用于離心攪拌系統(tǒng)的方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】所描述的是將顆粒與液體攪拌以產(chǎn)生油田作業(yè)中使用的漿液。攪拌機具有面向上方的顆粒葉輪，顆粒葉輪具有平坦的基部、凸出的轂部、以及大體徑向地延伸且周向地間隔開的葉片，這些葉片從基部向上延伸。葉片從在葉片內(nèi)徑周圍間隔開的前緣延伸至在葉片外徑周圍間隔開的末端。相鄰的葉輪葉片之間限定有葉輪通道。顆粒葉輪不用作一般意義上的液體泵輪，且攪拌機并不作為一般意義上的泵來工作。葉輪具有若干優(yōu)選的直徑、間隙、高度、長度尺寸以及比值。寬而深的葉輪入口和淺而窄的出口改善了顆粒的進(jìn)入，并使葉輪扭矩最小化。葉片延伸部根據(jù)接觸給予顆粒速度，并使針對顆粒進(jìn)入速度的敏感度最小化。相鄰葉片的周向重疊部被最大化，降低了液體的回流。
【專利說明】用于離心攪拌系統(tǒng)的方法和設(shè)備
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本PCT申請要求享有于2012年9月11日提交的美國非臨時專利申請第13/609, 460號的優(yōu)先權(quán)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明大體涉及修井作業(yè)，更具體地，涉及一種用于在修井作業(yè)中將固體或粉狀顆粒與流體、混合物和/或漿液混合或攪拌的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0004]本發(fā)明大體涉及修井作業(yè)，更具體地，涉及一種在修井作業(yè)中可用于攪拌流體、混合物和/或漿液的裝置、系統(tǒng)和方法。
[0005]在石油工業(yè)中經(jīng)常執(zhí)行的井處理需要將干燥的顆粒材料與液體或膠體混合或攪拌。這樣攪拌的材料被用于各種井處理和完井程序中。例如，在破裂地層中利用井處理流體來升高或控制流體靜壓力等等。支撐劑、砂礫和其它干燥粉狀固體被與液體、液體混合物或膠體攪拌，以產(chǎn)生液體中混有顆粒的攪拌液體。在石油工業(yè)中，如何攪拌到基本上一致的均勻度是一個問題，對于高顆粒濃度、高攪拌速率、以及對于粘性較大的流體(例如膠體)而言尤其如此。這樣的攪拌流體典型地是通過將干燥顆粒與液體混合而形成的，該液體通常是水，也可以是基于碳?xì)涞牧黧w或其它流體。這樣的攪拌程序具有本質(zhì)問題，特別是在遙遠(yuǎn)的地點或當(dāng)需要大體積流體時。其它典型地會遇到的問題是流體中夾雜空氣、固體不充分濕潤、以及固體分散。不同的混合方法已經(jīng)被嘗試，并具有不同程度的成功。
[0006]常規(guī)的攪拌機是頂部敞開桶式攪拌機(open-top tub blender)或離心攪拌機。頂部敞開桶式攪拌機及其相關(guān)的缺點、局限性和問題在2008年4月8日授予Stephenson的美國專利第7，353，875號中進(jìn)行了討論，在此為所有目的通過引用結(jié)合該美國專利。因此，通常期望的是使用離心攪拌機系統(tǒng)。
[0007]在使用中，大體上存在三種離心攪拌機系統(tǒng)。Condor型攪拌機利用整體式泵輪(impeller)設(shè)計，其具有共用的帶有上葉片和下葉片兩者的基板部。下泵輪葉片將流體泵送至渦室內(nèi)。上葉輪葉片將砂礫排出至蝸室內(nèi)。抽吸和排出功能由共同的軸和泵輪來提供。這種共同的軸和泵輪的設(shè)置會損害泵輪的設(shè)計，而且還會在相對較高的排出壓力(例如60psi或更高)情況下產(chǎn)生砂礫注入，從而導(dǎo)致高腐蝕和空氣夾雜現(xiàn)象。Condor型混合器可從 Condor Engineering and Manufacturing, LLC 購到。Crown 型攬拌機利用由獨立電機驅(qū)動的兩個分離的泵輪型裝置。常規(guī)的具有泵輪的抽吸泵在所需的排出壓力(例如60psi或更高)將流體供給至混合泵輪，在混合泵輪處砂礫被注入流體流中。砂礫注入過程被迫在排出壓力(例如60psi或更高)下發(fā)生，這會轉(zhuǎn)化為高磨損和空氣夾雜。三獨立泵輪型攪拌機(見授予Stephenson等人的美國專利第7，353，875號)利用抽吸泵輪泵將低壓(例如10-15psi)流體供給至混合器，在混合器處，混合器的葉輪(expeller)將砂礫注入低壓流中。這需要相對較低的葉輪速度，并因此使得腐蝕速率降低并降低了空氣夾雜。漿液隨后在排出泵或泥漿泵中通過第三泵輪被調(diào)高至排出壓力(例如60psi或更高)。
