CN104812471A - 搅拌器装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于搅拌液体和颗粒材料的方法和装置，其中叶轮组件(27)被安装以在颗粒入口(12)的下端(13)处在壳体(20)中旋转，且其特征在于相对于围绕颗粒入口的一组排出器叶片(29，29’)成外同心的关系的周向间隔开的叶轮叶片(28)，且其共同地向外推动固体颗粒以与引入围绕叶轮组件的环形区域中的液体混合，且不同选择的叶片配置(52，61)被设置有凸起进入来自环形区域的浆料的逆流路径中的周向部分，从而保持叶轮组件的眼或中心区域干燥。

Description

搅拌器装置和方法

技术领域

本发明涉及用于对将固体引入容纳有加压流体的腔室进行控制的新的和改进的方法和装置，例如，用于在井下压裂操作(downhole frackingoperation)中混合和泵送大量的液体/沙浆料的搅拌器。

背景技术

本发明人之前已设计用于给定叶轮直径比例的不同的桨片或叶片设计。在过去，叶片被设计以平衡固体和液体在围绕叶轮叶片的外空间与叶轮组件的中心之间固体和液体混合的点，从而允许将干的沙经由叶轮的中心而引入。在确定叶轮叶片的设计中需要考虑的其中一个点是固体颗粒的质量流动速度或者流量，以及其在叶轮叶片的给定旋转速度下的密度；以及将RPMs或速度乘以叶片的数量，其进而将有助于形成在叶片之间的空间和其深度。

再另一个需要考虑的变量是沙从中心排出至叶轮区域的速度，其可受到所使用的排出器叶片和大体圆锥或凸起的中心的影响。此外，一旦根据沙颗粒的期望流动速度而形成排出器的直径以及叶片的数量，则可确定叶轮的直径及其叶片的形状，从而实现沙颗粒通过叶轮区域的最佳流动速度。相反地，计算液体通过叶轮叶片之间的空间朝向叶轮组件的中心的逆流的速度是很重要的。由此，能够确定将进入流逆转并推动浆料返回围绕叶轮组件的外环形空间的最佳平衡点或者所需的叶片的尺寸和位置。

根据本申请人的美国专利第7,967,500号，其公开了叶片的配置和构造，其中液体沿着初级叶片之间的路径朝向叶轮的中心流动，直到其到达下一个叶片，这将使得其逆转并从中心偏离流动。然而，需要在初级叶片之间的空间中使用阻挡叶片，从而保持叶轮的眼干燥并调节在眼的径向向外的区域中的固体和浆料之间的平衡点，同时在宽范围的质量流速泵送浆料。此外，具有对叶轮叶片的设计的持续需要，其中不仅实现前述目的，还最小化所消耗的能量并在长期使用中减少磨损同时还简化结构并最少化在防止液体或浆料泄漏回至组件的眼或中间区域中所需的部件的数量。

发明内容

本发明的目的是提供用于利用简化的叶轮组件对液体和固体颗粒搅拌的新的和改进的方法和装置，其最小化磨损，能量消耗，以及部件的更换，同时保持最佳搅拌条件且防止液体或浆料逆流回至叶轮的眼中。

另一个目的是提供用于设计叶轮的方法，其考虑了大量的变量，包括在叶轮叶片的给定数量和旋转速度以及其间隔下的流速、密度和颗粒尺寸。

另一个目的是提供叶轮组件，其具有结合至主叶片中的阻挡叶片表面，其间隔开并配置成保持最佳平衡以及将浆料从叶轮的眼偏转离开。

另一个目的是通过尽量接近逆流的起点处阻挡逆流并使其被再定向回到围绕叶轮组件的环形空间中而最小化在叶片之间的液体的逆流所产生的能量消耗。

在一个方面，叶轮组件的特征在于具有从底座板向上延伸的大体三侧面叶片，底座板与叶轮的眼成围绕关系，且进而被环形壳体围绕，各叶片具有相反侧面，该相反侧面从位于底座板的内径向边缘处或与底座板的内径向边缘相邻的端面向外汇聚并且终止于位于或接近底座板的外周边缘处的顶点。

