一粒砂有多大？
0.105毫米，这是140目石英砂的直径。即使放在指尖上，也显得十分微小。但是，在川庆井下作业公司遍布川渝的页岩气压裂现场，砂粒将以万吨计在井场汇聚，通过压裂设备泵送至地层，在裂缝中撑起油气流通通道。
“砂”是行话，书面称呼是“支撑剂”。在川庆井下作业公司页岩气、致密气作业现场，“砂”包含了石英砂、陶粒、覆膜砂等多种类别。主要用于工厂化压裂储层改造，通过“砂”，可以使改造后的裂缝导流能力达到预定目标，实现地下裂缝长久支撑不闭合。
识砂：关于百分比的故事
“20%石英砂+80%陶粒”，这是北美地区页岩气开发规模化应用单段支撑剂的通用比例，也是川庆井下作业公司开展页岩气工厂化压裂初始阶段所采用的支撑剂比例。
自2014年，该公司研发中心压裂酸化工艺技术研究所所长袁灿明就和团队一道，负责工厂化压裂支撑剂比例的探索与优化。经过起步阶段的技术研究与现场经验总结，袁灿明团队对该支撑剂比例方案中不同“砂”的属性有了清晰的认知：陶粒，占比80%，主要用于主体裂缝的整体支撑；石英砂，占比20%，主要用于完成前期缝口打磨以及微细裂缝支撑。
经作业现场规模化推广应用，证明按该支撑剂比例施工，其导流能力基本满足川渝页岩气的储层改造的需求。但川渝地区与页岩气勘探开发的发源地北美地区相比，无论是地理、地质条件，还是原材料供给和运输便利程度，都大相径庭。固守“20%石英砂+80%陶粒”的“套路”，只会导致“砂”相关的入井材料成本居高不下。
“陶粒价格是石英砂的2倍，如果能够对配方中陶粒和石英砂的比例进行调整，就能实现成本控制。”袁灿明团队经过细致研究，选定了1D·cm的导流能力选作优化支撑剂比例的核心评价标准。
后续砂的比例调整，都将建立在满足该标准的条件下。川庆井下技术研发中心工程实验技术研究所所长龚蔚和实验室成员是袁灿明拉来给比例调整“上保险”的帮手。其团队主要负责通过支撑剂导流能力实验，检验调整后的支撑剂比例是否符合1D·cm的评价标准，以确保新比例满足储层改造需要。
为了提升实验的准确性，龚蔚团队经过多轮讨论，确定了最后的实验方案。他们利用真实岩芯制成的API岩板，配合专业的导流室模拟压裂裂缝，按照不同的支撑剂组合比例以及铺置形态，进行地层闭合压力的条件下裂缝导流能力测试。
经实验评估，新的关于“砂”的百分比被确定。根据改造储层的埋深不同，制定出了对应的砂浓度和排量方案。更加便宜的石英砂在支撑剂中的占比，可实现80%到100%的跨度。
2017年，全新的支撑剂比例在威202H10-7井首次应用，一举成功。具有更好经济性的支撑剂比例方案已广泛用于川庆井下作业公司所服务的川渝页岩气储层改造中，推广应用达到近300余井次。由于石英砂成本仅为陶粒二分之一，替代陶粒成为支撑剂方案主要组成后，可为该公司节约了近50%的支撑剂相关的入井材料成本。
2020年，关于“砂”的百分比故事，还出现了“番外篇”。随着致密气压裂储层改造成为川庆井下公司又一重要业务支撑，面对新的储层特性，袁灿明、龚蔚所在团队需要对支撑剂的选型和优化工作进行新的研究和实验。
基于此前对石英砂、陶粒性质的认识，经过新的支撑剂导流实验评估检验，在致密气压裂的支撑剂比例中，石英砂可替代全部陶粒，占比达到100%。此项致密气的支撑剂比例方案，不仅能够有效保证储层改造效果，还能使入井材料整体成本再次得到有效控制。