[0008]關(guān)于這些攪拌機類型的使用和結(jié)構(gòu)的更多公開參見如下文獻(xiàn):授予Althouse III的美國專利第4，453，829號；授予McIntire的美國專利第4，614，435號；授予McIntire的美國專利第4, 671, 665號；授予McIntire等人的美國專利第4, 808, 004號；授予Arribau等人的美國專利第4，239，396號；授予Arribau等人的美國專利第4，460, 276號；授予Arribau等人的美國專利第4，850, 702號；授予Arribau等人的美國專利第4，915，505號；授予Grimland等人的美國專利第6，193，402號；授予Arribau的美國專利第7，334，937號；授予Stephenson等人的美國專利第7，353，875號；授予Phillippi等人的美國專利第7，048，432號，在此為了所有目的整體結(jié)合每份上述文獻(xiàn)。
[0009]通過利用專用的泵來將抽吸泵和/或排出泵與攪拌過程分離引導(dǎo)了現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)步。但是在攪拌過程中所使用的葉輪仍然存在問題。在油田作業(yè)中所目前使用的封閉式攪拌系統(tǒng)由以下任一種組成:由離心泵應(yīng)用變型而成的具有多個葉片的大且深的泵輪，例如“Crown”攪拌機,現(xiàn)在據(jù)信可作為加壓混合腔室攪拌機從Stewart和Stevenson處買到；或具有復(fù)雜的雙重模式的特制葉輪-泵輪設(shè)計，其潔凈側(cè)/骯臟側(cè)系統(tǒng)實現(xiàn)增大壓力和混合顆粒功能。這些設(shè)計集中于是否使用外部抽吸泵來將支撐劑混合到加壓流體容器中的過程。其它仍然存在的問題包括以足夠的速率來傳送支撐劑、減少因葉輪葉片的動作而引入流體中的空氣、使需用以旋轉(zhuǎn)葉輪的扭矩最小化，防止處理液回流到葉輪眼部內(nèi)、以及對支撐劑的入口速度相對不敏感。因此，需要改進(jìn)攪拌設(shè)備和葉輪設(shè)計。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]提出的是用于攪拌顆粒和液體以產(chǎn)生在油田作業(yè)中使用的漿液的設(shè)備和方法。具體地，本發(fā)明涉及一種攪拌機組件，其具有面向上方的顆粒葉輪，該顆粒葉輪被安裝在旋轉(zhuǎn)軸上且位于攪拌機殼體內(nèi)，該旋轉(zhuǎn)軸用于圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。攪拌機殼體限定位于顆粒葉輪上方的顆粒入口、靠近殼體的一側(cè)被定位的液體入口、以及漿液出口。顆粒葉輪具有基本平坦的基部、凸出的位于基部中央的轂部、基本平坦的底表面、以及多個大體上徑向地延伸且周向地間隔開的葉片，這些葉片從基部向上延伸，葉片從在葉片內(nèi)徑周圍間隔開的前緣延伸至在葉片外徑周圍間隔開的末端。相鄰的葉輪葉片之間限定有從葉片內(nèi)徑延伸至葉片外徑的葉輪通道。分離的抽吸泵和排出泵可用于將流體泵送至攪拌機組件中，且隨后升高漿液的壓力以進(jìn)行泵送，從而用于作業(yè)中。在優(yōu)選的實施例中，在至攪拌機殼體的入口處的液體壓力和在組件的出口處的漿液的壓力近似相等，并優(yōu)選為大約5-15pSi。攪拌機組件用于給予通過顆粒入口進(jìn)入的顆粒以能量，其中，進(jìn)入液體入口的液體與離開漿液出口的漿液處于基本上相等的壓力。
[0011]提出了一種用于在攪拌機殼體中將顆粒排出至液體內(nèi)的葉輪。葉輪的上表面上設(shè)有多個用于加速顆粒的葉片。優(yōu)選的葉輪不用作一般意義上的液體泵輪，在其下表面上不設(shè)有葉片，且攪拌機并不有效地作為一般意義上的流體泵來工作。在優(yōu)選的實施例中，葉輪被設(shè)計成為葉輪提供:寬而深的用于顆粒的入口 ；淺而窄的用于顆粒的出口 ；葉片延伸部，用于在顆粒與葉輪接觸時直接給予顆粒速度，并使針對顆粒入口速度的敏感度最小化；以及相鄰的葉片之間的被最大化的周向重疊部，用以降低液體回流到葉輪內(nèi)的可能性。在優(yōu)選的實施例中，多個葉輪的顆粒通道限定多個入口面積和多個出口面積，其中，入口面積之和與出口面積之和的比值大于1.0、或大于3.0。優(yōu)選地，每個葉片在距葉片內(nèi)徑較近處具有最大聞度，而在距葉片末端較近處具有最小聞度，且葉片最大聞度與葉片最小聞度之比大于約2.0。優(yōu)選地，殼體側(cè)壁限定殼體內(nèi)徑，且殼體內(nèi)徑與葉輪外徑之比大于約1.5。此夕卜，攪拌機組件優(yōu)選能夠?qū)⒚糠昼娂s200立方英尺的顆粒與液體攪拌，以形成漿液。相似地，其它性能和特點也是優(yōu)選的，例如葉輪能夠?qū)㈩w粒從顆粒入口處的約每秒I英尺加速至葉輪外徑處的約每秒3英尺；葉輪能夠?qū)㈩w粒從入口速度加速至出口速度，并且其中，入口速度和出口速度之比大于3.0 ;葉片限定約12-15度的出口角；一葉片的前緣和一相鄰葉片的末端之間的周向重疊部被設(shè)計為使流體進(jìn)入葉輪的回流最小化，并且其中，重疊部為大約30度。優(yōu)選地，葉輪具有相對淺的葉片延伸部，這些葉片延伸部從轂部徑向地延伸至相應(yīng)的葉輪葉片。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]為了更完整地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，現(xiàn)在參照附圖對本發(fā)明作具體描述，其中，對應(yīng)的附圖標(biāo)記在不同附圖中指代對應(yīng)的部件，附圖中:
