ПРОПЕЛЛЕРНЫЙ ПЕРЕМЕШИВАТЕЛЬ БУРОВОГО РАСТВОРА

Полезная модель относится к нефтяной и газовой отраслям промышленности, а в частности к машинам и агрегатам для перемешивания бурового раствора пропеллерными мешалками.
Известны перемешивающие устройства с пропеллерными мешалками типа корабельного винта. (Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. Польша, 1971, Химия, 1975), (В.Н.Стабников: В.Д.Панов, В.Н.Лысянский. Процессы и аппараты пищевых производств - М. Пищевая промышленность, 1976-662 с.). Данные устройства содержат двигатель, передаточный механизм и вал с закрепленной на нем мешалкой. Лопасти такой мешалки представляют собой часть винтовой поверхности с постоянным шагом, при этом максимальный наклон лопасти расположен около втулки (ступицы), а минимальный наклон на наружной окружности. Мешалки данного типа обеспечивают эффективную объемную циркуляцию раствора в окружном (тангенциальном), радиальном и осевом (аксиальном) направлениях при минимальном расходе механической энергии.
При этом эффективная осевая циркуляция перемешиваемой жидкости за счет образующегося «насосного эффекта» обеспечивает поднимание твердых частиц со дна емкости, что необходимо для создания суспензий.
К недостаткам описанных устройств применительно к перемешиванию буровых растворов следует отнести следующие:
Во-первых, рекомендованные минимальные числа оборотов для эффективного перемешивания пропеллерными мешалками типа «корабельный винт» составляют 400 об/мин, а при перемешивании буровых растворов директивная технология рекомендует частоту вращения мешалки не более 70-100 об/мин, поскольку при частотах вращения свыше 400-500 об/мин происходит нарушение структуры бурового раствора, разрушение полимерных цепочек, изменение реологических свойств и возможно разделение твердой и жидкой фазы раствора.
Во-вторых, сплошная конструктивная форма лопасти мешалки типа «корабельный винт» определяет сложную технологию изготовления и высокую себестоимость мешалки, что также практически исключает ее применение для перемешивания буровых растворов.
Известны также механические перемешивающие устройства с лопастными мешалками, являющиеся прототипом предлагаемой полезной модели. (Гальперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Книга первая - М.Химия 1981-383 с.)
Мешалка такого перемешивающего устройства выполнена из цилиндрической ступицы к поверхности которой жестко прикреплены плоские лопасти. При этом плоскости всех лопастей мешалки относительно плоскости ее вращения повернуты на определенный острый угол, обычно до 45°, что позволяет каждой лопасти, как наклонной поверхности, внедряться передней кромкой в массу жидкой среды и перемещать ее с определенной скоростью вдоль оси вращения, обеспечивая перемешивание жидкой среды.
Недостатком такой механической мешалки является то, что плоский профиль мешалки испытывает большое лобовое сопротивление от бурового раствора и, следовательно, для ее вращения требуется увеличенная мощность привода перемешивателя. Кроме того, плоский профиль лопасти вызывает завихрение потока, что снижает эффективность перемешивания.
Основной технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности перемешивания и уменьшение затрат мощности при перемешивании бурового раствора.
Поставленная задача достигается тем, что в пропеллерном перемешивателе бурового раствора включающем двигатель, передаточный механизм, выходной вал с мешалкой, выполненной в виде ступицы с жестко прикрепленными к ней прямолинейными лопастями постоянной толщины, наклоненными под углом к плоскости вращения ступицы, согласно предложенному решению, лопасти в поперечном сечении имеют криволинейный профиль, при этом ширина лопасти симметрично стреловидно уменьшается от ступицы к наружной окружности мешалки.
Формирование лопасти с криволинейным профилем в поперечном сечении позволяет уменьшить лобовое сопротивление лопасти от бурового раствора за счет возникновения разности скоростей обтекания лопасти буровым раствором по передней и задней поверхностях, а значит и уменьшить потребленную мощность. При этом эффективность перемешивания раствора повышается за счет исключения закручивания потока при движении по передней поверхности лопасти.
Наличие стреловидности лопасти обеспечивает повышение эффективности перемешивания, и снижение потребленной мощности за счет лучшего обтекания потоком периферийной части крыла.
В результате проведения поиска по патентным и научно-техническим источникам информации не выявлено решений, содержащих всей совокупности существенных признаков независимого пункта формулы полезной модели, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели критерию патентоспособности "новизна".
На Фиг.1 представлен общий вид пропеллерного перемешивателя бурового раствора. На фиг.2 представлен вид А лопасти с криволинейным профилем. На Фиг.3 представлены направления потоков бурового раствора при перемешивании профильной мешалкой.
Пропеллерный перемешиватель бурового раствора (Фиг.1) включает приводной двигатель 1, установочную раму 2, передаточный механизм 3, на выходном звене которого закреплен выходной вал 4, на котором закреплена ступица 5, на которой жестко закреплены под углом к плоскости вращения лопасти 6, имеющие в поперечном сечении криволинейный профиль с радиусом R.
.
При этом ширина лопасти симметрично стреловидно уменьшается от ступицы к наружной окружности мешалки от размера Н до h (см. Фиг.2). Профиль лопасти целесообразно выполнять в пределах R=(0,3÷0,55)D, где D - диаметр мешалки, H=(0,4÷0,6)D, H/L=0,35÷0,55, где L - длина лопасти от ступицы до наружной окружности мешалки. Угол наклона лопасти к плоскости вращения α целесообразно выбирать в пределах 25°<α<40°
Пропеллерный перемешиватель бурового раствора (Фиг.1) работает следующим образом. Вращение от вала приводного двигателя 1 через передаточный механизм 3 передается выходному валу 4. Вращение от выходного вала 4 через ступицу 5 передается на лопасти 6. Лопасти 6 внедряясь передней кромкой своей криволинейной поверхности в буровой раствор перемещают большую его часть вверх вдоль оси вращения (см. Фиг.3). Другая часть раствора, за счет стреловидности, сходит с лопасти в радиальном направлении и сталкиваясь с относительно неподвижной частью бурового раствора или с вертикальной стенкой емкости разделяется на два потока. При этом один поток устремляется вверх, а другой вниз - к дну емкости. При этом нижний поток, сталкиваясь с дном емкости захватывает осевшие отложения и вновь попадает в зону действия криволинейных поверхностей лопастей мешалки.
Таким образом, пропеллерный перемешиватель бурового раствора за счет криволинейного профиля и стреловидности лопастей позволяет повысить эффективность перемешивания при одновременном уменьшении энергетических затрат.
Снижение энергопотребления бурового оборудования становится все более актуальным, так как удаление нефтегазовых месторождений от промышленных центров и транспортной инфраструктуры ведет к многократному удорожанию энергетических ресурсов затрачиваемых при бурении скважин.
Пропеллерный перемешиватель бурового раствора прошел производственные испытания в условиях буровой установки, которые подтвердили снижение энергетических затрат до 30% при увеличении эффективности перемешивания до 1,5 раз.
Предлагаемое изобретение промышленно применимо и может быть использовано при непрерывном перемешивании бурового раствора в накопительной емкости на буровых установках любых типов.