СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОМОГЕНИЗИРОВАННЫХ НЕФТЕПРОМЫСЛОВЫХ ГЕЛЕЙ
HOMOGENIZED OILFIELD GEL PRODUCTION SYSTEM AND METHOD

Уровень техники, к которой относится изобретение
Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной патентной заявки США № 61/566958, которая была подана в Бюро патентов и товарных знаков США 05 декабря 2011 г.
Заявление в отношении исследований и разработок, финансируемых на федеральном уровне исследований и разработок
На настоящую заявку не распространяется какое-либо финансирование исследований или разработок на федеральном уровне.
Наименования сторон соглашения о совместных исследованиях
Отсутствуют соглашения о совместных исследованиях с какими-либо третьими лицами.
Область техники, к которой относится изобретение
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к системе и к способу для изготовления высококачественных гомогенизированных нефтепромысловых гелей из традиционных сжиженных гелевых концентратов (LGC) и порошка гуаровой камеди.
Описание предшествующего уровня техники
Согласно предшествующему уровню техники, системы для изготовления нефтепромысловых гелей, как правило, используют LGC вследствие затруднительного увлажнения порошка гуаровой камеди, где в случае недостаточного смачивания каждой частицы порошка в смеси могут образовываться нежелательные агломераты («гелевые шарики»), в результате чего уменьшается итоговая производительность и требуется расходующая много энергии высокосдвиговая обработка, которая обычно оказывается безуспешной.
Существуют несколько преимуществ использования сухого гуарового порошка, в том числе экономические, экологические и транспортные выгоды. Ранее LCG изготавливали, суспендируя гуаровый или другой полимер в нефтепродуктах таким образом, что их можно было перекачивать и смешивать с водой. Вследствие экологических проблем, связанных с использованием и утилизацией текучих сред для гидравлического разрыва, нефтепродукты были заменены природными минеральными маслами. Однако эти природные минеральные масла поставляются в недостаточном количестве и имеют высокую стоимость; кроме того, любая текучая среда, используемая в суспензии, значительно увеличивает суммарную массу материалов, которые необходимо доставлять на место использования. Сухой гуаровый порошок не требуется превращать в суспензию; таким образом, он имеет менее высокую стоимость и массу и его легче транспортировать.
Существует потребность в системах для обработки и увлажнения сухого порошка, которые оперативно производят функциональный нефтепромысловый гель без рециркуляции, агломератов или разрушающих высокосдвиговых процессов.
Сущность изобретения
Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают систему для изготовления нефтепромыслового геля, включающую блок питания, включающий двигатель, насосы, а также все необходимые вспомогательные устройства для производства гидравлической энергии. Система для изготовления нефтепромыслового геля дополнительно включает систему управления, питающий резервуар, включающий множество камер, а также бункер. Система для изготовления нефтепромыслового геля дополнительно включает трубопроводную систему, которая включает впускные и выпускные коллекторы, центробежные насосы и измерительные устройства для наполнения питающего резервуара и осуществления выпуска нефтепромыслового геля. Кроме того, система для изготовления нефтепромыслового геля включает увлажняющее порошок устройство со смесительной системой Вентури и жидкостное химическое оборудование.
Следующий вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает способ изготовления нефтепромыслового геля, включающий: дозирование сухого гуарового порошка с использованием бункера с мешалкой и дозирующего устройства; дозирование заданных объемов гуарового порошка в приемную воронку; увлажнение гуарового порошка с использованием водяного резервуара, где водяной резервуар представляет собой резервуар пресной воды; введение воды из резервуара первым центробежным насосом в первую камеру; введение воды в эдукторное устройство вторым центробежным насосом, создающим вакуум в эдукторном устройстве для прокачивания достаточного количества воды через систему; закрытие вакуумного предохранительного клапана для создания вакуума в порошковой транспортной линии; введение порошка в приемную воронку дозирующим устройством; увлажнение порошка для образования геля и выпуск геля во вторую камеру водяного резервуара.
