Система гидравлического разрыва пласта с системой передачи гидравлической энергии
Группа изобретений относится к вариантам системы гидравлического разрыва пласта. Система включает в себя систему передачи гидравлической энергии, выполненную с возможностью осуществлять обмен давлений между первой текучей средой и второй текучей средой. Причем система передачи гидравлической энергии выполнена с возможностью минимизировать или предотвращать смешивание между первой и второй текучими средами. Технический результат заключается в повышении эффективности гидравлического разрыва пласта. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 11 ил.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании предварительной заявки на патент США № 61/886,638, озаглавленной «Isobaric Pressure Exchanger Protection for Hydraulic Fracturing Fluid Pumps» («Защита с использованием изобарического обменника давления для насосов текучей среды для гидравлического разрыва пласта»), поданной 3 октября 2013 года, предварительной заявки на патент США № 62/033,080, озаглавленной «Frac System with Hydraulic Energy Transfer System» («Система гидравлического разрыва пласта с системой передачи гидравлической энергии»), поданной 4 августа 2014 года, и обычной заявки на патент США № 14/505,885, озаглавленной «Frac System with Hydraulic Energy Transfer System» («Система гидравлического разрыва пласта с системой передачи гидравлической энергии»), поданной 3 октября 2014 года, которые все полностью включены здесь путем ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Этот раздел предназначен для представления читателю различных аспектов существующего уровня техники, которые могут быть связаны с различными аспектами настоящего изобретения, которые описываются и/или заявляются ниже. Полагается, что эти сведения будут полезны для обеспечения пользователя справочной информацией, способствующей лучшему пониманию различных аспектов настоящего изобретения. Соответственно, следует понимать, что эти сведения необходимо рассматривать именно в этом отношении, а не в качестве признания известного уровня техники.
Работы по заканчиванию скважин в нефтяной и газовой промышленности часто включают в себя гидравлический разрыв пласта для увеличения выхода нефти и газа в пластах породы. Гидравлический разрыв пласта включает в себя закачивание в скважину текучей среды при высоком давлении (например, текучей среды для гидравлического разрыва пласта), содержащей комбинацию воды, химических реагентов и расклинивающего агента (наполнителя) (например, песок, керамические материалы). Высокие давления текучей среды увеличивают размер трещин и распространение трещин через пласт породы, обеспечивая больший выход нефти и газа, при этом расклинивающий агент предотвращает закрытие трещин, когда давление текучей среды снижается. Для операций гидравлического разрыва пласта используют насосы высокого давления для увеличения давления текучей среды для гидравлического разрыва пласта. К сожалению, расклинивающий агент в текучей среде для гидравлического разрыва пласта увеличивает износ и объем работ по техническому обслуживанию насосов высокого давления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Различные признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения будут лучше поняты после прочтения последующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых подобные ссылочные позиции обозначают подобные части.
Фиг. 1 – схема, иллюстрирующая вариант осуществления системы гидравлического разрыва пласта с системой передачи гидравлической энергии.
Фиг. 2 – схема, иллюстрирующая вариант осуществления гидравлического турбонагнетателя.
Фиг. 3 – схема, иллюстрирующая вариант осуществления возвратно-поступательного изобарического обменника давления (возвратно-поступательный IPX).
Фиг. 4 – схема, иллюстрирующая вариант осуществления возвратно-поступательного IPX.
Фиг. 5 – общий вид с разделением деталей варианта осуществления вращающегося изобарического обменника давления (вращающийся IPX).
Фиг. 6 – общий вид с разделением деталей варианта осуществления вращающегося IPX в первом рабочем положении.
Фиг. 7 – общий вид с разделением деталей варианта осуществления вращающегося IPX во втором рабочем положении.
Фиг. 8 – общий вид с разделением деталей варианта осуществления вращающегося IPX в третьем рабочем положении.
Фиг. 9 – общий вид с разделением деталей варианта осуществления вращающегося IPX в четвертом рабочем положении.
Фиг. 10 – схема, иллюстрирующая вариант осуществления системы гидравлического разрыва пласта с системой передачи гидравлической энергии.
Фиг. 11 – схема, иллюстрирующая вариант осуществления системы гидравлического разрыва пласта с системой передачи гидравлической энергии.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Далее будут описаны один или более конкретные варианты осуществления настоящего изобретения. Описываемые варианты осуществления являются только примерами осуществления настоящего изобретения. Дополнительно, для обеспечения краткости описания примерных вариантов осуществления могут быть рассмотрены не все признаки их практического осуществления. Следует понимать, что при разработке любого практического осуществления, например при любой опытно-конструкторской разработке, для достижения специфических целей разработки будет необходимо принять множество зависящих от практической реализации решений, например соблюдение системных и деловых ограничений, которые могут меняться в зависимости от практической реализации. Кроме того следует понимать, что эта разработка может являться сложной и трудоемкой, но, тем не менее, быть рутинной задачей конструирования и изготовления для специалистов в этой области техники, ознакомившихся с этим описанием.
Как описывается подробно ниже, система гидравлического разрыва пласта включает в себя систему передачи гидравлической энергии, которая передает работу и/или давление между первой текучей средой (например, текучая среда для обмена давления, такая как по существу не содержащая расклинивающий агент текучая среда) и второй текучей средой (например, текучая среда для гидравлического разрыва пласта, такая как содержащая расклинивающий агент текучая среда). Например, первая текучая среда может иметь первое давление, которое приблизительно от 5 кПа до 25 кПа, от 20 кПа до 50 кПа, от 40 кПа до 75 кПа, от 75 кПа до 100 кПа или больше, чем второе давление второй текучей среды. Во время работы, система передачи гидравлической энергии может полностью или не полностью выравнивать давления между первой текучей средой и второй текучей средой. Соответственно, система передачи гидравлической энергии может работать изобарическим образом, или по существу изобарическим образом (например, когда давления первой и второй текучих сред выравниваются относительно друг друга в пределах приблизительно +/-1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 процентов).
