CN104411394B - 用于离心搅拌系统的方法和设备 - Google Patents

Abstract

所描述的是将颗粒与液体搅拌以产生油田作业中使用的浆液。搅拌机具有面向上方的颗粒叶轮，颗粒叶轮具有平坦的基部、凸出的毂部、以及大体径向地延伸且周向地间隔开的叶片，这些叶片从基部向上延伸。叶片从在叶片内径周围间隔开的前缘延伸至在叶片外径周围间隔开的末端。相邻的叶轮叶片之间限定有叶轮通道。颗粒叶轮不用作一般意义上的液体泵轮，且搅拌机并不作为一般意义上的泵来工作。叶轮具有若干优选的直径、间隙、高度、长度尺寸以及比值。宽而深的叶轮入口和浅而窄的出口改善了颗粒的进入，并使叶轮扭矩最小化。叶片延伸部根据接触给予颗粒速度，并使针对颗粒进入速度的敏感度最小化。相邻叶片的周向重叠部被最大化，降低了液体的回流。

Description

用于离心搅拌系统的方法和设备

相关申请的交叉引用

本PCT申请要求享有于2012年9月11日提交的美国非临时专利申请第13/609,460号的优先权。

技术领域

本发明大体涉及修井作业，更具体地，涉及一种用于在修井作业中将固体或粉状颗粒与流体、混合物和/或浆液混合或搅拌的设备、系统和方法。

背景技术

本发明大体涉及修井作业，更具体地，涉及一种在修井作业中可用于搅拌流体、混合物和/或浆液的装置、系统和方法。

在石油工业中经常执行的井处理需要将干燥的颗粒材料与液体或胶体混合或搅拌。这样搅拌的材料被用于各种井处理和完井程序中。例如，在破裂地层中利用井处理流体来升高或控制流体静压力等等。支撑剂、砂砾和其它干燥粉状固体被与液体、液体混合物或胶体搅拌，以产生液体中混有颗粒的搅拌液体。在石油工业中，如何搅拌到基本上一致的均匀度是一个问题，对于高颗粒浓度、高搅拌速率、以及对于粘性较大的流体(例如胶体)而言尤其如此。这样的搅拌流体典型地是通过将干燥颗粒与液体混合而形成的，该液体通常是水，也可以是基于碳氢的流体或其它流体。这样的搅拌程序具有本质问题，特别是在遥远的地点或当需要大体积流体时。其它典型地会遇到的问题是流体中夹杂空气、固体不充分湿润、以及固体分散。不同的混合方法已经被尝试，并具有不同程度的成功。

常规的搅拌机是顶部敞开桶式搅拌机(open-top tub blender)或离心搅拌机。顶部敞开桶式搅拌机及其相关的缺点、局限性和问题在2008年4月8日授予Stephenson的美国专利第7,353,875号中进行了讨论，在此为所有目的通过引用结合该美国专利。因此，通常期望的是使用离心搅拌机系统。

在使用中，大体上存在三种离心搅拌机系统。Condor型搅拌机利用整体式泵轮(impeller)设计，其具有共用的带有上叶片和下叶片两者的基板部。下泵轮叶片将流体泵送至涡室内。上叶轮叶片将砂砾排出至蜗室内。抽吸和排出功能由共同的轴和泵轮来提供。这种共同的轴和泵轮的设置会损害泵轮的设计，而且还会在相对较高的排出压力(例如60psi或更高)情况下产生砂砾注入，从而导致高腐蚀和空气夹杂现象。Condor型混合器可从Condor Engineering and Manufacturing,LLC购到。Crown型搅拌机利用由独立电机驱动的两个分离的泵轮型装置。常规的具有泵轮的抽吸泵在所需的排出压力(例如60psi或更高)将流体供给至混合泵轮，在混合泵轮处砂砾被注入流体流中。砂砾注入过程被迫在排出压力(例如60psi或更高)下发生，这会转化为高磨损和空气夹杂。三独立泵轮型搅拌机(见授予Stephenson等人的美国专利第7,353,875号)利用抽吸泵轮泵将低压(例如10-15psi)流体供给至混合器，在混合器处，混合器的叶轮(expeller)将砂砾注入低压流中。这需要相对较低的叶轮速度，并因此使得腐蚀速率降低并降低了空气夹杂。浆液随后在排出泵或泥浆泵中通过第三泵轮被调高至排出压力(例如60psi或更高)。

