гидросмеситель для приготовления растворов

Формула изобретения

Гидросмеситель для приготовления растворов, содержащий приемную камеру, установленный над ней бункер, конфузор, смесительную камеру, диффузор и разгрузочную трубу с эжекционной камерой, сообщающейся с бункером посредством трубопровода с запорно-регулирующим узлом, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен сменной насадкой, размещенной в коробке с элементом быстроразъемного соединения, прикрепленной к стенке приемной камеры, фильтром, установленным в коробке перед сменной насадкой, крутоизогнутым фитингом, подсоединенным к разгрузочной трубе и оборудованным противоабразивным элементом, напорным рукавом, прикрепленным к крутоизогнутому фитингу и снабженным сливным устройством, имеющим патрубок с тупиковым участком и сливной патрубок, бункер выполнен в виде воронки, а сменная насадка и конфузор соосно размещены на противоположных стенках приемной камеры на расстоянии между торцами в пределах 150 - 230 мм, при этом диаметры цилиндрической части конфузора и смесительной камеры находятся в пределах 60 - 80 мм, с длиной последней в пределах 200 - 450 мм, а фильтр имеет диаметр отверстий в пределах 5 - 8 мм с их суммарной площадью, превышающей площадь проходного сечения сменной насадки, при этом пропускная способность через них рабочей жидкости должна составлять до 25 дм³/с при давлении нагнетания в пределах 4,0 - 10,0 МПа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к смесительной технике и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности, в геологоразведке для приготовления тампонажных и буровых растворов при цементировании обсадных колонн и бурении нефтяных и газовых скважин, а также в строительной и других отраслях промышленности.

Известна цементно-смесительная машина 2СМН-20 (УС6-30), включающая смесительное устройство вакуумно-гидравлического типа.

Смесительное устройство состоит из приемной емкости (приемной камеры) с диффузором, переходящим в напорную трубу (разгрузочную трубу), штуцерную камеру (коробку под насадки) со сменной насадкой, при этом приемная емкость (приемная камера) крепится к приемной воронке (см. "Справочное руководство по цементировочному оборудованию". - М. : Недра, 1979, с.23, авторы О.И. Бездробный, А.И.Булатов и др.).

Основными недостатками в работе цементно-смесительной машины 2СМН-20 (УС6-30) и смесительного устройства для приготовления растворов (гидросмесителя), входящего в его состав основным узлом, являются:

- неравномерность поступления цемента в смесительное устройство, что вызывает значительные колебания плотности приготавливаемого раствора, что недопустимо;

- ограниченность отбора цемента из приемной камеры смесительного устройства, и, естественно, не обеспечивается возможность приготовления цементных растворов с наибольшей плотностью (свыше 1850 кг/м³, требуется иногда - до 2400 кг/м³);

- не обеспечивается достаточная степень смешения и гидратации частиц цемента с жидкостью в смесительном устройстве и в короткой напорной трубе из-за скоротечности процесса, а также из-за конструктивных особенностей и недостаточной энергии рабочей жидкости и соответственно интенсивности перемешивания компонентов растворов, а это все в конечном итоге сказывается на качестве раствора и цементирования обсадных колонн нефтяных и газовых скважин;

- не обеспечивается подача приготавливаемого раствора из смесительного устройства в резервуар с мешалками, например, "Смесительно-осреднительной установки 1УСО-20" для дополнительного перемешивания, усреднения плотности и других свойств, повышения его качества, а также для создания раствором, находящимся в резервуаре, гидростатического подпора на приеме насосных установок, который обеспечивает повышение коэффициента наполнения и соответственно производительности при нагнетании тампонажных растворов в скважину.

Для обеспечения этого требуется включение в состав технологического оборудования дорогостоящих мобильных высокопроизводительных насосных установок, создающих давление нагнетания 40,0 МПа и выше, отбирающих приготавливаемый раствор из промежуточной емкости, куда он сливается из смесительного устройства, и подают в резервуар с мешалкой, установленный на шасси автомобиля с геодезической высотой до 5 м (уровень слива раствора). Но при этом неизбежен разлив раствора при переполнении промежуточной емкости из-за возникающего зачастую несоответствия производительностей смесительного устройства и насосной установки, отбирающей и нагнетающей этот раствор, например, в "Смесительно-осреднительную установку". Падение производительности насосной установки возникает по ряду причин: попадание под клапаны насоса комкообразных включений более 6 мм (по наибольшему размеру); износ поршней, плунжеров, штоков и т.д.; при отборе вспененных растворов; снижение оборотов привода; невнимательность оператора и т.д.

Известно также устройство для приготовления растворов, включающее гидросмеситель с приемной камерой, бункер с конической нижней частью, конфузор, смесительную камеру, диффузор, трубопровод с запорно-регулирующим узлом, соединяющий бункер и эжекционную камеру, разгрузочную трубу и эжекционную камеру (авт. св. N 1484740, кл. B 28 C 5/38, 1986 г. - прототип).

