JP2662104B2 - 液体と粒状固形物とを混合する方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体と粒状固形物とを
連続的に混合するための方法及び装置に関し、特に、石
油産業、ガス産業、及び地熱産業で掘削した坑井をセメ
ントで固めるため、セメント粒子と混合水又は混合流体
とを連続的に混合する方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】材料を混合するための技術は、２つの大
きな種類に分けられてきた。これらの種類のうちの第１
の種類は、混合物の所定量の成分を容器内に配置するバ
ッチ混合法である。これらの成分は、特定容積の混合物
をつくりだすため容器内で攪拌され、又は循環される。
混合方法のうちの第２の大きな種類によれば、混合物の
必要な成分の特定の量が計量して混合領域へ投入され
る。ここでこれらの成分は互いに配合され、得られた混
合物を、来入成分の容積速度と等しい速度で引き出す。
この混合領域は簡単な攪拌機を備えた容器でできている
ことが多いが、混合を抽出によって行うイジェクタ、ジ
ェットミキサ等の種々の形態もまた周知である。

【０００３】多くの用途において、バッチ混合方法より
も連続混合方法の方が必要とされ、そして有利であると
いうことは周知である。利点のうち、混合中に混合物の
特定の割合を連続的に変化させることができるというこ
と、混合した材料を逐次プロセスの任意の他の工程前に
在庫にしたり貯蔵したりする必要がないということ、及
び小さな混合容積に大きな動力を加えることができ、そ
のため成分を更に効率的に互いに混合できるということ
が重要である。連続混合方法の重要な欠点もまた当該技
術分野で周知のように、技術分野で知られてきた。従来
の連続混合方法は、各成分の流入、得られた混合物の流
出、及び夫々の成分の割合を同時に制御しなければなら
ないことを必要とする。例えば、二つの成分の割合の変
化が特定された場合には、仕様を満たすためミキサ内へ
のこれらの成分のうちの一方の流量を変化させるだけで
は十分でない。混合物の排出速度も同時に変化させなけ
ればならない。これが行われなければ、混合領域は溢れ
たり枯渇したりし、連続混合プロセスが停止する。連続
混合法が有利である場合にしばしばそうであるように、
逐次プロセスの次の工程が混合物を特定の速度で供給す
ることを必要とする場合には、特定の割合、及びミキサ
からの特定の排出速度の両方を得るため、各流入成分の
速度を同時に変化させなければならない。多数の変数を
同時に制御する要求は、連続方法の利点よりも高コスト
で信頼性がないという欠点の方が大きい複雑な割合制御
システムに行き着く。

【０００４】ジング及びストスコフは、連続混合方法の
利点の多くが保持され且つ上述の欠点が克服される方法
を米国特許第３，２５６，１８１号（１９６６年）に開
示した。この方法は圧力均衡の原理による。混合領域の
中央で渦中央空洞部が大気に開放するように、液体が圧
力で混合領域に供給されて渦にされる。環状渦巻き本体
の回転により流体のボデーの周囲に圧力がつくりださ
れ、この圧力が供給流体の圧力と均衡する。液体は渦中
央空洞部内に流入できず、また、混合領域から流出でき
ない。大気も渦巻き本体を横切って混合領域へ近づくこ
とができない。特定量の材料（一般に液体よりも密度が
大きいように選ばれる）を計量して渦中央空洞部に投入
するとき、この材料は加圧流体内へ出る回転によって推
進され、液体と混合され、得られた混合物が圧力で混合
領域から排出される。

【０００５】ジング及びストスコフが説明している方法
の代表的な実施例では、混合室内に供給される液体は遠
心ポンプのインペラーで加圧される。これらの実施例
は、「定容積」連続ミキサの一つの種類を構成する。成
分の割合を変化させる必要がある場合には、混合領域の
渦中央空洞部に導入されている成分の流量を変化させる
だけで十分である。渦中央空洞部内への材料の流量を変
化させると混合領域での圧力の正味変化が生じる。圧力
のこの変化によって、混合領域での圧力の均衡を維持す
るため遠心ポンプのインペラーによって供給された流体
の流れに反対（容積）の変化が引き起こされる。その結
果、混合物の成分の割合の制御が簡略にされる。ジング
及びストスコフ（１９６６）は、制御を簡単にすること
が彼らの方法の実施例の一つの主要な利点であることを
理解していなかった。その潜在的な価値は、次の実施及
び彼らの方法の更なる開発においてのみ理解されるよう
になる。

【０００６】ジング及びストスコフが開示した粒子状材
料と圧送可能な液体との混合方法の次の実施及び更なる
開発は、今日実用的に関心が持たれている多くの状態で
有用に実施することができないということも明らかにな
っている。液体に対する粒状固形物の容積比率を増加さ
せると、ジング及びストスコフの方法の実施は受け入れ
難い混合物又はスラリを漸次生産する。この製品は、凝
集塊の空気同伴サスペンションとなる。この凝集した混
合物はこの方法で生産した形態で使用することができな
い。更に、空気同伴によって混合領域で大きな圧力損失
が生じ、その結果、方法の実施効率を不十分になる。ジ
ング及びストスコフの方法の潜在的に不十分な性能はそ
の開示時には理解されていなかった。この方法は、元々
は、坑井の生産効率を増加使用とする処理で使用される
砂又は砂状粒子及びゲル成分でできたスラリの生産で実
施することが企図されていた。この方法の開示時には、
液体に対する粒子の代表的な容積比率は１：１０であっ
た。最大１：４の比率が報告されているが、こうした比
率は例外的に高い固体装填であり、その時点で一般に用
いられている実施の限度を試験しようとするものであっ
た。坑井の処理に伴うプロセスのより深い理解とゲルの
成分及び関連した装置の改善とが、最新式の処理で１：
１の比率を越える容積比率のスラリを使用できるように
した。このような高容積比率では、ジング及びストスコ
フの方法を実施すると使用に適しない空気同伴スラリを
しばしば生産する。

