CN101314244A - 振动辅助混合器 - Google Patents

Abstract

用于混合粉末和液体的振动辅助混合器，其实施例包括用于容纳粉末和液体的混合物的混合壳体、与混合壳体相联接以向其提供液体的液体输送壳体和与混合壳体相联接以向其提供粉末的粉末输送壳体，其中混合器被构造成在其中引起振动以充分避免混合物在那里的堵塞结块堆积。

Description

振动辅助混合器

技术领域

本发明涉及用于混合粉末和液体的混合器。具体地，描述了在油田应用中使用的水泥混合器的实施例，用于在井内的注水泥(cementing)。

背景技术

混合粉末和液体以形成二者的浆状混合物在多种工业中有普遍应用。从烘烤到模制零件的制造，众多工业应用使用浆状混合物，其在一处混合后被运输到另一处以便进一步使用。通过实例，液体和粉状水泥的水泥浆混合物可通过在工业混合器中混合粉末和液体形成。工业混合器可以是移动水泥车(cement truck)的形式，其可用于向工作点输送水泥浆以供卸载和最后使用。因此，在这种方式中，浆状混合物在一处混合并被运输到另一处以供最后使用和固化。

不像上述移动水泥车的实例，优选的是，在工作点具有更现成可利用的水泥浆供应。例如，在油田工业中，在井内的注水泥可能需要大量泥浆的现成供应。此外，需要以接近连续的方式向井输送泥浆。因此，更加实用的是，直接在油田形成水泥浆使得它可以立刻向井提供并且按照所需的程度以连续方式提供。这可以通过水泥混合器和其他设备的使用而实现，该水泥混合器和其他设备可以连续混合并向井供给水泥浆，如下文所述。

上文提到的水泥混合器可以包含在油田中的更大的注水泥组件中，以实现并的注水泥，例如，但并不限于建井(well construction)，修井(wellremediation)，完井(well completion)等，如将被本领域的技术人员理解的那样。在井的注水泥期间，来自水泥混合器的水泥浆的持续供应的有效性在操作中起到至关重要的作用。此外，操作所需的水泥浆和时间的总量随井的深度增加而增加。因此，混合器所需的运行时间的量基本上随烃井(hydrocarbon well)深度的持续增加而增加。

为了上述操作，可以使用多种水泥混合器的构造。例如，可以使用间歇式混合系统，其带有用于容纳来自不同位置的水泥粉末和液体的中央混合(central mix)罐。在这种情况下，混合罐充当通过混合水泥粉末和液体首先形成泥浆的混合场所或“壳体”。替代的，水泥粉末和液体可以连续的方式混合。例如，可以使用文氏管(venturi)或其它混合器类型，在那里液体和水泥粉末的独立管道被结合并同时向下到达朝向井的共用路径或中间循环设备(intervening circulation equipment)。无论如何，都要存在水泥粉末与液体相遇的混合场所。

不利的是，不论具体的混合器构造，水泥粉末和液体经常在期望的混合场所之外混合。当这样发生时，浆状混合物的结块堆积(cake build-up)(结块或水泥块通常指的是固体稠密的非流动糊状物)继而以对可从混合器得到的泥浆的速率具有负面影响的方式产生。例如，常见的是，液体飞溅到期望的混合场所之外并与供应水泥粉末的管道和壳体接触。当这样发生时，向期望的混合场所引导的水泥粉末可首先遇到飞溅的液体并开始形成结块。随着时间过去，这个结块可以导致水泥粉末供应的堵塞(occlusion)，其可严重影响固井和最终的整个完井操作的效率。

在油田中的注水泥应用中，上述在期望的混合场所之外的结块堆积可通过多种方式解决。例如，可简便地容忍可用泥浆的速率降低直到堵塞达到不再能从混合器获得泥浆的水平。这时，或在某个时间点之前，注水泥操作可随着混合器或其他地表设备的关闭而停止。混合器然后可被预定位在油田中的另一干净的混合器替代或者被清理后最终被放回到线上，然后操作重新开始。无论如何，在这样的情况下，整个完井操作的效率大大受到可用水泥浆的降低的速率和为解决该问题的潜在的混合器停工时间的影响。

