DE69014052T2 - Mischapparat. - Google Patents

Mischapparat.

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Vorrichtungen zum Mischen einer trockenen Substanz und einer Flüssigkeit, insbesondere - jedoch nicht ausschließlich - von trockenem Zement und Wasser zur Bildung einer Zementschlämme zur Verwendung in einer Erdöl- oder Erdgasbohrung.
  • Nach dem Bohren eines Erdöl- bzw. Erdgasbohrlochs wird normalerweise ein Rohrstrang, der auch als Futterrohrfahrt bezeichnet wird, in das Bohrloch abgesenkt und in diesem gesichert, um einen Nachfall zu verhindern und es zu ermöglichen, daß eine oder mehrere Einzelzonen in der geologischen Formation bzw. den Formationen, die von der Bohrung durchdrungen werden, so durchbohrt werden, daß Erdöl oder Erdgas nur von dieser Zone bzw. diesen Zonen an den Bohrlochmund fließt. Dieses Futterrohr wird normalerweise mit Zement im Bohrloch gesichert, der oberirdisch gemischt wird und durch die offene Mitte der Futterrohrfahrt und zurück im Ringraum nach oben gepumpt wird, der zwischen dem Außendurchmesser des Futterrohrs und dem Innendurchmesser des Bohrlochs vorhanden ist.
  • Die für ein bestimmtes Bohrloch zu verwendende Zementmischung muß normalerweise bestimmte Eigenschaften aufweisen, auf deren Grundlage sich die als Schlämme bezeichnete Mischung für die Umgebung des Bohrlochs eignet, in der diese verwendet werden soll. So können beispielsweise bei Bohrlöchern Unterschiede in den Abwärtsbohrloch-Drücken, Temperaturen und geologischen Formationen vorhanden sein, die verschiedene Arten von Zementschlämmen erfordern. Eine erforderliche Art von Zementschlamme, die normalerweise wenigstens teilweise durch die benötigte Dicke charakterisiert ist, wird durch Labortests und Vor-Ort-Erfahrung für eine bestimmte Aufgabe gewählt.
  • Nach erfolgter Wahl der gewünschten Zementschlämmen-Art muß diese vor Ort am Bohrloch genau hergestellt werden. Erfolgt dies nicht, können sich negative Folgen ergeben. Während des Mischprozesses wird die Schlämmendichte normalerweise durch die jeweils zugegebene Wassermenge gesteuert. Eine unzureichende Wassermenge in der Schlämme kann zu einer zu hohen Dichte führen und beispielsweise zu einem ungenügenden Volumen der in das Bohrloch eingebrachten Schlämme. Auch kann die Vollständigkeit des Mischprozesses die endgültigen Eigenschaften der Schlämme beeinträchtigen. Eine schlecht durchmischte Schlämme kann einen unzureichenden Verbund zwischen Futterrohr und Bohrloch ergeben. Ein weiteres Beispiel des Erfordernisses eines richtigen Mischens der gewählten Zementschlämme besteht darin, daß Zusätze, wie z. B. Flüssigkeitsverlust-Stoffe und Abbindeverzögerer, sofern verwendet, gleichmäßig in der Schlämme verteilt sein müssen, damit ein vorzeitiges Erhärten der Schlämme verhindert wird. Hierfür wird eine ausreichende Mischenergie im Schlämmenmischprozeß benötigt. Allgemeiner gesagt, ist es wünschenswert, eine gleichmäßige, homogene Schlämme durch den Mischprozeß zu erhalten. Dies sollte schnell erfolgen, damit überwachte Proben der Schlämme repräsentativ für das größere Volumen sind und damit trockene und nasse Stoffe völlig bzw. gründlich zum Erhalt der gewünschten Schlämme kombiniert werden.
  • Die oben genannten Zielsetzungen sind bekannt, und es sind Versuche unternommen worden, diese mit kontinuierlich mischenden Anlagen zu erreichen. Im allgemeinen mischen diese Anlagen zunächst trockenen Zement und Wasser durch einen Einlaufmischer, der in ein Gefäß austrägt, in dem ein oder mehrere Rührwerke die entstehende Mischung der Stoffe rühren. Der Vorgang ist kontinuierlich, wobei die über das Fassungsvermögen des Gefäßes hinausgehende Schlämme über ein Wehr in ein benachbartes Gefäß überfließt, in dem ebenfalls ein Rühren erfolgt, und von dem Schlämme in das Bohrloch hinuntergepumpt wird. Diese Anlagen weisen normalerweise eine Art von Umwälzung von dem einen oder anderen Gefäß zurück in den Einlaufmischer und das erste Gefäß auf, damit ein Durchschnittsbildungseffekt sowie möglicherweise eine Mischenergie erhalten wird. Ein oder mehrere Dichtemesser werden normalerweise in den Anlagen zur Überwachung der Dichte verwendet (dies ist die Vorrichtung, die das Bedienungspersonal zur Ermittlung des ZementlWasser-Verhältnisses benutzt), wobei dies die Haupteigenschaft ist, die zur Bestimmung der Art der Zementschlämme dient.
  • Obgleich diese Mischanlagen eine bedeutende Nützlichkeit aufweisen, sucht die Erdöl- und Gasindustrie heute nach Anlagen, die eine Durchmischung liefern, die besser als die mit derartigen kontinuierlichen Mischanlagen erzielbare Mischung ist. Es konnte beobachtet werden, daß die Einlaufmischer- Konfiguration bei einigen früheren Anlagen eine unangemessene Mischenergie liefert und das Mitschleppen von Luft bewirkt, anstatt dieses zu reduzieren. Übermäßiges Mitschleppen von Luft kann die Dichtemessungen negativ beeinflussen, wodurch dann die Kontrollsysteme und damit die sich ergebenden Eigenschaften der Schlämme beeinträchtigt werden. Eine unzureichende Mischung kann auch zu "Staubs treuen" (Entweichen von ungemischtem trockenem Zement aus dem Mischer) führen. Zu anderen Mängeln wenigstens einiger früherer kontinuierlicher Mischanlagen zählen die Notwendigkeit der Steuerung mehrerer Wassermischventile, und bei wenigstens einer Anlagenart drosselt eines dieser Ventile den Druck der Wasserquelle vor der Stelle, an der das Mischen erfolgt, so daß ein großer Teil der Mischenergie verlorengeht. Wenigstens ein früheres System weist ein primäres Wassereinlaßventil auf, das einen einstellbaren konischen Bereich hat, der durch im Wasser enthaltene Partikel verstopft wird.
  • Die Patentschrift US-A1947851 bezieht sich auf einen Mischapparat, der aus einem Gerät zur Herstellung einer Mischung aus einer trockenen Substanz und einer Flüssigkeit besteht und folgendes umfaßt: Durchlaufmischvorrichtung zum Mischen einer trockenen Substanz und einer Flüssigkeit, wobei diese Durchlaufmischvorrichtung einen Umwälzeinlaß, ein Gefäß mit der genannten Durchlaufmischvorrichtung darin, wobei das Gefäß oben einen größeren Querschnitt als am Boden aufweist sowie ein Rührwerk in dem genannten Gefäß und eine Umwälzvorrichtung, die an das genannte Gefäß und den genannten Umwälzeinlaß angeschlossen ist.
  • Wir haben nun einen verbesserten Mischapparat erfunden, der speziell, aber nicht ausschließlich, für das Mischen von trockenem Zement und Wasser zum Einsatz bei der Auszementierung von Bohrlöchern nützlich ist.
