曹義平

(陜西延長(zhǎng)石油壓裂材料有限公司西安710054)

探析石油壓裂支撐劑—陶粒砂造粒機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

曹義平

(陜西延長(zhǎng)石油壓裂材料有限公司西安710054)

油氣井壓裂過(guò)程中使用的一種專用材料—陶粒砂，一般采用的生產(chǎn)工藝是原料制備（配方）、造粒、燒成和冷卻。在這四大生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，造粒作為基礎(chǔ)環(huán)節(jié)具有舉足輕重的作用，此環(huán)節(jié)的半成品直接影響到產(chǎn)品后期的粒度、圓球度、破碎率和濁度等指標(biāo)。要想生產(chǎn)出好的半成品，就需要有好的設(shè)備—造粒機(jī)。縱觀我國(guó)的陶粒砂行業(yè)，主要采用的是國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口兩大體系，國(guó)產(chǎn)設(shè)備基本原理是”滾元宵”，主要用的是糖衣鍋式造粒機(jī)。經(jīng)過(guò)這幾年的技術(shù)創(chuàng)新和局部改進(jìn)，不管是造粒的效率、質(zhì)量，還是設(shè)備的運(yùn)行成本、工人的操作環(huán)境等方面，均能與進(jìn)口設(shè)備相媲美，此類設(shè)備將是我國(guó)陶粒砂生產(chǎn)企業(yè)在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)采用的理想設(shè)備。

陶粒砂造粒機(jī)

石油、天然氣行業(yè)作為我國(guó)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(huì)需求的增加，石油、天然氣井的開(kāi)采深度越來(lái)越深，全世界低滲透礦床的開(kāi)采越來(lái)越多，因此，衍生出了壓裂技術(shù)。壓裂技術(shù)中所使用的一種專用材料，即石油壓裂支撐劑—陶粒砂。是以高鋁礬土為主要原料，經(jīng)過(guò)混料、造粒、高溫煅燒而制成的新型壓裂材料，是石英砂壓裂支撐劑的替代產(chǎn)品，可延長(zhǎng)油、氣井的使用壽命，并能提高油、氣產(chǎn)量，已被石油、天然氣開(kāi)采行業(yè)廣泛采用，獲得的經(jīng)濟(jì)效益也是十分可觀的。

1 陶粒砂造粒機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)狀

陶粒砂是一種特種陶瓷顆粒產(chǎn)品，具有很高的承壓強(qiáng)度，此產(chǎn)品一般采用的生產(chǎn)工藝是原料制備（配方）、造粒、燒成和冷卻。在這四大生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，配方是根本，造粒是基礎(chǔ)，燒成是關(guān)鍵。沒(méi)有好的配方，必然生產(chǎn)不出好的產(chǎn)品，但作為此工藝中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)具有舉足輕重的作用，概括起來(lái)，它的作用有兩個(gè)：

（1）早期半成品的強(qiáng)度影響后期成品的承壓強(qiáng)度。造粒后的半成品有了一定的早期強(qiáng)度，在篩分、輸送過(guò)程中破損率就會(huì)很低；反之，破損率就會(huì)很高。另外，半成品陶粒密度高，后期成品強(qiáng)度就將高。如造粒不好，半成品陶粒松疏，就會(huì)影響后期成品強(qiáng)度，在某種程度上講，它是保證陶粒后期成品強(qiáng)度的基礎(chǔ)。

（2）直接決定陶粒砂的質(zhì)量，主要體現(xiàn)在圓度、光潔度等外觀質(zhì)量和承壓強(qiáng)度、濁度、耐酸堿等內(nèi)在質(zhì)量。在諸多因素中，造粒質(zhì)量無(wú)疑是十分重要的。造粒質(zhì)量高，氣孔封閉性好，毛細(xì)孔少而細(xì)化，表面無(wú)毛刺，可以使它粒度均勻，光潔度好。在使用過(guò)程中，把支撐劑混入壓裂液中，利用高壓手段注入深層巖石裂縫中支撐巖層，就會(huì)減小破損、堆積后形成規(guī)則縫隙，可提高導(dǎo)油率，增加原油、氣的產(chǎn)量。

