СПОСОБ ПОДАЧИ МАТЕРИАЛА В ПОТОК ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, МЕХАНИЗМ ПОДАЧИ И УЗЕЛ ПОДВОДА НЕФТЕПРОМЫСЛОВОГО МАТЕРИАЛА
PROCEDURE FOR SUPPLYING MATERIAL INTO FLOW OF LIQUID MEDIUM OF HIGH PRESSURE, MECHANISM OF SUPPLY AND UNIT OF SUPPLY OF OIL FIELD MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к системам и способам подачи нефтепромыслового материала к скважине на нефтяном промысле. В частности, описаны варианты осуществления систем и механизмов для подачи нефтепромыслового материала без воздействия нефтепромыслового материала на оборудование, создающее давление, которое может в ином случае быть поврежденным данным воздействием.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В работе крупных нефтяных промыслов, в общем, используют различные виды поршневых насосов прямого вытеснения или другие насосы, подающие текучую среду. Такие насосы могут применять на практике для обеспечения доступа к подземным углеводородам. Эти области практического применения могут включать в себя цементирование, резку струей воды под давлением и гидравлический разрыв пласта подземной породы.
2
2
Поршневой насос прямого вытеснения может быть достаточно массивной единицей оборудования со связанными с ним двигателем, трансмиссией, коленчатым валом и другими частями, работающими между около 200 л. с.и около 4000 л. с. Большой поршень насоса приводится в движение коленчатым валом по направлению к насосной камере и от нее для создания в ней значительного высокого или низкого давления. Это создает хороший выбор для областей применения высокого давления. Действительно, там, где необходимо создать давление текучей среды, превышающее несколько тысяч фунтов на квадратный дюйм (фунт/дюйм), в общем, используют поршневой насос прямого вытеснения. Гидравлический разрыв пласта подземной породы, например, часто осуществляют при давлении от 10000 до 20000 фунт/дюйм или более для направления нефтепромысловой текучей среды и материала через подземную скважину для высвобождения нефти и газа из пор горной породы для извлечения.
При использовании нефтепромысловых насосов может потребоваться регулярный мониторинг и техническое обслуживание насоса для обеспечения увеличения времени наработки на отказ и эффективности эксплуатации. То есть, как любая единица промышленного оборудования, насос подвержен естественному износу, который может воздействовать на время наработки на отказ и эффективность эксплуатации. Это может быть весьма важным для насосов для крупномасштабных нефтепромысловых работ, поскольку они часто используются на производственной площадке почти круглосуточно и могут работать с весьма жестким регламентами. Например, в случае практического применения для гидравлического разрыва пласта поршневой насос прямого вытеснения может использоваться на производственной площадке и предполагается его работа от 6 до 12 часов в день более недели с созданием в течение всего периода чрезвычайно высоких давлений. При этом износ деталей насоса во время такой работы может быть представлен в различных формах.
В частности, внутренние уплотнения клапанов насоса подвержены выходу из строя, особенно там, где абразивный нефтепромысловый материал направляют через насос во время описанного практического применения для гидроразрыва пласта. Эти уплотнения внутренних клапанов насоса могут быть выполнены из конформного материала для обеспечения надлежащего уплотнения даже там, где присутствует абразивный «расклинивающий агент» на стыке уплотнения клапана. Вместе с тем, конформный характер уплотнения может делать его восприимчивым к повреждению именно данным абразивным нефтепромысловым материалом. Кроме того, другие детали насоса, такие как насосная камера со стандартно гладкой поверхностью на выпускной стороне уплотнений клапанов, могут быть восприимчивы к изнашиванию абразивами, которые прокачиваются через насос. Такое повреждение деталей насоса может значительно нарушать контроль производительности насоса, в конечном счете, даже приводить к неисправности насоса.
Для решения проблемы описанного повреждения деталей насоса разработаны способы мониторинга акустических параметров насоса во время работы. Например, процессы износа деталей насоса, таких как упомянутые уплотнения клапанов, могут сопровождаться некоторыми колебаниями, характерными для вида происходящего износа. Следовательно, акустический датчик можно соединить с насосом для регистрации высокочастотных колебаний, особенных для протечек или неполного уплотнения в насосной камере. Такая утечка является общим предшественником отказа насоса. К сожалению, акустическое обнаружение утечек или других аномалий насоса может иметь место только при наличии некоторой степени повреждения. То есть акустическое обнаружение проблем насоса не способно предотвратить возникновения проблем в буквальном смысле, но скорее только указывает на состояние с такими проблемами. Таким образом, и в лучшем случае, остается необходимость выведения из эксплуатации насоса с обнаруженной неисправностью.
В дополнение к описанному мониторингу, уже предпринимались меры по фактическому предотвращению повреждения насоса прокачиваемыми абразивными материалами. То есть вместо того, чтобы ждать незначительной степени повреждения насоса, представленного акустическими средствами, как указано выше, предпринимаются меры предотвращения повреждения совокупности определенных деталей насоса. Эти меры включают в себя введение абразивов, таких как описанный выше расклинивающий агент, в местах, расположенных после клапанов создания давления и других, особенно восприимчивых деталей нефтепромыслового насоса. Например, как подробно описано в патенте США №3560053, находящаяся под давлением абразивная суспензия может быть введена в нефтепромысловую текучую среду после направления нефтепромысловой текучей среды от нефтепромыслового насоса. Таким образом, нефтепромысловый насос может избежать воздействия потенциально повреждающей абразивной суспензии.
