CN1066804A - 搅拌固体颗粒和流体的方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种将固体颗粒分散于液体中的方法和设备。 实施该方法的搅拌机能够连续搅拌其物理性能可允 许在一个宽的数值范围内变化的固体颗粒和液体，而 不会降低其产品的质量。搅拌机主要包括位于一壳 体20内可旋转的叶轮机22，该叶轮机在旋转液体中 形成一“大气眼”，可将固体颗粒送入该液体流中。该 搅拌机可以使固体颗粒对液体材料的比，从它们最初 的相互接触到作为搅拌好的混合物从搅拌设备中排 出均保持不变。

Description

本发明涉及一种连续搅拌固体颗粒与液体混合物的方法和设备，它特别适合在油、天然气或地热产业中为粘结钻井而需要连续地搅拌带有水或流体的水泥颗粒。

长期以来，人们将材料搅拌混合的方法分成两大类。第一类方法为分批搅拌混合方法，在该方法中，将所需要的混合物组成成份的量放入一容器中，然后在该容器中搅拌或循环这些成份以形成规定量的混合物。第二类通常的搅拌混合方法为连续搅拌混合法，在该方法中将该混合物所需要的组成成份按规定量放入一搅拌混合区内。在该区内将它们搅拌在一起，并以与加入各成份的体积流量相同的流量排出所生产的混合物。上述这种搅拌混合区常常由结构简单的搅拌容器所组成，然而还有各种已公知的喷射器，喷射搅拌混合器等类似装置，在这些装置中通过排出工序来完成搅拌混合过程的。

在许多实际应用中，对于连续搅拌法相对于分批搅拌法的优点以及人们对于连续搅拌法的需要，对本领域来说是熟知的。连续搅拌法的优点包括能够在搅拌过程中不断改变其混合物的特定比例;能够消除在连续操作过程的任一下一步骤之前所出现的被搅拌好的材料的积存现象;能够向较小的搅拌腔室中加入大量的固体颗粒粉末，在该腔室中各种组成成份可更有效地搅拌混合在一起。

连续搅拌法的一个重要缺点长期以来也已为本领域所了解。传统的连续搅拌法要求必须同时控制每一成份的流入、形成的混合物的流出以及其相应组成成份的比例。例如，为了达到技术要求，改变进入该搅拌机内的这二种成份中的仅一种成份的流速是不够的，同时还必须改变其混合物的排出速度。否则的话，该搅拌腔就会太满或出现供料不及的现象，这样连续搅拌过程就会停止。当在连续过程中后面的步骤需要按特定的速度供给混合物时，象常常连续搅拌法所具有的优点的那种情况，必须同时改变每种流入的组成成份的速度，以便获得特定的比例和从搅拌机出来的特定的排出速度。同时对多个变量进行控制这个要求会导致使比例控制系统复杂化，在该系统中连续法的优点就会被造价高、性能不可靠的缺点抹杀。

在US-3256181（1966年）号美国专利中，Zingg和Stoskopf公开了一种方法，利用该方法可以保持连续搅拌法的许多优点，并且可以克服上述缺点。该方法所依据的是压力平衡原理。按上述方法，液体在压力作用下进入搅拌混合腔室中并被旋转，从而在搅拌区内的中心形成一个与大气连通的“眼睛”。环形流体旋转可在流体边缘产生一压力，而该压力可平衡补给流体的压力。液体不可能流入前面所说的大气眼中，也不能从搅拌区内大量流出。另外，空气也不可能穿过旋转的环形液体而进入搅拌区内。当将一特定量的材料（一般该材料的比重量大于液体）定量送入大气眼时，由于旋转的作用，该材料会被挤出而进入被加压的液体中，并与该液体搅拌混合，之后所形成的混合物在压力下从搅拌区被排出来。

在Zingg和Stoskopf所述方法的典型实施例中，用一离心泵叶轮机给送入搅拌混合腔室中的液体加压力。上述实施例构成了“恒定体积”连续搅拌机的一种。当需要改变组成成份的混合比时，则只需改变进入搅拌区内的大气眼中的成份的流速即可进入大气眼的材料的流速的改变，会引起搅拌区内的压力的净变化，而该压力的变化又会引起由离心泵叶轮机所提供的液体流的相反的（体积）变化，以便使搅拌区内的压力保持平衡。这样，混合物各成份的混合比的控制就变得简单了。

Zingg和Stoskopf（1966年）没有认识到，控制上的方便可以是他们的方法中给出的其中一个实施例的一个主要优点。其潜在的价值只在后来的实践以及对他们的方法的进一步改进中才认识到。

Zingg和Stoskopf所公开的将一特定材料与可泵送液体搅拌混合的方法的后来实践和进一步发展也已经显示出来，在今天许多实际利益条件下，这种方法并不能有效地实施。由于固体颗粒对液体的体积比增加了，实施Zingg和Stoskopf的方法会生产出质量越来越差且不能用的混合物和浆液，该混合物变成一种含有气泡的胶结颗粒的悬浮。按上述方法制备的这种胶结混合物是无用的。另外，夹杂空气还会引起搅拌腔室区内压力的大量损失，从而使该方法的实施效果很差。

Zingg和Stoskopf方法中存在的潜在的很差的性能在该方法提出时人们并没有意识到。该方法的最初目的在于生产砂或砂状颗粒和胶体成份混合成的浆液，该浆液用于对土井的处理，旨在提高其生产效率。在上述方法提出之时，固体颗粒对液体的一般体积之比值为1∶10，也曾有过高达1∶4的比值的报道，但是这些高比值仅仅代表含有大量的固体颗粒的承载情况，以及用来测试当时的实践的范围。当时土井的处理过程有了更深入的了解，并且改进了胶体成份及其相关设备之后，已经导致在现代处理中使用体积比超过1∶1的浆液，在此高体积比值下，实施Zingg和Stoskopf的方法常常会生产出不能使用的含有气泡的浆液。

