影响石油压裂支撑剂

    曹义平

    摘 要：石油压裂支撑剂——陶粒砂，是使地层深处岩石裂隙保持裂开状态的支撑物，系一种刚玉型陶瓷质体的颗粒产品。此产品的生产流程主要为原料制备、造粒、烧成和冷却。通过对这四大生产环节中影响产品质量的因素进行了系统的分析，最终归结为：配方是根本，造粒是基础，烧成是关键。

    关键词：陶粒砂；原料；造粒；烧成；冷却

    1 前言

    石油、天然气行业作为世界主要能源支柱产业，随着石油工业的发展和社会需求的增加，石油、天然气井的开采深度越来越深，全世界低渗透矿床的开采越来越多，因此，衍生出了压裂技术。压裂技术是提高油气产量的重要手段，它是利用油田专用压裂车人为地把流体注入岩石基层，以超过地层破裂强度的压力，使井筒周围岩石层产生裂缝，形成一个具有高导流能力的通道。为使压裂后形成的裂缝在泄压后不再闭合，油气能够顺畅通过，注入颗粒状的支撑剂——陶粒砂是重要措施之一。利用高铝矾土为主要原料生产的陶粒砂是近几年发展起来的新型压裂材料，是石英砂压裂支撑剂的替代产品。

    石油压裂支撑剂——陶粒砂，最常用的粒径在0.425～0.850 mm之间，相对体积密度较小，有一定圆球度，有很高的承压强度，是一种刚玉型陶瓷质体的颗粒产品。 此产品一般采用的生产流程主要为原料制备、造粒、烧成和冷却。本文就从这四个环节出发对陶粒砂生产过程中影响产品质量的因素进行了详细地分析。

    2 原料制备

    2.1 配方

    好的配方从其提出研发，到生产制造，再到产品使用后的效果反馈需要经历一个漫长的过程，配方作为产品问世前的第一步，显得尤为重要。

    2.1.1配方决定原料的加工工艺

    在生产陶粒砂时，都要用到以铝矾土为主料的混合料，但加工工艺却不相同。一种为单料磨细，做法是先将铝矾土矿破碎后用雷蒙磨进行研磨，得到我们所需的铝矾土单体粉料之后，与其它种类的辅助单体粉料按既定配方进行配比混合待用；另一种做法为先配料后磨细，将铝矾土块料（Φ80 mm以下）与其它种类的辅料按配方比例混合后，进入球磨机进行研磨，利用选粉机得到所需的混合料。用这两种工艺进行生产，前一种做法工艺比较繁琐，设备能耗比较大，还存在单料磨细时的交叉污染，关键问题是单料磨细后按既定配方进行配比时，各单料添加的先后顺序不同，对最终混合料的均匀度有严重的影响；而第二种做法，不仅能将各单体矿料按既定配比混合充分，又能将研磨后的粉料混合均匀，加工工艺简单，提高了生产效率，保证了混合料的相对均匀性。

    2.1.2配方决定原料的粉碎粒度

    原料的粉碎粒度依据配方的要求而有所不同。一般来说，配方对粉碎粒度的要求多以目数表示，但在实际生产中，粉碎机的孔径多以毫米计算，所以在应用时要进行单位换算，并进行粉碎粒度检测，以确定最佳生产工艺参数。就陶粒砂行业而言，目前，大多数生产厂家将原料粒度控制在325目，就可满足生产要求，但要想使产品质量再上一个台阶，配方对原料的粒度意义提出了更高的要求，现已有部分生产厂家将原料粒度控制在400目，使用效果良好。提高原料细度是目前陶粒砂行业的发展趋势。

    2.1.3配方影响生产效率与生产成本

    在一般的陶粒砂厂中，配料仓的数量是固定的，如果出现配方中原料品种多于配料仓数量的情况，会对生产工艺各部分造成许多不良影响：

    （1） 对上料工序的不良影响

    由于原料品种多而配料仓少，而且配料仓的容积有限，所以上料品种必须频繁更换，但为了保证上料质量，避免原料间的交叉污染，就会导致设备空转时间增长、无用功增多，不仅影响了生产效率、增加了生产成本，同时增大了工段间的配合难度，不利于生产工作的开展。

    （2） 对配料工序的不良影响

    由于原料品种多而配料仓少，不仅会增加生产过程中的原料倒仓次数，还会因为配方原料品种过多而导致配料时间增长、配料批次减少，如果是小料添加品种多而杂，为了确保产品质量，就会延长混合时间，又进一步导致生产成本的增加和生产效率的下降。

    （3） 对制粒工序的不良影响

    混合料的可塑性是保证陶粒砂表面光洁度的主要控制参数。确定配方时，必须加入一定量的可塑性原料，若可塑性原料加入过多，则易造成粘锅；若可塑性原料加入过少，则影响陶粒砂的表面光洁度。

    2.2 混合均匀度

    对产品质量的稳定性和色差起决定作用的是混料机的混合均匀度（用变异系数CV%值表示，我国部颁标准规定变异系数应小于7%）。影响混合均匀度的因素主要有两方面，一是混合机本身的性能，其浆叶形式、叶片倾角、外形等都能影响其性能，同时还影响能耗。二是混合时间，混合时间的概念应是各物料混合均匀（以混合均匀度衡量）所用的最短时间，并非混合时间越长越好，哲人说“物以类聚”，陶粒砂原料也遵循这一规律，混合时间太长，各物料反而会重新分级。混合的均匀性是保证产品质量的关键。陶粒砂的物料混合虽然仅是物理过程，但由于原料密度等特性差异明显，必须科学地选定设备、混合时间和加料顺序，工艺流程尽量简洁，力求混合均匀。优质的预混料，其所有组分应是均匀分布的，随机抽样化验，它的多个组分间的比例应是与配方的配比一致。但由于受各种因素的影响，不同取样间、不同批次间也会存在差异，但要尽量做到差异越小越好。