【０００７】ポルトランドセメントスラリが、方法を実
施することによって受容し得る製品を作ることのできな
い液体−粒子システムの第２の例である。管又はハウジ
ングを坑井の内腔の岩面に固定するため、ポルトランド
セメントの圧送可能なスラリが坑井に導入される。これ
らのスラリの液体に対する粒子の容積比率は、しばしば
１：１の比率を越える。ジング及びストスコフの方法を
実施することによって、非常に低品質の高度に凝集した
空気同伴スラリがつくりだされる。液体に対する粒子の
高い容積比率を必要とするシステムの他の例は当業者に
は明らかであろう。

【０００８】ジング及びストスコフの方法には欠陥があ
る。これは流入材料の割合をこれらの材料の接触点で調
節する手段が設けられていないためである。液体に対す
る粒子の全体的な比率を制御することができても、これ
らが予め混合されている場合には比率を変えることがで
きない。ジング及びストスコフの方法は、混合物の生産
に特定された比率よりも常に高い制御されていない容積
比率で粒子を液中に導入することを必要とする。その結
果、空気が同伴されたペースト又は凝集塊が得られ、こ
れらは受容し得る品質の均一なスラリ内に容易に分散し
ない。なぜこの結果がジング及びストスコフの方法の実
施の必然的帰結であるのか、そしてなぜこれは上記方法
の克服できない欠陥であるのかは、ジング及びストスコ
フの方法の実施に適用される装置の種々の形態を考慮す
ることによって最もよく説明される。

【０００９】米国特許第３，３２６，５３６号（１９６
７年）でジング及びストスコフが開示した配合器装置
は、現在の使用では、米国特許第４，４５３，８２９号
（１９８４年）でアルソーズが最初に説明した装置に代
えられている。これらの特許の両方とも、液体及び粒状
固形物が比較的小さな混合容積を通って比較的高速で供
給される連続処理ミキサである。混合容積は、装置がつ
くりだす流体力学勾配によってほぼ一定に保持される。
即ち、ジング及びストスコフが説明した方法（１９６
６）に従って、一つの回転要素が遠心ポンプのインペラ
ーとして作用し、ハウジングに亘って液体及びスラリの
流れをつくりだす。通常「スリンガー」と呼ばれる第２
回転要素がミキサの上部に渦中央空洞部を開けるのに使
用され、粒状固形物はここで直接導入される。これら二
つの回転要素は、スリンガーを通る粒状固形物の流れの
どのような変化もインペラーがつくりだす液体の流れの
変化で動的に補償するように、その間に圧力に均衡をつ
くりだす。従って、回転容積はミキサを通る材料の流量
に関して小さいけれども、ほぼ一定に留まる。外部の容
積制御手段も流量制御手段も使用されていない。

【００１０】アルソーズが説明した機械（１９８４
年）、及びジング及びストスコフが説明した機械（１９
６７年）のような機械の大きな欠点は文献で論じられて
いる。スリンガー−インペラー均衡原理に基づく形態の
改良版は、米国特許第４，６１４，４３５号（１９８６
年）及び第４，６７１，６６５号（１９８７年）でマッ
キンタイヤによって説明されている。マッキンタイヤ
は、空気自体をこの種の機械のハウジングからベントす
ることのできる手段を開示している。彼の改良は、この
種の機械は粒状固形物の流れ容量が制限されるという観
察によって正当化された。粒状固形物の流量が、スリン
ガーの大きさの関数である所定の値に到ると、インペラ
ーが呼び水を自由にし、有効な遠心ポンプとしての作動
を停止する。ハウジングは粒状固形物で溢れ混合プロセ
スが停止する。連続油田ミキサの代表的な用途では、予
期されない停止は費用の掛かる修理作業を必要とし、し
ばしば、安全に対する深刻な危険を提供する。

【００１１】マッキンタイヤ（１９８６年及び１９８７
年）は、容量制限を遠心力によってハウジング内に行わ
れる流入する粒状固形物の流れ中に同伴された空気に帰
する。この同伴空気はインペラーの吸引領域に漏れ、呼
び水状態の損失を招く、インペラーは且つ流体を混合領
域に最早供給しないプロセスは停止してしまう。彼は、
この空気がインペラーの吸引領域に到る前にこの空気を
ベントして大気に戻す手段を開示している。

【００１２】実施されているように、マッキンタイヤの
装置は、そのハウジング内につくりだされる半径方向圧
力勾配以外、同伴された空気が十分に微細に分散されて
いてハウジング内の混合物十分に粘性である場合には、
空気をベントするための設備にも関わらずインペラーの
吸引領域へ搬送される。実際には、こうした状態は、混
合物の固体−液体比率における増大によって悪化され
る。空気をインペラーの吸引領域でなくベントへ移動さ
せるための種々の手段が当業者によって想像されてい
る。一つの簡単な解決策は、ジング及びストスコフ（１
９６７年）の装置の好ましい実施例に記載されているよ
うに別体のハウジング内に遠心ポンプインペラーを配置
することである。しかしながら、これらの手段のうち、
同伴された空気がミキサから同様に良好に排出されると
いう別の困難を解決するものはない。この種のミキサ
は、代表的には、加圧スラリをプランジャーポンプに供
給するのに使用される。空気同伴スラリは比較的弾性で
あり、その圧縮性によってプラスチックポンプの性能を
大きく劣化させてしまう。更に、ミキサ内への粒状固形
物の流れは、代表的には、器具、又はミキサの出口での
スラリの密度を計測するのに使用される「デンシトメー
タ」からのフィードバックによって制御される。空気同
伴スラリの密度は任意の便利な方法で方法設定点に又は
所望の密度に関連させることができない。この種の制御
システムは多かれ少なかれ常に不正確である。

