一 引言
我国的石油开采也有着多年的历程，也积累了很多的经验，但是随着勘探开发工作的不断深入，我们的石油开采工作又面临着新形势，新问题。目前，我国的石油供需矛盾突出，油气资源开采效率还有待提升。近些年，压裂技术的突破，为我国石油工艺的发展起到了至关重要的作用，大幅度的提升了我国油气资源的开采效率，也进一步的拓宽了我国的勘探开采业务。在实际使用压裂技术进行增产的过程中，需要采用高压压裂技术将油层岩石的裂缝打开，这就需要采用一定材质的支撑剂将岩石裂缝打开，支撑剂随着压裂液一并注入并且能够起到让支撑剂无法闭合的目的，这就形成了油气资源的流通通道。由此可见，支撑剂在石油压裂开采的过程中起着十分重要的作用，对于压裂工艺的成败起着绝对性的作用。在具体的实施压裂的过程中，需要将压裂液注入到地层中，在地层高温高压的状况下，压裂液可以使得通道打开，让油气资源具备流通的条件。而且，压裂液的存在还能够对地层的酸度及抗压能力进行调节，确保地层的流通通道顺畅。目前，国外针对支撑剂的研究起步较早，也取得了十分显著的成就。其中，研究成果比较显著的是以美国Carbo公司为代表的所研发的支撑剂，其支撑压力最大能够达到14000 psi，并且采用该支撑剂在现场实践操作可以发现，该支撑剂在中低渗透率的地层应用效果显著。但是，由于我国地层特殊，有些支撑剂在我国还不能很好的发挥出效果。所以，我们要结合我国独特的地质特征，进一步的加大研发力度，找到一套适合我国地层的压裂体系，最大程度的将油气资源开采出来。
二 支撑剂的定义及分类
支撑剂是一种具备一定强度和圆球度的通过天然砂或者人造高强陶瓷组成的固体颗粒。在压裂过程中使用支撑剂的作用就是在储层被压裂出一定数量的裂缝后，在携砂液的输送下将支撑剂输送到有裂缝的地层，使得裂缝不会闭合，这就使得油气资源的运移更加方便，从而提升了油气资源的产量。支撑剂在压裂过程中是一种必不可少的物质，支撑剂的自身特性都都对填砂裂缝的导流能力和有效支撑面积有着很大的影响，所以在不同的地质特征中还需要对支撑剂进行优选。根据生产原料的不同，压裂过程中的支撑剂主要分为3大类：陶粒支撑剂、天然石英砂以及树脂覆膜支撑剂。陶粒支撑剂是如今应用比较普遍的一种压裂支撑剂，在上世纪80年代就已经开始研究，如今已经比较成熟。石英砂压裂支撑剂是最早使用的支撑剂，主要是通过采用天然矿物经过破碎筛选等物理加工而成，树脂覆膜支撑剂是基于石英砂支撑剂升级而成，升级后的支撑剂抗压强度更高，但因为工艺更加复杂，使用成本很高而一直没有得到大规模的推广使用，目前还停留在理论实验阶段。近些年，随着石油领域的学者们不断深入的展开对支撑剂的研究，覆膜陶粒砂支撑剂逐步的进入到大众的视野。当然在不同的地层中，超低密压裂支撑剂、生物质压裂支撑剂、多功能压裂支撑剂等新型产品也对压裂施工发挥了极大的作用。接下来主要详细的介绍几种常用的支撑剂。
2.1陶粒支撑剂
陶粒支撑剂的发展主要是基于陶瓷工艺，再加入了一些铝矾土或其他铝矿物质等添加剂一起制备而成，常用的制备工艺主要是熔融喷吹法和烧结法。熔融喷吹法主要是在高温状态下对一些混合物料进行熔融，熔化后的液态物质在高压的状态下会被喷出形成球状制品，但是该技术的成本较高，对设备的要求也很高，一直也没有被广泛应用。目前应用比较成熟的还是烧结法，该方法主要是将提前准备好的物料进行研磨成粉状后进行造型，然后在一定的温度下熔融、晶化、致密最终形成可以使用的成品支撑剂。在制成支撑剂的过程中，根据支撑剂的体积密度和视密度的不同可以将支撑剂分为如下表1的几种类型：
