СПОСОБ И СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ГИДРОРАЗРЫВОВ
FRACTURE WATER TREATMENT METHOD AND SYSTEM

Ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка представляет собой международную заявку на выдачу патента США №13/832,759, поданную 15 марта 2013 года, которая представляет собой частичное продолжение заявки на патент США №13/594,497, поданной 24 августа 2012 года, которая испрашивает приоритет в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента США №61/676,628, поданной 27 июля 2012 года. По настоящей заявке также испрашивается приоритет в соответствии с выделенной заявкой на выдачу патента США №13/753,310, поданной 29 января 2013 года.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству и технологическим стадиям обработки промывочной и пластовой воды, вытекающей из скважины в процессе ее отработки, и иных компонентов, которые используются для создания каналов или разрывов или трещин гидравлическим методом в скважинах для добычи углеводородов (например, на глубоко залегающих сланцевых месторождениях).
Уровень техники
На протяжении многих веков люди пытаются найти применение свойствам, присущим углеводородным соединениям природного происхождения, и эффективно использовать их для повышения своего жизненного уровня и решения многочисленных жизненных задач. В течение более двухсот лет «Горючие пески» Киркука обеспечивают теплом курдские племена Ирака. Для этого надо просто поджечь метан, который по сей день непрерывно выходит на поверхность земли из глубоко залегающих геологических образований. Кроме того, нефтепроявления на поверхности земли в Пенсильвании и Калифорнии использовались местными индейцами для просмаливания каноэ, на которых они путешествовали по водным артериям Северной Америки. Это только два примера раннего использования человеком природного газа и сырой нефти для совершенствования своего образа жизни.
Успешное бурение неглубокой нефтяной скважины в Пенсильвании, которое в конце 19-го века выполнил Эдвин Дрейк, ознаменовало собой начало эпохи самого масштабного экономического роста в истории человечества, локомотивом которого - в значительной мере - стали успехи в разведке, добыче и переработке газообразных и жидких углеводородных соединений природного происхождения. В настоящее время они используются для производства различных видов топлива для транспортных средств, электроэнергии, горюче-смазочных материалов, продукции нефтехимии и многих тысяч других продуктов, которые мы используем в повседневной жизни. Зарождение и развитие нефтяной промышленности стало движущей силой и одним из основных факторов, способствующих формированию и небывалому росту мировой экономики. Этот период экономического развития известен как «Промышленная революция».
В этот период было открыто множество новых нефтяных месторождений в самых разных частях света; при этом наблюдались фантастические темпы роста спроса на сырую нефть и нефтепродукты за счет множества новых сфер применения продукции, получаемой из нефти, которые продолжают появляться и в двадцать первом веке. На протяжении всего этого периода в нефтяной промышленности было открыто множество новых месторождений и крупных пластов или залежей смесей жидких и газообразных углеводородных соединений традиционного состава (как на наземных, так и на морских нефтяных промыслах в самых разных точках мирового океана по всему миру). Вместе с тем, в нефтяной промышленности были также разведаны огромные запасы смесей тяжелых и легких углеводородных соединений, обладающих нестандартной структурой, которые так переплетены в матрицах материалов сложного строения, что извлечение содержащихся в них углеводородных молекулярных соединений становится нерентабельным.
Источники этих нестандартных углеводородных соединений подразделяются на две разные категории. Во-первых, существуют «тяжелые» или длинноцепочечные углеводородные молекулярные соединения, такие как нефть марки «майя» (Мексика) или соединения, добываемые на нефтеносных песках в Канаде и на месторождениях тяжелой нефти в нефтедобывающих полях Керн Ривер и Бэлридж (Калифорния) или в нефтеносном поясе в дельте реки Ориноко (Венесуэла). Добываемая в этих местах тяжелая нефть характеризовалась чрезвычайно высокой вязкостью и студенистым состоянием при температуре окружающей среды. В этих случаях первостепенное значение придавалось уменьшению температуры застывания нефти или вязкости. Во-вторых, существуют «легкие» или короткоцепочечные углеводородные молекулярные соединения, содержащиеся в залежах сланцев по всей территории Соединенных Штатов, а также во многих других регионах мира.
В некоторых странах, а именно в Испании, Эстонии и Бразилии, имеются крупные, но не глубоко залегающие, месторождения сланцевой нефти; при этом в указанных странах нет крупных запасов или залежей обычной сырой нефти. Здесь для извлечения сланцевой нефти или керогена использовался способ «грубой силы», заключающийся в нагреве сланцевой породы в герметичных высокотемпературных ретортах. Такая практика получила распространение еще в двадцатых годах прошлого века. Топливо на основе извлеченного керогена или горючих сланцев затем сжигалось в печах для обогрева или использовалось в транспортных средствах с дизельными двигателями или двигателями внутреннего сгорания других типов. Топливо на основе извлеченного керогена характеризовалось почти такой же калорийностью в британских тепловых единицах и схожими характеристиками горения, что и бензин стандартного качества, полученный из обычной сырой нефти на нефтеперегонных заводах. Указанные страны испытывали также дефицит твердой валюты или долларов США, что препятствовало приобретению природной сырой нефти на международных сырьевых рынках, но зато они обладали большими запасами сланцевых пород (хотя объемы керогена или битуминозных сланцев, добываемых на этих сланцевых месторождениях, составляли менее четырех весовых процентов от всего объема сланцевых пород, т.е. около девяноста пяти процентов сланцевых пород уходило в отходы). Горячие конденсируемые углеводородные соединения сжижались в обычных конденсирующих теплообменниках, превращаясь в топливо на основе керогена. Неконденсируемые углеводороды, главным образом метан, просто сжигались или выбрасывались в атмосферу. Все эти короткоцепочечные или легкие углеводородные соединения заключены в матричную структуру битуминозных сланцев, и при нагреве под давлением они высвобождаются из указанной матрицы в виде газа.
