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压裂砂： 压裂砂（右）和具有相似粒度的典型砂（左）的特写视图。请注意，压裂砂如何具有更均匀的晶粒尺寸，良好的圆形晶粒形状和均匀的成分。它也是一种非常坚韧的材料，可以承受每平方英寸几吨的压缩力。此图像中的晶粒大小约为0.50毫米。
压裂砂生产： 该图说明了美国压裂砂产量的惊人增长。数据来自《美国地质调查局矿产年鉴》，2005-2015年。
石油和天然气井的抗压砂
“压裂砂”是一种高纯度石英砂，具有非常耐用和非常圆形的颗粒。它是为石油工业生产的抗压碎材料。它用于水力压裂工艺（称为“压裂”）中，从岩石单元生产石油流体，例如石油，天然气和天然气液体，而岩石单元缺乏足够的孔隙空间，无法使这些流体流向井。大多数压裂砂是由高纯度砂岩制成的天然材料。另一种产品是由烧结铝土矿制成的陶瓷珠或由铝制成的小金属珠。
压裂砂的需求在过去几年中激增，因为使用水力压裂工艺增产了数千口石油和天然气井。 （请参见生产图表。）在一口井上进行水力压裂作业可能需要数千吨的沙子。大量的专业钻探在很短的时间内创造了一个十亿美元的压裂砂产业。在2005年至2015年期间，石油和天然气行业使用的压裂砂数量急剧增加。
砂岩视频： 美国硅胶制作的视频演示了高品质压裂砂的特性。
如何使用压裂砂？
一些地下岩石单元（例如有机页岩）包含大量的油，天然气或天然气液体，它们将无法自由流入井中。它们不会流到井中，因为岩石单元要么缺乏渗透性（相互连接的孔隙空间），要么岩石中的孔隙空间很小，以至于这些流体无法流过它们。
水力压裂过程通过在岩石中产生裂缝来解决该问题。这是通过在岩石中钻出一口井，将其在含油区中的一部分密封，并在高压下将水泵入该部分中来完成的。通常用化学药品和增稠剂（例如瓜尔豆胶）处理这种水，以形成粘性凝胶。这种凝胶有助于水体在悬浮液中携带压裂砂粒。
地表的大型泵会增加油井密封部分的水压，直到其压力高到足以超过周围岩石的断裂点为止。当达到断裂点时，它们突然破裂，水迅速冲入裂缝，使裂缝膨胀并使裂缝更深地延伸到岩石中。由于突然涌入的水，数十亿个沙粒被带入裂缝的深处。增产一口井可能需要数千吨的压裂砂。
砂岩视频： 美国硅胶制作的视频演示了高品质压裂砂的特性。
水力压裂： 天然气井的简化图，该天然气井是通过水平钻井建造的，以增加通过Marcellus页岩的渗透长度。通常在井的水平部分进行水力压裂以刺激来自页岩的气体流。这种油井构造用于美国的页岩气中。
碎砂作为“支撑剂”
当泵关闭时，裂缝会收缩但不会完全闭合-因为它们被数十亿个压裂砂粒支撑着。仅当足够多的沙粒能够抵抗闭合裂缝的力时，才会发生这种情况。
岩石中的新裂缝由耐久的砂粒支撑着，形成了孔隙空间网络，石油流体可以从岩石中流出并进入井中。压裂砂被称为“支撑剂”，因为它可以支撑裂缝。
已经用作支撑剂的其他材料包括陶瓷珠，铝珠和烧结铝土矿。压裂砂通常可提供最高水平的性能，目前是石油工业最常用的支撑剂。
Jordan Sandstone地图： 当前正在开采压裂砂的许多岩石单元也是含水层。这使地下水研究出版物，例如美国地质调查局的地下水图集系列，成为确定砂岩岩石单元的存在，厚度和结构的有价值的勘探文件。这张地图来自美国爱荷华州，密歇根州，明尼苏达州和威斯康星州的地下水地图集。它显示了明尼苏达州和爱荷华州约旦砂岩的地理范围和厚度。在该系列中已为其他砂岩岩石单位和其他地理区域发布了类似的地图。
什么类型的沙子？
石油工业支撑剂必须符合非常苛刻的规格。优质压裂砂的特点包括：
- 高纯硅砂
- 晶粒尺寸完全符合工作要求
- 球形，使其能够在水力压裂液中以最小的湍流携带
- 抵抗闭合裂缝压碎的耐久性
压裂砂的生产尺寸范围从直径小至0.1毫米到直径大于2毫米，具体取决于客户的规格。消耗的大部分压裂砂尺寸在0.4到0.8毫米之间。