Система передачи гидравлической энергии также может быть описана как система гидравлической защиты, система гидравлической буферизации или система гидравлической изоляции, так как она блокирует или ограничивает контакт между текучей средой для гидравлического разрыва пласта и различным оборудованием для гидравлического разрыва пласта (например, насосами высокого давления), при этом осуществляя обмен работой и/или давлением между первой и второй текучими средами. За счет блокирования или ограничения контакта между различными частями оборудования для гидравлического разрыва пласта и второй текучей средой (например, содержащая расклинивающий агент текучая среда), система передачи гидравлической энергии уменьшает истирание/износ, тем самым увеличивая срок службы/рабочие характеристики этого оборудования (например, насосы высокого давления). Кроме того, это позволяет использовать в системе гидравлического разрыва пласта менее дорогое оборудование, например насосы высокого давления, которые не предназначены для абразивных текучих сред (например, текучих сред для гидравлического разрыва пласта и/или коррозионно-активных текучих сред). В некоторых вариантах осуществления система передачи гидравлической энергии может представлять собой гидравлический турбонагнетатель (турбокомпрессор), вращающийся изобарический обменник давления (например, вращающийся IPX), или не вращающийся изобарический обменник давления (например, эластичная камера, возвратно-поступательный изобарический обменник давления). Вращающийся и не вращающийся изобарические обменники давления в общем можно определить как устройства, которые передают давление текучей среды между потоком на впуске высокого давления и потоком на впуске низкого давления с эффективностью, превышающей приблизительно 50%, 60%, 70%, 80% или 90%, без использования центробежных процессов.
Как было описано выше, система передачи гидравлической энергии передает работу и/или давление между первой и второй текучими средами. Эти текучие среды могут представлять собой многофазные текучие среды, такие как поток газ/жидкость, поток газ/твердые частицы, поток жидкость/твердые частицы, поток газ/жидкость/твердые частицы, или любые другие многофазные потоки. Кроме того, эти текучие среды могут представлять собой неньютоновские текучие среды (например, текучая среда со снижением вязкости при сдвиге), высоковязкие текучие среды, неньютоновские текучие среды, содержащие расклинивающий агент, или высоковязкие текучие среды, содержащие расклинивающий агент. Расклинивающий агент может включать в себя песок, твердые частицы, порошки, обломки, керамические материалы, или их любую комбинацию.
На фиг. 1 представлена схема, иллюстрирующая вариант осуществления системы 10 гидравлического разрыва пласта (например, система для работы с текучей средой) с системой 12 передачи гидравлической энергии. Во время работы, система 10 гидравлического разрыва пласта обеспечивает возможность выполнения операций заканчивания скважины, чтобы увеличить выход нефти и газа в пластах породы. Система 10 гидравлического разрыва пласта может включать в себя один или несколько первых насосов 18 текучей среды и один или несколько вторых насосов 20 текучей среды, связанные с системой 12 передачи гидравлической энергии. Например, система 12 передачи гидравлической энергии может включать в себя гидравлический турбонагнетатель, вращающийся IPX, возвратно-поступательный IPX или любую их комбинацию. Дополнительно, система 12 передачи гидравлической энергии может размещаться на передвижной платформе, отдельно от других компонентов системы 10 гидравлического разрыва пласта, что может быть желательным в ситуациях, когда система 12 передачи гидравлической энергии добавляется к существующей системе 10 гидравлического разрыва пласта. Во время работы, система 12 передачи гидравлической энергии передает давления без какого-либо существенного смешивания между первой текучей средой (например, не содержащая расклинивающий агент текучая среда), закачиваемой первыми насосами 18 текучей среды, и второй текучей средой (например, содержащая расклинивающий агент текучая среда или текучая среда для гидравлического разрыва пласта), закачиваемой вторыми насосами 20 текучей среды. Тем самым система 12 передачи гидравлической энергии блокирует или ограничивает износ в первых насосах 18 текучей среды (например, насосы высокого давления), при этом обеспечивая возможность системе 10 гидравлического разрыва пласта закачивать текучую среду для гидравлического разрыва пласта под высоким давлением в скважину 14, чтобы высвободить нефть и газ. Дополнительно, так как система 12 передачи гидравлической энергии подвергается воздействию первой и второй текучих сред, система 12 передачи гидравлической энергии может быть изготовлена из материалов, устойчивых к воздействию коррозионно-активных и абразивных веществ либо в первой, либо во второй текучих средах. Например, система 12 передачи гидравлической энергии может быть изготовлена из керамических материалов (например, оксид алюминия, металлокерамические материалы, такие как твердые фазы на основе карбида, оксида, нитрида или борида) в металлической матрице (например, Co, Cr или Ni или их любая комбинация), например, карбид вольфрама в матрице из CoCr, Ni, NiCr или Co.
На фиг. 2 представлена схема, иллюстрирующая вариант осуществления гидравлического турбонагнетателя 40. Как было описано выше, система 10 гидравлического разрыва пласта может использовать гидравлический турбонагнетатель 40 в качестве системы 12 передачи гидравлической энергии. Во время работы, гидравлический турбонагнетатель 40 обеспечивает возможность передачи работы и/или давления между первой текучей средой (например, не содержащая расклинивающий агент или по существу не содержащая расклинивающий агент текучая среда высокого давления) и второй текучей средой (например, содержащая расклинивающий агент текучая среда), при этом блокируя или ограничивая контакт (и тем самым смешивание) между первой и второй текучими средами. Как иллюстрируется на чертеже, первая текучая среда входит на первой стороне 42 гидравлического турбонагнетателя 40 через первый впуск 44, и вторая текучая среда (например, текучая среда для гидравлического разрыва пласта низкого давления) может входить в гидравлический турбонагнетатель 40 на второй стороне 46 через второй впуск 48. Когда первая текучая среда входит в гидравлический турбонагнетатель 40, она контактирует с первым рабочим колесом 50, передавая энергию от первой текучей среды к первому рабочему колесу 50, и это приводит первое рабочее колесо 50 во вращательное движение вокруг оси 52. Вращательная энергия первого рабочего колеса 50 затем передается через вал 54 на второе рабочее колесо 56. После передачи энергии первому рабочему колесу, первая текучая среда выходит из гидравлического турбонагнетателя 40 в виде текучей среды низкого давления через первый выпуск 58. Вращение второго рабочего колеса 56 затем увеличивает давление второй текучей среды, входящей в гидравлический турбонагнетатель 40 через впуск 48. После увеличения ее давления вторая текучая среда выходит из гидравлического турбонагнетателя 40 в виде текучей среды для гидравлического разрыва пласта высокого давления, пригодной для выполнения гидравлического разрыва пласта в скважине 14.