关于这些搅拌机类型的使用和结构的更多公开参见如下文献：授予Althouse III的美国专利第4,453,829号；授予McIntire的美国专利第4,614,435号；授予McIntire的美国专利第4,671,665号；授予McIntire等人的美国专利第4,808,004号；授予Arribau等人的美国专利第4,239,396号；授予Arribau等人的美国专利第4,460,276号；授予Arribau等人的美国专利第4,850,702号；授予Arribau等人的美国专利第4,915,505号；授予Grimland等人的美国专利第6,193,402号；授予Arribau的美国专利第7,334,937号；授予Stephenson等人的美国专利第7,353,875号；授予Phillippi等人的美国专利第7,048,432号，在此为了所有目的整体结合每份上述文献。

通过利用专用的泵来将抽吸泵和/或排出泵与搅拌过程分离引导了现有技术的进步。但是在搅拌过程中所使用的叶轮仍然存在问题。在油田作业中所目前使用的封闭式搅拌系统由以下任一种组成：由离心泵应用变型而成的具有多个叶片的大且深的泵轮，例如“Crown”搅拌机，现在据信可作为加压混合腔室搅拌机从Stewart和Stevenson处买到；或具有复杂的双重模式的特制叶轮-泵轮设计，其洁净侧/肮脏侧系统实现增大压力和混合颗粒功能。 这些设计集中于是否使用外部抽吸泵来将支撑剂混合到加压流体容器中的过程。其它仍然存在的问题包括以足够的速率来传送支撑剂、减少因叶轮叶片的动作而引入流体中的空气、使需用以旋转叶轮的扭矩最小化，防止处理液回流到叶轮眼部内、以及对支撑剂的入口速度相对不敏感。因此，需要改进搅拌设备和叶轮设计。

发明内容

提出的是用于搅拌颗粒和液体以产生在油田作业中使用的浆液的设备和方法。具体地，本发明涉及一种搅拌机组件，其具有面向上方的颗粒叶轮，该颗粒叶轮被安装在旋转轴上且位于搅拌机壳体内，该旋转轴用于围绕旋转轴线旋转。搅拌机壳体限定位于颗粒叶轮上方的颗粒入口、靠近壳体的一侧被定位的液体入口、以及浆液出口。颗粒叶轮具有基本平坦的基部、凸出的位于基部中央的毂部、基本平坦的底表面、以及多个大体上径向地延伸且周向地间隔开的叶片，这些叶片从基部向上延伸，叶片从在叶片内径周围间隔开的前缘延伸至在叶片外径周围间隔开的末端。相邻的叶轮叶片之间限定有从叶片内径延伸至叶片外径的叶轮通道。分离的抽吸泵和排出泵可用于将流体泵送至搅拌机组件中，且随后升高浆液的压力以进行泵送，从而用于作业中。在优选的实施例中，在至搅拌机壳体的入口处的液体压力和在组件的出口处的浆液的压力近似相等，并优选为大约5-15psi。搅拌机组件用于给予通过颗粒入口进入的颗粒以能量，其中，进入液体入口的液体与离开浆液出口的浆液处于基本上相等的压力。

提出了一种用于在搅拌机壳体中将颗粒排出至液体内的叶轮。叶轮的上表面上设有多个用于加速颗粒的叶片。优选的叶轮不用作一般意义上的液体泵轮，在其下表面上不设有叶片，且搅拌机并不有效地作为一般意义上的流体泵来工作。在优选的实施例中，叶轮被设计成为叶轮提供：宽而深的用于颗粒的入口；浅而窄的用于颗粒的出口；叶片延伸部，用于在颗粒与叶轮接触时直接给予颗粒速度，并使针对颗粒入口速度的敏感度最小化；以及相邻的叶片之间的被最大化的周向重叠部，用以降低液体回流到叶轮内的可能性。在优选的实施例中，多个叶轮的颗粒通道限定多个入口面积和多个出口面积，其中，入口面积之和与出口面积之和的比值大于1.0、或大于3.0。优选地， 每个叶片在距叶片内径较近处具有最大高度，而在距叶片末端较近处具有最小高度，且叶片最大高度与叶片最小高度之比大于约2.0。优选地，壳体侧壁限定壳体内径，且壳体内径与叶轮外径之比大于约1.5。此外，搅拌机组件优选能够将每分钟约200立方英尺的颗粒与液体搅拌，以形成浆液。相似地，其它性能和特点也是优选的，例如叶轮能够将颗粒从颗粒入口处的约每秒1英尺加速至叶轮外径处的约每秒3英尺；叶轮能够将颗粒从入口速度加速至出口速度，并且其中，入口速度和出口速度之比大于3.0；叶片限定约12-15度的出口角；一叶片的前缘和一相邻叶片的末端之间的周向重叠部被设计为使流体进入叶轮的回流最小化，并且其中，重叠部为大约30度。优选地，叶轮具有相对浅的叶片延伸部，这些叶片延伸部从毂部径向地延伸至相应的叶轮叶片。

