氯化鉀速溶裝置的設計與應用

劉 慶，王小寶，盧亞平，潘社衛(wèi)

（北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

在石油開采中，地層常含有一定數(shù)量的黏土，由于自身的特性，這些黏土在注水、酸化、水力壓裂過程中碰到水或水基物質就會產生膨脹，黏土膨脹和微粒的移動會降低地層的滲透率或堵塞井眼的通路，這都會減少油井的產量，嚴重損害油管線和油泵，使用黏土防膨劑是減輕黏土膨脹和分散對地層傷害的有效措施。氯化鉀是無機黏土防膨劑主要原料，由于適用于高溫地層，且價格較低，在壓裂液配制方面得到了廣泛的應用[1-3]。

隨著壓裂液配制技術的不斷完善，壓裂液的配制要求也越來越高，固體添加劑的添加方式從粗曠添加向精細添加轉變。但在添加氯化鉀過程中，往往出現(xiàn)氯化鉀溶解不充分，顆?？焖俪恋?，淤積在溶解池底的情況，因此，設計一套可均勻下料、快速溶解的添加設備是非常迫切的。

1 工藝研究

壓裂液用氯化鉀是白色結晶小顆粒粉末，外觀如同食鹽，有吸濕性，易結塊。在早期配制過程中，氯化鉀添加裝置使用的是簡易料斗，因為氯化鉀易溶于水，所以主要以機械攪拌促進氯化鉀溶解，具有設備投資小，免維護等優(yōu)點，但在多年的防膨劑配制中發(fā)現(xiàn)以下問題。

1.1 下料不暢

氯化鉀有很強的吸水性，表面易潮濕，不僅容易結塊，而且在料斗中容易形成搭橋，物料擠在下料口而不會自動落下。加料工人用木棍等工具將氯化鉀物料捅彭松后才能下來，這就增加了加料工人的勞動強度，而且容易將木棒掉到攪拌器上，增加了人員傷害和機械損壞的風險。

1.2 溶解不充分

由于人工倒料，且加入量大，氯化鉀間斷倒入溶解池中，進料時多時少，攪拌器來不及攪拌氯化鉀顆粒就沉底了，造成溶解不充分，池底淤積很多殘料。

1.3 工藝流程

針對以上兩項問題，對原始的氯化鉀溶解工藝進行改進，設計的工藝流程如下：

將需要添加氯化鉀的壓裂基液打入溶解池中，啟動水泵，溶解池的溶液通過水泵和混合器循環(huán)打回溶解池，混合器內形成負壓，下料倉的下料管達到吸料狀態(tài)，氯化鉀原料定量添加到下料倉中，打開水泵通向下料倉閥門，開始向下料倉噴淋，氯化鉀物料遇水下沉，防止氯化鉀噴料情況的發(fā)生。下料倉攪拌啟動，使氯化鉀下料均勻，然后啟動出料螺旋，開始出料，螺旋并配有變頻器，可調節(jié)物料的下料速度。氯化鉀和清水通過混合器混合，形成初步融合溶液，并打入溶解池中，啟動溶解池攪拌器，將初步融合的氯化鉀溶液與池中的液體再次融合，使氯化鉀溶液在溶解池內分散均勻，氯化鉀得到充分溶解。氯化鉀溶解工藝流程圖（見圖1）。

圖1 氯化鉀溶解工藝流程圖

2 設備的設計

氯化鉀溶解裝置關鍵設備是下料倉、混合器、攪拌器。

2.1 下料倉

設計下料倉時主要考慮四個方面的因素：（1）強制出料，并且出料均勻；（2）存儲量滿足要求，有一定的緩沖量；（3）加噴淋裝置，氯化鉀遇水后流動性變好，易于下料；（4）罐體加攪拌，水與物料混合均勻。

按溶解池100 m3計算，氯化鉀配比為1%，配一次溶液要用氯化鉀原料1 000 kg，由于考慮到下料倉使用的便捷性，下料倉容量不宜過大，由此罐體有效容積設為0.2 m3，儲粉量約200 kg，一次可在下料倉存儲4袋料（每袋50 kg），工人5次上料可滿足一次配液需求。

下料倉結構（見圖2），下料倉側壁設有噴淋管，均勻噴灑在料倉上表面，倉內設有攪拌器，使氯化鉀物料和水反復混拌，以保證供物料的均勻性、連續(xù)性，攪拌器有外部螺帶和內部螺帶兩部分，外部螺帶與內部螺帶方向相反，使物料來回往復運動，加快物料的分散速度，避免結塊結渣。為減少儲存罐的占地面積，攪拌器采用鏈輪傳動，將減速機安裝在罐體上方。

由于下料倉內有攪拌裝置，避免上料工人將手伸進倉內，產生人員傷害，所以上料口安裝篦子。料倉底部設有加強制螺旋出料，在給料螺旋的電機上裝有變頻裝置，可隨配方和配制過程的變化而調整出料速度，保證下料倉在配液期間內連續(xù)均勻地給料。

圖2 下料倉結構圖

2.2 混合器

負壓抽吸方法適合于固體與液體的混合，利用動力流體高速射流產生負壓，直接將氯化鉀混合帶入，完成物料在液體中的均勻分散（見圖3）。工作時，液體經泵增壓后在噴嘴處形成高速射流，由于流速很高，在噴嘴的出口及中心吸料管內形成負壓，將物料吸入混合器，混合室內由于高速水射流形成強烈的渦流，可以形成劇烈的切割和攪拌作用，使物料顆粒之間相互分離，混合器的特點在于粉顆粒分散地與液體接觸，有利于固液融合，且高壓水能攜帶物料高速流動，加速了融合過程，使氯化鉀顆?？焖偃芙狻?/p>

