CN102256758B - 振动增强的混合方法 - Google Patents

Abstract

一种混合用于输送至下游点的浆体的方法，其包括在混合位置混合液体源和粉末源以形成浆体，并将该浆体引导至下游点和再循环环路中的至少一个，引入至少一个振动源以促进浆体的均一化以及用于输送至所述下游点的所述浆体的完全混合，所述振动源远离所述混合位置设置。

Description

振动增强的混合方法

发明背景

本部分说明仅提供和本公开相关的背景信息，而不构成现有技术。该系统和方法总体地涉及井场地面设备，诸如，但不限制为，水泥混合设备等。

在油井建设时，通常将油田固井系统中的水泥浆体在壳体和地面之间泵送，例如为了确保地质地层或类似物之间的区域间隔。该浆体优选地由精确比例的干水泥混合物和混合液体组成，其在为了获得需要的浆体的性质而完全均一时表现最好，所述性质可包括但不限制为，密度、粘度、失水量、自由水、胶凝时间、硬化时间、硬化强度和透气性。通常通过在连续混合工艺中混合干的水泥混合物和混合液体来形成浆体。实际上，当全部固体颗粒润湿且分散在混合水中，而且从浆体中移除了全部空气之后，浆体被完全混合。在浆体被完全混合之后，将其以预设的速度泵送到井筒中。为了使固井操作成功，连续混合过程必须尽可能快地产生良好混合的浆体。水泥浆体的润湿、胶凝和硬化过程是时间相关的；在和混合液体的最初接触之后不能很快地均一化浆体将不利地导致团块和泡沫的形成，这进一步使混合和泵送两个过程复杂化，且可导致不能实现固井工作的目标。

浆体中的空气吸入和保持是某些浆体制剂的连续混合中的主要问题。当在浆体中的空气保持度变得太高，以致再循环泵不再产生足够的流动以支持所述混合系统时，连续混合问题可能不再持续。连续混合系统的失效可导致和固井工作相关的时间和金钱的显著损失。通常对最难混合的制剂采用批量混合；但是批量混合的设备的尺寸可能会限制可能的总工作体积且可能会增加总的工作成本。

一直希望能改进井场地面设备的运行，所述设备包括连续混合固井设备等。

发明内容

一种用于混合浆体以将其输送至下游点的方法，其包括在混合位置混合液体源和粉末源，形成浆体；将该浆体引导至下游点和再循环环路中的至少一个；和引入至少一个振动源以促进浆体的均一化以及用于输送至所述下游点的所述浆体的完全混合，所述振动源远离所述混合位置设置。可替换地，引入包括在混合位置和下游点之间的位置以及再循环环路中的位置中的至少一个引入振动源。可替换地，该系统包括井筒水泥浆体混合系统，下游点包括井筒，引导包括将浆体引导至井筒，引入包括在混合系统和再循环环路中的至少一个引入振动源。可替换地，该方法还包括提供用于形成浆体的液体源和至少一种粉末源。

可替换地，液体源包括基于水的液体。可替换地，液体源包括水和至少一种液态添加剂。可替换地，粉末源包括干水泥的混合物。可替换地，粉末源包括干的水泥混合物和至少一种干的颗粒添加剂。可替换地，振动源包括主动式振动源。可替换地，振动源包括被动式振动源。可替换地，引入所述振动源通过增强在所述浆体的液体源中所述粉末源的润湿而促进了浆体的均一化。可替换地，引入振动源通过从浆体中移除空气而促进了浆体的均一化。可替换地，引入包括在混合位置和下游点之间的高速区和再循环环路中的高速区中的至少一个引入振动。

在一种实施方式中，用于混合和输送浆体至下游点的系统包括用于混合液体相和粉末相以形成浆体的混合位置、将浆体引导至再循环环路和下游点中至少一个的泵、和至少一个振动源，以促进浆体的均一化和用于输送至所述下游点的所述浆体的完全混合，所述振动源远离所述混合位置设置。可替换地，液体相包括基于水的液体。可替换地，液体相包括水和至少一种液体化学添加剂。可替换地，粉末相包括干的水泥混合物。可替换地，粉末相包括干的水泥混合物和至少一种干的化学添加剂。

可替换地，振动源包括主动式振动源。可替换地，振动源包括被动式振动源。可替换地，振动源通过增强浆体中粉末源的润湿来促进浆体的均一化。可替换地，振动源通过从浆体中移除空气来促进浆体的均一化。可替换地，系统包括井筒水泥浆体混合系统，其至少包括混合器、浆体空气分离器、混合筒、再循环泵和输送泵，且其中所述下游点包括井筒。可替换地，该至少一个振动源位于再循环环路和该系统中至少之一的高速区中。