波特兰水泥浆是液体与固体颗粒系的第二个例子，在该例子中使用上述方法所制备的混合物也无法满足要求。为了将管子和套管固定在井孔岩体表面上，要将可泵送的波特兰水泥泥浆送入土井中。这些泥浆中固体颗粒与液体的体积比常常超过1∶1。实施Zingg和Stoskopf方法会生产出质量很差的含有气泡和许多胶结块的泥浆，需要较高固体颗粒对液体体积比的方法的其它例子对那些本领域的技术人员来说是显而易见的。

Zingg和Stoskopf方法之所以不能应用是因为在该方法中没有在流入材料接触点处安装调节这些材料的比例的装置。虽然固体颗粒对液体的总比例可以控制，但是却不能控制它们初始搅拌时的比例。Zingg和Stoskopf方法要求将固体颗粒按没有经过控制的体积比值送入液体中，而该比值往往是大大超过最终混合物所规定的比值的。其结果是生成含有气泡的糊状体或胶结块团，而这些物质很难分散于能满足要求的均匀浆液中。这个结果是实施Zingg和Stoskopf方法的必然结果，同时也是该方法难以克服的缺点。通过了解采用这些方法所使用的各种设备，便可很清楚得知造成这种必然结果和缺点的原因。

在目前使用中，由Althous在US-4453829（1984年）号美国专利中首次提出的设备，已取代了Zingg和Stoskopf在US-3326536（1967年）号美国专利中所说的搅拌设备。这两种设备均是连续加工搅拌混合机。在该搅拌机中，液体和固体材料以相对较高的流速进入体积相对较小的搅拌腔室中。由于该设备所引起的液动力梯度作用，上述搅拌腔室的体积几乎保持恒定。也就是说，按照Zingg和Stoskopf所说的方法（1966年），一个旋转部件可用作一离心泵叶轮机，并可使液体和浆液流过一壳体。另外，采用第二个旋转部件，该旋转部件常称为“挡环”，在固体颗粒可以直接加入的搅拌机的顶部开一个大气眼。上述两个旋转部件在它们之间建立起一液压平衡，这样，在固体颗粒流过挡环中的任何变化都可通过由叶轮同所引起的液体流动中的变化动态地加以补偿。其结果是，虽然搅拌腔室的体积相对于材料进入该搅拌机的流速较小，但是该搅拌腔室的体积几乎保持恒定。因此，无需使用其它的体积或液体流速控制装置。

在专利文献中对类似于Zingg和Stoskopf（1967）以及Alt-hous（1984年）所提出的设备的主要缺点已进行过讨论。在US-4614435（1986年）和US-4677665（1987年）号美国专利中MacItire根据挡环与叶轮机平衡原理提出了一种改进型的设备，在这里MacIntire提出了一种允许空气从这种型号的设备的壳体中自我排出的装置。通过观察证明这种改进之处在于这种型号的设备有一个有限的固体颗粒流量。当固体颗粒流速达到一定值时，该值可以认为是挡环尺寸大小的作用，它的叶轮机作为一有效的离心泵会间歇地起动，并停止工作，同时，其壳体中充满了固体颗粒，从而使搅拌过程必须停止。在典型的连续油田搅拌机的使用中，没有预料到的突然停机可能导致以后需要昂贵的补救措施，并且经常是很危险的。

MacIntire（1986年、1987年）把容量的限制归于在流入的固体颗粒流中含有气泡，该流入的固体颗粒流由于离心力的作用会被携带出并进入叶轮机壳体中。这种夹杂的气泡会取道进入叶轮机抽吸腔内，从而会造成间歇起动（loose-of-prime）的情况。这样叶轮机不再向搅拌区内供给处于压力状态的流体，从而该搅拌过程必须停止。于是，MacIntire提出了一种装置，该装置可使这种气泡在进入叶轮机抽吸腔区内之前排回到大气中。

作为实施例，MacIntire的上述装置并没有包括这样的机构，即可保证空气流入排放管中而是在其壳体中所形成的辐式压力梯度。当夹杂的气泡相当细小地分散，并且叶轮机壳体中的混合物达到足够粘度时，尽管没有允许气泡排走的装置，该气泡仍能被送进叶轮机抽吸腔室中。上述情况在实际工作中会经常出现，并且由于混合物的固体颗粒对液体的比例的增加而会加重。

本领域技术人员可以想象出各种使空气进入排放管而不进入叶轮机抽吸腔室内的各种装置，一种简捷的办法是将离心泵叶轮机放入独立的叶轮机壳体中，如在Zingg和Stoskopf的设备（1967年）中所说的最佳实施例一样。但上述方法并没有克服另一个缺点，即夹杂的气泡可能同样从该搅拌机中被排出，这种类型的搅拌机一般用来将处于压力状态的浆液送入柱塞泵中。一种夹有气泡的浆液具有相当好的弹性，其可压缩性会使柱塞泵的性能急剧降低。另外，进入搅拌机的固体颗粒的流动一般是通过从仪表或“浓度测试计”来的反馈来加以控制的，上述仪表或测试计是用来测试在搅拌机出口处的浆液浓度的。夹杂有气泡的浆液的浓度无论用怎样便利的方法都达不到规定或所需要的值，这种控制系统常常是或多或少地不准确。

在固体颗粒流速较高时，夹杂有空气的问题是基于Zingg和Stoskopf（1966年）所说方法的设备的构思的缺陷所造成的。MacIntire对上述问题的最初解释是不完整的，他的改进仅仅着眼于真实问题的表面现象。采用如由Zingg和Stoskopf（1966年）最先提出的挡环叶轮机平衡原理制成的所有设备均是按目前人们所知道的效率最低的一种次序将固体颗粒和液体成分相互接触的。

