一种高效分选石油压裂砂的设备的制作方法

本实用新型涉及湿法固固分离设备及方法技术领域，具体涉及一种高效分选石油压裂砂的设备。

背景技术：

当前，国内硅砂分级方法主要有两种：一是采用筛（平摇筛、高方筛、圆桶筛、振动筛等）分级，另一是采用水力分级（包括脱泥）。筛分分选粒度在0.1~1毫米（尤其是更细）的硅砂时，筛网易堵，分级效率不高，且筛网磨损严重。国内有不少硅砂选厂采用水力分级，主要使用脱泥斗或由脱泥斗改进的带上升水流的圆锥（或圆柱）水力分级机，脱泥或分级。这种水力分级设备本身无运动部件，不会磨损，在一定程度上能满足各工业部门（尤其是玻璃工业）对硅砂粒度的要求；但对于粒度要求严格的部门（如精密铸造），有时则难以保证质量，螺旋分级机和水力旋流器仅个别硅砂选矿厂采用。螺旋分级溢流粒度不易控制，且转动部件易磨损；水力旋流器对水压和给料等操作条件较敏感。

我国铸造砂生产企业多数采用一系列圆锥水力分级机（包括下部圆锥较小、上部有一定高度柱体的圆柱水力分级机），通过水洗塔对天然硅砂进行连续脱泥一分级作业。虽然这种分级机结构简单，制造价格低廉，操作比较方便，但用于较粗颗粒（0.3~1毫米）分级时，由于其结构本身的限制，分级效果较差，分级产品中粗细混杂严重，粒度集中率低，容易出现不合格产品。

在国外，硅砂分级也主要采用筛分和水力分级。天然砂脱泥一般以旋流器为主，原砂中含杂质很少时，选矿主要作业是分级。为了改进分级效果，提高分级效率，国外许多公司都注重研究开发高效分级设备，如弧型筛、喷射式分级机、虹吸分级机及各种上升水流分级机等。其中分级效果较好的有自动干涉沉降分级机、rheax型分级机等。rheax分级法，由于分级精确，在澳、芬、瑞典、奥、德、日等国被广泛采用。

水力分级法分离砂子过程，首先把水分选设备中的砂子分为3大类，分别是漂浮层、悬浮层和沉底层，他们占据了分选容器中的上、中、下三层。在实际生产中，水力分级是在受阻沉降槽中进行的，因水力分级的特性，要达到分级精度和生产率要求，各粒径间必须具有较高的分散度，具有一定设备的断面尺寸作保证。从理论分析，在水流流速一定的条件下，循环水量与设备直径的平方成正比，设备处理能力越大，分级精度越高，所需设备的断面尺寸就越大，与此相对应的循环水量和动力消耗也就越大。为此受阻沉降槽的结构设计时尽量减小直径尺寸，而用增加设备高度尺寸的办法来解决各粒径间的分散度和生产率问题，通常受阻沉降槽高度尺寸都在3m以上。由于受阻沉降槽这样的结构特点，使得在同样的分级处理能力的情况下与筛选分级相比设备投资费大，厂房基建费用高。

水力分级的优点是：水力分级是通过水流的浮力作用达到不同粒径间的颗粒分离，与筛选法比较，设备内无筛网，不需更换筛网，降低了设备的维修费用，减小了工人的劳动强度和生产的辅助时间，同时保证了生产的连续性和稳定性。缺点是：水力分级是依据水流特性，达到不同粒径间的颗粒分离，因此颗粒的密度、形状及沉降条件对沉降速度均有影响，加上设备的截面尺寸在设计上受到动力消耗等因素的限制，因而，分级时粒群混杂现象较严重，存在动力消耗大，分离精度低和单位积处理能力低等问题。另外水力分级操作控制较为严格，控制过程容易出现波动。当生产过程中各控制因素一但发生变化，容易导致分级的失败。

因此，由上述描述可知，分选设备内水与砂之间所构成的分散系的状态对分级效果影响明显，即均一、稳定的分散系在一定程度上可以输出粒径单一（指一定目数范围）的砂子，分选产品的精度（某规格砂子中指定粒径砂子的占比）也较高。但目前所知的分选设备中，单体分级机（指单个分选设备的桶体）中砂浆给进管与给水管无配合关系，使得给进的砂浆不断破坏桶体内已建立并维持的分散系平衡，影响分级效果。

