JPH04271821A - 液体と粒状固形物とを混合する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体粒子と液体成分と
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ための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。混合領域の中央でア
イ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。流体の環状本体の回転により流体
の本体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。液体はアイ内に流入できず、また
、混合領域から流出できない。大気も液体の回転環状本
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
）を計量してアイに投入するとき、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、混合領域のア
イ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。アイ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（１
９６６）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。液体に対する固体粒子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。この業種した混合
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。管又はケーシ
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
フの方法の実施の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（１９
６７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、液体及び固
体粒子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（１９６６
）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、ケーシ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大気アイを開けるのに使用され
、固体粒子はここで直接導入される。これら二つの回転
要素は、スリンガーを通る固体粒子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（１９６７
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ケーシ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
の機械は固体粒子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。固体粒子の流量が、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。ケーシングは固体粒子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ケーシング内に行わ
れる流入する固体粒子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、そのケーシ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
いてケーシ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（１９６
７年）の装置の好ましい実施例に記載されているように
別体のケーシング内に遠心ポンプインペラーを配置する
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、ミキサ内への固体粒子の流れは
、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】固体粒子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、固体粒
子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。液中の固体粒
子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。固体粒子の濃度が固体粒子
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、固体粒子は常に、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みつ
ど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固体粒子
の速度によって制御され、同様にデンシトメータからの
フィードバク制御によって固定される。ケーシング内の
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。固体粒子は、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、ケーシング内で
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、ケーシングから排
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
ｐ　ｌｉｑｕｉｄ）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、固体粒子を新たな
液体中に所望の比率で分散させるのに必要なのネルギ数
倍である。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】固体粒子の高い流速では、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。固体粒子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。スリンガーの大気アイ
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（ｈｏｌｄ−ｂ
ａｃｋ　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、ケーシング
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。こうした損失はケー
シ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
えるアイ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、スリンガーの大気アイは大きくなる。

【００１７】理想的な機械では、アイの半径は、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（１
９６６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。上述のアイ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、ア
イが非常に大きくなるため、回転液体及び流入粒子の環
状本体が非常に薄くなる。更に、流入固体粒子の一塊の
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、アイ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、ケーシングを溢れさせる。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、大気アイは、ミキサ内でケーシ
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、１９６
７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、実際には空気がケーシングを溢れさせる
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
トはスリンガーが大気アイを開放させるのとほぼ同様に
大気アイを開放するのに役立つ。このベントアイの大き
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、ケーシ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
流入液体がケーシ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固体粒子を導入す
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
混合するための改良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、固体粒子及び液体の広範な
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】

【実施例】本発明の広範な概念によれば、液体の環状本
体はタービン部材即ちインペラー部材によってケーシン
グ内で渦にされる。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液体の環状本体の回転に
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。供給液体は、内半径が液体の回転本体の内半径より
も大きく、外半径が液体の回転本体の外半径以下の環状
断面を通して液体の渦本体に導入される。供給液体の圧
力は、液体の回転環状本体の供給液体が導入される断面
に亘る圧力と緊密に適合するように調節される。

【００２３】液体の回転環状本体の内半径は「アイ」を
構成する。ケーシングは、アイの円形断面に亘って大気
に開放し、及びかくして液体の回転環状本体の内半径で
の圧力は大気圧に定められる。供給液体は、アイの半径
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、液体の回転本体内の圧力勾
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。供給液体がアイを溢れてケーシングから大気へ流
出することも、大気が供給液体源に近づくことも、大気
がミキサ内に導入されることもできない。固体粒子等を
アイに導入するのがよく、これらの固体粒子は環状断面
を横切って到着した流入する供給液体と接触する。固体
粒子と流入する供給液体とが緊密に接触する液体の回転
本体内で力強い混合が行われる。流入する固体粒子及び
液体は、適正な割合で即ち混合体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、固体粒子は既に混合されたス
ラリ内には再循環されない。液体又はスラリは、混合体
の環状本体のタービン内での回転が作り出す圧力でケー
シングから引き出される。かくして、固体粒子を供給液
体内に押し出し、これらの構成要素を互いに混合し、そ
してケーシングから排出するため得られたスラリに圧力
を加える上で、液体の本体を回転させる唯一の手段が必
要とされる。

