CN110449253A - 石英砂压裂支撑剂的加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于石英砂加工领域，具体公开了一种石英砂压裂支撑剂的加工工艺，开采出的石英砂通过水力作用进行初步分选，分选后的砂水混合物通过螺旋洗砂机输送，输送过程中减少砂水混合物的含水量，砂水混合物在离开螺旋洗砂机时含水量为5％‑20％，通过本发明的工艺，可以较好的完成石英砂的分选以及除杂。

Description

石英砂压裂支撑剂的加工工艺

技术领域

本发明属于石英砂加工领域，具体涉及了一种石英砂压裂支撑剂的加工工艺。

背景技术

压裂技术在石油天然气开采中越来越得到更加广泛的应用，压裂技术的主要特点是，通过钻井施工将地壳钻出一个深入底层的圆柱形通道，再将圆柱形通道中放入金属管道并在金属管道侧壁上开凿出孔洞，工程师们在地面上通过高压泵将压裂液和混有一定比例的颗粒状压裂支撑剂一并送入管道中，压裂液通过管壁上的孔洞在高压作用下射向紧邻管道外壁的岩层进而产生大量的岩层裂隙，这些裂隙被打开后，颗粒状的压裂支撑剂嵌入其中，当油气井地面上的工程师关闭高压泵，进而撤掉井管内的高压时，岩层裂隙的闭合压力增大至大于井管内的压力，岩层裂隙将会闭合，压裂液从裂隙中流出，但颗粒状的压裂支撑剂会来不及流动，从而会保留在闭合的岩层裂隙内将裂隙顶住而不能完全闭合，这样一来造成岩层中的裂隙得以保留并使得岩层中的油气会通过大量的裂隙面排入到井筒内，实现油气的开采和增产。

压裂支撑剂通常是由颗粒状的无机材料为基料制备而成，一般基料会选用石英砂砂粒，基于压裂支撑剂的使用环境，对石英砂砂粒的浊度、粒径分布、酸溶解度、破碎率以及球度等均要求较高。由于石英砂在砂矿中开采出来时附着有泥土或其他杂质，而由于石英砂长埋山脉内，其表面粘附的较多杂质已经和砂粒共生为一体，且石英砂开采出来时各种粒径的砂粒混合在一起，因此需要在开采出的石英砂砂粒进行一定的处理工序才能使其作为压裂支撑剂的基料使用，申请人研发了一种对石英砂进行除杂以及分选的加工工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石英砂压裂支撑剂的加工工艺，以解决由于石英砂长埋山脉内，其表面粘附的较多杂质已经和砂粒共生为一体的问题。

为达到上述目的，本发明的基础方案为：石英砂压裂支撑剂的加工工艺，开采出的石英砂通过水力作用进行初步分选，分选后的砂水混合物通过螺旋洗砂机输送，输送过程中减少砂水混合物的含水量，砂水混合物在离开螺旋洗砂机时含水量为5％-20％。

本基础方案的工作原理以及有益效果在于：

石英砂在螺旋洗砂机内受到垂直于其移动方向的搅动，即石英砂在螺旋洗砂机内除了受螺旋洗砂机的作用发生沿螺旋洗砂机轴向方向的移动，还发生垂直于其移动方向的横向运动，两个不同方向的作用力的结果造成石英砂颗粒发生碰撞和不同颗粒独立自旋致使颗粒表面间的相对位移形成表面摩擦，一方面方便清洗，使得石英砂颗粒表面附着的微小附作物和水流发生冲撞，从而更容易被剥离；另一方面通过碰撞摩擦提高石英砂颗粒的圆球度。

而由于石英砂本身的流动性较差，需要水力作用辅助输送，因此在螺旋洗砂机内输送砂粒，水是必不可少的，但水量较多则意味着难以实现较好的摩擦，而本方案中逐步减少含水量，砂水混合物在离开螺旋洗砂机时含水量低于20％，即在输送后期，随着含水量的逐步减少，砂粒和螺旋叶片之间的摩擦逐步增大，对砂粒表面的杂质去除效果更好，进一步提高石英砂颗粒的圆球度。

进一步，螺旋洗砂机倾斜设置，砂水混合物从螺旋洗砂机的低端向螺旋洗砂机的高端进行输送，螺旋洗砂机内安装有转轴，转轴上固定有螺旋叶片，螺旋叶片和螺旋洗砂机内壁之间存在间隙，转轴一端球铰接在螺旋洗砂机内，通过电机偏心驱动转轴另一端转动。