В Соединенных Штатах Америки существует множество районов, где можно обнаружить сланцевые породы, но большинство таких месторождений залегает на глубине от пяти до десяти тысяч футов. Еще до двадцатых годов прошлого века предпринимались попытки извлечения керогена из пластовых сланцевых формаций. Хотя сланцевое масло доказало свою пригодность для использования в качестве углеводородного продукта, расходы на его извлечение намного превосходили рыночную стоимость аналогичных продуктов; таким образом, добыча горючих сланцев оказалась нерентабельной. На то время дополнительные меры по развитию и капиталовложения не оправдались.
В течение последних нескольких лет все эти факторы и условия резко изменились, что обусловлено, главным образом, стремительным развитием и внедрением двух новых технологий. Первая из них предусматривает методы точно регулируемого и управляемого наклонно-направленного бурения, которые позволяют буровым установкам сначала осуществлять вертикальное бурение, а затем выполнять регулируемый или управляемый поворот в горизонтальное положение с бурением до заданной глубины. После этого можно продолжать бурение ствола скважины в горизонтальной плоскости, пробуривая сланцевую формацию на значительное расстояние. Второе наиболее значимое технологическое новшество заключается в применении старой технологии, а именно гидравлического разрыва старых вертикальных нефтяных скважин для повышения их дебита, а также для стимулирования дальнейшей разработки старых скважин с целью продления экономичного срока службы истощающихся нефтяных месторождений.
За долгие годы было разработано и внедрено множество способов продления жизненного цикла старых нефтяных месторождений и месторождений поздней стадии разработки. Один из приемов, который был использован для поддержания энергии пласта на истощающихся нефтяных месторождениях, предусматривал затопление. Кроме того, аналогичный результат давала закачка метана под давлением (при его наличии и при условии, что он не горит). Другой испробованный способ предусматривал использование «кумулятивных зарядов» взрывчатки, которая закладывалась в колонну обсадных труб таким образом, чтобы сдетонировать в стволе скважины в области продуктивной зоны, и чтобы сила взрыва могла пробить стенку колонны обсадных труб и открыть разрывы или трещины.
Применение таких способов добычи нефти вторичными методами (ДНВМ) было нормой на протяжении многих лет. Однако некоторые нефтяные компании были обеспокоены опасностью использования взрывчатых веществ для продления жизненного цикла истощающихся нефтяных месторождений; и в конце сороковых годов двадцатого века для создания разрывов или трещин в продуктивных зонах получила распространение практика применения песчано-водяных смесей под большим давлением. Эта технология была разработана в попытках добиться повышения дебита нефтяных скважин, а также продления жизненного цикла старых и истощающихся нефтяных месторождений без использования взрывчатки. Открытие новых каналов гидравлическим способом в старых продуктивных пластах облегчало выход газообразных и жидких углеводородов под забойным давлением на поверхность, где они собирались в виде сырой нефти или газообразных продуктов.
Кроме того, в этот период была широко распространена практика использования установок для капитального ремонта скважин с целью очистки колонн обсадных труб старых нефтяных скважин от наслоений парафинистых и битуминозных соединений, которые ограничивали выход углеводородов.
Применение всех этих способов интенсификации притока на нефтяных скважинах, а также использование других способов добычи нефти вторичными методами продолжалось в течение долгих лет, на протяжении которых было разработано множество усовершенствований. Одним из таких усовершенствований стала разработка более мощных грязевых насосов повышенной производительности для выкачивания барита, которые были необходимы для бурения все более глубоких нефтяных скважин, как на прибрежных, так и на морских месторождениях. Некоторые из этих нефтяных скважин были пробурены на морских глубинах, превышающих восемь тысяч футов; а дальнейшее бурение может добавить к указанным глубинам еще более двадцати тысяч футов, вследствие чего появилась необходимость в увеличении производительности и повышении максимального давления на выходе насосов, используемых в процессе гидравлического разрыва.
Открытие ряда крупных месторождений горючих сланцев вкупе со вновь разработанными технологиями управляемого наклонно-направленного бурения, а также возможность использования оборудования для выполнения гидравлических разрывов под высоким давлением позволили нефтяной промышленности продвинуться в разработке новых способов гидроразрыва. Они дали возможность осуществлять наклонно-направленное бурение в глубоко залегающих сланцевых формациях, как в вертикальных, так и в горизонтальных плоскостях, а затем выполнять гидравлический разрыв формации для высвобождения газообразных и жидких углеводородов, содержащихся в сланцевых матрицах. Эти новые технологии привели к кардинальным изменениям в оценке жидких и газообразных углеводородов на мировом рынке энергоресурсов.
Однако в тот период времени, когда применение метода гидравлического разрыва получало все более широкое распространение, его развитие - как в технологическом плане, так и с точки зрения применения на практике - осуществлялось неупорядоченно, бессистемно и спонтанно. Многие их внесенных усовершенствований явились результатом попыток повышения дебита нефтяных скважин и продления жизненного цикла действующих нефтяных месторождений с использованием ненаучных подходов, т.е. методом проб и ошибок. Все это делалось без должного всестороннего анализа или понимания обоснованных научных причин необходимости внесения таких усовершенствований. Лучшим примером такого ненаучного подхода в попытках найти решения конкретных задач по обработке воды служит то, что происходит при выборе и использовании различных типов расклинивающих агентов в процессе гидроразрыва пласта.
После завершения первоначального разрыва водой под давлением в разрывах или трещинах, образованных за счет применения метода воды под давлением, должны остаться прочные расклинивающие агенты или проппанты, если необходимо повысит дебит добываемых углеводородов до требуемого уровня. Расклинивающие агенты представляют собой средства «расклинивания» новых отверстий или трещин в формациях, специально подобранные для того, чтобы они могли поддерживать новые разрывы или трещины в открытом состоянии, а также позволять углеводородным соединениям свободно проходить по стволу скважины; и поэтому они могут нагнетаться с помощью контрольно-измерительного оборудования устья скважины.
Без тщательно подобранных расклинивающих агентов, характеризующихся достаточной прочностью и правильными размерами для непрерывного поддержания трещин в открытом состоянии, дебит скважины будет быстро уменьшаться по мере измельчения расклинивающего агента и заполнения трещин частицами более мягкого материала. Это все приведет к сокращению дебита и, в итоге, заблокирует приток углеводородов в ствол скважины. Было протестировано множество типов песка разного состава, формы и размеров, а также множество других типов расклинивающих агентов, таких как оксиды алюминия и пр.
