氯化鉀速溶裝置的設(shè)計與應(yīng)用

劉 慶，王小寶，盧亞平，潘社衛(wèi)

（北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160）

在石油開采中，地層常含有一定數(shù)量的黏土，由于自身的特性，這些黏土在注水、酸化、水力壓裂過程中碰到水或水基物質(zhì)就會產(chǎn)生膨脹，黏土膨脹和微粒的移動會降低地層的滲透率或堵塞井眼的通路，這都會減少油井的產(chǎn)量，嚴(yán)重?fù)p害油管線和油泵，使用黏土防膨劑是減輕黏土膨脹和分散對地層傷害的有效措施。氯化鉀是無機(jī)黏土防膨劑主要原料，由于適用于高溫地層，且價格較低，在壓裂液配制方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

隨著壓裂液配制技術(shù)的不斷完善，壓裂液的配制要求也越來越高，固體添加劑的添加方式從粗曠添加向精細(xì)添加轉(zhuǎn)變。但在添加氯化鉀過程中，往往出現(xiàn)氯化鉀溶解不充分，顆粒快速沉底，淤積在溶解池底的情況，因此，設(shè)計一套可均勻下料、快速溶解的添加設(shè)備是非常迫切的。

1 工藝研究

壓裂液用氯化鉀是白色結(jié)晶小顆粒粉末，外觀如同食鹽，有吸濕性，易結(jié)塊。在早期配制過程中，氯化鉀添加裝置使用的是簡易料斗，因為氯化鉀易溶于水，所以主要以機(jī)械攪拌促進(jìn)氯化鉀溶解，具有設(shè)備投資小，免維護(hù)等優(yōu)點，但在多年的防膨劑配制中發(fā)現(xiàn)以下問題。

1.1 下料不暢

氯化鉀有很強(qiáng)的吸水性，表面易潮濕，不僅容易結(jié)塊，而且在料斗中容易形成搭橋，物料擠在下料口而不會自動落下。加料工人用木棍等工具將氯化鉀物料捅彭松后才能下來，這就增加了加料工人的勞動強(qiáng)度，而且容易將木棒掉到攪拌器上，增加了人員傷害和機(jī)械損壞的風(fēng)險。

1.2 溶解不充分

由于人工倒料，且加入量大，氯化鉀間斷倒入溶解池中，進(jìn)料時多時少，攪拌器來不及攪拌氯化鉀顆粒就沉底了，造成溶解不充分，池底淤積很多殘料。

1.3 工藝流程

針對以上兩項問題，對原始的氯化鉀溶解工藝進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計的工藝流程如下：

將需要添加氯化鉀的壓裂基液打入溶解池中，啟動水泵，溶解池的溶液通過水泵和混合器循環(huán)打回溶解池，混合器內(nèi)形成負(fù)壓，下料倉的下料管達(dá)到吸料狀態(tài)，氯化鉀原料定量添加到下料倉中，打開水泵通向下料倉閥門，開始向下料倉噴淋，氯化鉀物料遇水下沉，防止氯化鉀噴料情況的發(fā)生。下料倉攪拌啟動，使氯化鉀下料均勻，然后啟動出料螺旋，開始出料，螺旋并配有變頻器，可調(diào)節(jié)物料的下料速度。氯化鉀和清水通過混合器混合，形成初步融合溶液，并打入溶解池中，啟動溶解池攪拌器，將初步融合的氯化鉀溶液與池中的液體再次融合，使氯化鉀溶液在溶解池內(nèi)分散均勻，氯化鉀得到充分溶解。氯化鉀溶解工藝流程圖（見圖1）。

圖1 氯化鉀溶解工藝流程圖

2 設(shè)備的設(shè)計

氯化鉀溶解裝置關(guān)鍵設(shè)備是下料倉、混合器、攪拌器。

2.1 下料倉

設(shè)計下料倉時主要考慮四個方面的因素：（1）強(qiáng)制出料，并且出料均勻；（2）存儲量滿足要求，有一定的緩沖量；（3）加噴淋裝置，氯化鉀遇水后流動性變好，易于下料；（4）罐體加攪拌，水與物料混合均勻。

按溶解池100 m3計算，氯化鉀配比為1%，配一次溶液要用氯化鉀原料1 000 kg，由于考慮到下料倉使用的便捷性，下料倉容量不宜過大，由此罐體有效容積設(shè)為0.2 m3，儲粉量約200 kg，一次可在下料倉存儲4袋料（每袋50 kg），工人5次上料可滿足一次配液需求。

下料倉結(jié)構(gòu)（見圖2），下料倉側(cè)壁設(shè)有噴淋管，均勻噴灑在料倉上表面，倉內(nèi)設(shè)有攪拌器，使氯化鉀物料和水反復(fù)混拌，以保證供物料的均勻性、連續(xù)性，攪拌器有外部螺帶和內(nèi)部螺帶兩部分，外部螺帶與內(nèi)部螺帶方向相反，使物料來回往復(fù)運動，加快物料的分散速度，避免結(jié)塊結(jié)渣。為減少儲存罐的占地面積，攪拌器采用鏈輪傳動，將減速機(jī)安裝在罐體上方。

由于下料倉內(nèi)有攪拌裝置，避免上料工人將手伸進(jìn)倉內(nèi)，產(chǎn)生人員傷害，所以上料口安裝篦子。料倉底部設(shè)有加強(qiáng)制螺旋出料，在給料螺旋的電機(jī)上裝有變頻裝置，可隨配方和配制過程的變化而調(diào)整出料速度，保證下料倉在配液期間內(nèi)連續(xù)均勻地給料。