【００１３】粒状固形物の高い流速での空気同伴の問題
はジング及びストスコフ（１９６６年）が開示した方法
に基づく機械の概念における欠陥の結果である。困難さ
の原因に関するマッキンタイヤのを組み込む。彼の改善
は真の問題の兆候に近づくだけである。ジング及びスト
スコフ（１９６６年）がオリジナルで開示したスリンガ
ー−インペラー均衡原理を使用する全ての機械は、粒状
固形物を液体成分と逐次接触させる。これは可能な最も
効率の低いものの一つであると知られている。液中の粒
状固形物の混合物の物理的性質は、混合物中の二つの成
分の比率によって強く影響される。粒状固形物の濃度が
粒状固形物を漸次加えることによって所望の大きさまで
引上げられ、他の方法では行われないように、粒状物を
所望の流体容積内に常に導入しなければならないという
ことを経験が教えている。この経験の背後の理由は、液
中の粒子のスラリの粘度は、粒子の付加に伴って臨界値
に到るまでゆっくりと上昇し、この臨界点で混合物は流
体からペースト又は部分的に湿った凝集塊に変わる。流
動性のある粒子をスラリに分散させるのに必要なエネル
ギは、ペーストを液中に分散させるのに必要なエネルギ
よりも数倍小さい。夫々の液体受容の程度は、同じ固体
−液体比率で粒子の大きさの強い関数である。密度が比
較的低い粗い砂は安定した凝集物を形成しない。ポルト
ランドセメント粒子のような非常に微細な粒子は取扱の
困難なペーストを形成する。かくして、規則に反して混
合を行うと、混合製品の品質は混合物の成分の物理的性
質及び比率の強い関数である。

【００１４】ジング及びストスコフ（１９６６年）が開
示した方法に基づくミキサでは、粒状固形物は常に、部
分的又は完全に形成されたスラリに導入されて異常に密
度の高い空気同伴ペーストを作る。通常の作業中、ミキ
サは安定した定常状態にある。このミキサの排出速度
は、適当な外部制御によって、通常はミキサが供給する
プランジャーポンプの速度を固定することによって固定
される。排出されたスラリの密度及び稠度は流入粒状固
形物の速度によって制御され、同様にデンシトメータか
らのフィードバック制御によって固定される。ハウジン
グ内のスラリの嵩は、排出されたスラリと密度及び稠度
が必然的に同じである。粒状固形物は、所望より重いス
ラリ又はペーストの部分容積が形成されるスリンガーの
ところでこのスラリ内に導入され、液体は、所望より軽
いスラリの部分容積が形成されるインペラーのところで
連続的に導入される。これらの二つのスラリは、ハウジ
ング内で再循環しているスラリ内に夫々推進され、所望
の濃度に再混合され、更に再循環される。スリンガーの
ところでつくられた所望より重いスラリは、システム全
体の性能を劣化させる性質を持っている。

【００１５】凝集されたペーストは、ハウジングから排
出される前に正しい密度及び稠度を持つ配合物を形成す
るため、予め混合したスラリ及び組成液（ｍａｋｅ−ｕ
ｐｌｉｑｕｉｄ）に分散させなければならない。これを
分散させるのに必要なエネルギは、粒状固形物を新たな
液体中に所望の比率で分散させるのに必要なエネルギの
数倍となる。ミキサに入力されるエネルギが比較的一定
であるため、製品の品質は固体−液体比率が増加するに
つれて急速に劣化する。

【００１６】粒状固形物の高い流速では、ミキサ全体に
亘って分散が行われ（スリンガー部分だけではない）、
そのため凝集物中に同伴された空気はインペラーの吸引
領域に近づくことができる。粒状固形物の流速を更に速
くすると、これらの凝集物を完全に分散させるのに十分
な動力を失い、これらの凝集物が排出され、その結果、
品質が非常に低い、一定でない、空気が同伴されたスラ
リが形成される。スリンガー−インペラー均衡原理に基
づくミキサの第２の重要な欠点は、高い流れ容量では空
気で溢れてしまうということである。スリンガーの渦中
央空洞部の大きさは、アルソーズが上述の特許で説明し
ているように、インペラーのホールドバック圧力（ｈｏ
ｌｄ−ｂａｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）とインペラーの排
出圧力の均衡によって決定される。ミキサの容量が増大
すると、以下の二つの理由でインペラーの排出圧力が降
下する。第１に、遠心インペラーを通る流体流れが、ハ
ウジング内に排出圧力をつくりだす流体の接線方向速度
に関して流体の負の正味速度をつくってしまうからであ
る。第２には、容量の増加に伴って、ミキサへの供給管
内の流体摩擦損失が大きくなるからである。こうした損
失はハウジング内の絶対圧力を減少させる。スリンガー
によって均衡をとられ、「ホールドバック」されて固体
流体を加える渦中央空洞部を形成するのが絶対圧力であ
る。ミキサの容量を増加させると、スリンガーの渦中央
空洞部は大きくなる。

【００１７】理想的な機械では、渦中央空洞部の半径
は、混合領域内での圧力が大気圧よりも大きい限りスリ
ンガーの半径を越えることができない。ジング及びスト
スコフ（１９６６年）に従って形成された実際の機械で
は、液体の供給圧力は大気圧よりも大きい。そのため、
原理的には空気は混合領域に決して近づくことができな
い。実際には、空気は混合領域に近づくことができる。
その理由を以下に記載する。上述の渦中央空洞部を拡大
する効果は通常互いに生じ、そして付加的に相互作用す
る。高容量では、渦中央空洞部が非常に大きくなるた
め、回転液体及び流入粒子の環状ボデーが非常に薄くな
る。更に、流入粒状固形物の一塊の流れはスリンガーブ
レードの前縁に沿った通路を通る。空気が混合領域に入
らないようにする「壁」が不安定になり、渦中央空洞部
は非常に不規則になる。大気がスリンガーの周囲上に到
り、ハウジングを溢れさせる。その結果、ミキサは呼び
水を破滅的に失い、作動不能になる。ミキサの代表的な
用途では、組成流体が貯蔵タンクから供給される。連続
混合プロセス中、この液面高さが降下するとインペラー
への液体入口で利用できる静水圧水頭が減少する。

【００１８】かくして、渦中央空洞部は、ミキサ内でハ
ウジングの絶対圧力が効果的に損失することによって更
に拡大される。ジング及びストスコフ（１９６６年、１
９６７年）はこの望ましからぬ挙動を抑えるための液面
の一定な供給タンクを開示したが、彼らの解決策は装置
の追加の部品を必要とし、広範に使用することができな
い。実際には、製品の品質の劣化及び呼び水が失われる
危険性は、スリンガー−インペラー均衡原理に基づいた
ミキサの入口で利用できる絶対圧力に対するミキサの敏
感さによって大きくなってしまう。

