淺析影響石油壓裂支撐劑——陶粒砂質(zhì)量的主要因素

淺析影響石油壓裂支撐劑——陶粒砂質(zhì)量的主要因素

曹義平

(陜西延長(zhǎng)石油壓裂材料有限公司陜西 蒲城714000)

摘要石油壓裂支撐劑——陶粒砂，是使地層深處巖石裂隙保持裂開(kāi)狀態(tài)的支撐物，系一種剛玉型陶瓷質(zhì)地的顆粒產(chǎn)品。 此產(chǎn)品一般采用的生產(chǎn)工藝是原料制備、造粒、燒成和冷卻。通過(guò)對(duì)這四大生產(chǎn)環(huán)節(jié)中影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析，最終歸結(jié)為三句話(huà)：配方是根本，造粒是基礎(chǔ)，燒成是關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞陶粒砂原料造粒燒成冷卻

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ174文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

前言

石油、天然氣行業(yè)作為我國(guó)乃至世界主要能源支柱產(chǎn)業(yè)，隨著石油工業(yè)的發(fā)展和社會(huì)需求的增加，石油、天然氣井的開(kāi)采深度越來(lái)越深，全世界低滲透礦床的開(kāi)采越來(lái)越多，因此，衍生出了壓裂技術(shù)。壓裂技術(shù)是提高油氣產(chǎn)量的重要手段，它是利用油田專(zhuān)用壓裂車(chē)人為地把流體注入巖石基層，以超過(guò)地層破裂強(qiáng)度的壓力，使井筒周?chē)鷰r石層產(chǎn)生裂縫，形成一個(gè)具有高導(dǎo)流能力的通道。

為了保持壓裂后形成的裂縫，在泄壓后不再閉合，使油氣能夠順暢通過(guò)，注入顆粒狀的支撐劑——陶粒砂是重要措施之一。以高鋁礬土為主要原料生產(chǎn)的陶粒砂是近幾年發(fā)展起來(lái)的新型壓裂材料，是石英砂壓裂支撐劑的替代產(chǎn)品。

石油壓裂支撐劑——陶粒砂，最常用的粒徑為0.425～0.850mm，其相對(duì)體積密度較小，有一定圓球度，有很高的承壓強(qiáng)度，系一種剛玉型陶瓷體的顆粒產(chǎn)品。 此產(chǎn)品一般采用的生產(chǎn)工藝是原料制備、造粒、燒成和冷卻。

下面就從這四個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)陶粒砂在生產(chǎn)過(guò)程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素加以分析。

1原料制備

1.1配方

一個(gè)好的配方從其提出研發(fā)，到生產(chǎn)制造，再到產(chǎn)品使用后的效果反饋需要經(jīng)歷一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，配方作為一個(gè)產(chǎn)品問(wèn)世前的第一步，顯得尤為重要。

1.1.1配方?jīng)Q定原料的加工工藝

在生產(chǎn)陶粒砂時(shí)，都要用到以鋁礬土為主要原料的混合料，但加工工藝卻不相同。一種為單料磨細(xì)，做法是先將鋁礬土礦破碎后用雷蒙磨進(jìn)行研磨，得到我們所需的鋁礬土單體粉料之后，與其它種類(lèi)的輔助單體粉料按既定配方進(jìn)行配比混合待用；另一種做法為先配料后磨細(xì)，是先將鋁礬土塊料(直徑80mm以下)與其它種類(lèi)的輔料按配方比例混合后，進(jìn)入球磨機(jī)進(jìn)行研磨，利用選粉機(jī)得到所需的混合料。用這兩種工藝進(jìn)行生產(chǎn)，前一種做法工藝比較繁瑣，設(shè)備能耗比較大，還存在單料磨細(xì)時(shí)的交叉污染，關(guān)鍵問(wèn)題是單料磨細(xì)后按既定配方進(jìn)行配比時(shí)，各單料添加的先后順序不同，將嚴(yán)重影響到最終混合料的均勻度；而第二種做法，不僅能將各單體礦料按既定配比混合充分，又能將研磨后的粉料混合均勻，加工工藝簡(jiǎn)單，提高了生產(chǎn)效率，保證了混合料的相對(duì)均勻性。