  • Der Mischapparat der vorliegenden Erfindung ist hauptsächlich dadurch charakterisiert, daß: die Durchlaufmischvorrichtung einen zweiten Umwälzeinlaß aufweist, der ebenfalls mit der Umwälzvorrichtung verbunden ist, das Rührwerk geneigt im Gefäß angeordnet ist, und daß die Durchlaufmischvorrichtung einen Einlaßverteiler aufweist, der die Flüssigkeit durch eine Einlaßöffnung erhält und die Flüssigkeit in einem Abwärtsstrom durch eine Austrittsöffnung leitet, und daß eine Einlaßhülse, die die trockene Substanz durch ein oberes Ende erhält und die trockene Substanz in einem abwärts gerichteten Fluß durch ein unteres Ende leitet, wobei die genannte Einlaßhülse durch den genannten Einlaßverteiler geführt ist, eine Ventilplatte konzentrisch um die genannte Einlaßhülse neben der genannten Austrittsöffnung des genannten Einlaßverteilers angeordnet ist, durch die die Flüssigkeit abwärts fließt, eine Meßblende konzentrisch um besagte Einlaßhülse neben der genannten Ventilplatte angeordnet ist, und eine Flüssigkeitsspritzvorrichtung, die neben dem genannten unteren Ende der genannten Einlaßhülse angeordnet ist und in Verbindung mit dieser sowie in Verbindung mit der genannten Meßblende steht, die so angeordnet ist, daß diese Flüssigkeit in einen abwärts gerichteten, spiralförmigen Strom leitet, die vom Abwärtsfluß vom genannten Einlaßverteiler durch die genannte Meßblende geführt wird, wie von der genannten Ventilplatte gesteuert, so daß der Abwärtsfluß der trockenen Substanz, die von der genannten Einlaßhülse geleitet wird, mit der Flüssigkeit im abwärts gerichteten spiralförmigen Strom gemischt wird.
  • Laut vorliegender Erfindung ist es möglich, einen Apparat zu erstellen, das zum Mischen von dicken Schlämmen sowie von konventionelleren Schlämmen verwendet werden kann. Auf diese Weise kann eine hohe Mischenergie mit erhöhtem Rollen der Schlämme im Gefäß mit erhöhtem Umwälzraten geliefert werden. Auch kann die vorliegende Erfindung trotz der hohen Mischenergie das Mitschleppen von Luft reduzieren.
  • Außerdem ist es laut der Erfindung möglich, erhöhte Mischraten zu erzielen und die eingegebenen trockenen Substanzen gründlicher zu benetzen, so daß nur eine geringe oder keine Staubbildung vorhanden ist.
  • In einer bevorzugten Ausführung weist die Einlaßhülse mehrere schräge angeordnete Nuten auf, mit denen die Flüssigkeitsströme, die aus den Öffnungen austreten, zu denen die Löcher passen, so leiten, daß die gerichteten Ströme einen Fluß bilden, der um die Achse der Einlaßhülse zirkuliert. Diese bevorzugte Anordnung umfaßt weiterhin einen Diffusorteil, der so an den Axialkörper angeschlossen ist, daß der zirkulierende Fluß zur Änderung von dessen Flußrichtung auf den Diffuserteil stößt.
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, worin:
  • BILD 1 eine schematische Darstellung einer Ausführung des Mischapparats der vorliegenden Erfindung ist,
  • BILD 2 eine Seitenansicht mit Teilschnitten eines Axialflußmischers des in BILD 1 gezeigten Mischapparats ist,
  • BILD 3 eine Draufsicht einer Meßblende eines Ventils des in BILD 2 gezeigten Axialflußmischers ist,
  • BILD 4 ein Seitenansichtschnitt der Meßblende entlang Linie 4-4 ist, wie in BILD 3 gezeigt,
  • BILD 5 eine Draufsicht einer Ventilplatte des Ventils des in BILD 2 gezeigten Axialflußmischers ist,
  • BILD 6 ein Seitenansichtsschnitt der in BILD 5 gezeigten Ventilplatte entlang Linie 6-6 ist,
  • BILD 7 eine Draufsicht des Wasserspritzteils des Ventils des in BILD 2 gezeigten Axialflußmischers ist,
  • BILD 8 ein Seitenansichtsschnitt des in BILD 7 gezeigten Wasserspritzteils entlang Linie 8-8 ist,
  • BILD 9 ein Seitenansichtsschnitt einer Ecke des in BILD 7 gezeigten Wasserspritzteils entlang Linie 9-9 ist,
  • BILD 10 ein Seitenansichtsschnitt eines Teils des in BILD 7 gezeigten Wasserspritzteils entlang Linie 10-10 ist
  • BILD 11 eine Draufsicht eines Diffusors des in BILD 2 gezeigten Axialmischers ist,
  • BILD 12 eine Seitenansicht der bevorzugten Ausführung des in BILD 1 schematisch dargestellten Mischapparats ist,
  • BILD 13 ein Draufsicht eines Gefäßes des in BILD 12 gezeigten Mischgefäßes ist,
  • BILD 14 eine Seitenansicht des auf einem Schlitten montierten, in BILD 12 gezeigten Gefäßes des Mischapparats ist,
  • BILD 15 eine weitere Seitenansicht des Gefäßes des in BILD 12 gezeigten, auf einem Schlitten montierten Mischapparats ist,
  • BILD 16 eine Draufsicht einer weiteren Ausführung der Ventilplatte ist, BILD 17 ein Seitenansichtsschnitt der Ventilplatte von BILD 16 ist, der entlang der Linie 17-17 laut BILD 16 genommen wurde.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführung
  • In BILD 1 ist ein Mischapparat 102 der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Der Apparat 102 erzeugt eine Mischung von wenigstens 2 einen Bestandteil bildenden Substanzen. Zur Vereinfachung bezieht sich die folgende Beschreibung als Beispiel auf das Mischen von Zement und Wasser zur Erstellung einer Schlämme für die Verwendung bei der Zementierung eines Futterrohrs in einem Bohrloch. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf derartige spezifische Substanzen oder Anwendungen beschränkt. Obwohl die bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung insbesondere für das Mischen einer trockenen Substanz und einer Flüssigkeit angepaßt ist, hat die vorliegende Erfindung daher eine breiter angelegte Nützlichkeit (wie z.B. Mischen von Flüssigkeit und Flüssigkeit oder Flüssigkeit und Gas).
  • Die wichtigsten Bauteile des Apparats 102 sind in BILD 1 veranschaulicht. Hierzu gehören eine Durchlaufmischvorrichtung 104 zum Mischen der trockenen Substanz und der Flüssigkeit in einem abwärts gerichteten spiralförmigen Strom, ein Gefäß 106, in dem die Durchlaufmischvorrichtung 104 angeordnet ist, ein Rührwerk 108, das geneigt im Gefäß 106 so angeordnet ist, daß das Rührwerk 108 bei Aktivierung die von der Durchlaufmischvorrichtung 104 erhaltene Mischung im Gefäß zirkuliert, und eine Umwälzvorrichtung 110, die an das Gefäß 106 und die Durchlaufmischvorrichtung 104 angeschlossen ist und zur Umwälzung der Mischung vom Gefäß 106 in dem abwärts gerichteten, spiralförmigen Strom innerhalb der Durchlaufmischvorrichtung 104 dient. Durch die konstruktions- und funktionsmäßige Beziehung dieser Elemente wird eine Zementschlämme 112 im Innenraum des Gefäßes 106 erzeugt. Diese Elemente werden nachstehend unter Bezugnahme auf BILD 2-15 genauer beschrieben.
  • Die bevorzugte Ausführung der Durchlaufmischvorrichtung 104 ist in BILD 2 gezeigt, und die bevorzugte Ausführung der einzelnen Bauteile hiervon sind im einzelnen in BILD 3-11, 16 und 17 gezeigt.
  • Bei der bevorzugten Ausführung ist die Durchlaufmischvorrichtung 104 ein Axialmischer, der Zement axial vom Einlaß zum Auslaß des Mischers fördert. Das heißt, daß keine Kniestücke oder Horizontalrohre vorhanden sind, durch die der Zement während der Mischung mit Wasser vor dem Eintrag in den Körper der Schlämme 112 im Gefäß 106 gefördert werden muß. Zu anderen Hauptfunktionen des Mischers 104 zählen:
  • 1. Zusetzen von Wasser durch ein einzelnes Regelventil zu losem Zement, der durch den Einlauf des Mischers eingebracht wird -vorzugsweise ist die Beziehung zwischen der Funktion des einzelnen Regelventils und der sich ergebenden Wasserdurchflußmenge linear (oder eine andere wünschenswerte Beziehung), und das Wasser sollte vorzugsweise zur Nutzung aller bzw. im wesentlichen aller verfügbaren Wasserenergie beim Mischprozeß zugesetzt werden.