設(shè)備是為工藝服務(wù)的，隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)設(shè)備提出的要求越來(lái)越高，從而促進(jìn)了設(shè)備的發(fā)展。而一種新設(shè)備的發(fā)展，往往會(huì)帶來(lái)一系列的工藝變革。陶粒砂造粒工藝的優(yōu)劣，決定著最終產(chǎn)品的質(zhì)量。就陶粒砂行業(yè)造粒環(huán)節(jié)而言，可為百花齊放，各家各樣。但就其國(guó)內(nèi)造粒的原理基本上都是一樣的，所謂的“滾元宵”原理，即事先加入“引子”，在霧化噴水的情況下，不斷加入物料，通過(guò)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。

從2010年開(kāi)始，我們先后分別對(duì)全國(guó)涉及造粒環(huán)節(jié)的行業(yè)進(jìn)行了深度調(diào)研，其中有化工行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)、建材行業(yè)和無(wú)機(jī)非材料行業(yè)等等，單就造粒環(huán)節(jié)而言，由于物料的料性存在很大差異，使之造粒環(huán)節(jié)的工藝也大不相同，比如化工行業(yè)采用懸滴法，醫(yī)藥行業(yè)的擠出法，水泥行業(yè)的盤式成球法，無(wú)機(jī)行業(yè)的噴霧法等等。

為了摸清國(guó)內(nèi)造粒的現(xiàn)狀，我們先后前往甘肅天水、陜西商洛等地對(duì)制藥行業(yè)的丸劑成型設(shè)備進(jìn)行了考察，認(rèn)為其成型機(jī)理不適應(yīng)生產(chǎn)陶粒砂產(chǎn)品的要求，且設(shè)備產(chǎn)量極低。對(duì)四川、南京等地的高速攪齒造粒機(jī)進(jìn)行了考察，此設(shè)備能實(shí)現(xiàn)連續(xù)化大生產(chǎn)，但造出的粒不規(guī)則且成品率較低；在上海我們考察了西德愛(ài)立許公司生產(chǎn)的R15型強(qiáng)力制粒機(jī)，并用兩種不同的原料做了造粒試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，此設(shè)備能滿足連續(xù)、自動(dòng)化大生產(chǎn)，造出的粒早期強(qiáng)度高，但圓球度稍差。國(guó)內(nèi)河南洛陽(yáng)、四川勝利油田已引進(jìn)該設(shè)備。河南鄭州和鞏義，山東淄博，山西垣曲，江蘇南京，安徽滁州等地生產(chǎn)的陶粒砂造粒機(jī)，其結(jié)構(gòu)形式主要為“糖衣鍋”式造粒機(jī)，鍋體直徑大小差別很大，傳動(dòng)方式也有所不同，造出的陶粒砂半成品強(qiáng)度差別也比較大，但圓球度、光潔度比較好。

2 陶粒砂造粒設(shè)備類型

縱觀國(guó)內(nèi)陶粒砂行業(yè)，造粒環(huán)節(jié)所用造粒機(jī)分為國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口的兩種，國(guó)產(chǎn)普遍采用的是“滾元宵”原理的糖衣鍋式造粒機(jī)，目前，此類造粒機(jī)已由以前的Ф1.2m，Ф1.8m發(fā)展到了如今的Ф3.6m，Ф4.5m，同等的生產(chǎn)規(guī)模所需造粒機(jī)的數(shù)量大大減少，占地面積也隨之減小，大直徑自動(dòng)下料造粒機(jī)在大生產(chǎn)中已被使用，基本上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)連續(xù)化生產(chǎn)。西德愛(ài)立許公司生產(chǎn)的R型強(qiáng)力混合機(jī)采用的是”揉面”原理的密封式桶狀造粒機(jī)，其為一次性添加物料和水，通過(guò)星型料盤和高速轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的作用力進(jìn)行連續(xù)的、逆流相對(duì)運(yùn)動(dòng)的高強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)、擠壓和研磨，使物料能夠在很短的時(shí)間內(nèi)形成類似球狀的顆粒產(chǎn)品。現(xiàn)將我國(guó)目前陶粒砂造粒環(huán)節(jié)的造粒設(shè)備的類型分述如下：

2.1 第一種類型

老式糖衣鍋式造粒機(jī)，見(jiàn)圖1。

圖1 老式糖衣鍋式造粒機(jī)

⑴工作原理：此設(shè)備系固定轉(zhuǎn)速式造粒機(jī)，工作時(shí)，事先加入晶種，在霧化噴水的情況下，不斷加入物料，通過(guò)鍋體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使物料在鍋內(nèi)翻滾，滑移摩擦研磨，最后得到球狀的陶粒砂半成品。

