基于油基钻屑制备压裂支撑剂的室内研究.pdf

1958西南石油大学学报（自然科学版）2024 年 2 月 第 46 卷 第 1 期Journal of Southwest Petroleum University（Science&Technology Edition）Vol.46 No.1 Feb.2024DOI：10.11885/j.issn.1674 5086.2022.04.14.03文章编号：1674 5086（2024）01 0076 13中图分类号：TE256；X741文献标志码：A基于油基钻屑制备压裂支撑剂的室内研究白 杨1*，常 爽2，刘宇程2，柳新国3，罗平亚11.油气藏地质及开发工程全国重点实验室 西南石油大学，四川 成都 6105002.西南石油大学化学化工学院，四川 成都 6105003.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 610500摘要：针对热解析后脱油钻屑处理难和处理方式单一的问题，开展了将油基钻屑残渣制备成免烧压裂支撑剂的研究，研究了钻屑与水泥比、CMC 添加量、石膏添加量和养护天数共 4 个因素对免烧压裂支撑剂性能影响。结果表明，在原料配比较优的情况下，制备工艺为钻屑水泥比 0.67（质量比），石膏添加量为 6%（质量分数），CMC 添加量为4%（质量分数），养护时间 28 d。该条件下制得的压裂支撑剂颗粒体积密度为 1.47 g/cm3，视密度为 2.52 g/cm3，35 MPa下颗粒破碎率为 1.57%。经扫描电子显微镜与 X 射线衍射仪分析发现，此时压裂支撑剂内部结构致密，孔隙封闭，水化产物 CaOSiO2nH2O 凝胶和钙长石类物质有利于提高压裂支撑剂的综合物理性能。为脱油钻屑残渣利用提供新的方向。关键词：免烧支撑剂；水力压裂；油基钻屑；水化硬化；资源化利用Performance Study on the Preparation of Fracturing Proppants Basedon Oil-based Drilling ChipsBAI Yang1*,CHANG Shuang2,LIU Yucheng2,LIU Xinguo3,LUO Pingya11.National Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China2.College of Chemistry and Chemical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China3.Petroleum Engineering School,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,ChinaAbstract:In view of the difficulty in treating deoiled drilling cuttings after thermal analysis and lack of treatment methodchoices,the research on preparing non-burn fracturing proppant from oil-based drilling cuttings residue was carried out.Theresearch explored the effects of drilling cuttings/cement ratio,CMC addition,gypsum addition and curing days on the perfor-manceofnon-burnfracturingproppant.Theresultsshowthatundertheconditionofexcellentrawmaterialratio,thepreparationprocess is as follows:the drilling cuttings/cement ratio is 0.67(mass ratio),the gypsum content is 6%(mass fraction),the CMCcontent is 4%(mass fraction),and the curing time