【００１９】空気自体をベントすることのできる装置を
備えたマッキンタイヤ（１９８６年、１９８７年）が説
明した装置は、実際には空気がハウジングを溢れさせる
危険性を増加してしまう。ミキサの作動中、ベントの近
く又は周囲にスラリと大気との界面がある。即ち、ベン
トはスリンガーが渦中央空洞部を開放させるのとほぼ同
様に渦中央空洞部を開放するのに役立つ。この渦中央空
洞部の大きさはスリンガーに関するのと同じ規則で調節
される。かくして、ハウジング圧力が降下すると、ベン
トの大気界面が半径方向外方に大きくなる。高いミキサ
容量では、この界面はインペラーの直径の近くまで大き
くなり、空気がベントからインペラーのリムを越えて溢
れる。ミキサは、直ちに且つ破滅的に呼び水を失い、固
体で溢れ、使用不能になる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】本願に開示した方法及
び装置は、従来技術によって教示されたものの原理及び
実施に固有の欠点を持っていないが、簡単で連続的な一
定容積の混合システムを組み込む。この方法は、新たな
流入液体がハウジング内の所望密度のスラリに再循環さ
せる前にこの新たな流入液体の流れに粒状固形物を導入
する手段の発明に基づいている。液圧均衡は従来技術に
適用された原理とは異なる原理に基づいて維持される。
この方法及び装置は、現在実際に使用されている方法及
び装置を越える他の利点を有する。

【００２１】従って、本発明の主な目的は、液体と粒状
の固体、特に固体密度が非常に高く且つ特に固体が微細
な粒子から成る粒状の固体とを連続的に且つ迅速に相互
に混合するための改良された混合方法及び装置を提供す
ることである。本発明の別の目的は、粒状固形物及び液
体の広範な流れ速度範囲に亘って作動でき、予期せぬ停
止、及び望ましからぬ混合品質の変動の危険を最小にす
る改良ミキサを提供することである。本発明の別の目的
は、内部に収容した在庫が少なく、成分の所定の割合を
維持しながら混合材料の容積の迅速な変化を行うことが
できる改良ミキサを提供することである。本発明の別の
目的は、ポンプ等を必要とせずに他の装置にスラリを移
動するのに有用な混合済スラリの正の流れ圧力を生じる
改良ミキサを提供することである。本発明の別の目的
は、ミキサからの排出管が閉鎖された、又は他の方法で
閉じられた場合でも機構が動き続けることのできる改良
連続ミキサを提供することである。本発明の別の目的
は、所定の密度の液体−固体混合物を連続的に生産する
改良ミキサを提供することである。本発明の別の目的
は、特に油田産業でセメント粒子と水とを混合し、セメ
ントスラリ内に空気がほとんど、又は全くないため正確
な密度の測定が可能となる改良ミキサを提供することで
ある。本発明の更に別の目的及び利点は以下の説明及び
図面から明らかになるであろう。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明の広範な概念によ
れば、液体はタービン即ちインペラーによってハウジン
グ内で渦巻かされる。液体の回転は、液内の半径方向速
度及び圧力勾配を増加させるのに役立つ。或る有限の内
半径では絶対圧力は最小になる。或る有限の外半径で
は、絶対圧力は、これらの半径間で渦巻き本体の回転に
よって発生する圧力に内半径での圧力を加えた圧力であ
る。

【００２３】混合する液体は、内半径が渦巻き本体の内
半径よりも大きく、外半径が渦巻き本体の外周半径以下
の環状の区画を通して渦巻き本体内に導入される。混合
する液体の圧力は、渦巻き本体内に導入される区画の圧
力と緊密に適合するように調節される。

【００２４】渦巻き本体の内半径は「渦中央空洞部」を
構成する。ハウジングは前記渦中央空洞部の円形断面に
亘って大気に開放し、かくして渦巻き本体の内半径での
圧力は大気圧に定められる。供給される混合液体は、渦
中央空洞部の半径よりも大きい半径のところで、大気圧
よりも僅かに高い圧力で導入される。かくして、渦巻き
本体内の圧力勾配は影響を受けず、システムはバランス
を保ったままである。供給される混合液体が渦中央空洞
部を溢れてハウジングから大気へ流出することも、大気
が混合液体の供給源に近づくことも、大気がミキサ内に
導入されることもない。

【００２５】粒状固形物を渦中央空洞部内に導入するの
が良く、これらの粒状固形物は環状断面を横切って流入
する混合液体と接触する。粒状固形物と混合液体とが緊
密に接触し、渦巻き本体内で力強い混合が行われる。流
入する粒状固形物及び混合液体は、適正な割合で、即ち
混合物についての構成要素の特定の比率で互いに連続的
に接触される。凝集塊が形成されないようにするため、
粒状固形物は混合物内には再循環されない。

【００２６】液体と粒状固形物との混合物は、タービン
の回転が作り出す圧力でハウジングから引き出される。
かくして、粒状固形物を供給された液体内に押し出し、
これらを互いに混合し、そしてハウジングから排出する
ため得られた混合物に圧力を加える上で、渦巻き本体を
回転させる手段が必要とされる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明による液体と粒状固形物とを混
合する方法及び装置の各実施例を、図１乃至図５を参照
して詳細に説明する。

【００２８】図１を参照すると、本発明の装置であるミ
キサには、文字Ｍが附されている。ミキサＭの上方には
サイロ１０が設けてある。このサイロ１０は粒状固形物
の容器として役立つ。そして、粒状固形物導入コーン１
６内への粒状固形物の流れを制御する粒状固形物流れ調
整手段（Ｖ１）１２が、前記サイロ１０の下端に装着さ
れている。

【００２９】駆動軸１８は、その下端部が粒状固形物導
入口１７を通ってハウジング２０内へ延びるように、粒
状固形物導入コーン１６の内側に配置されている。前記
駆動軸１８は図示されない回転駆動手段に連結されてい
る。この回転駆動手段は、ミキサＭによって支持されて
もされなくてもよい。ミキサＭの混合−加圧手段は、駆
動軸１８の底部にボルト止め具２４で固定されたタービ
ン２２である。タービン２２はハウジング２０内にその
長手方向の軸線と同軸に配置されている。前記タービン
２２は、複数のブレード２８が取り付けられた挿入体２
６を有する。前記ブレード２８は、下文で定義する「公
称状態」の下で、挿入体２６の頂部に沿って渦中央空洞
部の半径３０（図２参照）とほぼ同じか、或いは僅かに
小さい半径まで半径方向内側に延びる。