[0013]圖1是根據(jù)本發(fā)明的攪拌及泵送系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)具有:攪拌機組件，用于將能量給予顆粒，并將顆粒與液體攪拌；抽吸離心泵，用于將能量給予液體，以將液體輸送至攪拌機組件；排出離心泵，用于將能量給予漿液；
[0014]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一方案用于攪拌機組件中的示例性葉輪的正交視圖；
[0015]圖3是圖2的示例性葉輪的局部剖視的俯視圖；
[0016]圖4是圖2和圖3的示例性葉輪的局部剖視的側(cè)視立體圖；
[0017]圖5是圖2至圖4的示例性葉輪的剖視的立體圖；以及
[0018]圖6是根據(jù)本發(fā)明的一種方案的葉輪的替代實施例的俯視圖。
[0019]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，諸如“上方”、“下方”、“上”、“下”、“向上”、“向下”之類方向性術(shù)語以及類似術(shù)語，是結(jié)合圖示實施例，按照圖中示出的那樣來使用的。“井上”和“井下”被用來表示相對于地面的位置或方向，其中，“井上”表示沿著井眼朝向地面的相對位置或運動，“井下”表示沿著井眼進(jìn)一步離開地面的相對位置或運動?！吧嫌巍焙汀跋掠巍北挥脕肀硎狙刂到y(tǒng)流動路徑的相對位置。

【具體實施方式】
[0020]雖然以下具體討論了本發(fā)明的多個實施例的實施和使用，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，本發(fā)明提出了可以在多個特定環(huán)境中實施的可應(yīng)用發(fā)明概念。在此討論的特定實施例以特定方式來說明，為的是實施和使用本發(fā)明，而不限定本發(fā)明的范圍。
[0021]在此所使用的術(shù)語“葉輪”(或類似術(shù)語)被用來表示作為攪拌功能的一部分而用于將能量或速度而給予顆粒的旋轉(zhuǎn)裝置。術(shù)語“泵輪”(或類似術(shù)語)被用來表示用于將能量或壓力給予液體的旋轉(zhuǎn)裝置。現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)?；煊眠@些術(shù)語。
[0022]在此術(shù)語“顆粒”被用來指干燥的粒狀材料，例如粉末、支撐劑、砂礫等或它們的混合物，所述顆粒被帶入液體中以產(chǎn)生井處理流體，井處理流體例如為壓裂液、液壓靜力控制流體等。術(shù)語“漿液”在此被用來指載有顆粒的液體、液體-顆?；旌衔铮瑵{液用在井處理中，漿液例如為帶有砂礫的膠體、帶有支撐劑顆粒的水等等。使用術(shù)語“漿液”時不考慮混合物的相對粘度或粘度的相對變化。
[0023]圖1是典型的攪拌及泵送系統(tǒng)10的示意圖，該系統(tǒng)具有:攪拌機組件12，用于將能量給予顆粒P，且將顆粒與液體F攪拌；抽吸離心泵14，用于將能量給予液體，以將液體輸送至攪拌機組件；排出離心泵16，用于將能量給予在攪拌機組件中產(chǎn)生的漿液S ;以及流體管道18，用于連接系統(tǒng)的這些部件。但在優(yōu)選實施例中，系統(tǒng)10如圖所示包括抽吸泵和排出泵兩者。離心泵在工業(yè)中按本領(lǐng)域公知的那樣被普遍使用，在此不再描述。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的一種方案的攪拌機組件具有殼體21，該殼體中安裝有用于旋轉(zhuǎn)的葉輪20。優(yōu)選通過螺栓或銷將葉輪20附接至旋轉(zhuǎn)軸22，該旋轉(zhuǎn)軸由附接電機24驅(qū)動，附接電機24附接至軸承箱26。顆粒在顆粒入口 28處被輸入攪拌機組件中，并可以通過料斗30被引導(dǎo)或輸送，如本領(lǐng)域公知的，輸送組件具有螺旋推運器、顆粒源等。旋轉(zhuǎn)軸附接至葉輪的眼部，并形成位于顆粒入口下方的中央轂部。殼體21優(yōu)選為蝸形殼32，蝸形殼32具有顆粒入口 28、液體入口 34以及漿液出口 36。液體入口 34優(yōu)選在靠近葉輪基板部40的高度輸送進(jìn)入的液體。如圖所示，漿液出口 36優(yōu)選從靠近殼體21的底部39處延伸。
[0025]如圖所示，殼體包括殼體頂部38和底部39，殼體頂部38和底部39連接至蝸形殼壁32。該頂部優(yōu)選符合葉輪的頂部輪廓，限定該頂部與葉輪頂部之間的葉輪上部間隙。在優(yōu)選的實施例中，殼體容納大約三桶(barrel)的容積。多余的容積允許有殘余容積，從而能夠從不規(guī)則的液體或顆粒源恢復(fù)。