is 28 days.The volume density of fracturing proppant particles preparedunder this condition is 1.47 g/cm3,the apparent density is 2.52 g/cm3,and the particle crushing rate under 35 MPa is 1.57%.Through the analysis of scanning electron microscope and X-ray diffraction,it is found that at this time,the internal structureof the fracturing proppant is compact,the pores are closed,and the hydration products CSH gel and anorthite are conduciveto improving the comprehensive physical properties of the fracturing proppant.It provides a new direction for the utilization ofdeoiled drilling cuttings residue.Keywords:non-burn free proppant;hydraulic fracturing;oil-based drill cuttings;hydration hardening;resource utilization网络出版地址：http：/ 杨，常 爽，刘宇程，等.基于油基钻屑制备压裂支撑剂的室内研究J.西南石油大学学报（自然科学版），2024，46（1）：76 88.BAI Yang,CHANG Shuang,LIU Yucheng,et al.Performance Study on the Preparation of Fracturing Proppants Based on Oil-based Drilling ChipsJ.Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition),2024,46(1):7688.*收稿日期：2022 04 14网络出版时间：2024 01 18通信作者：白 杨，E-mail：基金项目：国家重点研发计划（2019YFA0708303）；四川省科技计划（2020JDJQ0057，2020JDTD0018）；中国石油 西南石油大学创新联合体科技合作项目（2020CX040102，2020CX040201）第 1 期白 杨，等：基于油基钻屑制备压裂支撑剂的室内研究77引言目前，能源分为常规能源和非常规能源，其中，非常规能源闭合压力大、渗透率低。为了解决该问题，水力压裂技术应运而生，该技术可使油气井增产、稳产，且能够延长油气井服务年限1 4。压裂支撑剂作为填充物是水力压裂技术的关键之一，支撑剂能够提高裂缝导流能力，减少回流5 7。传统的压裂支撑剂有天然支撑剂（石英砂）和人造支撑剂（陶粒支撑剂、覆膜支撑剂）两大类8。随着天然矿物的储量不断减少，原材料的价格不断攀升，导致人造支撑剂的成本不断增加9 12。因此，近年来采用固体废物制备压裂支撑剂的方案得到了广大学者的关注和研究。对于油基钻屑残渣的资源化利用，许多科研机构对其进行了研究探索。例如，有使用钻屑残渣制备免烧砌块13 14和作为混凝土掺合料，该方法实现了部分油基钻屑残渣的再利用，但其缺点是使用残渣量有限，利用率不高，远不能解决油基钻屑处理后残渣资源化问题。也有使用钻屑残渣烧结陶粒支撑剂15 16，该方法需要大量的优质铝矾土，而近些年中国优质铝矾土储量迅速下降，其价格持续走高，故支撑剂的原材料成本不断升高，且在烧结过程中需要耗费大量能源，故制作成本也高。还有用于制备免烧支撑剂17，该方法仍处于实验研究阶段，需使用特制固化剂，推广性不高。本文以热解析后的油基钻屑（简称钻屑）为主要原料制备免烧压裂支撑剂，研究了钻屑与水泥之间的配比、黏结剂羧甲基纤维素（Carboxy Methyl Cellu-lose，CMC）添加量、碱性激发剂石膏添加量、养护天数对压裂支撑剂体积密度、视密度和破碎率的影响，获得了最佳原辅料配比和工艺制备参数。