表1 人造陶粒压裂支撑剂分类
通过现场实践经验表明：在压裂过程中采用陶粒支撑剂具有一些别于石英砂支撑剂所具备的明显的优点，比如该支撑剂抗压强度大、导流性能好以及耐腐蚀性强灯，在深井压裂施工过程中具有十分广泛的应用。目前，我国所采用的主要是中低档的陶粒支撑剂，主要通过增加支撑剂的密度来提升支撑剂的抗压强度，然后密度的增加就会导致在泵入支撑剂的过程中出现局部支撑剂堆积现象，从而出现支撑剂在压裂裂缝中分布不均的现象，继而对油气资源的产量造成影响。另一方面，为了确保支撑剂泵入成功，需要稠度很大的压裂液作为泵入物资。现在我们应用比较广泛的就是瓜胶，该物质在破胶后会产生残渣，这些物资一方面对地层造成伤害，而且支撑剂会被粘结导致导流能力的下降。目前，我们在陶粒支撑剂的研究方面还存在很大的挑战，还需要我们加大研发力度，研发出硬度更高、密度更低、耐腐蚀性更强的支撑剂。
2.2 石英砂支撑剂
石英砂作为支撑剂具有价格低、生产工艺简单等优势，但是随着开采难度的逐步加大，石英砂支撑剂也难以满足压裂施工需求。石英砂支撑剂主要是以天然矿物为主，在20MPa的压力下会出现破碎情况，一旦地层压力超过35MPa，石英砂会出现大量的破碎，从而导致压裂液的流动性会变差，加上石英砂的圆球度差存在一定的缺陷导致整体的支撑剂难以发挥出应有的效果，也就不能满足增产的需求。我国经过多年的研究，在石英砂支撑剂方面也取得了很多的成果，我国学者汪宏博等人针对支撑剂的导流能力展开了大量的研究，表明支撑剂的导流能力都会随着时间的推移发生明显的变化。学者史骏飞等人基于弹性力学的理论知识，成果的推导出了支撑剂导流能力的预测模型并且通过实践经验发现，在一定的闭合压力和铺砂浓度下，石英砂的导流能力明显低于陶粒砂和树脂砂。
2.3树脂覆膜支撑剂
树脂覆膜压裂支撑剂的核心材料是石英砂和陶粒外包裹着有机涂层进一步的提升支撑剂的球度和圆度。该支撑剂弥补了陶粒支撑剂和石英砂支撑剂的不足。裂缝导流能力及材料的耐腐蚀性有了极大的提升。由此可见，该种类型的支撑剂是如今最佳的选择。目前我们主要有可固化覆膜支撑剂和预固化覆膜支撑剂两大类。这两种支撑剂可以形成三维网状结构，对于支撑剂的吞吐现象有着一定的抑制作用。针对这方面的研究，我国多名学者也付出了很多的心血，也取得了一定的成果。学者段文君通过对未覆膜的石英砂支撑剂和可固化覆膜砂的支撑剂进行比较发现覆膜支撑剂导流性能较好而且对地层污染性较小。学者李祥及其团队成员采用聚氨酯树脂为覆膜剂且对石英砂进行了改性发现改性后的覆膜支撑剂的溶解度可以降低到2%左右，在70MPa的压力下的破碎率会降低到1.1%。学者杨哲等人进行了大量的树脂材料支撑剂密度测定实验、破碎实验以及导流能力实验，结果表明树脂材料支撑剂密度更小，耐破碎能力更强，导流能力与陶粒接近。
三、支撑剂的作用机理
当地层的填砂裂缝闭合压力增大的时候，支撑剂的存在也会嵌入到地层中，继而使得地层裂缝变小，导流能力降低。当地层的闭合压力和支撑剂的浓度值并不是很大时，对地层导流能力的伤害还不会完全体现出来，但是随着浓度的增加，伤害会越来越大。所以，在进行压裂施工前需要充分的研究支撑剂的嵌入机理，将嵌入比例、弹性变量等因素对裂缝宽度的影响考虑在内，然后结合数值模拟软件的分析，找到支撑剂浓度及弹性模量等因素对裂缝宽度和导流能力的影响规律，尽可能的避免出现支撑剂嵌入的情况或者将嵌入的影响降到最低。
3.1支撑剂填砂裂缝的导流能力模型