附图说明

为了更完整地理解本发明的特征和优点，现在参照附图对本发明作具体描述，其中，对应的附图标记在不同附图中指代对应的部件，附图中：

图1是根据本发明的搅拌及泵送系统的示意图，该系统具有：搅拌机组件，用于将能量给予颗粒，并将颗粒与液体搅拌；抽吸离心泵，用于将能量给予液体，以将液体输送至搅拌机组件；排出离心泵，用于将能量给予浆液；

图2是根据本发明的一方案用于搅拌机组件中的示例性叶轮的正交视图；

图3是图2的示例性叶轮的局部剖视的俯视图；

图4是图2和图3的示例性叶轮的局部剖视的侧视立体图；

图5是图2至图4的示例性叶轮的剖视的立体图；以及

图6是根据本发明的一种方案的叶轮的替代实施例的俯视图。

本领域技术人员应当理解，诸如“上方”、“下方”、“上”、“下”、“向上”、“向下”之类方向性术语以及类似术语，是结合图示实施例，按照图中示出的那样来使用的。“井上”和“井下”被用来表示相对于地面的位置或方向，其中，“井上”表示沿着井眼朝向地面的相对位置或运动，“井下”表示沿着井眼进一步离开地面的相对位置或运动。“上游”和“下游”被用来表示沿着系统流动路径的相对位置。

具体实施方式

虽然以下具体讨论了本发明的多个实施例的实施和使用，但本领域技术人员应认识到，本发明提出了可以在多个特定环境中实施的可应用发明概念。在此讨论的特定实施例以特定方式来说明，为的是实施和使用本发明，而不限定本发明的范围。

在此所使用的术语“叶轮”(或类似术语)被用来表示作为搅拌功能的一部分而用于将能量或速度而给予颗粒的旋转装置。术语“泵轮”(或类似术语)被用来表示用于将能量或压力给予液体的旋转装置。现有技术经常混用这些术语。

在此术语“颗粒”被用来指干燥的粒状材料，例如粉末、支撑剂、砂砾等或它们的混合物，所述颗粒被带入液体中以产生井处理流体，井处理流体例如为压裂液、液压静力控制流体等。术语“浆液”在此被用来指载有颗粒的液体、液体-颗粒混合物，浆液用在井处理中，浆液例如为带有砂砾的胶体、带有支撑剂颗粒的水等等。使用术语“浆液”时不考虑混合物的相对粘度或粘度的相对变化。

图1是典型的搅拌及泵送系统10的示意图，该系统具有：搅拌机组件12，用于将能量给予颗粒P，且将颗粒与液体F搅拌；抽吸离心泵14，用于将能量给予液体，以将液体输送至搅拌机组件；排出离心泵16，用于将能量给予在搅拌机组件中产生的浆液S；以及流体管道18，用于连接系统的这些部件。但在优选实施例中，系统10如图所示包括抽吸泵和排出泵两者。离心泵在工业中按本领域公知的那样被普遍使用，在此不再描述。

根据本发明的一种方案的搅拌机组件具有壳体21，该壳体中安装有用于旋转的叶轮20。优选通过螺栓或销将叶轮20附接至旋转轴22，该旋转轴由附接电机24驱动，附接电机24附接至轴承箱26。颗粒在颗粒入口28处被输入搅拌机组件中，并可以通过料斗30被引导或输送，如本领域公知的，输送组件具有螺旋推运器、颗粒源等。旋转轴附接至叶轮的眼部，并形成位于颗粒入口下方的中央毂部。壳体21优选为蜗形壳32，蜗形壳32具有颗粒入口28、液体入口34以及浆液出口36。液体入口34优选在靠近叶轮基板部40的高度输送进入的液体。如图所示，浆液出口36优选从靠近壳体21的底 部39处延伸。

如图所示，壳体包括壳体顶部38和底部39，壳体顶部38和底部39连接至蜗形壳壁32。该顶部优选符合叶轮的顶部轮廓，限定该顶部与叶轮顶部之间的叶轮上部间隙。在优选的实施例中，壳体容纳大约三桶(barrel)的容积。多余的容积允许有残余容积，从而能够从不规则的液体或颗粒源恢复。

