雷彪 陈江 侯林

摘要：针对传统正压输送供料装置结构复杂、物料切袋频繁、浮化和运输劳动强度大等缺陷，设计了一种集正压吹送和负压吸送于一体的干粉高效混配装置设计方案。该设计方案既保留了传统正压吹送浓度高、输送距离远等优势，又具备了负压吸送多点切换方便、供料装置简单、劳动强度低和粉尘污染低的优势。结合气力输送关键参数分析，对设备选型和管汇流程等进行了重新设计，并配备了PLC自动控制系统和除尘装置。现场实际测试结果表明，所设计的方案可实现多种干粉的高效混配，且满足节能环保等要求。

关键词：正负压;干混;固井;结构设计

引言

水泥干混是指固井作业过程中所用的材料需要根据实际井况和相应的固井工艺要求，在规定级别的水泥基料中混合使用其它材料或加入不同用途的干粉添加剂，以获得高品质的固井干粉料[1-2]。其目的在于提高或降低混浆密度、增强水泥浆抗高温性能等，目前在陆地及海洋固井工艺中应用频繁[3，4，5]。

1、传统正压干混装置存在的问题

干混作业是将不同密度、粒径、不同包装形式的干粉料按照设计配方层铺、充气初混拌、倒罐混拌、取样化验合格后，充气输送到成品罐的工艺过程。

传统正压干混装置的通常有固定式和撬装移动式两种，核心设备是一至两台干灰切割罐。固定式多用在水泥干混站，为了降低加料平台高度，一般采用地罐，如图1（a）所示;撬装移动式，如图1（b）所示，一般配备两台切割罐，罐顶部有加料漏斗和除尘装置。两种均采用人工从罐顶平台切袋，重力加料的方式。袋装散料一般采用人工搬运或叉车举升，劳动强度大，污染和浪费较高，不易精确控制加量。由于重力加料后需要关闭阀门充压输送，所以在应对多组分干粉料混配任务时的精度和效率均不理想。

2、正负压组合式干混装置原理及设计参数

物料被压缩空气流化后进入输送管道，气流在压差作用下沿管道流动，并在摩擦力作用下对干粉颗粒产生拖曳进行输送。随着距离的不断增加，气流、物料及管段相互摩擦产生能量损失，物料流态也产生变化。

2.1正压输送物料在管道内的流态分析

散状固体物料在气力输送管道内的流动是极其复杂的，每种物料都有其独特的流动特征。通过分析散状固体物料在输送管道内的运动状态，可为正确选择输送参数和设计气力输送系统提供依据[19]流型受到表观气速、颗粒物性、管道尺寸等众多因素影响，在密相输送过程中，表观气速低、颗粒浓度高、流型复杂多变。在水平输送管内，可能出现的流型及其演变如图3 所示[20]。

图 3 中的流型随气速降低或固体质量流量增加按顺序出现，当气速较高时，固体颗粒能在管内充分悬浮，管内呈悬浮流[图3（a）]，颗粒浓度在管内分布较均匀;随着气速的降低，管内部分颗粒无法悬浮，产生沉积分层现象，颗粒浓度分布不均，管内可能呈现分层流动，如分层流[图3（b）]、沙丘流[图3c）]、波状流[图3（d）];随着气速的进一步降低，管内可能出现栓流[图3（e）、（f）]或栓塞流[图3（g）]，甚至发生管道堵塞现象[图3（h）]，使输送无法进行。

2.2正负压输送原理分析

在气力输送系统中，通过对散状固体物料和空气在输送管道内的运动分析，可以了解物料和空气在管道内的运动情况和运动规律，从而为气力输关系统的设计提供依据。气力输送装置设计中要尽量缩短管道当量长度，并通过管径、输送压力、助吹设计等选型使物料尽量在悬浮至疏密流状态下输送。由于干粉混配装置需要应对不同密度和粒径的物料，而物料的悬浮速度随着密度和粒径上升急剧上升;所以考虑最大密度和粒径的材料（如铁矿粉等）的悬浮输送将大大增加装置的建造成本。但保证最大密度和粒径的材料的可输送性（不发生堵塞）是基本要求。

在某些正压输送系统中，常用负压反抽式消堵技术来解决柱塞流状态下的堵塞发生，但被动消堵导致作业中断，降低了装置效率[25]。

3 实验结果与讨论

截止目前该系统共进行11次干混作业，合计67批次;干混配方从两种到五种不等;设计密度从1.95到2.05不等;质量控制合格率100%;实际传输测试数据：正压输送效率：2 T/MIN;负压抽吸效率：2.5 T/MIN;下文列举2次较典型的干混作业质控统计数据：

3.1双组份干混：

配方：100%质量H级水泥，300目;35%硅粉，100目;

产量：18批次，每批次7765kg，共计139770kg;

水泥浆设计密度：1.95GR/CC;

生产日期：2017年6月25日;

3.2四组分干混：

配方：100%质量H级水泥，300目;5%微硅，800目;30%100目硅粉;10%200目硅粉;

产量：每批次6.5T，共计15批次97.5T;

水泥浆设计密度：2.05GR/CC;

生产日期：2017年7月16日;

4、结论

常规正压干混系统的原理、应用及自动化控制等技术应用已经很成熟;负压输送在塑料、化工、医药、粮食工业也有十分广泛的应用;但多用于轻质大颗粒光滑材料或流动函数FF>10的粉料输送;本文在水泥干混工艺中创新性的引入负压输送系统，并采用PLC对工艺管汇进行集中控制，大幅节省了人力物力;配套除尘装置后，实现了零排放;在此基础上，对原料储罐进行设计选型，采用底部漏斗下灰和氣蝶型流化装置;原料罐、层铺罐及工艺管汇内部几乎没有材料残余;在灵活的多点负压取料基础上，进一步节约了每道工序间的清罐和扫线时间;混配精度及时效均大大优于常规正压干混站。第一套系统在墨西哥投产以来，多次获得客户的好评，提升了业主的国际竞争力，是一次成功的尝试与应用。

参考文献：

[1]张宏军，杨亚新，林晶.高强超低密度水泥浆体系研究.钻采工艺，2006，29（6）：107-110.

[2]Costa B L S，Julio C O，Dulce M A，et al.Evaluation of density influence on resistance to carbonation process in oil well cement slurries.Construction and Building Materials，2019，197：331-338

[3]王成文，王瑞和，步玉环.深水固井水泥性能及水化机理.石油学报，2009，30（2）：280- 284.

[4]Zuo J L，Sun H S，Wu J G，et al.Study and application of ultra low density cementing technology for coalbed methane.Journal of China Coal Society，2012，37（12）：2076-2082.

[5]郭昭学，李早元，雷俊杰.国内目前固井面临的新问题及发展方向.钻采工艺，2007，30（4）：38-41.

作者简介：

1、雷彪，男，1984年出生，毕业于西安石油大学，中级设备工程师，2007年-2009年在中海油服油化事业部塘沽基地任设备工程师，2009年至2014年在中海油服油化事业部物资装备部装备管理岗任职。2014年至2015年在中海油服油化事业部墨西哥作业公司任岸基支持项目建造副经理;2015年至今负责岸基支持项目运营管理。