Гидросмеситель данной конструкции не обеспечивает высоких степеней смешения и диспергирования части цемента в приготавливаемом растворе, повышенную производительность при его приготовлении и подачу приготавливаемого раствора с высокой регулируемой плотностью на достаточную геодезическую высоту до 5 м (например, в резервуар с мешалкой для дополнительной его обработки). Кроме того, возможны остановки процесса приготовления раствора из-за попадания комкообразных включений (зачастую находящихся в жидкости затворения) в проходное отверстие насадки и закупоривания его, розлив раствора при переполнении промежуточной емкости и не обеспечивается защищенность гидросмесителя от абразивного износа в местах изменения направления потока раствора.

Задача, достигаемая изобретением, заключается в создании конструкции гидросмесителя, обеспечивающего безостановочность процесса приготовления раствора с высокой регулируемой плотностью и производительностью, с устойчивой его подачей на достаточную геодезическую высоту до 5 м и одновременным повышением степени смешения и диспергирования частиц цемента в растворе за счет увеличения давления нагнетания (и соответственно скоростного напора рабочей жидкости), расстояния транспортирования раствора, включения дополнительных элементов гидроэлеватора и других устройств и деталей, позволяет исключить розлив и потери раствора, а также исключить из состава технологического оборудования дорогостоящее насосное оборудование (например, насосной установки типа УНБ-160 на шасси автомобиля), обеспечить компактность расположения цементировочного оборудования на ограниченных размерах площадки перед буровой установкой, удобство обслуживания и оперативность управления процессом приготовления растворов и нагнетания их в скважину с созданием гидростатического подпора на приеме насоса.

Поставленная задача достигается тем, что гидросмеситель для приготовления растворов, содержащий приемную камеру, установленный над ней бункер, конфузор, смесительную камеру, диффузор и разгрузочную трубу с эжекционной камерой, сообщающейся с бункером посредством трубопровода с запорно-регулирующим узлом, дополнительно снабжен сменной насадкой, размещенной в коробке с элементом быстроразъемного соединения, прикрепленной к стенке приемной камеры, фильтром, установленным в коробке перед сменной насадкой, крутоизогнутым фитингом, подсоединенным к разгрузочной трубе и оборудованным противоабразивным элементом, напорным рукавом, прикрепленным к крутоизогнутому фитингу и снабженным сливным устройством, имеющим патрубок с тупиковым участком и сливной патрубок, бункер выполнен в виде воронки, а сменная насадка и конфузор соосно размещены на противоположных стенках приемной камеры на расстоянии между их торцами в пределах 150-230 мм, при этом диаметры цилиндрической части конфузора и смесительной камеры находятся в пределах 60-80 мм, с длиной последней в пределах 200-450 мм, а фильтр имеет диаметр отверстий в пределах 5-8 мм с их суммарной площадью, превышающей площадь проходного сечения сменной насадки, при этом пропускная способность через них рабочей жидкости должна составлять до 25 дм³/с при давлении нагнетания в пределах 4,0-10,0 МПа.

Решения эти были получены путем теоретических и экспериментальных исследований, в результате которых определены оптимальные зависимости размеров: расстояния между торцами сменной насадки - (с определенным проходным сечением и формой для получения раствора с необходимой плотностью) и конфузора в приемной камере 150-230 мм с соответствующими (для конкретного расстояния в указанном пределе) диаметрами цилиндрической части конфузора и смесительной камеры 60-80 мм и соответствующей длины последней для них. Наличие в предлагаемой конструкции гидросмесителя элементов гидроэлеватора, а также крутоизогнутого фитинга, напорного рукава необходимой длины, сливного устройства, создание повышенного давления нагнетания рабочей жидкости и увеличения расстояния транспортирования приготавливаемого раствора скоростным напором рабочей жидкости повышает степень смешения и диспергирования частиц цемента в растворе, повышая тем самым его качество за счет более полной отдачи каждой из них своих вяжущих свойств.

При установке сменной насадки в коробку гидросмесителя необходимо иметь в виду, что чем меньше площадь проходного сечения установленной насадки при одном и том же рабочем давлении жидкости затворения и эквивалентном отборе цемента из приемной камеры, тем большую плотность раствора можно получить.

Необходимость оснащения коробки фильтром перед насадкой с диаметром отверстий в пределах 5-8 мм обусловлена обеспечением безостановочного проведения процесса приготовления цементных растворов путем предотвращения забивания насадки комкообразными включениями, зачастую находящимися в рабочей жидкости и в растворе (при приготовлении его методом рециркуляции). При этом площадь суммарных отверстий фильтра должна быть больше площади проходного отверстия сечения насадки, что не позволяет создавать существенных гидравлических сопротивлений перед ней и обеспечивать расход рабочей жидкости через них до 25 дм³/с при давлении нагнетания в пределах 4,0-10,0 МПа.