【００３０】渦中央空洞部は、大気とミキサＭ内の渦巻
き本体との界面３２によって形成される全体に略円筒形
の空間である。前記界面３２が完全に滑らかであったり
実際に円筒形であることが決してないことを示すため、
図２中に波線として描かれている。好ましい実施例で
は、タービン２２内への粒状固形物の流れとの干渉を回
避するため、前記ブレード２８は渦中央空洞部内に完全
に延びてはいない。更に、ブレード２８は前記挿入体２
６の底部に沿って以下のように決定される半径まで半径
方向内側に延びる。

【００３１】すなわち、まず、通常作動時に特定される
粒状固形物の最大流量を許容できるように、十分な断面
積を持つ渦中央空洞部の公称直径を選択する。渦中央空
洞部の圧力を大気圧にとって、特定の排出圧力を生じる
のに十分なタービン直径及び作動速度を選択する。ター
ビン２２の外半径は、通常、渦中央空洞部の直径のほぼ
２倍でなければならない。挿入体２６の周囲での圧力が
大気圧以下にされることはなく、空気がタービン２２の
吸引領域に導入されることはない。この不利な状態は、
吸引部３４におけるブレード２８の内縁の半径を、挿入
体２６の周囲の半径以下に設定することによって予め解
消される。正確な比率を決定するため、最小の正の正味
有効吸引ヘッド（ＮＰＳＨＡ）を特定しなければならな
い。タービン２２の特定の回転速度における、吸引部３
４の半径と挿入体２６の半径との間の渦巻き本体内に発
生する圧力は、大気圧と最小推定ＮＰＳＨＡとの間の差
よりも大きくなければならない。

【００３２】次いで、最大ＮＰＳＨＡを特定する。この
状態でミキサＭを作動させると、挿入体２６の周囲での
絶対圧力は、最大ＮＰＳＨＡに大気圧と最小推定ＮＰＳ
ＨＡとの間の圧力差を加えた値である。この圧力は、実
際の渦中央空洞部の半径と挿入体２６の周囲との間で渦
巻き本体内に発生した圧力に、大気圧を加えた圧力と均
衡する。この関係から、渦中央空洞部の公称直径を使用
して挿入体２６の半径を見出す。次いでブレード２８の
内半径を見出す。これらが図１に示すように定められて
いる場合には、液圧平均を使用する。挿入体２６の半径
がタービン２２の約７５％よりも大きい場合には、仕様
を或る程度調節しなければならない。

【００３３】当業者は、全ての計算に適正な安全率が導
入されるべきことを理解するであろう。更に、当業者
は、特定の用途に選択されたタービンの特定の種類又は
スタイルに応じて、寸法の計算が更に精密になされるの
がよいということを理解するであろう。流れをむらのな
い状態にするため、ハウジング２０の延長部分及び挿入
体２６は、環状のタービン入口ゾーン４０をその間に形
成するように成形される。前記環状のタービン入口ゾー
ン４０の断面積は、液体が吸引される時に液圧の作用に
よって加速しないように選択されなければならない。環
状のタービン入口ゾーン４０は、挿入体２６とハウジン
グ２０の内壁との間に形成された液体導入口４６に、直
接且つ滑らかに連結されている。液体の予回転を抑え、
ミキサの性能を更に予期し得るものにするステータブレ
ード４４を、ハウジング２０の内壁に取り付けることに
よって液体導入口４６に設置しなければならない。環状
のタービン入口ゾーン４０は、ミキサＭへの液体導入口
４６のところで環状区画内へ滑らかに続いている。マニ
ホールド即ち液体供給管４８は液体リザーバ４９から液
体を供給する。

【００３４】ブレード２８は、タービン２２の外周に向
かって半径方向外側に延び、良好なターボ機械の設計原
理にしたがって湾曲させられている。図示の好ましい実
施例では、シュラウド５０がタービン２２上のブレード
２８の固定内縁３８とタービン２２の周囲との間に設置
されている。シュラウド５０はブレード２８間の複数の
流路５２を構成するのに役立ち、流入する粒状固形物が
ブレード２８の上縁及び向き合ったハウジング２０の内
壁を浸食することを阻止する。これらの流路の高さは、
混合物がタービン２２の半径方向に減速するように一定
でなければならない。減速は、空気同伴を引き起こす取
り出し効果を最小にするのに役立つ。シュラウド５０と
ハウジング２０の内壁との間の間隙での材料の逆流を阻
止するため、標準的な実施に従って複数のポンプ・バッ
ク・ベーン５４が使用される。シュラウド５０とハウジ
ング２０の内壁との間の間隙は空気排出手段としても役
立つ。

【００３５】タービン２２は、その周囲を横切って延び
る、ハウジング２０の延長部分によって画成された受け
取り空間５５内に混合物を排出する。好ましい実施例で
は、ハウジング２０の受け取り空間５５は渦巻き状とさ
れている。ハウジング２０内の混合物の接線方向流れに
対して直角に見たこの空間の断面積は、縁部５６（図２
参照）から始まって排出出口５８のすぐ先まで増加して
いる。この増加は良好な液圧の作用により、ミキサＭの
周囲から排出出口５８までの距離で計算しなければなら
ない。しかしながら、全断面積は、ハウジング２０の受
け取り空間５５が、混合物の再循環を許容するように常
に十分に大きくなければなない。この特徴は、ミキサＭ
内への粒状固形物の流入の不規則を緩和して、混合物の
品質を更に正確に制御するのに役立つ。一般的に、受け
取り空間５５の断面積は排出出口５８の断面積よりも小
さくなければならず、これは基本的な水力学の計算によ
って決定される。

【００３６】図示の実施例では、ハウジング２０はミキ
サＭの長手方向の軸線に沿って渦を巻いている。この形
状は、標準的な半径方向渦巻き形状に対して、以下の二
つの理由で好ましい。第１に、タービン出口とは反対側
での速度、従って圧力が比較的一定に維持される。かく
して、渦中央空洞部は粒状固形物導入口に関して対称で
あり、液体が粒状固形物導入口部分を横切って噴霧され
る危険性を回避できる。第２に装置の全体的な外径を小
さくすることができ、更に便利で経済的である。