Однако описанную выше технологию предотвращения воздействия на детали нефтепромыслового насоса абразивной суспензии получают с добавлением значительного количества оборудования на нефтепромысел. Действительно, это добавленное оборудование может требовать своего собственного мониторинга и техобслуживания и ремонта, вследствие воздействия абразивной суспензии. Например, смесительное и перемешивающее оборудование наряду с оборудованием создания давления, включающим в себя восприимчивую клапанную систему, может потребоваться отдельно от основных нефтепромысловых насосов, описанных выше. Таким образом, хотя основные насосы можно освободить от воздействия абразивов, другой комплект сложного оборудования остается под воздействием, требуя своего собственного уровня мониторинга и технического обслуживания и ремонта.
Известен способ подачи материала в поток текучей среды высокого давления, содержащий заполнение камеры в первом положении материалом из его подвода, по существу изолированного от потока высокого давления, и перемещение камеры из первого положения во второе положение, открытое потоку высокого давления с существенным перекрытием подвода (см. патент Великобритании 816013, 08.07.1959).
Известен механизм подачи нефтепромыслового материала, содержащий узел создания давления, трубопровод текучей среды, соединенный с узлом создания давления для перемещения им потока текучей среды, и узел подвода материала, соединенный с трубопроводом текучей среды и дополнительно содержащий устройство транспортировки материала для размещения камеры для перемещения ее из первого положения во второе положение (см. патент Германии 2737373, 01.03.1979).
Известен узел подвода нефтепромыслового материала, содержащий кожух устройства транспортировки, соединенный с трубопроводом текучей среды для перемещения потока текучей среды из механизма создания давления, устройство транспортировки материала, расположенное в кожухе устройства транспортировки и имеющее камеру для размещения нефтепромыслового материала и предназначенную для перемещения из первого положения во второе положение, и резервуар для размещения подвода нефтепромыслового материала, соединенный с кожухом устройства транспортировки (см. патент Германии 2737373, 01.03.1979).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно изобретению создан способ подачи материала в поток текучей среды высокого давления, содержащий заполнение камеры в первом положении материалом из его подвода, по существу изолированного от потока высокого давления, и перемещение камеры из первого положения во второе положение, открытое потоку высокого давления с существенным перекрытием подвода, при этом камера выполнена с возможностью нахождения под давление для более активного ее заполнения материалом и синхронного заполнения в соответствие с ее перемещением из первого положения во второе положение.
Способ может дополнительно содержать создание избыточного давления текучей среды и приведение в движение текучей среды по трубопроводу текучей среды для направления по нему потока высокого давления.
Заполнение камеры может дополнительно содержать выпуск материала из подвода в резервуаре, совмещенном с первым положением.
Способ может дополнительно содержать создание давления в резервуаре перед выпуском для увеличения выпуска.
Камера может быть размещена в устройстве транспортировки материала, и перемещение камеры может содержать возвратно-поступательное перемещение устройства транспортировки материала или вращение устройства транспортировки материала.
Способ может дополнительно содержать подачу материала в углеводородную скважину для создания гидроразрыва пласта, резки струей воды под давлением или цементирования.
Согласно изобретению создан механизм подачи нефтепромыслового материала, содержащий узел создания давления, трубопровод текучей среды, соединенный с узлом создания давления для перемещения им потока текучей среды, и узел подвода материала, соединенный с трубопроводом текучей среды и дополнительно содержащий устройство транспортировки материала для размещения камеры для перемещения ее из первого положения во второе положение, причем первое положение является по существу изолированным от потока текучей среды для обеспечения приема в камеру нефтепромыслового материала от его подвода, а второе положение является открытым воздействию потока текучей среды с существенным перекрытием подвода, при этом камера выполнена с возможностью нахождения под давление для более активного ее заполнения материалом и синхронного заполнения в соответствии с ее перемещением из первого положения во второе положение.
Узел создания давления может содержать один из следующих насосов: насос типа триплекс, многоступенчатый центробежный насос или винтовой насос.
Трубопровод текучей среды может заканчиваться на углеводородной скважине.
Поток текучей среды может включать в себя воду, сверхкритическую текучую среду или сжиженный газ.
Узел создания давления может быть первым узлом создания давления, и дополнительно имеется второй узел создания давления, соединенный с трубопроводом текучей среды.
Узел подвода материала может быть узлом подвода первого материала, и дополнительно имеется узел подвода второго материала, соединенный с трубопроводом текучей среды.
Согласно изобретению создан узел подвода нефтепромыслового материала, содержащий кожух устройства транспортировки, соединенный с трубопроводом текучей среды для перемещения потока текучей среды из механизма создания давления, устройство транспортировки материала, расположенное в кожухе устройства транспортировки и имеющее камеру для размещения нефтепромыслового материала, и резервуар для размещения подвода нефтепромыслового материала, соединенный с кожухом устройства транспортировки, при этом камера способна перемещаться из первого положения во второе положение, причем первое положение является, по существу, изолированным от потока текучей среды и совмещено с резервуаром для обеспечения приема в камеру нефтепромыслового материала из него, а второе положение является открытым воздействию потока текучей среды, при этом камера выполнена с возможностью нахождения под давление для более активного ее заполнения материалом и синхронного заполнения в соответствии с ее перемещением из первого положения во второе положение.
Камера может быть первой камерой, и устройство транспортировки материала может иметь вторую камеру для размещения нефтепромыслового материала.
Резервуар может быть первым резервуаром материала, и подвод может быть первым подводом, и дополнительно имеются второй резервуар для размещения второго подвода нефтепромыслового материала, заслонка первого резервуара, расположенная в первом резервуаре, для обеспечения приема в камеру нефтепромыслового материала из него, и заслонка второго резервуара, расположенная во втором резервуаре, для регулирования выпуска нефтепромыслового материала из второго подвода нефтепромыслового материала во втором резервуаре.
Камера может быть образована трубой с пазами.
Узел может дополнительно содержать отводимую втулку, расположенную в кожухе устройства транспортировки для охвата участка устройства транспортировки материала с обеспечением приема в камеру нефтепромыслового материала.
Перемещение камеры может обеспечиваться возвратно-поступательным перемещением устройства транспортировки материала или вращением устройства транспортировки материала.