1.1.2配方?jīng)Q定原料的粉碎粒度

原料的粉碎粒度依據(jù)配方的要求而有所不同。一般來(lái)說(shuō)，配方對(duì)粉碎粒度的要求多以目數(shù)表示，但在實(shí)際生產(chǎn)中，粉碎機(jī)的孔徑多以毫米計(jì)算，所以在應(yīng)用時(shí)要進(jìn)行單位換算，并進(jìn)行粉碎粒度檢測(cè)，以確定最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)。就陶粒砂行業(yè)而言，目前，大多數(shù)生產(chǎn)廠(chǎng)家將原料粒度多控制在325目，就可滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，但要想使產(chǎn)品質(zhì)量再上一個(gè)臺(tái)階，配方就對(duì)原料的粒度提出了更高要求?，F(xiàn)已有部分生產(chǎn)廠(chǎng)家將原料粒度控制在400目，使用效果良好。提高原料細(xì)度是目前陶粒砂行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

1.1.3配方影響生產(chǎn)效率與生產(chǎn)成本

在一般的陶粒砂廠(chǎng)中，配料倉(cāng)的數(shù)量是固定的，如果出現(xiàn)配方中原料品種多于配料倉(cāng)數(shù)量的情況，會(huì)對(duì)生產(chǎn)工藝各部分造成許多不良影響：

1.1.3.1對(duì)上料工序的不良影響

由于原料品種多而配料倉(cāng)少，而且配料倉(cāng)的容積有限，所以上料品種必須頻繁更換，但為了保證上料質(zhì)量，避免原料間的交叉污染，就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備空轉(zhuǎn)時(shí)間延長(zhǎng)，無(wú)用功增多。這樣不僅影響了生產(chǎn)效率、增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)也增大了工段間的配合難度，不利于生產(chǎn)工作的開(kāi)展。

1.1.3.2對(duì)配料工序的不良影響

由于原料品種多而配料倉(cāng)少，不僅會(huì)增加生產(chǎn)過(guò)程中的原料倒倉(cāng)次數(shù)，還會(huì)因?yàn)榕浞皆掀贩N過(guò)多而導(dǎo)致配料時(shí)間延長(zhǎng)、配料批次減少，如果是小料添加品種多而雜，為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，就會(huì)延長(zhǎng)混合時(shí)間，又進(jìn)一步導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加和生產(chǎn)效率的下降。

1.1.3.3對(duì)制粒工序的不良影響

混合料的可塑性是保證陶粒砂表面光潔度的主要控制參數(shù)。確定配方時(shí)，必須加入一定量的可塑性原料，若可塑性原料加入過(guò)多，則易造成粘鍋；若可塑性原料加入過(guò)少，則影響陶粒砂的表面光潔度。

1.2混合均勻度

對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和色差起決定作用的就是混料機(jī)對(duì)原料的混合均勻度(用變異系數(shù)CV值表示，我國(guó)部頒標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定變異系數(shù)應(yīng)小于7%)。影響混合均勻度的因素主要有兩方面：一方面是混合機(jī)本身的性能，其漿葉形式、葉片傾角、外形等都能影響其性能，同時(shí)還影響能耗；另一方面是混合時(shí)間，混合時(shí)間的概念應(yīng)是各物料混合均勻(以混合均勻度衡量)所用的最短時(shí)間，并非混合時(shí)間越長(zhǎng)越好，哲人說(shuō)“物以類(lèi)聚”，各種陶粒砂原料也遵循這一規(guī)律，混合時(shí)間太長(zhǎng)，各物料反而會(huì)重新分級(jí)。混合的均勻性是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。陶粒砂的物料混合雖然僅是物理過(guò)程，但由于原料密度等特性差異明顯，必須科學(xué)地選定設(shè)備、混合時(shí)間和加料順序，工藝流程盡量簡(jiǎn)潔，力求混合均勻。優(yōu)質(zhì)的預(yù)混料，其所有組分應(yīng)是均勻分布的，隨機(jī)抽樣化驗(yàn)，它的多個(gè)組分間的比例應(yīng)是與配方的配比保持一致。但由于受各種因素的影響，不同取樣間、不同批次間也會(huì)存在差異，但要盡量做到差異越小越好。