该系统和方法的实施方式通过在工艺管道或其他高速区之内或之外采用强制振动而增强了形成浆体的粉末源和液体源的混合，所述浆体诸如水泥浆体。

附图说明

通过参考以下详细说明并结合以下附图考虑可更好地理解本发明的这些以及其他的特征和优势，其中：

图1是浆体混合系统示意图。

图2是图1的系统中使用的主动式振动源的示意图。

图3是图1的系统中使用的主动式振动源的示意图。

图4是图1的系统中使用的主动式振动源的示意图。

具体实施方式

参见图1，总体地用100标示用于连续混合粉末和液体的浆体的系统。该浆体可示例性地为井筒固井操作中使用的水泥浆体。系统100包括其中放置有浆体的混合罐102，该混合罐102经由管道104与再循环泵106(诸如离心泵等)流体连通。泵106向浆体加压且将其排出至出口或管道108，该出口或管道108和输送泵110流体连通，所述输送泵诸如用于将浆体泵送至井筒的容积式三缸泵。泵110的出口或管道112延伸至总体地由114标示的下游点或目的地，其诸如井筒(未示出)等。再循环管线或管道116与泵106的出口以及喷射混合器118流体连通。喷射混合器118的出口或管道120与任选的浆体空气分离器122流体连通，所述分离器可为水力旋流器类型的分离器，诸如在序列号为11/996,087的属于同一受让人的未决申请中示出的一样。任选的浆体空气分离器122的出口或管道124与混合罐102流体连通。该出口或管道124可包括用来将水泥浆体注入混合罐102中的喷嘴(未示出)。在不使用浆体空气分离器122的情形中，系统100可包括在混合器118和混合筒102之间的直接连接，诸如通过管道等。再循环管线116、混合器118、浆体空气分离器122、混合筒102和泵106形成了用101总体标示的系统的再循环环路。系统100的再循环环路101具有双重作用：将混合后的浆体输送至一个或多个输送泵110以及将浆体回送经过混合器118以提供促进水泥混合物和混合水的进一步混合的原动力，这将在下文中更详尽地讨论。下游点114可为和系统100或再循环环路101远离的任意位置或目的地，诸如穿过地下地层的井筒等。

浆体穿过系统100的流动总体地包括从混合罐102，至管道104，经过泵106，经过出口108，或者经过泵110和出口112至下游点114，或者经由再循环管线116至再循环环路101，至混合器118的流动。从混合器118开始，浆体流经出口120至任选的浆体空气分离器122，穿过出口124且返回混合罐102。

图1中示出的系统100仅示出了经过系统100的浆体的流动。在混合器118处将粉末源或相126和液体源或相128引入，形成额外的浆体来取代被引至下游点114的浆体。混合器118可为喷射混合器或为本领域技术人员所知的类似的混合器，诸如在序列号为11/996,087的属于同一受让人的未决申请中示出的一样，且可包括用于再循环浆体的喷嘴和位于混合器排出处的喷射器。粉末源126可为干的水泥混合物，其通常包括但不限制于，波特兰水泥或类似物，以及各种干的添加剂，诸如在固井操作中使用的干的颗粒添加剂和用来加强水泥浆体在其液态、凝胶态或硬化态时的性能的其他组分，其包括但不限制于，增补剂、增重剂、滤失控制剂、消泡剂、硅土、柔性粒子、加速剂、延缓剂，以及它们的组合等。液体源128可为混合水，其包括水和各种液体添加剂，诸如在固井操作中使用的液体化学添加剂，其包括但不限制于，增补剂、抗泡剂、去泡剂、加速剂、延缓剂、气体迁移抑制剂、增稠剂、以及以上的组合或类似物。将包括任何添加剂的粉末源126和包括任何添加剂的液体源128加入至再循环浆体喷射器或混合器118，形成用于系统100的额外的浆体。任选的浆体空气分离器122有利地移除了混合器118的混合过程中浆体系统中带入的空气。

为了促进浆体的均一化和输送至下游点114的浆体的完全混合，通过将至少一个振动源引入系统100中，增强了系统100的性能，尤其是关于形成均一的浆体混合物的性能。可在系统100中的不同位置引入振动源，所述位置包括混合罐102和离心泵106之间的管道104。在该位置，振动源减少了有效浆体粘度且在浆体进入离心泵106之前分离出携带的空气。管道106内的流体速度阻止了浆体形成凝胶，这是由于固态水泥被润湿的更加完全。

