攪拌器裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于對將固體引入容納有加壓流體的腔室進(jìn)行控制的新的和改進(jìn)的方法和裝置，例如，用于在井下壓裂操作(downhole fracking operat1n)中混合和泵送大量的液體/沙漿料的攪拌器。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明人之前已設(shè)計(jì)用于給定葉輪直徑比例的不同的槳片或葉片設(shè)計(jì)。在過去，葉片被設(shè)計(jì)以平衡固體和液體在圍繞葉輪葉片的外空間與葉輪組件的中心之間固體和液體混合的點(diǎn)，從而允許將干的沙經(jīng)由葉輪的中心而引入。在確定葉輪葉片的設(shè)計(jì)中需要考慮的其中一個點(diǎn)是固體顆粒的質(zhì)量流動速度或者流量，以及其在葉輪葉片的給定旋轉(zhuǎn)速度下的密度；以及將RPMs或速度乘以葉片的數(shù)量，其進(jìn)而將有助于形成在葉片之間的空間和其深度。
[0003]再另一個需要考慮的變量是沙從中心排出至葉輪區(qū)域的速度，其可受到所使用的排出器葉片和大體圓錐或凸起的中心的影響。此外，一旦根據(jù)沙顆粒的期望流動速度而形成排出器的直徑以及葉片的數(shù)量，則可確定葉輪的直徑及其葉片的形狀，從而實(shí)現(xiàn)沙顆粒通過葉輪區(qū)域的最佳流動速度。相反地，計(jì)算液體通過葉輪葉片之間的空間朝向葉輪組件的中心的逆流的速度是很重要的。由此，能夠確定將進(jìn)入流逆轉(zhuǎn)并推動漿料返回圍繞葉輪組件的外環(huán)形空間的最佳平衡點(diǎn)或者所需的葉片的尺寸和位置。
[0004]根據(jù)本申請人的美國專利第7，967，500號，其公開了葉片的配置和構(gòu)造，其中液體沿著初級葉片之間的路徑朝向葉輪的中心流動，直到其到達(dá)下一個葉片，這將使得其逆轉(zhuǎn)并從中心偏離流動。然而，需要在初級葉片之間的空間中使用阻擋葉片，從而保持葉輪的眼干燥并調(diào)節(jié)在眼的徑向向外的區(qū)域中的固體和漿料之間的平衡點(diǎn)，同時在寬范圍的質(zhì)量流速泵送漿料。此外，具有對葉輪葉片的設(shè)計(jì)的持續(xù)需要，其中不僅實(shí)現(xiàn)前述目的，還最小化所消耗的能量并在長期使用中減少磨損同時還簡化結(jié)構(gòu)并最少化在防止液體或漿料泄漏回至組件的眼或中間區(qū)域中所需的部件的數(shù)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供用于利用簡化的葉輪組件對液體和固體顆粒攪拌的新的和改進(jìn)的方法和裝置，其最小化磨損，能量消耗，以及部件的更換，同時保持最佳攪拌條件且防止液體或漿料逆流回至葉輪的眼中。
[0006]另一個目的是提供用于設(shè)計(jì)葉輪的方法，其考慮了大量的變量，包括在葉輪葉片的給定數(shù)量和旋轉(zhuǎn)速度以及其間隔下的流速、密度和顆粒尺寸。
[0007]另一個目的是提供葉輪組件，其具有結(jié)合至主葉片中的阻擋葉片表面，其間隔開并配置成保持最佳平衡以及將漿料從葉輪的眼偏轉(zhuǎn)離開。
[0008]另一個目的是通過盡量接近逆流的起點(diǎn)處阻擋逆流并使其被再定向回到圍繞葉輪組件的環(huán)形空間中而最小化在葉片之間的液體的逆流所產(chǎn)生的能量消耗。
[0009]在一個方面，葉輪組件的特征在于具有從底座板向上延伸的大體三側(cè)面葉片，底座板與葉輪的眼成圍繞關(guān)系，且進(jìn)而被環(huán)形殼體圍繞，各葉片具有相反側(cè)面，該相反側(cè)面從位于底座板的內(nèi)徑向邊緣處或與底座板的內(nèi)徑向邊緣相鄰的端面向外匯聚并且終止于位于或接近底座板的外周邊緣處的頂點(diǎn)。
[0010]在另一個方面，該裝置被設(shè)計(jì)用于壓裂操作，其通過在沙接近葉輪區(qū)域時從沙中將空氣選擇地移除而保持沙以硫化狀態(tài)輸送通過上顆粒入口，以及將沙從葉輪的眼散布開以保持一致的輸送，同時最小化堵塞并且在沙與水混合為將用于形成井下壓裂操作的漿料時保持沙的流動的一致高質(zhì)量速度。