有益效果：现有技术中，为了保证螺旋叶片的转动，螺旋叶片和螺旋洗砂机的内壁之间都存在间隙，也就可以使得水流通过间隙实现一定的回流，进而实现脱水，但仅通过间隙的作用进行脱水并不能达到较高的脱水率，同时，在本申请中由于石英砂表面附着较多杂质，通过在螺旋洗砂机内的摩擦，杂质脱落后也会随着水流运动而运动，杂质很容易就会卡到螺旋叶片和螺旋洗砂机之间的间隙内，导致螺旋叶片转动时产生磨损，也会影响到脱水效率。

本方案中，通过偏心驱动转轴转动，转轴带动螺旋叶片转动时，螺旋叶片的边缘和螺旋洗砂机内壁之间的间隙处于变化之中，避免砂粒卡在间隙之中导致的磨损。另外，螺旋叶片运动的过程中对位于螺旋叶片上的砂粒有一定程度的振动，更加便于砂粒之间的碰撞摩擦。

进一步，螺旋洗砂机的螺旋叶片上设有若干凸起。

有益效果：通过凸起可增大砂粒和螺旋叶片之间的摩擦，进而更好的去除砂粒表面粘附的杂质。

进一步，凸起沿垂直于螺旋洗砂机的轴向方向设有多层。

有益效果：由于砂粒受离心作用，会发生垂直于其移动方向的横向运动，即可受到横向上层层设置的凸起的阻挡，进而较好的发生摩擦并去除杂质。

进一步，螺旋洗砂机排出的砂水混合物经过滤水烘干后，输送砂粒沿水平方向抛出，使用风机对砂粒进行风选，风机位于砂粒的下方，风机的出风口相对砂粒的抛出方向倾斜向上。

有益效果：风选机的风从石英砂流下方向的切线方向吹入，高速风穿过流动砂层造成砂粒间急速碰撞、相对摩擦造成表面精细处理后的砂粒表面附着的粉尘分离被风体带走，获得表面更加洁净的石英砂。本申请中，采用风选的方式，也是为了进一步提高石英砂的圆球度，且对风向进行限定，采用高速风吹动石英砂颗粒，不同粒径和球度、表面凸凹程度的砂粒受到不同投影面下的气流推力和剪切力矩造成砂粒具有不同的动量、自旋速率、碰撞频率，造成砂粒与高速风形成的气固混合态流体场产生可控的湍动能量分布获得砂粒间的有效碰撞、研磨、摩擦，获得了更好的支撑剂技术性能效果(更低的支撑剂应用浊度和酸溶解度、更高的支撑剂颗粒球度和导流能力)和生产效能。

进一步，风选后的砂粒通过筛分机进行再次分选，筛分机包括悬吊设置的筛分框，筛分框内水平固定有平板筛，筛分框侧壁位于平板筛上端设有可启闭的出料口，筛分框下端固定有振动器；在筛分过程中，向筛分框内加入防静电助剂。

有益效果：1、相比倾斜设置的筛网，水平固定的平板筛筛分更加精准，尤其是对于粒度较小的砂粒来说，由于筛网的筛孔孔径在筛分前就是确定的，在现有的振动筛分时，砂粒在筛网上做纵向的跳跃运动，而一旦筛网倾斜，筛孔在竖向上的投影大小小于其实际的孔径，砂粒则容易被卡在筛孔内，造成堵塞，因此对于粒度较小的砂粒来说，优选水平设置的平板筛。

2、在大量砂粒筛分时，由于砂粒上附着有较多的粉尘，砂粒上的粉尘之间存在静电粘连在一起，难以较精准的实现筛分，且容易堵塞筛网，本方案中，在筛分时通过助剂添加机构添加防静电助剂，对砂粒表面的附着粉尘去除静电，避免砂粒粘连所导致的筛网堵塞。

3、筛分框悬吊设置，筛分框在振动时具有更多方向的振动自由度，可以增大筛分框的振动幅度来实现更好的振动筛分。

进一步，防静电助剂的添加量和砂粒的比为0.01-0.8:100。

有益效果：在该范围内，防静电助剂的添加效果最好，可以在不浪费防静电助剂的前提下，尽可能多的发挥砂粒防静电的作用。

进一步，平板筛在竖向上设有多层，多层平板筛的筛孔内径从上至下减小。

有益效果：通过多层平板筛层层筛分，进一步提高砂粒筛分的精确性，而筛分出不同粒径的砂粒，可方便后续加工使用。

进一步，防静电助剂添加时，通过雾化喷头向筛分框内进行喷洒，雾化喷头安装在筛分框的内壁上。

有益效果：通过喷头向外喷洒防静电助剂，向下运动的砂粒经过喷头所在的水平面后，粘附上防静电助剂进而进行筛分，直接将喷头安装在筛分框上，减少了中间处理过程，石英砂处理速率更高，而雾化喷出的防静电助剂覆盖范围更加广泛，尽可能多的使得砂粒粘附上防静电助剂。