石油压裂砂是属于压裂支撑剂的一种产品，具有很高的压裂强度，主要用于油田井下支撑，以增加石油天然气的产量。压裂支撑剂利用优质铝矾土等多种原材料，用陶瓷烧结而成，是天然石英砂、玻璃球、金属球等中低强度支撑剂的替代品，对增产石油天然气有良好效果。石油天然气深井开采时，高闭合压力低渗透性矿床经压裂处理后，使含油气岩层裂开，油气从裂缝形成的通道中汇集而出。用陶粒支撑材料随同高压溶液进入地层充填在岩层裂隙中，起到支撑裂隙不因应力释放而闭合的作用，从而保持高导流能力，使油气畅通，增加产量。实践证明，使用陶粒支撑剂压裂的油井可提高产量30－50%，还能延长油气井服务年限。

压裂支撑剂可广泛用于深井，高压油气层的压裂改造。压裂支撑剂产品分类：

1、按抗破碎度分别为：52mpa（7500psi）、69mpa（10000psi）和86mpa（12500psi）、102mpa（15000psi）四大系列；

2、按体积密度分为：低密度、中密度、高密度；

3、按规格分别为：12-20目、16-20目、16-30目、20-40目、30-50目、40-60目、40-70目、70-100目等。为满足国内外油气井的需求，用户可根据油井的深度，选用不同强度和不同规格的产品。当然，上述产品分类是以标准压裂支撑剂为准进行划分的，采用天然硅砂作为压裂支撑剂时，其分类的规格、抗破碎强度等指标也不尽相同。

技术实现要素：

本实用新型的目的主要是：提供一种高效分选石油压裂砂的设备，即采用该套装置对天然硅砂进行水力分级的装置。

上述目的是由以下技术方案实现的：

一种高效分选石油压裂砂的设备，以下简称为分选设备，其特征在于：

所述分选设备包括桶体、进砂部、给水部、溢流槽、排矿管；

桶体呈圆桶状，上端开口，底部设有滤水网，该滤水网呈圆形半球面，滤水网设有多个滤水孔；

进砂部包括进砂管、混合腔，混合腔呈圆筒形或球形，混合腔内设有一对叶轮；混合腔的一侧开口、且与桶体的侧壁相连通，混合腔另一侧与进砂管相连通；

给水部包括给水管、给水腔，给水腔位于桶体底部，给水管与给水腔相连通；

溢流槽位于桶体顶部外侧，溢流槽沿桶体环绕一周、形成环状槽形结构，溢流槽设有向外引出的溢流管；

排矿管设在桶体底部中央，排矿管贯穿滤水网和给水腔、并向下延伸。

所述进砂部设有2~4个，且全部进砂部均安装在桶体外壁相同高度的位置上，各进砂部呈中心对称的星型分布。

所述进砂部设在从桶体顶端至滤水网上沿之间的二分之一高度处。

所述叶轮设有叶轮轴、叶轮体、叶轮片，叶轮轴横置、且其两端固定装配在混合腔，叶轮体套在叶轮轴外部，叶轮片具有多个、均固定安装在叶轮体上。

所述叶轮轴水平设置，且两个叶轮轴纵向排列，叶轮片相互穿插。

所述进砂管与叶轮两个叶轮轴所在的平面相垂直。

所述进砂管倾斜设置，进砂管远离桶体一端向上倾斜。

所述桶体设有调流板，该调流板朝桶体中心方向、并向下倾斜，调流板设有支柱，该支柱将调流板固定连接在桶体内壁；

调流板与桶体内壁之间留有间隙；

所述调流板设有多个，该多个调流板沿桶体内壁周向和/或轴向交错排列。

所述调流板设置在桶体的中段位置。

所述给水管设有至少2个，且全部给水管呈星型分布、均指向桶体底部中央的排矿管。

所述给水腔沿滤水网向上延伸，给水腔的上沿高于滤水网的上沿。

所述给水管水平设置。

所述排矿管向上延伸，排矿管的上沿高于滤水网的下沿、且低于滤水网的上沿。

本实用新型的有益效果是：

（1）通过在进砂管上设置混合腔，并在混合腔内设置一对反向、同步转动的叶轮，将进砂管输送过来的具有一定冲击力的砂浆进行一定程度的前处理，使砂浆得以再次混合、匀浆，并进一步抵销输送管道对砂浆产生的冲击力，使进入桶体的砂浆平缓、分散均匀；