发明内容

用于混合粉末和液体的混合器的实施例包括用于容纳粉末和液体的混合物的混合壳体、与混合壳体相联接以向其提供液体的液体输送壳体和与混合壳体相联接以向其提供粉末的粉末输送壳体，其中混合器被构造成在其中引起振动以充分避免混合物在那里的堵塞结块堆积。替代的，粉末是水泥。替代的，液体是水。替代的，液体以喷注(jet)形式穿过液体输送壳体。替代的，混合器是文氏管构造。替代的，混合器还包括振动机构，其与混合器相联接用于充分避免混合物在那里的堵塞结块堆积。振动机构可以是冲击振动器、活塞振动器、旋转振动器、片簧式振动器和超声振动器中的一种。

在替代的实施例中，用于混合粉末和液体的混合器包括用于容纳粉末和液体的混合物的混合场所、与混合场所相联接以向其提供液体的液体输送入口、与混合场所相联接以向其提供粉末的粉末输送入口，和与混合场所、液体输送入口和粉末输送入口之一相联接的振动机构。替代的，振动机构被构造成赋予(impart)振动以避免混合物在混合器中的基本上堵塞的结块堆积。这种避免可以通过结块堆积的溶解(liquefying)实现。溶解可以明显地增加粉末输送入口向混合入口的开口的尺寸。替代的，混合入口、液体输送入口和粉末输送入口之一的至少一个壁用金属、塑料和复合材料之一构造。替代的，振动机构被构造成提供(impart)振动以促进粉末和液体的混合。

在替代的实施例中，振动机构被联接到混合器，其用于在混合器的混合壳体中混合粉末和液体，振动机构被构造以充分消除混合壳体之外的混合物的堵塞结块堆积。振动机构可以是冲击振动器、活塞振动器、旋转振动器、片簧式振动器和超声振动器中的一种。替代的，这种消除通过结块堆积的溶解而发生。

在替代的实施例中，在混合器中形成水泥浆的方法包括向混合器的混合入口提供水、从粉末输送入口向混合入口添加水泥粉末以形成水泥浆，并且在添加期间给混合器传递振动以充分消除在那里的泥浆的堵塞结块堆积。替代的，传递振动包括启动联接到混合器的振动机构。替代的，在提供和添加期间，启动操作以连续方式和按预定周期间歇的方式中的一个操作。替代的，混合入口被联接到通向油田中的井的排出入口，该方法还包括用水泥浆在井中注水泥。

附图说明

图1为在油田中的设备的总图，该设备使用振动辅助混合器的实施例。

图2为图1中2-2处的振动辅助混合器的放大图。

图3A为图2中3-3处的振动辅助混合器的横截面图，并显示了在其中的结块堆积。

图3B为图3A中的振动辅助混合器的横截面图，其显示了结块从其中移除。

具体实施方式

实施例将参考油田中的特定完井操作而描述。具体地，描述了水泥混合器和用于注水泥的设备的实施例，例如但不限于，用于在烃井中的建井、修井、完井等的注水泥。但是，多种构造成在其中的混合场所混合液体和粉末的混合器适于与在此所述的振动机构的实施例一起使用。例如，在油田环境之外或在除了水泥浆形成之外的应用中使用的混合器可利用在此描述的振动机构的实施例的优势。尽管如此，在油田操作中使用的水泥混合器特别适于与以下描述的这样的振动机构一起使用。