圖2 下料倉結(jié)構(gòu)圖

2.2 混合器

負(fù)壓抽吸方法適合于固體與液體的混合，利用動力流體高速射流產(chǎn)生負(fù)壓，直接將氯化鉀混合帶入，完成物料在液體中的均勻分散（見圖3）。工作時，液體經(jīng)泵增壓后在噴嘴處形成高速射流，由于流速很高，在噴嘴的出口及中心吸料管內(nèi)形成負(fù)壓，將物料吸入混合器，混合室內(nèi)由于高速水射流形成強(qiáng)烈的渦流，可以形成劇烈的切割和攪拌作用，使物料顆粒之間相互分離，混合器的特點在于粉顆粒分散地與液體接觸，有利于固液融合，且高壓水能攜帶物料高速流動，加速了融合過程，使氯化鉀顆粒快速溶解。

圖3 混合器結(jié)構(gòu)示意圖

為了獲得良好的混合效果，還需要控制物料輸送量以及射流所產(chǎn)生的負(fù)壓大小，輸送量過大即負(fù)壓吸送的氣固兩相流中，固體顆粒的含量超過一定的數(shù)值，顆粒之間無法充分分離，也就無法均勻分散于液體中，造成吸入流體堵塞；而輸送量過小，將無法滿足固液配比的要求。因此需通過螺旋給料裝置控制出料量。一定的給粉速度需要與相應(yīng)大小的負(fù)壓相匹配，才能達(dá)到理想的混合效果，負(fù)壓過小也無法使物料均勻分散到流動的液體中。

2.3 攪拌器

對于給定的攪拌工藝條件，進(jìn)行攪拌器的選擇與設(shè)計，目前還沒有一個十分成熟的方法，大都是依據(jù)過去的經(jīng)驗、工況分析和實驗室模擬實驗確定的。影響氯化鉀攪拌效果的主要問題是氯化鉀屬于顆粒物料，易溶于水，但加入量較大，攪拌時間短，物料容易沉底，因此在設(shè)計攪拌器時，要著重考慮如何延長物料的攪拌時間，使氯化鉀在有效的時間內(nèi)快速溶解。

為防止物料超出攪拌器的攪拌范圍，在攪拌器周圍設(shè)計一個罐體，將物料限定在一定的攪拌區(qū)域內(nèi)，罐體底層為濾網(wǎng)，網(wǎng)孔略小于氯化鉀顆粒度，這樣沒有溶解的顆粒將留在罐體內(nèi)持續(xù)攪拌，直到溶解后，從濾網(wǎng)流出，溶解到壓裂基液中。濾網(wǎng)為可拆卸式，能夠定期清理氯化鉀原料中殘存在濾網(wǎng)上的雜質(zhì)。攪拌器結(jié)構(gòu)（見圖4）。

圖4 攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖

在罐體四周設(shè)計擋板，擋板限制了流體的切向速度，增加了軸向和徑向速度分量，攪拌器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的排除流因受到攪拌壁和擋板的作用，在攪拌器周圍形成復(fù)雜的流場[4]，使氯化鉀的混合效果得到顯著增強(qiáng)。攪拌擋板固定在罐體上，形成一個具有孔洞的圓形攪拌罐。

在氯化鉀溶解攪拌中，不要求大剪切力攪拌即可達(dá)到物料溶解的目的，但要給物料足夠的軸向速度，使氯化鉀顆粒懸浮在罐體中，延緩氯化鉀的攪拌時間。斜葉輪轉(zhuǎn)動時推動流體既有軸向速度，也有相當(dāng)大的周向速度和徑向速度[5]，符合使用情況，由此，攪拌器葉輪選擇斜葉式。

為增強(qiáng)攪拌效果，攪拌葉輪四周增加了導(dǎo)流筒，葉輪在導(dǎo)流筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)形成負(fù)壓，產(chǎn)生一定的泵吸作用，將氯化鉀溶液由上端吸入，從下端排出，導(dǎo)流筒可實現(xiàn)液體的強(qiáng)制循環(huán)，提高物料循環(huán)量，相比無導(dǎo)流筒攪拌循環(huán)行程變長。導(dǎo)流筒分為直筒型、提升式及CK型、BK型等特殊結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)流筒，經(jīng)比較，BK型導(dǎo)流筒液體排出更加通暢，同時能沖刷罐底部固體顆粒，降低了物料沉淀的機(jī)率，在選礦領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6，7]，更適合物料的高強(qiáng)度溶解。

3 應(yīng)用情況

依據(jù)速溶工藝研究，氯化鉀速溶裝置于2015年定型設(shè)計，同年應(yīng)用在國內(nèi)某油田壓裂液配液站建設(shè)當(dāng)中，氯化鉀速溶裝置在壓裂基液配制中溶解速度快，隨配隨溶，達(dá)到了快速溶解的目的，溶解池內(nèi)基本沒有固體殘料產(chǎn)生，設(shè)備運行情況良好，達(dá)到了使用要求。由此，速溶裝置也應(yīng)用在了配液站硼砂、過硫酸銨等固體物料的添加上，固液配比可在0.1%～2%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，溶解效果十分理想。

4 結(jié)語

氯化鉀速溶裝置經(jīng)過多年的設(shè)計與改進(jìn)，在工藝和設(shè)備兩方面，比原始的氯化鉀溶解方法都有了長足的進(jìn)步，解決了壓裂液配制中固體添加的難題，使氯化鉀顆粒溶解更加迅速，而且操作更加流暢。在配液要求不斷精細(xì)的今天，氯化鉀溶解更充分，壓裂液質(zhì)量顯著增加，間接減小了氯化鉀的使用量，降低了物料的使用成本。

同樣，速溶裝置可擴(kuò)大應(yīng)用在其他行業(yè)的固體物料配制領(lǐng)域，解決固料下料不暢、溶解不充分的問題，因此，速溶裝置有很高的推廣價值。

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