气动卧式下灰车下灰性能影响因素探究

唐璐

（大庆油田石油专用设备有限公司研发中心，黑龙江 大庆 163411）

气、固两相流体力学和气体动力学是下灰车设计过程中的重要依据。下灰车主要利用气化设备，通过压缩空气将固态水泥转化成气态，从而在下灰车管线内部流动，并最终随气流排到罐体外部。下灰车是油田固井作业过程中非常重要的一种辅助作业设备，下灰效率高，可以实现不同颗粒介质的运输和储存，罐体内部灰质剩余率低，操作简单，是固井作业过程中一种可靠的作业装置。

1 卧式下灰车的结构

国内目前应用的下灰车主要分为立式、卧式和举升式等几种。其中本文研究的卧式的下灰车卸灰过程主要依赖的是重力的和气动压力。气动卧式下灰车罐体容量大、仓内可快速建压、重心低、行车稳定，在国内各大油田生产开采中的应用非常广泛。图1 为卧式下灰车罐体示意图。

图1 卧式下灰车罐体示意图

气动卧式下灰车通过压缩空气将固态水泥转化成液态化流体，并通过管道输送到罐体外部用于井下固井作业。气动卧式下灰车主要有工作压力、剩余率、平均卸灰速度、水平输送距离等几个主要技术指标。下灰车在联合水泥车作业过程中平均卸灰速度剩余率属于两个重点指标。根据国内油田下灰车的作业现状可知，目前国内应用的大部分下灰车平均卸灰速度需要达到1.7t/min左右，最高卸灰速度可以达到2t/min 以上。

为进一步提升下灰车装载量，两个封头采取了背靠背结构。下灰车的主体结构主要包括滑料板、流化床以及出灰管等。滑板、流化床底部以及封头、罐体共同组成一个气化空间，在作业过程中该气化空间中会充满压缩空气，气流会沿着流化床床身将粉料转化成液态。

2 工作压力和压缩空气流量

为保障泥浆密度能达到固井作业的实际需求，在下灰车设计过程中，需充分保障下灰作业过程中固气两相流体的质量浓度比要保持在40 ～300，同时为了让流化床上的固态水泥充分液态化，要保障气流速度超过灰粒的临界流态化速度，当设备提供气量固定的情况下，空气流量与气流速度之间会呈现出正比例关系，而流化面积与气流速度之前呈现反比例关系。另外，为保障下灰车罐体内部灰粒能保持有效输送，输送管内部的气流速度也要超过灰粒的沉积速度。鉴于此，要想进一步提升下灰车的下灰扬程和卸灰速度，需要合理增加下灰车的工作压力和压缩空气流量。根据实验数据分析发现，要达到上述要求，下灰车罐体内部灰粒工作压力应该大部分保持在0.196MPa。在选择压缩空气气源的过程中，要尽可能以无油摇摆式空压机为主，这种空压机在压缩空气过程中不会携带油或者水，因此可以有效避免下灰车内部灰分出现受潮现象，也可以对透气元件形成良好保护。

3 下灰车结构

3.1 滑料板

下灰车滑料板主要包括封头滑板、折角滑板及侧滑板等几个部分。其主要作用是对水泥灰形成有效承载，罐体内部灰粒在重力的作用下会沿着滑板向流化床流动。下灰车通常静止安息角处于35°～40°，在添加增重剂或者其他配料的情况下灰料的最大静止安息角能达到45°左右。为实现灰粒可以在滑料板上顺利滑动的目的，需充分保障滑料板角度超过灰料的安息角。但当滑料板角度过大时，需要进一步增大积灰槽，此时下灰车下灰性能必然会受到影响。根据数据计算可以知道，下灰车滑料板的最佳角度应该严格控制在52°左右（如图2）。在设计过程中，应该尽可能采用4mm 或者5mm 厚的标准钢板来制作滑料板，这样才能在保障罐体强度的同时，实现罐体自重的有效控制。

图2 滑料板结构示意图

3.2 流化床

流化床主要是由床身骨架、气床、气体多孔分布板等几个部分共同构成，其主要作用是通过压缩空气将分布在气床上层的灰粒转化成流态化。流化床是通过焊接方式固定在罐壁上，其属于流化床的一种支撑系统。如果床身的角度过小，会导致灰粒流动性下降；如果角度设置过大，又会严重影响装载量。因此，在下灰车流化床设计过程中，通常会按照灰粒静态安息角的1/3 来设置床身角度，这样可以保障灰粒可以以流态化的形式顺利滑动，该角度通常设置为30°。