Основная проблема в этом случае состоит в том, что правильно подобранный расклинивающий агент, который должен быть использован в процессе гидроразрыва пласта, является единственным значимым фактором, влияющим на достижение и сохранение коэффициента пористости, который необходим для того, чтобы каналы, образованные в результате разрыва водой под давлением, могли реализовать все преимущества процесса гидроразрыва.
Хотя эти аспекты важны при гидроразрыве в вертикально пробуренных нефтяных скважинах с выделенными продуктивными пластами, они имеют гораздо большее значение при применении гидроразрыва в горизонтально-слоистых формациях нефтеносных сланцев. Благодаря «Сланцевой революции» во всем ее масштабе мы только начинаем познавать и понимать природу и характеристики многочисленных видов сланцевых формаций.
Нефтеносные сланцы представляют собой вид осадочных отложений, сформированных миллиарды лет тому назад преимущественно в виде карбонатов кальция, карбонатов натрия, гидрокарбонатов кальция и кварца, а также почвенных материалов и прочих соединений, которые заключались в матрицу материалов по мере формирования этих сланцев, и в итоге были отложены в известных на сегодняшний день сланцевых формациях. Многие сланцевые формации пересекают линии тектонических разломов в земной коре, и поэтому они могут характеризоваться не сплошной формой. Некоторые сланцевые формации немного наклонены, как в вертикальных, так и в горизонтальных плоскостях. Вследствие этого важнейшей составной частью процесса разведочных работ и освоения месторождений сланцевого газа становится локализация с помощью каротажных кабелей, а также трехмерный сейсмический анализ.
Оглядываясь назад, важно понять и акцентировать свое внимание на том важнейшем факте, что надлежащим образом структурированные расклинивающие агенты с частицами правильных размеров способствуют обеспечению оптимальной добычи газообразных и жидких углеводородных соединений, которые являются продуктом, полученным в результате гидроразрыва залежей горючих сланцев. В нефтяной промышленности этот факт не был до конца понят и осмыслен вплоть до начала двадцать первого века. К концу двадцатого столетия нефтяная промышленность уже более пятидесяти лет использовала технологию гидроразрыва для добычи нефти вторичными методами и интенсификации притока в добывающие нефтяные скважины. Все операции по гидроразрыву пластов, которые проводились до начала двадцать первого века, были нацелены на то, чтобы продлить жизненный цикл уже действующих вертикально пробуренных нефтяных скважин или повысить величину добычи углеводородов на вновь освоенных скважинах. Все эти операции по гидроразрыву выполнялись на вертикально пробуренных нефтяных скважинах и приводили к разрыву продуктивных пластов, состоящих в основном из песка, в результате чего жидкие или газообразные углеводороды могли выходить наружу в условиях забойного давления и температуры. Все это выполнялось в песчаных пластах, характеризующихся относительно высокими фильтрационно-емкостными показателями или коэффициентами пористости.
С внедрением оборудования для управляемого вертикально-горизонтального бурения вместе с насосными установками сверхвысокого давления для гидроразрывов (называемыми также «напорными насосными установками») нефтяная промышленность стала использовать те же методы гидроразрыва, что были успешно разработаны и опробованы в ходе выполнения операций по гидроразрыву на вертикально пробуренных нефтяных скважинах, а также выполнять такие же операции применительно к стволам скважин, пробуренных в горизонтальной плоскости в глубоко залегающих сланцевых формациях, но с гораздо менее удовлетворительными результатами. Некоторые сланцевые формации характеризовались большей продуктивностью в сравнении с другими отложениями, и было испробовано множество подходов в попытках увеличить объем инкапсулированных углеводородов, высвобожденных в результате гидроразрыва пластов. Для регулирования роста водных микроорганизмов, препятствующих выходу углеводородов, пробовали добавлять химикаты. Химикаты также добавляли для регулирования уровня коррозии и коркообразования. Кроме того, в попытках повысить способность воды для гидроразрывов проникать в трещины, образованные водой под высоким давлением, добавлялись химикаты, уменьшающие поверхностное натяжение. Некоторые комбинации операций оказывались более результативными в отношении определенных сланцевых образований в сравнении с теми же действиями, предпринимаемыми в отношении других сланцевых формаций, что проявлялось, в частности, в разных процентных долях или объемах углеводородного продукта, получаемого в итоге из определенного количества углеводородов, содержащихся в данной залежи сланцев.
Это продолжалось до тех пор, пока в нефтяной промышленности не начали приходить к понимаю того, что традиционные технологические принципы не могут быть в полной мере применены ко вновь разработанным методикам извлечения жидких и газообразных углеводородов, содержащихся в пластах минерализованных пород, которые позволяют без труда выводить эти углеводороды на поверхность даже из глубоко залегающих пластов, характеризующихся высокой температурой и давлением. В поисках понятных решений этих задач и их комплексного анализа инженеры-нефтяники обратились к принципам применения критериев геологии минералов в рамках механики скальных пород. Результаты недавно проведенных научно-исследовательских работ показали, что все сланцевые формации можно классифицировать и условно разбить на две легко измеряемые и идентифицируемые группы, а именно на «мягкие сланцы» и «твердые сланцы» (смотрите, например: Denney Dennis, Fracturing-Fluid Effects on Shale and Proppant Embedment, журнал JPT, c. 59-61, (март 2012 года)). Критерии тестирования основаны на принципе измерения напряжения/деформации или величины модуля нормальной упругости заданного материала, как до, так и после гидроразрыва. В ходе тестирования измеряется наноинденторная твердость минерала после приложения напряжения определенного уровня. Протестированные твердые сланцы показали низкие значения наноинденторной твердости, тогда как мягкие сланцы продемонстрировали более высокие показатели наноинденторной твердости. Твердые сланцы содержали, главным образом, карбонаты кальция, кремнезем, кальциты и кварц в их сочетании с коллоидными глинами; при этом мягкие сланцы содержали гидрокарбонаты натрия, нахколиты и компоненты коллоидных глин.