Необходимость оснащения крутоизогнутого фитинга противоабразивным элементом также обусловлена обеспечением проведения процесса безостановочно, учитывая повышенную абразивность транспортируемых растворов и быструю истираемость фитингов в месте изменения направления потока раствора.

Напорный рукав необходим для изменения прокладки пути и расстояния транспортирования раствора, а также для удобного обслуживания гидросмесителя.

Оснащение конца напорного рукава сливным устройством обусловлено необходимостью направления потока раствора в определенное место назначения (например, в резервуар с мешалкой), крепления рукава и устройства в определенном месте, предотвращения абразивного износа потоком раствора в месте изменения его направления за счет наличия тупиковой зоны, заполненной раствором, в тупиковом патрубке, в котором раствор соприкасается в основном только с раствором, в результате чего предотвращается истирание патрубков сливного устройства и повышается степень диспергирования частиц цемента, находящегося в растворе, в результате соударения потока о тупиковую преграду, образования завихрений, взаимозамещений и т.д.

На чертеже представлен общий вид гидросмесителя для приготовления растворов.

Гидросмеситель содержит воронку 1 (круглой, трапецеидальной, эллиптической или иной формы), приемную камеру 2, сменную насадку 3 (с круглым, щелевым или иным проходным сечением и с определенной площадью сечения для получения раствора с необходимой плотностью, для этого необходимо иметь набор сменных насадков), коробку 4 под сменную насадку 3 с элементом быстроразъемного соединения (например, трапецеидальную резьбу), фильтр 6, конфузор 6, смесительную камеру 7, диффузор 8, эжекционную камеру 9, трубопровод порошка 10 с запорно-регулирующим узлом 11, разгрузочную трубу 12, крутоизогнутый фитинг 13 с противоабразивным элементом, напорный рукав 14 и сливное устройство 15.

Гидросмеситель в процессе приготовления раствора работает следующим образом. Коробка 4 с быстроразъемным элементом и установленной в нее с соответствующим сечением проходного отверстия сменной насадки 3 (для получения раствора необходимой плотности) подсоединяется к нагнетательному трубопроводу насоса, обеспечивающего необходимую подачу рабочей жидкости (жидкости затворения) в гидросмеситель.

После пуска насоса в работу и создания оптимального давления в пределах 4,0-10,0 МПа перед сменной насадкой 3 включается в работу, например, серийно выпускаемая смесительная установка типа УС6-30, обеспечивающая достаточную и дозированную подачу цемента в воронку 1. Струя рабочей жидкости, исходящая из установленной сменной насадки 3, двигаясь в приемной камере 2 с большой скоростью, увлекает за собой цемент, а также находящийся в ней атмосферный воздух, и выбрасывает их в конфузор 6, смесительную камеру 7 и далее, например в резервуар с мешалкой, создавая при этом в приемной камере 2 пониженное давление (до 0,096 МПа), которое обеспечивает наибольший коэффициент отбора цемента. При выборе сменной насадки 3 необходимо предусмотреть обеспечение наибольшего угла конусности струи с плавным входом ее (без соударения) в конфузор 6 и смесительную камеру 7 с запиранием всего внутреннего периметра, что обеспечивает невозможность обратного проникновения атмосферного воздуха в приемную камеру 2 и наибольший унос цемента факелом струи. При этом поступление цемента в приемную камеру 2 на затворение поступает за счет создаваемого вакуума и сил гравитации из воронки 1.

При этом раствор, получаемый из компонентов, совместно транспортируемых через смесительную камеру 7, диффузор 8, разгрузочную трубу 12, крутоизогнутый фитинг 13, напорный рукав 14 и сливное устройство 15, выбрасывается на геодезическую высоту до 5 м. Компоненты интенсивно перемешиваются при этом за счет создаваемого скоростного напора. В результате повышается степень диспергирования части цемента в растворе, отдавая при этом полнее свои вяжущие свойства и повышая его качество.

При необходимости приготовления раствора повышенной плотности путем ввода в раствор дополнительного количества цемента в разгрузочную трубу 12 открывают на необходимую величину запорно-регулирующий узел 11, обеспечив тем самым подсос цемента из воронки 1 с помощью эжекционной камеры 9 по трубопроводу порошка 10.

Исходя из вышесказанного, предлагаемый гидросмеситель обеспечит приготовление и подачу качественного цементного раствора на достаточную геодезическую высоту до 5 м, например, в резервуар с мешалкой "Смесительно-осреднительной установки" (для дополнительной его обработки) с достаточно высокой производительностью и с наибольшей регулируемой плотностью, исключив тем самым дополнительное применение дорогостоящих высоконапорных и высокопроизводительных насосных установок типа УНБ-160 и потери раствора из-за розлива при переполнении промежуточной емкости.

Применение качественных тампонажных и буровых растворов, а также обеспечение необходимых режимов их приготовления позволит повысить качество цементирования обсадных колонн нефтяных и газовых скважин, повысить скорость бурения и строительства скважин, надежность и долговечность их эксплуатации.