在另一个方面，该装置被设计用于压裂操作，其通过在沙接近叶轮区域时从沙中将空气选择地移除而保持沙以硫化状态输送通过上颗粒入口，以及将沙从叶轮的眼散布开以保持一致的输送，同时最小化堵塞并且在沙与水混合为将用于形成井下压裂操作的浆料时保持沙的流动的一致高质量速度。

在仍另一个实施方式中新的和改进的排出器被插入在入口和叶轮组件之间，以加速沙从入口的输送用于与在叶轮区域中的水混合。叶轮叶片的内周围端表面与从固体入口径向向外延伸的排出器叶片对齐。排出器叶片在朝向其外径向端厚度增加，且与下一个叶片的前端近得多，以阻挡在压力下从环形壳体进入叶轮组件的水流与通过排出器叶片被向外驱动的固体颗粒之间形成的浆料的逆流。

在另一个方面，叶轮叶片可包括朝向其内端的阻挡横档，其更接近并面向各相邻叶片的外径向端，以重定向并防止浆料朝向叶轮的中心的逆流。

参考附图并当结合具体实施方式时，其它的方面和实施方式将更加明显，且这里所公开的实施方式被考虑为示意性的而不是限制性的。

附图说明

图1是具有低轮廓搅拌器组件的液压驱动混合系统的部分剖视的正视图；

图2是液压驱动混合泵的部分剖视的另一个正视图；

图3是机械驱动混合泵的另一个形式的部分剖视的正视图；

图4是具有组合叶轮/排出器组件的搅拌器的第一实施方式的透视图；

图5是沿着图7的线5-5截取的图4的叶轮组件的横剖视图；

图6是如图4中所示的搅拌器组件上的顶盖板的透视图；

图7是图4至6中所示的叶轮/排出器组件的正视图；

图8是叶轮/排出器组件的第二实施方式的正视图；

图9是沿着图7的线9-9截取的横剖视图；

图10是图8和9中所示的搅拌器组件上的盖板的透视图；

图11是叶轮组件的第三实施方式的透视图；

图12是图11的叶轮组件的搅拌器的另一形式的透视图；

图13是图11的平面视图。

具体实施方式

第一个实施方式的具体说明

具体地参考附图，装置10为图1中所示的液压驱动混合器的形式，且其可被安装在卡车上，卡车在此未示出，但在美国专利第7,967,500号中具体地示出和说明。如该专利的图1和2中所示，增压泵与进入端口连通，例如这里的图1中所示的进入端口24。如前面提到的专利中的图1和2中所具体地示出的，在油和气的操作中，例如压裂井或注水泥固井中，泵10被与发动机一起安装至车厢上，驱动机构经由减速器机构将旋转提供至中间驱动轴。固体颗粒物质(例如沙)通过螺旋钻(auger)被从存储区域运输至料斗(hopper)的上端，且由于重力前进进入叶轮区域。沙与通过端口24引入的液体混合，且所得到的浆料在充分压力下经由排出端口26通过输送管排出以被输送至井口。增压泵调节在叶轮组件壳体的环形区域(annulus)中的压力，且可被精密地控制以根据需要保持从泵的出口至进入端口24的恒定压力水平，以及增大压力。

作为第一实施方式的设置，在图1中示出了装置10，其具有大体漏斗形状的料斗12，该料斗12向下汇聚并终止于下端13，该料斗12通过周向间隔开的支柱14而被安装为与吊架(suspension mount)接近地间隔开并在其上方，该吊架用于在壳体20中的叶轮组件27。壳体20被支撑在底座支架22上，且包括进入端口24和出口端口26，其与围绕叶轮组件27的壳体20中的环形区域开放连通。