Способность точно определять истинные характеристики минералов горючих сланцев чрезвычайно важна при выборе наиболее подходящих нефтедобывающих технологий, необходимых для оптимизации или максимального увеличения суммарной добычи углеводородных компонентов из конкретной залежи или месторождения сланцев. Реакция пластов мягких сланцев отличается от реакции пластов твердых сланцев, когда и те и другие подвергаются воздействию давления гидравлической воды одинаковой величины в течение одного и того же времени выдержки. В твердых сланцах под высоким гидравлическим давлением образуются трещины или каналы с относительно короткой длиной проникновения и небольшим диаметром в поперечном сечении. С другой стороны, в мягких сланцах под таким же высоким гидравлическим давлением в течение того же времени выдержки образуются трещины, характеризующиеся большей длиной проникновения и большим диаметром поперечного сечения, чем при гидроразрыве материалов в формациях твердых сланцев.
Помимо регулирования роста количества микроорганизмов, предотвращения коркообразования и предоставления реагента на водной основе для снижения поверхностного натяжения, важнейшим фактором, влияющим на возможность извлечения максимального или оптимального объема углеводородов из конкретной сланцевой формации, является правильный выбор размеров частиц и типа расклинивающего агента, который подается в продуктивный пласт вместе с жидкостью для гидроразрыва. Если гидроразрыву подлежат твердые сланцы, то частицы расклинивающего агента или проппанта должны обладать достаточно небольшими размерами с тем, чтобы они могли без труда заходить в трещины малого диаметра, образованные в результате гидроразрыва твердых сланцев, и достаточно прочными с тем, чтобы они могли поддерживать трещины или каналы в открытом состоянии в течение достаточно длительного периода времени, позволяя содержащемуся в них жидкому или газообразному углеводородному продукту свободно перемещаться по стволу скважины в вертикальных и горизонтальных направлениях для того, чтобы его можно было извлечь после выхода на поверхность и поступления в наземное оборудование. Если размеры частиц используемого расклинивающего агента слишком велики для трещин малого диаметра, то этот расклинивающий агент не сможет проникнуть в трещины и остаться там для поддержания каналов в открытом состоянии, вследствие чего объем извлекаемых углеводородов резко сократится. В альтернативном варианте, если операция по гидроразрыву проводится на формации мягких сланцев, то частицы правильно подобранного расклинивающего агента должны быть больше в диаметре, чем частицы расклинивающего агента, пригодного для использования в пластах твердых сланцев. Это позволит частицам расклинивающего агента зайти в трещины большего диаметра, которые были образованы в результате гидроразрыва пласта мягких сланцев. Расклинивающий агент с частицами меньшего размера не будет таким эффективным, и это приведет к существенному уменьшению объемов добываемого углеводородного продукта.
Теперь мы вооружены научными данными в отношении разницы между различными типами сланцевых формаций, которыми может оперировать нефтяная промышленность, в частности, в отношении экономической важности правильного выбора расклинивающего агента или проппанта для гидроразрыва пластов горючих сланцев разного типа. Теперь мы знаем, что наилучший расклинивающий агент для гидроразрыва мягких сланцев отличается от наилучшего расклинивающего агента, который может быть использован для гидроразрыва твердых сланцев. Таким образом, для каждого конкретного сланца требуется свой расклинивающий агент.
Соответственно, цель примеров осуществления настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить широкий спектр расклинивающих агентов или проппантов с частицами надлежащих размеров с использованием практически всех шламоподобных материалов, выходящих на поверхность и содержащихся в потоке жидкости, вытекающей из скважины в результате гидроразрыва газовых или нефтяных пластов.
Вследствие стремительного увеличения масштабов и роста интенсивности применения гидроразрывов на сланцевых месторождениях, разрабатываемых в разных частях Соединенных Штатов, возник ряд вопросов экологического характера, на которые следует найти ответы, если эта отрасль собирается успешно развиваться. Например, для уничтожения, регулирования или устранения водных микроорганизмов, находящихся в жидкости, используемой в процессе гидроразрыва пластов, используются токсичные химикаты (такие как глютаральдегид). Существуют серьезные опасения в отношении того, что такая жидкость для гидроразрывов с токсичными химикатами может проникать в водоносные слои питьевой воды. Кроме того, определенную озабоченность вызывает возможность проникновения химикатов, уменьшающих трение (например, полиакриламида), или ингибиторов образования отложений (например, солей фосфиновой кислоты) в водоносный горизонт и его загрязнение. Очищающие мыльные растворы, а также химикаты, такие как хлористый калий, широко применяются в качестве поверхностно-активных веществ, снижающих поверхностное натяжение, что также может представлять угрозу для здоровья людей. Общественность озабочена также существующей практикой закачки насыщенной солями жидкости, вытекающей из скважины в процессе ее отработки, в ликвидируемые скважины.
В некоторых примерах стандартных операций по гидроразрыву водяная смесь после взрывного пробития горизонтальной обсадной колонны поэтапно закачивается под высоким давлением во множество отдельных зон разломов, каждая из которых закупоривается пакерными втулками. Это позволяет водяной смеси оставаться под давлением в сланцевой формации в течение нескольких дней, образуя каналы, разломы или трещины, которые после сброса гидравлического давления в результате бурения гибкой трубой обеспечивают проходы для газообразных или жидких углеводородов, позволяющие им выходить на поверхность. Для каждой отдельной зоны разлома давление в водяной смеси уменьшается поочередно с тем, чтобы вода, не находящаяся под давлением, могла перетекать обратно в горизонтальной плоскости в ствол скважины, а затем идти вверх по вертикальному сечению зацементированной скважины до отметки поверхности земли. Большой объем расклинивающего агента остается в этих каналах, но значительное его количество выходит наружу вместе с промывочной водой, вытекающей из скважины.