附图说明

图1为本发明实施例中使用的螺旋洗砂机的正向剖视图

图2为本发明实施例中使用的平板式石英砂筛分机的正向剖视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：筛分框1、平板筛2、喷头3、钢丝绳4、螺旋洗砂机8、转轴9、螺旋叶片10。

实施例1

石英砂压裂支撑剂的加工工艺，包括以下步骤：

A.湿法除杂

A1、水力分选

通过水的浮力对开采出的石英砂进行浮选，砂水混合物的砂水含量比为2:1，将石英砂内含有的泥土等杂质分离，具体的水力浮选方式可参考申请人于2019年4月30日申请的“一种分选石英砂的方法”(申请号为201910363491.9)，本申请的水力浮选方式除砂水含量比与该公开专利不同之外，其余浮选设置相同。

A2、机械除杂

将A1中得到的砂水混合物通入螺旋洗砂机8内，如图1所示，螺旋洗砂机8倾斜设置，砂水混合物从螺旋洗砂机8的低端向螺旋洗砂机8的高端进行输送，螺旋洗砂机8左端设有缺口，被输送至螺旋洗砂机8左端的砂粒通过缺口排出。

螺旋洗砂机8内安装有转轴9，转轴9上固定有螺旋叶片10，螺旋叶片10和螺旋洗砂机8内壁之间存在间隙，转轴9左端球铰接在螺旋洗砂机8内，转轴9右端偏心固定在电机的输出轴上。

螺旋洗砂机8的螺旋叶片10上均布有凸起，且凸起沿垂直于螺旋洗砂机8的轴向方向设有多层，砂粒在输送过程中和凸起进行摩擦，将砂粒表面粘附的杂质去除，螺旋洗砂机8在输送过程中均匀减少砂水混合物的含水量，具体的，通过电机偏心驱动转轴9转动，转轴9带动螺旋叶片10转动时，螺旋叶片10的边缘和螺旋洗砂机8内壁之间的间隙处于变化之中，避免砂粒卡在间隙之中导致的磨损，而水流则可通过变化的间隙向下回流，实现较好的脱水效果。另外，螺旋叶片10运动的过程中对位于螺旋叶片10上的砂粒有一定程度的振动，更加便于砂粒之间的碰撞摩擦。

砂水混合物离开螺旋洗砂机8时，砂水混合物中的砂粒浓度达到85％-90％，即在输送后期，随着含水量的逐步减少，砂粒和螺旋叶片10之间的摩擦逐步增大，对砂粒表面的杂质去除效果更好，但含水量不得低于5％，由于石英砂本身的流动性较差，需要水力作用辅助输送。

B.干法除杂

B1、滤水风选

通过螺旋洗砂机8排出的砂水混合经过滤水装置将剩余水分滤出，并通过烘干装置进行烘干。烘干后通过传送带输送砂粒，砂粒在传送带的出料端沿水平方向抛出，使用风机对砂粒进行风选，风机位于传送带出料端的正下方，风机的出风口相对砂粒的抛出方向倾斜向上，风机的风速为8.0-12.0m/s。

B2、筛分

风选后的石英砂砂粒投入到平板式石英砂筛分机中进行筛分，如图2所示，平板式石英砂筛分机，包括悬吊设置的筛分框1，具体的，筛分框1上端固定有钢丝绳4，钢丝绳4固定在厂房顶部。

筛分框1内水平固定有平板筛2，平板筛2在竖向上设有多层(本实施例中为两层)且多层平板筛2的筛孔内径从上至下依次减小。筛分框1侧壁位于平板筛2上端设有可启闭的出料口，具体的，筛分框1外壁滑动连接有用于挡住出料口的滑板，通过滑动滑板可以实现出料口的启闭。筛分框1下端固定有振动器，振动器选用现有技术中的圆振筛所使用的激振器，即筛分框1可以做类似于圆周的周向振动。