【００３７】追加の緩衝及び良好な制御を提供するた
め、排出される混合物の一部分を再循環パイプ６０によ
って、ミキサの排出出口５８からミキサの液体供給管４
８に再循環させることとしても良い。再循環の程度は前
記再循環パイプ６０の寸法に比例し、当業者に周知の法
則及び原理によって決定される。また、弁（Ｖ２）６２
が設けられ、ミキサＭを再循環モード又は直接モードの
何れかのモードで作動できるようにされている。

【００３８】タービン２２の正確な形状は、好ましい実
施例の望ましい性能に左右される。図１及び図２は、輻
流型のタービンを図示し、このタービンは低い比速度の
用途に特に適する。容量に関して比較的高い排出圧力が
必要とされる場合に選択される。容量が排出圧力よりも
重要で比速度が高い場合には、フランシス形体が指定さ
れる。渦巻型タービンを図３に示す。この図では部品の
名称及び参照番号は保持されている。この形体は、例え
ば、非常に摩耗性の粒状固形物を処理する場合に指定さ
れ、固体流路又はスラリ流路での緊密な隙間は特に望ま
しくない。供給流体の圧力を調節するため、ブレードを
環状吸引領域内へ延長することは、その簡単性のため好
ましい実施例に組み込まれる。更に、当業者は、流入供
給流体の圧力を制御するための種々の周知の手段を使用
することができるということを理解するであろう。例え
ば、調節された低圧ブースターポンプを液体リザーバ４
９と液体供給管４８との間に配置することができる。こ
の手段及び同じ種類の他の手段を本発明の方法に従って
選択するのがよい。本発明は、ハウジングとハウジング
と向き合った岩石層との間に液圧シールを形成するた
め、ポルトランドセメント粉を水と混合して坑井内に圧
送するのに適したセメント状スラリを得る代表的な作動
を説明することによって例示される。

【００３９】作動の開始時に駆動手段が駆動軸１８及び
タービン２２を回転する。タービンが動いたら水をミキ
サＭの入口に供給する。水は、ミキサＭの液体導入口４
６、液体吸引入口４２、及び環状のタービン入口ゾーン
４０が構成する液体入口流路を通ってタービン２２内に
流入する。水はタービン２２によって回転され、水がハ
ウジングの受け取り空間５５内へ流出する圧力及び速度
を生ぜしめる。ミキサＭ内の空気はタービンのシュラウ
ド５０とこのシュラウド５０と向き合ったハウジング２
０の内壁との間の間隙を通って排出される。かくして、
ミキサの排出出 口５８を閉じておくのが便利である場合
でもミキサを呼び水することができる。このようにして
ミキサをひとたび呼び水してポンプ作動させると、液体
入口通路に沿った絶対圧力が大気圧以下に降下した場合
でも呼び水された状態に留まる。

【００４０】ミキサを呼び水した後、セメント粉を計量
して流れ調整手段１２、粒状固形物導入コーン１６、粒
状固形物導入口１７、及び空気液体界面３２が構成する
粒状固形物入口通路に沿ってセメントをタービン内に供
給する。水及びセメント粒子はこの箇所で接触される。
次いで、水及びセメント粒子はタービンの通路を通り、
ここで混合され且つ加圧されてスラリを形成する。この
ような状態では、ミキサは弁６２を開放した再循環モー
ドで作動される。スラリの密度が、計測手段で計測して
所望の値に到達すると、出口が開放されてスラリが圧力
の作用で高圧ポンプへ流入し、この高圧ポンプがこれを
坑井内に送出する。

【００４１】圧送の開始時にセメント粉は粒状固形物入
口通路に沿って流れ続ける。水は容積の均衡に基づいて
液体入口通路を通ってミキサ内に引き込まれる。流入水
の速度は、流出スラリの速度と等しく、流入セメント粉
の速度以下である。かくして、スラリの密度は、ミキサ
内へのセメント粉の流れを調節すること、又はミキサか
ら出るスラリの流れを調節することを組み合わせて、又
は単独で行うことによって制御することができる。多く
の制御作業は不要である。ミキサが定常状態に到ると再
循環弁が閉じられる。この作業は、ミキサをその容量に
最大あたりで作動させる必要がある場合に望ましく、流
れ損失が減少される。低い容量では、スラリの密度の更
に正確な制御を維持するため、弁を開いたままにしなけ
ればならない。

【００４２】石油産業、ガス産業、又は地熱産業、特に
掘削した坑井にセメントを流し込むためのセメントスラ
リを連続的に調製するのに特に適した本発明によるミキ
サの変形態様を図４及び図５に示す。図１乃至図５で
は、同じ参照番号は同じものを表す。図４を参照する
と、ミキサＭのハウジング２０はブレード２８を備えた
タービン２２を収容する。セメント粒子は、ここには図
示してないサイロ１０から粒状固形物導入口１７へ流出
する。水、又は通常の油田固化添加剤を含む水を基材と
した流体が、大気圧の流体リザーバから液体導入口４
６、液体供給管４８を通って、重力によって、或いは供
給ポンプを通って入る。ステータ８０は来入流体が回転
することを阻止し、タービン２２の真下の容積８２内に
一定の圧力を作り出せるようにする。受け取り空間５５
は、最も好ましくは幾分円筒形の壁８１で外方に制限さ
れ、最も好ましくは、図４及び図５に示すように排出出
口５８を前記壁の背後に配置する。

【００４３】図４に示すように、水平なディスク８３が
ブレード２８と部分的に重なるようにタービン２２の上
方に設けられている。このディスクは、ミキサの作動に
ついて絶対必要なものではないが、固体塵埃が空気逃が
しベント８４を通って来入するのをこのディスクが阻止
するため最も好ましい。ブレード２８が下方に延びてス
クープ８５を形成するようにしてもよい。この目的は、
低圧でも機械を呼び水された状態に保つことであり、特
にミキサ全体が傾斜した形体につくられている場合、来
入流体が上方に圧送されるのを補助することによって機
械を呼び水された状態に保つ。図４及び図５に示す機械
は、上述の本発明の目的を達成するのに絶対必要な状態
である、非常に安定した渦中央空洞部の利点を提供す
る。この点に関して、タービンの底部の水平なディスク
８６は、液体導入口４６での所定の水圧又は流体圧につ
いて、渦中央空洞部又は界面３２の位置を構成する。こ
のような機械は、非常に正確な制御を施し且つ生産した
スラリの密度を監視しながら油田産業でセメント粒子を
混合水又は混合流体と連続的に混合するのに特に有用で
ある。

