探析石油压裂支撑剂—陶粒砂造粒机的发展趋势

曹义平

(陕西延长石油压裂材料有限公司西安710054)

探析石油压裂支撑剂—陶粒砂造粒机的发展趋势

曹义平

(陕西延长石油压裂材料有限公司西安710054)

油气井压裂过程中使用的一种专用材料—陶粒砂，一般采用的生产工艺是原料制备（配方）、造粒、烧成和冷却。在这四大生产环节中，造粒作为基础环节具有举足轻重的作用，此环节的半成品直接影响到产品后期的粒度、圆球度、破碎率和浊度等指标。要想生产出好的半成品，就需要有好的设备—造粒机。纵观我国的陶粒砂行业，主要采用的是国产和进口两大体系，国产设备基本原理是”滚元宵”，主要用的是糖衣锅式造粒机。经过这几年的技术创新和局部改进，不管是造粒的效率、质量，还是设备的运行成本、工人的操作环境等方面，均能与进口设备相媲美，此类设备将是我国陶粒砂生产企业在相当长一段时间内采用的理想设备。

陶粒砂造粒机

石油、天然气行业作为我国乃至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。压裂技术中所使用的一种专用材料，即石油压裂支撑剂—陶粒砂。是以高铝矾土为主要原料，经过混料、造粒、高温煅烧而制成的新型压裂材料，是石英砂压裂支撑剂的替代产品，可延长油、气井的使用寿命，并能提高油、气产量，已被石油、天然气开采行业广泛采用，获得的经济效益也是十分可观的。

1 陶粒砂造粒机生产现状

陶粒砂是一种特种陶瓷颗粒产品，具有很高的承压强度，此产品一般采用的生产工艺是原料制备（配方）、造粒、烧成和冷却。在这四大生产环节中，配方是根本，造粒是基础，烧成是关键。没有好的配方，必然生产不出好的产品，但作为此工艺中的基础环节具有举足轻重的作用，概括起来，它的作用有两个：

（1）早期半成品的强度影响后期成品的承压强度。造粒后的半成品有了一定的早期强度，在筛分、输送过程中破损率就会很低；反之，破损率就会很高。另外，半成品陶粒密度高，后期成品强度就将高。如造粒不好，半成品陶粒松疏，就会影响后期成品强度，在某种程度上讲，它是保证陶粒后期成品强度的基础。

（2）直接决定陶粒砂的质量，主要体现在圆度、光洁度等外观质量和承压强度、浊度、耐酸碱等内在质量。在诸多因素中，造粒质量无疑是十分重要的。造粒质量高，气孔封闭性好，毛细孔少而细化，表面无毛刺，可以使它粒度均匀，光洁度好。在使用过程中，把支撑剂混入压裂液中，利用高压手段注入深层岩石裂缝中支撑岩层，就会减小破损、堆积后形成规则缝隙，可提高导油率，增加原油、气的产量。

设备是为工艺服务的，随着工艺技术的不断发展，对设备提出的要求越来越高，从而促进了设备的发展。而一种新设备的发展，往往会带来一系列的工艺变革。陶粒砂造粒工艺的优劣，决定着最终产品的质量。就陶粒砂行业造粒环节而言，可为百花齐放，各家各样。但就其国内造粒的原理基本上都是一样的，所谓的“滚元宵”原理，即事先加入“引子”，在雾化喷水的情况下，不断加入物料，通过锅体旋转，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。

从2010年开始，我们先后分别对全国涉及造粒环节的行业进行了深度调研，其中有化工行业、医药行业、建材行业和无机非材料行业等等，单就造粒环节而言，由于物料的料性存在很大差异，使之造粒环节的工艺也大不相同，比如化工行业采用悬滴法，医药行业的挤出法，水泥行业的盘式成球法，无机行业的喷雾法等等。

