СИСТЕМА ДЛЯ ГИДРОРАЗРЫВА ПЛАСТА, ПРЕДНАЗНАЧЕННАЯ ДЛЯ ПРИВОДА ПЛУНЖЕРНОГО НАСОСА С ПОМОЩЬЮ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
SYSTEM FOR HYDRAULIC FRACTURING INTENDED TO DRIVE A PLUG PUMP USING A GAS TURBINE ENGINE (OPTIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к технической области гидроразрыва пласта на нефтяных и газовых месторождениях, а именно к системе для гидроразрыва пласта, предназначенной для приведения в действие плунжерного насоса с помощью газотурбинного двигателя.
Уровень техники
Гидравлический разрыв пласта применяется для увеличения добычи в нефтяных или газовых скважинах на протяжении десятилетий. Для этого процесса используется плунжерный насос для закачивания жидкости в ствол скважины под высоким давлением, а затем жидкость нагнетается в пласт, разрывая несколько трещин посредством гидроразрыва. В трещины также закачивается вода, другие жидкости, а также проппанты для гидроразрыва. После гидроразрыва базовая жидкость для гидроразрыва возвращается на землю, а проппанты для гидроразрыва остаются в трещине, чтобы предотвратить смыкание трещины, через которую большое количество нефти и газа поступает в ствол скважины для эксплуатации.
На рабочих площадках для гидроразрыва пласта на нефтяных и газовых месторождениях по всему силовой привод плунжерного насоса в основном включает в себя следующие две компоновки.
Одна компоновка привода заключается в том, что дизельный двигатель соединен с трансмиссией через трансмиссионный вал для приведения в действие плунжерного насоса для гидроразрыва. Другими словами, в качестве источника энергии используется дизельный двигатель, в качестве трансмиссии – редуктор и трансмиссионный вал, а в качестве исполнительного органа – плунжерный насос.
Эта компоновка имеет следующие недостатки:
(1) большой объем и большой вес: если дизельный двигатель приводит в движение трансмиссию, чтобы привести в действие плунжерный насос через трансмиссионный вал, то получается большой объем, задействуется большой вес, при этом транспортировка ограничена, а удельная мощность низкая;
(2) экологические проблемы: во время операций на буровой площадке оборудование для гидроразрыва, приводимое в действие дизельным двигателем, будет создавать выбросы отработавших газов двигателя и шумовое загрязнение. Шум, превышающий 105 дБА, оказывает сильное негативное влияние на нормальную жизнь близлежащих жителей;
(3) экономическая неэффективность: оборудование для гидроразрыва, приводимое в действие дизельным двигателем, требует сравнительно высоких первоначальных затрат на приобретение и сопряжено с большими расходами топлива на единицу мощности во время работы, при этом двигатель и трансмиссия также требуют очень высоких затрат на текущее техническое обслуживание.
Другая компоновка привода заключается в том, что электродвигатель соединен с трансмиссионным валом или муфтой для приведения в действие плунжерного насоса. Иными словами, в качестве источника энергии используется электродвигатель, в качестве трансмиссии используется трансмиссионный вал или муфта, а в качестве исполнительного элемента – плунжерный насос, т.е. применяется гидроразрыв с электроприводом.
Хотя гидроразрыв с электроприводом сам по себе имеет много преимуществ, трудно обеспечить буровые площадки электроэнергией для гидроразрыва, поскольку мощность на буровых площадках слишком мала для приведения в действие всей установки для гидроразрыва пласта, или на буровых площадках вообще отсутствуют какие-либо электрические сети. Поэтому для выработки электроэнергии необходимо использовать генераторы. Наиболее экономичным топливом для генерации является природный газ, но пользователям необходимо арендовать или покупать газогенераторные установки. Для гидроразрыва пласта без сетей электроснабжения мощность газогенераторных установок должна быть не менее 30 МВт. Покупка таких мощных газогенераторных установок является большой инвестицией для заказчиков. Что еще более важно, в ходе реальных работ случайное отключение газогенераторных установок может привести к выходу из строя всей установки гидроразрыва с электроприводом, что серьезно повлияет на качество работы и даже может привести к несчастным случаям на производстве.
Таким образом, существует острая необходимость в системе гидроразрыва пласта, которая удовлетворяла бы текущим потребностям.
