CN103212320B - 一种立式三喷嘴液体静态混合器 - Google Patents

Abstract

一种立式三喷嘴液体静态混合器，其包括竖立的圆桶形筒体，在筒体的圆周壁上设置有三个入流喷嘴和一个低压出口，低、中、高三个位置的入流喷嘴的安装仰角分别为β3、β2、β1，且β3>β2>β1；从筒体的水平投影看，低和高位置的两个入流喷嘴的水平投影重合，处于中间位置的入流喷嘴的水平投影与低和高位置的两个入流喷嘴的水平投影以圆桶的一条直径线D1为对称轴对称布置，且直径线两边的入流喷嘴出口中心与圆桶内壁相交，两边喷嘴出口中心与桶内壁交点的连线是圆桶的一条直径线D2，且低、中、高三个入流喷嘴的轴线与圆桶直径线D2的夹角α相等，使射流交叉喷向圆桶壁面。本混合器具有剪切速率高、混合流量大、即混即用的优点。

Description

一种立式三喷嘴液体静态混合器

技术领域

本发明涉及一种立式三喷嘴液体静态混合器，用于石油工程中的钻井液混合均匀、两种钻井液或钻井液与水的快速混合，也适用于化工、环保、医药、食品等行业的流体混合过程。

背景技术

在石油与天然气钻井工程中，应用到大量的钻井液。钻井液组份复杂，密度和黏度变化有一定范围，工业应用要求实现大排量高效率的连续混合。钻井液的混合技术经历过射流枪混合、循环混合、机械搅拌器混合，目前在广泛采用的正是机械搅拌器混合方式，混合的均匀性不太好。静态混合器混合钻井液技术起于美国，在美国已推广工业应用。美国的FPT公司基于自己的发明专利，生产出钻井液静态混合器产品用于钻井液多组份快速均匀混合和促进钻井液中加入材料的水化作用。

液体快速混合设备是当今海上钻井的新增配套装置，在海上表层钻进过程中，采用液体快速混合设备实时调节钻井液密度以满足井筒压力控制需求，避免钻井事故发生，提高钻井效率、降低钻井成本。美国的FPT公司、MISWACO公司分别基于自己的发明专利，生产出钻井液静态混合器产品用于海上钻井过程。

在化工、环保、医药、食品等行业的流体混合过程中，现有多种静态混合器在应用，都是基于某一专利技术开发出的静态混合器产品，这些行业中在用的几种静态混合器仅适用于低剪切速率和低流量下的混合过程。

发明内容

本发明提供一种立式三喷嘴液体静态混合器，具有剪切速率高、混合流量大、即混即用的优越性能。

本发明的技术方案如下：

本混合器基本结构为一竖立的圆桶形，设计有三个入流喷嘴和一个低压出口。三个入流喷嘴采用了合理的空间布置，三个入流喷嘴分布于低、中、高三个位置，低、中、高三个位置的入流喷嘴的安装仰角分别为β₃、β₂、β₁，且β₃>β₂>β₁；中间喷嘴喷入一种流体（如流体甲），上、下两喷嘴喷入另一种流体（如流体乙）。

具体地，从筒体的水平投影看，合理布置喷嘴使甲、乙两种流体以一定角度喷入混合腔，低和高位置的两个入流喷嘴的水平投影重合，而处于中间位置的入流喷嘴的水平投影与低和高位置的两个入流喷嘴的水平投影以圆桶的一条直径线为对称轴对称布置，且直径线两边入流喷嘴出口中心与桶内壁相交，两边喷嘴出口中心与桶内壁交点的连线是圆桶的一条直径线，且低和高位置的两个入流喷嘴的轴线与两边喷嘴出口中心与桶内壁交点连线的圆桶直径线的夹角α等于中间位置的入流喷嘴的轴线与两边喷嘴出口中心与桶内壁交点连线的圆桶直径线的夹角α，且夹角α=20°～40°。射流交叉喷向圆桶壁面，使进入的流体在圆桶壁面引导下旋转，射流等速核距圆桶壁面保持一定距离。

从筒体纵向看，三个入流喷嘴安装保持一定间距，间距大小约为射流交叉处相邻射流束横截面的半径之和(注：低、中、高三个喷嘴喷出流体形成的三个射流束，在空间交叉，高、中两射流束相邻，中、低两射流束相邻。喷嘴是圆形出口，形成的射流束呈圆锥体，射流束横截面是圆形，离喷嘴出口远则射流束横截面直径大。)

，喷嘴安装间距较小时则混合的剪切速率会较大。每个喷嘴安装具有一定的仰角，下喷嘴仰角β₃大于中间喷嘴仰角β₂，中间喷嘴仰角β₂大于上喷嘴仰角β₁。且β₃=13°～20°、β₂=8°～13°、β₁=3°～8°，如图3所示。

处于下部的低压出口距低位置喷嘴保持一定间距，且低压出口中心到低位置喷嘴中心的纵向间距大于喷嘴间的纵向间距，以利于纵向沉降过程混合。

本发明的静态混合器结构中，由于三个入流喷嘴和一个低压出口采用了合理的空间布置，可以形成三个方面的混合过程：

①在圆桶壁面引导下进入的流体产生旋转，且处于三个不同的高度，中间喷嘴进入的流体旋转方向与上、下喷嘴进入的流体旋转方向互为相反，引起剪切混合；

②中间喷嘴射流边界层流体到达上、下喷嘴射流初始段时，被上、下喷嘴射流初始段吸入混合，同时，上、下喷嘴射流边界层流体到达中间喷嘴射流初始段时，被中间喷嘴射流初始段吸入混合；