现参考图1，混合器场所或组件110的实施例被描述为与其它用于井180的注水泥的地表设备一起在油田101上。混合器组件110包括水泥混合器114，在那里水泥粉末和液体的独立管道在混合壳体或混合场所113相交以形成水泥浆170。泥浆170可被向井下输送到井180中。此外，水泥混合器114包括与水泥粉末输送入口或壳体111联接或以其他方式可操作地连接的振动机构100，从而充分避免在壳体111中的水泥结块的堆积。如以下进一步所述，这将有助于避免水泥输送壳体或粉末入口111的堵塞，从而提高井的注水泥操作中的注水泥部分的效率。

继续参考图1，混合器组件110描述为具有定位在水射流供应器115附近的水泥粉末供应器117一起描述。水泥粉末供应器117可被增压以向输送壳体111进给水泥粉末和/或被构造成向输送壳体111重力进给水泥粉末。因此，水泥粉末可落入混合场所113。由此，水射流供应器115可被构造成通过液体输送入口或壳体112排放水射流350(如图3A和3B最佳地显示)。同样地，水射流350可被引导到混合场所113，在那里水射流350与被输送的水泥粉末(见图3A和3B)混合。因此，粉末和水的混合浆170至少部分地通过排出管道200被驱送至集管140用于之后向井180输送，如以下进一步描述的那样。尽管泥浆170被描述作为水和水泥粉末的混合物，其可能提供有其他成分。例如，添加剂可与干燥水泥粉末或水一起提供。此外，其它液体可代替水或与水一起使用。

混合器组件110还可包括至少一个正排量泵135，其把水泥浆170通过井口(well head)150从泥浆储藏罐或混合部140引导至穿透地层190的井180中。混合部140可包括再循环泵125，其与混合部140和混合场所113液体流通。用于驱动水泥浆170的高至15,000PSI或更多的足够的压力通过泵135提供。

如以上提到的，上述井的固井操作的总效率较大地依赖于从混合器组件110可接近持续供应水泥浆170的有效性。因此，如以上指出的，组件110的水泥混合器114装备有振动机构100从而充分减少在水泥输送壳体或入口111内的水泥结块堆积。因而，壳体111的堵塞可被避免从而有助于优化混合器114在固井操作中的正常运行时间。

现结合图1、3A和3B参考图2，示出了水泥混合器或液体和粉末接口114的放大图。混合器114是带有液体输送入口或壳体112的文氏管构造，该液体输送入口或壳体112在水泥输送壳体或入口111下方传送水射流350。从以上间接得到，因此可将水泥粉末从壳体111抽向混合场所113。水射流350的力随后可将新形成的水泥浆170向朝向图1中的泥浆储藏或混合部140的排出壳体(exit housing)或出口200驱送以用于随后的下游使用。在所示实施例中，水射流350是水平类型的。然而，在其他实施例中，水射流350可以是垂直或倾斜的构造。此外，如以下进一步描述的那样，混合器114本身可以完全是非文氏管构造。

图2还显示了上述的振动机构100。结合图3A和3B，在所示实施例中振动机构100直接联接到水泥输送壳体111。以这种方式，振动机构100可用于通过向壳体111传递振动以防止或移除在那里的结块堆积300。也就是，不像混合器114在混合场所113之外的其他部分，水泥输送壳体111可能特别易于引起结块堆积300的结果。也就是，水射流350可如上所述被驱送通过液体输送壳体112、混合场所113和排出壳体200。因而，在这些场所112、113、200中的结块堆积300可通过水射流350被充分避免或消除。在另一方面，水泥输送壳体111缺乏特意穿过壳体111驱动的水射流350的内部清理的优点。因此，如以下进一步描述的，使振动机构100直接在壳体111处的定位是特别有利的。

现在继续参考图3A和3B，振动辅助水泥混合器114在图2的3-3处的顶部横截面被描述。特别地，图3A显示出混合器114，其带有在水泥输送壳体111中的结块堆积300的聚集。然而，如在图3B所述，来自振动机构100的振动可用于充分溶解堆积300。因而，开口375的尺寸将会增加，其中水泥粉末可穿过该开口375而落入混合场所113。