由固体颗粒和液体组成的混合物的物理性质，受到在混合物中该二者的混合比例的很大影响。经验告诉我们，应该将固体颗粒加入到所需要的大量的流体中而不是采用其它方式，以便通过固体颗粒的不断增加可使固体颗粒的浓度上升到理想值。此规定的理由在于在液体中的浆液的表面粘度会随着颗粒的加入而漫漫地增加直到达到一临界值为止。在此临界值混合物会由流体变成胶体或部分湿润的胶结块团。将可流动的颗粒分散于浆液中所需要的能量要比将胶体分散于液体中所需要的能量少几个数量级。相应能量的需求程度（在相同固体颗粒与液体比值时）主要取决于固体颗粒粒径。具有较低浓度的粗砂粒并不会形成稳定的胶结块，然而粒径很小的颗粒，如波特兰水泥颗粒则容易形成难以处理的胶体。这样当人们不按上述经验进行搅拌时，搅拌所形成的产物的质量将主要取决于混合物组成成份的物理特性及混合比。

在按Zingg和Stoskopf（1966年）方法所制成的搅拌机中，常常将固体颗粒注入已制备好的或未完全制备好的浆液中，以形成具有异常高浓度的夹杂有气泡的胶体。在一般操作过程中，搅拌机处于稳定状态条件下，其排出速度可由适合的外部控制加以确定，经常是通过确定由搅拌机所提供的柱塞泵的速度来完成的。被排出的浆液的浓度与均匀性可通过固体颗粒的流入速度加以控制，当然同样它也可以通过从浓度测试仪来的反馈控制加以确定。在叶轮机壳体中的大部分浆液的浓度和均匀性必须与排出的浆液的浓度和均匀性相一致。将固体颗粒在挡环处不断送入上述壳体的浆液中，在该挡环处局部会出现浓度偏高的浆液或胶体。在叶轮机处液体不断进入，在该叶轮机处局部会出现浓度偏低的浆液。上述两种浆液分别会被迫进入壳体内的再循环浆液中，并搅拌混合达到理想浓度，再进一步被循环。然而在挡环处所形成的浓度偏高的浆液会使整个系统的性能降低。

带有胶结块的胶体必须被分散于前次搅拌混合好的浆液及新补给的液体中，以便在从壳体中排出之前形成具有所需浓度和均匀性的混合物。分散上述胶体所需要的能量比将固体颗粒按需要比值分散于新补给的液体中所需要的能量多几个数量级。由于输入搅拌机中的能量输入是相当恒定的，因此随着固体颗粒对液体比值的增加，所形成的混合物的质量会迅速降低。

在固体颗粒流速高时，在整个搅拌机中（不仅仅在挡环区域内）都会出现上述分散的问题，这样夹杂在胶结块中的气泡就会进入叶轮机抽吸腔室内。由于此时固体颗粒流速较高，而搅拌机又缺少足够的能量将上述胶结块全部分散，这样上述胶结块就会由于泵的抽吸作用被排出，形成质量很差的不均匀的夹有气泡的浆液。

按挡环、叶轮机平衡原理制成的搅拌设备的第二个主要缺点在于，当流量很大时，搅拌机会充满空气。在挡环中的大气眼的大小是根据挡环阻挡压力以及叶轮机排放压力的平衡来加以确定的，这一点如由Althous（1984年）在上面所引述的专利中所解释的一样。当搅拌机的容量增加时，叶轮机排放压力便会降低，其原因有两点。第一点，流体进入离心叶轮机中会相对于切向流体速度产生一负的净流体速度，而上述切向流体速度可在叶轮机壳体中形成排放压力;第二点，当流量增加时，通向搅拌机的供给管中的流体磨擦就会失去，而上述损失会使壳体中的绝对压力值降低。因为该壳体中的绝对压力正是由挡环及“阻挡”来维持平衡的，以形成固体颗粒可加入其中的空气眼。当搅拌机的容量增加时，在挡环中的大气眼便会加大。

在理想的机器中，只要搅拌区内的压力大于大气压，则大气眼的半径就不能超过挡环的半径。在按Zingg和stoskopf（1966年）的方法而设计的理想设备中，液体流入压力大于大气压，这样从原则上讲空气永远不应该进入搅拌区内，然而实际上是空气能够进入搅拌区内的，其原因如下：

上述的大气眼加大的原因常常是同时出现，并且相互影响。当容量很大时，大气眼变得很大，以致由旋转液体以及流入的颗粒组成的固体颗粒流会沿着挡环叶片的主要边缘运动，这样阻挡空气进入搅拌区的“壁”就会变得不稳定，并且大气眼会变得很不规则。空气会越过挡环的边缘并大量进入叶轮机壳体中，其结果是搅拌机很不稳定地起动并且不能使用。

在该搅拌机的一般使用中，新补给的流体是从储存罐中补给的，当此罐中的液面在连续搅拌过程中下降时，通向叶轮去的液体入口处的可获得的液体净压头便会降低。

因此，大气眼会由于搅拌机中的壳体的绝对压力大量损失而会进一步加大。于是Zingg和stoskopf（1966年，1967年）提出了一种可以抑制上述不理想情况的具有恒定液面的供给储存罐。然而该解决方案需要增加另外一件设备，而且从来没有广泛地使用过。实际上，由于按挡环叶轮机平衡原理所制成的搅拌机对于在其入口处的绝对压力具有较大的敏感性，从而会使得最终产品，质量进一步降低，并进一步增加不稳定起动的危险。