【００２４】特に図１を参照すると、本発明のミキサ装
置には全体に文字Ｍが附してある。ミキサの上方にはホ
ッパ又はサイロ１９が設けてある。このホッパは固体粒
子用容器として役立ち、ミキサの固体粒子入口コーン１
６内への固体粒子の流れを制御する固体粒子流れ調整手
段（弁１）１２が装着されている。駆動軸１８は、その
底部がミキサの固体粒子入口１７を通ってケーシング２
０内へ延びるように固体粒子入口コーン１６の内側に配
置されている。駆動軸１８は回転駆動手段（図示せず）
に連結されている。この回転駆動手段は、設置の必要に
応じてミキサの要素によって支持されてもされなくても
よい。ミキサの混合−加圧手段は駆動軸１８の底部にボ
ルト止め具で固定されたタービン２２である。タービン
２２はケーシング２０内にケーシングの長さ方向軸線と
同心に配置される。タービンは複数のブレード２８が取
り付けられた挿入体２６を有する。これらのブレードは
、下文で定義する「公称状態」の下で、挿入体２６の頂
部に沿ってミキサの大気圧のアイの半径３０（図２参照
）の半径とほぼ同じか或いは僅かに小さい半径まで半径
方向内方に延びる。大気アイは、大気とミキサ内の流体
配合物との界面３２が構成する全体に円筒形の容積であ
る。この界面は、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に波線と
して引いてある。好ましい実施例では、タービン内への
固体粒子の流れとの干渉を回避するため、ブレードはア
イ内に完全に延びているのでない。更に、ブレード２８
は挿入体２６の底部に沿って以下のように決定されなけ
ればならない内半径まで半径方向内方に延びる。

【００２５】通常の作動で特定された固体粒子の最大流
れを可能にするのに十分な断面積を持つ「アイの公称直
径」を選択する。アイ半径で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。タービンの外半径は、通常、公称ア
イ直径のほぼ２倍でなければならない。タービン挿入体
３６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でのブレードの内縁の半径
を挿入体３６の周囲の半径以下に設定することによって
予めなくされる。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。タービンの特定の回転速度で３４の半径と３
６の半径との間の流体の環状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。

【００２６】次いで、最大ＮＰＳＨＡを特定しなければ
ならない。この状態で装置を作動させると、挿入体３６
の周囲での絶対圧力は最大ＮＰＳＨＡに大気圧と最小推
定ＮＰＳＨＡとの間の圧力差を加えた値である。この圧
力は、実際のアイ半径と挿入体３６の周囲との間で流体
の環状本体内に発生した圧力に大気圧を加えた圧力によ
って均衡される。この関係で公称アイ直径を使用して挿
入体の半径を見出す。次いで吸引ブレード縁の内半径を
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。挿入体の半径がタービンの
約７５％よりも大きい場合には仕様を或る程度調節しな
ければならないということを理解しなければならない。

【００２７】当業者は、全ての計算に適正な安全率を導
入しなければならないということを理解するであろう。 更に、当業者は、正確な寸法の計算は、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更
に精密に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、ケーシング２０の
連続部分及び挿入体２６は、環状タービン入口４０をそ
の間に形成するように成形される。この入口の断面積は
、流体が吸引時に良好な液圧の作用に従って加速しない
ように選択されなければならない。タービンの入口４０
は、挿入体２６とケーシングの内壁との間に形成された
液体吸引入口４２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をケーシングの内壁に取
り付けることによって液体吸引部に設置しなければなら
ない。環状吸引入口は、ミキサ４６への液体入口のとこ
ろで円形断面内へ滑らかに続いている。マニホールド即
ち管４８は液体リザーバ４９から液体を供給するために
設けられている。

【００２８】タービンブレード２８は、タービンの周囲
へ半径方向外方に延び、良好なターボ機械の設計の湾曲
されている。図示の好ましい実施例では、上シュラウド
５０がタービン上にブレード３８の固定内縁とタービン
の周囲との間に設置されている。シュラウド５０はブレ
ード間に複数の流路５２を構成するのに役立ち、流入す
る固体粒子がブレードの上縁及び向き合ったケーシング
２０の内壁を浸食するのを阻止する。これらの流路の高
さは、タービンの流出混合物が半径方向で減速するよう
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
とケーシング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。シュラウドとケーシングの内壁
との間の間隙は空気排出手段としても役立つ。

