混合设备及其使用方法 【技术领域】
本发明涉及一种混合设备及其使用方法。更具体地， 本发明涉及一种用于对石油 钻井的钻孔中的钻井流体掺混添加剂的设备和方法。背景技术
在本文档中， 词语 “钻井流体” 指的是用来润滑和冷却钻头以将被钻取材料循环出 油井并实现油井控制的流体。
本领域技术人员将明白， 用于钻井流体的添加剂能呈液态的形式和干燥固态的形 式。
与石油钻井的钻孔相结合使用的钻井流体必须针对各种参数比如比重和粘度 ( 但不限于此 ) 进行优化。通常从油井连同切屑一起循环出来的钻井流体会在清理超过一 定尺寸的颗粒材料之后再循环返回入油井以重新使用。然而， 希望对钻井流体进行分析并 对其成分进行可能的调节以实现优化的性质。
为了能将添加剂混合入钻井流体， 已知使用离心泵， 其使得钻井流体流入所谓的 混合设备， 或者仅是 “混合器” 。混合器包括呈文丘里管 (venturi tube) 形式的喷嘴。当借 助于离心泵迫使钻井流体高速进入混合器时， 在混合器中形成负压。这个负压具有使得添 加剂从一个或多个存储容器中被吸入混合腔的作用， 添加剂在混合腔中与钻井流体混合。 因而， 添加剂的掺混基于本领域技术人员公知的所谓 “文丘里原理” 。
然而， 借助于使用离心泵形成所述文丘里原理来将添加剂与钻井流体掺混遭遇到 了一些显著的缺点。
为了实现充分的文丘里作用， 钻井流体必须在由文丘里管的设计而非由任何时间 存在的钻井流体需要所决定的一定压力和一定流速下泵送入混合器。
离心泵要求在抽吸侧上存在正压力并且这样的混合器布置使得混合器下游的钻 井流体将借助于重力流动至例如存储容器。 这意味着存储容器必须放置于比混合器低的位 置并且用于将钻井流体供向离心泵的供应容器必须放置于高于混合器的位置。 这种对于装 备定位的物理要求经常会导致非优化的定位， 参见基于重心考虑而确定的定位和希望尽可 能少地占用例如钻井上的空间。
经验显示， 在混合器下游的管道中， 钻井流体流偶尔会被钻井流体闭塞。 这种闭塞 可能是由于管道阻塞和 / 或离心泵供应超过管道运载能力的钻井流体。这种闭塞导致钻井 流体通过混合器的抽吸管道流出混合器并且对人类和环境都造成严重的损害。
因而， 现有技术的混合器涉及显著的健康和安全性危险。 发明内容
本发明的目标是补救或减少至少一个现有技术的缺点。 这个目标通过下面说明书和所附权利要求中描述的特点来实现。 在本发明的第一个方面， 提供了一种用于对石油钻井的钻孔中的钻井流体掺混添加剂的设备， 该设备包括 ：
—混合腔， 钻井流体的入口管线、 钻井流体的出口管线以及添加剂的至少一个配 料装置与所述混合腔流体地连接， 配料装置布置来将添加剂从容器供应至混合腔以及在混 合腔和容器之间形成压力密闭的阻隔 ； 以及
—布置于混合腔下游的泵送装置， 其布置来抽吸钻井流体穿过混合腔。
具有钻井流体的入口和出口管线以及通向每个所述至少一个配料装置的流体相 通管线的混合腔对周围密闭。这使得在泵送装置中形成上游负压。因此添加剂从所述至少 一个配料装置中被抽吸入混合腔。
有利地是混合腔的上游部分设有限制器。限制器优选地是可调节的， 以使得能在 混合腔中获得期望的负压。限制器甚至可定位于混合腔附近其钻井流体入口管线中。
优选地， 配料装置是所谓的容积型。
有利地是泵送装置是所谓的容积泵。 容积泵提供了在给定的泵送装置转速下相对 准确的流或 “流动” 。为了能控制穿过混合腔的钻井流体的流动， 有利地是泵送装置是频率 控制的。
一种已经通过试验证明适合的容积泵是所谓的凸轮泵 (lobe pump)。 有利地是在混合腔的下游布置有用于钻井流体的取样和分析的装置， 以使得其结 果可与预先设定或期望的结果相比较。 优选地， 取样、 分析和评估工作的全部或部分是借助 于软件和计算机以本身已知的方式自动化。
有利地是添加剂的供给基于来自所述评估的信息和关于穿过设备的流动的信息 自动地控制。
在本发明的第二个方面， 提供了一种用于对石油钻井的钻孔中的钻井流体掺混添 加剂的方法， 该方法包括将钻井流体抽吸穿过混合腔以及借助于连接至容器的配料装置从 至少一个容器供应添加剂， 配料装置在容器和混合腔之间形成压力密闭的阻隔。
附图说明 下面描述在附图中图示的优选实施例的示例， 在附图中 ：
图 1 示出根据本发明的用于掺混添加剂的设备的原理图。
将理解到， 附图不是按比例的并且各个部件的相对尺寸比例也不是按照正确的相 对比例绘制的。
具体实施方式
在附图中， 参考标号 1 指示根据本发明的设备。设备 1 包括混合腔 3， 用于钻井流 体的入口管线 5、 用于钻井流体的出口管线 7 以及八个配料装置 9、 9` 与所述混合腔流体地 连接。配料装置 9、 9` 流体地连接至相应的添加剂容器 11、 11`。
附图中用参考标号 11 指示的容器可以是例如存储固态 ( 所谓的块状材料 ) 的容 器， 而用参考标号 11` 指示的容器可以是例如用于存储液态形式添加剂的容器。