通过 SEM分析固化过程中压裂支撑剂内部微观结构的变化，同时，借助 XRD 对支撑剂物相组成变化进行表征，研究由生料到压裂支撑剂产品的反应机理。1 实验1.1 原料钻屑来自某西南油田，含油率 0.8%；固化剂选用 52.5R 波兰特水泥；黏结剂选用羧甲基纤维素，以增强压裂支撑剂内部黏结；碱性激发剂选用石膏，且作为水泥缓凝剂。钻屑的主要化学组成如表 1 所示，由表 1 可知，钻屑的主要成分为 SiO2、CaO 和硫化物。表 1钻屑的主要成分Tab.1The main components of drill cuttings化学成分质量分数/%SiO230.673Al2O36.582硫化物16.178CaO29.640Fe2O33.771K2O1.313BaO5.361MgO2.3971.2 实验设备与仪器1）振动筛，DH 300T；2）电热鼓风干燥箱，DHG 9013A；3）行星式球磨机，QM 3SP04；4）圆锅造粒机，BY 400；5）恒温恒湿养护箱，YH 40B；6）X 射线衍射仪，Smart Lab；7）扫描电子显微镜，ZEISS Gemini 300。1.3 压裂支撑剂制备基于钻屑制备免烧压裂支撑剂的制备流程如图 1 所示。首先，将钻屑经球磨机球磨 2 h、过300 目标准筛，放入鼓风干燥箱中 100C干燥 2 h；将石膏、水泥和 CMC 等干料混合 3 h 直至均匀；然后，将配制好的物料置于圆锅造粒机中开始造粒，运行过程中加入 5%15%的雾化水，制成直径为0.4250.850 mm 的颗粒状压裂支撑剂初坯。制备好的压裂支撑剂初坯在室温下静置 1248 h，放入恒温恒湿养护箱 (202）C、湿度 98%2%养护735 d，得到压裂支撑剂成品，再次进行筛分，得到2040 目的支撑剂成品，最后进行性能检测。成品如图 2 所示。!#$%&()*+,-./01234567图 1免烧压裂支撑剂的制备流程Fig.1Preparation process of drill chip-based non-burnfracturing proppant本方法首次引入 CMC 和石膏两种外添加剂，制备出满足行业标准的低密度免烧支撑剂，该方法78西南石油大学学报（自然科学版）2024 年能够消耗大量钻屑且高比例替代传统压裂支撑剂的天然原料，具有生产成本低、能耗低等优点。图 2钻屑基免烧压裂支撑剂Fig.2Chip-based non-burn fracturing proppant1.4 性能测试与表征方法根据 SY/T 51082014 水力压裂和砾石充填作业用支撑剂性能测试方法18，制定了免烧压裂支撑剂抗破碎率的检测方案，由于制备产品主要用于浅地层压裂技术中，故样品承受的闭合压力选定为 35 MPa。以破碎率、体积密度和视密度 3 项为考核指标。利用 XRD 对压裂支撑剂内部物相组成进行表征，借助 SEM 对支撑剂的微观结构进行分析。探究了 4 个单因素对压裂支撑剂性能的影响。2 结果与讨论2.1 钻屑水泥比对压裂支撑剂的影响2.1.1 钻屑水泥比对压裂支撑剂性能的影响图 3 为不同钻屑水泥比条件下制备的压裂支撑剂的破碎率。可以看出，压裂支撑剂的破碎率在钻屑水泥比为 0.67（质量比，下同）时开始上升。分析实验结果发现，原物料中水泥含量对破碎率影响很大。这是由于没有足够的水化硬化产物19 20，导致破碎率迅速上升。01.53.04.55101520253035!#$%&(/%图 3不同钻屑水泥比条件下制备的压裂支撑剂的破碎率Fig.3Crushing rate of fracturing proppant prepared under differentcuttings/cement ratio conditions图 4 为在相同的养护时间，不同钻屑水泥比条件下制备的压裂支撑剂的体积密度和视密度变化。由图 4 可知，增加油基钻屑的添加量，会导致支撑剂的体积密度和视密度下降。这是由于在低钻屑水泥比中，水泥含量充分，在养护过程中，水硬化产物产生较多，导致物料体积膨胀，视密度和体积密度变大。一般情况下，体积密度在 1.451.65 g/cm3视为低密度支撑剂，因此，从成本和固废利用率的综合角度上考虑，最终选择钻屑水泥比为 0.67.01.02.03.04.01.42.02.63.2&()*!/(g cm-3)!