而由MacIntire（1986、1987年）所提出的可使气泡自我排放掉的装置实际上会增加空气进入叶轮机壳体中的危险。在搅拌机操作过程中，在排放管边缘处或附近会出现一浆液和空气的交接面，这就是说，该排放管可用来形成一个大气眼，该大气眼与挡环所形成的大气眼十分相象。这种大气眼的尺寸由与挡环中使用的相同规则加以调节。因此，当壳体压力降低时，在上述大气排放口的大气交接面会径向向外长大，当搅拌机的容量很大时，该交接面将长大到趋近于叶轮机的直径，并且气泡从大气排放管中溢过叶轮机边缘。这样，搅拌机就容易很快且不幸地出现不稳定起动情况，并且会拥入大量固体颗粒，从而不能使用。

本发明的设备和方法并不具备已有技术的设备和方法在使用及原理中所具有的上述任何缺点，它提供了一种具有多项发明目的的结构简单、体积恒定的连续式搅拌混合系统。本发明的方法是基于一装置发明，通过该装置，在新流入的液体经循环而进入叶轮机壳体中的具有所需要浓度的浆液中之前，可以把固体颗粒放入上述新流入的液体流中。基于一不同于在已有技术中所使用的原理来维持液压平衡，本发明的方法和设备相对于目前使用的已有技术中的方法和设备还具有其它一些优点。

因此，本发明的主要目的在于提供一种改进的搅拌方法和设备，该方法和设备特别是在固体颗粒浓度较高以及固体颗粒由细小颗粒组成时，可将液体和固体颗粒连续且迅速地搅拌混合。

本发明的另一个目的在于提供一种改进的搅拌机，该搅拌机可以在固体颗粒和液体的一个宽的变动的流动范围上工作，并可减少突然停止工作以及混合物质量出现不理想的变化的危险。

本发明的还有一个目的在于提供一种改进的搅拌机，该搅拌机自身包含的设备位置低，并且在该搅拌机中可以迅速改变要混合的材料的体积，而同时可维持组成成份的预定的混合比不变。

本发明的又一个目的在于提供一种改进的搅拌机，该搅拌机可在混合好的浆液中形成一正的流动压力，该压力可用于将上述浆液送入其它设备中而无需泵或其它类似装置。

本发明的目的还在于提供一种改进的连续式搅拌机，在该搅拌机中，甚至在从该搅拌机引出的供给线被切断或关闭时其机构仍可以继续工作。

另外本发明的目的在于提供一种改进的搅拌机，该搅拌机可以制备具有预定浓度的液体与固体颗粒混合物。

本发明的进一步的目的在于提供一种改进的搅拌机，特别是适合搅拌用于油田工业中的水泥颗粒和水，而制备的水泥浆中不会有气泡或只含有很少的气泡，从而可允许进行准确的浓度测量。

本发明的目的可通过以下措施来达到：

一种将可泵送液体和颗粒材料搅拌的方法，其步骤包括：

（a）、使液体绕一轴旋转，从而形成了一涡旋或大气眼，处于上述液体和大气之间的该涡旋或大气眼的交接面大致与上述液体的旋转轴同轴，另外，从上述交接面到上述液体的边缘的半径处形成了一逐渐增加的径向压力梯度;

（b）、调整补给的液体压力，使该压力大于所说的旋转液体中的最小压力而小于其最大压力;

（c）、使上述补给液体流过一环形截面而进入旋转液体中，上述环形截面的内半径大于上述大气眼的半径，而其外半径小于上述旋转液体的半径;

（d）、将颗粒加入上述大气眼中，并使其通过上述交接面而进入上述补给的液体中，在那里颗粒与液体被搅拌在一起;

（e）、将上述颗粒与液体的搅拌混合物从大于所述旋转液体的半径的范围处排出。

本发明的目的还可以通过以下其它措施来表达，可通过使上述叶轮机旋转来调节所述补给液体的压力。在补给液体的蒸汽压力和1.5个大气绝对压力之间的绝对压力下加入补给液体。所述颗粒物质为水泥，所述液体为一种含水混合物。所述颗粒物质为一种土层结构加固剂，所述液体为一种含胶混合物。所述颗粒物质为一可溶于水的聚合物，本发明的目的还可通过如下措施来达到所述液体为一含水混合物。

一种将可泵送液体和颗粒物质搅拌混合的方法，其步骤包括：

（a）、驱动叶轮机使液体绕一轴旋转，从而形成一涡旋，在液体和大气之间的该涡旋的交接面大致与所述叶轮机的旋转轴同轴，另外，从上述交接面到上述叶轮机的边缘的半径处形成了一逐渐增大的径向压力梯度;

（b）、在所述叶轮机的相对面处，使补给液体旋转，这样从一大于所述涡旋的半径的半径范围到大于所述涡旋面半径的十分之一的半径范围形成一逐渐减小的径向压力梯度;

（c）、将上述旋转的补给液体通过一环形入口截面送入旋转液体中，上述环形入口截面的内半径大于上述涡旋的半径，而其外半径小于上述叶轮机的半径;

（d）、将颗粒物质送入上述涡旋中，并通过所述交接面进入补给的液体中，在那里固体颗粒和补给液体被搅拌混合在一起;

（e）、将上述颗粒与液体的搅拌混合物从一包有叶轮机的壳体中排出;

（f）、使新补给的液体加到从通向上述叶轮机的液体抽吸入口来的所述补给液体中。

本发明的目的还可通过如下措施来达到，

一种将液体和固体颗粒搅拌混合的设备，它包括：

（a）、一外壳体，该外壳体包括一基本呈圆形的周边壁，一顶部，一底部，一混合物排放口装置，所述排放口装置与上述壁相连，还有一固体颗粒入口通道，该入口通道设在上述外壳体顶部的中间位置，另外还有一环形液体入口装置，该液体入口装置设在上述外壳底部的中间位置;