继续参考图3A，堆积300可能是水从下方的水射流350飞溅到壳体或入口111的内表面造成的结果。壳体或入口111的内表面上的潮湿因而可与水泥粉末在期望的混合场所113之外混合。因此，在水泥输送壳体111中可能产生结块堆积300。在所示实施例中，堆积300非常严重地堵塞壳体111，导致开口375的尺寸变得极小，其中水泥粉末可穿过该开口375而落入混合场所113。

如以上指出的，振动机构100可被用来充分移除所述结块堆积300，如图3B描述的那样。例如，在一个非限定性的实施例中，水泥输送壳体111的内径可能在大约3至5英寸之间。因而，在其中具有平均大约1英寸横跨的结块堆积300的这种壳体111的完全堵塞表明堆积300的体积在大约9.4至15.7立方英寸之间。当然，在没有预防或规避措施的情况下，结块堆积300的体积会进一步提高，水泥输送壳体或入口111被堆积300截断(backingup)。

为了保证为如图1所述的操作持续供应泥浆170，振动机构100可用于在达到完全堵塞的程度之前溶解堆积300。因而，如图3A所示，在收缩的开口375的面中，振动机构100用于充分溶解堆积300以显著增加开口375的尺寸。例如，在一个实施例中，振动机构100可以是安装到壳体111的常规冲击振动器，该壳体111具有大约0.0625至2.0英寸的厚度。壳体111可以是金属、塑料、复合或其它常规材料。同样，振动机构100可以被构造成以大约1Hz至20Hz之间的频率传递大约5至3000lbf.(磅力)之间的力，从而充分溶解结块堆积300，如图3B所述。

继续参考图3A和3B，如本领域技术人员所理解的那样，除了冲击振动器，振动机构100可以是活塞振动器、旋转振动器、簧片式振动器，以及超声压电振动器，或其它振动器类型。此外，如以上所述，振动机构100可用于充分消除在水泥输送入口111内的结块堆积300。然而，在其他实施例中，振动机构100可用于充分避免结块堆积300。也就是，与在面对结块堆积300时启动振动机构100相反的是，振动机构100可在混合器114的使用中保持连续工作从而避免结块堆积300。替代地，振动机构100可以在混合器114的使用期间以预定的周期间歇地工作从而避免结块堆积300。

除了图3A和3B的实施例，振动机构100可在混合器114远离水泥输送壳体111的结构场所安装。例如，如本领域技术人员所理解的那样，按照设计的选择，振动机构100可被安装到与水泥输送壳体111充分联接或可操作地连接的混合场所113的壳体或混合器114的其他结构部分使得由机构100向其传递振动。此外，在替代的混合器构造中，混合器114的其他更易于产生结块堆积300的区域可能存在，在那里可安装振动机构100。替代地，振动机构100可被可移除地安装在混合器114的任何一个部件上。

如以上所指出的，替代的混合器构造可与振动机构100一起使用以防止粉状材料的结块堆积，其中液体和粉状材料被引入共用场所，如本领域技术人员所理解的那样，包括但不限于，粉状材料经由定向端口被引入到混合场所的系统，其中粉状材料被引入轴向液流，粉状材料经由循环泥浆文氏管被吸进混合转筒(bowl)，其中粉状材料被切向地引入轴向液流，垂直的粉状材料流和液流被引入混合场所，其中粉状材料被机械地引入到混合场所，以及液体和粉末在分批混合过程中被引入到混合部中的不同场所，如将被本领域的技术人员理解的那样。

以上所述的实施例包括混合器，其用于在油田的固井操作以大体连续地提供水泥浆。这可以通过在操作期间中充分消除或避免在混合器中的水泥结块堆积而实现。另外，这些实施例以这样的方式提供泥浆，该方式避免了为操作提供的可用泥浆的速率的任何明显减小。因而，固井操作的总效率将不会受到可用水泥浆的速率的影响或损害。