Варианты осуществления настоящего изобретения дополнительно предусматривают увлажняющий блок, включающий бункер с мешалкой, дозирующее устройство, водяной резервуар, эдукторное устройство, по меньшей мере, один центробежный насос, манометр или датчик давления, вакуумный предохранительный клапан, порошковую транспортную линию, приемную воронку, по меньшей мере, одну камеру и встроенный отстойник.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные отличительные характеристики вариантов осуществления настоящего изобретения проиллюстрированы на сопровождающих чертежах, причем аналогичные условные обозначения представляют аналогичные элементы на всех изображениях, в том числе:
фиг. 1 представляет вид сбоку оборудования для изготовления нефтепромысловых гелей согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2 представляет схему технологического процесса системы для изготовления нефтепромысловых гелей согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 3 представляет вид в перспективе системы для изготовления нефтепромысловых гелей согласно варианту осуществления настоящего изобретения и
фиг. 4 представляет вид сбоку двухуровневого пола бункера в поперечном сечении системы для изготовления нефтепромысловых гелей согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
Далее варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны более подробно со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых представлены предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение можно осуществлять в многочисленных различных формах, и его не следует рассматривать как ограниченное проиллюстрированными вариантами осуществления, которые представлены в настоящем документе. Напротив, данные проиллюстрированные варианты осуществления представлены таким образом, чтобы сделать настоящее описание всесторонним и полным и донести идею настоящего изобретения до специалистов в данной области техники.
В следующем описании на всех чертежах аналогичные условные номера используются для обозначения аналогичных или соответствующих элементов. Кроме того, рассматривая данное описание, следует понимать, что такие термины, как «верхний», «нижний», «выше», «ниже», «первый», «второй» и аналогичные термины используются для удобства и их не следует истолковывать как ограничительные термины.
Настоящая заявка также включает посредством ссылки следующие патенты и опубликованные патентные заявки США предшествующего уровня техники, которые включают предмет, относящийся к аспектам вариантов осуществления настоящего изобретения, которые описаны в настоящем документе: патент США № 7048432 («Способ и устройство для увлажнения геля для использования в подземных пластах»; дата выдачи 23 мая 2006 г. ); патент США № 7794135 («Устройство для увлажнения сухого полимера и способы его использования»; дата выдачи 14 сентября 2010 г. ); публикация патентной заявки США № 2008/0264641 («Смешивание геля для гидравлического разрыва»); публикация патентной заявки США № 2004/0008571 («Устройство и способ для ускоренного увлажнения тонкодисперсного полимера»); патент США № 5382411 («Устройство и способ для непрерывного перемешивания текучих сред»; дата выдачи 17 января 1995 г. ); патент США № 5334788 («Реакция соединений подложки с фтором в эдукторе»; дата выдачи 12 августа 1994 г. ); патент США № 7794135 («Устройство для увлажнения сухих полимеров и способы его использования; дата выдачи 14 сентября 2010 г. ); патент США № 5426137 («Способ непрерывного перемешивания текучих сред»; дата выдачи 20 июня 1995 г. ); патент США № 5344619 («Устройство для растворения сухого полимера»; дата выдачи 06 сентября 1994 г. ); патент США № 5447394 («Автоматическое продувочное устройство для гидратора; дата выдачи 05 сентября 1995 г. ); патент США № 6817376 («Резервуар и способ для увлажнения геля»; дата выдачи 16 ноября 2004 г. ) и патент США № 5190374 («Способ и устройство для непрерывного перемешивания текучих сред для обработки скважин»; дата выдачи 02 марта 1993 г. ).
Вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает встроенные системы для обработки и увлажнения сухого порошка, которые оперативно производят функциональный нефтепромысловый гель без рециркуляции, агломератов или разрушающих высокосдвиговых процессов. Возможности вариантов осуществления настоящего изобретения приведут к улучшению этой части операций гидравлического разрыва во всем мире.
