сферичность кварцевого песка

Если брать кварцевый песок для ГРП, большинство сразу смотрит на гранулометрию, а про сферичность кварцевого песка вспоминают уже после первых осложнений. Мы в ООО 'Цинтунсяский завод пропантов Жуйтун' с 2011 года через это прошли – когда партия формально по ГОСТу подходит, а в скважине даёт проседание проводимости. Оказалось, сферичность – не абстрактный параметр, а то, что определяет, будет ли пропант 'запирать' трещину или создаст хаотичные мостики.

Почему сферичность не округлость

Лаборатории часто выдают протоколы с показателем округленности, но это не одно и то же. Сферичность – это именно отношение поверхности частицы к её объёму. У нас был случай с песком из Карьера №3: по сертификату округленность 0.7, а при замере на лазерном анализаторе Malvern вышло, что 40% частиц имеют выступы более 5% от диаметра. В слое такие песчинки складываются как галька в ведре – с пустотами до 38%.

На практике это вылилось в то, что при закачке на объекте в ХМАО пропант с видимой 'округлостью' дал проводность на 22% ниже расчётной. Пришлось экстренно добавлять малопрочный пропант с идеальной сферичностью – ситуация выровнялась, но урок стоил недельного простоя бригады.

Сейчас при приёмке сырья мы всегда требуем данные именно по сферичности кварцевого песка по методу ISO 13503-2, а не визуальную оценку 'на поток'. Разницу видно даже без приборов: идеально сферичные частицы под УФ-лампой дают равномерное свечение, а угловатые – пятнистое.

Технологические компромиссы при обогащении

Для достижения нужной сферичности мы перепробовали все типы дробилок – от роторных до центробежных. Роторные дают высокий выход, но до 15% щебня в продукте. Центробежные типа Barmac выдают чистую форму, но съедают 30% массы в пыль. После полугода испытаний остановились на гибридной схеме: первичный разгон в роторной, затем доводка в центробежной с водяной завесой.

Самое сложное – поймать момент, когда увеличение сферичности на 0.1 пункта требует удвоения энергозатрат. Для пропантов марки KPS-40 мы эмпирически вывели предел 0.92 – дальше себестоимость растёт геометрически, а прирост проводимости не превышает 3-4%. Эти данные мы внесли в ТУ 20.16., хотя изначально технолог настаивал на 0.95 'как у американцев'.

Кстати, о температуре обжига: при 1200°C достигается максимальная сферичность, но начинается спекание частиц. Пришлось разработать ступенчатый режим с пирометрическим контролем в зоне охлаждения – детали есть в патенте RU 2347890. Без этого до 8% продукции шло в брак из-за агломератов.

Полевые корреляции и типичные ошибки

В 2018 году на месторождении в Ямале была серия из 15 скважин, где применяли песок с разной сферичностью. При сферичности 0.89 дебит стабилизировался на 120 м3/сутки, при 0.83 – падал до 85 м3 за те же 4 месяца. Но интереснее другое: при сферичности выше 0.93 в низкопроницаемых пластах начиналось 'запечатывание' приствольной зоны – видимо, из-за слишком плотной упаковки.

Отсюда вывод: не всегда нужно гнаться за максимальными цифрами. Для пластов с проницаемостью до 5 мД оптимальна сферичность 0.87-0.91, что подтвердили исследования совместно с 'Газпром добыча Надым'. Их отчёт от 12.03.2021 есть в открытом доступе на сайте https://www.rtzcj.ru в разделе 'Методические материалы'.

Частая ошибка – замер сферичности только фракции 16/20. На деле мелкая фракция 40/70 часто имеет на 0.05-0.07 хуже показатель из-за особенностей классификации. Мы сейчас вводим поправочный коэффициент 1.12 для пересчёта данных по мелким фракциям.

Оборудование для контроля: что работает в цеху

Способ с микроскопом и сеткой Абрамса до сих пор используют, но его погрешность достигает 15%. Мы перешли на систему QICPIC с аспирационным диспергатором – да, дорого, но зато видим не усреднённые значения, а распределение по партии. Первые полгода аппарат выдавал странные пики по несферичным частицам, пока не обнаружили, что вибрация от дробилки создаёт артефакты. Пришлось ставить антивибрационные платформы.

Интересный момент: калибровочные стандарты для сферичности приходится заказывать в Германии (компания Retsch), отечественные аналоги дают расхождение до 8%. Хотя для оперативного контроля в цеху мы использует упрощённый метод с теневой проекцией – погрешность 5-7%, но для принятия технологических решений хватает.

Самое сложное – объяснить операторам, что цифра 0.90 на экране не абстрактна. Мы сделали наглядные стенды с образцами песка разной сферичности в прозрачных цилиндрах – видно, как меняется плотность упаковки. После этого брак по геометрии снизился на 40%.

Экономика параметра: когда идеальная форма невыгодна

Рассчитывая стоимость пропанта для конкретного заказа, мы теперь всегда учитываем 'цену сферичности'. Повышение с 0.85 до 0.90 добавляет к себестоимости около 15%, а дальнейший рост до 0.95 – ещё 25%. При этом для большинства скважин Западной Сибири оптимален диапазон 0.88-0.91, где сохраняется баланс между проводимостью и ценой.

Был показательный случай в Оренбуржье, где заказчик требовал сферичность не ниже 0.94. После детальных расчётов совместно с их инженерами оказалось, что применение песка со сферичностью 0.90 с увеличением концентрации на 12% даёт ту же проводимость, но экономит 280 тыс рублей на скважину. С тех пор в ООО 'Цинтунсяский завод пропантов Жуйтун' для каждого объекта делают индивидуальный расчёт оптимального соотношения параметров.

Сейчас ведём переговоры с производителями оборудования о создании дробилки, которая сможет давать сферичность 0.91-0.93 без резкого роста энергопотребления. Если получится – сможем снизить стоимость высокосферичных пропантов на 18-20%. Пока что прототип показывает обнадёживающие результаты на испытаниях в цеху №4.