Узел может дополнительно содержать вращающуюся втулку, соединенную с устройством транспортировки материала, для вращения кожуха устройства транспортировки, дополнительно содержащего стационарную верхнюю плиту кожуха, соединенную с упомянутой вращающейся втулкой, и стационарную нижнюю плиту кожуха, соединенную с вращающейся втулкой, при этом устройство транспортировки материала расположено между верхней плитой и нижней плитой кожуха.
Вторая камера может быть установлена для приема нефтепромыслового материала из второго резервуара во время выпуска.
Вторая камера может открываться потоку текучей среды после перемещения первой камеры во второе положение.
Кожух устройства транспортировки может быть соединен с отдельным каналом трубопровода текучей среды для, по существу, предотвращения его отсечки. Отдельный канал может иметь конфигурацию трубки Вентури.
Кожух устройства транспортировки может иметь диаметр меньше, чем диаметр трубопровода текучей среды, для предотвращения отсечки потока текучей среды.
25. Узел по п.13, в котором нефтепромысловый материал является одним из следующего: керамический материал, цементный раствор и бокситная смесь.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показан общий вид варианта осуществления механизма подачи нефтепромыслового материала.
На фиг.2А показан увеличенный вид сечения оборудования подвода материала механизма подачи нефтепромыслового материала фиг.1.
На фиг.2В показан вид оборудования подвода материала с устройством транспортировки материала, переставленным из положения, показанного на фиг.2А.
На фиг.2С показан вид оборудования подвода материала с несущим элементом материала, перемещенным из положения, показанного на фиг.2В.
На фиг.3 показан вид в изометрии механизма подачи нефтепромыслового материала фиг.1 для использования на нефтепромысле.
На фиг.4 показан вид сечения в изометрии альтернативного варианта осуществления изобретения оборудования подвода материала для использования с механизмом подачи нефтепромыслового материала.
На фиг.5 показана блок-схема способа, обобщающая вариант осуществления с использованием механизма подачи нефтепромыслового материала.
На фиг.6 показан вид в изометрии с частичным сечением механизма подачи нефтепромыслового материала фиг.1 с объединенными в нем признаками защиты от абразивного материала.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты осуществления изобретения описаны для подачи нефтепромыслового материала в форме расклинивающего агента для создания гидроразрыва пласта. Вместе с тем, в других видах обработки, таких как цементирование и резка струей воды под давлением, можно реализовать преимущества вариантов осуществления подачи материала, подробно описанных в данном документе. В любом случае, варианты осуществления изобретения, описанные в данном документе, включают в себя технологии подачи нефтепромыслового материала, потенциально вредного для оборудования создания давления в скважине на нефтепромысле без воздействия материала на оборудование в любом значимом режиме.
На фиг.1 показан вариант осуществления механизма 100 подачи нефтепромыслового материала. Механизм 100 подачи нефтепромыслового материала состоит, прежде всего, из оборудования 150 создания давления, такого как показанный насос типа триплекс, и оборудования 175 подвода материала. Как подробно описано ниже, оборудование 175 соединено с оборудованием 150 создания давления, для подачи нефтепромыслового материала 275 в скважину 320 на нефтепромысле 301 (см. фиг.2А-2С и фиг.3).
2
Как показано на фиг.1, оборудование 150 включает в себя насос типа триплекс прямого вытеснения на опорной раме 159. Насос включает в себя обычный коленчатый вал 155, приводимый в движение приводным карданным валом 157, для создания прокачки нефтепромысловой текучей среды от гидравлической коробки 156 насоса и по трубопроводу 170 текучей среды по направлению к оборудованию 175 подвода материала и, в конечном счете, к упомянутой скважине 320 (см. фиг.3). Более конкретно, создание давления в нефтепромысловой текучей среде может быть результатом координированного возвратно-поступательного перемещения плунжеров и действия изолирующих клапанов гидравлической коробки 156 насоса для создания давления до около 20000 фунт/дюйм, при практическом применении для гидроразрыва пласта. Альтернативно, для другого практического применения можно создавать давление другого уровня. Например, в случае, если насос используют для цементирования, можно создавать давление до около 5000 фунт/дюйм". Кроме того, варианты осуществления насоса можно практически применять для резки струей воды. Дополнительно к этому, хотя показан один насос типа триплекс прямого вытеснения, можно выбирать различные виды насосов и схемы их размещения для службы в качестве оборудования 150 создания давления.
На фиг.1 и дополнительно на фиг.2А-2С показано оборудование 175 подвода материала механизма 100 подачи нефтепромыслового материала, соединенное, как указано выше, с оборудованием 150 создания давления, трубопроводом 170 текучей среды. В частности, кожух 180 устройства транспортировки материала оборудования 175 подвода материала показан пересекающим трубопровод 170 текучей среды. Как описано подробно ниже, кожух 180 устройства транспортировки материала включает в себя устройство 201 транспортировки материала, расположенное в нем, для захвата нефтепромыслового материала 275 из резервуаров 185, 187. Для работы гидроразрыва пласта нефтепромысловый материал 275 может включать в себя расклинивающий агент, такой как песок, керамический материал или бокситовая смесь. Кроме того, для различных других областей применения могут использовать другие абразивные материалы или потенциально щелочные материалы, такие как цементный раствор для цементирования. По этой причине, устройство 201 транспортировки материала выполнено с возможностью подачи нефтепромыслового материала 275 к потоку нефтепромысловой текучей среды в трубопроводе 170 текучей среды в синхронизированном и изолированном режиме. Таким образом, оборудование 150 создания давления, включающее в себя, например, детали гидравлической коробки 156 насоса, восприимчивые к повреждению в результате воздействия нефтепромыслового материала, может по существу избегать такого повреждения.
