专利名称：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，该设备包括一混合腔，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；以及一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。
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。
具体实施例方式在附图中，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、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If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、1厂之间形成压力 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
4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1Γ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1Γ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一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 ；一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；一泵送装置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；一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；一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、1厂 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。
权利要求
1.一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(1)，其特征在于所述 设备⑴包括一封闭混合腔(3)，钻井流体的入口管线(5)、钻井流体的出口管线(7)以及添加剂的 至少一个配料装置(9，9、)与所述封闭混合腔流体地连接，所述配料装置(9，9、)布置来在 打开位置中将添加剂从容器(11，1Γ)供应至混合腔C3)并且布置来在封闭位置中在混合 腔(3)和容器(11，1Γ)之间形成压力密闭的阻隔；以及一布置于混合腔C3)下游的泵送装置(13)，其布置来在混合腔(3)中形成负压以使得 当配料装置(9，9、)处于打开位置时钻井流体和添加剂都被抽吸入并穿过混合腔(3)。
2.根据权利要求1的设备，其中，混合腔(3)的上游部分设有限制器G)。
3.根据权利要求2的设备，其中，限制器(4)是可调节的。
4.根据权利要求1的设备，其中，泵送装置(13)是所谓的容积泵。
5.根据权利要求4的设备，其中，泵送装置(1 是频率控制的。
6.根据前述任何一个权利要求的设备，其中，所述设备(1)设有用于钻井流体的自动 取样、分析和评估的装置。
7.根据权利要求6的设备，其中，至少用于钻井流体的取样和分析的装置布置于混合 腔⑶的下游。
8.根据权利要求6的设备，其中，至少用于钻井流体的取样和分析的装置布置于混合 腔⑶的上游。
9.根据权利要求6-8中任何一个的设备，其中，添加剂的供给基于来自评估工作的信 息和关于穿过泵送装置(13)的流的信息被自动地控制。
10.一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，其特征在于该方法 包括一借助于泵送装置(13)在混合腔(3)中提供负压；一借助于泵送装置(13)将钻井流体抽吸穿过混合腔(3)；一以及借助于配料装置(9，9、)控制添加剂从至少一个容器(11，1Γ)的供应，所述配 料装置(9，9、)布置来在封闭位置和打开位置之间操作，在封闭位置中配料装置(9，9、)在 容器(11，1Γ)和混合腔C3)之间形成压力密闭的阻隔，在打开位置中添加剂从容器(11， 1Γ)被抽吸入混合腔(3)。
11.根据权利要求10的方法，其中，添加剂的掺混基于来自在混合腔C3)上游和/或下 游对钻井流体的测量和分析的信息和关于穿过所述设备(1)的流的信息被自动地控制。
全文摘要
描述了一种混合用于石油钻井的钻孔中的钻井流体的添加剂的设备(1)和方法。该设备(1)包括混合腔(3)，钻井流体的入口管线(5)、钻井流体的出口管线(7)以及添加剂的至少一个配料装置(9，9`)与之流体地连接，配料装置(9，9`)布置来将添加剂从容器(11，11`)供应至混合腔(3)以及在混合腔(3)和容器(11，11`)之间形成压力密闭的阻隔；以及布置于混合腔(3)下游的泵送装置(13)，其布置来抽吸添加剂穿过混合腔(3)。
文档编号B01F3/12GK102084083SQ200980123057
公开日2011年6月1日 申请日期2009年6月12日 优先权日2008年6月20日
发明者J·K·沃什胡什, T·梅尔哈斯 申请人:丘比利迪公司