  • 2. Mischen der umgewälzten Schlämme mit dem einströmenden Wasser und Zement bei erhöhten Umwälzungsraten zur effektiveren Durchmischung des frisch gemischten Zements und Wassers.
  • 3. Verringern des Mitschleppens von Luft auf ein Minimum durch Verteilen der Energie der umgewälzten und frisch gemischten Schlämme auf der Oberfläche des Schlämmenkörpers 112 im Gefäß 106.
  • 4. Verringern des Zementstaubs auf ein Minimum durch Benetzen der Staubpartikel, bevor diese aus dem Mischer austreten.
  • 5. Ausschalten der Notwendigkeit eines Wasser-Umgehungsventils. Diese Funktionen werden durch die Ausführung des in BILD 2 gezeigten Apparats 104 realisiert.
  • Unter Bezugnahme auf BILD 2 enthält die bevorzugte Ausführung der Durchlaufmischvorrichtung 104 einen Einlaßteil 114, der bei der bevorzugten Ausführung ein Einlaßverteiler für das Wasser ist. Der Einlaßverteiler 114 enthält eine ringförmige obere Platte 116, eine ringförmige Bodenplatte 118, die eine mittige Öffnung mit einem größeren Durchmesser als die mittige Öffnung von Platte 116 aufweist, und eine zylindrische Seitenwand 120, die an und zwischen den Platten 116, 118, z. B. durch Schweißen, angebracht ist. Wie in BILD 2 gezeigt, sind diese Bauteile relativ so zueinander angeordnet, daß eine axiale Öffnung 122 gebildet wird. Der untere Teil der axialen Öffnung 122 weist eine Austrittsöffnung 124 auf, durch die das vom Verteiler erhaltene Wasser vor dem Mischen mit Zement abwärtsfließt. Dieses Wasser wird durch eine Einlaßöffnung 126 erhalten, die durch eine horizontale Hülse 124 (wie in BILD 2 gezeigt) gebildet wird, die an die Seitenwand 120 angeschlossen ist und in Verbindung mit einer hierin angeordneten Öffnung 130 steht. Die Austrittsöffnung 124 steht mit der Eintritts- oder Einlaßöffnung 126 über einen ringförmigen Innenbereich 132 in Verbindung, der gebildet wird, wenn der Einlaßverteiler 114 an ein Einlaßteil 134 in der axialen Öffnung 122 angeschlossen wird, wie in BILD 2 gezeigt. Der Einlaßverteiler 114 und der Einlaßteil 134 sind, z. B. durch Schweißen, miteinander verbunden.
  • Der Einlaßteil 134 ist eine Hülse mit einer zylindrischen Wand 136, die einen axialen Durchgang 138 zwischen dem oberen und unteren (laut Ausrichtung in BILD 2) Ende 140, 142 der Hülse 134 bildet. Das obere Ende 140 kann an ein konventionelles Massenzementventil (nicht gezeigt) angeschlossen werden, so daß die Hülse 134 Zement durch das obere Ende 140 erhält und diesen in einem abwärts gerichteten Fluß durch das untere Ende 142 leitet. Insbesondere ergibt die Hülse 134 eine gerade Fließbahn für den Zement zwischen dem Auslaß des Zementventils und dem Auslaß der Hülse 134, wo der Zement in ein Ventil 144 der Durchlaufmischvorrichtung 104 eintritt.
  • Das Ventil 144 dosiert das Wasser, das mit dem trockenem Zement zu mischen ist, der aus der Einlaßhülse 134 austritt. Das Ventil 144 enthält eine Meßblende 146, eine Ventilplatte 148 und eine Vorrichtung 150 zum Einspritzen von Flüssigkeit (insbesondere Wasser bei dem Beispiel der vorliegenden Beschreibung) in das Zementgemisch. Die Meßblende 146 einer bestimmten Konstruktion enthält achtzehn Blenden oder Löcher, und die Ventilplatte 148 ist so konstruiert, daß diese erst sechs der achtzehn Löcher öffnet und dann zusätzliche weitere sechs Löcher, wenn die Ventilplatte 148 weitergedreht wird, und schließlich werden die letzten sechs Löcher bei einer weiteren Drehung geöffnet. Hierdurch ergibt sich eine maximale Lochabmessung oder ein maximaler Durchgangsdurchmesser für eine gegebene Durchflußmenge im Vergleich zu einer Anlage, bei der der gesamte Durchgang möglicherweise gleichzeitig geöffnet wird. Diese gesteuerte Öffnung ist wichtig für den Durchgang von Verunreinigungen, die die Dosieröffnungen blockieren können.
  • Das Mischwasser fließt bei seinem Austritt aus der Meßblende 146 in axialer Richtung und wird anschließend gewendet und zum Zementstrompfad gerichtet, der von der Hülse 134 kommt. Diese Wendung der Wasserflußrichtung wird durch die Spritzvorrichtung 150 hervorgerufen, die in der bevorzugten Ausführung Nuten aufweist, die mit den Öffnungen der Meßblende 146 übereinstimmen. Auf diese Weise ändert die Spritzvorrichtung 150 die Richtung des Mischwassers von axial abwärts auf leicht tangential und abwärts. Hierdurch wird eine abwärts gerichtete, spiralförmige Flüssigkeitssäule geschaffen, die um eine offene Mitte oder Iris zirkuliert. Bei einer bevorzugten Ausführung sind die jeweiligen Tiefen der Nuten der Spritzvorrichtung 150 so gestuft, daß bei hohen Durchflußmengen ein Rückfluß aufwärts im Durchgang 138 verhindert wird.
  • Unter Bezugnahme auf BILD 3 und 4 hat die Meßblende 146 einen Ringraumteil 152 mit einer mittigen Öffnung 153, die eine innere Peripherie 154 aufweist, um die die Öffnungen angeordnet sind. Die Öffnungen der bevorzugten Ausführung weisen drei Sätze von Öffnungen 156a, 156b und 156c unterschiedlicher Größe auf. Jeder Satz umfaßt sechs Öffnungen gleicher Größe. Bei der gezeigten Ausführung haben die Öffnungen 156a den kleinsten Durchmesser, die Öffnungen 156b einen größeren und die Öffnungen 156c den größten Durchmesser der drei Sätze. Diese sind der Reihe nach und in gleichen Abständen um die innere Peripherie 156 angeordnet, wie am besten in BILD 3 zu sehen. Die Öffnungen können die gleiche Größe oder verschiedene Größen aufweisen und anders angeordnet sein.
  • An der inneren Peripherie 154 ist außerdem eine Kerbe oder ein Ansatz angeordnet, der durch eine ringförmige Fläche 158 und eine angrenzende, senkrecht verlaufende zylindrische Fläche 160 definiert ist.
  • Der Ringteil 152 hat auch eine Außenperipherie 162, durch die Löcher 164 gebohrt sind. Die Löcher 164 dienen zur Aufnahme von Befestigungsschrauben, von denen zwei in BILD 2 gezeigt sind, die die Bezugsnummer 166 aufweisen und durch Distanzstücke 186 geführt sind.
  • Wenn die Meßblende 146 mit den Befestigungsschrauben 166 mit dem Einlaßverteiler 114 verbunden wird, werden die Öffnungen 156 unterhalb der Austrittsöffnung 124 des Einlaßverteilers 114 angeordnet. Die Meßblende 146 ist außerdem auch konzentrisch zur Einlaßhülse 134 angeordnet. Wie auf BILD 2 gezeigt, stößt das untere Ende 142 der Hülse 134 an der inneren Peripherie 154 der Meßblende 146 an die ringförmige Fläche 158 an. Dadurch ist der Einsatz eines Dicht rings 168 zur Abdichtung gegen die zylindrische Fläche 160 der Meßblende 146 möglich, wie in BILD 2 veranschaulicht. Außerdem wird die Meßblende dadurch auch darunter und neben der Ventilplatte 148 angeordnet.
