影響石油壓裂支撐劑

曹義平

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狀態的支撐物，系一種剛玉型陶瓷質體的顆粒產品。此產品的生產流程主要為原料制備、造粒、燒成和冷卻。通過對這四大生產環節中影響產品質量的因素進行了系統的分析，最終歸結為：配方是根本，造粒是基礎，燒成是關鍵。

關鍵詞：陶粒砂；原料；造粒；燒成；冷卻

1 前言

石油、天然氣行業作為世界主要能源支柱產業，隨著石油工業的發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的陶粒砂是近幾年發展起來的新型壓裂材料，是石英砂壓裂支撐劑的替代產品。

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體的顆粒產品。 此產品一般采用的生產流程主要為原料制備、造粒、燒成和冷卻。本文就從這四個環節出發對陶粒砂生產過程中影響產品質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，到生產制造，再到產品使用后的效果反饋需要經歷一個漫長的過程，配方作為產品問世前的第一步，顯得尤為重要。

2.1.1配方決定原料的加工工藝

在生產陶粒砂時，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，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，提高了生產效率，保證了混合料的相對均勻性。

2.1.2配方決定原料的粉碎粒度

原料的粉碎粒度依據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表示，但在實際生產中，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，以確定最佳生產工藝參數。就陶粒砂行業而言，目前，大多數生產廠家將原料粒度控制在325目，就可滿足生產要求，但要想使產品質量再上一個臺階，配方對原料的粒度意義提出了更高的要求，現已有部分生產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的發展趨勢。

2.1.3配方影響生產效率與生產成本

在一般的陶粒砂廠中，配料倉的數量是固定的，如果出現配方中原料品種多于配料倉數量的情況，會對生產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，但為了保證上料質量，避免原料間的交叉污染，就會導致設備空轉時間增長、無用功增多，不僅影響了生產效率、增加了生產成本，同時增大了工段間的配合難度，不利于生產工作的開展。

（2） 對配料工序的不良影響

由于原料品種多而配料倉少，不僅會增加生產過程中的原料倒倉次數，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，為了確保產品質量，就會延長混合時間，又進一步導致生產成本的增加和生產效率的下降。

（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。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

對產品質量的穩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CV%值表示，我國部頒標準規定變異系數應小于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品質量的關鍵。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。優質的預混料，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，使物料在鍋內翻滾、摩擦和擠壓，最終形成類似球狀的顆粒產品。此過程的噴水須高度霧化，避免出現大的水滴，造成半成品出現急劇的體積增長和顆粒空心等問題，使其增長過程循環有序，達到產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 半成品的質量

半成品的質量直接決定著成品陶粒的質量，當半成品質地疏松，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，給水不均勻產生）時，進入回轉窯內進行煅燒，其水份會急劇蒸發，致使半成品容易產生裂紋甚至炸裂，使陶粒砂料層在回轉窯的流動阻力增大，通風不良，料層厚度增加，導致下層料欠燒，嚴重時會出現“結圈”，產生廢料。因此，嚴格控制半成品的質量是保證陶粒砂產品質量的重要環節之一。

4 燒成

燒結是使半成品在高溫下獲得預期的顯微結構、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，固體顆粒相互結合在一起，粒子間空隙和晶界逐漸減少，最后形成結構致密的燒結體，這個過程就是燒結（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，產品出現欠燒，成品的破碎率就高，酸溶解度也大；而燒成溫度過高，則在燒成過程中產品表面液相增多，再與回轉窯運行中半成品脫下的細粉相互溶解，產生大量的液相，使陶粒顆粒粘結在一起，如果不及時采取降溫措施，就會形成大塊的廢料，甚至出現回轉窯結圈事故，導致停產。

4.2 風量和風壓

陶粒砂在回轉窯燒成是在負壓狀態下進行的（即為氧化氣氛）。若引風機風量和風壓不足，就會使回轉窯燒成帶縮短，產量降低，成本增大，產品易出現色差過大，影響外觀和內在質量。若風量和風壓過大，不僅增加電耗，浪費能源，且有可能出現過燒現象。因此引風機的選擇和控制，掌握最佳工藝參數十分重要，它是穩定產品質量的關鍵技術之一。

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。前者利用煤氣發生爐將煤轉化而得，被稱為熱煤氣，其溫度為450～600 ℃，壓力為0.4～0.8 kPa，經過旋風除塵和電捕焦后，通過帶有內襯和除灰斗的熱煤氣管道輸送至回轉窯。要想得到成份均一，流量和壓力穩定的熱煤氣，須選用符合氣化工藝指標的弱粘結性煙煤、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定天然氣的壓力，其優點是成份穩定，壓力恒定，投入的人力少，對環境的污染相對較小，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企業采用的很少。

4.4 制氣

將原煤最大限度的轉化成煤氣，為燒成提供較穩定的熱源，是生產企業極力追求的目標。陶粒砂行業都是選用兩段式煤氣發生爐來生產發生爐熱煤氣，其氣化效率高、熱值高、自動化程度高、勞動強度低、操作環境較好。目前，國內的兩段式煤氣發生爐有兩種，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，形成內外兩層環形輻射熱源。 ②耐火通道共同組成爐膛截面燃燒平衡系統，避免了一些兩段爐燃燒中心黑洞問題，能方便地調節爐膛燃燒狀況。

5 冷卻

陶粒砂半成品經高溫燒結后進入冷卻窯冷卻，冷卻效果的好壞與產品的最終內在質量有密切的關系。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。現生產企業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、窯的轉速等參數的確定十分重要。

6 結語

綜上所述，在生產工藝可行、高效、先進的前提下，掌握好每一個生產環節的最佳控制參數，產品質量才能得以保證。就陶粒砂的生產而言，歸結為：配方是根本，造粒是基礎，燒成是關鍵。只有把握每個工序，才能生產出優質的產品。

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