NO170261B - Blandeinnretning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en innretning for blanding av et fluid med faste partikler, som angitt i ingressen til det etter-følgende krav 1. Oppfinnelsen er i første rekke tenkt anvendt for blanding av sementpulver og vann, i forbindelse med sementering av oljebrønner, gassbrønner, geotermiske eller andre brønner.

Slike anordninger har lenge vært kjent, f.eks. som omtalt i US patent 1 486 883, fra 1922. Søkingen etter bedre blandingskvalitet og produksjonsteknikker har ført til et stort antall publikasjoner, hvorav det mest bemerkelsesverdige uten tvil er US patent 4 453 829.

Dette dokument omhandler en blandeinnretning med to rotorer som er sammenkoplet i et enkelt hus. En øvre rotor mottar granulært materiale ved sitt sentrum ved enkel fall-tilførsel gjennom et hull i sentrum av husets øvre del. Rotoren slynger materialet mot omkretssonen. Væske kommer inn gjennom en sentral åpning i den nedre rotors underside, og suges inn gjennom sentrum av rotoren og leveres ved hjelp av sentrifugalvirkning til rotor-omkretsen. Blanding av det granulære materiale og væsken skjer i omkretssonen mellom de to rotorer, idet blandingen suges ut gjennom huset ved hjelp av et passende utstrømningssystem. Den således beskrevne blandeinnretning virker fullt ut tilfredsstillende når det granulære materiale er sand og væsken er en gel.

Blandeinnretningen er imidlertid funnet å arbeide mindre tilfredsstillende med meget finkornet pulvermateriale såsom sement, og vann.

I det første tilfelle vil finkornet pulvermateriale inne-slutte et betydelig luftvolum, som frigjøres i utstyrets omkrets-blandeområde. Denne luft kan ikke sentrifugeres av den øvre rotor, og kan således ikke evakueres fra huset med den ferdige blanding, men vil således samles i dette område og gradvis hindre korrekt drift av blandeinnretningen.

I det andre tilfelle er materialer såsom sand ikke særlig egnet for enkel fallmating inn i den øvre rotor, men dette gjelder ikke finkornet pulver hvis nedre densiteter gjør dem tilbøyelige til å utsettes for trykk-ubalanse i denne sone.

Videre tillater ikke angjeldende utstyr enkle justeringer av densiteten til den oppnådde blanding, samtidig som det er alminnelig erkjent at vellykket sementering av oljebrønner avhenger av nøyaktig og enkel kontroll av densiteten til den sement som benyttes.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en blandeinnretning som arbeider på en særdeles tilfredsstillende måte selv med finkornete pulvere, og dette formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved en blandeinnretning av den innled-ningsvis angitte art, med de nye og særegne trekk som er angitt i den karakteriserende del av det etterfølgende krav 1. Fordelaktige utføringsformer av oppfinnelsen er angitt i de øvrige etterfølgende krav.

Oppfinnelsen er særlig beregnet på å fremskaffe en blanding som i første rekke er egnet for sementpulvere og muliggjør enkel men likevel nøyaktig densitetkontroll.

Oppfinnelsen muliggjør tvangsmessig tilførsel av pulvermaterialet ved å skape en (bemerkelsesverdig høy) grad av undertrykk i blandeområdets forøvrig høytrykks-omkretssone.

Ved bruk av blandeinnretningen ifølge oppfinnelsen kan blandeprosessen reguleres ved hjelp av en enkelt parameter, f.eks. strømningshastigheten til pulvermaterialtilførselen. Det blir således for første gang mulig å anvende fullt ut automatiske teknikker ved en sementblandeinnretning.

Blandeinnretningen ifølge oppfinnelsen gir blandinger av bedre kvalitet enn det som oppnås ved kjente blandeinnret-ninger, kombinert med øket effekt av følgende grunner.

For det første anvendes strømningskrefter og hastigheter som eksisterer i blandeinnretningen for å suge inn pulvermaterialet.

Dessuten innføres pulvermaterialet direkte i en sone med høy turbulens, der blanding er mest effektiv. Materialet er således istand til å avgi det meste av den innesluttete luft.

F.eks. kan undertrykkssonen være ved - 0,6 bar mens den befinner seg i en sone som er under et trykk på 2,5 bar. Dette undertrykk muliggjør bruk av forskjellige pulver-material-tilførselssystemer, innbefattende pneumatisk eller

falltilførsel.