Чтобы блокировать контакт между первой и второй текучими средами, гидравлический турбонагнетатель 40 включает в себя стенку 62 между первой и второй сторонами 42, 46. Стенка 62 включает в себя отверстие 64, которое обеспечивает возможность валу 58 (например, цилиндрический вал) проходить между первым и вторым рабочими колесами 50 и 56, но блокирует поток текучей среды. В некоторых вариантах осуществления гидравлический турбонагнетатель 40 может включать в себя прокладки/уплотнения 66 (например, кольцевые уплотнения), которые могут дополнительно уменьшить или блокировать обмен текучей средой между первой и второй текучими средами.
На фиг. 3 представлена схема, иллюстрирующая возвратно-поступательный изобарический обменник 90 давления (возвратно-поступательный IPX). Возвратно-поступательный IPX 90 может включать в себя первый и второй сосуды 92, 94 высокого давления, которые поочередно передают давление от первой текучей среды (например, не содержащая расклинивающий агент текучая среда высокого давления) к второй текучей среде (например, содержащая расклинивающий агент текучая среда, текучая среда для гидравлического разрыва пласта), используя клапан 96. В других вариантах осуществления могут быть обеспечены дополнительные сосуды высокого давления (например, 2, 4, 6, 8, 10, 20, 30, 40, 50 или больше). Как иллюстрируется на чертеже, клапан 96 включает в себя первый поршень 98, второй поршень 100 и вал 102, который соединяет первый поршень 98 со вторым поршнем 100 и с приводом 104 (например, электрический двигатель, гидравлический двигатель, двигатель внутреннего сгорания и т.д.). Привод 104 приводит в движение клапан 96 поочередно в осевых направлениях 106 и 108, чтобы управлять потоком первой текучей среды, входящей через впуск 110 высокого давления. Например, в первом положении, клапан 96 использует первый и второй поршни 98 и 100, чтобы направлять первую текучую среду высокого давления в первый сосуд 92 высокого давления, при этом блокируя поток первой текучей среды высокого давления во второй сосуд 94 высокого давления или из клапана 96 через выпуски 112 и 114 низкого давления. Когда первая текучая среда высокого давления входит в первый сосуд 92 высокого давления, первая текучая среда приводит в движение поршень 116 сосуда высокого давления в осевом направлении 118, что ведет к увеличению давления второй текучей среды в первом сосуде 92 высокого давления. Когда вторая текучая среда достигает соответствующее давление, открывается обратный клапан 120 высокого давления, позволяя второй текучей среде высокого давления выходить из возвратно-поступательного IPX 90 через выпуск 122 высокого давления, для использования в операциях гидравлического разрыва пласта. В то время как происходит выгрузка из первого сосуда 92 высокого давления, возвратно-поступательный IPX 90 подготавливает второй сосуд 94 высокого давления для увеличения давления второй текучей среды. Как иллюстрируется на чертеже, вторая текучая среда низкого давления входит во второй сосуд 94 высокого давления через обратный клапан 124 низкого давления, связанный с впуском 126 низкого давления второй текучей среды. Когда вторая текучая среда заполняет второй сосуд 94 высокого давления, вторая текучая среда приводит в движение поршень 128 сосуда высокого давления в осевом направлении 130, вытесняя первую текучую среду низкого давления из второго сосуда 94 высокого давления и из клапана 96 через выпуск 114 низкого давления, подготавливая второй сосуд 94 высокого давления для приема первой текучей среды высокого давления.
На фиг. 4 представлена схема, иллюстрирующая возвратно-поступательный IPX 90, где второй сосуд 94 высокого давления выгружает вторую текучую среду высокого давления, и первый сосуд 92 высокого давления заполняется второй текучей средой низкого давления. Как иллюстрируется на чертеже, клапан 96 находится во втором положении. Во втором положении клапан 96 направляет первую текучую среду высокого давления во второй сосуд 94 высокого давления, при этом блокируя поток первой текучей среды высокого давления в первый сосуд 92 высокого давления или из клапана 96 через выпуски 112 и 114 низкого давления. Когда первая текучая среда высокого давления входит во второй сосуд 94 высокого давления, первая текучая среда приводит в движение поршень 128 сосуда высокого давления в осевом направлении 118, чтобы увеличить давление второй текучей среды во втором сосуде 94 высокого давления. Когда вторая текучая среда достигает соответствующее давление, открывается обратный клапан 132 высокого давления, позволяя второй текучей среде высокого давления выходить из возвратно-поступательного IPX 90 через выпуск 134 высокого давления, для использования в операциях гидравлического разрыва пласта. В то время как происходит выгрузка из второго сосуда 94 высокого давления, первый сосуд 92 высокого давления заполняется второй текучей средой, проходящей через обратный клапан 136 низкого давления, связанный с впуском 138 низкого давления второй текучей среды. Когда вторая текучая среда заполняет первый сосуд 92 высокого давления, она приводит в движение поршень 116 сосуда высокого давления в осевом направлении 130, вытесняя первую текучую среду низкого давления из первого сосуда 92 высокого давления и наружу через выпуск 112 низкого давления. Таким образом возвратно-поступательный IPX 90 поочередно передает давление от первой текучей среды (например, не содержащая расклинивающий агент текучая среда высокого давления) к второй текучей среде (например, содержащая расклинивающий агент текучая среда, текучая среда для гидравлического разрыва пласта), используя первый и второй сосуды 90, 92 высокого давления. Кроме того, благодаря тому, что поршни 116 и 128 сосудов высокого давления разделяют первую и вторую текучие среды, возвратно-поступательный IPX 90 имеет возможность защищать оборудование системы гидравлического разрыва пласта (например, насосы высокого давления, которые сообщаются по текучей среде с впуском 110 высокого давления) от контакта с второй текучей средой (например, коррозионно-активная и/или содержащая расклинивающий агент текучая среда).