（b）、一可旋转式叶轮机，该叶轮机设在上述壳体内，并与所述周边壁分开，叶轮机的旋转轴与所述壳体的纵轴相重合，叶轮机设有一中心开口部分和一环形开口部分，上述中心开口部分朝向固体颗粒入口孔，而环形开口部分朝向液体入口装置;

（c）、使上述叶轮机旋转的装置。

本发明的目的还可以通过以下其它措施来表达：

叶轮机设有延伸至所述环形液体入口装置中的叶片。液体入口装置设有静叶片。上述叶轮机可以是下列任何一种，即辐流式叶轮机，轴向辐流式叶轮机和混流式叶轮机。所述叶轮机设有带回轴作用的叶片的顶部围带。所述叶轮机可以是涡流式或凹形式叶轮机（recessed-impeller）。所述壳体沿轴向为涡旋形。

本发明的其他目的和优点可很容易地从下面的描述和附图中得出。

图1为本发明搅拌设备的前视图，大部分为剖面。

图2为从上面往下看该搅拌机时其渐次剖面图。

图3为用于本发明另一个实施例的叶轮机的前视图，大部分为剖面。

图4和图5分别为本发明的两个搅拌机的前视图，其大部分为剖面，这种搅拌设备最好用于油田。

根据本发明的主要原理，在一壳体中，一叶轮机或叶轮部件旋动一液体环形体，旋转该液体用来增加其径向速度和压力梯度。在某个限定的内半径处，压力绝对值最小，在某个限定的外半径处，压力绝对值是上述在某个限定的内半径处的最小压力绝对值与位于内外半径之间的环形液体旋转时而产生的压力值之和。补给液体穿过环形截面被引入该旋转液体内，该环形截面的内半径大于旋转液体的内半径，而环形截面的外半径小于旋转液体的外半径。调整补给液体的压力以使其恰好与该补给液体流入处的整个环形截面的旋转环形液体的压力相配。

旋转流体内半径限定一“眼睛”。叶轮机壳体内在该整个眼睛的圆形截面处与大气连通，这样在旋转环形液体内半径处的压力保持为大气压。在半径大于该眼睛的半径和压力稍大于大气压的情况下将补给液体引入。这样在旋转液体内的压力梯度就不会出现变化，从而整个系统保持平衡。补给液体即不能大量涌进该大气眼，也不能从机壳中流出到大气中去，另外大气中的空气也不能进入补给液体源中，也不能进入混合物中。

可以将固体颗粒等类似物加入该大气眼中，在此处它们与在整个环形区到达的流入的补给液体相接触。在旋转液体中固体与流入的补给液体紧密接触，这样它们便充分搅拌混合。

流入的固体颗粒和液体混合的适当比例或特定的成份比不断地被接触在一体。由于固定颗粒不会被回流进入已经混合好的浆液中，从而排除了固结块的形成。

在由于叶轮机中混合环形体的旋转而形成的压力下，液体或浆液被从壳体中排出。因此仅仅需要一种旋转液体的方式来使固定颗粒进入补给液体中，使所有成份混合在一起，以及给从壳体中排出的最终形成的浆液加压。

特别参照图1，除特别注明外，本发明的搅拌设备通常以字母M表示。

在该搅拌机顶部为给料斗或贮塔10。该给料斗用作固定颗粒的容器，其上装有固体颗粒流入量调节装置（阀1）12，该调节装置12可以控制流入搅拌机的固体颗粒入口锥形漏斗16中的固体颗粒的流动。

在上述锥形漏斗16内部设有驱动轴18，该驱动轴18穿过搅拌机的固体料入口17，并伸进一壳体20中。该驱动轴18与旋转驱动装置（未表示）相连，根据安装要求的需要，该旋转驱动装置可以支承于或不支承于搅拌机的部件上。该搅拌机的搅拌加压部件为一叶轮机22，该叶轮机22借助螺栓固定部件24固定于驱动轴18的底部。

叶轮机22设置在外壳体20内，其轴心与壳体20的纵轴相重合。该叶轮机22有一插入件26，在插入件26上装有多个叶片28。这些叶片28按一向内辐射状方向沿插入件26顶部延伸一半径，该半径大致等于或稍小于在下面将要描述的“正常条件”下该搅拌机的大气眼半径30（如图2所示）。大气眼是一由空气与搅拌机中的流体成份之间的交界面32所形成的大致柱状体。在图2中波纹线即表示上述交界面，这可说明交界面事实上并不是完全光滑的或很规则的柱状面。在最佳实施例中，未将叶片28充分延伸进该眼孔中，以避免干扰固体颗粒流入叶轮机。

叶片28还按一向内辐射状方向沿插入件26底部延伸一内半径，该内径按如下方式确定。

选取具有足够横截面积的“一般大气眼直径”值，以便在一般情况下可使特定固体颗粒流量最大。

选取叶轮机直径和运转速度，使其足够大以形成特定的排出压力，使在大气眼处的压力达到大气压力。叶轮机外半径一般大致为通常大气上半径的二倍。

在叶轮机插入件36外缘处的压力不能低于大气压，否则空气会进入叶轮机的抽吸腔室中。当在抽吸腔室34中的叶片内侧边缘的半径小于插入件36的外缘半径时，就会出现上述不好的情况。为了确定准确的比值，必须规定一个可获得的净吸引压头（NPSHA）最小值。在叶轮机的特定旋转速度情况下，在抽吸腔室34处的半径与插入件36处的半径之间的环形流体中所产生的压力，应大于大气压与上述预计的最小的可获得的净吸引压头值之差。