Раскрытие сущности изобретения
Чтобы преодолеть недостатки предшествующего уровня техники, задача настоящего изобретения заключается в создании системы для гидравлического разрыва пласта, которая предназначена для приведения в действие плунжерного насоса с помощью газотурбинного двигателя и в которой газотурбинный двигатель используют для приведения в действие плунжерного насоса для решения актуальных проблем, связанных с применением дизельного привода и электродвигателя. Подача топлива газотурбинного двигателя с двухтопливной системой (газотурбинный двигатель работает на дизельном топливе или природном газе) разнообразна и не ограничена, особенно когда в качестве топлива используется природный газ, что позволяет сэкономить больше затрат.
Задача настоящего изобретения решена за счет следующих технических мер. Система для гидроразрыва пласта, предназначенная для приведения в действие плунжерного насоса с помощью газотурбинного двигателя, включает в себя оборудование для гидроразрыва, манифольд высокого-низкого давления, смесительное оборудование и пескосмесительное оборудование; при этом смесительное оборудование используется для перемешивания базовой жидкости для гидроразрыва в системе гидроразрыва пласта, причем пескосмесительное оборудование подает базовую жидкость для гидроразрыва и проппант для гидроразрыва в манифольд высокого-низкого давления; при этом один конец манифольда высокого-низкого давления соединен с оборудованием для гидроразрыва через соединительный трубопровод, а другой конец манифольда высокого-низкого давления соединен с устьем скважины; причем газотурбинный двигатель используется в качестве источника энергии оборудования для гидроразрыва, при этом газотурбинный двигатель работает на природном газе или дизельном топливе.
Кроме того, когда газотурбинный двигатель работает на природном газе, природный газ доставляется к газотурбинному двигателю автоцистерной для сжатого природного газа через оборудование для регулирования давления сжатого природного газа, или доставляется к газотурбинному двигателю автоцистерной для сжиженного природного газа через оборудование для газификации сжиженного природного газа, или доступен через патрубок для попутного газа и подается к газотурбинному двигателю через оборудование для обработки попутного газа, или доступен через патрубок для трубопроводного газа и подается к газотурбинному двигателю через оборудование для обработки трубопроводного газа, при этом топливо в виде природного газа подается одним или несколькими из вышеперечисленных способов.
Кроме того, система для гидроразрыва пласта, предназначенная для приведения в действие плунжерного насоса с помощью газотурбинного двигателя, включает в себя контрольно-измерительные приборы, которые используются для мониторинга всей системы гидроразрыва пласта.
Кроме того, оборудование для гидроразрыва устанавливается на транспортном средстве, или на полуприцепе, или на лыжном шасси.
Кроме того, плунжерный насос в оборудовании для гидроразрыва представляет собой трехцилиндровый насос или пятицилиндровый насос, мощность которого составляет 2250 л. с. или выше.
Кроме того, плунжерный насос представляет собой пятицилиндровый насос, мощность которого составляет 5000 л. с. или выше.
Кроме того, оборудование для гидроразрыва включает в себя один или несколько агрегатов газотурбинного оборудования для гидроразрыва.
Кроме того, газотурбинное оборудование для гидроразрыва включает в себя газотурбинный двигатель, выхлопную систему и плунжерный насос, при этом один конец газотурбинного двигателя соединен с выхлопной системой, а другой конец газотурбинного двигателя соединен с плунжерным насосом, причем плунжерный насос представляет собой плунжерный насос, оснащенный редуктором, при этом газотурбинный двигатель напрямую соединен с входным концом редуктора, установленного на плунжерном насосе.
Кроме того, плунжерный насос, газотурбинный двигатель и выхлопная система расположены по прямой линии вдоль направления передачи мощности.
Кроме того, газотурбинное оборудование для гидроразрыва включает в себя выхлопную систему, газотурбинный двигатель, редуктор, трансмиссию и плунжерный насос, причем выхлопная система соединена с выпускным отверстием газотурбинного двигателя, выходной конец газотурбинного двигателя соединен с редуктором, а редуктор соединен с плунжерным насосом через трансмиссию.
Кроме того, выхлопная система, газотурбинный двигатель, редуктор, трансмиссия и плунжерный насос расположены на прямой линии вдоль направления передачи мощности.