По соображениям рыночной приемлемости, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, сохраняется возможность производства нефтепромыслового геля из LGC.
Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают блок питания. Блок питания согласно варианту осуществления настоящего изобретения включает дизельный двигатель, гидравлические насосы, а также все необходимые вспомогательные устройства. Блок питания согласно варианту осуществления настоящего изобретения предусматривает гидравлическую энергетическую систему.
3
3
Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают питающий резервуар. Питающий резервуар согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения представляет собой стальной резервуар емкостью 180 баррелей (28,62 м) или аналогичный резервуар для изготовления и хранения функционального нефтепромыслового геля. Обычному специалисту в данной области техники будет понятно, что питающий резервуар не ограничивается резервуаром емкостью 180 баррелей (28,62 м), но может быть больше или меньше в зависимости от многочисленных факторов, включающих применение. Питающий резервуар согласно варианту осуществления настоящего изобретения включает камеру пресной воды для более точного дозирования и обеспечивает очистку смесителя Вентури (Venturi) и других элементов (для опустошения системы после окончания работы резервуар 1 опустошается через смеситель Вентури, что и обеспечивает его очистку).
Как представлено на фиг. 1, для перемешивания сжиженного компонента сохранение способности работать с LGC делается возможным посредством множества камер, которые включаются в питающий резервуар. Вариант осуществления, представленный на фиг. 1, предусматривает шесть резервуаров, причем данные резервуары обеспечивают выдерживание в течение достаточного периода времени для гидратации геля. Камера 1 предназначена в качестве чистой камеры согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают бункер. Бункер согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения представляет собой порошковый резервуар емкостью 10000 фунтов (4536 кг) или аналогичный резервуар, имеющий мешалки, отстойник и шнековый конвейер, специально предназначенный для дозирования и выпуска сухого гуарового порошка. Обычному специалисту в данной области техники будет понятно, что бункер не ограничивается порошковым резервуаром емкостью 10000 фунтов (4536 кг), но может быть больше или меньше в зависимости от многочисленных факторов, включающих применение. Обычному специалисту в данной области техники будет также понятно, что и другие устройства для дозирования, которые не представляют собой шнековый конвейер, могут быть предусмотрены согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Кроме того, форма бункера не ограничивается формой, которая представлена на сопровождающих чертежах. Примеры мешалок включают, но не ограничиваются этим, лопасти, вибраторы, вращающиеся устройства и аналогичные устройства.
Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают трубопроводную систему. Трубопроводная система согласно варианту осуществления настоящего изобретения предусматривает впускные и выпускные коллекторы текучих сред, центробежные насосы, а также измерительные устройства для наполнения питающего резервуара и осуществления выпуска нефтепромыслового геля. Как представлено на фиг. 1, трубопроводная система может включать питающий сжатой водой трубопровод 10, центробежный насос 11 и питающий пресной водой трубопровод 12.
Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают использование сухого порошкообразного геля, а не суспензии или жидкого геля. Блок увлажняющих порошок устройств представляет собой двойной блок, в котором находится суспензия/порошок или порошок. Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают блок увлажняющих порошок устройств. Блок увлажняющих порошок устройств согласно варианту осуществления настоящего изобретения включает смесительную систему Вентури, в которой используется сжатая вода для создания вакуума и смачивания сухого полимера. Блок увлажняющих порошок устройств согласно варианту осуществления настоящего изобретения включает вакуумный предохранительный клапан, барометрический датчик или переключатель, центробежный насос, пневматическую транспортную линию и приемную воронку. Кроме того, блок увлажняющих порошок устройств может включать расходомер.
Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают блок жидкостного химического оборудования. Блок жидкостного химического оборудования согласно варианту осуществления настоящего изобретения включает насосы для химических реагентов, измерительные устройства и трубопровод для введения жидких химических реагентов в функциональный гель или для изготовления функционального геля из жидкого концентрата.