筛分框1位于平板筛2上方安装有用于添加防静电助剂的助剂添加机构，助剂添加机构包括沿筛分框1内壁周向均布安装的喷头3，喷头3均为雾化喷头。喷头3均通过管道连通在用于储存防静电助剂的储存箱上，且为保证管道内助剂流通的动力，管道上均可连通水泵，这在现有技术中均是较为成熟的技术手段，本实施例中不做赘述。

具体筛分过程如下：启动振动器，待筛分的石英砂颗粒进入到筛分框1内，且在石英砂颗粒向下掉落的过程中，通过喷头3向外喷洒防静电助剂，向下运动的砂粒经过喷头3所在的水平面后，粘附上防静电助剂，而雾化喷出的防静电助剂覆盖范围更加广泛，尽可能多的使得砂粒粘附上防静电助剂。粘附上防静电助剂的砂粒通过多层平板筛2进行筛分，避免砂粒粘连所导致的筛网堵塞。

实施例2

本实施例和实施例1的区别仅在于，螺旋叶片上不设置凸起。本方案中减少凸起的设置，在输送过程中，减少了砂粒和螺旋叶片之间的摩擦，对砂粒的摩擦除杂效果减弱。

对比例

对比例和实施例1的区别仅在于：使用常规的螺旋洗砂机输送砂粒。

检测实施例1、实施例2和对比例中制备的石英砂压裂支撑剂，检测结果如下表：

根据SY/T 5108-1997的要求，天然石英砂粒制备的压裂支撑剂球度需要≥0.6，本申请中要求砂水混合物在离开螺旋洗砂机时含水量为5％-20％，在生产过程中，难以完全把控砂水混合物的含水量，在多次调试螺旋洗砂机的结构后，经过本申请中所采用的螺旋洗砂机输送后，含水量可以达到20％以下，以实施例1和实施例2为例，含水量均低于15％，而相应的，其制备出的压裂支撑剂球度合格率较高，而对比例中采用普通的螺旋洗砂机进行输送，从步骤A1中要求的含水量33％(砂水含量比为2:1)在经过螺旋洗砂机后，含水量降低到25％，难以达到本申请中所要求的含水量，相应的其最终制得的压裂支撑剂球度合格率仅有70％。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (9)

1.石英砂压裂支撑剂的加工工艺，其特征在于：开采出的石英砂通过水力作用进行初步分选，分选后的砂水混合物通过螺旋洗砂机输送，输送过程中减少砂水混合物的含水量，砂水混合物在离开螺旋洗砂机时含水量为5％-20％。

2.根据权利要求1所述的石英砂压裂支撑剂的加工工艺，其特征在于：螺旋洗砂机倾斜设置，砂水混合物从螺旋洗砂机的低端向螺旋洗砂机的高端进行输送，螺旋洗砂机内安装有转轴，转轴上固定有螺旋叶片，螺旋叶片和螺旋洗砂机内壁之间存在间隙，转轴一端球铰接在螺旋洗砂机内，通过电机偏心驱动转轴另一端转动。

3.根据权利要求2所述的石英砂压裂支撑剂的加工工艺，其特征在于：螺旋叶片上设有若干凸起。

4.根据权利要求3所述的石英砂压裂支撑剂的加工工艺，其特征在于：凸起沿垂直于螺旋洗砂机的轴向方向设有多层。

5.根据权利要求1所述的石英砂压裂支撑剂的加工工艺，其特征在于：螺旋洗砂机排出的砂水混合物经过滤水烘干后，输送砂粒沿水平方向抛出，使用风机对砂粒进行风选，风机位于砂粒的下方，风机的出风口相对砂粒的抛出方向倾斜向上。

6.根据权利要求5所述的石英砂压裂支撑剂的加工工艺，其特征在于：风选后的砂粒通过筛分机进行再次分选，筛分机包括悬吊设置的筛分框，筛分框内水平固定有平板筛，筛分框侧壁位于平板筛上端设有可启闭的出料口，筛分框下端固定有振动机构；在筛分过程中，向筛分框内加入防静电助剂。

7.根据权利要求6所述的石英砂压裂支撑剂的加工工艺，其特征在于：防静电助剂的添加量和砂粒的比为0.01-0.8:100。

8.根据权利要求7所述的石英砂压裂支撑剂的加工工艺，其特征在于：平板筛在竖向上设有多层，多层平板筛的筛孔内径从上至下减小。

9.根据权利要求6所述的石英砂压裂支撑剂的加工工艺，其特征在于：防静电助剂添加时，通过雾化喷头向筛分框内进行喷洒，雾化喷头安装在筛分框的内壁上。