Объем промывочной воды, вытекающей из скважины после гидроразрыва, составляет менее пятидесяти процентов от общего объема воды, закачанной для проведения гидроразрыва. Поток воды, вытекающей из скважины, также содержит материалы, выщелачивающиеся из пласта сланцев, такие как гидрокарбонаты (например, нахколиты). Водяная смесь, вытекающая из скважины, также несет в себе множество летучих органических соединений, а также останки микроорганизмов, растворенные соли или солевые растворы и значительный объем первоначально закаченного расклинивающего агента с его мелкими частицами. Обработка и/или утилизация этого обратного потока представляет серьезную проблему для отрасли. Смотрите, например, следующие материалы: Smyth Julie Can, Ohio quakes put pressure on use of fracturing, издательство Associated Press, c. D1 и D6 (2012 год); Lowry Jeff с соавторами, Haynesville trial well applies environmentally focused shale technologies, журнал World Oil, c. 39-40 и 42 (декабрь 2011 года); Beckwith Robin, Hydraulic Fracturing The Fuss, The Facts, The Future, журнал JPT, c. 34-35 и 38-41 (декабрь 2010 года); Ditoro Lori К, The Haynesville Shale. Upstream Pumping Solutions, c. 31-33 (2011 год); Walser Doug, Hydraulic Fracturing in the Haynesville Shale: What’s Different? Upstream Pumping Solutions, c. 34-36 (2011 год); Bybee Karen, In-Line-Water-Separation Prototype Development and Testing, журнал JPT, c. 84-85 (март 2011 года); Bybee Karen, Produced-Water-Volume Estimates and Management Practices, журнал JPT, c. 77-79 (март 2011 года); Katz Jonathan, Report: Fracking to Grow U.S. Water-Treatment Market Nine-Fold by 2020, журнал Industry Week (май 2012 года); заявка на патент США №2012/0012307 А1; заявка на патент США №2012/0024525 А1; заявка на патент США №2012/0070339 А1; заявка на патент США №2012/0085236 А1; и заявка на патент США №2012/0097614 А1. Каждый из указанных выше документов включен в настоящую заявку посредством ссылки для использования в любых целях.
В настоящее время распространена практика уничтожения микроорганизмов, находящихся в водной смести (или изначально, или на месте), с помощью химикатов или различных биоцидов с тем, чтобы газообразные или жидкие углеводороды, содержащиеся в сланцевой формации, могли свободно перемещаться по каналам и трещинам, освобожденным водяной смесью, вытекающей из скважины в процессе ее отработки. Кроме того, каналы, образованные в процессе гидроразрыва, должны поддерживаться в открытом состоянии с помощью расклинивающих агентов или проппантов, которые были внесены в трещины продуктивных пластов путем закачки водяной смеси на начальной стадии. Если микроорганизмы не уничтожить, то они начнут быстро размножаться; и если эти микроорганизмы останутся в трещинах, их количество будет увеличиваться, и в итоге они уменьшат или полностью заблокируют выход углеводородов из этих трещин. Еще одна существенная проблема, связанная с микроорганизмами, заключается в возможном присутствии штаммов микробов, которые обладают свойством поглощать серу в свободном состоянии или любые серосодержащие соединения и вырабатывать сероводород, который в обязательном порядке должен удаляться из потока газообразного углеводородного продукта, поскольку он является чрезвычайно опасным канцерогенным веществом. Во избежание обозначенной проблемы должны быть уничтожены все типы микроорганизмов.
Помимо возможности размножения микроорганизмов и блокирования ими потока углеводородного продукта, проблемой при закачке водяной смеси может также стать наличие растворенных примесей в водном растворе, которые могут откладываться в виде осадка или корки в тех же каналах или трещинах. Если допустить коркообразование в этих каналах, то это сократит или даже заблокирует выход углеводородов на поверхность. Во избежание такой ситуации в практике нефтяной отрасли, существующей на сегодняшний день, предпринимаются попытки связывания растворенных примесей и их прикрепление к взвешенным или иным коллоидным частицам, присутствующим в водной смеси, которые удаляются перед закачкой в скважину; впрочем, эти усилия пока еще не продемонстрировали достаточную эффективность. Смотрите, например, следующие материалы: Denney Dennis, Fracturing-Fluid Effects on Shale and Proppant Embedment, журнал JPT, c. 59-61 (март 2012 года); Kealser Vic., Real-Time Field Monitoring to Optimize Microbe Control, журнал JPT, c. 30, 32-33 (апрель 2012 года); Lowry Jeff с соавторами, Haynesville trial well applies environmentally focused shale technologies, журнал World Oil, c. 39-40 и 42 (декабрь 2011 года); Rassenfoss Stephen, Companies Strive to Better Understand Shale Wells, журнал JPT, c. 44-48 (апрель 2012 года); Ditoro Lori K, The Haynesville Shale. Upstream Pumping Solutions, c. 31-33 (2011 год); Walser Doug, Hydraulic Fracturing in the Haynesville Shale: What's Different? Upstream Pumping Solutions, c. 34-36 (2011 год); Denney Dennis, Stimulation Influence on Production in the Haynesville Shale: A Playwide Examination, журнал JPT, c. 62-66 (март 2012 года); Denney Dennis, Technology Applications, журнал JPT, c. 20, 22 и 26 (январь 2011 года). Все указанные работы включены в настоящую заявку посредством ссылки для использования в любых целях.
В последние годы в нефтяной промышленности предпринимаются попытки выработать ряд мер по решению этих проблем. Использование ультрафиолета вместе с небольшим количеством химических биоцидов оказалось недостаточно эффективным способом уничтожения водных микроорганизмов. Такую же ограниченную эффективность в плане уничтожения микроорганизмов показало использование ультразвука высокой частоты. Обеим этим системам недостает интенсивности и мощности для эффективного уничтожения всех водных микроорганизмов только с помощью одного слабого кратковременного воздействия и практически без какой-либо остаточной эффективности. Для действенного уничтожения всех микроорганизмов, присутствующих в воде, обеим системам требуется некоторое количество химических биоцидов. Кроме того, в качестве биоцидов/коагуляторов некоторые компании используют генераторы электромагнитных волн низкой частоты или интенсивности; однако этот способ также демонстрирует минимальную эффективность.
