氣動臥式下灰車下灰性能影響因素探究

唐璐

（大慶油田石油專用設備有限公司研發中心，黑龍江 大慶 163411）

氣、固兩相流體力學和氣體動力學是下灰車設計過程中的重要依據。下灰車主要利用氣化設備，通過壓縮空氣將固態水泥轉化成氣態，從而在下灰車管線內部流動，并最終隨氣流排到罐體外部。下灰車是油田固井作業過程中非常重要的一種輔助作業設備，下灰效率高，可以實現不同顆粒介質的運輸和儲存，罐體內部灰質剩余率低，操作簡單，是固井作業過程中一種可靠的作業裝置。

1 臥式下灰車的結構

國內目前應用的下灰車主要分為立式、臥式和舉升式等幾種。其中本文研究的臥式的下灰車卸灰過程主要依賴的是重力的和氣動壓力。氣動臥式下灰車罐體容量大、倉內可快速建壓、重心低、行車穩定，在國內各大油田生產開采中的應用非常廣泛。圖1 為臥式下灰車罐體示意圖。

圖1 臥式下灰車罐體示意圖

氣動臥式下灰車通過壓縮空氣將固態水泥轉化成液態化流體，并通過管道輸送到罐體外部用于井下固井作業。氣動臥式下灰車主要有工作壓力、剩余率、平均卸灰速度、水平輸送距離等幾個主要技術指標。下灰車在聯合水泥車作業過程中平均卸灰速度剩余率屬于兩個重點指標。根據國內油田下灰車的作業現狀可知，目前國內應用的大部分下灰車平均卸灰速度需要達到1.7t/min左右，最高卸灰速度可以達到2t/min 以上。

為進一步提升下灰車裝載量，兩個封頭采取了背靠背結構。下灰車的主體結構主要包括滑料板、流化床以及出灰管等。滑板、流化床底部以及封頭、罐體共同組成一個氣化空間，在作業過程中該氣化空間中會充滿壓縮空氣，氣流會沿著流化床床身將粉料轉化成液態。

2 工作壓力和壓縮空氣流量

為保障泥漿密度能達到固井作業的實際需求，在下灰車設計過程中，需充分保障下灰作業過程中固氣兩相流體的質量濃度比要保持在40 ～300，同時為了讓流化床上的固態水泥充分液態化，要保障氣流速度超過灰粒的臨界流態化速度，當設備提供氣量固定的情況下，空氣流量與氣流速度之間會呈現出正比例關系，而流化面積與氣流速度之前呈現反比例關系。另外，為保障下灰車罐體內部灰粒能保持有效輸送，輸送管內部的氣流速度也要超過灰粒的沉積速度。鑒于此，要想進一步提升下灰車的下灰揚程和卸灰速度，需要合理增加下灰車的工作壓力和壓縮空氣流量。根據實驗數據分析發現，要達到上述要求，下灰車罐體內部灰粒工作壓力應該大部分保持在0.196MPa。在選擇壓縮空氣氣源的過程中，要盡可能以無油搖擺式空壓機為主，這種空壓機在壓縮空氣過程中不會攜帶油或者水，因此可以有效避免下灰車內部灰分出現受潮現象，也可以對透氣元件形成良好保護。

3 下灰車結構

3.1 滑料板

下灰車滑料板主要包括封頭滑板、折角滑板及側滑板等幾個部分。其主要作用是對水泥灰形成有效承載，罐體內部灰粒在重力的作用下會沿著滑板向流化床流動。下灰車通常靜止安息角處于35°～40°，在添加增重劑或者其他配料的情況下灰料的最大靜止安息角能達到45°左右。為實現灰粒可以在滑料板上順利滑動的目的，需充分保障滑料板角度超過灰料的安息角。但當滑料板角度過大時，需要進一步增大積灰槽，此時下灰車下灰性能必然會受到影響。根據數據計算可以知道，下灰車滑料板的最佳角度應該嚴格控制在52°左右（如圖2）。在設計過程中，應該盡可能采用4mm 或者5mm 厚的標準鋼板來制作滑料板，這樣才能在保障罐體強度的同時，實現罐體自重的有效控制。

圖2 滑料板結構示意圖

3.2 流化床

流化床主要是由床身骨架、氣床、氣體多孔分布板等幾個部分共同構成，其主要作用是通過壓縮空氣將分布在氣床上層的灰粒轉化成流態化。流化床是通過焊接方式固定在罐壁上，其屬于流化床的一種支撐系統。如果床身的角度過小，會導致灰粒流動性下降；如果角度設置過大，又會嚴重影響裝載量。因此，在下灰車流化床設計過程中，通常會按照灰粒靜態安息角的1/3 來設置床身角度，這樣可以保障灰粒可以以流態化的形式順利滑動，該角度通常設置為30°。

