超轻支撑剂结构设计、制备及在清水压裂中的性能研究

The research and application of super light proppant is a hotspot in the research of the development of shale gas field, and which is also the key problem in the development of water fracturing technology...The project intends to adopt dynamic thermal plasma sintering technology to preparate new super light proppant with low density and high compressive, which has special structure of closed shell and internal porous and special composition of microcrystal. The project adopts the system combining experiment with theoretical design method, using the simulation software ProDesign mesoscopic mechanics and material microstructure AutoRVE numerical simulation software, to design the structure of the proppant, to research systematically the inner relationship between low density and compressive of the proppant and the structure and composition of the proppant, to reveal the reasonable balance between the low density and high compressive of the proppant, and to resolve the technological problem that the density of the proppant is high and compressive of the proppant is low. Meanwhile, the project explores the simulative study of settling and migration regularity of super light proppant in shale crack, which would instruct the real application in the clear water fracturing. ..The study has important research significance to explore the proppant preparation technology, reveal the relationship between internal structure and comprehensive performance of the new super light proppant, gain the sedimentation and migration rule of the super light proppant in shale simulation crack, and promote the technology development of clear water fracturing .

超轻支撑剂的研究与应用是页岩气开发领域研究的一大热点，也是今后页岩气清水压裂技术开发面临的关键问题。. 本项目拟采用热等离子动态烧结技术制备具有闭合壳层、内部多孔结构和微晶化特殊组分的超低密度、高强度新型超轻支撑剂。本项目采用系统实验与理论设计相结合的方法，利用仿真软件ProDesign与材料微观力学模拟软件AutoRVE，模拟设计支撑剂的结构，系统研究超轻支撑剂的密度、强度与结构和组分的内在关系，实现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；并开展超轻支撑剂在模拟页岩裂缝中沉降与运移规律研究，指导其在清水压裂中的应用。. 本项目研究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。

超轻支撑剂的研究与应用是页岩气开发领域研究的一大热点，也是今后页岩气清水压裂技术开发面临的关键问题。. 本项目设计了具有闭合壳层、内部分布均匀的均一闭气孔的超轻支撑剂，通过制备过程中支撑剂的结构变化揭示其致密壳层、内部分布较均匀的闭气孔形成机理。.本项目采用低品位铝矾土、微米二氧化硅为主原料，水玻璃、纳米二氧化硅、氧化锰作为辅料，使用等离子动态烧结+后期高温烧结法制备方法，成功制备出了真实密度为1.0~1.5g/cm3且承压52MPa的超轻支撑剂、真实密度为1.5~1.7g/cm3且承压69MPa的超轻支撑剂。. 当微米二氧化硅浓度为13.5wt%时，水玻璃的最佳浓度为6.2wt%时，纳米二氧化硅浓度为2.5wt%时，后期烧结温度为1200ºC时支撑剂的真实密度和52MPa下破碎率最低，导流能力和渗透率最好，可以满足一般油井的清水压裂要求；锰矿粉最佳掺杂量是7.5%，制备的超轻支撑剂的真实密度为1.639g/cm3，在69MPa下的破碎率为8.91%，可以满足中深油井的清水压裂要求。支撑剂在高温和长时间下硅溶解度可以表征超轻支撑剂的长期导流能力。超轻支撑剂硅含量在121ºC高温下45天后比较稳定，在145ºC高温下60天后比较稳定，在177ºC高温下80天后比较稳定。. 本项目组基于经典压裂模型——PKN模型展开超轻支撑剂在模拟裂缝中沉降与运移规律研究，无论滑溜水体系还是清水体系，相对于常规支撑剂，超轻支撑剂垂向沉降不明显，在水平方向上运移了更长的距离，分布空间也被拉长。. 本项目研究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。