На фиг. 5 представлен общий вид с разделением деталей варианта осуществления вращающегося изобарического обменника 160 давления (вращающийся IPX), выполненного с возможностью передачи давления и/или работы между первой и второй текучими средами (например, не содержащая расклинивающий агент текучая среда и содержащая расклинивающий агент текучая среда) с минимальным смешиванием текучих сред. Вращающийся IPX 160 может включать в себя по существу цилиндрическую корпусную часть 162, которая включает в себя гильзу 164 и ротор 166. Вращающийся IPX 160 также может включать в себя два торцевых колпака 168 и 170, которые включают в себя коллекторы 172 и 174, соответственно. Коллектор 172 включает в себя впускные и выпускные порты 176 и 178, и коллектор 174 включает в себя, соответственно, впускные и выпускные порты 180 и 182. Во время работы, впускные порты 176, 180 обеспечивают возможность первой текучей среде (например, не содержащая расклинивающий агент текучая среда) входить во вращающийся IPX 160 для обмена давления, а выпускные порты 180, 182 обеспечивают возможность первой текучей среде затем выходить из вращающегося IPX 160. Во время работы, впускной порт 176 может принимать первую текучую среду высокого давления, и после обмена давления выпускной порт 178 может использоваться для направления первой текучей среды низкого давления из вращающегося IPX 160. Подобным образом, впускной порт 180 может принимать вторую текучую среду низкого давления (например, содержащая расклинивающий агент текучая среда, текучая среда для гидравлического разрыва пласта), и выпускной порт 182 может использоваться для направления второй текучей среды высокого давления из вращающегося IPX 160. Торцевые колпаки 168 и 170 включают в себя соответствующие торцевые крышки 184 и 186, расположенные внутри соответствующих коллекторов 172 и 174, которые обеспечивают возможность герметизирующего контакта по текучей среде с ротором 166. Ротор 166 может иметь цилиндрическую форму и располагается в гильзе 164, что обеспечивает возможность ротору 166 вращаться вокруг оси 188. Ротор 166 может иметь множество каналов 190, которые продолжаются по существу в продольном направлении через ротор 166 и имеют отверстия 192 и 194 на каждом конце, расположенные симметрично относительно продольной оси 188. Отверстия 192 и 194 ротора 166 выполнены с возможностью сообщения по текучей среде с впускными и выпускными отверстиями 196 и 198, и 200 и 202 в торцевых крышках 172 и 174 таким образом, что во время вращения каналы 190 открыты для текучей среды высокого давления и текучей среды низкого давления. Как иллюстрируется на чертеже, впускные и выпускные отверстия 196 и 198, и 200 и 202 могут быть выполнены в форме дуг или сегментов окружности (например, С-образная форма).
В некоторых вариантах осуществления контроллер, использующий датчики обратной связи, может управлять степенью смешивания между первой и второй текучими средами во вращающемся IPX 160, что может использоваться для улучшения работоспособности системы для работы с текучей средой. Например, изменение пропорций первой и второй текучих сред, входящих во вращающийся IPX 160, позволяет оператору управлять величиной смешивания текучих сред в системе 12 передачи гидравлической энергии. Три характеристики вращающегося IPX 160, которые влияют на смешивание: (1) соотношение сторон каналов 190 ротора, (2) малая продолжительность взаимодействия между первой и второй текучими средами, и (3) создание барьера текучей среды (например, границы) между первой и второй текучими средами в каналах 190 ротора. Во-первых, каналы 190 ротора являются в общем длинными и узкими, что стабилизирует поток во вращающемся IPX 160. Дополнительно, первая и вторая текучие среды могут перемещаться через каналы 190 в режиме поршневого потока с очень небольшим осевым смешиванием. Во-вторых, в некоторых вариантах осуществления скорость ротора 166 уменьшает контакт между первой и второй текучими средами. Например, скорость ротора 166 может уменьшить время контакта между первой и второй текучими средами до приблизительно менее 0,15 секунд, 0,1 секунд или 0,05 секунд. В-третьих, небольшая часть канала 190 ротора используется для обмена давления между первой и второй текучими средами. Поэтому некоторый объем текучей среды остается в канале 190 в качестве барьера между первой и второй текучими средами. Все эти механизмы могут ограничивать смешивание во вращающемся IPX 160. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления вращающийся IPX 160 может быть выполнен с возможностью работать с внутренними поршнями, которые изолируют первую и вторую текучую среды, при этом обеспечивая возможность передачи давления.
На фиг. 6-9 представлены виды с разделением деталей варианта осуществления вращающегося IPX 160, иллюстрирующие последовательность положений одного канала 190 в роторе 166 за полный цикл вращения канала 190. Отметим, что фиг. 6-9 представляют упрощенное изображение вращающегося IPX 160, показывая один канал 190, и канал 190 показан имеющим круглую форму поперечного сечения. В других вариантах осуществления вращающийся IPX 160 может включать в себя множество каналов 190, имеющих одинаковую или разную форму поперечного сечения (например, круглую, овальную, квадратную, прямоугольную, многоугольную, и т.д.). Тем самым фиг. 6-9 являются упрощенными изображениями для целей иллюстрирования, и другие варианты осуществления вращающегося IPX 160 могут иметь конфигурации, отличные от показанной на фиг. 6-9. Как описывается подробно ниже, вращающийся IPX 160 способствует обмену давления между первой и второй текучими средами (например, не содержащая расклинивающий агент текучая среда и содержащая расклинивающий агент текучая среда) за счет обеспечения возможности первой и второй текучим средам кратковременно контактировать друг с другом в роторе 166. В некоторых вариантах осуществления этот обмен осуществляется на скоростях, которые ведут к ограничению смешивания первой и второй текучих сред.
