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，渭南 714000）

1 前言

石油、天然氣行業(yè)作為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、天然氣井的開采深度越來越深，全世界低滲透礦床的開采越來越多，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，它是利用油田專用壓裂車人為地把流體注入巖石基層，以超過地層破裂強(qiáng)度的壓力，使井筒周圍巖石層產(chǎn)生裂縫，形成一個(gè)具有高導(dǎo)流能力的通道。為使壓裂后形成的裂縫在泄壓后不再閉合，油氣能夠順暢通過，注入顆粒狀的支撐劑——陶粒砂是重要措施之一。利用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，最常用的粒徑在0.425～0.850 mm之間，相對(duì)體積密度較小，有一定圓球度，有很高的承壓強(qiáng)度，是一種剛玉型陶瓷質(zhì)體的顆粒產(chǎn)品。 此產(chǎn)品一般采用的生產(chǎn)流程主要為原料制備、造粒、燒成和冷卻。本文就從這四個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)對(duì)陶粒砂生產(chǎn)過程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素進(jìn)行了詳細(xì)地分析。

2 原料制備

2.1 配方

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)的過程，配方作為產(chǎn)品問世前的第一步，顯得尤為重要。

2.1.1 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)，將鋁礬土塊料（Φ80 mm以下）與其它種類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，對(duì)最終混合料的均勻度有嚴(yán)重的影響；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。

2.1.2 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。一般來說，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)廠家將原料粒度控制在325目，就可滿足生產(chǎn)要求，但要想使產(chǎn)品質(zhì)量再上一個(gè)臺(tái)階，配方對(duì)原料的粒度意義提出了更高的要求，現(xiàn)已有部分生產(chǎn)廠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)。

2.1.3 配方影響生產(chǎn)效率與生產(chǎn)成本

在一般的陶粒砂廠中，配料倉的數(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）對(duì)上料工序的不良影響

由于原料品種多而配料倉少，而且配料倉的容積有限，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)間增長(zhǎng)、無用功增多，不僅影響了生產(chǎn)效率、增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)增大了工段間的配合難度，不利于生產(chǎn)工作的開展。

（2）對(duì)配料工序的不良影響

由于原料品種多而配料倉少，不僅會(huì)增加生產(chǎn)過程中的原料倒倉次數(shù)，還會(huì)因?yàn)榕浞皆掀贩N過多而導(dǎo)致配料時(shí)間增長(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。

（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多，則易造成粘鍋；若可塑性原料加入過少，則影響陶粒砂的表面光潔度。

2.2 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是混料機(jī)的混合均勻度（用變異系數(shù)CV%值表示，我國部頒標(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。二是混合時(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“物以類聚”，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。

3 造粒

3.1 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，最終形成類似球狀的顆粒產(chǎn)品。此過程的噴水須高度霧化，避免出現(xiàn)大的水滴，造成半成品出現(xiàn)急劇的體積增長(zhǎng)和顆?？招牡葐栴}，使其增長(zhǎng)過程循環(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，而水壓是決定高度霧化水的關(guān)鍵。

3.2 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，外觀毛刺較多，光潔度不好，或半成品水份過大（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，其水份會(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。因此，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。

4 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)、形成晶相的關(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)過程就是燒結(jié)(或者叫燒成)。

4.1 燒成溫度

燒成溫度對(duì)陶粒砂的性能影響很大。如果燒成溫度過低，產(chǎn)品出現(xiàn)欠燒，成品的破碎率就高，酸溶解度也大；而燒成溫度過高，則在燒成過程中產(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，產(chǎn)生大量的液相，使陶粒顆粒粘結(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)。

4.2 風(fēng)量和風(fēng)壓

陶粒砂在回轉(zhuǎn)窯燒成是在負(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)色差過大，影響外觀和內(nèi)在質(zhì)量。若風(fēng)量和風(fēng)壓過大，不僅增加電耗，浪費(fèi)能源，且有可能出現(xiàn)過燒現(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。

4.3 燃料

陶粒砂在高溫?zé)蛇^程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，被稱為熱煤氣，其溫度為450～600℃，壓力為0.4～0.8 kPa，經(jīng)過旋風(fēng)除塵和電捕焦后，通過帶有內(nèi)襯和除灰斗的熱煤氣管道輸送至回轉(zhuǎn)窯。要想得到成份均一，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、無煙煤或焦煤等塊煤為氣化原料，粒度20～60 mm，熱值≥6500 kCal，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運(yùn)輸至廠家或者自建氣柜以穩(wěn)定天然氣的壓力，其優(yōu)點(diǎn)是成份穩(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，我國目前一般陶粒砂生產(chǎn)企業(yè)采用的很少。

4.4 制氣

將原煤最大限度的轉(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)。陶粒砂行業(yè)都是選用兩段式煤氣發(fā)生爐來生產(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子隔墻式；另一種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)要求較嚴(yán)格，煤種選擇面窄；后者蓄熱效果略差，但煤種選擇面廣。中心管用來提取底部煤氣，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題，能方便地調(diào)節(jié)爐膛燃燒狀況。

5 冷卻

陶粒砂半成品經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后進(jìn)入冷卻窯冷卻，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。盡可能的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。現(xiàn)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、高度、揚(yáng)料板的布置方式、窯的轉(zhuǎn)速等參數(shù)的確定十分重要。

6 結(jié)語

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，歸結(jié)為：配方是根本，造粒是基礎(chǔ)，燒成是關(guān)鍵。只有把握每個(gè)工序，才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

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