2造粒

2.1水壓的大小

造粒是在造粒鍋內(nèi)事先加入“引子”，在霧化噴水的情況下，不斷加入物料，通過(guò)順時(shí)針鍋體旋轉(zhuǎn)，使物料在鍋內(nèi)翻滾、摩擦和擠壓，最終形成類(lèi)似球狀的顆粒產(chǎn)品。此過(guò)程的噴水須高度霧化，才不會(huì)出現(xiàn)大的水滴，半成品就不會(huì)出現(xiàn)急劇的體積增大和顆?？招牡葐?wèn)題，使其增大過(guò)程循環(huán)有序，達(dá)到產(chǎn)品所要求的粒度與強(qiáng)度。因此水的高度霧化就顯得尤為重要，而水壓的大小是決定高度霧化水的關(guān)鍵。

2.2半成品的質(zhì)量

半成品的質(zhì)量直接決定著成品陶粒的質(zhì)量，當(dāng)半成品質(zhì)地疏松，外觀(guān)毛刺較多，光潔度不好，或半成品水分過(guò)大(由于成球時(shí)給料，給水不均勻產(chǎn)生)時(shí)，進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)行煅燒，其水分會(huì)急劇蒸發(fā)，致使半成品容易產(chǎn)生裂紋甚至炸裂，使陶粒砂料層在回轉(zhuǎn)窯的流動(dòng)阻力增大，通風(fēng)不良，料層厚度增加，導(dǎo)致下層料欠燒，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)“結(jié)圈”，產(chǎn)生廢料。因而嚴(yán)格控制半成品的質(zhì)量是保證陶粒砂產(chǎn)品質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)之一。

3燒成

燒結(jié)是使半成品在高溫下獲得預(yù)期的顯微結(jié)構(gòu)、晶相形成的關(guān)鍵工序，直接影響陶粒砂的各種理化性能。在某種意義上講，陶粒砂的燒結(jié)就是其半成品在高溫下的致密過(guò)程。隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，固體顆粒相互結(jié)合在一起，粒子間空隙和晶界逐漸減少，最后形成結(jié)構(gòu)致密的燒結(jié)體，這個(gè)過(guò)程就是燒結(jié)(或者叫燒成)。

3.1燒成溫度

燒成溫度對(duì)陶粒砂的性能影響很大。如果燒成溫度偏低，產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)欠燒，成品的破碎率就高，酸溶解度也大；而燒成溫度過(guò)高，則在燒成過(guò)程中產(chǎn)品表面液相增多，再與回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行中半成品脫下的細(xì)粉相互溶解，就產(chǎn)生了大量的液相，使陶粒粘結(jié)在一起，如果不及時(shí)采取降溫措施，就會(huì)形成大塊的廢料，甚至出現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈事故，導(dǎo)致停產(chǎn)。

3.2風(fēng)量和風(fēng)壓

陶粒砂在回轉(zhuǎn)窯中的燒成過(guò)程是在負(fù)壓狀態(tài)下進(jìn)行的(即為氧化氣氛)。若引風(fēng)機(jī)風(fēng)量和風(fēng)壓不足，就會(huì)使回轉(zhuǎn)窯燒成帶縮短，產(chǎn)量降低，成本增大，產(chǎn)品易出現(xiàn)色差過(guò)大，影響外觀(guān)和內(nèi)在質(zhì)量。若風(fēng)量和風(fēng)壓過(guò)大，不僅增加電耗，浪費(fèi)能源，且有可能出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象。因此引風(fēng)機(jī)的選擇和控制掌握最佳工藝參數(shù)十分重要，它是穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.3燃料