Варианты осуществления настоящего изобретения могут предусматривать платформу и кабину. Платформа и кабина согласно варианту осуществления настоящего изобретения обеспечивают удобное помещение для операторов, а также безопасный путь от управляющих устройств в питающий резервуар, порошковый бункер и перемешивающие устройства. Фиг. 3 представляет всю систему согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг. 3 кабина оператора представлена как элемент 1, обеспечивающий проход/доступ, платформа представлена как элемент 2 и коллекторная система представлена как элемент 3.
Варианты осуществления настоящего изобретения также могут предусматривать несколько процедур для изготовления гомогенизированных нефтепромысловых гелей. В частности, вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает процедуру обработки гуарового порошка. Процедура обработки гуарового порошка согласно варианту осуществления настоящего изобретения представляет собой регулируемую последовательность операций (которые может осуществлять программируемый логический контроллер или релейно-контактная логическая схема) пуска и остановки смесителя Вентури. Эту последовательность можно выполнять в автоматическом режиме в качестве способа, предотвращающего состояние отказа смесителя.
Вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает процедуру LGC. Процедура LGC согласно варианту осуществления настоящего изобретения представляет собой процедуру дозирования и введения химических реагентов для перемешивания LGC, а также других химических реагентов и/или воды в надлежащих соотношениях.
Каждый из вариантов осуществления настоящего изобретения предусматривает процедуры, которые предназначены для обеспечения надлежащих соотношений химических реагентов и предотвращения состояний отказа смесителя. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, автоматическая система управления (программируемая система управления) позволяет оператору обеспечивать желательные соотношения химических реагентов.
Другие отличительные характеристики согласно вариантам осуществления настоящего изобретения предусматривают смесительную систему Вентури. Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают систему управления, интерфейс и графический интерфейс управления (такой как ACCUFRAC от компании Stewart & Stevenson). Варианты осуществления настоящего изобретения могут также предусматривать гуаровый порошковый бункер, модифицированный питающий резервуар с камерой пресной воды, устройство блока питания, а также устройства и процессы для введения химических добавок.
Далее будут подробно описаны вариант осуществления настоящего изобретения, а также способ и схема технологического процесса согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Увлажняющий блок согласно вариантам осуществления настоящего изобретения предназначен, чтобы производить высококачественные гомогенизированные нефтепромысловые гели, используя традиционные сжиженные гелевые концентраты (LGC) и гуаровый гелевый порошок. В системах согласно предшествующему уровню техники для изготовления нефтепромысловых гелей, как правило, используются LGC вследствие затруднительного увлажнения гуарового порошка; если каждая частица порошка не смачивается в достаточной степени, в смеси обычно образуются нежелательные агломераты («гелевые шарики» или «рыбьи глаза»), в результате чего уменьшается итоговая производительность и требуется расходующая много энергии высокосдвиговая обработка, которая обычно оказывается безуспешной. Кроме того, в случае LCG обычно используется несущая текучая среда на углеводородной основе или минеральное масло для получения суспензии полимера. Минеральное масло значительно увеличивает стоимость изготовления нефтепромыслового геля, а для текучих сред на углеводородной основе требуется аккуратная эксплуатация и утилизация, потому что они являются опасными для окружающей среды. Следующее преимущество вариантов осуществления настоящего изобретения представляет собой стоимость транспортировки и хранения. Например, порошок можно хранить неопределенно долго, если он содержится в надлежащих условиях, в то время как суспензия имеет ограниченный срок хранения. Кроме того, стоимость транспортировки в случае порошка меньше, чем в случае суспензии. Следующее преимущество согласно вариантам осуществления настоящего изобретения представляет собой продолжительность гидратации порошка по сравнению с суспензией (из порошка не обязательно удалять вещества на основе углеводородов, которые блокировали бы воду для увлажнения).