在优选的实施例中，抽吸离心泵14向液体施加相对低的压力，该相对低的压力为大约5-15psi。相似地，从搅拌机组件被排出的浆液也处于较低的压力，该较低的压力例如为大约5-15psi。这些相对较低的压力是因搅拌机组件不作为排出泵工作而产生。由于流体在壳体中旋转，所以搅拌机组件上的最小流体压力升高。但是与许多现有技术的装置不同，所述搅拌机不会使压力显著升高。同样具有排出泵功能的现有技术的装置则会典型地将流体压力升高至60-80psi的范围中。本发明的排出离心泵16在壳体中发生搅拌之后，对于浆液执行压力升高的功能，并将流体压力升高至相对高的压力，该相对高的压力例如为大约60-80psi。

图2是在根据本发明的一种方案的搅拌机组件12中使用的示例性叶轮20的正交视图。图3是图2的示例性叶轮的俯视图。图4是图2和图3的示例性叶轮的侧视立体图。图5是示例性叶轮的剖视的立体图。叶轮20具有基板部40和毂部42，基板部40限定基本上平坦的环形区域，毂部42向上延伸而处于中央处且呈弧形或圆锥形，该毂部具有毂部直径b，并在基板部上方延伸毂部高度B。毂部具有外侧呈弧形或圆锥形的表面或壁43。毂部围绕旋转中心或旋转轴线A旋转。毂部42包括连接机构44，举例来说，连接机构44用于可释放地附接至动力轴。叶轮20被安装为在搅拌机组件壳体21内旋转。基板部40具有上表面46，并限定有基板部外径(OD)48。

示例性叶轮具有六个叶片50A-50F，这六个叶片从基板部40延伸。叶片50大体上径向地延伸，周向地间隔开的这些叶片从基板部40的上表面46向上延伸。叶轮沿着箭头指示的方向旋转。其它的实施例可具有不同数量的叶片。每个叶片50具有两个弧形的、基本上竖直的表面52a-52f，这些表面随着基板部的直径增大而分开。在任一个叶片的两侧叶片表面52之间限定的空间均是实心的或封闭的，以避免液体或颗粒进入该空间。叶片表面52受到颗粒的磨损，且优选由硬化材料54形成，或在叶片表面上安装有硬化材料。硬 化材料可以作为板材附接至叶轮或与叶轮成一体，并且无需在叶片表面52的整个区域上延伸。每个叶片50的前缘53a-53f优选在叶片表面52a-52f的会合处形成基本竖直线。例如，叶片50A具有表面52a，表面52a在叶片的ID处会合成竖直线53a，等等。在优选的实施例中，叶片的前缘限定竖直线，实际上面向内部的叶片表面不会受到大量磨损。与这些线相交的虚拟圆柱形限定叶片内径(ID)56。该界限也被称为叶轮的“嘴部”或“眼部”。

叶片从毂部径向向外地延伸一段距离，以限定叶片OD58，叶片OD优选与基板部OD一致。如最好地在图4中所示，叶片向上延伸一段叶片高度。在优选的实施例中，叶片沿着其径向长度而改变高度，随着叶片靠近基板部OD而降低高度。如最好地在图4中所示，每个叶片优选在叶片OD(以及基板部OD)处具有最小高度h，且优选在靠近叶片ID处具有最大高度H。在优选的实施例中，最小高度为大约6英寸，而最大高度为大约9英寸。在其它实施例中，示例性叶片可以沿着其径向范围具有统一的高度。此外，在附接于壳体顶部38的磨损环41和叶轮的上表面之间限定有轴向间隙距离d。间隙距离d优选相对地小，例如介于0.03英寸和0.10英寸之间。间隙距离未按照比例示出。

在优选的实施例中，叶轮设计还包括浅叶片延伸部60A-60F，该叶片延伸部在叶片ID56与处于基板部40的旋转中心的毂部42之间，跨过叶轮嘴部径向地延伸。叶片延伸部60相对地浅，以使低速度的颗粒能够填充相邻的叶片延伸部之间的空间，并在颗粒撞击叶轮的基板部时使颗粒产生径向和切向的速度。叶片延伸部60向上延伸一段延伸高度62，该延伸高度优选越靠近叶轮嘴部的OD则越大，并且越靠近毂部的弧形表面则越小(甚至为0)。