#$%#$图 4不同钻屑水泥比条件下制备的压裂支撑剂的体积密度和视密度Fig.4Bulk density and apparent density of fracturing proppantprepared under different cuttings/cement ratio conditions2.1.2 不同钻屑水泥比对压裂支撑剂的 XRD 分析以钻屑水泥比分别为 0.25、0.67、1.50 和 4.00 共4 组实验为例，不同钻屑水泥比压裂支撑剂的 XRD图如图 5 所示。10203040506070802/()“QQQ“00.250.671.504.00AFtQ!#-C S H“$%#Ca OH()2&#图 5不同钻屑水泥比压裂支撑剂的 XRD 图Fig.5XRD diagram of different cuttings/cement specificfracturing proppants由图 5 可以看出，随着钻屑水泥比的增加，凝胶产物 CaOSiO2nH2O（简写为 CSH）晶体的衍射峰峰强先升高后降低，宏观表现为破碎率先降低升高。钻屑水泥比为 0.67 时，Ca（OH）2晶体（简写为 CH）的衍射峰峰强低，CSH 和钙长石Ca（Al2Si2O8）衍射峰峰强最高，此时水化硬化反应充分，宏观表现为破碎率最低。钙长石、CSH和 CH 的晶体生成过程见式（1）及式（2）第 1 期白 杨，等：基于油基钻屑制备压裂支撑剂的室内研究793CaO SiO2+nH2O=（3 x）Ca(OH)2+xCaO SiO2 yH2O(1)xCa(OH)2+SiO2+(n 1)H2O xCaO SiO2 nH2O(2)CSH 凝胶和钙长石是免烧压裂支撑剂强度的主要来源，提高两者的占比有利于提高此配比下的免烧压裂支撑剂性能。随着水泥量的不断减少，钙长石的衍射峰更加宽泛，CSH 类凝胶峰强度变低，说明原料中参与水化反应的水泥量减少，致使固化过程中无法产生足够的水化硬化产物21，支撑剂强度降低。这与图 3 的性能变化趋势相吻合。2.1.3 不同钻屑水泥比压裂支撑剂的 SEM 分析图 6 为钻屑水泥比分别为 0.25、0.67、1.50 和4.00时压裂支撑剂的SEM图。由图6可以看出，当钻屑水泥比为 0.67 时，压裂支撑剂内部存在纤维状和絮状物质，结合 XRD，确定絮状物质为 CSH凝胶，其构成压裂支撑剂颗粒之间的底层骨架，促进物料结合密实。针状物质为钙矾石，提供强度支撑。絮状物质和针状物质共同提高了材料的力学性能，降低破碎率。随着钻屑水泥比的增大，CSH 凝胶和钙矾石减少，导致内部孔隙率增大，体积密度下降，破碎率增大。当钻屑水泥比 4.00时最为明显。由于没有足够的水泥提供活性物质和碱性环境，导致内部空隙很大，表面有较多颗粒物。结合 XRD 分析，表面存在的细小颗粒物可能是酸性氧化物二氧化硅，适量该物质会影响酸度比率22，可以增加支撑剂的强度；但过量的钻屑，会使活性二氧化硅暴露在物相表面而没有完全反应，导致破碎率较高。a 0.25 5,000b000,0.25 10c0000,0.25 2d000,0.67 5e 0.000,67 10f 0.0000,67 2g0000,1.55h0000,1.510i00000,1.5280西南石油大学学报（自然科学版）2024 年j.00000,45k.00000,410l.000000,42图 6不同钻屑水泥比压裂支撑剂的 SEM 照片Fig.6SEM photo of different cuttings/cement ratio fracturing proppants2.2 CMC 对压裂支撑剂的影响2.2.1 CMC 添加量对压裂支撑剂性能的影响图 7 为钻屑水泥比 0.67 时，CMC 添加量对压裂支撑剂破碎率的影响。从图 7 可知，随 CMC 添加量增加，颗粒破碎率先降低后升高，CMC 添加量为4%（质量分数，下同）时破碎率最低为 5.32%。破碎率先降低是因为 CMC 作为一种可以完全溶解的多聚体，可使细颗粒团聚成团，增加颗粒间反应效率，使强度增加，破碎率降低。而过量的 CMC 导致破碎率升高，且实际操作时，会造成成型的压裂支撑剂继续增大，形成了陶粒，使压裂支撑剂的生产量减少。01234565.06.07.08.09.0CMC!