“砂”的百分比变动，是一则不会落幕的关于支撑剂比例持续优化的故事。关于砂的选型与比例组合的技术探索，将随着川庆井下作业公司压裂服务市场需求的不断升级，继续上演。
供砂：关于在路上的故事
一粒140目的石英砂，质量可以忽略不计。但是川庆井下作业公司压裂现场，一个月所需砂量常保持在4到5万吨。供砂，需要对砂进行调度。由于该公司所负责的压裂平台集中在三台县、威远县、叙永县、泸县四个区域，砂料必须从省外的供应产地跨省调度。2021年，该公司压裂作业突破3500层次，砂量供应达到63吨。它的背后上演的是一个一直在路上的故事。
“我们的‘砂’包含了陶粒、石英砂和覆膜砂等多种类型，不同类型的砂，还需要对应多个直径要求。” 保障砂料供应是川庆井下物资公司唐峰的主要工作，他需要协调近20家砂料相关供应商和4个支撑剂库房的调度工作。
确保砂量和时效是供砂的重点，物资供应跟不上将会影响现场设备等停时间及整体施工进度。川庆井下公司支撑剂比例的规模化推广应用，使得不同压裂平台施工支撑剂的种类和数量需求与储层特性及压裂段数之间有了较为明显的联系。这为唐峰根据生产数据预估支撑剂整体用量提供了帮助，他的调度频繁，又有章可循。
——首先，根据不同供应商的规模和所提供的支撑剂品类，进行支撑剂供应量的分解；其次，根据压裂平台施工周期、规模和储层属性，规划支撑剂到库、出库进度，从而保障各平台支撑剂的物资需求；最后，与供应商、库房和现场时刻保持联络沟通，确保支撑剂按时、按量到井。
在唐峰看来，供砂具体可以分为“一次性在路上”和“渐进性在路上”两种模式。“一次性在路上”的“砂”多服务于致密气平台。由于致密气储层改造砂量需求相对较小，但施工节奏“短、平、快”，因此其备砂时间仅有7到12天，砂料必须一次性全部调度完成。“渐进性在路上”的“砂”则多出现在页岩气平台。由于页岩气储层改造砂量需求极大，平台井施工周期相对较长，因此备砂时间多为一到两个月，砂料可以按照施工节奏，平稳、有序到井。
“供砂，砂量大不怕，只要根据供应商和库房情况，都能消化。最怕的是临时‘冒’出来的大批砂料需求。”致密气的支撑剂供应曾给唐峰留了下一段“不可磨灭”的记忆。2021年，井下作业公司致密气区块共完成了58个平台井的支撑剂供应任务，供应总量达16万吨，单日最高供应突破5000吨。11月，该公司服务致密气区块迎来2021年最大规模施工。6个平台同期作业，支撑剂的需求量较往月数倍增加。唐峰一方面与平台井项目长保持沟通，跟进生产计划完成支撑剂用量预算与任务分解；另一方面及时跟进支撑剂采购和调度，通过动态台账做好库存管理，协调6个平台支撑剂到井进度。
“致密气节奏紧，物资供应不能掉链子”是支撑唐峰当时“熬过去”最大信念。“那个月，就怕电话突然响起来。如果一家供应商物资不能及时到库，我就要从其他几家的预计出库物资中‘抠’回来一些，补上进度。”6个致密气平台支撑剂同期供应，砂料需求激增，让唐峰也体验了一次致密气供砂也要“渐进性在路上”。
2021年年末，井下作业公司收到了川庆公司物资管理部的《感谢信》：“井下作业公司高度重视、鼓舞干劲、激励队伍，全力提升采购质量和采购效率，充分调动采购系统全员工作的积极性、主动性、创造性，有效保障公司生产需要。”
输砂：关于自动化的故事