壳体21的圆柱壁32的内表面与基板部OD以径向间隙距离D而间隔开。由于搅拌机组件在相对低的压力下作业，所以对于其中的搅拌机组件必须既进行混合又施加流体压力的系统，壳体壁并不被设置成与叶轮OD有紧密的公差。

通常叶片被设计为：限定深而宽的叶片通道入口，以有助于颗粒进入位于叶片之间的通道；最大化多个叶片在OD处的“重叠部”，以减少潜在的液体回流；限定在OD处窄而浅的叶片出口开口，以最小化扭矩的需求；以及在毂部和叶片ID之间设置浅叶片延伸部，以使针对颗粒进入速度的敏感 度最小化，并在颗粒与叶轮的碰撞时快速给予颗粒速度。

叶轮叶片传送颗粒，使颗粒通过进入叶轮嘴部的颗粒入口28，而进入壳体21，且离开叶轮的旋转中心而至叶轮的OD，颗粒被投入壳体中，并在壳体中与处理液混合以形成浆液，处理液已经在相对低的压力(在5至15psi的量级)通过液体入口34进入壳体21。随后浆液流出搅拌机组件，并流至用以形成压力(在60至70psi的量级)的专用排出泵。叶轮设计优选被优化，以便用足够的速率来传送颗粒、由叶片的动作将最少的空气引入流体、最小化需用以旋转叶轮的扭矩、防止处理流体回流至叶轮眼部中、并对颗粒的入口速度相对不敏感。

在相邻的叶片50之间限定有叶轮通道70A-70F，这些叶轮通道从叶轮嘴部56延伸至叶片基板部OD58。例如，在相邻的叶片50A和50B之间限定有叶轮通道70A。每个通道70A-70F具有相应的入口72a-72f和出口74a-74f。通道入口72具有入口面积73，该入口面积由位于叶轮嘴部(叶片ID)处的相邻叶片之间的距离i与在叶片ID处的叶片高度H相乘来限定。相似地，每个通道70具有相应的通道出口74，通道出口74具有出口面积75，该出口面积由位于叶轮OD处的相邻叶片末端76之间的距离t与在该处的叶片高度h相乘来限定。通过分别将单个入口面积和出口面积加在一起，来计算总入口面积和总出口面积。

叶轮通道出口面积优选被最小化。叶轮上的抗力扭矩是由叶轮通道出口的尺寸产生的，并取决于叶轮通道出口的尺寸。相对较小的出口面积使驱动轴和电机上的扭矩最小化，并使操作搅拌机组件所必需的马力最小化。叶轮通道入口优选被最大化，这是因为入口面积会限制颗粒进入和通过通道的流速。在优选的实施例中，总入口面积与总出口面积的比值大于1。

如图3所示，相邻的那些叶片50限定出重叠部80，重叠部80处在一个叶片的位于叶片ID处的前缘和相邻叶片的位于OD处的叶片末端76之间。重叠部80优选被最大化，以减少或消除进入叶轮嘴部的回流(特别是在关闭时)。在优选的实施例中，重叠部为30°。

如图3所示，每个叶片50也限定出口角α。较大的出口角通常会产生较好的性能，这是因为颗粒会更好地从叶轮滑落。在优选的实施例中，出口角为至少12°。在另一优选的实施例中，出口角为约12°和15°之间。出口角α是叶片的凹侧 在叶片的前缘处相对于由叶片ID在同一点限定的圆周的切线的角度。出口角α是作为处在如下两条直线之间的角度来测量的：1)与叶片的凹面在前缘(或叶片ID)处相切的直线，和2)与从叶轮旋转中心延伸至叶片前缘(或前缘的凹侧)的径向线相切的直线。

转到提供了关键的尺寸和参数的示例性六叶片搅拌机系统，其中的尺寸和参数是近似值。也可使用其它尺寸和参数。毂部具有6英寸的直径。嘴部或叶片ID是17英寸。叶轮OD是26英寸。壳体壁具有40英寸的直径，OD间隙为14英寸。叶轮总入口面积是叶轮总出口面积的大约三倍。例如，叶轮通道叶片ID是17英寸，而叶片高度在嘴部处是9英寸，使得总入口面积为480平方英寸。叶轮通道出口在相邻的叶片表面之间具有4英寸的间隙，且叶片高度在OD处为6英寸，使得六个出口的总出口面积是144平方英寸，或大约为入口面积的三分之一。通过入口面积的颗粒速度为最大每秒1英尺，离心力为85G。颗粒入口流速是每秒5760立方英寸(480平方英寸的入口面积，每秒12英寸的入口速度)，或每分钟345600立方英寸或200立方英尺。这是每分钟200标准袋砂砾的速度。出口速度是每秒3.3英尺。浅叶片延伸部优选保持在最小高度，以使颗粒有时间自由地落下，来填充这些延伸部之间的空间。在自由落下1英尺处，在叶片之间约1.6英寸的延伸高度，当0.0167秒时最大砂砾速度为每秒8英尺。计算流体动力学的分析表明，浅叶片延伸部带入搅拌组件中的空气较少。