#/%$%&/%图 7不同 CMC 添加量对压裂支撑剂破碎率的影响Fig.7Effect of CMC additions on the crushing rate offracturing proppant图 8 为 CMC 添加量对压裂支撑剂体积密度和视密度的影响。01234561.62.02.42.83.2CMC&(/%!#$%#$1.2!/(g cm-3)图 8CMC 添加量对压裂支撑剂体积密度和视密度的影响Fig.8Effect of CMC additions on fracturing proppant bulk densityand apparent density由图 8 可知，压裂支撑剂的体积密度和视密度分别在 1.631.56 g/cm3和 2.993.12 g/cm3，说明CMC 对压裂支撑剂的体积密度和视密度影响不大。分析可知，选择 CMC 添加量为 4%时，效果最好，经济性最高。2.2.2 不同 CMC 添加量压裂支撑剂的 XRD 分析图 9 为 CMC 添加量分别为 0、2%、4%和 6%时压裂支撑剂的 XRD 图。从图 9 可得，CMC 对物相组成无影响，这是由于 CMC 添加量较少时，作用仅有吸附团聚和物理粘连两种。CMC 添加量为 6%时，较强的 CSH 衍射峰出现在 XRD 图中，且破碎率也出现上涨现象。Lu 等23的研究也出现类似情况，即 CSH 凝胶从压裂支撑剂内部孔隙中析出，孔隙尺寸随之变大，导致压裂支撑剂强度降低24，对材料力学性能产生反作用，破碎率增加。AFtQ!#-C S H“$%#Ca OH()2%4%6%“QQ“10203040506070802/()0图 9不同 CMC 添加量压裂支撑剂的 XRD 图Fig.9XRD diagram of different CMC additions fracturing proppants2.2.3 不同 CMC 添加量压裂支撑剂的 SEM 分析图 10 为 CMC 添加量分别为 0、2%、4%和 6%下压裂支撑剂的微观形貌。当未添加 CMC 时，压裂支撑剂内部结构散乱疏松。当 CMC 添加量为 2%时，出现少量片状晶体，这是因为原本溶解的物料在 CMC 的作用下再次形成晶体25，结构变紧。当CMC 添加量为 4%时，图 10i 中可以观察到大量堆第 1 期白 杨，等：基于油基钻屑制备压裂支撑剂的室内研究81叠的片状晶体，且此时压裂支撑剂内部结构紧密，晶体结晶度高，破碎率低。当 CMC 添加量为 6%时，内部出现明显许多密集孔洞。这是由于随着 CMC添加量逐渐增加，物料初始凝结速度很快，支撑剂内部组分快速团聚形成大团粒结构，致使压裂支撑剂整体强度降低，破碎率增加。a 0 5000,b 0 10000,c 0 20000,d 25000,%e 210000,%f 220000,%g 45000,%h 410000,%i 420000,%j 65000,%k 610000,%l 620000,%图 10不同 CMC 添加量压裂支撑剂的 SEM 照片Fig.10SEM photo of different CMC additions fracturing proppants2.3 石膏对压裂支撑剂的影响2.3.1 石膏的添加量对压裂支撑剂性能的影响图 11 为钻屑水泥比为 0.67 的前提下，不同石膏添加量对压裂支撑剂性能的影响。从图 11 可以看出，当添加剂石膏的添加量不断攀升，破碎率先降低后升高，当石膏添加量达到 6%（质量分数，下82西南石油大学学报（自然科学版）2024 年同）时，压裂支撑剂破碎率最低为 4.52%；破碎率先降低的原因是适度掺加石膏能延长钻屑与水泥之间的水化反应时间，使得内部活性组分充分反应，致强物质产量多，最终提高了压裂支撑剂的强度。然而，当石膏的添加量超过 6%之后，支撑剂的破碎率上升，分析表明，反应环境中大量的 OH可能是导致机械强度变弱的原因。0246810456789!#$%/%&(/%图 11石膏添加量对压裂支撑剂破碎率的影响Fig.11Effect of different gypsum additions on fracturing proppantcrushing rate图 12 为石膏添加量对压裂支撑剂体积密度和视密度的影响，由图 12 可知，体积密度和视密度逐渐下降，这是由于随着石膏添加量的不断增加，使得内部环境的碱度逐渐升高，导致气体物质生成而形成气泡，这些气泡会不断从免烧支撑剂内部结构逐渐析出，使得制备的支撑剂内部蓬松，所以支撑剂整体密度发生下降。