（2）具有混合腔的进砂部设有多个，且呈中心对称的星型分布，有利于砂浆更加分散地进入桶体，避免了常规装置居中设置的进砂管输送的砂浆对桶体动态平衡分散系的严重破坏；

（3）本申请所述分选设备设有给水部，其给水腔沿圆形半球面状的滤水网向上延伸设置，使得给水管输送的清水能够均匀地通过滤水网，减少了给水管水流对桶体内水流的影响，使桶体内形成近乎平稳、均一向上的水流，将不定向的湍流等影响降到最低；

（4）本申请所述分选设备构建了一个具有平稳流动液体介质，有利于硅砂的分级，提高分级精度；另外，将进入桶体的砂浆通过进砂部快速分散到液体介质中，以提高砂浆的分级效率。

附图说明

本实用新型所用到的附图如下：

图1是本实用新型实施例1中分选设备的结构示意图，图中各个箭头指示的是物料输送方向，如进砂、给水、排矿、溢流等；

图2是本实用新型实施例2中分选设备的俯视结构示意图，图中主要显示多个进砂部星型分布的结构；

图3是本实用新型实施例2中进砂部的结构示意图；

图4是本实用新型实施例2中进砂部的进砂管倾斜设置的结构示意图；

图5是本实用新型实施例3中的结构示意图；

图6是本实用新型实施例3中的凸出设置的排矿管的结构示意图。

由图可见：

1桶体11滤水网12滤水孔13调流板14支柱

2进砂部21进砂管22混合腔23叶轮24叶轮轴25叶轮体26叶轮片

3给水部31给水管32给水腔

4溢流槽

5排矿管。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种高效分选石油压裂砂的设备，简称为分选设备，其特征在于：

所述分选设备包括桶体、进砂部、给水部、溢流槽、排矿管；

桶体呈圆桶状，上端开口，底部设有滤水网，该滤水网呈圆形半球面，滤水网设有多个滤水孔；这里所说的滤水网，是指一种具有较多通孔的板状构件，其设置在桶体的底部、封闭桶底，使桶体呈现上部圆桶、底部半球面的结构；半球面形的滤水网的上沿与桶体底部的侧壁固定连接、或连为一体。

通常的硅砂水力分选设备，一般采用锥形底部，其轮廓为直线形，桶体底部的大粒径砂子可以很方便地汇集到锥形顶端（锥形倒置，锥形顶端朝下），大粒径砂子得以快速排出；但常规锥底分选设备不利于桶体底部的砂浆充分分离，筛分过程中干涉严重，分离精度并不太好。采用半球面形桶底的分选设备，底部为圆弧形，所进入的水流也较为均匀、平稳，从而形成具有稳定上升水流的流动相介质，将桶体底部的砂浆充分分散、并在上升流动过程中有效分离。圆弧形滤水网还能够最大化地增大接触面积、分布更多的滤水孔，可以构建更加稳定的流动相。

进砂部包括进砂管、混合腔，混合腔呈圆筒形或球形，混合腔内设有一对叶轮；混合腔的一侧开口、且与桶体的侧壁相连通，混合腔另一侧与进砂管相连通；混合腔是具有空腔的腔体结构，其腔体（腔壁）靠近桶体一侧与桶体侧壁固定连接或连为一体，且混合腔上该侧的开口与桶体相连通，以使进砂管输送来的砂浆进入桶体内。混合腔内的一对叶轮，其作用是对进砂管来的砂浆再次混合，使砂子与水充分混合均匀，并以一定阈值的恒定流速进入桶体，一方面使进入桶体的砂浆均匀、快速地分散到桶体的流动相中，另一方面，通过叶轮的作用，也能充分抵销进砂管中的管道压力，减小进砂部中砂浆对桶体已建立的均衡的流动相状态的破坏。

因进砂部位置低于桶体上沿，当桶体内盛满水时，桶体内的水可能会倒流入进砂部，影响使用。因此，在上述方案基础上，可将进砂管向上延伸，使进砂管高度高于桶体上沿，即可防止出现上述问题。