По сравнению с существующим уровнем техники настоящее изобретение имеет следующие положительные эффекты. Газотурбинный двигатель используется для приведения в действие плунжерного насоса для решения текущих проблем, связанных с использованием дизельного привода и привода на основе электродвигателя. Подача топлива газотурбинного двигателя с двухтопливной системой (газотурбинный двигатель работает на дизельном топливе или природном газе) разнообразна и не ограничена и может быть выбрана заказчиком в соответствии с фактической ситуацией. В частности, если в качестве топлива используется природный газ, то это сэкономит больше средств. Подача природного газа во всей системе гидроразрыва пласта диверсифицирована, что позволяет лучше удовлетворять потребности большего числа заказчиков. Все оборудование для гидроразрыва расположено по прямой линии вдоль направления передачи мощности, что позволяет значительно снизить общий центр тяжести оборудования для гидроразрыва, а также повысить устойчивость и безопасность оборудования для гидроразрыва как при эксплуатации, так и при транспортировке.
Настоящее изобретение будет подробно описано ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи и частные варианты осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана схематическая структурная схема системы для гидроразрыва пласта в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 – схематическая структурная схема газотурбинного оборудования для гидроразрыва в соответствии с вариантом 1 осуществления изобретения;
на фиг. 3 – схематическая структурная схема газотурбинного оборудования для гидроразрыва в соответствии с вариантом 2 осуществления изобретения.
При этом 1 – автоцистерна для сжатого природного газа, 2 – оборудование для регулирования давления сжатого природного газа, 3 – трубопровод для природного газа, 4 – газотурбинное оборудование для гидроразрыва, 5 – соединительный трубопровод, 6 – манифольд высокого-низкого давления, 7 – устье скважины, 8 – патрубок для попутного газа, 9 – оборудование для обработки попутного газа, 10 – песковоз, 11 – резервуар для хранения песка, 12 – оборудование для транспортировки песка, 13 – резервуар для хранения жидкости, 14 – пескосмесительное оборудование, 15 – смесительное оборудование, 16 – оборудование для химических добавок, 17 – контрольно-измерительные приборы, 18 – плунжерный насос, 19 – газотурбинный двигатель, 20 – выпускной канал, 21 – глушитель, 22 – трансмиссия, 23 – редуктор, 24 – редуктор, установленный на плунжерном насосе.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг. 1–3, система для гидроразрыва пласта, предназначенная для приведения в действие плунжерного насоса с помощью газотурбинного двигателя, включает в себя соединительный трубопровод 5, оборудование для гидроразрыва, манифольд 6 высокого-низкого давления, смесительное оборудование 15 и пескосмесительное оборудование 14; при этом смесительное оборудование 15 используется для перемешивания базовой жидкости для гидроразрыва в системе гидроразрыва пласта, а пескосмесительное оборудование 14 подает базовую жидкость для гидроразрыва и проппант для гидроразрыва в манифольд 6 высокого-низкого давления; причем один конец манифольда 6 высокого-низкого давления соединен с оборудованием для гидроразрыва через соединительный трубопровод 5, а другой конец манифольда 6 высокого-низкого давления соединен с устьем 7 скважины; при этом в качестве источника энергии оборудования для гидроразрыва используется газотурбинный двигатель 19, причем плунжерный насос 18 приводится в действие газотурбинным двигателем 19 с высокой мощностью на единицу рабочего объема и малой занимаемой площадью по сравнению с традиционным оборудованием для гидроразрыва с дизельным двигателем в качестве источника энергии, что существенно снижает количество и занимаемую площадь блоков гидроразрыва во всем оборудовании для гидроразрыва. Газотурбинный двигатель 19 работает на природном газе или дизельном топливе. Газотурбинный двигатель 19 с двухтопливной системой может работать на 100% на нефтяном топливе или на 100% на природном газе. Подача топлива может быть различной, поэтому заказчики могут выбирать то, что соответствует фактической ситуации. В частности, если в качестве топлива используется природный газ, то это сэкономит больше средств. На рабочей площадке системы для гидроразрыва пласта дополнительно предусмотрены песковоз 10, резервуар 11 для хранения песка, оборудование 12 для транспортировки песка, резервуар 13 для хранения жидкости и оборудование 16 для химических добавок, при этом вода из резервуара 13 для хранения жидкости подается в смесительное оборудование 15, причем вода и различные добавки смешиваются в смесительном оборудовании 15 с образованием базовой жидкости для гидроразрыва, которая затем подается в пескосмесительное оборудование 14. Проппант для гидроразрыва транспортируется на буровую площадку с помощью песковоза 10 и подается в резервуар 11 для хранения песка. Могут использоваться несколько песковозов 10. Из резервуара 11 для хранения песка с помощью оборудования 12 для транспортировки песка проппант для гидроразрыва подается в пескосмесительное оборудование 14. Базовая жидкость для гидроразрыва и проппант для гидроразрыва смешиваются в пескосмесительном оборудовании 14 и затем подаются в манифольд 6 высокого-низкого давления, через который распределяются на каждый агрегат газотурбинного оборудования 4 для гидроразрыва, а затем смешанная жидкость для гидроразрыва закачивается в устье 7 скважины насосом высокого давления (путь нагнетания: газотурбинное оборудование 4 для гидроразрыва – соединительный трубопровод 5 – манифольд 6 высокого-низкого давления – устье 7 скважины), а затем осуществляется разрыв пласта нефтяной или газовой скважины. Оборудование 16 для химических добавок используется для подачи различных химических добавок в смесительное оборудование 15 или пескосмесительное оборудование 14.