③处于三个不同高度的旋转流动在重力作用下流向圆桶底面后改变90°方向进入低压出口，产生重力作用混合。这三种混合机理组合的设计可确保组份复杂、密度和黏度差异较大的两种流体的混合效果。

本发明的优点如下：

通常的静态混合器设计采用单一混合机理，本发明涉及的是采取新的组合混合机理设计的一种立式三喷嘴液体静态混合器，与现有静态混合器相比较，具有高剪切、大流量混合的特点，这一技术提升可满足石油与天然气钻井工程的钻井液实时混合循环钻进需求。

附图说明

图1是本发明的立式三喷嘴静态混合器内壁轮廓示意图；

图2是本发明立式三喷嘴静态混合器内壁轮廓俯视图；

图3是本发明立式三喷嘴静态混合器纵向剖面A-B、C-B的切面展开示图，剖面A-B取的是过低、高位置喷嘴轴线的纵向剖面，剖面C-B取的是过中间位置喷嘴轴线的纵向剖面，B为这两个纵向剖面的交线；

图中1-筒体，2-低压出口，3-上部入流喷嘴，4-下部入流喷嘴，5-中间入流喷嘴。

具体实施方式

参见图1，本混合器包括竖立的圆桶形筒体1，在筒体的圆周壁上设置有一个低压出口2和三个入流喷嘴，分别是上部入流喷嘴3、下部入流喷嘴4、中间入流喷嘴5。

参见图2，三个入流喷嘴从水平投影看，低和高位置的两个入流喷嘴的水平投影重合，而处于中间位置的入流喷嘴的水平投影与低和高位置的两个入流喷嘴的水平投影以圆桶的一条直径线D1为对称轴对称布置，且两边入流喷嘴出口中心与桶内壁相交，两边喷嘴出口中心与桶内壁交点的连线是圆桶的一条直径线D2，且低和高位置的两个入流喷嘴的轴线与两边喷嘴出口中心与桶内壁交点连线的圆桶直径线的夹角α等于中间位置的入流喷嘴的轴线与两边喷嘴出口中心与桶内壁交点连线的圆桶直径线的夹角α，且夹角α=20°～40°，使射流交叉喷向圆桶壁面，即流体从两边的喷嘴以一定角度α喷入。

取图2的A-B、C-B为切面，B为这两个纵向切面的交线，作剖面图如图3所示，以表达射流喷入的纵向仰度。由图3可见，三个入流喷嘴在纵向保持一定间距，且具有各自的安装仰角（β₃>β₂>β₁），下部入流喷嘴距低压出口2保持一定距离。

在油气井钻井工程中，以钻井液甲和钻井液乙实时混合实施压井过程为例，说明本发明静态混合器的应用。

某次钻进用钻井液密度ρ₁，在钻进过程中发生溢流并关井，工程要求实施压井作业，预准备有密度ρ₂的加重钻井液，钻井液黏度随密度的不同而有不同。根据本次溢流情况确定采用压井液密度为ρ_K，从工程安全考虑应尽快实施压井施工，尽快获得满足工程需求的压井液：用泵A以排量Q₁泵送密度ρ₁的钻井液从立式三喷嘴液体静态混合器的上、下喷嘴进入；用泵B以排量Q₂泵送密度ρ₂的加重钻井液从立式三喷嘴液体静态混合器的中间喷嘴进入，经过混合腔混合后得到符合压井施工要求的密度为ρ_K、排量为Q_k的压井液从低压出口排出，泵入井内实施压井作业。

基于本发明原理和构想，可设计出适用于不同条件的立式三喷嘴液体静态混合器，均应属于本发明申报的要求保护范围。

Claims (4)

1.一种立式三喷嘴液体静态混合器，其包括竖立的圆桶形筒体，在筒体的圆周壁上设置有入流喷嘴和低压出口；其特征在于：所述入流喷嘴设置有三个，三个入流喷嘴分布于低、中、高三个位置，低、中、高三个位置的入流喷嘴的安装仰角分别为β ₃ 、β ₂ 、β _1， 且β ₃ > β ₂ >β ₁ ；三个入流喷嘴从筒体的水平投影看，低和高位置的两个入流喷嘴的水平投影重合，而处于中间位置的入流喷嘴的水平投影与低和高位置的两个入流喷嘴的水平投影以圆桶的一条直径线D1为对称轴对称布置，且直径线两边的入流喷嘴出口中心与圆桶内壁相交，两边喷嘴出口中心与桶内壁交点的连线是圆桶的一条直径线D2，且低和高位置的两个入流喷嘴的轴线与两边喷嘴出口中心与桶内壁交点连线的圆桶直径线D2的夹角α等于中间位置的入流喷嘴的轴线与两边喷嘴出口中心与桶内壁交点连线的圆桶直径线D2的夹角α，使射流交叉喷向圆桶壁面；

所述三个入流喷嘴安装保持一定纵向间距，纵向间距大小为射流交叉处相邻射流束横截面的半径之和；

所述低压出口的位置低于所有的入流喷嘴位置，且低压出口中心到低位置喷嘴中心的纵向间距大于喷嘴间的纵向间距。

2.根据权利要求1所述的立式三喷嘴液体静态混合器，其特征在于，所述中间位置的入流喷嘴喷入一种流体，低和高位置的两个入流喷嘴喷入另一种流体。

3.根据权利要求1或2所述的立式三喷嘴液体静态混合器，其特征在于，所述夹角α=20°～40°。

4.根据权利要求1或2所述的立式三喷嘴液体静态混合器，其特征在于，所述仰角β ₃ =13°～20°、β ₂ =8°～13°、β ₁ =3°～8°。