การแตกหักเป็นวิธีการสำคัญในการเพิ่มการผลิตน้ำมันและก๊าซ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการพัฒนาบ่อน้ำมันและก๊าซที่มีการซึมผ่านต่ำและลึกเป็นพิเศษ วัสดุค้ำยันการแตกหักเป็นผลิตภัณฑ์หลักของการผลิตการแตกหักของน้ำมันและก๊าซ ซึ่งเป็นวัสดุสำคัญในการรองรับการแตกหักเทียมในการแปลงสภาพแหล่งน้ำมันและก๊าซ และเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงอัตราความสำเร็จของการแตกหักและผลของการแปลงสภาพ
วัสดุค้ำยันเป็นทรายธรรมชาติหรืออนุภาคเซรามิกเทียมที่มีความแข็งแรงสูงซึ่งมีขนาดอนุภาค ความแข็งแรง ความเป็นทรงกลม และการไล่ระดับที่แน่นอน วัสดุค้ำยันที่ใช้ในอุตสาหกรรมมีอยู่ 3 ประเภทหลัก ได้แก่ ทรายควอทซ์ธรรมชาติ อนุภาคเซรามิกเทียม และวัสดุค้ำยันเคลือบ
ค้ำยันทรายควอทซ์
ส่วนประกอบหลักของทรายควอตซ์ธรรมชาติคือ SiO2 และยังมี Al2O3, Fe2O3, K2O, Na2O, CaO, MgO และส่วนประกอบอื่นๆ ในปริมาณเล็กน้อย ส่วนประกอบแร่ธาตุหลักของทรายควอตซ์คือควอตซ์ ซึ่งโดยปกติจะสูงกว่า 80% และทรายควอตซ์คุณภาพสูงสามารถมีมากกว่า 98.5%
- ทรายควอตซ์มีความแข็ง ทนทานต่อการสึกหรอ และมีความเสถียรทางเคมี ละลายได้ในกรดไฮโดรฟลูออริกเท่านั้นและไม่ละลายในกรดอื่น
- ทรายควอตซ์อุดมไปด้วยทรัพยากร ราคาถูก มีความหนาแน่นต่ำ (ประมาณ 2.65 กรัม•ซม-3) สูบได้ง่าย และยังคงมีสภาพนำไฟฟ้าที่ดีหลังการบด ซึ่งมีผลบางอย่างในการเพิ่มผลผลิตของน้ำมันและก๊าซในบ่อน้ำมันที่มีแรงดันปิดต่ำ
- วัสดุค้ำยันทรายควอตซ์มีต้นทุนต่ำ ใช้งานง่าย และมีพื้นผิวค่อนข้างเรียบหลังจากถูกล้างด้วยน้ำแม่น้ำ
ลักษณะพิเศษเหล่านี้ทำให้ทรายควอตซ์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะวัสดุค้ำยันสำหรับการแตกหักด้วยแรงดันน้ำ ขนาดอนุภาคของทรายควอตซ์ที่ใช้เป็นวัสดุค้ำยันสำหรับการแตกหักด้วยแรงดันน้ำโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 0.1 มม. ถึง 2 มม. ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าวัสดุค้ำยันสำหรับการแตกหักหรือทรายสำหรับการแตกหัก
- ทรายควอตซ์เปราะบางและมีความแข็งแรงต่ำ เมื่อแรงกดในการปิดรอยแตกร้าวสูง ก็จะแตกได้ง่าย ทำให้พื้นที่รองรับที่มีประสิทธิภาพของรอยแตกร้าวลดลงอย่างมาก และไม่สามารถบรรลุวัตถุประสงค์ในการเพิ่มน้ำมันและก๊าซได้
- ความหยาบของพื้นผิวของทรายควอตซ์ไม่ดีซึ่งไม่เอื้อต่อการเพิ่มการซึมผ่านของรอยแตกร้าว
- ทรายควอตซ์มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนสูง เมื่อบ่อน้ำลึกและมีอุณหภูมิสูง มีความเสี่ยงที่จะขยายตัวอย่างกะทันหัน
ข้อเสียเหล่านี้ทำให้ทรายควอตซ์ธรรมชาติไม่สามารถตอบสนองความต้องการในการแตกหักด้วยไฮดรอลิกในการพัฒนาแหล่งน้ำมันและก๊าซที่มีค่าการซึมผ่านต่ำในระดับลึกได้
