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被世界各油气田广 水力压裂技术自 1947 年在美国试验成功至今， 慢慢的变成了一种成熟的开采工艺技术，
基金项目： 山西省科技公关项目（ 20091048 ） ）， 男， 硕士研究生． 主要是做陶粒支撑剂材料方面的研究． 作者简介： 周少鹏（ 1988mail： tianyming@ 163． com 通讯作者： 田玉明． E-
（ 1． 太原科技大学材料科学与工程学院， 太原 030024 ； 2． 阳泉中庸陶粒有限公司， 阳泉 045200 ）
随压裂液一起泵入到地层裂缝中起支撑裂缝 、 增大油气导 摘要： 压裂支撑剂是石油、 天然气工业水力压裂过程中， 流率的专用材料。陶粒压裂支撑剂与石英砂 、 树脂包砂相比具有破碎率低 、 耐腐蚀、 导流能力好且性能好价格低的特 点， 已经被慢慢的变多的油田所采用 。目前陶粒支撑剂生产的基本工艺已相当成熟， 在压裂作业中取得了良好的效果， 但也 存在密度偏高、 回流严重等问题。文章简要介绍了陶粒压裂支撑剂， 总结了目前陶粒压裂支撑剂存在的问题和最 近几年国内外陶粒压裂支撑剂的研究进展， 重点介绍了标记型、 核壳结构型及选择性支撑剂等几种新型陶粒压裂 支撑剂， 最后探讨了陶粒压裂支撑剂发展前途及方向 。 关键词： 陶粒支撑剂； 低密度； 回流； 页岩气 中图分类号： TQ174 文献标识码： A 1625 （ 2013 ） 06109706 文章编号： 1001-
［2 ］ 密度陶粒， 内部晶须状的莫来石晶粒能起到补强增韧的效果 ， 其具有相对密度较低和输送性能好的优点， 。 填补了低强度石英砂和高强度烧结陶粒之间的空白 我国陶粒支撑剂是从 80 年代开始发展的， 最早产品是
喷吹的铝矾土高强度支撑剂， 发展至今三十多年， 国内某些企业产品或科研院校成果已经赶上世界先进水 平， 某些产品性能甚至超过了世界领先水平 。 跟着社会对石油天然气的需求逐步的提升， 油气井深度逐年增 加， 如何在保持高强度的前提下降低陶粒支撑剂的密度和探索新型陶粒支撑剂慢慢的变成了无机材料或石油天 然气开采领域的研究热点之一。
MnO2 固溶于 Al2 O3 晶粒中， 促进 Al2 O3 晶粒生长， 过剩的 Fe2 O3 和 MnO2 存在于陶瓷晶界处并在高温煅烧时 形成液相促进致密化； 未掺杂的样品中存在大量连通气孔， 显气孔率为 14． 79% ， 掺入 5% 软锰矿后， 显气孔 5% 软锰矿掺杂样品的破 率降低至 5． 29% ， 样品内部多为均匀分布的近球形闭气孔 ； 在 52 MPa 压力条件下， 碎率与未掺杂样品相比减少 80． 95% ， 抗破碎能力明显提高。 在解决固体废弃物堆积对环境造成污染 ， 提高工业废渣利用率方面也取得了新的进展 。 中国专利 公开了一 种低密度陶粒制备方法， 该陶粒以铝矾土和煤矸石为内芯， 铝矾土和四氧化三锰为外壳， 成球后于 1350
3 1370 ħ 下煅烧 3 h 而成， 52 MPa 下破碎率为 5． 5% ， 体积密度为 1． 55 g / cm ， 具有低密度、 抗压强度较高的 ［12 ］ 特点并且烧结温度低， 节能 20% 左右； 中国专利 公开了一种以低铝矾土与棕刚玉粉尘废料为内芯 ， 以低 ［11 ］
铝矾土和棕刚玉收尘微粉、 棕刚玉尾料、 二氧化钛、 四氧化三锰为外壳制备的烧结陶粒 ， 该方法充分的利用了棕 3 ， 1． 68 g / cm ， 69 MPa 刚玉冶炼和磨料产生的高铝废料 制备的陶粒体积密度为 破碎率在 下为 5% ， 符合“低 密高强” 的要求。二者都是对工业废料进行了有效的利用 ， 变废为宝， 符合环保的理念。 国外研究从原料处理、 添加剂及生产的基本工艺等方面找到突破口， 制备的陶粒支撑剂在保持较高强度的同 时， 有效地降低了密度。有关研究人员认为高岭土中的氧化钾含量超过 0． 2wt% 时就会成为杂质， 氧化钾含 ［13 ］ 量越高， 陶粒破碎率就会越高， 然而 Brett 等 通过往高岭土中添加不同质量分数的氧化钾却得到了不同的 结果证明原料中含 0． 21wt% 3． 0wt% 的氧化钾不但不会成为杂质反而是一种高岭土的助熔剂 ， 在 结论， ［14 ］ 1450ħ 下烧结， 提高了莫来石相和玻璃相的含量并提高了致密度和抗压强度 ； 美国专利 公开了一种以煅 800 ħ 下煅烧 30 min 获得的高岭土含有 烧高岭土与高岭土生料混粉为原料制备低密度陶粒支撑剂的方法 ，