驱动轴30被居中地安装在料斗10中，其中驱动轴30的下端在叶轮组件27的底座板34的中间处被枢轴地(journaled)安装在毂32中，且驱动轴30的上端36被安装在驱动电机11下方的轴承38中。在第一实施方式中，沙以及其它的与沙混合的干燥化学物质通过重力前进至中间搅拌器区域并且以下文中说明的方式被向外驱动以与经由进入端口24被引入且进入围绕叶轮组件27的环形区域的液体(主要包括水)形成浆料。

图4-6更详细地示出了搅拌器单元27的第一实施方式，搅拌器单元27包括底座板34，其支撑在底座板34上安装的外侧向上延伸的叶轮叶片28，以及内侧同心的排出器叶片29、29’，叶轮叶片28和排出器叶片29、29’与料斗12的下开口端成围绕关系。如图6中所示，盖板35设置有多个周向地间隔开的肋36，其沿着盖板35的上表面从内圆形肋38径向地延伸。各肋36朝向盖板35的外圆形边缘为均匀的厚度，且相配合以阻止浆料朝向围绕轴30的搅拌器的中心区域径向向内流动。在可选的实施方式中，盖板35和笼体(cage)36可以是图8和10中所示的类型，如下文中的说明。

叶轮叶片28为周向地间隔开的，弧形的大体三侧叶片，其从底座板34在排出器叶片29的外边缘与底座板34的外圆形边缘之间向上延伸。各叶轮叶片28具有相反侧边39和40，其从端部表面42向外汇聚以终止于位于或接近底座板34的外周边缘处的顶点44。进而，端部表面42大体沿径向从内径向边缘42’延伸。一个侧边39为大体凸形而相反的侧边40为大体凹形，并且侧边40与侧边39向外朝向彼此渐缩或汇聚，凸形表面39终止于弯曲表面部分39’，其基本与底座板34的外周边缘的弧度一致。这样，各叶片28的朝向中心的较宽的端离下一个相邻叶片28的前端最近，且趋于限制以箭头A指示的浆料的向内径向逆流并将其偏转返回在叶轮叶片28与外壳体壁20之间的环形空间中。

此外，图4和6更详细地示出了排出器叶片组件，其中一组排出器叶片由交替的从轴30延伸的较长的、弯曲的径向叶片29与从底座板34的外边缘径向向内延伸的大体较短但较高的叶片29’的组合构成。各叶片29、29’从中心区域在径向向外的方向上经过弧形弯曲，从而当叶片在顺时针方向旋转时其凸起侧为前表面。此外，各叶片29、29’具有与叶轮叶片28的内径向边缘中的一个相对齐的外边缘，从而固体颗粒在径向向外方向上被均匀地引导在叶轮叶片28之间。排出器叶片39和40具有相似的配置，各自具有大体直立的矩形支撑块42和上直角叶片部分44，从而将固体颗粒的向外通道连通至在叶轮叶片39之间的空间，且叶片稍稍弧度将允许固体颗粒在向外径向方向上的平滑过渡。此外，上叶片部分44具有朝向其外周的增加的宽度，且被设置成与直立部分42成直角。在操作中，较短的叶片29’将沿着排出器的外区域接触沙，并趋于侧向和向外地驱动沙而不与较长的叶片接触；且较长的叶片29将沿着排出器的内区域接触沙并在周向和径向向外的方向上推动沙而不与较短的叶片接触或很少地接触。此外，较短的叶片29’具有比较长的叶片29更高的高度，并且基本与较长但较低轮廓的叶片覆盖相同的面积，且因此平衡由每组叶片29和29’所分别接合的沙的量，从而避免不平衡。

这里所述的第一实施方式本身很适合用于图1中所示的类型的低轮廓叶轮组件，其在业内已知为在美国专利第4,239,396号和第4,460,276号中所示和说明的类型的开口入口搅拌器，其中叶轮组件能够提高角速度，这将防止混合的材料的逆流经由叶轮进入固体入口。在该种类型的单元中，不仅仅是在整个系统中保持平衡的压力情况同时实现材料的连续高容积混合是重要的，此外避免空气的压力聚积在固体入口和阻挡沙和其它颗粒材料也是重要的。这部分地通过使用与增大中心轴成围绕关系的排出器布置以及通过允许空气在与固体入口直接相邻的点处排出而实现。例如，在图1中，允许空气在漏斗的下端的接合点处经由在壁16和漏斗12的下边缘之间的放气通道或者排出口17而排出，且放气通道或者排出口17与圆形开口连通，该圆形开口通往在壳体20上方围绕叶轮组件28的中心叶轮区域。