На фиг. 6 отверстие 192 канала находится в первом положении. В первом положении отверстие 192 канала сообщается по текучей среде с отверстием 198 в торцевой крышке 184 и тем самым с коллектором 172, при этом противоположное отверстие 194 канала сообщается по текучей среде с отверстием 202 в торцевой крышке 186 и далее с коллектором 174. Как будет описываться ниже, ротор 166 может вращаться в направлении по часовой стрелке, указанном стрелкой 204. Во время работы, вторая текучая среда 206 низкого давления проходит через торцевую крышку 186 и входит в канал 190, где она контактирует с первой текучей средой 208 на динамической границе 210 текучих сред. Вторая текучая среда 206 затем вытесняет первую текучую среду 208 из канала 190, через торцевую крышку 184 и из вращающегося IPX 160. Однако благодаря малой продолжительности контакта обеспечивается минимальное смешивание между второй текучей средой 206 и первой текучей средой 208.
На фиг. 7 канал 190 был повернут по часовой стрелке по дуге приблизительно 90 градусов. В этом положении отверстие 194 уже не сообщается по текучей среде с отверстиями 200 и 202 торцевой крышки 186, и отверстие 192 уже не сообщается по текучей среде с отверстиями 196 и 198 торцевой крышки 184. Соответственно, вторая текучая среда 206 низкого давления временно содержится внутри канала 190.
На фиг. 8 канал 190 был повернут по дуге приблизительно 180 градусов из положения на фиг. 6. Отверстие 194 сейчас сообщается по текучей среде с отверстием 200 в торцевой крышке 186, и отверстие 192 канала 190 сейчас сообщается по текучей среде с отверстием 196 в торцевой крышке 184. В этом положении первая текучая среда 208 высокого давления входит и увеличивает давление второй текучей среды 206 низкого давления, вытесняя вторую текучую среду 206 из канала 190 и через отверстие 200, для использования в системе 10 гидравлического разрыва пласта.
На фиг. 9 канал 190 был повернут по дуге приблизительно 270 градусов из положения, показанного на фиг. 6. В этом положении отверстие 194 уже не сообщается по текучей среде с отверстиями 200 и 202 торцевой крышки 186, и отверстие 192 уже не сообщается по текучей среде с отверстиями 196 и 198 торцевой крышки 184. Соответственно, первая текучая среда 208 уже не находится под давлением и временно содержится внутри канала 190, до тех пор, пока ротор 166 не повернется на следующие 90 градусов, начиная новый цикл.
На фиг. 10 представлена схема, иллюстрирующая вариант осуществления системы 10 гидравлического разрыва пласта, в которой система 12 передачи гидравлической энергии может представлять собой гидравлический турбонагнетатель 40, возвратно-поступательный IPX 90 или их комбинацию. Как было описано выше, гидравлический турбонагнетатель 40 или возвратно-поступательный IPX 90 защищает оборудование для гидравлического разрыва пласта (например, насосы высокого давления), при этом обеспечивая возможность закачивать текучую среду для гидравлического разрыва пласта высокого давления в скважину 14 во время операций гидравлического разрыва пласта. Как иллюстрируется на чертеже, система 10 гидравлического разрыва пласта включает в себя один или более первые насосы 18 текучей среды и один или более вторые насосы 20 текучей среды. Первые насосы 18 текучей среды могут включать в себя насос 234 низкого давления и насос 236 высокого давления, а вторые насосы 20 текучей среды могут включать в себя насос 238 низкого давления. В некоторых вариантах осуществления, система 10 гидравлического разрыва пласта может включать в себя дополнительные первые насосы 18 текучей среды (например, дополнительные насосы низкого, промежуточного и/или высокого давления) и вторые насосы 20 текучей среды (например, насосы низкого давления). Во время работы первые насосы 18 текучей среды и вторые насосы 20 текучей среды соответственно закачивают первую и вторую текучие среды (например, не содержащая расклинивающий агент текучая среда и содержащая расклинивающий агент текучая среда) в систему 12 передачи гидравлической энергии, где текучие среды обмениваются работой и давлением. Как было описано выше, гидравлический турбонагнетатель 40 и возвратно-поступательный IPX 90 осуществляют обмен работы и давления без смешивания первой и второй текучих сред. В результате гидравлический турбонагнетатель 40 и возвратно-поступательный IPX 90 защищают первые насосы 18 текучей среды от воздействия второй текучей среды (например, содержащая расклинивающий агент текучая среда). Другими словами, первые насосы 18 текучей среды не подвергаются увеличенному истиранию и/или износу, вызываемому расклинивающим агентом (например, твердыми частицами).
Как иллюстрируется на чертеже, первый насос 234 текучей среды низкого давления связан по текучей среде с первым насосом 236 текучей среды высокого давления. Во время работы, первый насос 234 текучей среды низкого давления принимает первую текучую среду (например, не содержащая расклинивающий агент текучая среда, по существу не содержащая расклинивающий агент текучая среда) и увеличивает давление первой текучей среды для использования первым насосом 236 текучей среды высокого давления. Первая текучая среда может представлять собой комбинацию воды из резервуара 244 для воды и химических реагентов из резервуара 246 для химических реагентов. Однако в некоторых вариантах осуществления первая текучая среда может быть только водой или по существу водой (например, 50, 60, 70, 80, 90, 95 или более процентов воды). Первый насос 236 текучей среды высокого давления затем закачивает первую текучую среду через впуск 240 высокого давления в систему 12 передачи гидравлической энергии. Давление первой текучей среды затем передается к второй текучей среде (например, содержащая расклинивающий агент текучая среда, текучая среда для гидравлического разрыва пласта), которая входит в систему 12 передачи гидравлической энергии через впуск 242 низкого давления второй текучей среды. Вторая текучая среда представляет собой текучую среду для гидравлического разрыва пласта, содержащую расклинивающий агент (например, песок, керамические материалы, и т.д.) из резервуара 248 для расклинивающего агента. После обмена давления, вторая текучая среда выходит из системы 12 передачи гидравлической энергии через выпуск 250 высокого давления и входит в скважину 14, при этом первая текучая среда выходит с уменьшенным давлением через выпуск 252 низкого давления. В некоторых вариантах осуществления система 10 гидравлического разрыва пласта может включать в себя подкачивающий насос 254, который дополнительно повышает давление второй текучей среды перед входом в скважину 14.