Таким образом, цель некоторых из представленных ниже примеров заключается в том, чтобы представить экономичные и удовлетворительные решения некоторых основных экологических вопросов, имеющих общеотраслевое значение. Цели других примеров состоят в том, чтобы устранить необходимость в скважинах для закачки в пласт соленой воды, прекратить использование токсичных химикатов в качестве биоцидов для уничтожения микроорганизмов или предотвращения коркообразования и восстановления обратной или пластовой воды с целью ее повторного использования при проведении последующих операций по гидроразрыву пластов. Примеры осуществления настоящего изобретения дают технически обоснованные и экономически жизнеспособные решения многих вопросов, связанных с обеспечением общественной безопасности при гидроразрыве пластов, которыми обеспокоены в отрасли.
Раскрытие изобретения
К преимуществам различных примеров осуществления настоящего изобретения относится уменьшенная потребность в использовании соленой воды или полное отсутствие такой потребности, поскольку практически все растворенные твердые частицы связываются и преобразуются во взвешенные частицы, которые выделяются и смешиваются с извлекаемым расклинивающим агентом для последующего включения в состав материала, подаваемого на разложение методом пиролиза во вращающейся печи. Подобным же образом в примерах реализации заявленного изобретения устранена потребность в химических биоцидах за счет применения генератора электромагнитных волн высокой интенсивности и сверхвысокой переменной частоты, предназначенного для уничтожения микроорганизмов, присутствующих в воде до ее закачки в формацию. Электромагнитные волны также предотвращают коркообразование, вследствие чего устраняется необходимость в добавлении ингибиторов образования отложений в водяную смесь для гидроразрыва. В результате практически вся промывочная вода, вытекающая из скважины после выполнения гидроразрыва, может быть повторно использована; при этом все оставшиеся твердые вещества могут быть переработаны и повторно растворены в расклинивающем агенте, подготовленном надлежащим образом и содержащим частицы требуемого размера, для последующего использования в операциях по гидроразрыву. Кроме того, поскольку летучие органические соединения сжигаются и испаряются, существует потребность в установках по удалению осадков или иных видов твердых отходов.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предложена система, предназначенная для использования при операциях по гидроразрыву пластов, которая включает в себя следующие элементы: первый сепаратор, содержащий шламозаборный патрубок и шламовыпускной патрубок для выпуска шлама с первым содержанием воды; второй сепаратор, содержащий шламозаборный патрубок, расположенный таким образом, чтобы в него мог поступать шлам из шламовыпускного патрубка первого сепаратора, и шламовыпускной патрубок для выпуска шлама со вторым - более низким - содержанием воды; печь, расположенная таким образом, чтобы в нее мог поступать шлам из шламовыпускного патрубка второго сепаратора, и снабженная выпускным патрубками; охладитель, расположенный таким образом, чтобы в него мог поступать шлак из печи; дробилка, расположенная таким образом, чтобы в нее могу поступать охлажденный шлак из охладителя; мельница, расположенная таким образом, чтобы в нее мог поступать дробленый шлак из дробилки; первое сито, расположенное таким образом, чтобы на него мог поступать размолотый материал из мельницы (при этом размер ячеек первого сита задает верхний предел размера частиц расклинивающего агента); и второе сито, расположенное таким образом, чтобы на него мог поступать материал, пропущенный первым ситом (при этом размер ячеек второго сита задает нижний предел размера частиц расклинивающего агента). По меньшей мере, в одном из примеров осуществления настоящего изобретения система также включает в себя бункер для хранения расклинивающего агента, расположенный таким образом, чтобы в него мог поступать расклинивающий агент, скапливающийся между первым и вторым ситом. В еще одном из примеров реализации заявленного изобретения система также включает в себя блендер, расположенный в таком месте, чтобы в него мог поступать расклинивающий агент из указанного бункера. В одном из частных примеров осуществления настоящего изобретения первый сепаратор содержит водовыпускной патрубок, а сама система включает в себя следующие элементы: бак для хранения воды, расположенный в таком месте, чтобы в него могла поступать вода из первого сепаратора; коагулятор биоцидов, расположенный в таком месте, чтобы в него могла поступать вода из указанного бака, и снабженный выпускным патрубком, через который осуществляется загрузка блендера; и, по меньшей мере, один насос для гидроразрывов, на который подается, по меньшей мере, расклинивающий агент и вода из блендера; при этом насос для гидроразрывов создает поток жидкости для выполнения операций по гидроразрыву пластов.
Согласно еще одному из примеров осуществления настоящего изобретения предложен способ создания расклинивающего агента с частицами соответствующего размера из шлама, извлеченного из скважины, подвергнутой гидроразрыву; при этом указанный способ включает в себя следующие стадии: отделение воды от шлама, в результате чего образуется поток шлама и поток воды; смешивание потока шлама с твердыми частицами, в результате чего образуется загружаемый материал; расплавление расклинивающего материала в загружаемом материале; резкое охлаждение расплавленного расклинивающего материала; измельчение расплавленного расклинивающего материала; доведение частиц измельченного материала до требуемых размеров; и смешивание измельченного материала, размеры частиц которого не соответствуют установленным требованиям, с загружаемым материалом. В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения указанный способ также включает в себя извлечение шлама из потока пластовой жидкости, вытекающей из скважины для добычи углеводородов; при этом пластовая жидкость содержит воду и шлам; при этом отделение шлама приводит к образованию, по меньшей мере, двух потоков; при этом один из, по меньшей мере, двух потоков представляет собой практически жидкий поток воды, а другой поток из, по меньшей мере, двух потоков содержит шлам. К примерам приемлемых устройств отделения шлама от потока пластовой жидкости, вытекающей из скважины для добычи углеводородов, относится стандартный трехфазный сепаратор.
По меньшей мере, в одном из примеров реализации заявленного изобретения процесс смешивания включает в себя закачку в печь потока шлама, а также введение в печь твердых частиц, в результате чего изменяется вязкость шлакообразующего материала; при этом шлакообразующий материал включает в себя поток шлама с включенными твердыми частицами. В еще одном из примеров объем вводимых в печь твердых частиц зависит от вязкости шлакообразующего материала в печи; при этом объем вводимых твердых частиц увеличивается при слишком высокой вязкости шлакообразующего материала для обеспечения равномерного потока смеси в печи. В некоторых примерах объем вводимых твердых частиц уменьшается, когда вязкость шлакообразующего материала становится настолько низкой, что поток проходит через печь слишком быстро для расплавления расклинивающего материала.