也可在离心泵106和混合器118之间的再循环管线116处引入振动源。再循环管线116中的流体速度将高于离心泵106的吸入线路或管道104中的速度，这进一步阻止了浆体在再循环中形成凝胶。也可在离心泵106和下游泵110之间的出口108处引入振动源。在出口108处引入的振动可增强填充和/或降低水泥浆体需要的净压头。

也可在混合器118内的位置引入振动源。可将振动源安装在喷射混合器118的喷嘴内，以产生具有振动能量的喷射气流，或安装在喷射器的喷嘴下游处。在各个位置都增强了混合，这是因为施加到流体的振动能量增强了诸如干的水泥混合物的粉末源的润湿。可在浆体-空气分离器122内的位置引入振动源。该振动源可增强浆体中的空气移除，且当使用旋流式分离器时，旋流内保持的高速度将阻止浆体的胶凝。

也可在浆体-空气分离器122和混合筒102之间的出口124处引入振动源。可安装该振动源以在将浆体注入筒102时增强任何剩余的干水泥块(pocket)的合并，且将最终将空气从浆体中移除。浆体经过用来将水泥浆体注入混合筒102中的喷嘴时的速度将阻止浆体发生胶凝。

在上述任何一个位置引入的振动源可包括主动式振动源。主动式振动源包括其中能量源在系统100之外或在系统100中的流体之外的振动源。主动式振动源的示例包括，但不限制于，产生每分钟约8000至约12000次振动或循环(VPM)的输出，或其他合适的范围内的振动的商用水泥振动器。主动式振动源可包括任何其他种类的气动、液压或电振动器，其示例性地产生低至约3000vpm的输出或任何合适范围内的振动。

可使用附连的焊接耦连件或类似物件将该主动式振动源插入管道中。图2示出了一个实施例，其中使用耦连件134或任何合适的安装设备将振动源130安装在管道132内。振动源132可为水泥振动器等，且可将该振动源安装在管道134内流动速度增加的减小的弯头或类似的位置处，这使得振动源132可以在管道134内增强浆体的混合和均一化，所述浆体由流动箭头136标示。参见图3，振动源150被示出通过安装架152或任何合适的安装设备和诸如浆体空气分离器122的浆体空气分离器相连。可将振动源150安装至浆体空气分离器122的外表面，且其延伸入浆体空气分离器122的体部内，以增强由箭头154标示的浆体的混合，并从浆体中移除带入的空气。

可使用夹、粘合剂、焊接或任何其他安装手段将主动式振动源安装至管道或导管本身的外表面。参见图4，振动源被示出为使用管道夹144和安装设备146将其附连至管道142的外表面。振动源140增强了由箭头148标示的浆体的混合。如上所述，可使用螺栓连接、焊接、粘合、或任何其他合适的安装手段来安装振动源。

在任何上述的位置引入的振动源可包括被动式振动源。被动式振动源包括这样的振动源，其中液体泵是振动能量的基本源。被动式振动源可为管道104、108、116、120或124中之一内的节流设备，或是松散地支撑的管或管道104、108、116、120或124。被动式振动源也可包括管道工程管的设计，诸如管道104、108、116、120或124，以使得管道工程管或管道具有和再循环环路101或系统100中驱动频率相符的共振频率。

系统100和方法的实施方式有利地在其中流体速度产生了足够大的湍流剪切以避免过度胶凝产生的位置由主动式或被动式振动源施加振动，所述过度胶凝导致了诸如水泥浆体的浆体的较高表现粘度。该系统100和方法的实施方式通过增强润湿和将空气从浆体中移除而有利地促进了浆体的完全混合和均一化。该振动源增强了粉末源和液体源的润湿，且当为了消除空气将浆体引入至自由表面时促进了空气气泡的消除，例如在混合筒102、混合器118、浆体空气分离器122等中。

此前公开的实施方式仅是示例性的，因为可对该发明进行改进且以不相同但等价的方式实施该发明，所述方式对受益于此处的指导的本领域技术人员来说是明显的。此外，除在权利要求书中规定的以外，没有意图对此处示出的结构或设计的细节进行限制。因此，显然的是，可对以上公开的实施方式进行改动或改进，且所有这些变动认为落在本发明的范围和精神之内。特别地，应将在此公开的每个数值的范围(其形式为，从大约a至大约b，或等价地，约a至b，或等价地，约a-b)理解为表示各数值范围的幂集(即全部子集的集合)。相应地，在权利要求书中规定了此处所追求的保护范围。