Встроенные системы обработки и увлажнения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения оперативно производят функциональный биоразлагаемый нефтепромысловый гель без рециркуляции, агломератов или разрушающих высокосдвиговых процессов.
Оборудование и способы для изготовления нефтепромысловых гелей из порошкообразной гуаровой камеди описаны в настоящем документе, и соответствующие примеры представлены на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 представлены снабженный мешалками гуаровый порошковый бункер 1, дозирующее шнековое порошковое дозирующее устройство 2, порошковая приемная воронка 3, вибратор 4, порошковый пневматический транспортный трубопровод 5, водяной резервуар 6, эдукторное устройство увлажнения 7, вакуумный предохранительный клапан 8, барометрический датчик 9, питающий сжатой пресной водой трубопровод 10, центробежный насос 11, питающий пресной водой трубопровод 12, дозирующий, впускающий пресную воду из резервуара трубопровод 13, расходомер 14 и центробежный насос 15.
Сухая гуаровая камедь содержится и точно дозируется блоком, который составляют элементы 1 и 2, представленные на фиг. 1. Элемент 1 представляет собой бункер с мешалкой, предназначенный для создания принудительного потока гуарового порошка в дозирующее устройство 2. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, конструкция бункера 1 имеет свободное от препятствий внутреннее пространство, которое препятствует скоплению порошка, перемешивающие лопасти, которые предотвращают агломерацию и направляют порошок в дозирующее устройство, и многоуровневый конический пол, который повышает до максимума эффективность перемешивания. Многоуровневый конический пол может включать мешалку (например, щетку или множество щеток на каждом уровне). См. фиг. 4.
Свободное от препятствий внутреннее пространство становится возможным за счет перемещения наружу конструкционных элементов. Верхняя часть бункера 1 согласно варианту осуществления настоящего изобретения представляет собой ручной заправочный люк, который используется, если оператор не может заполнять резервуар пневматически, и стороны бункера 1 оборудованы откидными дверцами на тот случай, если бункер 1 потребуется опустошать вручную.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, в дозирующем устройстве 2 используется шнековый дозатор для выпуска заданных объемов гуарового порошка в приемную воронку 3. Объемную скорость потока порошка можно регулировать с помощью компьютера или вручную путем изменения угловой скорости вала шнека. Обычному специалисту в данной области техники должно быть понятно, что вместо шнековой транспортной системы можно использовать другие известные транспортные системы согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
3
3
Водяной резервуар 6 согласно варианту осуществления настоящего изобретения представляет собой предпочтительно шестикамерный резервуар емкостью 200 баррелей (31,8 м) или аналогичный резервуар, предназначенный для изготовления нефтепромысловых гелей с использованием LGC или гуарового порошка. Обычному специалисту в данной области техники будет понятно, что резервуар не ограничивается емкостью 200 баррелей (31,8 м), но может быть больше или меньше в зависимости от многочисленных факторов, включающих применение. При использовании гуарового порошка первая камера служит в качестве резервуара пресной воды. Вода подается центробежным насосом 15, дозируется расходомерами 14 и выпускается в первую камеру с использованием впускного трубопровода 13. Центробежный насос 15 представляет собой единственный источник пресной воды в системе.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, эдукторное устройство 7 функционирует посредством перекачивания достаточного количества воды через устройство в целях создания внутреннего вакуума. Объемная скорость потока воды находится на заданном постоянном уровне, и вода поступает в эдукторное устройство 7 посредством второго центробежного насоса 11. В большинстве случаев объемная скорость потока воды, которая требуется для эдукторного устройства 7, составляет менее чем суммарная требуемая скорость потока геля. В этих условиях избыток пресной воды выливается из первой камеры во вторую гелевую камеру, и в результате этого разбавляется гель, и гомогенизируется последующий поток. Если меньше воды поступает в элемент 12, чем выходит из элемента 13, то вода просто переливается через затвор в две камеры. Чертежи представляют затвор или разделитель между камерами, которые могут иметь слив выше или ниже номинальной емкости. Например, разделители могут поочередно иметь сливы выше и ниже затвора.