В еще одном из примеров осуществления настоящего изобретения процесс резкого охлаждения предусматривает орошение расплавленного расклинивающего материала потоком жидкости, а процесс измельчения состоит из дробления резко охлажденного расклинивающего материала и размола дробленого расклинивающего материала.
В еще одном из примеров сортировка по размерам представляет собой просеивание и/или разделение по массе.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения расплавление предусматривает нагрев шлакообразующего материала; при этом летучие соединения, содержащиеся в шлакообразующем материале, высвобождаются в газовой фазе, а расклинивающий материал, содержащийся в шлакообразующем материале, подвергается расплавлению. В некоторых таких примерах измеряется расход расплавленного материала, выходящего из печи, и по результатам этого измерения осуществляется регулировка нагрева печи.
В еще одном из примеров реализации заявленного изобретения указанный способ также включает в себя отделение шлама от потока пластовой жидкости, выливаемой из скважины для добычи углеводородов; при этом пластовая жидкость содержит воду и твердые частицы; при этом указанное отделение шлама приводит к образованию, по меньшей мере, двух потоков; при этом один из, по меньшей мере, двух потоков представляет собой практически жидкий поток воды, а другой из, по меньшей мере, двух потоков содержит шлам. По меньшей мере, в одном таком примере реализации заявленного изобретения указанный способ также включает в себя подачу электромагнитного импульса в практически жидкий поток воды; при этом расклинивающий агент смешивается с практически жидким потоком воды до или после подачи указанного импульса.
Согласно еще одному из аспектов настоящего изобретения предложена система создания ряда расклинивающих агентов с частицами соответствующих размеров из шлама, извлеченного из скважины, подвергнутой гидроразрыву; при этом указанная система отличается тем, что она включает в себя следующие элементы: средства отделения воды от шлама, в результате которого образуется поток шлама и поток жидкости; средства для смешивания потока шлама с твердыми частицами, вследствие чего образуется загружаемый материал; средства для расплавления расклинивающего материала в загружаемом материале; средства для резкого охлаждения расплавленного расклинивающего материала; средства для измельчения расплавленного расклинивающего материала до образования частиц требуемого размера; и средства для смешивания измельченного материала, размеры частиц которого не соответствуют установленным требованиям, с загружаемым материалом. По меньшей мере, в одном из примеров реализации заявленного изобретения средства для смешивания измельченного материала, размеры частиц которого не соответствуют установленным требованиям, включают в себя устройство для расплавления.
Примером сепарационного устройства служит двухфазный сепаратор с воронкообразным раструбом на нижнем конце и каналом, подведенным к входу шнека. Двухфазный сепаратор использует принцип осаждения под действием силы тяжести (с использованием соответствующего блока с переливными перегородками/без переливных перегородок), Альтернативой блоку осаждения под действием силы тяжести служит бак под давлением системы Hydrocone, нагнетающий шлам в подающий бункер с помощью шнека.
В еще одном из примеров осуществления настоящего изобретения к средствам смешивания потока шлама с твердыми частицами относятся: устройство введения в печь потока шлама и устройство введения в печь твердых частиц; при этом введение твердых частиц изменяет вязкость шлакообразующего материала; при этом шлакообразующий материал состоит из потока шлама с включенными твердыми частицами. Одним из примеров приемлемых средств введения потока шлама в печь служит шнек между сепарационной системой и подающим бункером на входе в печь. Чем больше шлама подает шнек в бункер, тем больше воды вытесняется. В альтернативных вариантах используется лента цепного панцирного конвейера, ковшовый транспортер и прочие средства, хорошо известные специалистам в данной области техники. К конкретным примерам приемлемых средств загрузки песка в печь относится ковшовый подъемник, снабженный регулируемым приводом, который подает твердые частицы (например, песка) из бункера, где хранится указанный песок. Регулируемый привод позволяет изменять объем загружаемого песка в зависимости от температуры, измеренной на выходе печи. Температура зависит от вязкости. Например, при варьировании температуры в пределах некой заданной величины в районе 2200°F, подача песка будет увеличиваться при падении температуры, и уменьшаться при ее росте. В одном из частных примеров никаких изменений не происходит при колебаниях температуры в пределах 5%; однако при превышении указанного пятипроцентного предела величина изменения объема загружаемого песка в сторону увеличения или уменьшения будет зависеть от типа печи, подачи твердых частиц расклинивающего материала и прочих условий, которые хорошо известны специалистам в данной области техники. К другим примерам средств загрузки относятся: ленточный конвейер или цепной панцирный конвейер и их эквиваленты, известные любому специалисту в данной области техники.
В еще одном из примеров осуществления настоящего изобретения в качестве устройства для резкого охлаждения используется устройство распыления расплавленного расклинивающего материала с потоком жидкости, которая был отделена от шлама (например, с помощью распылительных сопел и/или водяного экрана). В альтернативном варианте охлаждение материала может осуществляться воздушным способом. По меньшей мере, в одном из примеров реализации заявленного изобретения смесь горячих твердых частиц поступает из печи на движущуюся стальную перфорированную конвейерную ленту, которая проходит над поддоном для сбора воды. Вода подается в смесь, когда та находится на ленте.