参考本发明的现有优选实施方式，对前述的描述进行了展示。熟知本发明所属的领域和技术的人员将能理解，在不故意背离本发明的原理和范围的情况下，可对所描述的结构和操作方法进行改动或改变。相应地，不应将此前的描述解读为仅属于此前描述的、且在附图中示出的精确的结构，而应该将其解读为和权利要求书一致，且作为所述权利要求书的支持，所述权利要求书因此具有最全面和最公正的范围。

Claims (23)

1.一种混合用于输送至下游点的浆体的方法，其中所述方法使用包括井筒水泥浆体混合系统的系统，所述井筒水泥浆体混合系统由至少一个混合器、浆体空气分离器、混合罐、再循环泵、和输送泵构成，且其中所述下游点包括井筒，所述方法包括：

在混合位置混合液体源和粉末源，形成所述浆体；

将所述浆体引导至下游点和再循环环路中的至少一个；和

经由至少一个振动源使所述浆体振动以促进浆体的均一化以及用于输送至所述下游点的所述浆体的完全混合，所述至少一个振动源位于以下的一个或多个：

混合罐和所述再循环泵之间的管道；

在所述再循环泵和混合器之间的再循环管线，所述再循环管线在混合罐之外；

混合器；

在混合罐之外的浆体-空气分离器；和

在浆体-空气分离器和混合罐之间的出口。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述振动包括在所述混合位置和所述下游点之间的位置以及所述再循环环路中的位置中的至少一个振动所述振动源。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述系统包括井筒水泥浆体混合系统，所述下游点包括井筒，引导包括将所述浆体引导至所述井筒，且振动包括在所述混合系统和所述再循环环路中的至少一个振动所述振动源。

4.如权利要求1所述的方法，还包括提供用于形成所述浆体的液体源和至少一种粉末源。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述液体源包括基于水的液体。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述液体源包括水和至少一种液体添加剂。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述粉末源包括干的水泥混合物。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述粉末源包括干的水泥混合物和至少一种干燥颗粒添加剂。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述振动源包括主动式振动源。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述振动源包括被动式振动源。

11.如权利要求1所述的方法，其中振动所述振动源通过增强在所述浆体的液体源中所述粉末源的润湿而促进了浆体的均一化。

12.如权利要求1所述的方法，其中振动所述振动源通过将空气从所述浆体中移除而促进了浆体的均一化。

13.如权利要求1所述的方法，其中所述振动源位于在所述混合位置和所述下游点之间的高速区和所述再循环环路中的高速区中的至少一个。

14.一种混合和输送浆体至下游点的系统，其中所述系统包括井筒水泥浆体混合系统，所述井筒水泥浆体混合系统由至少一个混合器、浆体空气分离器、混合罐、再循环泵、和输送泵构成，且其中所述下游点包括井筒，所述系统包括：

用来混合液体相和粉末相以形成所述浆体的混合位置；

用于将所述浆体引导至再循环环路和所述下游点中的至少一个的泵；和

至少一个振动源，以促进浆体的均一化和用于输送至所述下游点的所述浆体的完全混合，所述至少一个振动源位于以下的一个或多个：

混合罐和再循环泵之间的管道；

在再循环泵和混合器之间的再循环管线，所述再循环管线在混合罐之外；

混合器；

在混合罐之外的浆体-空气分离器；和

在浆体-空气分离器和混合罐之间的出口。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述液体相包括基于水的液体。

16.如权利要求14所述的系统，其中所述液体相包括水和至少一种液体化学添加剂。

17.如权利要求14所述的系统，其中所述粉末相包括干的水泥混合物。

18.如权利要求14所述的系统，其中所述粉末相包括干的水泥混合物和至少一种干的化学添加剂。

19.如权利要求14所述的系统，其中所述振动源包括主动式振动源。

20.如权利要求14所述的系统，其中所述振动源包括被动式振动源。

21.如权利要求14所述的系统，其中所述振动源通过增强所述浆体中所述粉末相的润湿而促进了浆体的均一化。

22.如权利要求14所述的系统，其中所述振动源通过从所述浆体中移除空气而促进了浆体的均一化。

23.如权利要求14所述的系统，其中所述至少一个振动源位于所述再循环环路和所述系统的至少一个中的高速区中。