На фиг.2А-2С показан увеличенный вид сечения оборудования 175 подвода материала, фрагмента 2-2 на фиг.1. Указанный выше поток текучей среды (стрелки 210) показан направленным по трубопроводу 170 текучей среды от оборудования 150 создания давления фиг.1. Поток 210 текучей среды является по существу «чистым» до пересечения с устройством 201 транспортировки материала и его кожухом 180. То есть нефтепромысловая текучая среда, которой может, в основном, являться вода или другая текучая среда, подходящая для транспортировки нефтепромыслового материала 275, должна еще столкнуться с некоторым нефтепромысловым материалом 275 в данной точке и поэтому, считается «чистой» или, по существу, свободной от загрязнения нефтепромысловым материалом. Фактически, внутренний объем трубопровода 170 текучей среды до указанного пересечения относится в данном документе к чистой зоне 200 трубопровода 170. Альтернативно, вместе с тем, после прохода потока 210 текучей среды через устройство 201 транспортировки материала он может стать «грязным», в зависимости от положения устройства 201 транспортировки материала, как более подробно описано дополнительно ниже. Например, как показано на фиг.2А, устройство 201 транспортировки материала установлено так, чтобы нефтепромысловая текучая среда сталкивалась с нефтепромысловым материалом 275 после ее прибытия на указанное пересечение с устройством 201 транспортировки материала. Таким образом, добавление нефтепромыслового материала 275 к потоку 210 текучей среды может делать промысловую текучую среду «грязной» в данной точке. Поэтому, внутренний объем трубопровода 170 текучей среды ниже указанного пересечения может относиться в данном описании к периодически грязной зоне 250 трубопровода 170. Следует отметить тот факт, что с многочисленными резервуарами 185, 187, многочисленные промысловые материалы 275 можно независимо подавать в поток 210 текучей среды.
Как показано на фиг.2А, устройство 201 транспортировки материала подает нефтепромысловый материал 275 в поток 210 текучей среды в зависимости от конкретного положения, им занимаемого, в кожухе 180 устройства транспортировки материала. Например, нефтепромысловый материал 275 подают в поток 210 текучей среды из первой камеры 290 в устройстве 201 транспортировки материала для создания грязной промысловой текучей среды, как указано выше. Вместе с тем, в положении, показанном на фиг.2А, вторая камера 295 в устройстве 201 транспортировки материала установлена под вторым резервуаром 185 для получения из него нефтепромыслового материала 275. Таким образом, в то время как содержимое первой камеры 290 выгружается в поток 210 текучей среды для загрязнения нефтепромысловой текучей среды, вторая камера 295 уже наполняется нефтепромысловым материалом 275 для подачи в поток 210 текучей среды позже, как более подробно описано ниже со ссылками на фиг.2С.
В положении, показанном на фиг.2А, вторая камера 295 совмещена со вторым резервуаром 185 для приема нефтепромыслового материала 275. Нефтепромысловый материал 275, как показано, подается во вторую камеру 295 через заслонку 285 второго резервуара, находящуюся в открытом положении, когда вторая камера 295 размещается под ним. Вместе с тем, в это самое время заслонка 287 первого резервуара 187 закрыта. Закрытое положение заслонки 287 первого резервуара соответствует отсутствию камеры (например, камеры 290) под ней для заполнения нефтепромысловым материалом 275. Таким образом, внешние поверхности устройства 201 транспортировки материала по существу не подвергаются воздействию потенциально абразивного нефтепромыслового материала 275. Это способствует предотвращению какого-либо существенного нарастания нефтепромыслового материала 275 между внешними поверхностями устройства 201 транспортировки материала и его кожухом 180 для обеспечения непрерывного перемещения текучей среды в устройстве 201 транспортировки материала, как описано ниже. Открытие и закрытие заслонок 285, 287 резервуаров в таком синхронизованном режиме можно получить с помощью обычного механизма обратной связи. Например, с устройством 201 транспортировки материала можно соединить бесконтактный переключатель, обеспечивающий регистрацию установки камеры в нужное положение во время перемещения устройства транспортировки в кожухе 180. Такую информацию детектирования можно использовать для автоматического управления открытием и закрытием заслонок 285, 287.
Устройство 201 транспортировки материала выполнено с камерами 290, 295 для приема нефтепромыслового материала 275 из резервуаров 187 и 185 и последующей подачи в поток 210 текучей среды. В показанном варианте осуществления изобретения устройству 201 транспортировки материала придается возвратно-поступательное перемещение, аналогичное поршню или плунжеру в кожухе 180 устройства транспортировки материала для сдвига камер 290, 295, как указано, в положения приема и подачи нефтепромыслового материала 275. Фактически, устройство 201 транспортировки материала можно соединить с оборудованием возвратно-поступательного перемещения, таким как обычный коленчатый вал, или другим средством привода, чтобы получить необходимое перемещение устройства 201 транспортировки. Например, первый участок 220 устройства транспортировки или второй участок 230 устройства транспортировки могут проходить за пределы кожуха 180 устройства транспортировки и к средству привода для возвратно-поступательного перемещения всего устройства 201 транспортировки материала.
Устройство 201 транспортировки материала включает в себя первый и второй участки 220, 230 устройства транспортировки, как указано выше. Вместе с тем, центральный участок 225 устройства транспортировки расположен между первым и вторым участками 220, 230 устройства транспортировки для образования указанных камер 290, 295. Так, например, как показано на фиг.2А, вторая распорка 296 установлена между вторым участком 230 устройства транспортировки и центральным участком 225 устройства транспортировки, по существу ограничивая ширину второй камеры 295. В указанном положении кольцевой экран по периметру второй камеры 295 по существу образован кожухом 180. В любом случае, вторая распорка 296 имеет весьма небольшое сечение. Аналогично, первая распорка 291 установлена между первым участком 220 устройства транспортировки и центральным участком 225 устройства транспортировки для ограничения ширины первой камеры 290. Вместе с тем, в указанном положении, кольцевой экран кожуха 180 удален, чтобы нефтепромысловый материал 275 забирался потоком 210 текучей среды, как описано выше.