[0026]在優(yōu)選的實施例中，抽吸離心泵14向液體施加相對低的壓力，該相對低的壓力為大約5-15psi。相似地，從攪拌機組件被排出的漿液也處于較低的壓力，該較低的壓力例如為大約5-15psi。這些相對較低的壓力是因攪拌機組件不作為排出泵工作而產(chǎn)生。由于流體在殼體中旋轉(zhuǎn)，所以攪拌機組件上的最小流體壓力升高。但是與許多現(xiàn)有技術(shù)的裝置不同，所述攪拌機不會使壓力顯著升高。同樣具有排出泵功能的現(xiàn)有技術(shù)的裝置則會典型地將流體壓力升高至60-80psi的范圍中。本發(fā)明的排出離心泵16在殼體中發(fā)生攪拌之后，對于漿液執(zhí)行壓力升高的功能，并將流體壓力升高至相對高的壓力，該相對高的壓力例如為大約60-80psi。
[0027]圖2是在根據(jù)本發(fā)明的一種方案的攪拌機組件12中使用的示例性葉輪20的正交視圖。圖3是圖2的示例性葉輪的俯視圖。圖4是圖2和圖3的示例性葉輪的側(cè)視立體圖。圖5是示例性葉輪的剖視的立體圖。葉輪20具有基板部40和轂部42，基板部40限定基本上平坦的環(huán)形區(qū)域，轂部42向上延伸而處于中央處且呈弧形或圓錐形，該轂部具有轂部直徑b，并在基板部上方延伸轂部高度B。轂部具有外側(cè)呈弧形或圓錐形的表面或壁43。轂部圍繞旋轉(zhuǎn)中心或旋轉(zhuǎn)軸線A旋轉(zhuǎn)。轂部42包括連接機構(gòu)44，舉例來說，連接機構(gòu)44用于可釋放地附接至動力軸。葉輪20被安裝為在攪拌機組件殼體21內(nèi)旋轉(zhuǎn)?；宀?0具有上表面46，并限定有基板部外徑(OD) 48。
[0028]示例性葉輪具有六個葉片50A-50F，這六個葉片從基板部40延伸。葉片50大體上徑向地延伸，周向地間隔開的這些葉片從基板部40的上表面46向上延伸。葉輪沿著箭頭指示的方向旋轉(zhuǎn)。其它的實施例可具有不同數(shù)量的葉片。每個葉片50具有兩個弧形的、基本上豎直的表面52a-52f，這些表面隨著基板部的直徑增大而分開。在任一個葉片的兩側(cè)葉片表面52之間限定的空間均是實心的或封閉的，以避免液體或顆粒進(jìn)入該空間。葉片表面52受到顆粒的磨損，且優(yōu)選由硬化材料54形成，或在葉片表面上安裝有硬化材料。硬化材料可以作為板材附接至葉輪或與葉輪成一體，并且無需在葉片表面52的整個區(qū)域上延伸。每個葉片50的前緣53優(yōu)選在葉片表面52的會合處形成基本豎直線。例如，葉片50A具有表面52a，表面52a在葉片的ID處會合成豎直線53a，等等。在優(yōu)選的實施例中，葉片的前緣限定豎直線，實際上面向內(nèi)部的葉片表面不會受到大量磨損。與這些線相交的虛擬圓柱形限定葉片內(nèi)徑(ID) 56。該界限也被稱為葉輪的“嘴部”或“眼部”。
[0029]葉片從轂部徑向向外地延伸一段距離，以限定葉片0D58，葉片OD優(yōu)選與基板部OD一致。如最好地在圖4中所示，葉片向上延伸一段葉片高度。在優(yōu)選的實施例中，葉片沿著其徑向長度而改變高度，隨著葉片靠近基板部OD而降低高度。如最好地在圖4中所示，每個葉片優(yōu)選在葉片OD (以及基板部0D)處具有最小高度h，且優(yōu)選在靠近葉片ID處具有最大高度H。在優(yōu)選的實施例中,最小高度為大約6英寸，而最大高度為大約9英寸。在其它實施例中，示例性葉片可以沿著其徑向范圍具有統(tǒng)一的高度。此外，在附接于殼體頂部38的磨損環(huán)41和葉輪的上表面之間限定有軸向間隙距離d。間隙距離d優(yōu)選相對地小，例如介于0.03英寸和0.10英寸之間。間隙距離未按照比例示出。
[0030]在優(yōu)選的實施例中，葉輪設(shè)計還包括淺葉片延伸部60A-60F，該葉片延伸部在葉片ID56與處于基板部40的旋轉(zhuǎn)中心的轂部42之間，跨過葉輪嘴部徑向地延伸。葉片延伸部60相對地淺，以使低速度的顆粒能夠填充相鄰的葉片延伸部之間的空間，并在顆粒撞擊葉輪的基板部時使顆粒產(chǎn)生徑向和切向的速度。葉片延伸部60向上延伸一段延伸高度62，該延伸高度優(yōu)選越靠近葉輪嘴部的OD則越大，并且越靠近轂部的弧形表面則越小(甚至為O)。
[0031]殼體21的圓柱壁32的內(nèi)表面與基板部OD以徑向間隙距離D而間隔開。由于攪拌機組件在相對低的壓力下作業(yè)，所以對于其中的攪拌機組件必須既進(jìn)行混合又施加流體壓力的系統(tǒng)，殼體壁并不被設(shè)置成與葉輪OD有緊密的公差。
[0032]通常葉片被設(shè)計為:限定深而寬的葉片通道入口，以有助于顆粒進(jìn)入位于葉片之間的通道；最大化多個葉片在OD處的“重疊部”，以減少潛在的液體回流；限定在OD處窄而淺的葉片出口開口，以最小化扭矩的需求；以及在轂部和葉片ID之間設(shè)置淺葉片延伸部，以使針對顆粒進(jìn)入速度的敏感度最小化，并在顆粒與葉輪的碰撞時快速給予顆粒速度。