  • Die konzentrische Anordnung der Ventilplatte 148 zur Einlaßhülse 134 neben der Austrittsöffnung 124 des Einlaßverteilers 116 ist in BILD 2 gezeigt. Die Ventilplatte 148 ist schwenkbar an der Meßblende 146 befestigt, so daß die Stellung, in die die Ventilplatte 148 geschwenkt wird, bestimmt, welche Öffnungen 156 zum Durchlassen von Flüssigkeit geöffnet sind. Die Gesamtkonstruktion der Ventilplatte 148 ist deutlicher in BILD 5 und 6 gezeigt. Anhand dieser Zeichnungen ist offensichtlich, daß die bevorzugte Ausführung der Ventilplatte 148 einen Ring 170 aufweist, von dem sich ein Betätigungsarm 172 radial nach außen erstreckt. Der Arm 172 kann durch eine geeignete (nicht gezeigte) Betätigungsvorrichtung eingerückt werden.
  • Der Ring 170 weist eine Außenperipherie auf, von der der Arm 172 ausgeht. Der Ring 170 weist auch eine mittige Öffnung 173 auf, die eine innere Peripherie hat, die eine gekerbte oder gezahnte Konfiguration aufweist, wie am deutlichsten im BILD 5 zu sehen. Diese Konfiguration weist einen Satz Zähne 174a, einen Satz Zähne 174b und einen Satz Zähne 174c auf. Jeder dieser Zähne in dem entsprechenden Satz hat die gleiche Breite, und die Breite jedes der Zähne 174c ist größer als die Breite jedes der Zähne 174b. Jeder Zahn 174b weist eine Breite auf, die größer als die Breite jedes der Zähne 174a ist. Diese Bemessung entspricht der unterschiedlichen Größe der Öffnungen 156a, 156b, 156c der Meßblende 146 und der gewünschten Abfolge für das Öffnen der Öffnungen 156a, 156b, 156c. Wenn das Wasserdosierventil 144 voll geschlossen ist, überlagert daher jeder Zahn 174a eine entsprechende Öffnung 156a, überlagert jeder Zahn 174b eine entsprechende Öffnung 156b und jeder Zahn 174c eine entsprechende Öffnung 156c. Diese Stellung wird durch Schwenken der Ventilplatte 146 nach oben erreicht, wie in BILD 5 gezeigt, bzw. nach innen, wie aus BILD 2 hervorgeht. Die jeweilige Schraube 166, die hinter der rechten Schraube 166 laut Abbildung 2 liegt, begrenzt die Drehung der Ventilplatte 148 in dieser Richtung. Die Öffnungssätze 156a, 156b, 156c werden fortschreitend geöffnet, wenn der Betätigungsarm 172 der Ventilplatte 148 im Uhrzeigersinne auf die in BILD 5 gezeigte Ausrichtung gedreht wird oder aus dieser Position heraus zur Ausrichtung, wie in BILD 2 gezeigt. Diese Drehrichtung wird begrenzt, wenn der Betätigungsarm gegen die rechte Schraube 166 anstößt, wie in BILD 2 gezeigt. Eine der Öffnungen 156a, 156b, 156c wird geöffnet, wenn eine entsprechende Öffnung oder ein entsprechender Platz 176a, 176b, 176c zwischen den Zähnen 174a, 174b, 174c die entsprechende Öffnung der inneren Peripherie der Meßblende 146 überlagert bzw. mit diesen übereinstimmt. Auf diese Weise stellen diese Elemente der Ventilplatte 148 eine Möglichkeit gleichzeitigen Öffnen der Löcher 156a, 156b, 156c eines jeweiligen Satzes als Reaktion auf die Schwenkung der Ventilplatte 148 dar. Bei der bevorzugten Ausführung ist die Abfolge der Öffnung dieser Löcher so, daß eine Überlappung entsteht. So beginnt sich beispielsweise der Öffnungssatz 156b zu öffnen, bevor der Öffnungssatz 156a voll geöffnet ist. Durch diese Überlappung wird der Durchflußbereich in Bezug auf die jeweilige Stellung viel weicher, und er kann nach Bedarf so eingerichtet werden, daß eine fast geradlinige Reaktion erzielt werden kann.
  • Innerhalb des Körpers von Ring 170 sind zwei Nuten 178, 180 vorhanden. Nut 178 ist in einer Fläche des Rings 170 gegenüber der Meßblende 146 angeordnet, und Nut 180 ist in einer Fläche des Rings 170 gegenüber bzw. von der Meßblende 146 hinweg angeordnet. Diese werden mit Dichtungen (z. B. mit O-Ringen) 182 bzw. 184 versehen, wie in BILD 2 gezeigt, um eine Abdichtung gegen die obere Fläche der Meßblende 146 bzw. der unteren Fläche des Einlaßverteilers 114 zu bilden. Die Dichtungsnut 180 weist einen größeren Durchmesser als die Nut 178 auf, und daher erfaßt die Nut 180 eine größere Fläche der Ventilplatte 148 als die Nut 178. Der Druck, der während des Betriebs vorhanden ist, wirkt auf die größere Oberfläche von Ventilplatte 148, die mit der Dichtung 184 abgedichtet ist, um einen Vordruck auf Platte 148 nach unten gegen die Meßblende 146 auszuüben, wodurch Lecks zwischen Meßblende 146 und Ventilplatte 148 auf ein Minimum reduziert werden.
  • Die Ventilplatte 148 wird durch die konzentrische Anordnung zur Einlaßhülse 134 in Position gehalten. Dadurch bleiben die Öffnungen 153 (Meßblende 146) und 173 (Ventilplatte 148) ausgerichtet. Jedoch kann dadurch die Ventilplatte 148 relativ zur Meßblende 146 verschoben werden, so daß die Öffnungen 176 der Ventilplatte 148 wählbar auf die Öffnungen 156 der Meßblende 146 eingestellt werden können, um den Fluß des Wassers zu steuern, das von der Austrittsöffnung 124 des Einlaßverteilers 114 zum Mischen mit dem Zement empfangen wird, der axial durch den axialen Durchgang 138 der Einlaßhülse 134 bezogen wird.
  • In BILD 16 und 17 ist eine weitere Ausführung der Ventilplatte gezeigt, die hier mit der Bezugsnummer 148A bezeichnet werden soll. Die Ventilplatte 148A weist die gleichen Merkmale wie die Ventilplatte 148 auf, wie durch die Verwendung derselben Bezugsnummern angedeutet ist. Jedoch enthält der Ring 170 der Ventilplatte 148A zwei trennbare Elemente. Bei dem einen Element handelt es sich um eine ringförmige äußere Stütze 278, von der der Betätigungsarm 172 ausgeht. Die Stütze 278 wird vorzugsweise aus einem geeigneten Metall hergestellt, wie die gesamte Ausführung der vorher beschriebenen Ventilplatte 148. Bei dem anderen Element handelt es sich um einen ringförmigen Einsatz 280, der innerhalb der Stütze 278 so angeordnet ist, daß der Einsatz 280 eine Dichtung gegen die Meßblende 146 als Reaktion auf den Druck herstellt, wenn eine Substanz durch Ventil 144 fließt. Der Einsatz 280 wird vorzugsweise aus einem geeigneten Werkstoff, wie z. B. einem geeigneten Kunststoff, hergestellt, der Erosion und Korrosion von Substanzen widersteht, die durch Ventil 144 fließen, und der wenigstens eine gewisse Verformung zur Abdichtung gegen die Fläche der Meßblende 146 bietet, wenn ein Fluß durch Ventil 144 vorliegt. Dies ist bevorzugt, weil an der inneren Peripherie von Ring 170 verwendetes Metall Erosion oder Korrosion unterliegen kann und weil außerdem ein MetalllMetall-Kontakt zwischen der Meßblende 146 und der Ventilplatte 148 möglicherweise nicht eine gewünschte Abdichtung bietet.