Падение давления на эдукторном устройстве 7 измеряет манометр или датчик давления 9. Когда присутствует достаточный вакуум, вакуумный предохранительный клапан 8 можно закрывать для создания вакуума в порошковой транспортной линии 5.
Система предназначена для создания достаточного вакуума, чтобы перемещать весь порошок, поступающий в приемную воронку 3 посредством дозирующего устройства 2.
Когда порошок поступает в эдукторное устройство 7, все частицы увлажняются, и гель выпускается в вторую камеру водяного резервуара 6. Как упомянуто выше, воду можно объединять с дополнительной пресной водой из камеры 1 для разбавления. Водяной резервуар может быть оборудован лопастями для обеспечения хорошей циркуляции, причем форма лопастей может быть такой, чтобы предотвращать срез материала.
Как показывает схема технологического процесса на фиг. 2, согласно варианту осуществления настоящего изобретения, текучая среда, в конечном счете, проходит, по меньшей мере, через шесть камер перед ее выпуском из резервуара. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, встроенный отстойник расположен в камере 6, причем гель может перекачиваться или двигаться под действием силы тяжести в коллектор для конечного выпуска из увлажняющего блока. Кроме того, могут присутствовать лопасти.
3
Варианты осуществления настоящего изобретения могут также предусматривать вспомогательные подсистемы. Эти вспомогательные подсистемы включают специальный сухой бункер, который может содержать 10000 фунтов (4536 кг) материала и является приспособленным для физических свойств гуарового порошка. Кроме того, вспомогательные подсистемы могут включать интуитивно понятный графический интерфейс управления ACCUFRAC от компании Stewart & Stevenson, LLC, а также питающий резервуар емкостью 180 баррелей (28,62 м), предназначенный для обеспечения очистки и обслуживания перемешивающего оборудования. Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, другие встроенные системы могут представлять собой системы, которые являются обычными для увлажняющих блоков предшествующего уровня техники, и специалист в данной области техники сможет легко понять, что включается в данные системы.
Варианты осуществления настоящего изобретения также предусматривают отличительные характеристики, которые обеспечивают смешивание надлежащего количества порошка с соответствующим количеством воды. Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает систему для взвешивания бункера. Например, бункер содержит динамометрический датчик на одной стороне и шарнирную точку на другой стороне. Считывание показаний динамометрического датчика с течением времени обеспечивает измерение введенного количества геля. Это дублирует типичное объемное дозирование.
Термин «гуаровый порошок» или «порошок гуаровой камеди» при использовании во всем тексте настоящей заявки означает гуаровый порошок, а также гелевые порошки любого другого типа, в том числе натуральный порошок или полимерный порошок, или, в качестве альтернативы, синтетический порошок, или аналогичный материал, в котором должны образовываться соответствующие гели.
Далее будет описан пример процедуры пуска/остановки согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Процедура пуска:
1. заполнение питающего резервуара;
2. включение центробежного насоса системы перемешивания сухого геля (фиг. 1, элемент 11);
3. ожидание скорости прохождения 750 галлонов в минуту (47,32 л/с) через систему перемешивания сухого геля;
4. закрытие вакуумного предохранительного клапана (фиг. 1, элемент 8) и
5. начало введения сухого порошка в приемную воронку (фиг. 1, элемент 3) согласно желательной рецептуре.
Процедура остановки:
1. прекращение введения порошка геля в приемную воронку (фиг. 1, элемент 3);
2. открытие вакуумного предохранительного клапана (фиг. 1, элемент 8);
3. продувание системы перемешивания порошка в течение по меньшей мере 2 минут и
4. выключение центробежного насоса системы перемешивания сухого геля (фиг. 1, элемент 11).