为了摸清国内造粒的现状，我们先后前往甘肃天水、陕西商洛等地对制药行业的丸剂成型设备进行了考察，认为其成型机理不适应生产陶粒砂产品的要求，且设备产量极低。对四川、南京等地的高速搅齿造粒机进行了考察，此设备能实现连续化大生产，但造出的粒不规则且成品率较低；在上海我们考察了西德爱立许公司生产的R15型强力制粒机，并用两种不同的原料做了造粒试验，试验表明，此设备能满足连续、自动化大生产，造出的粒早期强度高，但圆球度稍差。国内河南洛阳、四川胜利油田已引进该设备。河南郑州和巩义，山东淄博，山西垣曲，江苏南京，安徽滁州等地生产的陶粒砂造粒机，其结构形式主要为“糖衣锅”式造粒机，锅体直径大小差别很大，传动方式也有所不同，造出的陶粒砂半成品强度差别也比较大，但圆球度、光洁度比较好。

2 陶粒砂造粒设备类型

纵观国内陶粒砂行业，造粒环节所用造粒机分为国产和进口的两种，国产普遍采用的是“滚元宵”原理的糖衣锅式造粒机，目前，此类造粒机已由以前的Ф1.2m，Ф1.8m发展到了如今的Ф3.6m，Ф4.5m，同等的生产规模所需造粒机的数量大大减少，占地面积也随之减小，大直径自动下料造粒机在大生产中已被使用，基本上实现了自动连续化生产。西德爱立许公司生产的R型强力混合机采用的是”揉面”原理的密封式桶状造粒机，其为一次性添加物料和水，通过星型料盘和高速转子反向旋转产生的作用力进行连续的、逆流相对运动的高强度的旋转、挤压和研磨，使物料能够在很短的时间内形成类似球状的颗粒产品。现将我国目前陶粒砂造粒环节的造粒设备的类型分述如下：

2.1 第一种类型

老式糖衣锅式造粒机，见图1。

图1 老式糖衣锅式造粒机

⑴工作原理：此设备系固定转速式造粒机，工作时，事先加入晶种，在雾化喷水的情况下，不断加入物料，通过锅体顺时针旋转，使物料在锅内翻滚，滑移摩擦研磨，最后得到球状的陶粒砂半成品。

⑵主要优点：①所造的陶粒砂半成品圆球度很好，表面光洁度好，强度一般。②单机占地面积小，能耗较低。

⑶缺点：①产能低，不能实现自动化连续控制，人工加料，劳动力强度大。②造成造粒过程中粉尘较大，工作环境较差。③此设备的维修量较大，单机产量低。

2.2 第二种类型

滚筒造粒机，见图2。

图2 滚筒造粒机

⑴工作原理：此设备系自落式双锥搅拌造粒机，滚筒由齿圈和橡胶托轮传动，沿筒内壁圆周安装了四个搅拌叶片。工作时，事先加入晶种，在雾化喷水的情况下，不断加入物料，筒体绕其自身轴旋转。利用叶片对筒内物料进行提升、洒落和冲击作用，使物料的相互位置不断进行重新分布而得以搅拌成球，正转搅拌成球，反转出料。

⑵主要优点：①能实现自动化连续控制，能实现自动上料和出料，工人劳动强度低。②生产效率较高，能满足大规模生产的要求。③所造的陶粒砂半成品圆球度较好，但不如糖衣锅式造粒机，强度较大。④工人的劳动环境有所改善。

⑶缺点：①此设备噪音大，震动大，占地面积大。②一次投入费用较大，能耗也较大，不便于维修。③单机产量小。

2.3 第三种类型

德国爱立许公司生产的强力混合机，见图3。

图3 德国爱立许公司生产的强力混合机

⑴工作原理：在混合机的料盘中，偏心安装搅拌星与高速转子。一次性加入物料和水，料盘以低速顺时针方向旋转，连续不断地将物料送入中速逆时针转动的搅拌星的运转轨迹内，借助料盘旋转及刮料板的作用，将物料翻转送入高速逆时针旋转的高速转子运行的轨迹内进行连续的、逆流相对运动的高强度的旋转、挤压和研磨，使物料能够在很短的时间内形成类似球状的颗粒产品。

⑵主要优点:①生产效率高，生产的陶粒砂产品粒度均匀，圆球度较好，强度高。②此设备能耗低。③操作安全可靠，混合机连带有PLC的控制系统，可视化操作。④设备密封性好，能实现集中除尘，无粉体扩散，工人的劳动环境得到极大改善。⑤此设备在造粒过程中人为影响造粒质量的因素较少。