  • Der Einsatz 280 liegt an der Innenperipherie von Ring 170, in dem die Zähne 174 und die Öffnungen 176 angeordnet sind. Der Einsatz 180 selbst weist eine Außenperipherie auf, von der die Vorsprünge 282 ausgehen. Diese werden lösbar in Rücksprüngen 284 aufgenommen, die an der inneren Peripherie der äußeren Stütze 278 angeordnet sind. Diese bilden Zapfenverbindungen, die den Einsatz 280 so halten, daß dieser in Reaktion auf die Drehung der Stütze 278 rotiert, die jedoch zulassen, daß Einsatz 280 linear in Relation zur Stütze 278 getrennt verschiebbar ist (d. h. der Einsatz 280 kann aus den Verbindungen "herausgedrückt" und von der Stütze 278 befreit werden, wenn das Ventil 144 zerlegt wird).
  • Die oben beschriebene Meßblende 146 und die Ventilplatte 148 (oder 148A) sind in der bevorzugten Ausführung so ausgelegt, daß sie ein Ventil liefern, durch das Flüssigkeit bei verschiedenen Strömungsmengen mit einer konstanten Geschwindigkeit geführt werden kann. In diesem Zusammenhang bedeutet "konstante Geschwindigkeit" nicht, daß absolut keine Geschwindigkeitsdifferenz vorliegt, sondern der Begriff umfaßt auch kleine Geschwindigkeitsunterschiede, die für den praktischen Zweck, dem diese Erfindung dient, nicht weiter signifikant sind. Bei dem Beispiel des Zementmischens in der Erdöl- und Erdgasumgebung, auf die hier Bezug genommen wird, kann eine Konstruktion, die beispielsweise eine Geschwindigkeit innerhalb von 5 % der Nenngeschwindigkeit erreicht, als eine Ausführung angesehen werden, die "eine konstante Geschwindigkeit" erreicht. Eine Gleichung, mit der der Durchfluß durch eine Meßblende definiert wird, ist Q-KA P, wobei Q die Strömungsmenge (Fuß³/Minute, 1 ft³=0,028 m³), K eine konstante (Austragskoeffizient), A die Querschnittsfläche des Stroms (Fuß 2, 1 ft²=0,093 m²) und P der Differenzdruck ist. Bei einer Zentrifugalpumpe, die Wasser durch Ventil 144 der bevorzugten Ausführung pumpt, kann der Faktor P als im wesentlichen konstant angesehen werden. Die Pumpe könnte so gesteuert werden, daß ein Konstantdruck beibehalten wird, doch wird dies bei der bevorzugten Ausführung von Ventil 144 nicht für erforderlich gehalten, weil die Wirkung der Istdruck- Änderung in der Praxis nicht als signifikant angesehen wird. Außerdem kann eine erwartete Druckschwankung bei der Bemessung der Öffnungen 156 berücksichtigt werden. Demgemäß zeigt eine Umstellung der obigen Gleichung zu Q/A = K P, daß die Geschwindigkeit (Q/A) für eine praktische Realisierung der bevorzugten Ausführung konstant (K P) ist. Durch den Entwurf der Zahl der Öffnungen 156 der Meßblende 146 liefern die Öffnungen 156, die für den Fluß geöffnet werden, einen Durchflußquerschnitt An, der eine resultierende Strömungsmenge Qn ermöglicht, so daß Qn/An - konstant ist. Das bedeutet, daß die Meßblende 146 eine Vorrichtung zur Lieferung eines wählbaren Querschnitts ist, durch den eine Substanz kontrollierbar geführt wird, und daß die Ventilplatte 148 (148A) eine mit der Blendenvorrichtung verbundene Einstellungsvorrichtung ergibt, die das Öffnen der Querschnitte An durch die Blendenvorrichtung ermöglicht, wobei die Querschnitte Durchflüsse der Substanz mit jeweiligen Strömungsmengen Qa zulassen, so daß die Substanz mit einer konstanten Geschwindigkeit Qn/An durch Ventil 144 fließt.
  • Wie in BILD 2 gezeigt, ist die Flüssigkeitsspritzvorrichtung 150 nahe am unteren Ende 142 der Einlaßhülse 134 angeordnet, und sie steht in Verbindung mit der Meßblende 146. Die Flüssigkeitsspritzvorrichtung 150 leitet Wasser in einen zirkulierenden Fluß, das vom abwärts gerichteten Strom vom Einlaßverteiler 114 so durch die Meßblende 146 geführt wird, daß der Abwärtsfluß des Zements von der Einlaßhülse 134 mit dem Wasser in dem zirkulierenden Fluß gemischt wird.
  • Bei der bevorzugten Ausführung der in BILD 2 und 7-10 gezeigten Spritzvorrichtung wird der zirkulierende Fluß durch die Konstruktion der Spritzvorrichtung 150 verursacht, die einen Axialkörper 188 aufweist, der mit mehreren Nuten zum Richten der Wasserströme versehen ist, die aus den Öffnungen 156 austreten, mit denen die Öffnungen 176 der Ventilplatte 148 so ausgerichtet sind, daß die gerichteten Flüsse einen Strom bilden, der um eine Achse 190 des Axialkörpers 188 zirkuliert. Die Achse 190 ist so mit der Achse der Einlaßhülse 134 ausgerichtet, daß der Axialkörper 188 koaxial in Bezug zur Einlaßhülse 134 steht. Diese Beziehung wird beibehalten, und der Axialkörper 188 ist mit der vorher beschriebenen Durchlaufmischer-Baugruppe 104 mit Hilfe eines Sicherungsbunds 192 verbunden, das einen Flansch 194 aufweist, der mit einem O-Ring 195 versehen ist, und durch den die Sicherungsschrauben 166 geführt sind, wie in BILD 2 gezeigt.
  • Der Axialkörper 188 der bevorzugten Ausführung ist eine Flanschhülse, bei der der Flansch von Bund 192 gehalten wird, wie in BILD 2 gezeigt. Die Hülse weist eine Innenfläche 196 auf, in der mehrere Nuten am Flanschende der Hülse der Spritzvorrichtung angeordnet sind, die am unteren Ende 142 der Einlaßhülse 134 befestigt ist, von wo die Hülse bzw. der Axialkörper 188 eine Verlängerung bildet. Die Fläche 196 bildet einen axialen Durchgang durch die Hülse 188. Die Hülse ist an den übrigen Teil des Ventils 144 so angeschlossen, daß dieser axiale Durchgang mit den mittigen Öffnungen 153, 173 der Meßblende 146 und der Ventilplatte 148 ausgerichtet ist.
  • Die auf der Innenfläche 196 angeordneten Nuten weisen drei Größen und Ausrichtungen auf, die jeweils den Öffnungen 156a, 156b, 156c entsprechen, die die Nuten überlagern, mit diesen ausgerichtet und auf diese abgestimmt sind. Die Nuten dieser drei Sätze sind jeweils durch die Bezugszahlen 198a, 198b, 198c gekennzeichnet. Die Form dieser Nuten ist deutlicher in BILD 8-10 gezeigt. Jede der Nuten ist in einem Winkel zu einem Radius der zylindrischen Form des Axialkörpers gebildet. Jede Gruppe 198 ist in einem Abwärtswinkel von einer halbkreisförmigen Öffnung am oberen Teil schräge zur Achse 190 angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführung sind die Nutentiefen in aufeinanderfolgenden Sätzen gestuft, wobei jede der drei Nuten eines Satzes eine unterschiedliche Tiefe aufweist (z. B. der Reihe nach tief, tiefer am tiefsten). Bei hohen Durchflußmengen wird hierdurch ein Rückstrom aufwärts in den Durchgang 138 verhindert.
  • Als Ergebnis der Ausrichtung der Nuten 198 wird das von den Nuten empfangene Wasser nicht direkt abwärts gewinkelt oder entlang Achse 190 geführt. Stattdessen wird das Wasser in einem Winkel gerichtet, der mit den Pfeilen 200a, 200b, 200c in BILD 7 angezeigt ist. Das Ergebnis dieser Richtung des Wassers in einem Winkel besteht darin, daß ein abwärts gerichteter spiralförmiger Fluß erzeugt wird, wie mit dem Pfeil 202 in BILD 7 angezeigt. Hierdurch wird ein Hohlraum 204 um die Achse 190 gebildet, der manchmal auch als Iris bezeichnet wird.