[0033]葉輪葉片傳送顆粒，使顆粒通過進(jìn)入葉輪嘴部的顆粒入口 28，而進(jìn)入殼體21，且離開葉輪的旋轉(zhuǎn)中心而至葉輪的0D，顆粒被投入殼體中，并在殼體中與處理液混合以形成漿液，處理液已經(jīng)在相對低的壓力(在5至15psi的量級)通過液體入口 34進(jìn)入殼體21。隨后漿液流出攪拌機組件，并流至用以形成壓力(在60至70psi的量級)的專用排出泵。葉輪設(shè)計優(yōu)選被優(yōu)化，以便用足夠的速率來傳送顆粒、由葉片的動作將最少的空氣引入流體、最小化需用以旋轉(zhuǎn)葉輪的扭矩、防止處理流體回流至葉輪眼部中、并對顆粒的入口速度相對不敏感。
[0034]在相鄰的葉片50之間限定有葉輪通道70A-70F，這些葉輪通道從葉輪嘴部56延伸至葉片基板部0D58。例如，在相鄰的葉片50A和50B之間限定有葉輪通道70A。每個通道70A-70F具有相應(yīng)的入口 72a-72f和出口 74a_74f。通道入口 72具有入口面積73，該入口面積由位于葉輪嘴部(葉片ID)處的相鄰葉片之間的距離i與在葉片ID處的葉片高度H相乘來限定。相似地，每個通道70具有相應(yīng)的通道出口 74，通道出口 74具有出口面積75，該出口面積由位于葉輪OD處的相鄰葉片末端76之間的距離t與在該處的葉片高度h相乘來限定。通過分別將單個入口面積和出口面積加在一起，來計算總?cè)肟诿娣e和總出口面積。
[0035]葉輪通道出口面積優(yōu)選被最小化。葉輪上的抗力扭矩是由葉輪通道出口的尺寸產(chǎn)生的，并取決于葉輪通道出口的尺寸。相對較小的出口面積使驅(qū)動軸和電機上的扭矩最小化，并使操作攪拌機組件所必需的馬力最小化。葉輪通道入口優(yōu)選被最大化，這是因為入口面積會限制顆粒進(jìn)入和通過通道的流速。在優(yōu)選的實施例中，總?cè)肟诿娣e與總出口面積的比值大于I。
[0036]如圖3所示，相鄰的那些葉片50限定出重疊部80，重疊部80處在一個葉片的位于葉片ID處的前緣和相鄰葉片的位于OD處的葉片末端76之間。重疊部80優(yōu)選被最大化，以減少或消除進(jìn)入葉輪嘴部的回流(特別是在關(guān)閉時)。在優(yōu)選的實施例中，重疊部為30°。
[0037]如圖3所示，每個葉片50也限定出口角α。較大的出口角通常會產(chǎn)生較好的性能，這是因為顆粒會更好地從葉輪滑落。在優(yōu)選的實施例中，出口角為至少12°。在另一優(yōu)選的實施例中，出口角為約12°和15°之間。出口角α是葉片的凹側(cè)在葉片的前緣處相對于由葉片ID在同一點限定的圓周的切線的角度。出口角α是作為處在如下兩條直線之間的角度來測量的:1)與葉片的凹面在前緣(或葉片ID)處相切的直線，和2)與從葉輪旋轉(zhuǎn)中心延伸至葉片前緣(或前緣的凹側(cè))的徑向線相切的直線。
[0038]轉(zhuǎn)到提供了關(guān)鍵的尺寸和參數(shù)的示例性六葉片攪拌機系統(tǒng)，其中的尺寸和參數(shù)是近似值。也可使用其它尺寸和參數(shù)。轂部具有6英寸的直徑。嘴部或葉片ID是17英寸。葉輪OD是26英寸。殼體壁具有40英寸的直徑，OD間隙為14英寸。葉輪總?cè)肟诿娣e是葉輪總出口面積的大約三倍。例如，葉輪通道葉片ID是17英寸，而葉片高度在嘴部處是9英寸，使得總?cè)肟诿娣e為480平方英寸。葉輪通道出口在相鄰的葉片表面之間具有4英寸的間隙，且葉片高度在OD處為6英寸，使得六個出口的總出口面積是144平方英寸，或大約為入口面積的三分之一。通過入口面積的顆粒速度為最大每秒I英尺，離心力為85G。顆粒入口流速是每秒5760立方英寸(480平方英寸的入口面積，每秒12英寸的入口速度)，或每分鐘345600立方英寸或200立方英尺。這是每分鐘200標(biāo)準(zhǔn)袋砂礫的速度。出口速度是每秒3.3英尺。淺葉片延伸部優(yōu)選保持在最小高度，以使顆粒有時間自由地落下，來填充這些延伸部之間的空間。在自由落下I英尺處，在葉片之間約1.6英寸的延伸高度，當(dāng)0.0167秒時最大砂礫速度為每秒8英尺。計算流體動力學(xué)的分析表明，淺葉片延伸部帶入攪拌組件中的空氣較少。
[0039]系統(tǒng)的額外益處包括因研磨漿液的速度相對較低而使葉輪和殼體的磨損可能性降低、沒有密封件(在葉輪軸上的機械密封件)(僅通過離心來密封)的攪拌系統(tǒng)、以及獨立于顆粒入口速度的顆粒處理能力。
[0040]圖6是根據(jù)本發(fā)明的一種方案的替代的葉輪的俯視圖。圖6中示出的葉輪類似于上述的葉輪，但是本實施例設(shè)有五個葉片，而非六個葉片。技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到葉片數(shù)量的優(yōu)點和缺點。因為以上非常詳盡地描述了六葉片葉輪，所以在此將簡短地討論五葉片實施例，而不討論每個葉輪元件、測量值等。