系统的额外益处包括因研磨浆液的速度相对较低而使叶轮和壳体的磨损可能性降低、没有密封件(在叶轮轴上的机械密封件)(仅通过离心来密封)的搅拌系统、以及独立于颗粒入口速度的颗粒处理能力。

图6是根据本发明的一种方案的替代的叶轮的俯视图。图6中示出的叶轮类似于上述的叶轮，但是本实施例设有五个叶片，而非六个叶片。技术人员应认识到叶片数量的优点和缺点。因为以上非常详尽地描述了六叶片叶轮，所以在此将简短地讨论五叶片实施例，而不讨论每个叶轮元件、测量值等。

示例性叶轮120具有5个叶片150A-150E，这5个叶片从基板部140的正面146向上延伸。每个叶片150具有两个弧形的基本上竖直的表面152a-152e，这两个表面随着基板部直径的增大而分开。在叶片上可见硬化材料154，硬化材料用以防止磨损。每个叶片150的前缘153优选在叶片表面 的会合处形成基本竖直线。与前缘相交的虚拟圆柱形限定了叶片内径(ID)156、或嘴部。

叶片从凸起的毂部142径向向外地延伸，并限定了叶片OD，叶片OD优选与基板部OD一致。在优选的实施例中，叶轮设计也包括浅叶片延伸部160A-160E，浅叶片延伸部160A-160E跨过叶轮嘴部径向地延伸。这些叶片延伸部160相对地浅，以使得低速颗粒能够填充相邻的叶片延伸部之间的空间，并且在颗粒撞击叶轮的基板部时产生颗粒的径向和切向速度。

叶轮叶片传送颗粒，使颗粒通过颗粒入口进入壳体且进入叶轮嘴部，离开叶轮的旋转中心而至叶轮的OD，颗粒被投入壳体中并与处理液混合以形成浆液，处理液则已经在相对低的压力(在5至15psi的量级)通过液体入口进入壳体。随后浆液流出搅拌机组件，并流至用以形成压力(在60至70psi的量级)的专用排出泵。叶轮设计优选被优化为，以便用足够的速率来传送颗粒、由叶片的动作将最少的空气引入流体、最小化需用以旋转叶轮的扭矩、防止处理流体回流至叶轮眼部中、并对颗粒的入口速度相对不敏感。

在相邻的叶片150之间限定有叶轮通道170A-170E，这些叶轮通道从叶轮嘴部延伸至叶片基板部OD。每个通道170A-170E具有相应的入口172A-172E和出口174A-174E。通道入口172限定入口面积173。相似地，每个通道170具有相应的通道出口174，通道出口174限定出口面积175。通过将单个入口面积和出口面积分别加在一起，来计算出总入口面积和总出口面积。并非所有部件都在图6中被标记出，以上面积以虚线弧示出，相应的高度则未示出。参照图2至图5中相应的部件和面积以供参考。

叶轮通道出口面积优选被最小化。叶轮上的抗力扭矩是由叶轮通道出口的尺寸产生的，并取决于叶轮通道出口的尺寸。相对较小的出口面积使驱动轴和电机上的扭矩最小化，并使操作搅拌机组件所必需的马力最小化。叶轮通道入口优选被最大化，这是因为入口面积会限制颗粒进入通道和通过通道的流速。

如图-6所示，相邻的叶片150限定出重叠部180，重叠部180处在一个叶片的位于叶片ID处的前缘和相邻叶片的位于OD处的叶片末端76之间。重叠部180优选被最大化，以减少或消除进入叶轮嘴部的回流(特别是在关闭时)。在优选的实施例中，重叠部是30°。在优选的实施例中，入口与重叠 部之比大于1。每个叶片150也限定出口角β。