陶粒砂在高溫?zé)蛇^(guò)程中需要有較好的燃料為其提供熱源。目前，陶粒砂行業(yè)燒成過(guò)程采用的燃料主要有兩種：熱煤氣和天然氣。前者利用煤氣發(fā)生爐將煤轉(zhuǎn)化而得，被稱(chēng)為熱煤氣，其溫度為450～600℃，壓力為0.4～0.8kPa，經(jīng)過(guò)旋風(fēng)除塵和電捕焦后，通過(guò)帶有內(nèi)襯和除灰斗的熱煤氣管道輸送至回轉(zhuǎn)窯。要想得到成分均一、流量和壓力穩(wěn)定的熱煤氣，須選用符合氣化工藝指標(biāo)的弱粘結(jié)性煙煤、無(wú)煙煤或焦煤等塊煤為氣化原料，粒度為20～60mm，熱值≥6500kcal，灰熔點(diǎn)≥1250℃，含硫量≤1%，灰分≤18%。后者一般由天然氣公司采用罐車(chē)運(yùn)輸至廠(chǎng)家或者自建氣柜以穩(wěn)定天然氣的壓力，其優(yōu)點(diǎn)是成分穩(wěn)定，壓力恒定，投入的人力少，對(duì)環(huán)境的污染相對(duì)較小，但其成本較熱煤氣要高出許多，因此我國(guó)目前一般陶粒砂生產(chǎn)企業(yè)采用的很少。

3.4制氣

將原煤最大限度地轉(zhuǎn)化成煤氣，為燒成提供較穩(wěn)定的熱源，是生產(chǎn)企業(yè)極力追求的目標(biāo)。目前陶粒砂行業(yè)都選用的是兩段式煤氣發(fā)生爐用來(lái)生產(chǎn)發(fā)生爐熱煤氣。其氣化效率高、熱值高、自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、操作環(huán)境較好。目前，國(guó)內(nèi)的兩段式煤氣發(fā)生爐有兩種：一種是用耐火磚砌筑的十字隔墻式；另一種為不銹鋼制作的中心管式。前者爐膛蓄熱效果好，但對(duì)煤的膨脹系數(shù)要求較高，煤種選擇面窄；后者蓄熱效果略差，但煤種選擇面廣。中心管是用來(lái)提取底部的煤氣，其作用為:

1)與耐火通道共同組成干餾加熱空間，形成內(nèi)外兩層環(huán)形輻射熱源。

2)耐火通道共同組成爐膛截面燃燒平衡系統(tǒng)，避免了一些兩段爐燃燒中心黑洞問(wèn)題，能方便地調(diào)節(jié)爐膛燃燒狀況。

4冷卻

陶粒砂半成品經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后進(jìn)入冷卻窯進(jìn)行冷卻，冷卻效果的好壞與產(chǎn)品的最終內(nèi)在質(zhì)量有密切的關(guān)系。在選擇冷卻方式時(shí)要著重考慮冷卻氣流與陶粒砂熱交換的能量傳遞。盡可能地提高高溫陶粒砂與冷空氣的接觸面積，才能達(dá)到快速冷卻的目的?，F(xiàn)階段生產(chǎn)企業(yè)均采用給冷卻窯窯口至三分之二處用噴淋水的方法對(duì)窯體進(jìn)行冷卻，此方法能使陶粒砂冷卻均勻。但冷卻窯的直徑、長(zhǎng)度選擇，揚(yáng)料板的布置方式、高度，窯的轉(zhuǎn)速等參數(shù)的確定十分重要。

綜上所述，在生產(chǎn)工藝可行、高效、先進(jìn)的前提下，掌握好每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的最佳控制參數(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量才能得以保證。就陶粒砂的生產(chǎn)而言，高度概括起來(lái)，歸結(jié)為三句話(huà)：配方是根本，造粒是基礎(chǔ)，燒成是關(guān)鍵。

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