Andre fordeler og karakteristiske trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av følgende beskrivelse. Det vises til de vedlagte f igurer, dvs.: - Figur 1: delvis snitt gjennom en variant av en blandeinnretning ifølge oppfinnelsen, med blandekretsen vist skjematisk,

Figur 2: delvis snitt gjennom en annen variant,

Figur 3: skjematisk illustrasjon av et forstyrrelses-system ifølge oppfinnelsen, Figur 4: funksjonsdiagram som kan anvendes på sentrifugal-blandeinnretninger av den type som dekkes av oppfinnelsen. Figur 4 viser det generelle anvendelsesområdet for oppfinnelsen. Sentrifugal-blandeinnretningen består av et hus A i hvilket en rotor B roterer med høy hastighet, slik at en væske som tilføres gjennom en kanal C settes i hurtig rotasjon i én eller flere blandesoner F. Oppfinnelsen består i å skape et undertrykk i minst én av disse soner, for derved å besørge tilførsel av faste partikler til blandeinnretningen, samtidig som det sikres at et tilførselssystem D for faste partikler leverer direkte inn i sone F ved hjelp av en passende utfor-ming, montert ut fra veggen i huset.

Det vises nå til figur 1-3 som mer detaljert viser de varianter denne oppfinnelse frembringer.

I figur 1 har blandeinnretningen 1 et hus 2 som inneholder en øvre rotor 3 (også kjent som en "slynger") for å kaste pulvermaterialet, og en nedre rotor 4 ("impeller") som setter væsken under trykk ved sentrifugalvirkning.

Huset 2 er laget i flere deler for å muliggjøre enkel montering under anvendelse av festedeler 5. I den foretrukne versjon består huset av en nedre vegg 6 og øvre vegg 7, som begge er praktisk talt plane og sirkulære, og en vegg 8 som er sylindrisk.

Rotorene 3 og 4 er stivt forbundet med hverandre ved hjelp av festedeler 9, og montert på enden av en rotoraksel 10. Denne enhet drives av en motor 11 som er montert på en brakett (ikke vist), som i sin tur er festet til utstyrets understell eller til huset 2.

Den nedre rotor 4 er slik konstruert at dens rotasjon skaper en virvel som i sin tur frembringer en sugesone 13 i området ved en nedre åpning 14 beliggende i sentrum av den nedre vegg 6. Innløp 15 (for vann eller mer generelt, hvilken som helst fluidstrøm, eventuelt mettet eller inneholdende til-setninger) er montert ved denne åpning - vann suges inn og tvinges mot rotorens 4 omkretssone og fordeles generelt rundt blandeinnretningens hele omkretssone 16.

Rotorens 3 øvre ("kaste"-) flate eller side 17 er stort sett orientert i en radiell tverretning, dvs. vinkelrett på akselen 12. Flaten er toroidal, konkav og vendt mot husets øvre vegg 7. Rotoren kan også med fordel være forsynt med vertikale blad (ikke vist) som i US patent 4453829. Rotor-sentrifugeflaten er konstruert til å motta pulvermaterialet som tilføres av tilførselssystemet, og tvinger under rotasjon materialet ved hjelp av sentrifugalkraft mot rotorens omkretssone, og mer generelt, rundt blandeinnretningens omkretssone 16. Den (under trykk stående) blanding bestående av fluidet og pulveret, evakueres gjennom en utløpskanal 18 beliggende i blandeinnretningens omkretssone.

Blandeinnretningen 1 er integrert i et blandesystem bestående av blandevann-tank 19 som leverer via innløp 15 i den nedre del av blandeinnretningen, tilførseltrakt 20 som opptar pulveraktig materiale, som tilføres blandeinnretningen ved hjelp av et nedenfor beskrevet system, høytrykkspumpe 21 som mottar blandingen tilført fra utløp 18 (f.eks. slaggsement) og leverer den til arbeidsstedet (f.eks. oljebrønn for sementering).

Ovennevnte opplegg er en kjent metode, og er beskrevet i US patent 4 453 829 som det herved henvises til.