【００２９】タービン２２は、ケーシング２０の連続部
が構成する受け取り容積５５内へその周囲を横切って排
出する。好ましい実施例では、ケーシングの受け取り容
積５５は「半渦巻き」になっている。ケーシング内の混
合物の接線方向流れに直角に見たこの容積の断面積は縁
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。この増加法は良好な液圧の作用によ
り、ミキサの周囲から排出出口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、ケーシング
の受け取り容積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
内への固体粒子の流れにおける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。一般的には、
出口５８の断面積よりも断面積の小さい箇所はなく、こ
れは標準的な液圧の作用で決定される。

【００３０】図示の実施例では、ケーシングはミキサの
長さ方向軸線を中心に渦を巻いている。この形体は、以
下の二つの理由で標準的な半径方向渦巻き方法で好まし
い。第１に、タービンの排出側の反対側での速度、従っ
て圧力が比較的一定に維持される。かくして、アイは固
体粒子入口に関して対称であり、流体が前記入口のセグ
メントを横切って噴霧される危険性を回避する。第２に
、直径が全体に小さい装置を提供する。これは更に便利
で経済的である。必要な場合に追加の緩衝、及び良好な
制御を提供するため、排出混合物の特定の部分を再循環
管６０でミキサ５８の排出部からミキサ４８の液体供給
管へリサイクル即ち再循環するのがよい。再循環の程度
は、この刊に選択されたおおきさに比例し、当業者に周
知の法則及び原理で決定される。本明細書中に記載した
環境に従ってミキサを再循環モード又は直結モードの何
れかのモードで作動できるように弁（弁２）６２が設け
られている。

【００３１】タービン２２の正確な形体は好ましい実施
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
、非常に摩耗性の固体粒子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４９と
流体供給管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、ケーシングとケーシングと向
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。

【００３２】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４８の入口に供給する。水は、ミキサの液体入口４６
、液体吸引入口４２、及び環状タービン入口４０が構成
する液体入口流路を通ってタービン内に流入する。水は
タービンによって回転され、水がケーシングの受け取り
容積５５内へ流出する圧力及び速度を生ぜしめる。ミキ
サ内の空気はタービンの上シュラウド５０とこのシュラ
ウドと向き合ったケーシング２０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
大気圧以下に効果した場合でも呼び水された状態に留ま
る。

【００３３】ミキサを呼び水した後、セメント粉を計量
して流れ調節手段１２、固体粒子入口コーン１６、固体
粒子入口１７、及び空気液体界面３２が構成する固体粒
子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。

【００３４】圧送の開始時にセメント粉は固体粒子入口
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。

【００３５】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のケーシング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
てないホッパ１０から固体粒子入口１６、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入口４６、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。受け取り容積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に示すようにスラリ出口５８を前記壁の背後
に配置する。

【００３６】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、非常に安定したアイの利点を提供する。この点
に関して、タービンの底部の水平なディスク８６は、入
口４６での所定の水圧又は流体圧について、アイ又は界
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。

【００３７】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、水又は流体の入口４６、４８がケー
シング２０の上部に配置されている。水又は流体は、大
気圧のタンク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、水はケーシング２０
の上部及び水平壁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。ケーシングの上部及び水平壁
９１の両方が空気ベント８４及び固体粒子入口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２８と或る程度重なって内方に終端し、ケーシ
ング２０の上部はディスク９１の限度を越えて内方に延
び、その結果、アイ（空気／スラリ界面）をケーシング
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
、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。

【００３８】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固体粒子から成
る凝集塊をもたらる。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。

【００３９】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
。摩耗性の固体粒子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。ケーシング内のスラリに関して
、ケーシングは「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（１９
６６）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。

【００４０】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　ｂｌｅｎｄｅ
ｒ）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、固体
粒子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、固体粒子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。

【００４１】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固体粒子
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
度の固体粒子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】

１２　　固体粒子流れ調整手段 １６　　固体粒子入口コーン １７　　固体粒子入口 １８　　駆動軸 １９　　サイロ ２０　　ケーシング ２２　　タービン ２６　　挿入体 ２８　　ブレード ３２　　界面