[0041]示例性葉輪120具有5個葉片150Α-150Ε，這5個葉片從基板部140的正面146向上延伸。每個葉片150具有兩個弧形的基本上豎直的表面152a-152f，這兩個表面隨著基板部直徑的增大而分開。在葉片上可見硬化材料154，硬化材料用以防止磨損。每個葉片150的前緣153優(yōu)選在葉片表面的會合處形成基本豎直線。與前緣相交的虛擬圓柱形限定了葉片內(nèi)徑(ID) 156、或嘴部。
[0042]葉片從凸起的轂部142徑向向外地延伸，并限定了葉片0D，葉片OD優(yōu)選與基板部OD —致。在優(yōu)選的實施例中，葉輪設(shè)計也包括淺葉片延伸部160A-160E，淺葉片延伸部160A-160E跨過葉輪嘴部徑向地延伸。這些葉片延伸部160相對地淺，以使得低速顆粒能夠填充相鄰的葉片延伸部之間的空間，并且在顆粒撞擊葉輪的基板部時產(chǎn)生顆粒的徑向和切向速度。
[0043]葉輪葉片傳送顆粒，使顆粒通過顆粒入口進(jìn)入殼體且進(jìn)入葉輪嘴部，離開葉輪的旋轉(zhuǎn)中心而至葉輪的0D，顆粒被投入殼體中并與處理液混合以形成漿液，處理液則已經(jīng)在相對低的壓力(在5至15psi的量級)通過液體入口進(jìn)入殼體。隨后漿液流出攪拌機組件，并流至用以形成壓力(在60至70psi的量級)的專用排出泵。葉輪設(shè)計優(yōu)選被優(yōu)化為，以便用足夠的速率來傳送顆粒、由葉片的動作將最少的空氣引入流體、最小化需用以旋轉(zhuǎn)葉輪的扭矩、防止處理流體回流至葉輪眼部中、并對顆粒的入口速度相對不敏感。
[0044]在相鄰的葉片150之間限定有葉輪通道170A-170E，這些葉輪通道從葉輪嘴部延伸至葉片基板部0D。每個通道170A-170E具有相應(yīng)的入口 172A-172E和出口 174A-174E。通道入口 172限定入口面積173。相似地，每個通道170具有相應(yīng)的通道出口 174，通道出口 174限定出口面積175。通過將單個入口面積和出口面積分別加在一起，來計算出總?cè)肟诿娣e和總出口面積。并非所有部件都在圖6中被標(biāo)記出，以上面積以虛線弧示出，相應(yīng)的高度則未示出。參照圖2至圖5中相應(yīng)的部件和面積以供參考。
[0045]葉輪通道出口面積優(yōu)選被最小化。葉輪上的抗力扭矩是由葉輪通道出口的尺寸產(chǎn)生的，并取決于葉輪通道出口的尺寸。相對較小的出口面積使驅(qū)動軸和電機上的扭矩最小化，并使操作攪拌機組件所必需的馬力最小化。葉輪通道入口優(yōu)選被最大化，這是因為入口面積會限制顆粒進(jìn)入通道和通過通道的流速。
[0046]如圖3所示，相鄰的葉片150限定出重疊部180，重疊部180處在一個葉片的位于葉片ID處的前緣和相鄰葉片的位于OD處的葉片末端76之間。重疊部80優(yōu)選被最大化，以減少或消除進(jìn)入葉輪嘴部的回流(特別是在關(guān)閉時)。在優(yōu)選的實施例中，重疊部是30°。在優(yōu)選的實施例中，入口與重疊部之比大于I。每個葉片150也限定出口角β。
[0047]在使用中，該機組和系統(tǒng)用于將顆粒與液體攪拌或混合，以在油田應(yīng)用或作業(yè)中使用。多個示例方法以及方法中的多個步驟在此列出；并非所有步驟都是必須的，這些步驟并非必須按照順序被示出；權(quán)利要求將本發(fā)明限定如下:一種用于攪拌顆粒材料和液體以產(chǎn)生用于油田作業(yè)的漿液的方法，該方法包括如下步驟:將液體提供至攪拌機組件；將顆粒提供至攪拌機組件；使用攪拌機組件將顆粒和液體攪拌以產(chǎn)生漿液，該攪拌機組件用于將顆粒排出至液體內(nèi)，并具有被安裝為用于在攪拌機殼體中旋轉(zhuǎn)的葉輪，該葉輪具有多個大體上徑向地延伸且周向地間隔開的葉片，每個葉片從圓形基板部向上延伸，這些葉片從葉片內(nèi)徑延伸至葉片外徑，在相鄰葉片之間限定有多個葉輪通道；將漿液從攪拌機組件中排出；在油田作業(yè)中使用該漿液。一種方法，其中，將液體提供至攪拌機組件的步驟還包括以第一壓力提供液體的步驟；其中，將漿液從攪拌機組件排出的步驟還包括以第二壓力排出漿液的步驟；其中，第一壓力和第二壓力處在5-15psi的范圍中。一種方法，其中，每個葉輪通道限定有入口面積和出口面積，并且其中，入口面積與出口面積的比值大于1.0。一種方法，其中，入口面積與出口面積的比值大于2.5。一種方法，其中，提供液體的步驟還包括將液體泵送至攪拌機組件中的步驟。一種將漿液從攪拌機組件排出的方法還包括使用排出泵來泵送漿液，該排出泵被流體地連接至攪拌機組件。一種方法，其中，使用排出泵來泵送漿液的步驟還包括在漿液離開攪拌機組件之后，將漿液中的壓力增大至約60-80psi的步驟。一種方法，其中，每個葉片在距葉片內(nèi)徑較近處具有最大高度，而在距葉片末端較近處具有最小高度，并且其中，葉片最大高度與葉片最小高度之比大于約2.0。一種方法，其中，攪拌機組件具有限定殼體內(nèi)徑的殼體側(cè)壁，該側(cè)壁與葉輪的外徑徑向地間隔開，其中殼體內(nèi)徑與葉輪外徑之比大于約1.5。一種方法，還包括將每分鐘約200立方英尺的顆粒與液體攪拌以形成漿液的步驟。一種方法，還包括將顆粒從約每秒I英尺加速至靠近葉輪外徑處的約每秒3英尺的步驟。一種方法，還包括將顆粒從入口速度加速至出口速度的步驟，并且其中，入口速度與出口速度之比大于3.0。