图2和3示出了将图4至6的搅拌器提供至混合泵的其它应用，图2为液压驱动混合泵10’，其具有在驱动轴30’的上端处的以11指示的液压马达，且也在漏斗12’与中心开口的上端之间设置有放气通道或开口17’，该中心开口通往壳体20’中的中心叶轮区域。在图2中，通过增加下叶轮叶片28’，从而在压力下将水输送进入围绕叶轮组件27’的环形区域或者壳体20’中，而修改搅拌器或者叶轮组件27’。

图3中的机械地驱动的混合泵10”示出了图4至6的叶轮组件27的类似应用，其中传动装置M被设置在搅拌器下方，驱动轴30”向上延伸进入具有下叶轮叶片28”的搅拌器组件27”，并且通过下圆锥端螺母80而固定。穿孔管82向上延伸通过漏斗形固体入口12”。该固体入口12”是两件式结构，以允许空气从固体材料并经由在穿孔管82中的间隔开的开口排出，以防止在入口区域处的沙堆积和堵塞以及气体压力累积。

第二个实施方式的具体说明

在图8-10中示出了第二个实施方式，其中与图4-6相像或相似的部件被相应地编号。因此，排出器叶片29、29’与图4-6中的相应，且被安装在修改的叶轮组件27’中，其中一组叶轮叶片52以与图4-6中所示的方式在周向彼此均匀间隔开地布置。然而，各叶轮叶片52沿着其整个长度从其内径向边缘54至其外径向边缘56而弯曲，该内径向边缘54与排出器叶片29、29’中的一个成邻靠关系，该外径向边缘56在底座板34的外周边缘处。各叶片52沿着其长度具有一致的宽度或厚度，且高度与较短的排出器叶片29’的高度相应；然而，在其内径向端处，各叶片52包括V形横向延伸部或者偏转部54，其突出进入以箭头A’指示的任何浆料试图返回至搅拌器2的中心或眼的逆流路径。图8至10示出改变的盖板35’的形式，其具有升高的表面36’，U形槽36’以均匀隔开的间隔围绕盖板，且其中槽的开口端径向向外延伸。该盖板被安装成靠在壳体20的顶壁的下表面上且在叶轮组件27’上方与其间隔开。组件27’是盖板35’的一体部件并从其向下延伸。

第三实施方式的具体说明

图11至13示出了另一个实施方式，且其中示出了修改的形式的叶轮组件替代图4-6中所示的实施方式中的叶轮组件27。再一次，圆形底座板34具有中心开口62，如在其它实施方式中一样其被安装用于在中心驱动轴上旋转。中心排出器叶片组件由均匀厚度且从中心62向外竖直边缘65向上和向外偏离(diverging)的大体三角形叶片64构成，该叶片64与以下将说明的各叶轮叶片61的内表面成紧密地间隔开的相面对关系。各排出器叶片64的上倾斜边缘63在叶片61的旋转方向上横向地弯曲。另外，各叶轮叶片61具有弧形桨片66，该弧形桨片66从由内径向端68和短的径向延伸的返回部分70构成的肘形部分径向地和向外地弯曲。该桨片构件66、68和70具有均匀的厚度，且主桨片构件66在向外径向方向从其内径向边缘至外径向边缘72弯曲，该外径向边缘72与底座板34的外圆形边缘平齐。因此，一个侧表面73是凹形的且相反的侧面74是凸形的，且各返回部分70在朝向各相继的下一个叶片62的方向上径向向外延伸，从而限定在相邻叶片之间的限制的空间或间隔。在相邻叶片之间的间隔以以下将说明的方式被调节以限制浆料朝向叶轮/排出器组件的中心的逆流。