另外，过量的石膏会使支撑剂在非常短的时间里，快速产生非常多的气体，这些气体所形成的气孔连贯在一起，导致支撑剂强度降低，表现为破碎率升高。所以分析可知，石膏作为激发剂来制备支撑剂，其添加量为 6%时效果较佳。02468101.42.02.63.2&()*/%!#$%#$!/(g cm-3)图 12不同石膏添加量对压裂支撑剂体积密度和视密度的影响Fig.12Effect of different amounts of gypsum addition on bulk densityand apparent density of fracturing proppant2.3.2 不同石膏添加量压裂支撑剂的 XRD 分析图 13 为石膏添加量分别为 2%、6%、8%和 10%时压裂支撑剂的 XRD 谱。由图 13 可知，随着石膏添加量不断增加，Ca（OH）2峰强不断走弱，方解石峰强度不断增加，这是由于石膏的缓凝作用，CH 碳化生成水化产物容易附着的方解石26，从而降低破碎率。当添加量达到为 6%时，钙长石所表现出来的衍射峰强度高，结晶度高，为支撑剂的强度提供了有利支撑，这与宏观表现破碎率低相吻合。当石膏添加量为 8%和 10%时，钙长石峰强度降低。这是由于盈余的石膏会降低系统的碱度，钙长石类物质在此环境下的产出受限27。2%6%8%10%“QQQ10203040506070802/()0AFtQ!#-C S H“$%#Ca OH()2&#图 13不同石膏添加量压裂支撑剂的 XRD 图Fig.13XRD diagram of different amounts of gypsum additionsfracturing proppant2.3.3 不同石膏添加量压裂支撑剂的 SEM 分析图 14 为石膏添加量分别为 2%、6%、8%和 10%时压裂支撑剂内部微观形态。由图 14 可知，随着石膏添加量的不断增加，免烧支撑剂内部表面逐渐稀松，孔洞逐渐增多，并逐渐出现较多较大间隙，这也意味着支撑剂整体强度不断下降。石膏添加量为2%时，压裂支撑剂内部结构致密，其块体上有少许微小孔洞，这和该加量下的物理性能相匹配。石膏添加量为 6%时，压裂支撑剂内部结构紧密，晶体形态浑然天成。文献28研究发现，石膏可以促进水泥熟料中 C3A 形成钙矾石，钙矾石能够贡献一定强度。因此，在石膏添加量达到 6%时压裂支撑剂破碎率降至最低。石膏添加量为 8%和 10%时，晶粒间存在较大间隙、孔洞和沟壑，此时支撑剂破碎率上升，这是因为大量钙矾石在支撑剂球体中产生，使之膨胀开裂，支撑剂的力学性能降低，这与宏观表现相吻合，破碎率升高。综合分析可得，石膏添加量为 6%最为适宜。第 1 期白 杨，等：基于油基钻屑制备压裂支撑剂的室内研究83a000,25%b000,210%c20000,2%d000,65%e000,610%f20000,6%g000,85%h000,810%i20000,8%j000,105%k000,1010%l20000,10%图 14不同石膏添加量压裂支撑剂的 SEM 照片Fig.14SEM photo of different plaster-added fracturing proppants2.4 养护时间对压裂支撑剂的影响2.4.1 养护时间对压裂支撑剂性能的影响图 15 为压裂支撑剂破碎率随养护时间的变化图。此时选取 0.67 的钻屑水泥比、6%的石膏和4%的 CMC 为基础配方。由图 15 可以看出，随着养护时间的增加，破碎率逐渐降低，当养护时间为 28 d 时，逐渐稳定，破碎率维持在 1.57%左右。压裂支撑剂强度的增加是因为随着养护时间的增加，支撑剂内部的水化反应充分，内部孔隙宽度变窄29 30。图 16 为不同养护时间对压裂支撑剂体积密度和视密度的影响，由图 16 可知，对于免烧压裂支撑84西南石油大学学报（自然科学版）2024 年剂而言，体积密度表现的是单个样品的整体体积收缩程度，影响因素可能是在发生水化反应时，有气体产生并在养护过程中排出，收缩体积，体积密度升高，另外，可能是钙矾石（AFt）生成，晶体体积膨胀，导致体积密度升高。当养护到 28 d 时，体积密度趋于稳定，故选用压裂支撑剂制备的最优养护时间在 28 d。01020304005101520253035!