圖3 混合器結構示意圖

為了獲得良好的混合效果，還需要控制物料輸送量以及射流所產生的負壓大小，輸送量過大即負壓吸送的氣固兩相流中，固體顆粒的含量超過一定的數(shù)值，顆粒之間無法充分分離，也就無法均勻分散于液體中，造成吸入流體堵塞；而輸送量過小，將無法滿足固液配比的要求。因此需通過螺旋給料裝置控制出料量。一定的給粉速度需要與相應大小的負壓相匹配，才能達到理想的混合效果，負壓過小也無法使物料均勻分散到流動的液體中。

2.3 攪拌器

對于給定的攪拌工藝條件，進行攪拌器的選擇與設計，目前還沒有一個十分成熟的方法，大都是依據(jù)過去的經驗、工況分析和實驗室模擬實驗確定的。影響氯化鉀攪拌效果的主要問題是氯化鉀屬于顆粒物料，易溶于水，但加入量較大，攪拌時間短，物料容易沉底，因此在設計攪拌器時，要著重考慮如何延長物料的攪拌時間，使氯化鉀在有效的時間內快速溶解。

為防止物料超出攪拌器的攪拌范圍，在攪拌器周圍設計一個罐體，將物料限定在一定的攪拌區(qū)域內，罐體底層為濾網(wǎng)，網(wǎng)孔略小于氯化鉀顆粒度，這樣沒有溶解的顆粒將留在罐體內持續(xù)攪拌，直到溶解后，從濾網(wǎng)流出，溶解到壓裂基液中。濾網(wǎng)為可拆卸式，能夠定期清理氯化鉀原料中殘存在濾網(wǎng)上的雜質。攪拌器結構（見圖4）。

圖4 攪拌器結構示意圖

在罐體四周設計擋板，擋板限制了流體的切向速度，增加了軸向和徑向速度分量，攪拌器旋轉產生的排除流因受到攪拌壁和擋板的作用，在攪拌器周圍形成復雜的流場[4]，使氯化鉀的混合效果得到顯著增強。攪拌擋板固定在罐體上，形成一個具有孔洞的圓形攪拌罐。

在氯化鉀溶解攪拌中，不要求大剪切力攪拌即可達到物料溶解的目的，但要給物料足夠的軸向速度，使氯化鉀顆粒懸浮在罐體中，延緩氯化鉀的攪拌時間。斜葉輪轉動時推動流體既有軸向速度，也有相當大的周向速度和徑向速度[5]，符合使用情況，由此，攪拌器葉輪選擇斜葉式。

為增強攪拌效果，攪拌葉輪四周增加了導流筒，葉輪在導流筒內旋轉形成負壓，產生一定的泵吸作用，將氯化鉀溶液由上端吸入，從下端排出，導流筒可實現(xiàn)液體的強制循環(huán)，提高物料循環(huán)量，相比無導流筒攪拌循環(huán)行程變長。導流筒分為直筒型、提升式及CK型、BK型等特殊結構形式導流筒，經比較，BK型導流筒液體排出更加通暢，同時能沖刷罐底部固體顆粒，降低了物料沉淀的機率，在選礦領域得到廣泛應用[6，7]，更適合物料的高強度溶解。

3 應用情況

依據(jù)速溶工藝研究，氯化鉀速溶裝置于2015年定型設計，同年應用在國內某油田壓裂液配液站建設當中，氯化鉀速溶裝置在壓裂基液配制中溶解速度快，隨配隨溶，達到了快速溶解的目的，溶解池內基本沒有固體殘料產生，設備運行情況良好，達到了使用要求。由此，速溶裝置也應用在了配液站硼砂、過硫酸銨等固體物料的添加上，固液配比可在0.1%～2%范圍內調節(jié)，溶解效果十分理想。

4 結語

氯化鉀速溶裝置經過多年的設計與改進，在工藝和設備兩方面，比原始的氯化鉀溶解方法都有了長足的進步，解決了壓裂液配制中固體添加的難題，使氯化鉀顆粒溶解更加迅速，而且操作更加流暢。在配液要求不斷精細的今天，氯化鉀溶解更充分，壓裂液質量顯著增加，間接減小了氯化鉀的使用量，降低了物料的使用成本。

同樣，速溶裝置可擴大應用在其他行業(yè)的固體物料配制領域，解決固料下料不暢、溶解不充分的問題，因此，速溶裝置有很高的推廣價值。

［1］崔桂陵.黏土防膨劑［J］.石油大學學報，1989，13（1）：102-109.

［2］嚴文俊，陸一貞.水基壓裂液添加劑的研究［J］.油田化學，1984，1（1）：94-101.

［3］馬春燕.防膨劑注入工藝設計［J］.油氣田地面工程，2010，29（2）：33-34.

［4］佟立軍.機械攪拌槽擋板的研究［J］.有色設備，2005，（3）：17-19.

［5］余國琮.化工機械工程手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2003：4-21.

［6］董干國，王青芬，陳強，等.調漿攪拌槽研究與應用［J］.有色金屬（選礦部分），2013，（增刊）：230-235.

［7］陳強，張建輝，董干國，等.不同導流筒結構的調漿攪拌槽流場分析［J］.有色金屬（選礦部分），2014，（6）：75-79.