尽管未示出，然而很明显该三个实施方式的盖板和排出器组件中的任一个是可互换的。为了示意但非限制的目的，图11至13的组件27”被示出作为图3的搅拌器组件的部分，但是底座板34用作以28”指示的下叶轮组件的分隔板。以相似的方式，第一和第二实施方式是可互换的，且可如图1和2中所示地安装而具有或不具有下叶轮布置。

在叶轮叶片的设计中，如前所述的，必须考虑多种因素，这些因素包括但不限于在各叶片通过叶轮上的给定点之后液体朝向叶轮的中心的速度。参考图5，例如，箭头A表示进入叶片28之间的空间的浆料的返回流的方向。在该方面，各叶轮叶片的加宽端将作为偏转器，且可朝向叶轮组件的外周向外移动，尽可能地接近流体路径的起点处与流体路径相遇。换言之，流体越快被阻挡并被再定向返回朝向环形区域，则消耗越少的能量。

图9示出了通过横档(ledge)或阻挡叶片54的可选方法，该横档或阻挡叶片54在流体从环形区域进入叶片52之间空间的进入点的另一侧。该方法减小了各叶片的整体尺寸，但需要更多的能量，因为偏转器被设置成在其朝向环形区域向回偏转之前更接近叶轮组件的中心。这里，液体或流体路径以箭头A’表示。

图13示出了再另一种方法，其中阻挡叶片被安装得更加朝向叶片的底部，其返回端70被设置在浆料的路径中以阻止其进入叶轮的中心，但是由于在各叶轮的外端或边缘72与下一个相继的叶轮的内端68之间的间隔增大而需要更多的能量消耗。因此，以箭头A”指示更加长的流体路径，且尽管阻挡流体到达叶轮的中心，然而必须将其泵送返回至环形区域，从而降低系统的效率。因此，在确定要使用的最有效的叶轮组件时，必须考虑与沙或其它颗粒材料的流动质量速度相关的混合泵所产生的压力量。

因此，应理解尽管已提出和说明了优选的方法和装置，然而可对部件的构造和配置进行多种修改和改变，且其互换不会偏离这里所述的实施方式以及所附权利要求所限定的实质和范围。

Claims (21)

1.在用于搅拌液体和固体颗粒的搅拌器装置(27)中，其中壳体(22)具有上固体颗粒入口(12)和下液体入口(24)，动力源包括延伸到所述固体颗粒入口中的驱动轴(30)，以及出口(26)与在所述壳体中在所述入口上方的环形空间连通，用于引导通过叶轮被向外驱动的固体颗粒与流入所述壳体中的环形空间中的液体相混合所得到的浆料，其特征在于包括：

叶轮组件(27)，其具有与所述颗粒入口的下端成围绕关系的底座板(34)，以及安装在所述底座板上的周向地间隔开的径向地延伸的叶片(28、52、61)，各所述叶片具有相反两侧面(39、40)，该相反两侧面(39、40)从与所述底座板的内径向边缘相邻的端表面向外延伸并终止于与所述底座板的外周边缘相邻的顶点(44)处；且

其中所述叶片的所述后侧面(40)中的每个包括在进入所述叶片相邻叶片之间的空间中的浆料的移动路径中的周向凸起部分(39、54、68、70)，以在径向向外的方向上将浆料偏转进入所述环形空间。

2.如权利要求1所述的装置，其中多个排出器叶片(29、29’、64、65)被布置在所述驱动轴与所述叶轮组件的所述叶片之间。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述颗粒入口包括放气口(17)。

4.如权利要求1所述的装置，其中在所述叶片之间的间隔朝向所述外周边缘而减小。

5.如权利要求3所述的装置，其中所述颗粒入口为与所述驱动轴成围绕关系的大体漏斗形状配置，且包括所述口中的至少一个。

6.如权利要求2所述的装置，其中所述排出器叶片与所述叶轮叶片对齐，所述周向凸起部分各包括径向面向外的横档(54、70)，其在所述浆料进入所述叶片的相邻叶片之间的空间的移动路径中。