    3 造粒

    3.1 水压的大小

    造粒是在造粒锅内事先加入“引子”，在雾化喷水的情况下，不断加入物料，通过顺时针锅体旋转，使物料在锅内翻滚、摩擦和挤压，最终形成类似球状的颗粒产品。此过程的喷水须高度雾化，避免出现大的水滴，造成半成品出现急剧的体积增长和颗粒空心等问题，使其增长过程循环有序，达到产品所要求的粒度与强度。因此水的高度雾化就显得尤为重要，而水压是决定高度雾化水的关键。

    3.2 半成品的质量

    半成品的质量直接决定着成品陶粒的质量，当半成品质地疏松，外观毛刺较多，光洁度不好，或半成品水份过大（由于成球时给料，给水不均匀产生）时，进入回转窑内进行煅烧，其水份会急剧蒸发，致使半成品容易产生裂纹甚至炸裂，使陶粒砂料层在回转窑的流动阻力增大，通风不良，料层厚度增加，导致下层料欠烧，严重时会出现“结圈”，产生废料。因此，严格控制半成品的质量是保证陶粒砂产品质量的重要环节之一。

    4 烧成

    烧结是使半成品在高温下获得预期的显微结构、形成晶相的关键工序，直接影响陶粒砂的各种理化性能。在某种意义上讲，陶粒砂的烧结就是其半成品在高温下的致密过程。随着温度的升高和时间的延长，固体颗粒相互结合在一起，粒子间空隙和晶界逐渐减少，最后形成结构致密的烧结体，这个过程就是烧结（或者叫烧成）。

    4.1 烧成温度

    烧成温度对陶粒砂的性能影响很大。如果烧成温度过低，产品出现欠烧，成品的破碎率就高，酸溶解度也大；而烧成温度过高，则在烧成过程中产品表面液相增多，再与回转窑运行中半成品脱下的细粉相互溶解，产生大量的液相，使陶粒颗粒粘结在一起，如果不及时采取降温措施，就会形成大块的废料，甚至出现回转窑结圈事故，导致停产。

    4.2 风量和风压

    陶粒砂在回转窑烧成是在负压状态下进行的（即为氧化气氛）。若引风机风量和风压不足，就会使回转窑烧成带缩短，产量降低，成本增大，产品易出现色差过大，影响外观和内在质量。若风量和风压过大，不仅增加电耗，浪费能源，且有可能出现过烧现象。因此引风机的选择和控制，掌握最佳工艺参数十分重要，它是稳定产品质量的关键技术之一。

    4.3 燃料

    陶粒砂在高温烧成过程需要有较好的燃料为其提供热源。目前，陶粒砂行业烧成过程采用的燃料主要有两种：热煤气和天然气。前者利用煤气发生炉将煤转化而得，被称为热煤气，其温度为450～600 ℃，压力为0.4～0.8 kPa，经过旋风除尘和电捕焦后，通过带有内衬和除灰斗的热煤气管道输送至回转窑。要想得到成份均一，流量和压力稳定的热煤气，须选用符合气化工艺指标的弱粘结性烟煤、无烟煤或焦煤等块煤为气化原料，粒度20～60 mm，热值≥6500 kCal，灰熔点≥1250 ℃，含硫量≤1%，灰分≤18%。后者一般由天然气公司采用罐车运输至厂家或者自建气柜以稳定天然气的压力，其优点是成份稳定，压力恒定，投入的人力少，对环境的污染相对较小，但其成本较热煤气要高出许多。因此，我国目前一般陶粒砂生产企业采用的很少。

    4.4 制气

    将原煤最大限度的转化成煤气，为烧成提供较稳定的热源，是生产企业极力追求的目标。陶粒砂行业都是选用两段式煤气发生炉来生产发生炉热煤气，其气化效率高、热值高、自动化程度高、劳动强度低、操作环境较好。目前，国内的两段式煤气发生炉有两种，一种是用耐火砖砌筑的十子隔墙式；另一种不锈钢制作的中心管式。前者炉膛蓄热效果好，但对煤的膨胀系数要求较严格，煤种选择面窄；后者蓄热效果略差，但煤种选择面广。中心管用来提取底部煤气，其作用为： ①与耐火通道共同组成干馏加热空间，形成内外两层环形辐射热源。 ②耐火通道共同组成炉膛截面燃烧平衡系统，避免了一些两段炉燃烧中心黑洞问题，能方便地调节炉膛燃烧状况。

    5 冷却

    陶粒砂半成品经高温烧结后进入冷却窑冷却，冷却效果的好坏与产品的最终内在质量有密切的关系。在选择冷却方式时要着重考虑冷却气流与陶粒砂热交换的能量传递。尽可能的提高高温陶粒砂与冷空气的接触面积，才能达到快速冷却的目的。现生产企业均采用给冷却窑窑口至三分之二处用喷淋水的方法对窑体进行冷却，此方法能使陶粒砂冷却均匀。但冷却窑的直径、长度、高度、扬料板的布置方式、窑的转速等参数的确定十分重要。

    6 结语

    综上所述，在生产工艺可行、高效、先进的前提下，掌握好每一个生产环节的最佳控制参数，产品质量才能得以保证。就陶粒砂的生产而言，归结为：配方是根本，造粒是基础，烧成是关键。只有把握每个工序，才能生产出优质的产品。

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