На рабочей площадке системы для гидроразрыва пласта может быть размещено различное соответствующее дополнительное оборудование для подачи природного газа, такое как автоцистерна 1 для сжатого природного газа, оборудование 2 для регулирования давления сжатого природного газа, патрубок 8 для попутного газа, оборудование 9 для обработки попутного газа и т. п. Конечно, сжатый природный газ может быть, соответственно, заменен на сжиженный природный газ. Например, в этом случае может использоваться комбинация автоцистерны для сжиженного природного газа и оборудования для газификации и транспортировки сжиженного природного газа. Аналогично, попутный газ также может быть заменен трубопроводным газом, например, в этом случае может использоваться комбинация патрубка для трубопроводного газа и оборудования для обработки трубопроводного газа и т.п.
В частности, если газотурбинный двигатель 19 работает на природном газе, то природный газ регулируется оборудованием 2 для регулирования давления сжатого природного газа на автоцистерне 1 для сжатого природного газа, а затем подается в газотурбинный двигатель 19 по трубопроводу 3 для природного газа; или газифицируется оборудованием для газификации и транспортировки сжиженного природного газа на автоцистерне со сжиженным природным газом, а затем доставляется к газотурбинному двигателю 19 по трубопроводу 3 для природного газа; или газ поступает через патрубок 8 для попутного газа и обрабатывается с помощью оборудования 9 для обработки попутного газа, а затем подается к газотурбинному двигателю 19 по трубопроводу 3 для природного газа; или газ поступает через патрубок 8 для трубопроводного газа и обрабатывается с помощью оборудования 9 для обработки трубопроводного газа, а затем подается к газотурбинному двигателю 19 по трубопроводу 3 для природного газа, причем топливо в виде природного газа подается одним или несколькими из вышеприведенных способов. Подача природного газа во всей системе гидроразрыва пласта диверсифицирована, что позволяет лучше удовлетворять потребности большего числа заказчиков. Могут использоваться несколько автоцистерн 1 для сжатого природного газа и/или автоцистерн для сжиженного природного газа.
Система для гидроразрыва пласта, предназначенная для приведения в действие плунжерного насоса с помощью газотурбинного двигателя, включает в себя контрольно-измерительные приборы 17, которые используются для мониторинга всей системы для гидроразрыва пласта.
Оборудование для гидроразрыва предназначено для установки на транспортном средстве, или на полуприцепе, или на лыжном шасси.
Плунжерный насос 18 в оборудовании для гидроразрыва представляет собой трехцилиндровый насос или пятицилиндровый насос, мощность которого составляет 2250 л.с. или выше.
Плунжерный насос 18 представляет собой пятицилиндровый насос, мощность которого составляет 5000 л. с. или выше.
Оборудование для гидроразрыва включает в себя один или несколько агрегатов газотурбинного оборудования 4 для гидроразрыва.
Вариант 1 выполнения газотурбинного оборудования для гидроразрыва
Газотурбинное оборудование 4 для гидроразрыва устанавливается на транспортном средстве, или на полуприцепе, или на лыжном шасси. Схема и описание данного варианта осуществления изобретения представляют собой схематическую структурную схему загрузки компонентов газотурбинного оборудования 4 для гидроразрыва после удаления транспортного средства, или полуприцепа, или лыжного шасси.