  • Als Ergebnis der oben beschriebenen Konstruktion und Funktion der Meßblende 146, Ventilplatte 148 und Flüssigkeitsspritzvorrichtung 150 weist das Ventil 144 eine verminderte Tendenz zur Verstopfung durch Partikel im Mischwasser auf, es hat eine relativ kurze Ansprechzeit beim Öffnen und kann zur Erzielung verschiedener Verstärkungen mit Hilfe der verschiedenen Öffnungsgrößen in der Meßblende 146 entsprechend angestimmt werden. Diese Konstruktion und Funktion ermöglicht auch eine Einzelquelle für die Wasserkontrolle, wodurch eine leichtere manuelle oder automatische Regelung möglich ist (d. h. für die Wasserkontrolle braucht lediglich die Ventilplatte 148 betätigt zu werden). Außerdem wird eine höhere Wasserenergie von Pumpen der gleichen Größe, die bei früheren Anlagen verwendet wurden, geliefert. Der in der Spritzvorrichtung 150 gebildete abwärts gerichtete spiralförmige Fluß, in dem eine offene Iris gebildet wird, trägt zur Trennung mitgeschleppter Luft aus dem WasserlZement-Gemisch und zum Aufbrechen des Zements bei.
  • Wie weiter in bild 2 gezeigt, enthält der Durchlaufmischer 104 auch wenigstens zwei Umwälzeinlässe 206, 208, die im wesentlichen einander gegenüber und schräge zur gleichen Richtung hin wie die Wasserspritznuten 198 der Spritzvorrichtung 150 angeordnet sind. Das bedeutet, wie in BILD 2 veranschaulicht, daß die Einlässe 206, 208 Hülsen sind, die in einer Abwärtsrichtung und in einem leicht tangentialen Winkel zur Erzeugung eines kreisförmigen Strömungsbildes angeordnet sind. Wenn eine Umwälzflüssigkeit durch die Umwälzeinlässe 206, 208 fließt, tritt die Umwälzflüssigkeit daher in den zirkulierenden Fluß unterhalb der Einspritzvorrichtung 150 in Zirkulationsrichtung ein. Die Umwälzeinlässe 206, 208 sind mit einem Umhüllungskörper oder Gehäuse 210, wie in BILD 2 gezeigt, mit dem Axialkörper 188 der Spritzvorrichtung 150 verbunden. Der Umhüllungskörper 210 erstreckt sich bis unter die Spritzvorrichtung 150.
  • Durch die Verwendung von wenigstens zwei Umwälzeinlässen ist es möglich, daß ein sehr viel größeres Schlämmenvolumen mit der gleichen Pumpengröße, wie bei früheren Anlagen verwendet, umgewälzt werden kann. So beträgt beispielsweise eine typische maximale Umwälzmenge bei einer früheren Anlage unter Verwendung einer bestimmten Pumpenart 128-1600 dm³ je Minute (8-10 Barrels je Minute), während bis zu etwa 4000 dm³ je Minute (25 Barrels/Minute) in einer bestimmten Realisierung der vorliegenden Erfindung unter Verwendung derselben Pumpenart erzielt werden können. Das erhöhte Volumen und die gesteigerte Durchflußmenge liefern eine größere Mischenergie im axialen Durchlaufmischer, wodurch Benetzung und Aufbrechen des trockenen Materials verbessert werden. Es ist außerdem möglich, den Inhalt des Gefäßes 106 schneller zu rollen, um die ältere Schlämme mit der neuen Mischung zu durchmischen, so daß ein homogeneres Produkt entsteht. Die Vorrichtung ermöglicht auch die Umwälzung dickerer Schlämmen, die bekanntermaßen den einzelnen Umwälzeinlaß bei früheren Anlagen verstopfen können. Außerdem liefert eine schnellere Umwälzung eine schnellere Dichtemeßreaktion (durch schnellere Probenahme beim Inhalt des Gefäßes).
  • Die Durchlaufmischvorrichtung 104 umfaßt weiter eine Diffusorvorrichtung 212 zur Verteilung des zirkulierenden, abwärts gerichteten Spiralstroms unterhalb des Umhüllungskörpers 210 am Boden des Mischers 104. Der zirkulierende Fluß wird durch Berühren der Diffusorvorrichtung verteilt, wodurch der Strom die Flußrichtung ändert. Die Diffusorvorrichtung 212 ist ein Teil, der eine unterlegscheibenförmige oder ringförmige Platte 214 aufweist, mit der mehrere Umlenkbleche 216 verbunden sind. Jedes dieser Umlenkbleche 216 weist eine konkave Oberfläche 218 zum Empfangen des zirkulierenden Flusses und Ändern der Richtung dieses Flusses auf. Die Umlenkbleche 216 sind mit der ringförmigen Platte 214 in gleichmäßig angeordneten Abständen verbunden, wie am besten in BILD 11 erkennbar. Obgleich nicht gezeigt, kann die Diffusorvorrichtung 212 eine obere Platte zur Verhinderung oder Minderung von vertikalem Spritzen aufweisen.
  • Die Diffusorvorrichtung 212 ist durch den Umhüllungskörper 210 mit dem Axialkörper 188 der Spritzvorrichtung 150 verbunden, und eine Einstellvorrichtung zur Einstellung des Abstands der Diffusorvorrichtung 212 ist unterhalb des Umhüllungskörpers 210 angeordnet. Wie in BILD 2 gezeigt, weist die Einstellvorrichtung mehrere Stangen 220 auf. Das untere Ende der Stangen 220 ist jeweils an der Diffusorvorrichtung 212 befestigt. Das obere Ende der Stangen ist verschiebbar in mit Daumenschrauben versehenen Halterungen 222 am unteren Ende des Umhüllungskörpers 210 befestigt. Die Einstellvorrichtung ermöglicht eine Einstellung der Diffusorvorrichtung 212 zur Oberfläche des Schlämmenkörpers 112, wenn die Durchlaufmischvorrichtung 104 auf dem Gefäß 106 angeordnet wird, wie in BILD 1 gezeigt.
  • Der Außendurchmesser der Diffusorvorrichtung 212 ist größer als der Durchmesser des Umhüllungskörpers 210. Die Diffusorvorrichtung 212 weist ein Loch 223 in der Mitte auf, das etwa die gleiche Größe wie das Zementförderventil aufweist. Die Umlenkbleche oder Flügel 216 sind so in einer Richtung angeordnet, daß die Rotationsrichtung der Schlämme beim Verlassen des unteren Gehäuses des Mischers, wie vom Umhüllungskörper 212 gebildet, umgedreht wird, wodurch die Energieverteilung unterstützt wird.
  • Die Diffusorvorrichtung 212 verteilt Energie auf der Oberfläche des Körpers der Schlämme 112, wenn das Gefäß 106 bis zur vollen Betriebskapazität gefüllt ist. Diese Energieverteilung trägt zur Minderung des Mitschleppens von Luft bei. Bei einer bestimmten Realisierung wurde das Mitschleppen von Luft um etwa 50 bis 90 % relativ zur Luftmitschleppung reduziert, die in einem früheren System anzutreffen war. Durch das Auftreffen der Schlämme auf die Diffusorvorrichtung 212 wird außerdem auch das Mischen durch Aufbrechen von Klumpen trockenen Materials, das vorher benetzt wurde, unterstützt. Aufgrund der Turbulenz wird auch ein zusätzliches Mischen verursacht. Das Mischen wird weiter durch das Ziehen (Herausführen) der Schlämme aus dem Bereich unterhalb des Diffusors durch Loch 223 und Mischen dieser Schlämme mit der neuen Schlämme im Flügelbereich des Diffusors verbessert.