“砂”被运输到压裂现场，常被封装在一只只白色的吨袋中，安静地等待下一段旅程。在到达地层前，“砂”有两种存在状态。一种是干燥颗粒的砂粒，它们要通过破袋，开启从吨袋到混砂车砂斗的旅程；另一种是悬浮在液体里的砂粒，它们要通过泵注，开启从低压管汇到高压管汇再汇入井筒的旅程。
在井下作业公司压裂酸化公司的李彦志看来，平台井压裂作业队的一项重要工作就是为砂粒输送“护航保驾”，确保“砂粒”顺利通关变为“砂液”。
输砂旅程的第一段，是从吨袋到储砂装置。“砂”在这里完成从一袋袋的砂到一罐罐的砂的变化，实现从作为物资供应意义的砂粒成为作为裂缝支撑剂的砂粒的进化。吨袋，是将体积接近一立方米的砂粒整体进行封装的袋装容器。因为支撑剂类别和直径不同，不同吨袋的总重量虽略有差异，但单只吨袋重量约为1.6到1.8吨。
最初的时候，砂粒从吨袋通过破袋器进行破袋输砂，进入储砂装置待用，必须借助吊车及高空操作人员的辅助。负责人员需要佩戴好安全绳等防坠落装置，爬至储砂装置顶部，引导吊车吊钩下悬挂的吨袋准确撞击到破袋器刀刃，形成开口，砂粒从此处“倾泄而下”流入储砂装置。
2018年4月，随着“四化”建设的推进，为降低原有破袋输砂工序的吊装作业风险和高处作业风险，该公司研发出自动输砂装置，并在威204H36平台完成了首次现场试验应用。自动化破袋输砂状态下，施工人员仅需在地面牵引自动输砂装置吊钩挂住砂袋上部的吊带，引导砂袋运送至破袋位置完成破袋，砂粒便经由传输履带“爬升”至该装置自带的储砂装置，等待“下一段旅程”。
“现在平台条件符合，公司都会提倡优先使用自动输砂装置。”川庆井下公司装备部的杨伟文对通过设备自动化升级提升作业时效充满信心，“以前，现场输砂需要一个专用吊车和高空人员配合，每天完成一段压裂施工后，需要等待补砂才能开始下一段施工。工序升级后，自动输砂装置不仅可以节约吊车使用成本，减少补砂等候时间，还能有效降低人员的高空作业风险。”
输砂的第二段旅程，是让砂粒顺利从储砂装置进入混砂车的砂斗，再经过搅拌进入掺合罐。看似仅需要开合储砂装置底部闸门就能实现的流程，其实并不轻松。
压裂平台常用的立式储砂装置，需要通过手动开关闸门放砂。因为支撑剂在压裂作业的不同阶段需要选用不同直径和类别，现场人员常常需要在短时间内多次开合闸门开关，劳动强度非常大。
“我还清晰地记得，我上第一口井，倾盆大雨下四五个红工衣挤在储砂装置下进行开合的场景。”李彦志回忆道。过往需要多人合力扳动的闸门开关，现在自动输砂装置只需要在操作面板上轻轻按动开关按钮就能实现，“我们可以随时根据支撑剂的比例，进行储砂装置倒换。”
砂粒从储砂装置“泄洪”式地进入混砂车的砂斗后，将在掺合罐中与液体的混合转变为砂液。这是砂粒履行“保证裂缝长久支撑不闭合”职责的最后一段旅程，也是最难的一段。
悬砂：关于水中砂的故事
“砂”比水重，会沉在水底。但是，压裂过程需要将“砂”以“水”为载体，流动起来，泵入地层完成储层改造。因此，“砂”需要“悬浮”在水中，成为“水中砂”。从“砂”到“水中砂”，主要通过化学添加剂产品，对“水”的性能进行改性，完成“悬砂”。这也是砂粒进入地层，实现支撑作用的关隘。