После выхода из выпуска 252 под низким давлением, первая текучая среда может быть направлена на рециркуляцию через первые насосы 18 текучей среды и/или проходить через резервуар 256 для смешивания. Например, трехходовой клапан 258 может управлять, будет ли вся или часть первой текучей среды направлена на рециркуляцию через первые насосы 18 текучей среды, или вся или часть первой текучей среды будет направлена через резервуар 256 для смешивания, чтобы образовать вторую текучую среду. Если первая текучая среда направляется в резервуар 256 для смешивания, в нем первая текучая среда комбинируется с расклинивающим агентом из резервуара 248 для расклинивающего агента, чтобы образовать вторую текучую среду (например, текучая среда для гидравлического разрыва пласта). В некоторых вариантах осуществления резервуар 256 для смешивания может принимать воду и химические реагенты непосредственно из резервуара 244 для воды и резервуара 246 для химических реагентов, чтобы дополнять или заменять первую текучую среду, проходящую через систему 12 передачи гидравлической энергии. Резервуар 256 для смешивания затем может комбинировать эти текучие среды с расклинивающим агентом из резервуара 248 для расклинивающего агента, чтобы получить вторую текучую среду (например, текучая среда для гидравлического разрыва пласта).
Чтобы управлять составом (например, процентное содержание химических реагентов, воды и расклинивающего агента) и потоком первой и второй текучих сред, система 10 гидравлического разрыва пласта может включать в себя контроллер 260. Например, контроллер 260 может поддерживать поток, состав и давление первой и второй текучих сред внутри пороговых диапазонов, выше порогового уровня и/или ниже порогового уровня. Контроллер 260 может включать в себя один или более процессоры 262 и память 264, которые принимают информацию обратной связи от датчиков 266 и 268, и расходомеры 270 и 272, чтобы управлять составом и потоком первой и второй текучих сред в систему 12 передачи гидравлической энергии. Например, контроллер 260 может принять информацию обратной связи от датчика 266, которая указывает, что химический состав второй текучей среды является неверным. В ответ на это контроллер 260 может открыть или закрыть клапаны 274 или 276, чтобы изменить количество химических реагентов, поступающих в первую текучую среду или входящих непосредственно в резервуар 256 для смешивания. В другой ситуации, контроллер 260 может принять сигнал от расходомера 272 в пути потока первой текучей среды, который указывает на необходимость увеличения расхода первой текучей среды. Соответственно, контроллер 260 может открыть клапан 278 и клапан 274, чтобы увеличить поток воды и химических реагентов через систему 10 гидравлического разрыва пласта. Контроллер 260 может также осуществлять мониторинг состава (например, процентное содержание расклинивающего агента, воды и т.д.) второй текучей среды в резервуаре 256 для смешивания с датчиком 268 уровня (например, регулирование уровня). Если состав является неверным, контроллер 260 может открывать и закрывать клапаны 258, 274, 276, 278, 280 и 282, чтобы увеличивать или уменьшать поток воды, химических реагентов и/или расклинивающего агента в резервуар 256 для смешивания. В некоторых вариантах осуществления система 10 гидравлического разрыва пласта может включать в себя расходомер 270, связанный с путем потока второй текучей среды. Во время работы, контроллер 260 с помощью расходомера 270 осуществляет мониторинг расхода второй текучей среды, направляемой в систему 12 передачи гидравлической энергии. Если расход второй текучей среды является слишком высоким или низким, контроллер 260 может открывать и закрывать клапаны 258, 274, 276, 278, 280 и 282 и/или управлять вторыми насосами 20 текучей среды, чтобы увеличивать или уменьшать расход второй текучей среды.
На фиг. 11 представлена схема, иллюстрирующая вариант осуществления системы 10 гидравлического разрыва пласта, в которой система 12 передачи гидравлической энергии может представлять собой вращающийся IPX 160. Как иллюстрируется на чертеже, система 10 гидравлического разрыва пласта включает в себя один или более первые насосы 18 текучей среды и один или более вторые насосы 20 текучей среды. Первые насосы 18 текучей среды могут включать в себя один или более насосы 234 низкого давления и один или более насосы 236 высокого давления, и вторые насосы 20 текучей среды могут включать в себя один или более насосы 238 низкого давления. Например, некоторые варианты осуществления могут включать в себя множество насосов 234 и 238 низкого давления, чтобы компенсировать потери давления в линиях текучей среды (например, трубы, шланги). Во время работы, вращающийся IPX 160 обеспечивает возможность первой и второй текучим средам (например, не содержащая расклинивающий агент текучая среда и содержащая расклинивающий агент текучая среда) обменивать работу и давление, при этом уменьшая или блокируя контакт между второй текучей средой (например, содержащая расклинивающий агент текучая среда, текучая среда для гидравлического разрыва пласта) и первыми насосами 18 текучей среды. Соответственно, система 10 гидравлического разрыва пласта имеет возможность закачивать вторую текучую среду под высоким давлением в скважину 14, при этом уменьшая износ, вызываемый расклинивающим агентом (например, твердые частицы), в первых насосах 18 текучей среды (например, насос 236 высокого давления).