[0011]在仍另一個實(shí)施方式中新的和改進(jìn)的排出器被插入在入口和葉輪組件之間，以加速沙從入口的輸送用于與在葉輪區(qū)域中的水混合。葉輪葉片的內(nèi)周圍端表面與從固體入口徑向向外延伸的排出器葉片對齊。排出器葉片在朝向其外徑向端厚度增加，且與下一個葉片的前端近得多，以阻擋在壓力下從環(huán)形殼體進(jìn)入葉輪組件的水流與通過排出器葉片被向外驅(qū)動的固體顆粒之間形成的漿料的逆流。
[0012]在另一個方面，葉輪葉片可包括朝向其內(nèi)端的阻擋橫檔，其更接近并面向各相鄰葉片的外徑向端，以重定向并防止?jié){料朝向葉輪的中心的逆流。
[0013]參考附圖并當(dāng)結(jié)合【具體實(shí)施方式】時，其它的方面和實(shí)施方式將更加明顯，且這里所公開的實(shí)施方式被考慮為示意性的而不是限制性的。
【附圖說明】
[0014]圖1是具有低輪廓攪拌器組件的液壓驅(qū)動混合系統(tǒng)的部分剖視的正視圖；
[0015]圖2是液壓驅(qū)動混合泵的部分剖視的另一個正視圖；
[0016]圖3是機(jī)械驅(qū)動混合泵的另一個形式的部分剖視的正視圖；
[0017]圖4是具有組合葉輪/排出器組件的攪拌器的第一實(shí)施方式的透視圖；
[0018]圖5是沿著圖7的線5-5截取的圖4的葉輪組件的橫剖視圖；
[0019]圖6是如圖4中所示的攪拌器組件上的頂蓋板的透視圖；
[0020]圖7是圖4至6中所示的葉輪/排出器組件的正視圖；
[0021]圖8是葉輪/排出器組件的第二實(shí)施方式的正視圖；
[0022]圖9是沿著圖7的線9-9截取的橫剖視圖；
[0023]圖10是圖8和9中所示的攪拌器組件上的蓋板的透視圖；
[0024]圖11是葉輪組件的第三實(shí)施方式的透視圖；
[0025]圖12是圖11的葉輪組件的攪拌器的另一形式的透視圖；
[0026]圖13是圖11的平面視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]第一個實(shí)施方式的具體說明
[0028]具體地參考附圖，裝置10為圖1中所示的液壓驅(qū)動混合器的形式，且其可被安裝在卡車上，卡車在此未示出，但在美國專利第7，967，500號中具體地示出和說明。如該專利的圖1和2中所示，增壓泵與進(jìn)入端口連通，例如這里的圖1中所示的進(jìn)入端口 24。如前面提到的專利中的圖1和2中所具體地示出的，在油和氣的操作中，例如壓裂井或注水泥固井中，泵10被與發(fā)動機(jī)一起安裝至車廂上，驅(qū)動機(jī)構(gòu)經(jīng)由減速器機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)提供至中間驅(qū)動軸。固體顆粒物質(zhì)(例如沙)通過螺旋鉆(auger)被從存儲區(qū)域運(yùn)輸至料斗(hopper)的上端，且由于重力前進(jìn)進(jìn)入葉輪區(qū)域。沙與通過端口 24引入的液體混合，且所得到的漿料在充分壓力下經(jīng)由排出端口 26通過輸送管排出以被輸送至井口。增壓泵調(diào)節(jié)在葉輪組件殼體的環(huán)形區(qū)域(annulus)中的壓力，且可被精密地控制以根據(jù)需要保持從泵的出口至進(jìn)入端口 24的恒定壓力水平，以及增大壓力。
[0029]作為第一實(shí)施方式的設(shè)置，在圖1中示出了裝置10，其具有大體漏斗形狀的料斗12，該料斗12向下匯聚并終止于下端13，該料斗12通過周向間隔開的支柱14而被安裝為與吊架(suspens1n mount)接近地間隔開并在其上方，該吊架用于在殼體20中的葉輪組件27。殼體20被支撐在底座支架22上，且包括進(jìn)入端口 24和出口端口 26，其與圍繞葉輪組件27的殼體20中的環(huán)形區(qū)域開放連通。
[0030]驅(qū)動軸30被居中地安裝在料斗10中，其中驅(qū)動軸30的下端在葉輪組件27的底座板34的中間處被樞軸地(journaled)安裝在轂32中，且驅(qū)動軸30的上端36被安裝在驅(qū)動電機(jī)11下方的軸承38中。在第一實(shí)施方式中，沙以及其它的與沙混合的干燥化學(xué)物質(zhì)通過重力前進(jìn)至中間攪拌器區(qū)域并且以下文中說明的方式被向外驅(qū)動以與經(jīng)由進(jìn)入端口 24被引入且進(jìn)入圍繞葉輪組件27的環(huán)形區(qū)域的液體(主要包括水)形成漿料。
[0031]圖4-6更詳細(xì)地示出了攪拌器單元27的第一實(shí)施方式，攪拌器單元27包括底座板34，其支撐在底座板34上安裝的外側(cè)向上延伸的葉輪