之后，还要给可获得的净吸引压头规定一个最大值。当混合设备在这种条件下操作时，在插入件36外缘处的绝对压力值为上述可获得的净吸引压头最大值与大气压和该可获得的净吸引压头最小值之差的总和。这个压力可通过大气压和在位于插入件36外缘与实际大气眼之间的环形流体内所产生的压力之和来平衡。使用具有上述关系的一般大气眼半径便可得出插入件的半径。接着便可确定出抽吸叶片缘的内半径。如果这些按图1所示布置，则应使用一液压平均值。应当注意，如果插入件半径大于叶轮机的75%，则可能需要对上述的某些规定进行调整。

那些本领域的技术人员还知道，在所有计算中要考虑有适当的安全系数。另外精确尺寸的计算还可以根据特定场合使用所选择的叶轮机的特殊类型或形式来进一步加以修正。

为了使流体流动流畅，使壳体20和插入件26的连接部分具有某一形状，以便在它们之间形成一环形叶轮机入口40。该环形入口40的横截面积是这样确定的，即在该横截面积值时，在抽吸腔室内，按照可靠的液压惯例，该流体不会被加速。该叶轮机入口40平滑地与液体抽吸入口42直接连通，该入口42也是在插入件26和该壳体内壁之间形成的。静叶片44应通过与该壳体20内壁相连接设置于液体抽吸腔室中，该静叶片可抑制液体预先产生的旋转并使混合设备的性能更可预测。环形抽吸入口42平滑地延伸到进入搅拌机设备46的液体入口处的圆形面中。设置导管或流体补充管48以便从液体罐49中供给液体。

叶轮机叶片28沿向外辐射方向延伸至该叶轮机外缘，并按照可靠的叶轮机设计原理来进行弯曲。在图示的最佳实施例中。在叶轮机上面，叶轮机的外缘和用于固体颗粒的叶片38的内缘之间，在叶轮机上安装一上部围带50。该围带50用来在叶片之间形成多个流动通道52，并可避免流入的固体颗粒侵蚀叶片的上边和壳体20相对的内壁。上述流动通道52的高度要保持恒定以便使在叶轮机中的向外流出的混合物沿径向的速度逐渐降低。上述减速现象用来使排放器效应减到最小，这种排放器效应可能会导致夹杂空气。按标准惯例，可采用多个泵回流叶片54以防止在围带与壳体内壁之间所形成的间隙中的材料回流，上述间隙也可以用作一排放气泡的装置。

叶轮机22排出混合物，这些混合物经过该叶轮机的周缘而进入一接收腔室55内，该腔室55是由壳体20的一连续部分所形成的。在最佳实施例中，该壳体中的接收腔室55呈“半螺旋形”。与在壳体中混合物的切向流动方向相垂直的该接收腔室的横截面面积从排放出口58正前端的棱边56（图2）开始逐渐增大。该接收腔室横截面增大的规律取自可靠的液压惯例，并且计算时要考虑搅拌机外缘至排放口的距离。然而，通常使接收腔室的总横截面积足够大，从而该壳体的接收腔室55可使搅拌混合物再循环。这一特征可以用来防止在固体颗粒流入搅拌机时出现异常现象，从而可更精确地对混合物的质量进行控制。一般来说，任何一处的接收腔室横截面积都不应小于排放口58的横截面面积，而该排放口58的横截面积按标准液压惯例确定。

在所示的实施例中，壳体20沿搅拌机的纵轴方向呈螺旋形。由于二方面的原因，在标准辐式螺旋方法中这个形状为最佳。第一个原因是，其速度相对保持不变，因而压力也相对保持不变，这样大气眼相对固体颗粒入口保持对称，避免流体流过入口部分时冒流体飞溅的危险。第二是，它提供一个较小的总的直径，其造价更为便宜，使用更为方便。

为了当需要时提供附加的抑止功能和更有效的控制，可借助再循环管60将从搅拌机58中排出的一部分混合物送回搅拌机48的液体补给管中进行再循环。循环的程度与管子的尺寸成一定比例，并按该领域技术人员所公知的规则和原则来确定。设置阀（阀2）62，以便使搅拌机按上所述的再循环或一定完成方式来工作。

叶轮机22的具体形状取决于最佳实施例所需要的性能图1、图2所示的是径流式叶轮机，该机特别适合特定的较低速度的场合。当相对其容积需要具有相当高的排放压力时，就选用此种叶轮机，当在较高的特定速度时，这时容积比排放压力更重要，则要规定使用辐向辐流式叶轮机（Francis  coufiguration）。图3所示的为涡轮式叶轮机，在该图中部件名称和标号保持不变。当如加工非常耐磨的固体颗粒，同时特别需要在固体颗粒或浆液流动通道中不大间隙时，就可使用上述机型。

由于其简单性，为调节补给液体的压力而延伸到环形抽吸腔室中的叶片延伸部分被引入了本最佳实例，本领域的技术人员也会知道，还可以采用各种普遍公知的控制流入的补给流体的压力的装置。比如，可在液体贮存罐49与流体补给管48之间的线路上设置调节低压的助推泵。根据本发明的方法可选择上述装置和其它类似装置。

本发明可以通过描述一个典型的操作过程予以说明，在该操作过程中波特兰水泥粉末与水混合从而形成水泥浆，该水泥浆适合用泵送入井中以便在其壳体以及和该壳体相对的岩层之间形成液状密封层。