诸如圣彼得砂岩，约旦砂岩，油溪砂岩和山核桃砂岩等岩石单元是压裂砂材料的潜在来源。这些岩石单元由经过多个风化和侵蚀循环的石英颗粒组成。悠久的历史去除了除石英以外的几乎所有矿物质，并生产出非常圆形的谷物。这就是为什么从河流疏,、从梯田挖掘或从海滩清除的沙子不太可能产生优质产品的原因。
在生产这些岩石单元的地方，它们通常是软的，胶结性差的，有时还具有轻微的风化作用。这样就可以在不破坏石英颗粒的情况下进行挖掘和破碎。来自阿巴拉契亚山脉等地区的高纯砂通常不适合压裂砂，因为它受到构造力的作用，使岩石变形并使砂粒变弱。
威斯康星州的Frac砂矿： 压裂砂开采作业的鸟瞰图在威斯康辛。压裂砂是一种高度专业化的产品，只能从少量的砂矿中生产。
压裂砂处理设施： 压裂砂处理设施的鸟瞰图在威斯康辛。
压裂砂加工厂
压碎砂不能直接从地面使用。它需要进行处理以优化其性能。开采后，将其送至加工厂。在那里洗涤以除去细颗粒。
洗涤后，沙子会堆积成堆，以使洗涤水排出。此操作在户外进行，并且仅限一年中温度高于冰点的时间。沙子排干后，将其放入空气干燥器中以除去所有水分。然后筛选干粮以获得针对不同客户的特定粒度部分。
分离不适合压裂的沙粒并出售以用于其他用途。某些压裂砂可能会进行树脂涂覆，以改善其在压裂作业中的性能。这种材料将作为优质产品出售。加工后，大多数沙子直接装进火车车厢以进行铁路运输。
一些加工厂位于矿区。但是，加工厂的建造非常昂贵，有时由多个矿山共享。这些位于多个矿山的中央，而沙子则通过卡车，火车或传送带运送。
压裂砂在哪里生产和使用？
几年前，威斯康星州和得克萨斯州的生产商提供了石油和天然气行业使用的许多压裂砂。但是，天然气和页岩油热潮引起的需求激增促使许多公司提供这种产品。这些公司中的许多公司位于美国中部，那里的圣彼得·桑德斯通（St. Peter Sandstone）和类似的岩石单元靠近地表并易于挖掘。在这些地区，构造力也没有引起岩石单元的严重折叠并没有削弱砂粒。主要地区在中西部各州（伊利诺伊州，印第安纳州，爱荷华州，堪萨斯州，肯塔基州，明尼苏达州，密歇根州，密苏里州，内布拉斯加州和威斯康星州）。
在美国，大多数高纯硅砂已有几十年的历史了。它们已用于玻璃制造和冶金用途。当前对压裂砂的搜索不是要“发现新的砂源”，而是要确定哪些砂源产生优质的材料。
压裂砂用于从需要水力压裂的页岩和其他致密岩石中生产天然气，天然气液体和石油。这些包括：Marcellus页岩，Utica页岩，Bakken组，Haynesville页岩，Fayetteville页岩，Eagle Ford页岩，Barnett页岩以及美国其他许多页岩层。
圣彼得·桑德斯通： 约阿希姆·白云岩在密苏里州太平洋附近拍摄的圣彼得砂岩照片。 Kbh3rd提供的公共领域图片。
压裂砂的来源和价格
过去几年来，由于美国和加拿大许多地区的大量页岩开发，北美对压裂砂的需求急剧上升。美国地质调查局报告了该产品的来源：
中西部的奥陶纪圣彼得砂岩是许多最终用途的硅砂的主要来源，也是压裂砂的主要来源。来自圣彼得砂岩的压裂砂在五个州开采，到许多开采天然气的地下页岩地层的合理运输距离内。2011年，中西部地区生产了59％的压裂砂。
2010年，《美国地质调查局矿产年鉴》报道的压裂砂平均价格在每吨45美元至50美元之间。2011年，平均价格上涨至54.83美元。这大大高于在建筑业以外销售的特种砂的平均价格（每吨35美元）。
烧结铝土矿支撑剂
铝土矿粉可以在很高的温度下熔化成微小的珠子。这些珠粒具有非常高的抗压碎性，这使其适合用作支撑剂。珠粒的比重及其尺寸可以与水力压裂液的粘度以及预期在岩石中产生的裂缝的尺寸相匹配。与被称为压裂砂的天然支撑剂相比，人造支撑剂可提供多种粒度和比重选择。目前使用压裂砂代替人造支撑剂，因为它具有成本和运输优势。