Oppfinnelsen er sentrert på erkjennelsen av trykkfenome-ner og fluiddynamikk i volum 2 3 som avgrenses av husets øvre vegg 7 og sentrifugeflate 17. Det nyttige volum som skal betraktes er volumet mellom den øvre kant av flaten 17 (som faller sammen med øvre kant av de vertikale blad), og den plane vegg 7. Høyden av dette volum er generelt omtrent det samme som volumet til den øvre rotor selv, som angitt i US patent 4 453 829. Likevel kan det vises at høyden av volumet 23 kan være halvparten til det dobbelte av rotorens 3 høyde.

Volumet 23 inneholder en indre "lomme" som utsettes for atmosfæretrykk og er omgitt av et område med forholdsvis høyt trykk.

Størrelsene og den relative plassering av disse soner avhenger av blandeinnretningens geometri (særlig formen av rotoren 3 og høyden av volumet 23), pluss rotasjonshastig-heten. Ikke desto mindre, når blandeinnretningen arbeider ved normal hastighet, er lommen generelt begrenset til den midterste del av sonen 23, og høytrykk-omkretssonen begynner temmelig nær senteret. Det er naturligvis mulig å sette opp en trykkplan for sonen 23 ved bruk av trykkfølere, for hvilken som helst gitt blandeinnretning.

Studeringen av strømmer i sonen 23 er en særlig vanskelig oppgave. Enkelt uttrykt, og uten en spesiell styringsteori, synes følgende fenomen å foreligge. For det første oppviser både væske- og faststoff-fåsene hurtig rotasjon med en stor tangensialkomponent, bestemt av rotorens rotasjonsretning. Dersom hastighetskomponentene undersøkes i et radialplan (f.eks. som vist i figur 1), sees en radial sentrifugalstrøm (pil 24) å forekomme i umiddelbar nærhet av den øvre rotor 3, direkte dannet av sistnevntes rotasjon og en radial sentri-petalstrøm (pil 25) i området ved husets øvre vegg 7, skapt ved reaksjon på sentrifugalstrømmen 24.

Mot sentrum av høytrykkssonen har strømmen en vertikalt nedadgående hastighetskomponent (pil 26) som forbinder strøm-mene 25 og 24.

Oppfinnelsen tilveiebringer et pulvermaterial-tilførsels-system med en anordning i det minste delvis beliggende i høy-trykks-omkretsområdet, og bestående av en skovl som rager langt ut fra husets øvre vegg 7 for derved å skape lokal forstyrrelse i strømmen, hvilket øker dens hastighet i kant-oppstrømsområdet og skaper en undertrykksone nedstrøms av kanten. Denne undertrykk-sone kommuniserer med pulver-material-tilførselssystemet. Det har vært vist at til tross for de meget høye hastigheter som oppnås og blandefenoménenes sensitive natur ved slike hastigheter, strekker forstyrrelsene seg ikke helt gjennom blandeinnretnings-volumet (hvilket ville være skadelig for effektiv blanding).

Ifølge den i figur 1 viste konstruksjon består forstyr-relsesanordningen av et stort sett sylindrisk rør 27 som er montert på veggen 7. Som vist i figur 3 kan røret være montert på skrå i forhold til strømmen (dvs. radielt (eller mot innsiden), og tangensielt). Den kan også være montert rett frem vinkelrett på veggen 7 (se figur 1). Røret er festet til veggen 7 ved hjelp av en klemme eller ved sveising, og kommuniserer med bunnen av trakten. Strømning fra trakten styres ved hjelp av ventil 30 (f.eks. spjeldventil eller sleideventil).

Figur 3 viser rørets 27 virkemåte. Røret skaper en lokal forstyrrelse i strømmen. Utenfor en viss avstand fra røret påvirkes ikke strømmen, hvilket, i betraktning av de høye rotasjonshastigheter og nærværet av mettete fluider som sirku-lerer med store hastigheter, er meget overraskende.

Innenfor den avgrensete forstyrrete sone kan forstyrrel-sen grovt analyseres som følger. Først kommer strømmen inn i nevnte volum ifølge linjene vist parallelt med sone 31. På grunn av utspringet som dannes av røret 27 og dets fremre kant 37, grupperes strømningslinjene gradvis mot soner 32 og 33. Ettersom den samme strøm må passere gjennom et mindre volum, øker strømmens hastighet og når et maksimum i sone 33 som grenser til den fremre kant. Deretter divergerer strømmen under dannelse av en forstyrret sone med undertrykk umiddelbart nedstrøms av den fremre kant. Deretter stabiliseres den inntil den fullstendig forlater den forstyrrete sone. En undertrykkssone 34 kommuniserer via røret 27 med trakten 20, eller i det minste med seksjonen nedstrøms av ventilen 30, og suger inn pulver som så fremføres av en strøm av fluid og materiale direkte inn i turbulenssonen 34.

