孔剂等材料进行辅助, 搅拌集合而制成的微小球体最终在高温条件下融化并形成粉煤灰型的陶粒支撑剂。我国研究者翟冠杰等人则在制作陶粒支撑剂时里放入足量粉煤灰烧结, 这种方法制出的陶粒支撑剂虽然耐火、防渗、稳定又不导热, 但它的支撑强度却很低, 不宜于石油工程压裂。

3. 陶瓷辊棒废料

陶瓷辊棒制作过程里产生的废弃物就是陶瓷辊棒废料。目前数据显示, 中国一年共会产生约8000到10000吨的陶瓷辊棒废料。而这些陶瓷辊棒废料中氧化铝的含量在高达60%。因此, 将陶瓷棍棒废料纳入压裂支撑剂制作原材料体系一方面可降低制作支撑剂的费用, 另一方面又能使生产的支撑剂质量更优, 可以大幅度增加石油压裂技术的社会效益与经济效益。

结语

经过很长时间的发展历程, 我国石油压裂技术得到了不断的完善, 而其完善也为中国油气开采和增产提供了必要条件。随着其在我国石油领域的大幅采用, 我国对支撑剂的需求大幅增加。市场的扩大使我们不但重视数量, 也开始关注其质量。就目前来说我国对陶粒支撑剂的需求相对更大一些, 这也是我国油气增产的必要保障。经探究得出, 我国陶粒支撑剂制作方法目前主要为烧结法, 原材料也多采取工业废料, 这不但能提高陶粒支撑剂的性能和质量, 同时降低支撑剂制作费用, 减少了工业废料对环境的污染。

摘要：近年来, 石油压裂陶粒支撑剂不断发展壮大, 并积极运用于石油产业, 这一现象一定程度上促进了石油水力压裂技术的正常发展, 并促进油气井产量的增加, 是石油产业发展的重要推动力。笔者对此曾亲自进行过工作实践, 在此基础上就石油压裂陶粒支撑剂的研究和发展历程, 石油压裂陶粒支撑剂中工业固体废料使用情况提出自己的见解, 期许能在一定程度上促进石油压裂陶粒支撑剂这一研究的发展。

关键词：石油压裂陶粒支撑剂,油气井,工业废料,研究