【００４４】図５は図４に示す機械の別の変形態様を提
供し、この図では、水又は流体の導入口４６、液体供給
管４８がハウジング２０の上部に配置されている。水又
は流体は、大気圧のリザーバ４９から重力によって、或
いは供給ポンプを通って流れる。最も好ましくは、水は
ハウジング２０の上部及び水平ディスク９１の中間部が
形成するミキサの円筒形上室９０に導入される。ハウジ
ングの上部及び水平ディスク９１の両方が空気逃がしベ
ント８４及び粒状固形物導入コーン１６用の空間を提供
する目的の中央孔を図５に示すように特徴付ける。理解
されるように、水平ディスク９１はタービンブレード２
８と或る程度重なって内方に終端し、ハウジング２０の
上部は水平ディスク９１の限度を越えて内方に延び、そ
の結果、渦中央空洞部（空気／スラリ界面）をハウジン
グ２０の上部及びディスク９１の二つの内方限度の夫々
の間の中間の位置につくり、安定化させることができ
る。好ましい実施例では、全体に参照番号９２を附した
ブレードの固定システムを上述の中央孔に配置し、その
ため、上室９０内の来入水は回転されない。広範な代表
的な作動状態で混合物の構成要素の割合が装置のいかな
る場所であっても設計即ち設計割合を越えることが許さ
れないため、本発明の主な目的が実施される。

【００４５】ポルトランドセメントスラリの混合が本発
明の作動を例示するのに使用された。というのは、この
スラリは仕様に合わせて混合するのが非常に困難である
からである。従来技術に従って形成された機械ではセメ
ント粉は所望の密度に既に混合されたスラリ内に導入さ
れる。しかし、油田セメントスラリは、最小量の「自由
水」を利用できるように所望の密度に混合される。即
ち、液体に対する水の割合は粉を湿らすのに必要な量を
越える最小量の余分な水があるように特定される。「自
由水点」上のセメント粉の追加の容積は粘性のペースト
又は部分的に湿った全体に空気同伴された粒状固形物か
ら成る凝集塊をもたらす。任意の経済的な手段で均一で
圧送可能で空気を含まないスラリをつくるのには困難が
ある。本明細書中に開示したミキサはこのような欠点が
ない。セメント粉は水内に直接導入され、混合前にター
ビンで大きく加圧される。かくして、別の処理工程を必
要とすることなく、高品質のセメントスラリをミキサで
供給することができる。

【００４６】従来技術に開示されているスリンガーとイ
ンペラーとの間の排出圧力均衡とは反対に単一のタービ
ンで吸引圧力均衡をとる方法に基づいて、思いもしなか
った利点がミキサに生じる。タービンは、タービンの機
械加工について周知の設計原理に従って設計することが
できる。ブレードに後退角をつけて装置の最も効率のよ
い点、又は最も効率のよい点の範囲を構成するのがよ
い。摩耗性の粒状固形物による浸食は大きく減じられ
る。更に、全ての流体が圧送可能なスラリの形態でター
ビンを通って流れるため、液圧効率を最新式のターボ機
械の設計の実施と一致するほど高くすることができる。
従来技術で説明されたインペラー要素は標準的な設計原
理に従って設計でき、その効率は高い。しかし、従来技
術で説明されたスリンガーは「引戻装置」手段として役
立つ。このスリンガーは、モータの動力を吸収して小さ
な明らかな利点を提供する。ハウジング内のスラリに関
して、ハウジングは「閉じ込め」状態で作動し、この状
態では液圧効率は非常に低い。ジング及びストスコフ
（１９６６）が注目した排出圧力の小さなブーストは、
スリンガーの周囲速度がインペラーの周囲速度よりも必
然的に大きく、この「過剰な速度は適当なディフューザ
ー手段で圧力として回収されるということによる。しか
しながら、この効果は常に小さく、従来技術に記載され
た装置の全体的な効率への寄与は実際には無視できる。
スリンガーは、圧送にも混合にも使用されない動力を必
要とするが、この動力は熱に直接的に損失されるのでは
ない。本明細書中に開示したミキサは、効率の悪いスリ
ンガーを潜在的に効率のよいインペラーから離さない。
容量の増大を伴う排出圧力の通常の降下は、克服出来な
い概念上の欠陥の代わりに正の利点となる。比較し得る
作動状態ではミキサは従来技術に従って設計した機械の
入力動力の約半分を必要とする。

【００４７】この方法の別の利点は、タービンの形体
を、従来技術の教示に基づいた機械の設計で可能である
群よりも大きな、標準的な種類の群から選択することが
できるということである。タービンの形体は、「輻流」
形体から「混合流」形体までの範囲を限度とするスペク
トルから選択するのがよい。本発明に従って、「渦巻」
又は「凹部が形成されたインペラー」の形体を選択する
のがよい。別の利点は、本明細書中に開示した装置は、
従来技術に従って設計した装置よりも小型で安価である
ということである。別の利点は、本明細書中に開示した
装置は油田の種々のサービスで使用することができると
いうことである。セメント粉の混合は、その作動を詳細
に例示するのに使用された。これはセメントスラリは混
合が困難であるからである。従来技術の教示に従って設
計されたミキサは、専ら砂配合器（ｓａｎｄ ｂｌｅｎ
ｄｅｒ）として企図されている。このような砂配合器は
受容し得る品質のセメントスラリを多くの環境で混合す
ることができない。セメント粒子はペースト又は凝集塊
を容易に形成し、粒子の大きさが非常に小さいため、ば
らつきのないスラリ内に分散させるのが困難である。従
来技術に従って設計されたミキサは受容可能なゲルもポ
リマー溶液も混合することができない。水溶性ポリマー
もまた水性媒質に分散させるのが困難である。これらの
多くは、溶解させたポリマーを既に含有する媒質に効率
的に分散させることができない。従って、ポリマー粉を
新たな水性媒質と緊密に直接接触させないミキサは低品
質の製品を製造する。本明細書中に開示したミキサは、
粒状固形物を新たな添加流体と適正な固体−流体比率で
接触させることを必要とし、粒状固形物及び添加流体の
装置の通過中、この比率を維持する。従って、高品質セ
メント、ゲル、又は砂スラリを難無く混合する。