Dette fører ikke bare til forbedret blanding, men gir også mer effektiv separasjon av pulveret og innesluttet luft. Sistnevnte kan unnslippe fra blandeinnretningen via den sentrale volumsone 23, dvs. gjennom undertrykkslommen, der en passasje er anordnet mellom akselen 10 og den øvre vegg av huset 2. Den bane som følges av luften som slipper ut fra huset er vist ved piler 35.

Undersøkelse av ovennevnte fenoméner, særlig fluiddyna-mikken, vil gjøre det lettere for spesialisten å identifisere andre ekvivalenter til den angitte geometri, særlig når det gjelder forstyrreren 27. Sistnevnte anordning kunne dessuten monteres et lite stykke inne i volumet som avgrenses av kaste-flaten 17 - i dette tilfelle ville det bare være nødvendig å begrense høyden av de vertikale blad på rotoren 3 (ikke vist).

Eventuell luft som ikke kan unnslippe fra pulveret under den innledende blanding når pulveret ankommer, vil skilles ut under påfølgende blanding i blandeinnretningens ytre avgren-sing 16, og vil unnslippe gjennom kanaler som forbinder dette område med lommen i volumet 23, via den øvre rotor 3. Disse kanaler kan bestå av hulrom 36 mellom rotorenes 3 og 4 res-pektive baksider, og kanaler 38 gjennom den øvre rotor 3 nær dens sentrum. I dette tilfelle er den bane som den unnslip-pende luft følger vist ved piler 37 og 35.

Ventilen 30 kan være av hvilkens om helst type. Det er

en fordel dersom den har form av en ringformet plate 39 som er anordnet i flukt med den øvre vegg 7 slik at den utgjør en del av veggen. Platen inneholder en åpning 40 (et ringformet segment) , som stenges ved hjelp av en sleideventil 41 (et større ringformet segment) som glir i en ringformet bane 42.

Det er også mulig å montere en sirkulasjonsledning 44 mellom blandeinnretningens utløp 18 og pumpen 21, slik at blandingen kan tilbakeføres til syklusens begynnelse, enten fordi den ikke har nådd den ønskete densitet, eller for å tillate densitetsmålinger i tilbakeføringsledningen ved hjelp av en densitetmåler 43.

Strømningsplanen for blandeinnretningen er ganske enkelt gitt ved: vanninnstrømning + sementinnstrømning = blandeinnretnings-avgang.

F.eks. under sementering av en oljebrønn e.l., er sement-volumet som leveres av pumpen 21 konstant, og bestemmes av pumpehastigheten. Det blandete materialets avgangshastighet gjennom 18 er konstant, eller kan lett holdes konstant.

Som følge av ovenstående argument, og i betraktning av blandeinnretningens strømningsplan, er vanninnstrømningen 15 en direkte funksjon av pulverinnstrømningen 27, som lett kan styres ved hjelp av ventilen 30.

Det skal bemerkes at det er faktisk mulig å styre sement-strømmen istedenfor vannstrømmen, ettersom levering av sistnevnte er tvangsmessig, som følge av den sugevirkning som skapes og på grunn av tyngdekraften, mens dette ikke er tilfelle med vanntilførselen. Sementstrømmen har således prio-ritet overfor vannstrømmen.

Ovenstående forenkler i betydelig grad de in situ operasjoner som er nødvendige for nøyaktig styring av slaggsement-densitet. Med denne oppfinnelse er det bare nødvendig å operere ventilen 30, og vanntilførselen styres automatisk. Anleggsingeniøren kan således lett holde en sementdensitetsverdi nær den optimale, gjennom hele sementeringsprosessen, og derved i stor grad øke sjansene for at operasjonen skal bli vellykket.

Trakten 20 kan være av falltilførseltypen eller av pneumatisk type.

Figur 2 viser en konstruksjonsvariant 1' av blandeinnretningen vist i figur 1. Deler som er felles for begge har samme henvisningstall.

Ved denne variant omfatter tilførselssystemet en skjerm 50 som omgir akselen og i sin øvre del består av en avskåret, oppad åpen seksjon 51 innrettet til å motta pulver som leveres fra trakten 20 via en ventil 52, sylindrisk senterseksjon 53 som trenger gjennom huset 2, og avskåret, nedad åpen nedre seksjon 54.