[0048]雖然參照示出的實施例對本發(fā)明進(jìn)行描述，但本說明書不應(yīng)在限定意義上被解讀。根據(jù)本說明書，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可對本發(fā)明示出的實施例以及其它實施例進(jìn)行各種修改和結(jié)合。以下對本發(fā)明的說明性實施例進(jìn)行具體描述。為清楚起見，在本說明書中并未描述出實際應(yīng)用中的所有特征。在任何商業(yè)或物理實施例的開發(fā)中，必須形成許多特有的實施決定，以達(dá)到
【發(fā)明者】的特定目的，例如遵守系統(tǒng)相關(guān)和商業(yè)相關(guān)的約束，這種約束在不同實施方式中會變化。此外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這樣的開發(fā)工作可能復(fù)雜且耗時，盡管如此，對從本發(fā)明獲益的本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)人員來說仍然是例行的任務(wù)。因此，隨附權(quán)利要求旨在包括任何這樣的修改或?qū)嵤├?br> 【權(quán)利要求】
1.一種用于將顆粒材料與液體攪拌以產(chǎn)生用于油田作業(yè)的漿液的攪拌機系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 攪拌機組件，具有: 面向上方的顆粒葉輪，被安裝于旋轉(zhuǎn)軸上且位于攪拌機殼體內(nèi)，所述旋轉(zhuǎn)軸用于圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)； 所述攪拌機殼體限定位于所述顆粒葉輪上方的顆粒入口、靠近所述殼體的一側(cè)被定位的液體入口、以及漿液出口 ； 所述顆粒葉輪具有基本平坦的基部、凸出的位于所述基部中央的轂部、基本平坦的底表面、以及多個大體上徑向地延伸且周向地間隔開的葉片，所述葉片從所述基部向上延伸，所述葉片從在葉片內(nèi)徑周圍間隔開的前緣延伸至在葉片外徑周圍間隔開的末端；以及 其中，相鄰的葉輪葉片之間限定有從葉片內(nèi)徑延伸至葉片外徑的葉輪通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括被流體地連接至所述攪拌機組件的液體入口的抽吸泵，所述抽吸泵用于將能量給予液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述抽吸泵用于給予液體約5-15psi的壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，還包括被流體地連接至所述攪拌機組件的漿液出口的排出泵，所述排出泵用于將能量給予液體，所述排出泵用于給予漿液相對高的壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述排出泵用于給予漿液約60-80psi的排出壓力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述攪拌機組件用于將能量給予通過所述顆粒入口進(jìn)入的顆粒，并且其中，在使用中，進(jìn)入所述液體入口的液體與離開所述漿液出口的漿液處于基本上相等的壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述攪拌機組件能夠操作以接收約5-15psi的液體，并排出約5-15psi的漿液。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述葉輪通道具有通道入口和通道出口，每個通道入口限定入口面積，且每個通道出口限定出口面積，并且其中，所述入口面積之和與所述出口面積之和的比值大于1.0。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述入口面積之和與所述出口面積之和的比值約為3.0。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，每個葉片在距葉片內(nèi)徑較近處具有最大高度，而在距葉片末端較近處具有最小高度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述葉片的最大高度與所述葉片的最小高度之比大于約2.0。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述殼體具有限定殼體內(nèi)徑的側(cè)壁，所述側(cè)壁與所述葉輪的外徑徑向地間隔開，并且其中，殼體內(nèi)徑與葉輪外徑之比大于約1.5。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述攪拌機組件能夠?qū)⒚糠昼娂s200立方英尺的顆粒與液體攪拌，以形成漿液。