在操作过程开始时，驱动装置使驱动轴18和叶轮机22旋转。一旦该叶轮机开始运转，便将水加入搅拌机48的入口。水通过由搅拌机的液体入口46，液体抽吸入口42和环形叶轮机入口40所形成的液体入口通道流入该叶轮机中。叶轮机使上述水体旋转并产生压力和流速，并以此压力和速度从叶轮机流出而进入壳体接收腔室55中。搅拌机中的空气从叶轮机的上围带50以及与其正相对的壳体20中的内壁之间的间隙排出来。从而即使在便于继续将其出口58堵住时，也可起动搅拌机。一旦按这种方式起动搅拌机并泵送时，即便沿液体入口通道的绝对压力被降低到大大低于大气压力，该搅拌机仍将保持起动状态。

在该搅拌机起动后，水泥粉末便定量地沿固体颗粒的入口通道注入到叶轮机中，上述固体颗粒的通道是由流动调节装置12，固体颗粒入口的锥形体16，固体颗粒入口17和空气与液体的交界面32所形成的。水和水泥颗粒在此处相接触，然后它们通过叶轮机52中的通道，在该叶轮机中它们被搅拌混合且加压成为一浆液。

在这些条件下，可打开阀62使搅拌机按再循环方式工作。当浆液的浓度达到测量装置所确定的所需要的值时，打开出口，这样浆液在压力下流向高压泵中，而该高压泵又将其送到井中。

随着泵送的开始，水泥粉末不断沿固体颗粒入口通道流动。而水则按体积平衡量通过液体入口通道进入搅拌机中，上述体积平衡量是指流入的水的比例等于流出的泥浆的比例而低于流入的水泥粉末的比例，这样泥浆的浓度可通过同时或单独调节进入搅拌机中的水泥粉末的流量或流出该搅拌机的泥浆的流量来加以控制，而不需要进行多次控制操作，一旦搅拌机达到了稳定状态条件，便可将再循环阀关闭。当要求搅拌机在其最高设计容量工作时，需要执行上述关闭动作，从而减少流动损失。在容量较低时要使该阀保持打开状态，以便对泥浆的浓度进行更准确的控制。

图4和图5表示了根据本发明经改进了的一种搅拌机，该搅拌机特别适合连续制备油、天然气或地热工程用的水泥浆，也就是说粘接钻井。

在图1-5中，同一标号表示相同的含义。

参照图4，在搅拌机M的壳体20中含有一叶轮机22，该叶轮机22带有叶片28，水泥颗粒从未示出的给料器10流入固体颗粒入口16、17。水或以水为主要成份的带有常规的油田粗结添加剂的流体在重力作用下或通过进给泵从处于大气压状态的流体贮罐穿过入口46、48。

定子80阻止流入的流体旋转，从而可使紧靠叶轮机22下面的腔室82中的压力保持不变。

最好将接收腔室55限制在某种柱状壁81的外侧，另外如图4和5所示，最好将泥浆出口58设在壁81的后面。

如图4所示，在叶轮机22上方设有水平圆盘83，以便与叶片28部分地相互重叠。虽然该圆盘对于搅拌机的运转不是必要的，但是由于它可防止圆体颗粒从空气排放孔84排出，故最好要装设上述水平圆盘83。

叶片28可在某些位置向下延伸似形成戽斗85，其目的在于既使在低压状态以及特别是整个搅拌机M做成倾斜形状时，可通过迫使进入的流体向上运动，而使该机器继续起动。

图4和图5所示的机器具有非常稳定的大气眼这一优点，而这正是实现前面所说的本发明目的的基本条件。关于这一点当在入口46处的水或流体压力给定后，便可根据设在叶轮机底部的水平圆盘86就会确定出大气眼或交接面32的位置。

这种设备对于需要对形成的泥浆的浓度进行准确控制和监测的油田工业相关工业中要不断将水泥颗粒与水或流体混合来说，它特别有用。

图5为图4所示机器的另外一种形式，在该机器中水或流体由于重力作用或通过给进泵从处于大气压状态的贮罐49流出。

最好让水流入搅拌机的顶部柱状腔室90中。上述腔室90是由壳体20的上部和中间水平间隔层91形成的。壳体20的上部和水平间隔层91均具有一中心孔，如图5所示，其目的在于为空气排放通道84和固体颗粒入口16提供空间。

应当注意，水平圆盘91的内环边与叶轮机叶片28有一定重叠，而壳体20上部向内延伸且超出了水平圆盘91的内侧边缘，这样便可形成大气眼（空气与泥浆交界面），并且使该大气眼在壳体20的上部和水平圆盘91两者各自的内侧边缘之间的中间位置上保持稳定。

在最佳实施例中，通常用92表示的固定的叶片系统位于上述的中心孔中，这样便可以防止腔室90中流入的水产生旋转。

因为混合物各组成成份的比例不允许超过在各种操作条件下在设备的各个部分中的设计或需要的比例，因此可以实现本发明的主要目的。

因为波特兰水泥浆很难混合制备而达到规定要求，故在这里是以该水泥浆的混合来描述本发明的操作过程。在已有技术的设备中，水泥粉末流入已经混合而达到了所需要浓度的泥浆中。但是要使油田用水泥浆混合达到所需要的浓度时，就必须使“游离水”的量减到最小。这就是说，要规定水泥粉末和液体的比例，从而使超过水泥粉末湿润而需要的多余水的为最小。在“游离水临界点”以上的多余的水泥粉末会产生粘滞糊团或部分湿增加而出现的，排放压力的徒然降低已成为毫无疑问的优点而不是难以克服的缺点。在可以比较的操作条件下，本发明的搅拌机所要求的输入功率仅仅为已有技术设备的一半。

本方法的另一个优点在于从标准型号中选择叶轮机型时，比在已有技术所说的机器设计中可以选择的设备具有更大的选择范围。叶轮机型可以是从“辐流式”到“混流式”等一系列机型。另外本发明还可以选用“涡流”或“凹面叶轮”机型。