#$/d%&/%图 15不同养护时间对压裂支撑剂破碎率的影响Fig.15Effect of different curing times on the fracture rate offracturing proppant0102030401.41.61.82.02.22.42.6&()/d1.2!/(g cm-3)!#$%#$图 16不同养护时间对压裂支撑剂体积密度和视密度的影响Fig.16Effect of different curing times on the bulk density andapparent density of fracturing proppant2.4.2 不同养护时间压裂支撑剂的 XRD 分析图 17 为养护时间分别为 7、21、28 和 35 d 时压裂支撑剂的 XRD 图。由图 17 可知，在条件适宜的养护环境下，随着时间的变长，钙长石和 CSH 的衍射峰强度出现先增大后稳定的趋势，表明支撑剂的主要强度物质形成于养护期的前中期。钙矾石在养护早期（7 d）时结晶度较高，这是由于石膏与 C3A 反应生成细小的钙矾石晶体。在养护后期28 d 后钙矾石衍射峰变弱，表明水化初期经过一定时间的水化反应，AFt 转化成单硫酸盐型硫铝酸钙AFm29。28 与 35 d 的 XRD 图谱相似，说明养护时间达到一定期限，水化反应完全，性能趋于稳定，这与宏观性能变化结果相吻合。7d21d28d35d“QQQ“10203040506070802/()0AFtQ!#-C S H“$%#Ca OH()2&#图 17不同养护时间压裂支撑剂的 XRD 图Fig.17XRD diagram of fracturing proppants with differentcuring times2.4.3 不同养护时间压裂支撑剂的 SEM 分析图 18 为养护时间分别为 7、21、28 和 35 d 时压裂支撑剂内部微观形貌。从图 18 中可以看出，养护时间为 7 d 时，物料内部存在大而多的孔洞。当养护时间为 14 d 时，物相聚集成块，表面有较多絮状颗粒，结构变得紧密。根据 XRD 谱，判断其为钙长石类物质，贡献支撑剂的部分强度。当压裂支撑剂养护到 28 d 时，孔隙封闭，物相紧密结合，形成的压裂支撑剂强度高。养护 35 d 后的微观形貌与28 d 的相似，这与物理性能宏观表现一致。a 7d 5000,b 7d 10000,c 7d 20000,第 1 期白 杨，等：基于油基钻屑制备压裂支撑剂的室内研究85d 14d 5000,e 14d 10000,f 14d 20000,g 28d 5000,h 28d 10000,i 28d 20000,j 35d 5000,l 35d 20000,k 35d 10000,图 18不同养护时间压裂支撑剂的 SEM 照片Fig.18SEM photo of fracturing proppant with different curing times3 成本分析3.1 原材料成本本文将油基钻屑用于免烧支撑剂的制备，其主要原料有油基钻屑残渣、52.5R 波兰特水泥、CMC 和石膏。油基钻屑残渣属于固体废物，价格定为 0 元，其余各原料市场单价分别为 0.7、25.0 和4.9 元/kg。以生产 1 kg 免烧支撑剂为基准，各组分质量分别约为 350、550、40 和 60 g，则制备 1 kg 的免烧支撑剂消耗原材料为 1.66 元。3.2 能源消耗成本对于制备油基钻屑免烧支撑剂来说，主要是电能消耗，用于造粒阶段和水化养护阶段。实验室所用圆锅造粒机为小型造粒机，每小时可生产 0.5 kg陶粒生料，其功率为 250 W/h，每生产 1.0 kg 免烧支撑剂需要消耗电 0.5 kWh，以 0.52 元/（kWh）计算，生产 1.0 kg 的免烧支撑剂生料的电费消耗为0.26 元。免烧支撑剂的养护部分使用恒温恒湿养护箱，养护 28 d，消耗电 25 kWh 左右，预计可养护25 kg 的免烧支撑剂，则养护 1.0 kg 的免烧支撑剂消耗电费为 0.52 元。3.3 总结故生产 1.0 kg 的免烧支撑剂所需要的成本为2.18 元，与现有市面上的压裂支撑剂的对比见表 2，故免烧压裂支撑剂有良好的经济效应。