流化床床身上会均匀分布多孔气体分布板，气体分布板的孔的均布度或者孔数都会对气流分布情况产生一定影响，分布越均匀，均匀气流的形成面积越大，因此灰粒的液态化也可以得到强化。但气孔设置过多的情况下，会导致分布板的强度以及气流通过速度会受到负面影响。分布板通常情况下使用5mm 标准板材制作，分布板上气孔通常设置为φ20mm，气孔与周边气孔的间距最好设置在40mm 左右。

在下灰车设计过程中，通常使用工业尼龙帆布来制作气床布，这种帆布的编制工艺与普通帆布存在较大差异。气床布表面平整，且具有一定强度，耐磨性强，一般不会出现撕裂等现象。当下灰车处于空载或者小负荷工作状态下时，在压缩空气的作用下，气床布会出现轻微抖动。气床布内部交错排列空隙，但是空隙密度不会导致灰粒透过。当环境湿度较大的情况下，气床布对膨胀度的要求很小，可以有效避免气孔出现堵塞。气床布厚布不易过大或过小，太薄的情况下其强度会下降，太厚时会导致透气阻力增加，且自重也会增加，在此情形下，帆布的抖动性也会受到影响。根据大量试验研究发现，帆布厚度为6mm 的情况下，完全可以满足下灰车气床布的使用要求。

另外，在设计流化床的过程中，需要将流化参数作为一项重点设计内容。当流化床气流过大，并超过灰粒临界流化速度的情况下可以保障灰粒处于的流化状态。根据流化面积公式可知。流化面积与气流速度之间存在负相关关系，流化面积越大，气流速度会相应变小，也就表示流化面积较小的情况下，气流速度会相应变大。但需要注意的是，气流过大的情况下，会出现稀相流态化问题，进而影响下灰车的卸灰效果。根据数据对比发现，下灰车处在0.2 ～0.3MPa 工作压力范围内的情况下，只需要将下灰车单仓流化面积控制在2.16 ～2.4m2的范围内，即可保障灰粒达到最佳流化状态。

3.3 积灰槽及出灰管

积灰槽指两侧滑板与流化床的对接位置，积灰槽的下方针对出灰管。积灰槽的主要作用是收集侧滑板与流化床上的灰粒。积灰槽越大的情况下，下灰车单仓非流化区域也会越大，在作业前期会出现气推灰卸灰，进而作业后期由于灰粒的流化性能下降，固气两相出现不均匀现象，此时下灰车作业过程中很容易出现车身剧烈抖动现象，严重的情况下，会导致水泥车混浆密度受到影响。鉴于此，在设计下灰车结构的过程中，要尽可能将积灰槽的尺寸控制在最低程度。

为保障下灰车出灰效果达到最佳，通常都会将积灰槽上部出灰管加工成喇叭口状，一旦达到工作压力，空气流量达到一定量时，出灰管内径越大，管内的气流强度就会越小；而内径过小的情况下，会导致下灰车卸灰量下降。积灰槽底部与喇叭口的垂直距离越大，表示沿程出现压力损失越大，但两者垂直距离越小的情况下，搅动灰粒的气流流量又会受到影响。根据上述分析并结合大量实践检验可以知道，出灰管应该使用4 英寸无缝管制作，而喇叭口与积灰槽最低端的垂直距离应该严格控制在45mm 左右。

4 组装质量

根据下灰车的现场试验可以知道，如果两侧滑料板在组装过程中出现角度不一致的问题，会导致吹灰过程中其中一侧灰粒在成功搅动的情况下，另一侧灰粒在未被搅动的情况下就从低压侧流出，从而使得大量余灰无法被充分带出。鉴于此，在组装罐体的过程中，要充分保障组装质量，例如，要充分保障两侧滑料板的对称性，并有效改善气化室气密封等。

5 结语

总而言之，下灰车在固井作业过程中会因某些因素影响而导致卸灰速度受到影响。在下灰车设计过程中，要这对各类影响要素进行深入分析，并针对关键指标开展大量试验和理论计算，这样才能保障各项参数指标的合理性，除上述几种影响因素外，在下灰车作业前，还可以通过合理使用润滑剂，积极开展车辆检修维护，做好下灰车的保养工作，这样也可以在一定程度上提升下灰车的卸灰速度。只有让下灰车更好地运行，才能有效地提升固井下灰车的平均卸灰速度，才能进一步提升作业效率，更好地为固井作业提供帮助。