在使用中，该机组和系统用于将颗粒与液体搅拌或混合，以在油田应用或作业中使用。多个示例方法以及方法中的多个步骤在此列出；并非所有步骤都是必须的，这些步骤并非必须按照顺序被示出；权利要求将本发明限定如下：一种用于搅拌颗粒材料和液体以产生用于油田作业的浆液的方法，该方法包括如下步骤：将液体提供至搅拌机组件；将颗粒提供至搅拌机组件；使用搅拌机组件将颗粒和液体搅拌以产生浆液，该搅拌机组件用于将颗粒排出至液体内，并具有被安装为用于在搅拌机壳体中旋转的叶轮，该叶轮具有多个大体上径向地延伸且周向地间隔开的叶片，每个叶片从圆形基板部向上延伸，这些叶片从叶片内径延伸至叶片外径，在相邻叶片之间限定有多个叶轮通道；将浆液从搅拌机组件中排出；在油田作业中使用该浆液。一种方法，其中，将液体提供至搅拌机组件的步骤还包括以第一压力提供液体的步骤；其中，将浆液从搅拌机组件排出的步骤还包括以第二压力排出浆液的步骤；其中，第一压力和第二压力处在5-15psi的范围中。一种方法，其中，每个叶轮通道限定有入口面积和出口面积，并且其中，入口面积与出口面积的比值大于1.0。一种方法，其中，入口面积与出口面积的比值大于2.5。一种方法，其中，提供液体的步骤还包括将液体泵送至搅拌机组件中的步骤。一种将浆液从搅拌机组件排出的方法还包括使用排出泵来泵送浆液，该排出泵被流体地连接至搅拌机组件。一种方法，其中，使用排出泵来泵送浆液的步骤还包括在浆液离开搅拌机组件之后，将浆液中的压力增大至约60-80psi的步骤。一种方法，其中，每个叶片在距叶片内径较近处具有最大高度，而在距叶片末端较近处具有最小高度，并且其中，叶片最大高度与叶片最小高度之比大于约2.0。一种方法，其中，搅拌机组件具有限定壳体内径的壳体侧壁，该侧壁与叶轮的外径径向地间隔开，其中壳体内径与叶轮外径之比大于约1.5。一种方法，还包括将每分钟约200立方英尺的颗粒与液体搅拌以形成浆液的步骤。一种方法，还包括将颗粒从约每秒1英尺加速至靠近叶轮外径处的约每秒3英尺的步骤。一种方法，还包括将颗粒从入口速度加速至出口速度的步骤，并且其中，入口速度与出口速度之比大于3.0。

虽然参照示出的实施例对本发明进行描述，但本说明书不应在限定意义上被解读。根据本说明书，本领域技术人员显然可对本发明示出的实施例以 及其它实施例进行各种修改和结合。以下对本发明的说明性实施例进行具体描述。为清楚起见，在本说明书中并未描述出实际应用中的所有特征。在任何商业或物理实施例的开发中，必须形成许多特有的实施决定，以达到发明者的特定目的，例如遵守系统相关和商业相关的约束，这种约束在不同实施方式中会变化。此外，应当认识到，这样的开发工作可能复杂且耗时，尽管如此，对从本发明获益的本领域常规技术人员来说仍然是例行的任务。因此，随附权利要求旨在包括任何这样的修改或实施例。

Claims (30)

1.一种用于将颗粒材料与液体搅拌以产生用于油田作业的浆液的搅拌机系统，所述系统包括：

搅拌机组件，具有：

面向上方的颗粒叶轮，被安装于旋转轴上且位于搅拌机壳体内，所述旋转轴用于围绕旋转轴线旋转；

所述搅拌机壳体限定位于所述颗粒叶轮上方的颗粒入口、靠近所述壳体的一侧被定位的液体入口、以及浆液出口；

所述颗粒叶轮具有基本平坦的基部、凸出的位于所述基部中央的毂部、以及多个大体上径向地延伸且周向地间隔开的叶片，所述叶片从所述基部向上延伸，所述叶片从在叶片内径周围间隔开的前缘延伸至在叶片外径周围间隔开的末端，其中，每个叶片在距叶片内径较近处具有最大高度而在距叶片外径较近处具有最小高度，且其中，所述基本平坦的基部包括基本平坦的底表面，没有叶片从所述基本平坦的底表面向下延伸；以及

其中，相邻的叶轮叶片之间限定有从叶片内径延伸至叶片外径的叶轮通道。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括被流体地连接至所述搅拌机组件的液体入口的抽吸泵，所述抽吸泵用于将能量给予液体。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述抽吸泵用于给予液体5-15psi的压力。