7.如权利要求6所述的装置，其中各所述排出器叶片具有上端，其在背离所述叶轮叶片的旋转方向的方向上横向地延伸。

8.在用于搅拌液体和固体颗粒的搅拌器装置中，其中壳体具有上固体颗粒入口和下液体入口，动力源包括延伸到所述固体颗粒入口中的驱动轴，以及出口与在所述壳体中在所述入口上方的环形空间连通，用于引导通过叶轮被向外驱动的固体颗粒与流入所述壳体中的环形空间中的液体相混合所得到的浆料，其特征在于包括：

叶轮组件，其具有与所述颗粒入口的下端成围绕关系的底座板，以及在所述底座板上以彼此等间隔的关系安装的周向间隔开的三面叶片，各所述叶片具有相反两侧面，该相反两侧面从与所述底座板的内径向边缘相邻的端表面向外延伸并终止于与所述底座板的外周边缘相邻的顶点(44)处；且

其中所述叶片的所述后侧面中的每个包括在进入所述叶片的相邻叶片之间的空间中的浆料的移动路径中的周向凸起部分，以在径向向外的方向上将浆料偏转进入所述环形空间。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述叶片的所述相反两侧面中的一个(40)为凹形配置，且所述相反两侧面中的另一个(39)为凸形配置，且

各所述凸形侧面终止于与所述底座板的所述外周边缘基本平行的外端。

10.如权利要求9所述的装置，其中各所述叶片的所述相反两侧面终止于与所述底座板的外周边缘相邻的共同顶点。

11.如权利要求8所述的装置，其中各所述叶片被假想线等分，该假想线与从所述驱动轴的纵轴线延伸的假想径向线成锐角。

12.用于搅拌液体与固体颗粒的装置，包括以下组合：

壳体，其具有上颗粒入口和下液体入口，中心驱动轴，和在所述壳体的外壁中的出口；

叶轮组件，其被安装以在所述颗粒入口的下端处旋转，包括底座板和从所述底座板向上延伸的多个周向间隔开的叶轮叶片；

排出器组件，其被安装以在所述驱动轴与所述叶轮组件之间旋转，包括与所述叶轮叶片对齐的多个周向间隔开的叶片；和

至少一个排气口，其安装成与所述颗粒入口的下端相邻且与所述颗粒入口连通。

13.如权利要求12所述的装置，其中多个排出器叶片被布置在所述驱动轴与所述叶轮组件的叶片之间。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述颗粒入口包括放气口。

15.如权利要求12所述的装置，其中定位在所述叶轮组件的中央的管状元件被设置有所述口的至少一部分。

16.如权利要求12所述的装置，其中所述颗粒入口大体为与所述驱动轴成围绕关系的漏斗形配置，且包括所述口中的至少一个。

17.如权利要求13所述的装置，其中所述排出器叶片与所述叶轮叶片对齐。

18.如权利要求14所述的装置，其中各所述排出器叶片具有上圆形端，其在从所述排出器叶片的旋转方向背离的方向上弯曲。

19.在用于至少部分地包括沙和水的压裂材料的搅拌器中，其中沙被引入大体漏斗形入口，并且马达驱动叶轮组件被安装用于在驱动轴上在所述入口的下端处旋转，将沙引入所述入口并且以高的速度前进进入所述叶轮组件以与在压力下输送进入围绕所述组件的环形区域的水形成浆料的方法包括以下步骤：

将沙从所述入口的中心散布开并前进进入所述叶轮组件；以及

在沙和水到达所述叶轮内侧的区域之前，阻挡沙和水的在所述叶轮叶片之间在径向向内方向上的逆流。

20.如权利要求19所述的搅拌器，包括经由所述入口中的排气口从所述入口中的沙排出气体的步骤。

21.如权利要求20所述的搅拌器，包括在沿着所述入口间隔开地设置所述排气口的步骤。