Как указано выше, во время заполнения каждой камеры 290, 295 нефтепромысловым материалом 275 она ограничена по окружности кожухом 180 за исключением места стыка кожуха 180 и резервуаров 185, 187. По ширине каждая камера 290, 295 также ограничена по существу центральным участком 225 устройства транспортировки и первым или вторым участком 220 или 230 устройства транспортировки. Вместе с тем, для обеспечения по существу заключения нефтепромыслового материала 275 в кожухе 180 в камеры 290, 295 по ширине ряд уплотнений 221, 226, 227, 231 созданы в конкретных местах на устройстве 201 транспортировки материала. Так, например, как указано, вторая камера 295 ограничена по ширине, в основном, центральным участком 225 устройства транспортировки и вторым участком 230 устройства транспортировки. Вместе с тем, второе центральное уплотнение 227 и второе уплотнение 231 устройства транспортировки созданы на центральном участке 225 устройства транспортировки и втором участке 230 устройства транспортировки, соответственно, для обеспечения нахождения материала 275 во второй камере 295, пока на него воздействует поток 210 текучей среды, как описано выше.
Аналогично, первая камера 290 ограничена до некоторой степени по ширине первым уплотнением 221 устройства транспортировки и первым центральным уплотнением 226 для обеспечения нахождения материала 275 в первой камере между ними под воздействием потока 210 текучей среды, как показано на фиг.2А.
Уплотнения 221, 226, 227, 231 можно выполнить из различных материалов, включающих в себя керамику, конформные конфигурации на полимерной основе и другие. В одном варианте осуществления изобретения уплотнения 221, 226, 227, 231 могут даже быть уплотнениями консистентной смазки, подаваемой под высоким давлением в кожух 180, с синхронизацией подачи согласно установке в нужное положение устройства 201 транспортировки материала. Кроме того, отдельные уплотнения 226, 227 центрального участка 225 устройства транспортировки могут представлять собой одиночные уплотнения, уплотнения консистентной смазки или другие, проходящие, по существу, по всей ширине данного участка 225. Дополнительно к этому, ширина или даже число уплотнений может изменяться, по длине устройства 201 транспортировки, для способствования адекватной изоляции камер 290, 295 во время возвратно-поступательного перемещения. Дополнительно к этому, можно использовать поршень типа катушки без уплотнений с некоторым уровнем допустимой протечки.
Вне зависимости от выбранной конфигурации или конкретного материала следует заметить, воздействие на уплотнения 221, 226, 227, 231 потенциально абразивного нефтепромыслового материала 275 ограничено удержанием материала 275 при перемене положения данной камеры 290, 295. То есть в отличие от уплотнений обычных насосов типа триплекс для гидроразрыва пласта уплотнения 221, 226, 227, 231, описанные в данном описании, не подвержены воздействию ударов клапанов в окружающей среде высокого давления с абразивными материалами, приводимыми в них в движение на многократной основе. Вместо этого, уплотнения 221, 226, 227, 231, описанные в данном документе, избегают таких тяжелых условий и могут работать дольше в десять раз и более обычных уплотнений насоса типа триплекс для гидроразрыва пласта.
Как показано на фиг.2А-2С, использованная технология подачи нефтепромыслового материала 275 может использовать преимущество ориентации резервуаров 185, 187, обеспечивая направление при открытом клапане 285, 287 нефтепромыслового материала 275 в камеры 290, 295 под действием силы тяжести. Вместе с тем, в другом варианте осуществления изобретения, резервуары 185, 187 могут находиться под давлением инертного газа или другой текучей среды для более активного и быстрого наполнения данной камеры 290, 295 нефтепромысловым материалом 275. Данное избыточное давление может служить инструментом, помогающим синхронизации заполнения, в соответствии с возможной частотой возвратно-поступательного перемещения системы оборудования 175 подвода материала в целом. Однако, даже в условиях, когда резервуары 185, 187 находятся под давлением, следует отметить, что заслонки 285, 287 могут избежать существенного повреждения потенциально абразивным нефтепромысловым материалом 275. То есть, аналогично уплотнениям 221, 226, 227, 231, уписанным выше, заслонки 285, 287 могут не включать в себя конформный материал, подвергаемый повторяющимся ударам абразивными материалами, приводимыми в движение на них на многократной основе. Фактически, при условии, что по своей сути заслонки 285,287 предназначены просто для открытия и закрытия в нужное время, конфигурацию заслонок 285, 287 можно выполнить весьма надежной, без конформного прилегания, и из нержавеющей стали или другой долговечной конструкции.
На фиг.2В и дополнительно на 2А устройство 201 транспортировки материала показано перемещающимся в положение, при котором центральный участок 225 устройства транспортировки расположен в трубопроводе 170 текучей среды. Вместе с тем, поток 210 текучей среды также показан как проходящий вокруг центрального участка 225 устройства транспортировки к скважине 320, показанной на фиг.3. То есть в показанном варианте осуществления изобретения, присутствие устройства 201 транспортировки материала в трубопроводе 170 текучей среды не способно отсечь трубопровод 170. Например, диаметр трубопровода 170 текучей среды может превышать диаметр кожуха 180 устройства транспортировки, обеспечивая, как указано, прохождение потока текучей среды по существу беспрепятственно к скважине фиг.3.