  • Wenn während des Betriebs der Durchlaufmischvorrichtung 104 Zement durch Schwerkraft durch die Einlaßhülse 134 zugeführt wird, trifft dieser zunächst auf die Hochgeschwindigkeits-Mischwasserstrahlen, die in der Spritzvorrichtung 150 erzeugt werden. Der Fluß des Mischwassers wird durch die Funktion der einzelnen Ventilplatte 148 gesteuert. Auch bei niedrigen Wassergeschwindigkeiten wird der größte Teil des Durchganges durch den Axialkörper 188 der Spritzvorrichtung 150 vom Mischwasser bedeckt. Daher ist es schwierig, daß Zement den anfänglichen Mischwasserteil durchläuft, ohne von Wasser benetzt zu werden. Die am Ende des Axialkörpers 188 der Spritzvorrichtung 150 aus tretende Mischung von Zement und Wasser wird von den Strahlen der umgewälzten Schlämme getroffen, die aus den Umwälzeinlässen 206, 208 strömen. Durch diese Zwei-Stufen-Hochgeschwindigkeitsmischung wird die im Umhüllungsgehäuse 210 abwärts zirkulierende Schlämme gründlich durchmischt und homogen.
  • Bei einer bestimmten Ausführung ist die Diffusorvorrichtung 212 etwa 12,7 cm unterhalb des Umhüllungsgehäuses 210 angeordnet, wobei die Diffusorvorrichtung 212 etwa 5,1 cm in den Schlämmenkörper 112 eintaucht, wie in BILD 1 gezeigt. Wenn die Schlämme das Umhüllungsgehäuse 210 verläßt, weist diese ein abwärts gerichtetes und leicht spiralförmiges Strömungsbild auf.
  • Diese Flüssigkeit trifft auf die Diffusorvorrichtung 212 und die Gefäßflüssigkeit auf und wird nach außen in die Flügel oder Umlenkbleche 216 umgelenkt. Die Umlenkbleche 216 drehen die Flußrichtung vom Uhrzeigersinn in den Gegenuhrzeigersinn (bei der veranschaulichten Ausführung) um, wodurch zur Energieverteilung beigetragen wird.
  • Es wird angenommen, daß folgendes zu den mit der Durchlaufmischvorrichtung 104 erzielten Vorteilen und zu den Gründen hierfür zählt:
  • 1. Nutzung aller vorhandenen Wassermischenergie. Dies wird durch das neuartige Wasserdosierventil 144 erzielt, das die Meßblende 146, die Ventilplatte 148 und die Wasserspritzvorrichtung 150 enthält;
  • 2. Erhöhte Vollständigkeit des Durchmischungsprozesses im Mischer, bevor die Mischung in das Gefäß 106 eintritt. Dies ergibt sich daraus, daß alle Mischwasserenergie eingefangen wird, daß das Mischwasser den Zementflüßpfad bedeckt, daß die umgewälzte Flüssigkeit den frisch gemischten Zement kreuzt, daß die Umwälzgeschwindigkeit erhöht wird und daß die Mischung auf die Diffusorvorrichtung 212 auftrifft;
  • 3. Verringertes Mitschleppen von Luft. Dies wird dadurch erzielt, daß verhindert wird, daß die Mischung gerade abwärts durch den Mischer in das Gefäß 106 gespritzt wird;
  • 4. Verminderte Staubbildung. Dies wird dadurch erreicht, daß die Mischung den Umhüllungskörper 210 vorhangartig verläßt, so daß ausgetriebene Luft und Staub den Vorhang durchdringen müssen, um nach draußen zu gelangen, wodurch diese vor dem Entweichen benetzt werden;
  • 5. Keine Verwendung von Wasserumgehungsventilen nötig. Dies wird dadurch erreicht, daß eine angemessene Wasserdurchflußmenge über das Wasserdosierventil 144 geliefert wird;
  • 6. Verminderter oder verhinderter Aufbau von Zement in der Durchlaufmischvorrichtung 104. Dies wird durch Kombinieren der Axialkonstruktion mit hohen Umwälzmengen und hoher Energie erreicht.
  • Das Gefäß 106 der bevorzugten Ausführung, in dem der Mischer 104 montiert ist, hat die in BILD 12-15 veranschaulichte Form. Diese Form weist oben oder am Einlauf eine Querschnittsfläche auf, die größer als die Querschnittfläche am Boden des Gefäßes 106 ist. Eine größere Fläche im oberen Teil trägt zum Austreiben mitgeschleppter Luft bei, und eine kleinere Fläche am Boden ermöglicht eine schnellere Reaktionszeit beim Umkehren der Schlämme und Formen der Schlämme zu einer homogenen Mischung.
  • Wie in BILD 12-15 gezeigt, wird die größere Fläche im oberen Teil des Gefäßes 106 über eine ausreichende Höhe des Gefäßes 106 beibehalten, so daß hier der untere Teil des Mischers 106 aufgenommen werden kann, der an zwei Montagehalterungen 224, 226 montiert ist, wie in BILD 12 gezeigt. Über diese Höhe weist das Gefäß 106 zwei gebogene Enden 228, 230 auf, die mit zwei geraden Seitenteilen 232, 234 verbunden sind (BILD 13).
  • Unterhalb der soeben beschriebenen konstanten Querschnittsfläche befindet sich ein sich verjüngender Teil 236, an dessen Boden ein Auslaßventil 238 (BILD 1) angeschlossen ist. Die Auslaßleitung vom Gefäß 106 wird in BILD 12 mit einer gestrichelten Linie 240 dargestellt.
  • Das Gefäß 106 kann auf verschiedene Arten verwendet werden, wie auf dem Fachgebiet bekannt. Wie in BILD 14 und 15 veranschaulicht, besteht eine Möglichkeit der Montage des Gefäßes auf einem unten angeordneten Schlitten 242, mit dem das Gefäß 106 auf einem (nicht gezeigten) Anhänger mit Rädern montiert werden kann.
  • Unter Bezugnahme auf BILD 12 wird die bevorzugte Ausführung des Rührwerks 108 des Mischgefäßes 102 beschrieben. Das Rührwerk 108 ist mit einer Montagehalterung 244 am Gefäß 106 in einer schrägen Anordnung befestigt, wie auf den Zeichnungen gezeigt. Das bedeutet, daß Halterung 244 das Rührwerk 108 so hält, daß dessen Rotationsachse 246 weder parallel noch senkrecht zu einer Achse 248 des Gefäßes 106 ist.
  • Auf der Halterung 244 ist ein hydraulischer Antriebsmotor 250 montiert, mit dem eine Abtriebswelle 252 über eine flexible Antriebskupplung 254 verbunden ist. An die Welle 252 ist ein Paddel 256 angeschlossen. Die Welle 252 läuft in einem gegenüber der Kupplung 254 angeordneten Lager, das über eine Halterung 260 an der Seitenwand des sich verjüngenden Teils 236 des Gefäßes 106 befestigt ist.
  • Das Paddel 256 einer bestimmten Ausführung weist einen Durchmesser von 55,9 cm (22 Zoll) im Vergleich zum Durchmesser eines konventionelleren Paddels von 30,5 cm (12 Zoll) auf, das bei einer oder mehreren früheren Anlagen eingesetzt wird. Das Paddel mit dem größeren Durchmesser der vorliegenden Erfindung ermöglicht es in Verbindung mit dem Drehmoment, das von dem Motor 250 erzeugt werden kann, daß auch Schlämmen mit höherer Viskosität mit der vorliegenden Erfindung gerührt werden können. Das Rühren, das normalerweise auftritt, umfaßt ein Strömungsbild innerhalb des Schlämmenkörpers 112, das mit den Pfeilen in BILD 1 veranschaulicht ist. Dieses ergibt sich aus der Wirkung des Paddels 256 in Verbindung mit einem Umlenkblech 262 und der ankommenden Mischung, die vom Mischer 106 empfangen wird. Die in BILD 1 gezeigte Zirkulation zeigt, daß die vorliegende Erfindung eine hohe Rollwirkung zur gründlichen Durchmischung des Schlämmenkörpers 112 zu einem homogenen Gemisch abgibt.