4.根据权利要求2所述的系统，还包括被流体地连接至所述搅拌机组件的浆液出口的排出泵，所述排出泵用于将能量给予浆液，所述排出泵用于给予浆液相对高的压力。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述排出泵用于给予浆液60-80psi的排出压力。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述搅拌机组件用于将能量给予通过所述颗粒入口进入的颗粒，并且其中，在使用中，进入所述液体入口的液体与离开所述浆液出口的浆液处于基本上相等的压力。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述搅拌机组件能够操作以接收5-15psi的液体，并排出5-15psi的浆液。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述叶轮通道具有通道入口和通道出口，每个通道入口限定入口面积，且每个通道出口限定出口面积，并且其中，所述入口面积之和与所述出口面积之和的比值大于1.0。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述入口面积之和与所述出口面积之和的比值约为3.0。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述叶片的最大高度与所述叶片的最小高度之比大于2.0。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述壳体具有限定壳体内径的侧壁，所述侧壁与所述叶轮的外径径向地间隔开，并且其中，壳体内径与叶轮外径之比大于1.5。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述搅拌机组件能够将每分钟约200立方英尺的颗粒与液体搅拌，以形成浆液。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述叶轮能够将颗粒从所述颗粒入口处的约每秒1英尺加速至叶轮外径处的约每秒3英尺。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述叶轮能够将颗粒从入口速度加速至出口速度，并且其中，出口速度和入口速度之比大于3.0。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述叶片限定12°-15°的出口角。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，一叶片的前缘和一相邻叶片的末端限定出叶片周向重叠部，所述叶片周向重叠部被设计为使进入所述叶轮的流体的回流最小化。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述叶片周向重叠部为大约30°。

18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述叶轮还具有多个从所述毂部大体上径向地延伸至相应的叶轮叶片的相对浅的叶片延伸部。

19.一种用于搅拌颗粒材料和液体以产生用于油田作业的浆液的方法，该方法包括如下步骤：

将液体提供至搅拌机组件；

将颗粒提供至所述搅拌机组件；

使用所述搅拌机组件搅拌颗粒和液体以产生浆液，所述搅拌机组件用于将颗粒排出至液体内，并具有被安装以在搅拌机壳体中进行旋转的叶轮，所述叶轮具有多个大体上径向地延伸而周向地间隔开的叶片，所述叶轮的所有叶片从圆形基板部向上延伸，所述圆形基板部具有基本平坦的底表面，所述基本平坦的底表面上没有向下延伸的叶片，所述叶片从叶片内径延伸至叶片外径，其中，每个叶片在距叶片内径较近处具有最大高度而在距叶片外径较近处具有最小高度，且在相邻的叶片之间限定有多个叶轮通道；

从所述搅拌机组件中排出浆液；

在油田作业中使用浆液。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，将液体提供至所述搅拌机组件的步骤还包括以第一压力提供液体的步骤；

其中，从所述搅拌机组件排出浆液的步骤还包括以第二压力排出浆液的步骤；并且

其中，所述第一压力和所述第二压力处于5-15psi的范围中。

21.根据权利要求19所述的方法，其中，每个叶轮通道限定入口面积和出口面积，并且其中，所述入口面积与所述出口面积的比值大于1.0。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述比值大于2.5。

23.根据权利要求19所述的方法，其中，提供液体的步骤还包括将液体泵送至所述搅拌机组件中的步骤。

24.根据权利要求19所述的方法，其中，从所述搅拌机组件排出浆液的步骤还包括使用排出泵来泵送浆液，所述排出泵被流体地连接至所述搅拌机组件。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，使用排出泵来泵送浆液的步骤还包括在浆液离开所述搅拌机组件之后，将浆液中的压力增大至60-80psi的步骤。

26.根据权利要求19所述的方法，其中，叶片最大高度与叶片最小高度之比大于2.0。

27.根据权利要求19所述的方法，其中，所述搅拌机组件具有限定壳体内径的壳体侧壁，所述侧壁与所述叶轮的外径径向地间隔开，并且其中，壳体内径与叶轮外径之比大于1.5。

28.根据权利要求19所述的方法，还包括将每分钟约200立方英尺的颗粒与液体搅拌以形成浆液的步骤。

29.根据权利要求19所述的方法，还包括将颗粒从约每秒1英尺加速至靠近叶轮外径处的约每秒3英尺的步骤。

30.根据权利要求19所述的方法，还包括将颗粒从入口速度加速至出口速度的步骤，并且其中，出口速度与入口速度之比大于3.0。