表 21.0 kg 压裂支撑剂的价格对比Tab.2Price comparison of 1.0 kg fracturing proppant类型价格/元石英砂3.43烧结陶粒支撑剂8.28覆膜支撑剂21.61免烧支撑剂2.1886西南石油大学学报（自然科学版）2024 年4 结论1）以钻屑和水泥为原料制备的压裂支撑剂，在钻屑水泥比为 0.67 时，凝胶产物 CaOSiO2nH2O和钙长石等致强物质的结晶度最好，破碎率最低，可以达到 8.73%。此时，压裂支撑剂的体积密度为1.53 g/cm3，视密度为 3.12 g/cm3。油基钻屑残渣利用率可达到 40%，能够有效地实现固体废物再生资源化利用。2）只添加4%的CMC，可使破碎率降至5.32%。只添加 6%的石膏，可使破碎率降至 4.52%，体积密度降至 1.59 g/cm3，视密度降至 3.01 g/cm3。油基钻屑制备免烧支撑剂制备工艺简单、耗能低，符合中国支撑剂的发展方向。3）在配比较优的条件下，养护时间达到 28 d 以后，内部物相紧密结合，形成破碎率为 1.57%，体积密度为 1.47 g/cm3，视密度为 2.52 g/cm3的低密度压裂支撑剂，是一种较为理想的浅地层压裂材料，具有广阔的应用前景。参考文献1王浩.分支钻孔分段水力压裂技术研究及应用J.煤炭技术，2020，39（1）：138 140.doi：10.13301/ki.ct.-2020.01.040WANG Hao.Research and application of segmental hy-draulic fracturing technology for branch drill holeJ.CoalTechnology,2020,39(1):138140.doi:10.13301/ki.-ct.2020.01.0402庞贵艮.坚硬顶板水力压裂技术及效果检验J.煤炭工程，2021，53（3）：27 30.doi：10.11799/ce202103006PANG Guigen.Hard roof hydraulic fracturing and the ef-fect inspectionJ.Coal Engineering,2021,53(3):2730.doi:10.11799/ce2021030063牛进经.水力压裂技术在野川煤矿初次放顶中的应用J.煤炭技术，2022，41（1）：133 136.doi：10.-13301/ki.ct.2022.01.030NIU Jinjing.Application of hydraulic in first roof cavingof Yechuan coal mineJ.Coal Technology,2022,41(1):133136.doi:10.13301/ki.ct.2022.01.0304李喜员，孙朋，王玉杰，等.重复水力压裂技术在深井低透气性煤层中的应用J.中国矿业，2021，30（3）：161 166.LI Xiyuan,SUN Peng,WANG Yujie,et al.Application ofrepeated hydraulic fracturing technology in deep well lowpermeability coal seamJ.China Mining Magazine,2021,30(3):161166.5张潇，刘欣佳，田永东，等.水力压裂支撑剂铺置形态影响因素研究J.特种油气藏，2021，28（6）：113 120.doi：10.3969/j.issn.1006-6535.2021.06.015ZHANG Xiao,LIU Xinjia,TIAN Yongdong,et al.Studyon factors influencing the displacement pattern of hy-draulic fracturing proppantJ.Special Oil and Gas Reser-voirs,2021,28(6):113120.doi:10.3969/j.issn.1006-6535.2021.06.0156梁天成，才博，蒙传幼，等.水力压裂支撑剂性能对导流能力的影响J.断块油气田，2021，28（3）：403 407.doi：10.6056/dkyqt202103022LIANG Tiancheng,CAI Bo,MENG Chuanyou,et al.Theeffect of 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