Кроме того, вне зависимости от точного положения устройства 201 транспортировки материала, его постоянно промывает поток 210 текучей среды. Так, например, в положении, показанном на фигуре 2А, первая камера 290 освобождается от нефтепромыслового материала 275 в постоянно присутствующий поток 210 текучей среды. Вместе с тем, в это время, первую распорку 291 устройства 201 транспортировки материала омывает входящая чистая текучая среда потока 210 текучей среды. Фактически, что, возможно более важно, уплотнения 221, 226 примыкающие к первой камере 290, также омывает чистая текучая среда потока 210 текучей среды. Такая промывка данных уплотнений начинается, когда первое уплотнение 221 устройства транспортировки входит в трубопровод 170 текучей среды, продолжается, когда первая камера 290 разгружается, как показано на фиг.2А, и затем прекращается, когда отсекается доступ потока 210 текучей среды к первому центральному уплотнению 226 вторым центральным уплотнением 227, таким образом, завершая его проход по трубопроводу 170 текучей среды (например, как показано на фиг.2С). Промывка уплотнений 221, 226, 227, 231, и устройства 201 транспортировки материала в целом, как описано, помогает избежать длительного воздействия или нарастания потенциально абразивного и/или повреждающего нефтепромыслового материал 275 где-либо в кожухе 180 устройства транспортировки. Таким образом, срок эксплуатации различных частей устройства 201 транспортировки материала, особенно уплотнений 221, 226, 227, 231, можно существенно продлить. В одном варианте осуществления изобретения, в частности, уплотнения 221, 226, 227, 231 имеют керамическую конструкцию для промывки потоком 210 водной текучей среды. Вместе с тем, другой материал уплотнения можно использовать, как описано выше. Кроме того, можно использовать сверхкритическую текучую среду или сжиженный газ в качестве промысловой текучей среды, улучшая эффективность промывки уплотнений 221, 226, 227, 231 и в целом устройства 201 транспортировки.
На фиг.2В показано отмеченное выше перемещение устройства 201 транспортировки материала влево. Центральный участок 225 устройства транспортировки занимает пространство в трубопроводе 170 текучей среды, когда поток 210 текучей среды промывает его вокруг, как подробно описано выше. В это время нефтепромысловый материал 275, содержавшийся в первой камере 290, уже весь смыт проходящим потоком 210 текучей среды. Фактически, как показано на фиг.2В, чистая зона 200 трубопровода 170 текучей среды теперь проходит под устройство 201 транспортировки материала. В это время, теперь пустая первая камера 290 направляется к совмещению с первым резервуаром 187, а недавно заполненная вторая камера направляется к совмещению с трубопроводом 170 текучей среды для продолжения процесса, как описано ниже.
Как показано на фиг.2С и на фиг.1, возвратно-поступательное перемещение устройства 201 транспортировки материала влево на изображении оставляет первую камеру 290 совмещенной с первым резервуаром 187. Таким образом, как подробно описано выше, для заполнения второй камеры 295, теперь первая камера 290 заполняется нефтепромысловым материалом 275 из первого резервуара 187. В это самое время, вторая камера 295 пересекает трубопровод 170 текучей среды, обеспечивая унос потоком 210 текучей среды нефтепромыслового материала 275, сохранявшегося в ней. Таким образом, грязная зона 250 трубопровода 170 текучей среды вторично появляется сразу под устройством 201 транспортировки материала. Однако, «грязные» примеси нефтепромыслового материала 275 продолжают в значительных количествах находиться только под устройством 201 транспортировки материала, исключая области над ним в трубопроводе 170 текучей среды в направлении оборудования 150 создания давления. Таким образом, оборудование 150 создания давления избавляется от существенного воздействия нефтепромыслового материала 275, которое в ином случае может усилить степень усталостной нагрузки на оборудование 150.
В дополнение к минимизированию потенциально повреждающего воздействия нефтепромыслового материала 275 на чувствительные компоненты оборудования, с описанной выше технологией подачи материала 275 может получаться в плавном и непрерывном режиме. Например, как описано, устройство 201 транспортировки материала имеет признак возвратно-поступательного перемещения в оборудование 175 подвода материала. Устройству 201 транспортировки нет необходимости останавливать перемещение, для получения или подачи нефтепромыслового материала 275 к трубопроводу 170 текучей среды. Таким образом, можно получить надежную скорость подачи нефтепромыслового материала 275 к трубопроводу 170 текучей среды. Дополнительно к этому, в одном варианте осуществления изобретения, трубопровод 170 текучей среды можно соединить с многочисленными узлами оборудования 175 подвода материала. В таком режиме можно использовать синхронизацию по времени прохождения процессов между такими узлами, и устройство возвратно-поступательного перемещения транспортировки материала в нем можно использовать также для обеспечения достижения постоянного добавления нефтепромыслового материала 275 в трубопровод 170 текучей среды. Действительно, устройства транспортировки таких многочисленных узлов могут даже получать энергопитание от аналогичного источника мощности (такого как источник мощности 300 на фиг.3).
На фиг.3, со ссылками на фиг.1 и 2А-2С, показан общий вид описанного выше механизма 100 подачи нефтепромыслового материала в работе на нефтепромысле 301. В показанном варианте осуществления изобретения механизм 100 используют для создания гидроразрыва пласта на нефтепромысле 301. Оборудование 150 создания давления, показанное на фиг.1, является частью более крупной сборки 375 создания давления, включающей в себя множество насосов на основании 159. Поток 210 текучей среды высокого давления, как подробно описано выше со ссылками на фиг.2А-2С, можно в нем создавать и направлять к оборудованию 175 подвода материала. Возвратно-поступательного перемещения устройства 201 транспортировки материала данного оборудования 175 можно получать с использованием отдельного источника 300 энергоснабжения на промысле. Этот отдельный источник 300 энергоснабжения может быть в форме линейного электродвигателя или насосов различных типов.