流化床床身上會均勻分布多孔氣體分布板，氣體分布板的孔的均布度或者孔數都會對氣流分布情況產生一定影響，分布越均勻，均勻氣流的形成面積越大，因此灰粒的液態化也可以得到強化。但氣孔設置過多的情況下，會導致分布板的強度以及氣流通過速度會受到負面影響。分布板通常情況下使用5mm 標準板材制作，分布板上氣孔通常設置為φ20mm，氣孔與周邊氣孔的間距最好設置在40mm 左右。

在下灰車設計過程中，通常使用工業尼龍帆布來制作氣床布，這種帆布的編制工藝與普通帆布存在較大差異。氣床布表面平整，且具有一定強度，耐磨性強，一般不會出現撕裂等現象。當下灰車處于空載或者小負荷工作狀態下時，在壓縮空氣的作用下，氣床布會出現輕微抖動。氣床布內部交錯排列空隙，但是空隙密度不會導致灰粒透過。當環境濕度較大的情況下，氣床布對膨脹度的要求很小，可以有效避免氣孔出現堵塞。氣床布厚布不易過大或過小，太薄的情況下其強度會下降，太厚時會導致透氣阻力增加，且自重也會增加，在此情形下，帆布的抖動性也會受到影響。根據大量試驗研究發現，帆布厚度為6mm 的情況下，完全可以滿足下灰車氣床布的使用要求。

另外，在設計流化床的過程中，需要將流化參數作為一項重點設計內容。當流化床氣流過大，并超過灰粒臨界流化速度的情況下可以保障灰粒處于的流化狀態。根據流化面積公式可知。流化面積與氣流速度之間存在負相關關系，流化面積越大，氣流速度會相應變小，也就表示流化面積較小的情況下，氣流速度會相應變大。但需要注意的是，氣流過大的情況下，會出現稀相流態化問題，進而影響下灰車的卸灰效果。根據數據對比發現，下灰車處在0.2 ～0.3MPa 工作壓力范圍內的情況下，只需要將下灰車單倉流化面積控制在2.16 ～2.4m2的范圍內，即可保障灰粒達到最佳流化狀態。

3.3 積灰槽及出灰管

積灰槽指兩側滑板與流化床的對接位置，積灰槽的下方針對出灰管。積灰槽的主要作用是收集側滑板與流化床上的灰粒。積灰槽越大的情況下，下灰車單倉非流化區域也會越大，在作業前期會出現氣推灰卸灰，進而作業后期由于灰粒的流化性能下降，固氣兩相出現不均勻現象，此時下灰車作業過程中很容易出現車身劇烈抖動現象，嚴重的情況下，會導致水泥車混漿密度受到影響。鑒于此，在設計下灰車結構的過程中，要盡可能將積灰槽的尺寸控制在最低程度。

為保障下灰車出灰效果達到最佳，通常都會將積灰槽上部出灰管加工成喇叭口狀，一旦達到工作壓力，空氣流量達到一定量時，出灰管內徑越大，管內的氣流強度就會越小；而內徑過小的情況下，會導致下灰車卸灰量下降。積灰槽底部與喇叭口的垂直距離越大，表示沿程出現壓力損失越大，但兩者垂直距離越小的情況下，攪動灰粒的氣流流量又會受到影響。根據上述分析并結合大量實踐檢驗可以知道，出灰管應該使用4 英寸無縫管制作，而喇叭口與積灰槽最低端的垂直距離應該嚴格控制在45mm 左右。

4 組裝質量

根據下灰車的現場試驗可以知道，如果兩側滑料板在組裝過程中出現角度不一致的問題，會導致吹灰過程中其中一側灰粒在成功攪動的情況下，另一側灰粒在未被攪動的情況下就從低壓側流出，從而使得大量余灰無法被充分帶出。鑒于此，在組裝罐體的過程中，要充分保障組裝質量，例如，要充分保障兩側滑料板的對稱性，并有效改善氣化室氣密封等。

5 結語

總而言之，下灰車在固井作業過程中會因某些因素影響而導致卸灰速度受到影響。在下灰車設計過程中，要這對各類影響要素進行深入分析，并針對關鍵指標開展大量試驗和理論計算，這樣才能保障各項參數指標的合理性，除上述幾種影響因素外，在下灰車作業前，還可以通過合理使用潤滑劑，積極開展車輛檢修維護，做好下灰車的保養工作，這樣也可以在一定程度上提升下灰車的卸灰速度。只有讓下灰車更好地運行，才能有效地提升固井下灰車的平均卸灰速度，才能進一步提升作業效率，更好地為固井作業提供幫助。