Во время работы, первый насос 234 текучей среды низкого давления принимает первую текучую среду (например, не содержащая расклинивающий агент текучая среда, по существу не содержащая расклинивающий агент текучая среда) и увеличивает давление первой текучей среды для использования первым насосом 236 текучей среды высокого давления. Первая текучая среда может представлять собой воду из резервуара 244 для воды или комбинацию воды из резервуара 244 для воды и химических реагентов из резервуара 246 для химических реагентов. Первый насос 236 текучей среды высокого давления затем закачивает первую текучую среду через впуск 240 высокого давления во вращающийся IPX 160. Давление первой текучей среды затем передается к второй текучей среде (например, содержащая расклинивающий агент текучая среда, такая как текучая среда для гидравлического разрыва пласта), входящей во вращающийся IPX 160 через впуск 242 низкого давления второй текучей среды. После обмена давления вторая текучая среда выходит из вращающегося IPX 160 через выпуск 250 высокого давления и входит в скважину 14, при этом первая текучая среда выходит с уменьшенным давлением через выпуск 252 низкого давления. В некоторых вариантах осуществления система 10 гидравлического разрыва пласта может включать в себя подкачивающий насос 254, который дополнительно повышает давление второй текучей среды.
Когда первая и вторая текучие среды обменивают давления во вращающемся IPX 160, часть второй текучей среды (например, текучая среда утечки) может объединяться с первой текучей средой и выходить из вращающегося IPX 160 через выпуск 252 низкого давления вращающегося IPX 160. Другими словами, текучая среда, выходящая из выпуска 252 низкого давления, может представлять собой комбинацию первой текучей среды и части второй текучей среды, которая не вышла из вращающегося IPX 160 через выпуск 250 высокого давления. Для защиты первых насосов 18 текучей среды, система 10 гидравлического разрыва пласта может направлять большую часть комбинированной текучей среды (т.е. смеси первой и второй текучих сред) в резервуар 256 для смешивания, где комбинированная текучая среда преобразуется во вторую текучую среду путем добавления большего количества расклинивающего агента и химических реагентов. Любой избыток комбинированной текучей среды, не нужный в резервуаре 256 для смешивания, может быть направлен в сепаратор 300 (например, сепараторный резервуар, гидроциклон), где расклинивающий агент удаляется, преобразуя комбинированную текучую среду в первую текучую среду. По существу не содержащая расклинивающий агент текучая среда может затем выдаваться из сепаратора 300 для рециркуляции через первые насосы 18 текучей среды. Оставшаяся комбинированная текучая среда может затем выдаваться из сепараторного резервуара 300 для использования в резервуаре 256 для смешивания. Возможность направлять большую часть комбинированной текучей среды, выходящей из вращающегося IPX 160, в резервуар 256 для смешивания, позволяет системе 10 гидравлического разрыва пласта использовать меньший сепаратор 300, при этом одновременно уменьшая тепловую нагрузку в системе 10 гидравлического разрыва пласта. Например, когда насос 236 высокого давления повышает давление первой текучей среды, это ведет к нагреву первой текучей среды. За счет направления большей части первой текучей среды, в которой ранее было увеличено давление, через резервуар 256 для смешивания и затем в скважину 14, система 10 гидравлического разрыва пласта уменьшает тепловую нагрузку на первые насосы 18 текучей среды, вращающийся IPX 160 и другие компоненты системы 10 гидравлического разрыва пласта. Кроме того, меньший сепаратор может снизить стоимость, объем технического обслуживания и занимаемую площадь системы 10 гидравлического разрыва пласта.
В резервуаре 256 для смешивания вода, химические реагенты и расклинивающий агент комбинируются в правильных процентных содержаниях/соотношениях, чтобы образовать вторую текучую среду (например, текучая среда для гидравлического разрыва пласта). Как иллюстрируется на чертеже, резервуар 256 для смешивания связан с резервуаром 248 для расклинивающего агента, резервуаром 246 для химических реагентов и вращающимся IPX 160 через выпуск 252 низкого давления, сепаратор 300 и резервуар 244 для воды. Соответственно, резервуар 256 для смешивания может принимать текучие среды и расклинивающий агент от множества источников, что позволяет резервуару 256 для смешивания производить вторую текучую среду. Например, в том случае, когда комбинированной текучей среды, выходящей из вращающегося IPX 160 через выпуск 252 низкого давления, недостаточно для образования правильной смеси для второй текучей среды, система 10 гидравлического разрыва пласта может открыть клапан 302, обеспечивая возможность добавления воды из резервуара 244 для воды в комбинированную текучую среду, выходящую из вращающегося IPX 160. Чтобы блокировать поток текучей среды из резервуара 244 для воды в сепаратор 300, система 10 гидравлического разрыва пласта может включать в себя обратные клапаны 303. После получения правильных процентных содержаний/соотношений для образования второй текучей среды (например, текучая среда для гидравлического разрыва пласта), вторая текучая среда выходит из резервуара 256 для смешивания и входит во вторые насосы 20 текучей среды. Вторые насосы 20 текучей среды затем закачивают вторую текучую среду (например, содержащая расклинивающий агент текучая среда, текучая среда для гидравлического разрыва пласта) во вращающийся IPX 160. Во вращающемся IPX 160 первая текучая среда контактирует с второй текучей средой и увеличивает ее давление, вытесняя вторую текучую среду из вращающегося IPX 160 и в скважину 14.