Как показано на фиг.3, поток 210 текучей среды направлен через устьевую арматуру 310 в скважину 320, пробуренную на нефтепромысле 301. Скважина 320 может пересекать зону 330 добычи с возможностью гидроразрыва пласта на нефтепромысле 301. Подачу потока 210 текучей среды высокого давления можно при этом использовать для повышения уровня добычи углеводородов из зоны 330 добычи. То есть, как подробно описано выше, поток 210 текучей среды может включать в себя нефтепромысловый материал 275 в форме абразивного расклинивающего агента для стимулирования гидроразрыва геологических пластов на промысле 301 для повышения указанного уровня добычи углеводородов.
На фиг.4 показан измененный вариант осуществления оборудования 475 подачи материала. В этом варианте осуществления изобретения устройство 401 транспортировки материала имеет конфигурацию для вращательного перемещения в отличие от перемещения возвратно-поступательного характера устройства 201 транспортировки материала, показанного на фиг.2А-2С. Устройство 401 транспортировки материала может также включать в себя многочисленные камеры 490, 495 для заполнения нефтепромысловым материалом 275 многочисленных резервуаров 485, 487. Вращающаяся втулка 410 может прикрепляться к стационарной нижней плите 455 кожуха и проходить вверх через устройство 401 транспортировки материала и к стационарной верхней плите 450 кожуха или, возможно, через нее. Устройство 401 транспортировки материала можно соединить с втулкой 410 так, чтобы ее вращение можно было использовать для привода вращения устройства 401 транспортировки, например, в направлении, указанном стрелкой 411. Вращение втулки 410 в данном режиме можно получить посредством ременной передачи или другого обычного средства передачи мощности, соединенного с участком втулки 410 для осуществления данного вращения.
Как показано на фиг.4, обе заслонки 486, 488 обоих резервуаров 485, 488 одновременно открываются, когда обе камеры 490, 495 устройства 401 транспортировки материала установлены под резервуарами 485, 488 в одно время. Вместе с тем, в измененных вариантах осуществления изобретения, устройство 4011 транспортировки материала или синхронизация заслонок 486, 488 могут быть такими, что только одна из камер 490, 495 заполняется нефтепромысловым материалом 275 в некоторый данный период времени.
После заполнения камер 490, 495 нефтепромысловым материалом 275, как описано выше, продолжающееся вращение устройства 401 транспортировки материала в направлении стрелки 411 должно приводить камеру 490 в пересечение с трубопроводом текучей среды 470, через который может приводиться в движение поток промысловой текучей среды аналогично тому, как подробно описано выше. Например, трубопровод 470 текучей среды показан на фиг.4, как выходящий под оборудование 475 подачи материала, например, к скважине 320, так как показано на фиг.3. Аналогично, трубопровод текучей среды 470 можно направить к оборудованию 475 подвода материала от оборудования 150 создания давления, так как показано на фиг.1. Действительно, вид сечения на изометрии фиг.4 показывает рабочее окно 471 в верхней плите кожуха для приема трубопровода 470 текучей среды от оборудования 150 создания давления, такого как на фиг.1. Аналогично вариантам осуществления, подробно описанным выше, поток текучей среды можно приводить в движение через данное рабочее окно 471 для получения и передачи нефтепромыслового материала 275 из камер 490, 495 после его совмещения с ними вращением, как описано дополнительно ниже.
Из положения, показанного на фиг.4, вращение устройства 401 транспортировки материала может привести первую камеру 490, заполненную материалом, в пересечение с рабочим окном 471 верхней плиты 450 кожуха. Таким образом, поток текучей среды высокого давления может быть приведен в действие через рабочее окно 471 и вниз по трубопроводу 470 текучей среды. Таким образом, например, нефтепромысловый материал 275 в форме расклинивающего агента можно подать в поток текучей среды гидроразрыва для работ гидроразрыва пласта, как описано выше. Фактически, трубопровод 470 текучей среды можно разделить для пересечения со вторым рабочим окном (не показано) верхней плиты 450 кожуха для размещения впереди втулки 410 в показанном варианте. Таким образом, вторая камера 495, заполненная материалом, может разгружаться в трубопровод 470 текучей среды в одно время с разгрузкой первой камеры 490.
Как в вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг.2А-2С, в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.4, создан способ, при котором грязная текучая среда с нефтепромысловым материалом является по существу ограниченной зоной трубопровода 470 текучей среды, расположенного под устройством 401 транспортировки материала. Таким образом, оборудование 150 создания высокого давления, такое как показанное на фиг.1, может избежать воздействия абразивного нефтепромыслового материала 275.
Кроме того, устройство 401 транспортировки материала может подавать нефтепромысловый материал 275 в плавном и непрерывном режиме. Фактически, для предотвращения полной отсечки потока текучей среды через трубопровод 470 текучей среды во время заполнения камер 490, 495, как показано на фиг.4, показанное оборудование 475 подвода материала может обслуживать отдельный канал или ответвление трубопровода текучей среды, используемые, как описано, для пересечения оборудования 475. Например, оборудование отдельного канала может иметь конфигурацию трубки Вентури или другую подходящую конфигурацию для отклонения в нее потока текучей среды только после пересечения рабочего окна 471 и камеры 490, 495. В оставшееся время поток текучей среды может проходить без отклонения к оборудованию 475. Дополнительно к этому, как в вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг.2А-2С, оборудование 475 подвода материала может являться одной из нескольких сборок оборудования 475 подвода материала, соединенных с трубопроводом 470 текучей среды. Таким образом, синхронизацию между такими сборками и вращающимися устройствами транспортировки материалов в них можно использовать для обеспечения получения постоянного добавления нефтепромыслового материала 275.
На фиг.5 показана блок схема способа, обобщающая варианты осуществления использования вариантов механизма подвода нефтепромыслового материала, более подробно описанные выше. Вне зависимости от конкретного варианта осуществления используемого механизма подвода материала, промысловый материал подают в поток промысловой текучей среды от оборудования создания давления в режиме постоянного поддержания существенной изоляции нефтепромыслового материала от оборудования.