⑵主要優(yōu)點(diǎn)：①所造的陶粒砂半成品圓球度很好，表面光潔度好，強(qiáng)度一般。②單機(jī)占地面積小，能耗較低。

⑶缺點(diǎn)：①產(chǎn)能低，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)控制，人工加料，勞動(dòng)力強(qiáng)度大。②造成造粒過(guò)程中粉塵較大，工作環(huán)境較差。③此設(shè)備的維修量較大，單機(jī)產(chǎn)量低。

2.2 第二種類型

滾筒造粒機(jī)，見(jiàn)圖2。

圖2 滾筒造粒機(jī)

⑴工作原理：此設(shè)備系自落式雙錐攪拌造粒機(jī)，滾筒由齒圈和橡膠托輪傳動(dòng)，沿筒內(nèi)壁圓周安裝了四個(gè)攪拌葉片。工作時(shí)，事先加入晶種，在霧化噴水的情況下，不斷加入物料，筒體繞其自身軸旋轉(zhuǎn)。利用葉片對(duì)筒內(nèi)物料進(jìn)行提升、灑落和沖擊作用，使物料的相互位置不斷進(jìn)行重新分布而得以攪拌成球，正轉(zhuǎn)攪拌成球，反轉(zhuǎn)出料。

⑵主要優(yōu)點(diǎn)：①能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)控制，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料和出料，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低。②生產(chǎn)效率較高，能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求。③所造的陶粒砂半成品圓球度較好，但不如糖衣鍋式造粒機(jī)，強(qiáng)度較大。④工人的勞動(dòng)環(huán)境有所改善。

⑶缺點(diǎn)：①此設(shè)備噪音大，震動(dòng)大，占地面積大。②一次投入費(fèi)用較大，能耗也較大，不便于維修。③單機(jī)產(chǎn)量小。

2.3 第三種類型

德國(guó)愛(ài)立許公司生產(chǎn)的強(qiáng)力混合機(jī)，見(jiàn)圖3。

圖3 德國(guó)愛(ài)立許公司生產(chǎn)的強(qiáng)力混合機(jī)

⑴工作原理：在混合機(jī)的料盤中，偏心安裝攪拌星與高速轉(zhuǎn)子。一次性加入物料和水，料盤以低速順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，連續(xù)不斷地將物料送入中速逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌星的運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡內(nèi)，借助料盤旋轉(zhuǎn)及刮料板的作用，將物料翻轉(zhuǎn)送入高速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的高速轉(zhuǎn)子運(yùn)行的軌跡內(nèi)進(jìn)行連續(xù)的、逆流相對(duì)運(yùn)動(dòng)的高強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)、擠壓和研磨，使物料能夠在很短的時(shí)間內(nèi)形成類似球狀的顆粒產(chǎn)品。

⑵主要優(yōu)點(diǎn):①生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)的陶粒砂產(chǎn)品粒度均勻，圓球度較好，強(qiáng)度高。②此設(shè)備能耗低。③操作安全可靠，混合機(jī)連帶有PLC的控制系統(tǒng)，可視化操作。④設(shè)備密封性好，能實(shí)現(xiàn)集中除塵，無(wú)粉體擴(kuò)散，工人的勞動(dòng)環(huán)境得到極大改善。⑤此設(shè)備在造粒過(guò)程中人為影響造粒質(zhì)量的因素較少。

⑶缺點(diǎn):①此設(shè)備一次性投入比較大，高速攪拌的星型盤磨損較快，易損件費(fèi)用高。②所制成的陶粒砂顆粒圓球度不如糖衣鍋式造粒機(jī)。

2.4 第四種類型

盤式成球機(jī)，見(jiàn)圖4。

圖4 盤式成球機(jī)

⑴工作原理：盤石成球機(jī)就水泥生產(chǎn)中的造粒設(shè)備的更新機(jī)型。是在成球盤的料盤中，偏心安裝攪拌輥。料盤以低速順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，連續(xù)不斷地將物料送入中速逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌輥的運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡內(nèi)，使物料在旋轉(zhuǎn)的盤里受到重力、摩擦力、粘結(jié)力和離心力的作用下沿一定軌跡做拋物線運(yùn)動(dòng)，使物料能夠在短時(shí)間內(nèi)形成類似球狀的顆粒產(chǎn)品。

⑵主要優(yōu)點(diǎn)①生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)的陶粒砂產(chǎn)品粒度均勻，圓球度較好，強(qiáng)度較高。②此設(shè)備能耗低，運(yùn)轉(zhuǎn)較平穩(wěn)。