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧送可能な液体と粒状材料とを混合する方
   法において、（ａ）　渦又はアイがつくられるように液
   体の本体を軸線を中心に渦を巻かせ、液体と大気との間
   の前記アイの界面は前記液体の本体の回転軸線とほぼ同
   軸であり、前記界面から前記液体の本体の周囲の半径ま
   で増大する半径方向圧力勾配がつくられる工程と、（ｂ
   ）　組成液の圧力を前記液体の渦巻本体の最小圧力より
   も大きく且つ最大圧力以下であるように調節する工程と
   、（ｃ）　前記組成液の供給を内半径が前記アイの半径
   よりも大きく外半径が前記液体の渦巻本体の半径よりも
   小さい環状断面を通して前記液体の渦巻本体に導入する
   工程と、（ｄ）　粒状物を前記アイに導入し、粒子を前
   記界面を通して前記組成液内に投入し、そこでこれら二
   つを互いに混合する工程と、（ｅ）　二つの混合物を前
   記液体の渦巻本体の半径よりも大きい半径のところで引
   き出す工程と、を有する方法。
2. 【請求項２】前記組成液の圧力が前記タービンの回転に
   よって調節される、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】新たな組成液が、前記組成液の蒸気圧と１
   ．５気圧の絶対圧力との間の絶対圧力で供給される、請
   求項２に記載の方法。
4. 【請求項４】前記粒状材料がセメントであり、前記液体
   が水性成分である、請求項１に記載の方法。
5. 【請求項５】前記粒状材料が地層支持剤であり、前記液
   体がゲル成分である、請求項１に記載の方法。
6. 【請求項６】前記粒状材料が水和可能なポリマーであり
   、前記液体が水性成分である、請求項１に記載の方法。
7. 【請求項７】圧送可能な液体と粒状材料とを混合する方
   法において、（ａ）　タービンに動力を加えることによ
   って液体の本体を軸線を中心に渦を巻かせ、そのため液
   体と大気との間のその界面が前記タービンの回転軸線と
   ほぼ同心である渦巻がつくられ、前記界面から前記ター
   ビンの周囲の半径まで増大する半径方向圧力勾配がつく
   られる工程と、（ｂ）　組成液の本体を前記タービンの
   反対側の面で渦を巻かせ、そのため減少する半径方向圧
   力勾配が前記渦巻の半径よりも大きい半径から前記渦巻
   の半径の十分の一よりも大きな半径までつくられる工程
   と、（ｃ）　渦巻組成液を、内半径が前記渦の半径より
   も大きく外半径が前記タービンの半径よりも小さい環状
   入口断面を通して液体の渦巻本体に導入する工程と、（
   ｄ）　粒状材料を前記渦に導入し、これらの粒子を前記
   界面を通して組成液内に投入し、そこでこれら二つを互
   いに混合する工程と、（ｅ）　前記タービンを収容した
   ケーシングから二つの混合物を引き出す工程と、（ｆ）
   　新たな組成液を前記組成液の本体に前記タービンへの
   液体吸引入口から導入する工程と、を有する方法。
8. 【請求項８】液体と粒状固体とを混合するための装置に
   おいて、（ａ）　ほぼ円形の周壁と、上部と、底部と、
   前記周壁に連結された混合物出口手段と、前記上部の中
   央に配置された前記固体入口通路と、前記底部の中央に
   配置された環状液体入口手段と、を有するケーシング、
   即ち包囲ハウジングと、（ｂ）　前記ハウジング内に配
   置され、前記周壁から間隔を隔てられ、回転軸線が前記
   ハウジングの長さ方向軸線と同軸であり、前記粒状固体
   入口ボアに面する開放した中央部及び前記液体入口手段
   に面する環状開放部を有する回転可能なタービンと、（
   ｃ）　前記タービンを回転させるための手段と、を有す
   る装置。
9. 【請求項９】前記タービンが前記環状液体入口手段内に
   延びるブレードを備えている、請求項８に記載の装置。
10. 【請求項１０】前記液体入口手段がステータブレードを
    備えている、請求項８に記載の装置。
11. 【請求項１１】前記タービンの形体が輻流タービン、フ
    ランシスタービン、及び混流タービンから成る群から選
    択されている、請求項８に記載の装置。
12. 【請求項１２】前記タービンはポンプバックベーンを備
    えた上シュラウドを有する、請求項１１に記載の装置。
13. 【請求項１３】前記タービンの形体が渦又は凹部を備え
    たインペラー型である、請求項８に記載の装置。
14. 【請求項１４】前記ハウジングは軸線方向に渦を巻いて
    いる、請求項８に記載の装置。