Нефтепромысловая текучая среда, такая как вода, может нагнетаться под давлением от оборудования создания давления на стадии 510. Оборудование создания давления может включать в себя обычный насос типа триплекс или систему других устройств, создающих давление. Текучая среда под давлением, таким образом, приводится в движение через трубопровод текучей среды на стадии 525 и может впоследствии достигать камеры на стадии 570. Кроме оборудования создания давления, в состав включено оборудование подвода материала, в котором в резервуаре нефтепромыслового материала может создаваться давление на стадии 540. На стадии 555 некоторую часть данного материала можно выпустить из резервуара в камеру, изолированную от трубопровода текучей среды вместе с резервуаром. Камеру можно затем переместить в положение, открытое воздействию трубопровода текучей среды, на стадии 570. Нефтепромысловую текучую среду с материалом в ней можно затем подавать к углеводородной скважине, на стадии 580.
На фиг.6 показан изометрический вид с частичным сечением механизма подачи нефтепромыслового материала фигуры 1 с добавленными элементами 600, 650, 675 защиты от абразивного износа, включенными в его состав. То есть, со временем, уплотнения 221, 226, 227, 231 и другие элементы устройства 201 транспортировки материала могут стать чувствительными к усталостному износу вследствие воздействия нефтепромыслового материала 275. Поэтому, как описано ниже, некоторые элементы 600, 650, 675 защиты от абразивного износа можно использовать для обеспечения минимизирования воздействия нефтепромыслового материала 275.
Как показано на фигуре 6 и дополнительно показано на фиг.1, трубу 600 с пазами 601 в ней можно использовать вокруг распорок 291, 296. В таком варианте можно поддерживать более постоянный внешний профиль устройства 201 транспортировки материала на камерах 290, 295. Таким образом, нефтепромысловый материал 275, расположенный в камерах 290, 295, должен иметь больше возможности оставаться в них во время возвратно-поступательного перемещения устройства 201 транспортировки материала в противоположность броскам, возможно к уплотнениям 221, 226, 227, 231 или пространству между устройством 201 транспортировки и кожухом 180 устройства транспортировки. Фактически, с конкретным упором на предотвращение воздействия нефтепромыслового материала на участки 220, 230 устройства транспортировки и его уплотнения, можно создать отводимые втулки 650, 675 для обеспечения отсечки резервуаров 185, 187 материала, когда соответствующий участок 220, 230 устройства транспортировки установлен под ними. То есть, как показано на фиг.6, втулки 650, 675 можно использовать для отсечки резервуаров 185, 187 и только перемещать для открытия резервуаров 185, 187 после приема и предохраняющего охвата соответствующего участка 220, 230 устройства транспортировки. Таким образом, каждый участок 220, 230 устройства транспортировки может быть окружен для предохранения втулкой 650, 675 в процессе открытия каждого резервуара 185, 187. Поэтому воздействие на участки 220, 230 устройства транспортировки и их уплотнения нефтепромыслового материала 275, можно по существу исключить. К тому же, втулки 650, 675 можно подпружинить так, чтобы прохождение участков 220, 230 устройства транспортировки назад к открытым резервуарам 185, 187 происходило в связи с соответствующей втулкой 650, 675 в инкапсулированном и защищенном режиме (пока резервуары 185, 187 вновь безопасно не отсечены).
В противоположность простому мониторингу некоторого уровня повреждения насосного оборудования, варианты осуществления изобретения, описанные в данном описании, можно фактически использовать для минимизирования вредных воздействий жестко абразивных промысловых материалов на такое оборудование. Дополнительно к этому, описанные варианты осуществления изобретения минимизируют воздействие на оборудование создания давления потенциально повреждающих материалов, не требуя существенного количества дополнительного чувствительного оборудования и компонентов для процесса подачи. Действительно, сам процесс подачи является таким, что оборудование, используемое в подаче нефтепромыслового материала, подвергается усталостному износу под воздействием боле легких создающих усталостный износ условий, получающихся при подаче материала. При этом по существу отсутствует необходимость сложного мониторинга повреждений оборудования подачи нефтепромыслового материала во время его работы.
Вышеизложенные описания представлены со ссылкой на предпочтительные в настоящее время варианты осуществления изобретения. Рядовые специалисты в данной области техники и технологии, к которым эти варианты осуществления относятся, должны понимать, что изменения в описанных структурах и способах работ можно осуществлять без значительного отхода от принципов и объема данных вариантов осуществления. Например, в качестве оборудования, использующегося для создания давления, выше описаны поршневые насосы типа триплекс прямого вытеснения. Однако другие типы оборудования создания давления, такие как многоступенчатые центробежные насосы, винтовые насосы, плунжерные насосы и другие можно использовать согласно вариантам осуществления, подробно описанным в данном документе. Дополнительно к этому, оборудование, создающее давление, можно использовать в системе закачки чистой/грязной стороны, такой как любая из насосных систем закачки, описанной в патенте США №11/754776, под названием, «Система закачки с разделением потока», зарегистрированном 29 мая 2007 г. В другом примере способ практического применения для создания гидроразрыва подробно описан в раскрытии варианта осуществленияз механизма подачи нефтепромыслового материала. Однако другие способы практического применения могут использовать преимущества такого механизма. Например, в способах практического применения можно использовать промысловую текучую среду, представляющую собой цемент низкой плотности, в который подают нефтепромысловый материал в виде дополнительного цемента или других цементных добавок в варианте осуществления механизма подачи нефтепромыслового материала, подробно описанного в данном документе. Таким образом, вышеизложенное описание не следует читать, как относящееся только и строго к структурам, описанным и показанным в прилагаемых чертежах, но следует читать как соответствующее следующей формуле изобретения, задающей полный и правильный их объем, и поддерживающее формулу.