[发明专利]优化混合过程的方法和装置

说明书

技术领域

本发明在宽范围上涉及混合系统。更具体地说，本发明涉及用于 采用成本、时间和性能高效的方式，混合液体材料和固体材料以取得泥 浆的装置和相关方法。该装置去除了固体-液体混合中任何剩余的气体 或空气，并改进混合过程。特别地，本发明提供了一种系统，该系统用 于持续混合水泥或其它流体、用于诸如油或气井的井的钻井、完井或增 产。

背景技术

当诸如油或气井的井已进行钻井时，经常期望使多个生产区域彼 此隔离，或与井本身隔离，以稳定井或防止区域之间的流体连通，或切 断诸如水的不期望流体产生。这种隔离典型地通过在井中安装管状套 管，并利用水泥填充套管的外部与井壁(地层)之间的环状空间实现。 通过将水泥浆沿套管向下泵送，以便水泥浆在井底处出来，并向上返回 套管的外部以填充环状空间，水泥通常被放置在环状空间中。虽然可以 在泵入井中前批量混合水泥，但是期望的是：刚好在泵入井中前，在地 面实现水泥浆的连续和优化混合。已被发现这实现了水泥性能的更好控 制和材料的更有效使用。

在这种操作中使用的水泥浆包括干材料和液体材料的混合物。该 液相典型地是水，并且因此容易获得和廉价。当添加到水中并混合时， 该固体材料确定了泥浆和水泥属性。图1和2显示了现有技术混合系 统的示意图。在图1中，经流量控制阀6，固体材料直接从缓冲罐8 被传送到混合器10，并运送进入具有混合水的混合桶5。水经由第一 水源1传送，并且当因为压力和流量问题，水量无法经由第一水源1 有效传送时，可选地经由第二水源7传送。利用泵4，通常是离心 泵，穿过再循环管11，该混合桶5的容纳物经再循环输入装置2再 循环到混合器10。输出装置3被提供用于泥浆泵入井中。在图2 中，经由流量控制阀16控制的直接馈送装置18，固体材料从料仓被 运送到混合器10，并被运送进入具有混合水的混合桶5。图2的混合 系统的其它部分类似于图1的混合系统的那些部分。US 4,007,921公 开了这种类型的混合器，用于将干颗粒与液体混合。

实际上，当使用现有技术的混合系统时，混合过程的效率会出现 问题。问题出现在混合固体组分与液体组分时，取得的泥浆包括剩余的 气体，剩余的气体影响到混合过程的性能。首先为确保快速混合，并且 其次为容易运送并引导入混合器，该固体组分处于粒状或粉末的状态， 自然的粒或粉间的空隙包含空气。该固体组分还能够通过空气流体化， 以使固体组分更易流动，尤其当与料仓使用时。当液体和固体组分将被 混合时，所有这种夹带空气将成为严重的问题。通过降低其性能，夹带 空气扰乱离心泵，并且从而扰乱所有混合系统的性能。

本发明寻求提供一种避免所述问题的混合系统。

发明内容

本发明提供了一种用于混合液体材料和固体材料的系统，所述系 统包括：(i)基本单元，用于液体材料和固体材料；(ii)液体材料源； (iii)固体材料源；(iv)液态/固态混合物输出装置；(v)注入单元，被连 接到液体材料源和固体材料源，并且注入单元将所述液体材料和所述固 体材料注入基本单元中；(vi)分离和提取单元，同时从基本单元分离和 提取来自液体材料和固体材料的混合物的剩余气体。

优选地，该混合系统还包括：提取单元，连接到液态/固态混合物 输出装置，并从基本单元提取基本上无气体的液态/固态材料。

优选地，该基本单元确保液体材料和固体材料的混合。更优选 地，基本单元是基本循环单元，基本循环单元确保以注入的方式经过再 循环输入装置，在注入装置中再循环液体材料和固体材料。所以，该基 本循环单元确保了液体材料和固体材料的混合。该再循环确保混合过程 中更好的效率，并避免浪费未完全混合的泥浆。

在优选实施例中，该系统应用于水泥浆，液体材料是水溶液 (水、固体添加剂、其它液体添加剂)并且固体材料是水泥混合物。为 混合水泥浆，该混合系统必须具有质量、成本和时间性能。由于其快 速、紧凑和高效特性，提出的混合系统具有所有这些特性。

优选地，该分离和提取单元是圆锥旋流单元，优选地为水力旋流 器类型。该旋流单元确保气体从泥浆快速和无成本地有效分离和提取。 该旋流单元还抑制了由于使用磨料组分的腐蚀问题，或由于在高速使用 固体组分的侵蚀问题。该分离和提取单元还可包括剩余气体输出装置， 所述剩余气体输出装置连接到周围大气。因为气体将自动到外部进入大 气，不必进行压力平衡。