⑶缺點(diǎn):①此設(shè)備設(shè)計(jì)存在死角，容易使物料粘壁。②此設(shè)備敞口太大，很容易使粉塵外溢，工人的工作環(huán)境差，也會(huì)影響設(shè)備的使用壽命。

2.5 第五種類型

托輪式糖衣鍋造粒機(jī)，見(jiàn)圖5。

⑴工作原理：此設(shè)備系固定轉(zhuǎn)速式造粒機(jī)，工作時(shí)，事先加入晶種，在霧化噴水的情況下，不斷加入物料，通過(guò)鍋體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使物料在鍋內(nèi)翻滾，滑移摩擦研磨，最后得到球狀的陶粒砂半成品。

⑵主要優(yōu)點(diǎn)：①所造的陶粒砂半成品圓球度很好，強(qiáng)度較大。②生產(chǎn)效率高，單機(jī)產(chǎn)量大。

⑶缺點(diǎn)：①此設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)噪音大，震動(dòng)較大。②托輪式糖衣鍋造粒機(jī)，軸承損壞頻率較高，托輪裝置磨損嚴(yán)重，維修量較大；中心軸式糖衣鍋造粒機(jī)清鍋不便，收塵效果不好，粉塵外溢比較嚴(yán)重。③托輪式和中心軸式糖衣鍋造粒機(jī)不能自動(dòng)出料。

2.6 第六種類型

新型糖衣鍋式造粒機(jī)（Ф3.6m以上），見(jiàn)圖6。

圖6 新型糖衣鍋式造粒機(jī)

⑴工作原理與第一種和第五種類型糖衣鍋式造粒機(jī)相同。

⑵設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)：①該造粒機(jī)取消了齒圈，極大的減小了車間噪音，降低了造粒機(jī)使用維護(hù)費(fèi)用。②該造粒機(jī)采用臥式減速機(jī)直接傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)振動(dòng)運(yùn)行，降低了能耗，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。③傳動(dòng)部位密封嚴(yán)密，裝配有軸承定時(shí)潤(rùn)滑啟動(dòng)裝置和減速機(jī)循環(huán)潤(rùn)滑油泵，大大降低了設(shè)備故障率。④該設(shè)備采用了變頻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)和軟停車功能，保護(hù)了減速機(jī)和電機(jī)，又延長(zhǎng)了設(shè)備易損件的更換周期。⑤該造粒機(jī)造粒倉(cāng)采用了淺碟形鍋體，旋壓成型，鍋體厚度均勻、表面光滑無(wú)死角，并且鍋體直徑大，擠壓力大，物料接觸鍋體面積大，極大的提高了成球率和半成品的強(qiáng)度。⑥該陶粒砂造粒機(jī)采用了全封閉式設(shè)計(jì)，能與收塵裝置很好的銜接，粉塵泄漏量大幅度減少，改善了工作環(huán)境，減少了物料的損失。⑦該造粒機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)上料和出料，提高了設(shè)備利用率，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)化大生產(chǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)陶粒砂行業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)較多，主要分布于河南、河北、山東、山西、江蘇、貴州、四川、內(nèi)蒙和陜西等地，各生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力主要體現(xiàn)在生產(chǎn)成本方面，而要降低生產(chǎn)成本，在其他條件等同的情況下，提高造粒的產(chǎn)量和質(zhì)量已引起了人們的高度重視。綜上所述，我認(rèn)為陶粒砂生產(chǎn)過(guò)程造粒環(huán)節(jié)的造粒設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)是大直徑、大容量、自動(dòng)化、智能化、高效化和環(huán)保化，目前國(guó)產(chǎn)新型糖衣鍋式造粒機(jī)能滿足以上要求，是大多數(shù)陶粒砂生產(chǎn)企業(yè)設(shè)備革新時(shí)可選的、比較先進(jìn)的、性價(jià)比最好的造粒設(shè)備之一，是在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)將要采用的理想設(shè)備。

［1］許志遠(yuǎn)，王立文.高效包衣機(jī)用于包制糖衣的設(shè)備改進(jìn)與工藝研究，機(jī)電信息，2013（20）：374-37.

［2］程志源，高云龍.預(yù)加水成球工藝及調(diào)試，水泥技術(shù)，1990.05..

［3］席超.陶粒砂混合制粒機(jī)懸臂轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，道客巴巴.2013.05.31.

收稿：2015-05-18

圖5 托輪式糖衣鍋造粒機(jī)

10.16206∕j.cnki.65-1136∕tg.2015.05.034