Чтобы управлять составом (например, процентным содержанием химических реагентов, воды и расклинивающего агента) и потоком первой и второй текучих сред, система 10 гидравлического разрыва пласта может включать в себя контроллер 260. Например, контроллер 260 может поддерживать поток, состав и давление первой и второй текучих сред в пределах пороговых диапазонов, выше порогового уровня и/или ниже порогового уровня. Контроллер 260 может включать в себя один или более процессоры 262 и память 264, которые принимают информацию обратной связи от датчиков 266 и 268 и расходомеров 270 и 272, чтобы управлять составом и потоком первой и второй текучих сред во вращающийся IPX 160. Например, контроллер 260 может принимать информацию обратной связи от датчика 266, которая указывает, что химический состав второй текучей среды является неверным. В ответ контроллер 260 может открыть или закрыть клапан 274, чтобы изменить количество химических реагентов, входящих в резервуар 256 для смешивания. В некоторых вариантах осуществления контроллер 260 может также осуществлять мониторинг процентного содержания расклинивающего агента, воды и т.д. во второй текучей среде в резервуаре 256 для смешивания с датчиком 268 уровня (например, регулирование уровня). Если состав является неверным, контроллер 260 может открывать или закрывать клапаны 274, 282 и 302, чтобы увеличивать или уменьшать поток воды, химических реагентов и/или расклинивающего агента в резервуар 256 для смешивания. В других ситуациях, контроллер 260 может принимать сигнал от расходомера 272, который указывает, что расход первой текучей среды является слишком высоким или низким. Контроллер 260 может затем увеличивать или уменьшать скорость насоса 234 низкого давления, чтобы изменять расход первой текучей среды. Система 10 гидравлического разрыва пласта также может осуществлять мониторинг расхода второй текучей среды с помощью расходомера 270. Если расход второй текучей среды является слишком высоким или низким, контроллер 260 может управлять клапанами 302 и 304 и/или увеличивать/уменьшать скорость вторых насосов 20 текучей среды. В некоторых вариантах осуществления контроллер 260 также может использовать датчик 306 (например, вибрационный, оптический, магнитный и т.д.), который обнаруживает, если вращающийся IPX 160 больше не вращается (например, глохнет). Если вращающийся IPX 160 глохнет, контроллер 160 может открыть перепускной клапан 308 и закрыть клапаны 304, 310 и 312, чтобы блокировать поток текучей среды от выпуска 252 низкого давления к резервуару 256 для смешивания, а также блокировать поток первой текучей среды через первые насосы 18 текучей среды. Контроллер 260 может затем открыть клапан 302, чтобы закачивать воду непосредственно в резервуар 256 для смешивания, чтобы производить вторую текучую среду. Второй насос 238 текучей среды низкого давления будет затем закачивать вторую текучую среду через вращающийся IPX 160 и перепускной клапан 308 к первым насосам 18 текучей среды. Первые насосы 18 текучей среды будут затем увеличивать давление второй текучей среды, перемещая вторую текучую среду через вращающийся IPX 160 и в скважину 14 для осуществления гидравлического разрыва пласта. Таким образом система 10 гидравлического разрыва пласта на фиг. 8 обеспечивает возможность непрерывного выполнения операций гидравлического разрыва пласта, если вращающийся IPX 160 глохнет.
Хотя изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, здесь были показаны в качестве примера на чертежах и подробно описаны конкретные варианты осуществления. Однако необходимо понимать, что раскрытые частные формы не ограничивают изобретение, а напротив, настоящее изобретение охватывает все модификации, эквиваленты и альтернативы, входящие в пределы сущности и объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.
1. Система гидравлического разрыва пласта, содержащая:
систему передачи гидравлической энергии, выполненную с возможностью осуществлять обмен давлений между первой текучей средой и второй текучей средой, причем система передачи гидравлической энергии выполнена с возможностью минимизировать или предотвращать смешивание между первой и второй текучими средами.
2. Система по п.1, в которой первая текучая среда представляет собой по существу не содержащую расклинивающий агент текучую среду и вторая текучая среда представляет собой содержащую расклинивающий агент текучую среду.
3. Система по п.1, в которой система передачи гидравлической энергии содержит гидравлический турбонагнетатель.
4. Система по п.1, в которой система передачи гидравлической энергии содержит вращающийся изобарический обменник давления.
5. Система по п.1, в которой система передачи гидравлической энергии содержит возвратно-поступательный изобарический обменник давления.
6. Система по п.1, причем система гидравлического разрыва пласта содержит контроллер, который управляет потоком первой текучей среды и второй текучей среды в систему передачи гидравлической энергии.
7. Система по п.6, в которой контроллер осуществляет связь с первым расходомером, чтобы управлять потоком первой текучей среды и второй текучей среды в систему передачи гидравлической энергии.
8. Система по п.1, причем система гидравлического разрыва пласта содержит первый насос и второй насос, причем первый насос выполнен с возможностью закачивать первую текучую среду, и второй насос выполнен с возможностью закачивать вторую текучую среду.
9. Система по п.8, в которой первый насос представляет собой насос высокого давления и второй насос представляет собой насос низкого давления.
10. Система гидравлического разрыва пласта, содержащая:
насос высокого давления, выполненный с возможностью закачивать первую текучую среду, которая по существу не содержит расклинивающий агент;
насос низкого давления, выполненный с возможностью закачивать вторую текучую среду, которая содержит расклинивающий агент;
систему передачи гидравлической энергии, выполненную с возможностью блокировать поток второй текучей среды через насос высокого давления, при этом осуществляя обмен давления между первой текучей средой и второй текучей средой; и
перепускной клапан, выполненный с возможностью в открытом положении перенаправлять вторую текучую среду через насос высокого давления и выполненный с возможностью в закрытом положении блокировать протекание второй текучей среды через насос высокого давления.
11. Система по п.10, в которой система передачи гидравлической энергии содержит гидравлический турбонагнетатель.
12. Система по п.10, в которой система передачи гидравлической энергии содержит вращающийся изобарический обменник давления.
13. Система по п.10, в которой система передачи гидравлической энергии содержит возвратно-поступательный изобарический обменник давления.
14. Система по п.10, в которой система гидравлического разрыва пласта содержит контроллер, который управляет потоком первой текучей среды и второй текучей среды в систему передачи гидравлической энергии.
15. Система гидравлического разрыва пласта, содержащая:
систему передачи гидравлической энергии;
первый расходомер, выполненный с возможностью измерять первый расход первой текучей среды;
второй расходомер, выполненный с возможностью измерять второй расход второй текучей среды;
контроллер, связанный с первым и вторым расходомерами и выполненный с возможностью управлять первым расходом первой текучей среды и вторым расходом второй текучей среды в систему передачи гидравлической энергии, используя обратную связь от первого и второго расходомеров.
16. Система по п.15, содержащая насос высокого давления, выполненный с возможностью закачивать первую текучую среду в систему передачи гидравлической энергии.
17. Система по п.15, содержащая насос низкого давления, выполненный с возможностью закачивать вторую текучую среду в систему передачи гидравлической энергии.
18. Система по п.15, в которой система передачи гидравлической энергии представляет собой вращающийся изобарический обменник давления.