裂缝的导流能力值得是当裂缝闭合后，填充支撑剂后对储层流体通过能力的改变。通过多年的研究，我们常用的导流能力测定的方法主要有实验室模拟法以及不稳定试井测试法或者数值模拟法。贝克休斯公式进行了大量的实验模拟，将不同粒径的砂子和陶粒在不同浓度和闭合压力作用下的导流能力，总结出了一个用于计算裂缝导流能力的公式如下式（1）。通过计算结果表明陶粒在高闭合压力的作用下导流能力较好（1）式中：——裂缝导流能力，；C：裂缝单位面积的单层砂重，；Z：砂子层数；BHN:岩石布氏硬度;，见下表2。
3.2 支撑剂的输送模型
（1）单颗粒支撑剂沉降规律。
颗粒在静止液体中的重力：
颗粒匀速沉降的阻力：
颗粒匀速沉降速度：
式中 ：：颗粒直径，m；：分别为支撑剂与压裂液密度，g：重力加速度，；：阻力系数；：颗粒沉降速度，；K：稠度系数，；：砂子自由降落的剪切速率，；：流性系数。
（2）支撑剂在裂缝中的沉降规律。砂子在压裂裂缝中并不是以单一颗粒的形式存在，所有，单颗的砂粒会受到干扰沉降影响。计算公式为：。式中 ：干扰沉降速度，；：携砂液液体所占体积分数。
（3）影响颗粒沉降的因素。由于各颗粒间相互存在干扰，集体沉降的速度比单颗粒的沉降速度要低。主要有如下几个原因：首先是单颗粒向下沉降会引起周围流体的向上运动，对周围的颗粒流体产生了一定的阻尼运动；其次是颗粒沉降时，由于裂缝壁面出现不平整也会降低颗粒的沉降速度。
四 新型压裂支撑剂概述
4.1 超高强度支撑剂
众所周知，储层越深，闭合压力越大，随着开采工作的深入，我国开采的深度逐步的加深，在越来越高的闭合压力下，传统的支撑剂难以提供足够的导流能力。美国卡博公司研发出了一种超高强度高导流性支撑剂，该支撑剂孔隙度较低，强度较高，在140MPa的压力下破碎率较低仅不到2%。而且这种支撑剂球度和均匀度较好，从而可以提升支撑剂的渗透率。墨西哥海湾区域采用该支撑剂在温度高达260 ℃及压力超过 140 MPa的情况下取得了良好的应用效果。
4.2 智能膨胀支撑剂
智能膨胀支撑剂指的是由热固性形状记忆聚合物材料制成的一种支撑剂，这种支撑剂的形状记忆效应可以在一定温度下被激活，从而可以开启一些微小裂缝，提升地层的导流能力。而且，这种注入这种支撑剂不需要单独的泵压设备。路易斯安纳州立大学的多名学者通过室内模拟表明智能膨胀式支撑剂的强度及激活膨胀后所释放的应力对裂缝导流能力具有比较显著的影响。
4.3示踪支撑剂
示踪支撑剂的使用能够及时准确的掌握支撑剂的铺设情况以及裂缝扩展的情况，能够为压裂评价提供所需要的数据。李转红等学者通过大量的实验研究提出了一种能够有效评价储层改造效果的零污染示踪裂缝监测技术，该技术所采用的支撑剂为陶粒支撑剂，并且以氧化锑、铱为辅助标记元素，通过测量裂缝内支撑剂放射性强度可以确定裂缝尺寸形态。
五 支撑剂发展趋势
随着科技的不断发展，在未来的研究过程中，支撑剂的种类及应用前景将不断的扩大。我们要进一步优化支撑剂的使用性能，提升支撑剂的增产效果。在实际应用过程中，在确保了支撑剂的基本性能的基础上要进一步的研发出低密度高强度的支撑剂。并且随着国家对环保工作的大力倡导，我们还可以考虑用一些废弃物料来制作支撑剂，即达到了保护环境的目的，又能够降低支撑剂的成本，可谓一举多得。相信在广大的石油工作者的共同努力下，我国的石油开采工作必然更上一个台阶。
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