。在水力压裂总成本中， 不仅代表着油气井初期耗资 压裂支撑剂费用占整个作业费用的比例大，
的一大部分， 而且决定着油气井或油田的经济寿命 ； 水力压裂效果的成败， 有效期的长短主要根据支撑剂 的质量。目前支撑剂主要有三类： 陶粒， 石英砂和树脂包砂。石英砂强度低并且破裂后的碎屑会堵塞裂缝， 降低导流率， 不能够满足深井开采的要求； 各种树脂包砂解决了石英砂强度低的难题， 但生产所带来的成本高， 工艺复 杂； 烧结陶粒因强度高、 化学稳定性高、 优越的性价比已被慢慢的变多的油田广泛采用 ， 但密度偏高， 容易对压 裂设备造成损害。陶粒支撑剂的发展始于上世纪 70 年代， 美国研制出烧结铝矾土和熔炼氧化锆支撑剂并成 80 年代早期出现了莫来石与刚玉质中 功应用于市场， 由于其惊人的压裂效果促进了深井压裂的迅速发展，
焦宝石与锰粉为辅 高了 30． 1% ， 而体积密度降低了 12． 9% ， 适用于深井压裂； 赵俊等 以低铝矾土为主料， 3 52 MPa 下破碎率在 5% 左 料在 1320 ħ 下煅烧 4 h 制备了低密度陶粒支撑剂， 样品体积密度为 1． 65 g / cm ， 右； 马雪等 采用无压烧结技术制备了软锰矿掺杂的高强度氧化铝质压裂支撑剂 ， 实验结果证明掺入 5% 3 3 软锰矿后， 烧结样品中包括氧化铝、 莫来石和钛酸铝相； Fe 取代 Al 与组分中的 TiO2 反应并形成固溶体，
造粒后由回转窑烧结而成。按密度分为三 目前陶粒压裂支撑剂一般是以铝矾土为原料 ， 加以各种辅料， 种： 低密度、 中密度和高密度陶粒， 烧结后陶粒的密度是由所含 Al2 O3 的量决定的， 主要是由于所形成的晶相 不同所致， 低密度陶粒晶相为方石英和少量莫来石 ， 中密度陶粒晶相为莫来石和少量刚玉， 高密度陶粒晶相 为刚玉和少量莫来石。不同强度， 不同密度的陶粒适用于不同深度的油气井压裂作业 ， 密度越高适用的地层 。 越深 理想的陶粒支撑剂颗粒均匀， 球度、 圆度接近于 1 ， 有充足大的抗住压力的强度， 不同密度的支撑剂应能承受 69 MPa， 86 MPa， 102 MPa） ， 不同地层深度的压力（ 52 MPa， 在保证高强度的同时密度应该尽可能低， 以便降低 泵送的难度和减少陶粒对设备的磨损及压裂费用 ， 并且在地层高温下不能与压裂液及储层流体反应 ， 这样才 ［3 ］ 在压裂液中 能抵消裂缝的闭合应力， 使裂缝有充足大的导流能力 。 由于同等粒径的支撑剂密度越大， 的沉降速度越快， 就会对压裂液的性能（ 如粘度、 流变性等） 及泵送条件（ 如排量， 设备功率等 ） 提出更高的要 求， 并且会对泵、 设备管线以及管柱造成严重腐蚀。 低密度陶粒由于密度适中， 不易沉淀， 便于泵送， 降低了对压裂液粘度的要求， 减小了对泵的伤害， 有效 地降低了施工难度和成本， 所以研制低密度高强度陶粒支撑剂是十分必要的 ； 另外在压裂生产中， 都存在支 撑剂的回流现象， 不仅使人工裂缝被支撑的状况变差 ， 导流能力变弱， 也会对地面上的油嘴、 阀门和别的设备 ［4 ］ 如何避免支撑剂的回流或者确定返排支撑剂的来源以便有目的地采取相关补救措施也是目前 造成侵蚀 ， 研究的重点之一； 由于过快的工业化进程， 人类产生的固体废弃物慢慢的变多， 如何综合利用铝含量高的工业 ［5 ］ ， ， 既创造经济效益又保护环境 也是许多科研工作者的研究热点。 废渣生产高性能陶粒支撑剂 针对陶粒支撑剂密度偏大的难题 ， 国内研究已经取得了一些成果。中国专利 公布了一种利用低铝矾 土制备陶粒支撑剂的方法， 采用湿法球磨和喷雾造粒粉打散工艺 ， 添加少量碳酸钙、 滑石和钛精矿等辅料烧 MgO 及 TiO2 组成复合烧结助剂起到降低烧结温度 ， 结而成。辅料引入的 CaO、 促进烧结的作用。 其中 MgO
［7 ］ 能够维持烧结系统中的液相量， 稳定细晶显微结构， 而少量 TiO2 能有效改善材料的力学性能 。 此方法能 ［8 ］ 1 型低密度高强度 大大降低半成品的破损率， 陶粒具有密度适中， 破碎率低的特点； 接金利等 制备的 GSB3 60 MPa 下导流能力与国外 carboprop 产品相比提 密度适中， 陶粒支撑剂体积密度为 1． 70 g / cm ， 破碎率低， ［6 ］