给水部包括给水管、给水腔，给水腔位于桶体底部，给水管与给水腔相连通；

溢流槽位于桶体顶部外侧，溢流槽沿桶体环绕一周、形成环状槽形结构，溢流槽设有向外引出的溢流管；

排矿管设在桶体底部中央，排矿管贯穿滤水网和给水腔、并向下延伸。排矿管位于桶体底部的中间位置，即排矿管的上沿位于半球面形滤水网的最低点位置；给水部向桶体供应连续的清水，水从滤水网上的滤水孔进入桶体，从而形成向上的水流；因水流的带动，桶体底部的砂浆通过水力沉浮得以分离，轻者上而重者下，而且，圆弧形滤水网过渡平缓，砂子不会大量快速向底部汇集，而是顺着滤水网边冲刷边缓慢地向排矿管上沿汇集，分离效果好。

实施例2：

如图2、3所示，在上述实施例基础上，本实施例所述进砂部设有2~4个，且全部进砂部均安装在桶体外壁相同高度的位置上，各进砂部呈中心对称的星型分布。常规硅砂分选设备多采用中置的进砂管，即采用一根管伸入桶体中部，将砂浆直接排入桶体，这一进砂方式对桶体内的已建立的平衡（动态平衡）的流动相分散体系破坏严重，砂子与水之间、不同粒径砂子之间始终（因进砂管持续进料）处于扩散过程，即密度一致化的过程，或者在扩散过程中边分散边分离，分选过程中砂粒之间的干涉严重，分离精度不高。本实施例将进砂管分支为多个，并从桶体侧壁中部输送砂浆，砂浆进入桶体的速度降低、分散均匀，减少干涉，利于分选。

所述进砂部设在从桶体顶端至滤水网上沿之间的二分之一高度处。滤水网为圆弧形，其上沿进一步向上延伸，使桶体边缘位置的水流也能得以流动，从而促进由进砂部进入的砂浆快速扩散。

所述叶轮设有叶轮轴、叶轮体、叶轮片，叶轮轴横置、且其两端固定装配在混合腔，叶轮体套在叶轮轴外部，叶轮片具有多个、均固定安装在叶轮体上。所述叶轮轴水平设置，且两个叶轮轴纵向排列，叶轮片相互穿插。所述进砂管与叶轮两个叶轮轴所在的平面相垂直。从设计制造角度考虑，进砂管与两个叶轮轴所在的平面相垂直安装，有利于节省成本，但从分选设备的实际功效角度来考虑，则最好是进砂管与两个叶轮轴所在的平面之间具有一定角度较好，以避免进砂管内的砂浆直接冲进桶体。另外，一对叶轮采用动力形式转动，即叶轮是靠砂浆的冲击才转动的，且两个叶轮靠得很近、使得叶轮片相互交错重叠、相互制约，避免单方面转动、流速过快。

如图4所示，所述进砂管倾斜设置，进砂管远离桶体一端向上倾斜。

所述桶体设有调流板，该调流板朝桶体中心方向、并向下倾斜，调流板设有支柱，该支柱将调流板固定连接在桶体内壁；调流板与桶体内壁之间留有间隙；所述调流板设有多个，该多个调流板沿桶体内壁周向和/或轴向交错排列。

所述调流板设置在桶体的中段位置。调流板设在桶体侧壁内侧，且均向下倾斜，促使经桶体侧壁进入的砂浆倾向于向下流动，并与桶体底部上升的水流下遇而充分扩散混匀，利于分级分选。

实施例3：

如图5所示，在上述实施例基础上，本实施例所述给水管设有至少2个，且全部给水管呈中心对称的星型分布、均指向桶体底部中央的排矿管，各给水管所进入的水流相互冲击，抵销水流压力，减少水的旋流，使给水部供给桶体的水流平稳，利于砂浆分离。

所述给水腔沿滤水网向上延伸，给水腔的上沿高于滤水网的上沿。上述设计是将给水腔向两侧延伸，使得给水腔全部覆盖滤水网，即滤水网的全部位置均有充足的水源，且各处的水流速度、压力等尽可能保持一致，从而使得经滤水网进入桶体的水流平稳、无湍流，还能够对滤水网各处的砂均进行冲洗、分选，水力分级效果得以进一步改善。

所述给水管水平设置。

如图6所示，所述排矿管向上延伸，排矿管的上沿高于滤水网的下沿、且低于滤水网的上沿。将排矿管上沿凸出滤水网底部，能够在一定程度上避免未经充分筛分的砂子直接经排矿管排出；凸出一块的排矿管，其周围的砂子需经充分沉浮、筛分，然后才有机会经排矿口排出，可在一定程度上减少排矿管排出的砂浆混杂大量较小粒径砂子，提高分级精度。