随着页岩气工厂化压裂进程的推进，井下作业公司压裂技术历经了“段塞加砂”到“连续加砂”的升级进化。这背后对应形成的“水中砂”液体，也同步历经了“降阻”到“降阻+悬砂”的性能提升。井下作业公司的博士团队，以3项国家发明专利、7项实用新型专利技术，给该公司历代压裂液产品提供强力支撑。
“最初液体的悬砂性能不好，砂粒随着液体运移距离更多依靠泵注排量。那会儿砂粒在裂缝中的沉降较快，类似形成一个很陡的梯形。为防止压裂过程中砂堵，压裂排量和砂浓度受液体性能限制极大。”李嘉博士把悬砂性能提升作为后续压裂液产品升级的关键。“第二代产品的时候，压裂液逐步发展成了包含了滑溜水、线性胶与交联冻胶等多种液体的压裂液体系。”
此时 “水中砂”功能的实现，更多依靠多种液体分工合作，各司其职：滑溜水“降阻”，线性胶和交联冻胶联手形成“悬砂”。第二代产品的成功，坚定了李嘉团队在压裂液产品升级上的研发思路，那就是“既满足工艺要求，更要保持性能稳定”。但是，这个坚定很快被一次上井经历打破。
就像混砂车砂斗中的砂粒，需要根据施工要求进行倒换一样；现场配置不同性能的压裂液，也需要根据施工要求进行液罐的倒换。当时，李嘉正在压裂仪表车中监测液体性能，施工指挥发出了倒砂、倒液指令——深夜的井场磅礴大雨，7个红工衣义务反顾的冲向混砂车旁，5人负责储砂装置倒换，2人负责液罐倒换。目睹现场高强度工作，李嘉下定决心一定要发挥自己高分子聚合物的研究专长，让“水中砂”的升级，不仅要专注产品性能的提升，还要通过产品换代找到降低现场劳动强度的途径。
回到实验室，李嘉就找来同专业的鲍晋博士，共同思考：是否能有一种高分子聚合物兼具滑溜水、线性胶与交联冻胶的特性，可实现多效合一，降低现场人员倒换液罐的强度工作。基于该思路，他们成功研发出一种崭新的高分子聚合物。通过从分子层面添加新型功能单体，让液体的化学性能达到降阻要求；同时通过特定官能团间非共价作用构建的弹性结构实现“悬砂”功能。这就是现在川庆井下公司页岩气、致密气压裂平台广泛使用的“一剂多能”添加剂产品——第三代“水中砂”。
和自动输砂装置能够一键实现储砂装置闸门开合一样，新的“一剂多能”添加剂也能够一“键”实现液罐倒换。因为只需要通过设备按键完成排量调整，“水中砂”就可以是滑溜水、线性胶与交联冻胶中任意一种。随着这第三代“水中砂”产品的诞生，川庆井下公司页岩气压裂技术也进入了“体积压裂”新时代，能够根据储层特性，满足“高砂量、低液量、大排量”的改造需求。
新的“水中砂”，有更高的降阻率，压裂排量因摩阻损耗减低，砂粒能够被运移得更远；有更好的悬砂性能，砂粒沉降的速度进一步减缓，从而砂粒沉降所形成的梯形变成了又长又缓的“大坝”。“砂”真正变成了保证改造后裂缝导流能力达到预定目标，使裂缝长久支撑不闭合的“支撑剂”。
至此，一粒砂，经过识砂、供砂、输砂到悬砂，成功完成了与地层的亲密接触。它的背后正是井下作业公司“科研-工程-生产”一体化发展的缩影。通过高质量的压裂储层改造服务，2021年该公司压裂作业总量达到3595层次，成功培育出了页岩气单井测试产量超50万方/天的威204H38-7井，并助力致密气藏金浅5H井、秋林207-5-H2、金浅511-6-H1井等多口井无阻流量突破两百万方。
砂粒很小，担子很重。攻坚一粒砂的故事仍在续写。砂粒上方，随着页岩气开发向地层深处继续推进，所承受的上覆岩层压力也将继续增大。一粒砂的旅程，山高水长，路远迢迢；一粒沙的故事，百转千回，源远流长。