เนื่องจากความแข็งแรงของสารค้ำยันทรายควอตซ์ไม่เพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการของบ่อน้ำมันและก๊าซที่มีแรงดันสูง นักวิจัยจึงได้ประดิษฐ์สารค้ำยันเซรัมไซต์เทียมขึ้นมา
มักทำวัสดุค้ำยันเซรามิกจากวัสดุแร่ เช่น บ็อกไซต์ เป็นวัตถุดิบหลัก เสริมด้วยแร่ธาตุต่างๆ และเผาในบรรยากาศที่ไม่มีแรงดัน โดยแบ่งตามความหนาแน่นรวมและความหนาแน่นที่ปรากฏหลังการเผา วัสดุค้ำยันเซรามิกสามารถแบ่งได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ ความหนาแน่นต่ำ ความหนาแน่นปานกลาง และความหนาแน่นสูง
เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุค้ำยันทรายควอทซ์ วัสดุค้ำยันเซรามิกจะมีลักษณะเป็นทรงกลมสูง พื้นผิวเรียบ ไหลลื่นดี มีความแข็งแรงในการอัดสูง และอัตราการบดต่ำ จากการปฏิบัติพบว่าการใช้วัสดุค้ำยันเซรามิกในการแตกร้าวบ่อน้ำมันสามารถเพิ่มผลผลิตได้ 30-50% และยืดอายุการใช้งานของบ่อน้ำมันและก๊าซ
อย่างไรก็ตาม วัสดุค้ำยันแบบเซรามิกมีข้อเสียดังต่อไปนี้:
(1) ความหนาแน่นของอนุภาคมีขนาดใหญ่และความเร็วในการตกตะกอนก็เร็ว ซึ่งทำให้มีข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับเงื่อนไขการสูบน้ำและประสิทธิภาพของของไหลแตกหัก และเพิ่มต้นทุนอีกด้วย
(2) ทรัพยากรบ็อกไซต์กระจัดกระจาย การแปรรูปและการขุดมีจำกัด และความต้องการวัตถุดิบมีความเข้มงวด และการใช้ทรัพยากรมีจำกัด
สารค้ำยันเคลือบ
สารค้ำยันเคลือบช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความต้านทานต่อกรดและด่างของสารค้ำยัน ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าสารค้ำยันเคลือบเรซิน โดยทั่วไปจะประกอบด้วยสองส่วน ส่วนในประกอบด้วยมวลรวมที่มีความแข็งแรงในระดับหนึ่ง และส่วนนอกเคลือบด้วยเรซินเพื่อทำหน้าที่เป็นสารเคลือบ
- วัสดุค้ำยันเคลือบเรซินมีคุณสมบัติความหนาแน่นต่ำและมีความแข็งแรงอัดสูง
- วัสดุค้ำยันเคลือบมีพื้นผิวเรียบ นำน้ำได้ดี และพกพาและขนย้ายได้ง่าย
- นอกจากจะใช้เป็นวัสดุค้ำยันการแตกหักแล้ว วัสดุค้ำยันที่เคลือบเรซินยังช่วยป้องกันการไหลย้อนกลับของวัสดุค้ำยัน การลอกผิว และการขัดผิวในระหว่างการไหลย้อนของของเหลวแตกหักได้อย่างมีประสิทธิภาพ
- อนุภาคของสารค้ำยันเคลือบเรซินแต่ละอนุภาคจะมีเปลือกเรซินที่สม่ำเสมอและแข็งแกร่ง และอนุภาคต่างๆ ยังยึดติดกันด้วยผลของพอลิเมอไรเซชันบางประการ ดังนั้นจึงมีเสถียรภาพในอุณหภูมิสูงและทนต่อการกัดกร่อนของกรดได้ดี
ข้อเสียของวัสดุค้ำยันเคลือบเรซิน ได้แก่ ต้นทุนสูง มีเสถียรภาพทางเคมีต่ำ การยึดติดง่ายภายใต้แรงกดในการปิดสูง และสภาพการนำไฟฟ้าลดลงอย่างมาก