Газотурбинное оборудование 4 для гидроразрыва включает в себя газотурбинный двигатель 19, выхлопную систему и плунжерный насос 18, при этом один конец газотурбинного двигателя 19 соединен с выхлопной системой, а другой конец газотурбинного двигателя 19 соединен с плунжерным насосом 18. Плунжерный насос 18 представляет собой плунжерный насос 18, объединенный с редуктором, при этом газотурбинный двигатель 19 напрямую соединен с входным концом редуктора 24, с которым объединен плунжерный насос. Входная скорость редуктора 24, объединенного с плунжерным насосом, соответствует выходной скорости газотурбинного двигателя 19, а входной крутящий момент редуктора 24, объединенного с плунжерным насосом, соответствует выходному крутящему моменту газотурбинного двигателя 19, что упрощает трансмиссию между плунжерным насосом 18 и газотурбинным двигателем 19, то есть трансмиссионный вал или муфта исключены, что значительно сокращает общую длину газотурбинного оборудования 4 для гидроразрыва и обеспечивает простую конструкцию и удобство обслуживания. Выхлопная система включает в себя выпускной канал 20 и глушитель 21, причем один конец выпускного канала 20 подсоединен к глушителю 21, а другой конец выпускного канала 20 подсоединен к выпускному отверстию газотурбинного двигателя 19.
Плунжерный насос 18, газотурбинный двигатель 19 и выхлопная система расположены по прямой линии вдоль направления передачи мощности, чтобы избежать чрезмерных потерь при передаче, обеспечивая тем самым эффективную работу трансмиссии оборудования, значительно снижая общий центр тяжести газотурбинного оборудования 4 для гидроразрыва, а также повышая устойчивость и безопасность газотурбинного оборудования 4 для гидроразрыва как при эксплуатации, так и при транспортировке.
Вариант 2 выполнения газотурбинного оборудования для гидроразрыва
Газотурбинное оборудование 4 для гидроразрыва устанавливается на транспортном средстве, или на полуприцепе, или на лыжном шасси. Схема и описание данного варианта осуществления изобретения представляют собой схематическую структурную схему загрузки компонентов газотурбинного оборудования 4 для гидроразрыва после удаления транспортного средства, или полуприцепа, или лыжного шасси.
Газотурбинное оборудование 4 для гидроразрыва включает в себя выхлопную систему, газотурбинный двигатель 19, редуктор 23, трансмиссию 22 и плунжерный насос 18, причем выхлопная система соединена с выпускным отверстием газотурбинного двигателя 19, выходной конец газотурбинного двигателя 19 соединен с редуктором 23, а редуктор 23 и плунжерный насос 18 соединены через трансмиссию 22. Выхлопная система включает в себя выпускной канал 20 и глушитель 21, причем один конец выпускного канала 20 подсоединен к глушителю 21, а другой конец выпускного канала 20 подсоединен к выпускному отверстию газотурбинного двигателя 19.
Выхлопная система, газотурбинный двигатель 19, редуктор 23, трансмиссия 22 и плунжерный насос 18 расположены по прямой линии вдоль направления передачи мощности, чтобы избежать чрезмерных потерь при передаче, обеспечивая тем самым эффективную работу трансмиссии оборудования, значительно снижая общий центр тяжести газотурбинного оборудования 4 для гидроразрыва, а также повышая устойчивость и безопасность газотурбинного оборудования 4 для гидроразрыва как при эксплуатации, так и при транспортировке. Трансмиссия 22 представляет собой трансмиссионный вал или муфту.
Сам газотурбинный двигатель 19 обладает преимуществами, которые заключаются в небольшом объеме и малом весе, что значительно уменьшает объем и вес газотурбинного оборудования 4 для гидроразрыва.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение не ограничено вышеизложенными вариантами осуществления, которые вместе с контекстом, описанным в описании, используются только для иллюстрации принципа настоящего изобретения. В настоящее изобретение могут быть внесены различные изменения и усовершенствования без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения. Все эти изменения и улучшения должны подпадать под объем охраны настоящего изобретения. Объем охраны настоящего изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.