淺析影響石油壓裂支撐劑——陶粒砂質(zhì)量的主要因素

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(tài)的支撐物，系一種剛玉型陶瓷質(zhì)體的顆粒產(chǎn)品。此產(chǎn)品一般采用的生產(chǎn)工藝是原料制備、造粒、燒成和冷卻。通過對這四大生產(chǎn)環(huán)節(jié)中影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素系統(tǒng)的分析，最終歸結(jié)為三句話：配方是根本，造粒是基礎(chǔ)，燒成是關(guān)鍵。

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-2874(2015)04-0034-03

DOI:10.13958/j.cnki.ztcg.2015.04.009收稿日期：2015-06-15。 修訂日期：2015-06-18。通信聯(lián)系人：曹義平，男，工程師。

Received date: 2015-06-15. Revised date: 2015-06-18. Correspondent author:CAO Yiping, male, Engineer.

E-mail:47665780@qq.com

Main Quality Affecting Factors for Fracturing Propping Ceramsite

CAO Yiping

(Shaanxi Yanchang Oilfield Fracturing Materials Co., Ltd., Xian 715500, Shanxi, China)

Abstract:Fracturing propping ceramsite is corundum ceramic sand which keeps the induced rock fracture open. The propping ceramsite is prepared through the process from material treatment to granulation, firing and cooling. The analysis of quality affecting factors in the process indicates: recipes are essential, granulation is fundamental and firing is critical.

Key words:ceramsite; raw material; granulation; firing; cooling

石油、天然氣行業(yè)作為我國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的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，形成一個具有高導(dǎo)流能力的通道。為保持壓裂后形成的裂縫，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(qiáng)度，系一種剛玉型陶瓷質(zhì)體的顆粒產(chǎn)品。 此產(chǎn)品一般采用的生產(chǎn)工藝是原料制備、造粒、燒成和冷卻。下面就從這四個環(huán)節(jié)對陶粒砂生產(chǎn)過程中影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素分析如下。

1 原料制備

1.1 配 方

一個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，配方作為一個產(chǎn)品問世前的第一步，顯得尤為重要。

(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(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)，是先將鋁礬土塊料(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，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，加工工藝簡單，提高了生產(chǎn)效率，保證了混合料的相對均勻性。

(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(jī)的孔徑多以毫米計算，所以在應(yīng)用時要進(jìn)行單位換算，并進(jìn)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)廠家將原料粒度多控制在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，配方就對原料的粒度提出了更高要求，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。

(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結(jié)果。

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(dǎo)致設(shè)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(dǎo)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(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。

1.2 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就是混料機(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，同時還影響能耗。二是混合時間，混合時間的概念應(yīng)是各物料混合均勻(以混合均勻度衡量)所用的最短時間，并非混合時間越長越好，哲人說“物以類聚”，各種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?；旌系木鶆蛐允潜ＷC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(yù)混料，其所有組分應(yīng)是均勻分布的，隨機(jī)抽樣化驗，它的多個組分間的比例應(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，才不會出現(xiàn)大的水滴，半成品就不會出現(xiàn)急劇的體積增長和顆?？招牡葐栴}，使其增長過程循環(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(jìn)入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進(jìn)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(fēng)不良，料層厚度增加，導(dǎo)致下層料欠燒，嚴(yán)重時會出現(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)。

3.1 燒成溫度

燒成溫度對陶粒砂的性能影響很大。如果燒成溫度低了，產(chǎn)品出現(xiàn)欠燒，成品的破碎率就高，酸溶解度也大；而燒成溫度高了，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(xì)粉相互溶解，就產(chǎn)生了大量的液相，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，會導(dǎo)致停產(chǎn)。

3.2 風(fēng)量和風(fēng)壓

陶粒砂在回轉(zhuǎn)窯燒成過程中是在負(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。

3.3 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)點是成分穩(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。

3.4 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)均選用的都是兩段式煤氣發(fā)生爐用來生產(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(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，能方便的調(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?，F(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(jìn)行冷卻，此方法能使陶粒砂冷卻均勻。但冷卻窯的直徑、長度選擇，揚料板的布置方式、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，歸結(jié)為三句話：配方是根本，造粒是基礎(chǔ)，燒成是關(guān)鍵。