【００４８】別の利点は、本明細書中に開示したミキサ
は、混合物を構成する液体の密度以下の密度の粒状固形
物の大きな流れを処理することができるということであ
る。従来技術に従って設計された機械は、スリンガーブ
レードが構成する室内での混合物の再循環によって、低
密度の粒状固形物の小さい比率を処理することができる
が、これらのスリンガーブレードは代表的には高速で詰
まってしまう。このミキサは、流入粒子を新たな添加流
体の全容積流と空気−液体界面で接触させるため、低密
度粒子の高固体−液体比率の混合が防がれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるミキサ装置の大部分を断面で示す
正面図。

【図２】配合器を上から下に見下ろした一部切欠断面
図。

【図３】本発明の変形態様で使用するタービンの大部分
を断面で示す正面図。

【図４】石油の分野の用途に好ましい、本発明によるミ
キサの大部分を断面で示す正面図。

【図５】石油の分野の用途に好ましい、本発明によるミ
キサの大部分を断面で示す正面図。

【符号の説明】１０ サイロ １２ 粒状固形物流れ調整手段 １６ 粒状固形物導入コーン １７ 粒状固形物導入口 １８ 駆動軸 ２０ ハウジング ２２ タービン ２６ 挿入体 ２８ ブレード ３２ 界面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−1506（ＪＰ，Ａ)

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ポンプで汲み上げ可能な液体と粒状の固形
   物とを混合する方法であって、 （ａ）前記液体をタービン装置によってその回転軸線の
   周りに渦巻かせ、渦中央空洞部を確立してその大気との
   界面を前記回転軸線と同軸とするとともに、渦巻き本体
   の前記界面から外周半径に向かって半径方向外側に増加
   する圧力勾配を確立し； （ｂ）混合する液体の圧力を、前記渦巻き本体の最小圧
   力よりは大きいが最高圧力よりは小さくなるように調節
   し； （ｃ）前記渦中央空洞部の半径よりは大きい内側半径と
   前記渦巻き本体の外周半径よりは小さい外側半径とを有
   した環状の区画を横切らせて、前記渦巻き本体内に混合
   する液体を供給し； （ｄ）前記渦中央空洞部内に粒状固形物を導入するとと
   もに、前記粒状固形物を前記界面を通して前記渦巻き本
   体中に投入して前記液体と混合し； （ｅ）前記渦巻き本体の外周半径より大きい半径位置で
   前記液体と前記粒状固形物との混合物を取り出すことを
   特徴とする液体と粒状固形物とを混合する方法。
2. 【請求項２】前記混合する液体の圧力を、前記タービン
   の回転によって調節することを特徴とする請求項１に記
   載の液体と粒状固形物とを混合する方法。
3. 【請求項３】新たに混合する液体を、その蒸気圧と大気
   圧の１．５倍の絶対圧力との間の絶対圧力で供給するこ
   とを特徴とする請求項２に記載の液体と粒状固形物とを
   混合する方法。
4. 【請求項４】前記粒状固形物がセメントとされ、かつ前
   記混合する液体が水を成分とすることを特徴とする請求
   項１に記載の液体と粒状固形物とを混合する方法。
5. 【請求項５】前記粒状固形物が大地の形成を支える物質
   とされ、かつ前記混合する液体がゲルを成分とすること
   を特徴とする請求項１に記載の液体と粒状固形物とを混
   合する方法。
6. 【請求項６】前記粒状固形物が水と反応するポリマーと
   され、かつ前記混合する液体が水を成分とすることを特
   徴とする請求項１に記載の液体と粒状固形物とを混合す
   る方法。
7. 【請求項７】（Ａ）略円形の周壁と頂部および底部、前
   記周壁に接続された混合物出口手段（５８）、前記頂部
   の中央に配置された粒状固形物導入口（１７）、前記底
   部の中央に配置された液体導入手段（４６）を有する閉
   じられたハウジング（２０）と； （Ｂ）前記ハウジング（２０）の内部に前記周壁から間
   隔を置いて配置されるとともに、その回転軸線が前記ハ
   ウジングの長手方向の軸線と同軸とされ、かつ前記粒状
   固形物導入口（１７）に面した開口部分を有する回転タ
   ービン（２２）と； （Ｃ）前記液体導入手段（４６）に面した環状のタービ
   ン入口ゾーン（４０）を前記回転タービン（２２）と共
   に形成する、 前記タービン（２２）の外周部分の下方に
   位置した前記ハウジング（２０）の延長部分と； （Ｄ）前記タービンを回転させる手段（１８）と； を備えることを特徴とする液体と粒状固形物とを混合す
   る装置。
8. 【請求項８】前記タービン（２２）が、前記環状のター
   ビン入口ゾーン（４０）内に延びた複数のブレード（３
   ４）を有することを特徴とする請求項７に記載の液体と
   粒状固形物とを混合する装置。
9. 【請求項９】前記液体導入手段（４６）が、ステータブ
   レード（４４）を有することを特徴とする請求項８に記
   載の液体と粒状固形物とを混合する装置。
10. 【請求項１０】前記タービン（２２）の形状が、半径流
    タービンまたはフランシスタービンから選ばれることを
    特徴とする請求項７に記載の液体と粒状固形物とを混合
    する装置。
11. 【請求項１１】前記タービン（２２）が、ポンプ−バッ
    ク・ベーン（５４）を有した上部シュラウド（５０）を
    備えることを特徴とする請求項７に記載の液体と粒状固
    形物とを混合する装置。
12. 【請求項１２】前記タービン（２２）の形状が渦巻き形
    若しくは凹まされたインペラ形とされることを特徴とす
    る請求項７に記載の液体と粒状固形物とを混合する装
    置。
13. 【請求項１３】前記ハウジング（２０）が、軸線方向か
    らみて渦巻き状とされていることを特徴とする請求項７
    に記載の液体と粒状固形物とを混合する装置。