本发明的再一个优点在于，本发明设备与已有技术的设备相比体积更小，造价更低。

本发明还有一个优点在于，本发明设备可用于许多油田工程项目中。因为水泥浆难于搅拌，故在前面以水泥粉末的混合搅拌来具体描述其操作过程。按已有技术而设计的搅拌机只能作为砂搅拌机，在许多情况下，它们不能拌合出满足要求的水泥浆，水泥颗粒而很容易形成粘滞糊团和胶结块，由于水泥颗粒粒径很小，故上述粘滞糊团和胶结块难于分散均匀的泥浆中。另外按已有技术而设计的搅拌机也不能搅拌胶体或聚合物溶液。溶于按已有技术而设计的设备由于在挡环叶片所形成的腔室中混合物的再循环，也能对含有很小比例的低比重的固体颗粒的混合物进行加工，但是当这个比例较高时，这些设备就会停止工作。由于本发明的搅拌机是将流入的颗粒与全部体积流量的刚形成的液体在空气-液体交界面处相接触，因此，搅拌液体的比例高且该固体颗粒的比重较低的混合物是可以实现的。

水的聚合物也难于分散在含水介质中，许多这种聚合物不能有效地分散在已含有溶解的聚合物的介质中。结果是不能使聚合物粉末与新的含水介质立即且直接接触的搅拌机，会制备出低质量的产品。本发明的搅拌机要求固体颗粒与所供给的流体按适当的固体颗粒与液体比例相接触，并且在它们经过的该设备的全部通道中维持上述比例不变。因此，本发明的搅拌机是以不同的方式来搅拌高质量的水泥、胶体或沙子。

另外，本发明最后一个优点在于本发明的搅拌机可以加工大流量的其比重小于组成该混合物的液体的比重的固体颗粒。

Claims (14)

1、一种将可泵送液体和颗粒材料搅拌的方法，其步骤包括：

(a)、使液体绕一轴旋转，从而形成了一涡旋或大气眼，处于上述液体和大气之间的该涡旋或大气眼的交接面大致与上述液体的旋转轴同轴，另外，从上述交接面到上述液体的边缘的半径处形成了一逐渐增加的径向压力梯度；

(b)、调整补给的液体压力，使该压力大于所说的旋转液体中的最小压力而小于其最大压力；

(c)、使上述补给液体流过一环形截面而进入旋转液体中，上述环形截面的内半径大于上述大气眼的半径，而其外半径小于上述旋转液体的半径；

(d)、将颗粒加入上述大气眼中，并使其通过上述交接面而进入上述补给的液体中，在那里颗粒与液体被搅拌在一起；

(e)、将上述颗粒与液体的搅拌混合物从大于所述旋转液体的半径的范围处排出。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于可通过使上述叶轮机旋转来调节所述补给液体的压力。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于在补给液体的蒸汽压力和1.5个大气绝对压力之间的绝对压力下加入补给液体。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述颗粒物质为水泥，所述液体为一种含水混合物。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述颗粒物质为一种土层结构加固剂，所述液体为一种含胶混合物。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述颗粒物质为一可溶于水的聚合物，所述液体为一含水混合物。

7、一种将可泵送液体和颗粒物质搅拌混合的方法，其步骤包括：

（a）、驱动叶轮机使液体绕一轴旋转，从而形成一涡旋，在液体和大气之间的该涡旋的交接面大致与所述叶轮机的旋转轴同轴，另外，从上述交接面到上述叶轮机的边缘的半径处形成了一逐渐增大的径向压力梯度;

（b）、在所述叶轮机的相对面处，使补给液体旋转，这样从一大于所述涡旋的半径的半径范围到大于所述涡旋面半径的十分之一的半径范围形成一逐渐减小的径向压力梯度;

（c）、将上述旋转的补给液体通过一环形入口截面送入旋转液体中，上述环形入口截面的内半径大于上述涡旋的半径，而其外半径小于上述叶轮机的半径;

（d）、将颗粒物质送入上述涡旋中，并通过所述交接面进入补给的液体中，在那里固体颗粒和补给液体被搅拌混合在一起;

（e）、将上述颗粒与液体的搅拌混合物从一包有叶轮机的壳体中排出;

（f）、使新补给的液体加到从通向上述叶轮机的液体抽吸入口来的所述补给液体中。

8、一种将液体和固体颗粒搅拌混合的设备，它包括：

（a）、一外壳体，该外壳体包括一基本呈圆形的周边壁，一顶部，一底部，一混合物排放口装置，所述排放口装置与上述壁相连，还有一固体颗粒入口通道，该入口通道设在上述外壳体顶部的中间位置，另外还有一环形液体入口装置，该液体入口装置设在上述外壳底部的中间位置;

（b）、一可旋转式叶轮机，该叶轮机设在上述壳体内，并与所述周边壁分开，叶轮机的旋转轴与所述壳体的纵轴相重合，叶轮机设有一中心开口部分和一环形开口部分，上述中心开口部分朝向固体颗粒入口孔，而环形开口部分朝向液体入口装置;

（c）、使上述叶轮机旋转的装置。

9、根据权利要求8所述的设备，其特征在于叶轮机设有延伸至所述环形液体入口装置中的叶片。

10、根据权利要求9所述的设备，其特征在于液体入口装置设有静叶片。

11、根据权利要求8所述的设备，其特征在于上述叶轮机可以是下列任何一种，即辐流式叶轮机，轴向辐流式叶轮机和混流式叶轮机。

12、根据权利要求11所述的设备，其特征在于所述叶轮机设有带回抽作用的叶片的顶部围带。

13、根据权利要求8所述的设备，其特征在于所述叶轮机可以是涡流式或凹形式叶轮机（recessed-impeller）。

14、根据权利要求8所述的设备，其特征在于所述壳体沿轴向为涡旋形。

Images