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。壓裂技術是提高油氣產(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，以超過地層破裂強度的壓力，使井筒周圍巖石層產(chǎn)生裂縫，形成一個具有高導流能力的通道。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，相對體積密度較小，有一定圓球度，有很高的承壓強度，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。本文就從這四個環(huán)節(jié)出發(fā)對陶粒砂生產(chǎn)過程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素進行了詳細地分析。

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)歷一個漫長的過程，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，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，做法是先將鋁礬土礦破碎后用雷蒙磨進行研磨，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行配比混合待用；另一種做法為先配料后磨細，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，進入球磨機進行研磨，利用選粉機得到所需的混合料。用這兩種工藝進行生產(chǎn)，前一種做法工藝比較繁瑣，設備能耗比較大，還存在單料磨細時的交叉污染，關鍵問題是單料磨細后按既定配方進行配比時，各單料添加的先后順序不同，對最終混合料的均勻度有嚴重的影響；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，加工工藝簡單，提高了生產(chǎn)效率，保證了混合料的相對均勻性。

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，配方對粉碎粒度的要求多以目數(shù)表示，但在實際生產(chǎn)中，粉碎機的孔徑多以毫米計算，所以在應用時要進行單位換算，并進行粉碎粒度檢測，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)量再上一個臺階，配方對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。提高原料細度是目前陶粒砂行業(yè)的發(fā)展趨勢。

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，會對生產(chǎn)工藝各部分造成許多不良影響：

（1）對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，就會導致設備空轉(zhuǎn)時間增長、無用功增多，不僅影響了生產(chǎn)效率、增加了生產(chǎn)成本，同時增大了工段間的配合難度，不利于生產(chǎn)工作的開展。

（2）對配料工序的不良影響

由于原料品種多而配料倉少，不僅會增加生產(chǎn)過程中的原料倒倉次數(shù)，還會因為配方原料品種過多而導致配料時間增長、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，就會延長混合時間，又進一步導致生產(chǎn)成本的增加和生產(chǎn)效率的下降。

（3）對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，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

對產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和色差起決定作用的是混料機的混合均勻度（用變異系數(shù)CV%值表示，我國部頒標準規(guī)定變異系數(shù)應小于7%）。影響混合均勻度的因素主要有兩方面，一是混合機本身的性能，其漿葉形式、葉片傾角、外形等都能影響其性能，同時還影響能耗。二是混合時間，混合時間的概念應是各物料混合均勻（以混合均勻度衡量）所用的最短時間，并非混合時間越長越好，哲人說“物以類聚”，陶粒砂原料也遵循這一規(guī)律，混合時間太長，各物料反而會重新分級。混合的均勻性是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵。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，必須科學地選定設備、混合時間和加料順序，工藝流程盡量簡潔，力求混合均勻。優(yōu)質(zhì)的預混料，其所有組分應是均勻分布的，隨機抽樣化驗，它的多個組分間的比例應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)急劇的體積增長和顆粒空心等問題，使其增長過程循環(huán)有序，達到產(chǎn)品所要求的粒度與強度。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（由于成球時給料，給水不均勻產(chǎn)生）時，進入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進行煅燒，其水份會急劇蒸發(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)窯的流動阻力增大，通風不良，料層厚度增加，導致下層料欠燒，嚴重時會出現(xiàn)“結(jié)圈”，產(chǎn)生廢料。因此，嚴格控制半成品的質(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期的顯微結(jié)構(gòu)、形成晶相的關鍵工序，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間的延長，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，這個過程就是燒結(jié)(或者叫燒成)。

4.1 燒成溫度

燒成溫度對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)窯運行中半成品脫下的細粉相互溶解，產(chǎn)生大量的液相，使陶粒顆粒粘結(jié)在一起，如果不及時采取降溫措施，就會形成大塊的廢料，甚至出現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈事故，導致停產(chǎn)。

4.2 風量和風壓

陶粒砂在回轉(zhuǎn)窯燒成是在負壓狀態(tài)下進行的 （即為氧化氣氛）。若引風機風量和風壓不足，就會使回轉(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。若風量和風壓過大，不僅增加電耗，浪費能源，且有可能出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。因此引風機的選擇和控制，掌握最佳工藝參數(shù)十分重要，它是穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵技術之一。

4.3 燃料

陶粒砂在高溫燒成過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≥1250℃，含硫量≤1%，灰分≤18%。后者一般由天然氣公司采用罐車運輸至廠家或者自建氣柜以穩(wěn)定天然氣的壓力，其優(yōu)點是成份穩(wěn)定，壓力恒定，投入的人力少，對環(huán)境的污染相對較小，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。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、自動化程度高、勞動強度低、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，但對煤的膨脹系數(shù)要求較嚴格，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)高溫燒結(jié)后進入冷卻窯冷卻，冷卻效果的好壞與產(chǎn)品的最終內(nèi)在質(zhì)量有密切的關系。在選擇冷卻方式時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窯體進行冷卻，此方法能使陶粒砂冷卻均勻。但冷卻窯的直徑、長度、高度、揚料板的布置方式、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、先進的前提下，掌握好每一個生產(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，燒成是關鍵。只有把握每個工序，才能生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。

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