上述说明参考了目前优选实施例得以呈现。这些实施例所属本领域的技术人员将会理解的是，所述结构和操作方法的改动和改变可在不偏离这些实施例原理和范围下实践。例如，振动机构被描述和描写成被安装到混合器的分离机构。然而，在替代的实施例中，振动机构可整体并入到混合器自身的壳体或本体中。另外，振动机构可以是引入液体供应以在混合器中产生振动的类型，例如，通过用阀或孔或以定位在流动路径中的簧片形式调节液流。此外，前述说明不应该被理解为仅与附图中描述和显示的明确结构有关，而应该被理解为与后附权利要求一致并得到后附权利要求的支持，该权利要求具有它们最完整且最合理的范围。

Claims (20)

1、一种用于混合粉末和液体的混合器，所述混合器包括：

用于容纳所述粉末和所述液体的混合物的混合壳体；

与所述混合壳体相联接以向其提供所述液体的液体输送壳体；和

与所述混合壳体相联接以向其提供所述粉末的粉末输送壳体，其中所述混合器被构造成在其中引起振动以充分避免所述混合物在那里的堵塞结块堆积。

2、如权利要求1所述的混合器，其中所述粉末是水泥。

3、如权利要求1所述的混合器，其中所述液体是水。

4、如权利要求1所述的混合器，其中所述液体以射流形式横越所述液体输送壳体。

5、如权利要求4所述的混合器，所述混合器是文氏管构造。

6、如权利要求1所述的混合器，还包括振动机构，所述振动机构与混合器相联接用于充分避免所述混合物在混合器处的堵塞结块堆积。

7、如权利要求6所述的混合器，其中所述振动机构是冲击振动器、活塞振动器、旋转振动器、片簧式振动器和超声振动器中的一种。

8、一种用于混合粉末和液体的混合器，所述混合器包括：

用于容纳所述粉末和所述液体的混合物的混合场所；

与所述混合场所相联接以向其提供所述液体的液体输送入口；

与所述混合场所相联接以向其提供所述粉末的粉末输送入口；和

与所述混合场所、所述液体输送入口和所述粉末输送入口之一相联接的振动机构。

9、如权利要求8所述的混合器，其中所述振动机构被构造成赋予振动以避免所述混合物在所述混合器中的基本上堵塞的结块堆积。

10、如权利要求9所述的混合器，其中所述避免通过所述结块堆积的溶解实现。

11、如权利要求10所述的混合器，其中所述溶解明显地增加所述粉末输送入口向所述混合入口的开口的尺寸。

12、如权利要求10所述的混合器，其中所述混合入口、所述液体输送入口和所述粉末输送入口之一的至少一个壁用金属、塑料和复合材料之一构造。

13、如权利要求8所述的混合器，其中所述振动机构被构造成提供振动以促进所述粉末和所述液体的混合。

14、一种振动机构，联接到混合器，该混合器用于在所述混合器的混合壳体中混合粉末和液体，所述振动机构被构造以充分消除所述混合壳体之外的所述混合物的堵塞结块堆积。

15、如权利要求14所述的振动机构，所述振动机构是冲击振动器、活塞振动器、旋转振动器、片簧式振动器和超声振动器中的一种。

16、如权利要求14所述的振动机构，其中所述消除通过所述结块堆积的溶解而发生。

17、一种在混合器中形成水泥浆的方法，所述方法包括：

向所述混合器的混合入口提供水；

从粉末输送入口向所述混合入口添加水泥粉末以形成所述水泥浆；并且

在所述添加期间赋予所述混合器振动以充分消除在那里的所述泥浆的堵塞结块堆积。

18、如权利要求17所述的方法，其中所述赋予振动包括启动联接到所述混合器的振动机构。

19、如权利要求17所述的方法，其中在所述提供和所述添加期间，所述启动操作以连续方式和按预定周期间歇的方式中的一个操作。

20、如权利要求17所述的方法，其中所述混合入口联接到排放出口，该排放出口通向油田中的井，该方法进一步包括使用水泥浆在井中注水泥。

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