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述葉輪能夠?qū)㈩w粒從所述顆粒入口處的約每秒I英尺加速至葉輪外徑處的約每秒3英尺。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述葉輪能夠?qū)㈩w粒從入口速度加速至出口速度，并且其中，入口速度和出口速度之比大于3.0。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述葉片限定約12°-15°的出口角。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，在一葉片的前緣和一相鄰葉片的末端之間的周向重疊部被設(shè)計為使進(jìn)入所述葉輪的流體的回流最小化。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述重疊部為大約30°。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述葉輪還具有多個從所述轂部大體上徑向地延伸至相應(yīng)的葉輪葉片的相對淺的葉片延伸部。
20.一種用于攪拌顆粒材料和液體以產(chǎn)生用于油田作業(yè)的漿液的方法，該方法包括如下步驟: 將液體提供至攪拌機組件； 將顆粒提供至所述攪拌機組件； 使用所述攪拌機組件攪拌顆粒和液體以產(chǎn)生漿液，所述攪拌機組件用于將顆粒排出至液體內(nèi)，并具有被安裝以在攪拌機殼體中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的葉輪，所述葉輪具有多個大體上徑向地延伸而周向地間隔開的葉片，每個葉片從圓形基板部向上延伸，所述葉片從葉片內(nèi)徑延伸至葉片外徑，在相鄰的葉片之間限定有多個葉輪通道； 從所述攪拌機組件中排出漿液； 在油田作業(yè)中使用漿液。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，將液體提供至所述攪拌機組件的步驟還包括以第一壓力提供液體的步驟； 其中，從所述攪拌機組件排出漿液的步驟還包括以第二壓力排出漿液的步驟；并且 其中，所述第一壓力和所述第二壓力處于5-15psi的范圍中。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，每個葉輪通道限定入口面積和出口面積，并且其中，所述入口面積與所述出口面積的比值大于1.0。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述比值大于2.5。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，提供液體的步驟還包括將液體泵送至所述攪拌機組件中的步驟。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，將漿液從所述攪拌機組件排出還包括使用排出泵來泵送漿液，所述排出泵被流體地連接至所述攪拌機組件。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，使用排出泵來泵送漿液的步驟還包括在漿液離開所述攪拌機組件之后，將漿液中的壓力增大至約60-80psi的步驟。
27.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，每個葉片在距葉片內(nèi)徑較近處具有最大高度，而在距葉片末端較近處具有最小高度，并且其中，葉片最大高度與葉片最小高度之比大于約 2.0。
28.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述攪拌機組件具有限定殼體內(nèi)徑的殼體側(cè)壁，所述側(cè)壁與所述葉輪的外徑徑向地間隔開，并且其中，殼體內(nèi)徑與葉輪外徑之比大于約1.5。
29.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括將每分鐘約200立方英尺的顆粒與液體攪拌以形成漿液的步驟。
30.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括將顆粒從約每秒I英尺加速至靠近葉輪外徑處的約每秒3英尺的步驟。
31.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，還包括將顆粒從入口速度加速至出口速度的步驟，并且其中，入口速度與出口速度之比大于3.0。
【文檔編號】B01F3/12GK104411394SQ201380035563
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月11日
【發(fā)明者】C·斯德格摩勒, C·海特曼, S·斯蒂芬森, H·霍里奈克 申請人:哈利伯頓能源服務(wù)公司