  • Die Umwälzvorrichtung 110 des Mischapparats 102 hat eine bevorzugte Ausführung, die in BILD 12 gezeigt ist. Hierzu gehört eine Pumpe 264, deren Saugseite an einen Auslaß 266 des Gefäßes 106 angeschlossen ist und deren Druckseite an ein Rohr 268 angeschlossen ist, in dem ein Dichtemesser 270 angeordnet ist. Das Rohr 268 hat einen Y-Anschluß 272, so daß zwei Leitungen zum Anschluß an die beiden Umwälzeinlässe 206, 208 erhalten werden. Andere Konfigurationen, wie z. B. Anordnung des Y-Anschlusses zwischen Pumpe 264 und dem Dichtemesser 270 können verwendet werden.
  • In BILD 12 ist auch eine Pumpe 274 zum Pumpen des Mischwassers durch eine Leitung 276 in den Einlaßanschluß 126 des Einlaßverteilers 114 des Mischers 104 gezeigt.
  • Der Betrieb des gesamten Mischapparats 2 der bevorzugten Ausführung umfaßt auch die Zirkulierung des Schlämmenkörpers 112 in der beschriebenen und in BILD 1 veranschaulichten Weise und die Umwälzung dieses Körpers durch die Umwälzvorrichtung 110 zum erneuten Mischen im Mischer 104, dessen Funktionsweise bereits beschrieben wurde. Neues Mischwasser wird über Pumpe 274 und Leitung 276 zugesetzt, und neuer Zement wird durch ein (nicht gezeigtes) Zementeinlaßventil auf einer auf dem Fachgebiet bekannten Art zugeführt. Das Zementeinlaßventil wird mit dem oberen Ende 140 der Einlaßhülse 134 verbunden.
  • In Hinblick auf die besondere Nutzbarkeit der vorliegenden Erfindung in der Erdöl- und Ergasindustrie kann die Qualität der Zementierarbeit verbessert werden, und es ist möglich, dickere Schlämmen mit höheren Raten mit dem Mischgefäß 102 zu mischen. Die Verbesserung der Arbeitsqualität ergibt sich aus einer besseren Durchmischung zur Erstellung einer homogeneren Mischung, schnellerer Umwälzung zum schnelleren Erhalt von Proben, vermindertem Mitschleppen von Luft für eine genauere Dichtemessung sowie reduziertem freien Wassergehalt der gemischten Schlämme. Dieses ergibt sich wenigstens zum Teil aus der erhöhten Mischenergie. Dickere Schlämmen können mit höheren Raten gemischt werden, indem der anfängliche Mischer 102 mit hoher Energie verwendet wird, die Rollwirkung in Gefäß 106 durch Verwenden des größeren und leistungsstärkeren Rührwerks 108 erhöht wird und indem die Umwälzungsrate durch die Umwälzvorrichtung 110 erhöht wird.
  • Zu den wichtigen Unterschieden zwischen der vorliegenden Erfindung und früheren Systemen zählen wenigstens zwei Umwälzeinlässe im Durchlaufmischer 104, die Wasserstrahlen, die im einzelnen Wasserdosierventil 144 erzeugt werden, das Rühren mit hoher Rollwirkung, das zum Benetzen des Zements und anschließenden Homogenisieren beiträgt.

Claims (6)

1. Apparat zum Erstellen einer Mischung aus einer trockenen Substanz und einer Flüssigkeit, der folgendes umfaßt: Durchlaufmischvorrichtung (104) zum Mischen einer trockenen Substanz und einer Flüssigkeit, wobei dieser Mischapparat einen Umwälzeinlaß (206) aufweist; ein Gefäß (106), in dem besagte Durchlaufmischvorrichtung angeordnet ist, wobei das besagte Gefäß eine größere Querschnittsfläche im oberen Teil als im unteren Teil aufweist; ein Rührwerk (108), das in dem genannten Gefäß angeordnet ist; und eine Umwälzvorrichtung (110), die an das genannte Gefäß und den genannten Umwälzeinlaß angeschlossen und dadurch charakterisiert ist, daß: die Durchlaufmischvorrichtung einen zweiten Umwälzeinlaß (208) aufweist, der ebenfalls an die Umwälzvorrichtung angeschlossen ist; daß das Rührwerk (108) schräge im Gefäß angeordnet ist; und daß die Durchlaufmischvorrichtung einen Einlaßverteiler (114) aufweist, der die Flüssigkeit durch eine Einlaßöffnung (126) hierin erhält und die Flüssigkeit in einem Abwärtsstrom durch eine Austrittsöffnung (124) leitet; eine Einlaßhülse (134), die trockene Substanz durch ein oberes Ende erhält und die trockene Substanz in einem Abwärtsfluß durch ein Bodenende leitet, wobei die genannte Einlaßhülse durch den genannten Einlaßverteiler (114) geleitet wird; eine Ventilplatte (148), die konzentrisch um die genannte Einlaßhülse in der Nähe der genannten Austrittsöffnung des genannten Einlaßverteilers angeordnet ist, durch den die Flüssigkeit abwärts fließt; eine Meßblende (146), die konzentrisch um die genannte Einlaßhülse neben und unter der genannten Ventilplatte angeordnet ist; eine Flüssigkeitsspritzvorrichtung (150), die in der Nähe des genannten unteren Endes der genannten Einlaßhülse und mit dieser in Verbindung steht und die unterhalb der genannten Meßblende angeordnet und mit dieser in Verbindung steht und so konfiguriert ist, daß Flüssigkeit in einen spiralförmig abwärts fließenden Strom durch die genannte Meßblende von einem abwärts gerichteten Fluß von dem genannten Einlaßverteiler geleitet wird, der von der genannten Ventilplatte so gesteuert wird, daß sich der von der besagten Einlaßhülse abwärts gerichtete Fluß der trockenen Substanz mit der Flüssigkeit in dem abwärts gerichteten spiralförmigen Fluß vermischt.
2. Ein Apparat laut Anspruch 1, in dem die genannte Durchlaufmischvorrichtung weiterhin eine Diffusorvorrichtung (212) zum Verteilen des abwärts gerichteten spiralförmigen Flusses am Boden der genannten Durchlaufmischvorrichtung enthält.
3. Ein Apparat laut Anspruch 2, bei dem die genannte Diffusorvorrichtung eine ringförmige Platte (214) enthält sowie mehrere Umlenkbleche (216), die in bestimmten Abständen mit der genannten ringförmigen Platte verbunden sind.
4. Ein Apparat laut Anspruch 1, 2 oder 3, in dem die genannte Meßblende mehrere Öffnungen (156a, 156b, 156c) aufweist, die unter der genannten Austrittsöffnung (124) des genannten ersten Einlaßteils angeordnet sind; und die genannte Ventilplatte (148) mehrere Öffnungen (176a, 176b, 176c) aufweist, wobei die genannte Ventilplatte zwischen dem ersten Einlaßteil (114) und der genannten Meßblende (146) zur Bewegung auf dieser angeordnet ist, so daß die genannte Ventilplatte wählbar auf die genannten Öffnungen der genannten Meßblende zur Kontrolle des Flüssigkeitsstroms eingestellt werden kann, der durch die genannte Einlaßöffnung des genannten ersten Einlaßteils zum Mischen mit der trockenen Substanz fließt, die durch den genannten axialen Durchgang des genannten zweiten Einlaßteils erhalten wird.
5. Ein Apparat laut Anspruch 4, bei dem die genannte Einlaßhülse (134) mehrere schräge angeordnete Nuten (198) aufweist, die zum Richten der Flüssigkeitsströme dienen, die aus den Öffnungen (156) austreten, die mit den Öffnungen (176) so abgestimmt werden, daß die gerichteten Ströme einen um die Achse der Einlaßhülse zirkulierenden Fluß bilden.
6. Ein Verfahren zum Zementieren eines Bohrlochs, wobei Zement in das Bohrloch gepumpt wird, und das dadurch charakterisiert ist, daß der Zement unter Verwendung eines Apparats laut jedem der Ansprüche 1-5 vorbereitet wird.
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