Et sirkulært rom 55 er dannet mellom senterseksjonen 53 og husets 2 øvre vegg, for å lette montering av skjermen 50. Dette mellomrom er dekket av en sirkulær dekkplate 56 som er festet til veggen.

Den avskårne nedre seksjons 54 bunnkant når praktisk talt til bunnen av volumet 23, i likhet med forstyrrerens 27 bunnkant i figur 1, og dens radiale avstand fra akselen 10 er slik at den plasseres innvendig i volumets 23 høytrykks-omkretsom-råde, og ikke i lommen.

Sentripetale (radiale) strømmer 25 og vertikalt nedadgående strømmer 26 kolliderer i skjermen 50, og danner derved en undertrykt sone like oppstrøms av kanten på den avskårne nedre seksjon 54 - dette innebærer at pulveret (tilførsel reguleres av ventilen 52) føres direkte inn i det sterkeste blandeområde. Andre ekvivalenter til denne geometri er også mulig.

Luft som unnslipper under denne blandeprosess kan strømme ut gjennom en sirkulær kanal 55.

Ventilen 52 kan være en av de typer som er nevnt under figur 1. Det er også mulig å ha en horisontal plate montert på rotoren 4, like under luftutløpsrommet 36. Dette gjør det mulig å avdele høytrykks-omkretsområdet i et fluidrikt område (under platen), og et fluidfattig område (over platen).

Claims (7)

1. Innretning for blanding av et fluid med faste partikler, idet fluidet og de faste partikler reagerer kjemisk med hverandre, omfattende: et hus (2) som avgrenser et blandevolum og opptar en hurtiggående rotor (3, 4) som innbefatter en øvre rotor (3) hvis overside (17) sammen med en øvre vegg (7) av huset (2) danner en blandesone (23), samt en nedre rotor (4) innrettet til å danne en hvirvel i en sugesone (13) beliggende mellom den nedre rotor (4) og en nedre vegg (6) av huset (2), tilførselsinnløp (15, 27, 50) innbefattende et fast- partikkel-tilførselsinnløp (27, 50) som leverer faste partikler til huset (2) i blandesonen (23) og et fluidtilførselsinnløp (15) for levering av fluidet i sugesonen (13) , en utløpskanal (18) som er forbundet med huset (2) for uttømming av blandingen, midler for fjerning av luft fra huset (2), karakterisert ved at fastpartikkel-tilførselsinnløpet (27, 50) rager inn i blandesonen (23) praktisk talt til bunnen av blandesonen (23) for derved, ved rotasjon av den hurtiggående rotor (3, 4), å levere faste partikler i en forstyrret sone med undertrykk umiddelbart nedstrøms av en fremre kant (37) på fastpartikkel-tilførsels-innløpet (27, 50) idet midlene for fjerning av luft omfatter en kanal utformet gjennom den øvre vegg (7) i blandesonen (23) .

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at luftfjerningsmidlene omfatter et hulrom (36) som er anordnet mellom baksiden av henholdsvis den øvre og nedre rotor (3, 4), samt kanaler (38) som strekker seg gjennom den øvre rotor (3).

3. Innretning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at densitetsverdien til den ferdige blanding kontrolleres ved hjelp av regulerbare tilførselsventiler (30, 52) som er anbrakt i en trakt (20) som kommuniserer med fastpartikkel-tilførselsinnløpet (27, 50).

4. Innretning ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at fastpartikkel-tilførselsinnløpet er et sylindrisk rør (27) som rager ut fra den øvre vegg (7) i avstand fra rotorakselen (10), idet luft-fjerningskanalen er anordnet mellom akselen (10) og røret (27) .

5. Innretning ifølge krav 4, karakterisert ved at det sylindriske rør (27) er anordnet i vinkel med rotorakselens (10) akse (12).

6. Innretning ifølge krav 1 til 3, karakterisert ved at fastpartikkel-tilførselsinnløpet er et sylindrisk rør, såsom en skjerm (50) anordnet koaksialt med rotorakselen (10), idet luftfjernings-kanalen er et sirkulært rom (55) som er anordnet mellom skjermen (50) og husets (2) øvre vegg (7).

7. Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at skjermen (50) har et utvidet, nedre parti (54).