配料装置 9、 9` 布置为以本身已知的方式在混合腔 3 和容器 11、 11` 之间形成压力 密闭的阻隔。
与容器 11 相通的配料装置 9 可以是例如一种本身已知的容积配料阀， 其适合于将期望体积的呈固态形式的添加剂从容器 11 配入混合腔 3。
与容器 11` 相通的配料装置 9` 可以是例如一种本身已知的针阀， 其适合于将期望 体积的呈液态形式的添加剂从容器 11` 配入混合腔 3。
混合腔 3 的下游布置有泵送装置 13， 其布置来抽吸钻井流体穿过混合腔 3。本领 域技术人员将理解到， 为了实现最好的可能抽吸作用， 设备 1 定位于泵送装置 13 上游的部 分必须是对周围流体密闭的。
在上游入口部分， 混合腔 3 设有限制器 4。限制器 4 可以是固定的或可调节的。通 过安装可调节的限制器 4， 混合腔 3 中的负压可调节至任何时间存在的需要。
在所示实施例中， 设备 1 布置为管道回路， 其包括连接至中间存储容器 17 的返回 管线 15。在商业中， 这种用于钻井流体的中间存储容器 17 经常称为 “混合箱” 。
中间存储容器或混合箱 17 设有钻井流体的供应管线 19 和钻井流体的排出管线 21。
将理解到， 供应管线 19 和排出管线 21 每个都设有能切断与混合箱 17 的流体相通 的阀 ( 未示出 )。
已经从油井循环出并清理了切屑的钻井流体， 可能是新钻井流体， 通过供应管线 19 供应至混合箱 17。该供应的钻井流体可视为 “未处理的” 。
钻井流体的特性的设计或调节通常包括以下步骤 ：
—将期望量的未处理钻井流体通过供应管线 19 运载至混合箱 17 ；
—从所供应钻井流体测量到的性质或已知性质和期望性质来确定添加剂的需要。 样品可例如从混合箱 17 中或从沿着管线 5、 7、 15 的任何点的钻井流体获取 ；
—泵送装置 13 从混合箱 17 通过混合腔 3 抽吸钻井流体同时相关配料装置 9、 9` 操作来输送添加剂剂量 ；
—加入添加剂的钻井流体在泵送装置 13 的下游运载通过返回管线 15 并回到混合 箱 17。从上述一个或多个点以设定间隔获取样品 ；
—当期望量的钻井流体已经获得期望性质时， 钻井流体可通过排出管线 21 运出 并循环回到油井。
将理解到， 在一些情况下， 可能需要将混合箱 17 中的钻井流体数次循环通过设备 1 以获得钻井流体的期望性质。
根据本发明的设备 1 非常适合于自动化。本领域技术人员将知道， 存在着可布置 来对例如在管线 5、 7、 15 中流动的或在混合箱 17 中的钻井流体进行实际上连续地分析的装 备。分析结果可供给至计算机 ( 未示出 )， 计算机将测量结果与事先输入的数据相比较。在 其间存在着差异时， 计算机可计算供应一种或多种添加剂的需要。信号可输出至用于配料 装置 9、 9` 的控制系统 ( 未示出 )， 调节穿过混合腔 3 的钻井流体流的剂量。钻井流体流量 能被测量或当容积泵送装置 13 的转速已知时计算。
如果混合箱 17 是封闭容器， 则是有利的。如果其中保持有添加剂的容器 11、 11` 是封闭的， 则也是有利的。因为设备 1 对周围流体地封闭， 从而设计或调节钻井流体的整个 过程将在封闭系统中运行。这就安全工作环境而言有着显著的优点。
如果泵送装置 13 下游的返回管线 15 中发生了流体流动的堵塞或闭塞， 穿过混合 腔 3 的流体流动将停止并且负压朝着零降低。然而， 即使泵送装置 13 继续泵送， 也不能在混合腔 3 中形成过压。从而避免了钻井流体通过设备 1 泛滥的问题。
在图 1 中， 设备 1 示出为连接至混合箱 17。 然而， 钻井流体也能在不使用所示混合 箱 17 的条件下调节至期望性质或需要。例如， 钻井流体的入口管线 5 可连接至 “未处理” 钻 井流体的源 ( 未示出 )， 并且泵送装置下游的返回管线 15 能连接至钻井流体循环系统 ( 未 示出 ) 的上游侧。
所述未处理钻井流体的源通常连接至清理装置， 所述清理装置布置来从钻井流体 分离从井孔带上来的切屑。在一个实施例中， 入口管线 5 连接至所谓的 “脱气器” 。
当在不使用混合箱 17 的条件下布置设备 1 时， 钻井流体的分析必须在混合腔 3 上 游进行。就这一点而言， 如前所述的自动分析和配料系统将是有利的。
本领域技术人员将理解到， 根据本发明的设备和方法显示了相对于在混合钻井流 体中掺混添加剂时使用的已知设备和方法而言的高度有利的特点。 优点涉及通过控制泵送 装置 13 来控制穿过混合腔的流速的可能性以及几乎避免了钻井流体从设备 1 溢流或所谓 的 “泛滥” 的危险， 这可能会伤害人员和环境。另外， 根据本发明的设备 1 和所连接的流体 容器 17( 如果有的话 ) 在基于最小化空间需要和 / 或考虑重心的期望并且不基于泵和容器 的相对提高的需要之下最佳地定位。