⑶缺点:①此设备一次性投入比较大，高速搅拌的星型盘磨损较快，易损件费用高。②所制成的陶粒砂颗粒圆球度不如糖衣锅式造粒机。

2.4 第四种类型

盘式成球机，见图4。

图4 盘式成球机

⑴工作原理：盘石成球机就水泥生产中的造粒设备的更新机型。是在成球盘的料盘中，偏心安装搅拌辊。料盘以低速顺时针方向旋转，连续不断地将物料送入中速逆时针转动的搅拌辊的运转轨迹内，使物料在旋转的盘里受到重力、摩擦力、粘结力和离心力的作用下沿一定轨迹做抛物线运动，使物料能够在短时间内形成类似球状的颗粒产品。

⑵主要优点①生产效率高，生产的陶粒砂产品粒度均匀，圆球度较好，强度较高。②此设备能耗低，运转较平稳。

⑶缺点:①此设备设计存在死角，容易使物料粘壁。②此设备敞口太大，很容易使粉尘外溢，工人的工作环境差，也会影响设备的使用寿命。

2.5 第五种类型

托轮式糖衣锅造粒机，见图5。

⑴工作原理：此设备系固定转速式造粒机，工作时，事先加入晶种，在雾化喷水的情况下，不断加入物料，通过锅体顺时针旋转，使物料在锅内翻滚，滑移摩擦研磨，最后得到球状的陶粒砂半成品。

⑵主要优点：①所造的陶粒砂半成品圆球度很好，强度较大。②生产效率高，单机产量大。

⑶缺点：①此设备运转噪音大，震动较大。②托轮式糖衣锅造粒机，轴承损坏频率较高，托轮装置磨损严重，维修量较大；中心轴式糖衣锅造粒机清锅不便，收尘效果不好，粉尘外溢比较严重。③托轮式和中心轴式糖衣锅造粒机不能自动出料。

2.6 第六种类型

新型糖衣锅式造粒机（Ф3.6m以上），见图6。

图6 新型糖衣锅式造粒机

⑴工作原理与第一种和第五种类型糖衣锅式造粒机相同。

⑵设备的优点：①该造粒机取消了齿圈，极大的减小了车间噪音，降低了造粒机使用维护费用。②该造粒机采用卧式减速机直接传动，实现了无振动运行，降低了能耗，延长了设备的使用寿命。③传动部位密封严密，装配有轴承定时润滑启动装置和减速机循环润滑油泵，大大降低了设备故障率。④该设备采用了变频调速，实现了软启动和软停车功能，保护了减速机和电机，又延长了设备易损件的更换周期。⑤该造粒机造粒仓采用了浅碟形锅体，旋压成型，锅体厚度均匀、表面光滑无死角，并且锅体直径大，挤压力大，物料接触锅体面积大，极大的提高了成球率和半成品的强度。⑥该陶粒砂造粒机采用了全封闭式设计，能与收尘装置很好的衔接，粉尘泄漏量大幅度减少，改善了工作环境，减少了物料的损失。⑦该造粒机实现了自动上料和出料，提高了设备利用率，可实现自动连续化大生产。

目前，国内陶粒砂行业的生产企业较多，主要分布于河南、河北、山东、山西、江苏、贵州、四川、内蒙和陕西等地，各生产企业的产品竞争力主要体现在生产成本方面，而要降低生产成本，在其他条件等同的情况下，提高造粒的产量和质量已引起了人们的高度重视。综上所述，我认为陶粒砂生产过程造粒环节的造粒设备发展趋势是大直径、大容量、自动化、智能化、高效化和环保化，目前国产新型糖衣锅式造粒机能满足以上要求，是大多数陶粒砂生产企业设备革新时可选的、比较先进的、性价比最好的造粒设备之一，是在相当长一段时间内将要采用的理想设备。

［1］许志远，王立文.高效包衣机用于包制糖衣的设备改进与工艺研究，机电信息，2013（20）：374-37.

［2］程志源，高云龙.预加水成球工艺及调试，水泥技术，1990.05..

［3］席超.陶粒砂混合制粒机悬臂转子动力学分析，道客巴巴.2013.05.31.

收稿：2015-05-18

图5 托轮式糖衣锅造粒机

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