В еще одном из примеров осуществления настоящего изобретения для измельчения материала используются такие средства, как устройство дробления резко охлажденного расклинивающего материала и устройство размола дробленого расклинивающего материала. В одном таком примере в качестве устройства дробления используется конусная эксцентриковая дробилка с тем, чтобы можно было изменять пространство дробления для получения частиц разного размера. К альтернативным дробилкам относятся следующие устройства: щековые дробилки, валиковые дробилки, шаровые дробилки и их эквиваленты, знакомые каждому специалисту в данной области техники. В некоторых примерах дробилка измельчает отвержденную агломерированную смесь до частиц размерами от ¼ дюйма до около ½ дюйма.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения в качестве размалывающих устройств применяются мельницы следующих типов: стержневая мельница, шаровая мельница, бесшаровая мельница, валковая мельница или их эквиваленты, знакомые специалистам в данной области техники. По меньшей мере, в некоторых таких примерах реализации заявленного изобретения дробленый материал перемещается с помощью конвейера и подается в смешивающее/измельчительное устройство, где частицы указанного материала уменьшаются в размерах; при этом, по меньшей мере, в одном из примеров осуществления настоящего изобретения 98-99% материала проходит через 30 ячеек размерами около 590 микрон, и частицы проходящего материала по своим размерам и прочности аналогичны остроугольному мелкозернистому песку.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения к средствам сортировки частиц по размерам относится грохот, снабженный, по меньшей мере, одним ситом. Приемлемым вариантом грохота может быть вибросито. Если частицы материала проходят сито, то этот материал классифицируется как «соответствующий техническим требованиям по размерам». Если частицы материала слишком мелкие, они сбрасываются на подающее устройство для частиц заниженных размеров, которое подает их обратно на вход в бункер печи. Если частицы материала слишком крупные, они отделяются и попадают на подающее устройство для частиц завышенных размеров, которое предусмотрено в бункере на входе в печь. По меньшей мере, в одном из примеров реализации заявленного изобретения потоки частиц заниженного и завышенного размера объединяются перед подачей в печь. К другим приемлемым средствам сортировки частиц по размерам относятся следующие устройства: неподвижные сита, барабанные сита и устройства разделения по массе (например, циклонные сепараторы, через которые проходит измельченный материал, и/или системы разделения по удельному весу в жидком растворе). Примеры подходящих циклонных сепараторов хорошо известны специалистам в данной области техники. Еще одним приемлемым способом сепарации является разделение по удельному весу в жидком растворе. Подходящие сепарационные системы такого типа также хорошо известны любому специалисту в данной области техники.
Согласно еще одному из примеров осуществления настоящего изобретения к средствам расплавления относятся устройства нагрева шлакообразующего материала; при этом летучие компоненты, содержащиеся в шлакообразующем материале, высвобождаются в газовой фазе, а расклинивающий агент, содержащийся в шлакообразующем материале, подвергается расплавлению. К примерам таких средств нагрева шлакообразующего материала относятся следующие устройства: вращающаяся печь со шлакоудалением, наклонная печь и горизонтальная печь, как с непосредственным нагревом, так и с нагревом отраженным пламенем. К альтернативным средствам расплавления расклинивающего материала, содержащегося в загружаемом материале, относятся следующие устройства: бесшлаковая печь, вертикальная печь (например, печь Герресхофа или многоподовая вертикальная печь Pacific), горизонтальная печь для спекания с кальцинаторной решеткой и прочие эквивалентные печи, хорошо известные специалистам в данной области техники. В некоторых примерах реализации заявленного изобретения режим работы печи предусматривает подачу в нее шлама и добавление к указанному шламу расклинивающего агента для начала процесса расплавления шлама вместе с расклинивающим агентом с образованием текучей слипшейся массы. По мере перемещения смеси вниз к выпускному патрубку печи температура смеси возрастает за счет тепла, создаваемого горелкой печи. Вместе с тем, по мере возрастания температуры вязкость смеси уменьшается. В это же самое время органические материалы, переносимые смесью, сгорают, испаряются и выбрасываются в атмосферу через вентиляционную трубу, оставляя текучую смесь твердых веществ. Вязкость этой текучей смеси регулируется или путем увеличения или уменьшения нагрева горелкой печи, или путем добавления в смесь того или иного количества расклинивающего агента, или и тем и другим способом одновременно.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения также предусмотрены средства измерения расхода расплавленного материала, выходящего из печи. Примером средства измерения расхода расплавленного материала на выходе печи служит датчик температуры, выдающий соответствующие сигналы. Специалистам в данной области техники известны и другие эквивалентные средства измерения. В некоторых других вариантах реализации заявленного изобретения предусмотрены средства регулирования нагрева печи, исходя из результатов измерений. К примерам способов регулирования нагрева печи по результатам измерений относятся: изменение расхода расклинивающего агента, подаваемого на вход печи, исходя из результатов измерений; и изменение расхода топлива, подаваемого на горелку печи, с целью уменьшения или увеличения величины высвобождаемого тепла.
Как было сказано выше, выделение шлама из потока, вытекающего из скважины, приводит к образованию, по меньшей мере, двух потоков; при этом один из, по меньшей мере, двух потоков представляет собой практически жидкий поток воды. А в одном еще более подробном примере предусмотрено устройство подачи электромагнитного импульса в практически жидкий поток воды. По меньшей мере, один из примеров подачи электромагнитного импульса в практически жидкий поток воды раскрыт в патенте США №6,063,267, который включен в настоящий документ посредством ссылки для использования в любых целях. К альтернативным вариантам устройства, описанного в этом патенте, которые могут использоваться в различных примерах реализации настоящего изобретения, относятся стандартные коагуляторы биоцидов (химические, электрические и механические), которые хорошо известны любому специалисту в данной области техники.
По меньшей мере, в одном из примеров осуществления настоящего изобретения поданный удельный импульс обладает следующими характеристиками: переменной длительностью и сверхвысокими частотами в диапазоне около 10-80 кГц. Специалистам в данной области техники известны и другие импульсы, обладающие частотой, достаточной для уничтожения всех микроорганизмов, присутствующих в жидкости, и способной вызвать коагуляцию растворенных в ней твердых веществ; при этом их характеристики могут зависеть от конкретных свойств жидкости в конкретной скважине. Такие импульсы обычно разрушают клетки микроорганизмов.
В еще одном из примеров реализации заявленного изобретения предусмотрены средства смешивания расклинивающего агента с практически жидким потоком воды (как до, так и после подачи импульса). Одним из примеров средств для смешивания расклинивающего агента с практически жидким потоком воды служит блендер, конструкция которого известна специалистам в данной области техники (например, в виде открытого или снабженного решеткой бака). В некоторых примерах в блендер также добавляется агент, уменьшающий поверхностное натяжение, а также иные компоненты, хорошо известные любому специалисту в данной области техники. Затем смесь подается в устройство, повышающее ее давление (например, в насосную установку для гидроразрывов, известную также под названием «напорная насосная установка», что известно специалистам в данной области техники), после чего смесь под давлением закачивается в скважину.
В других примерах осуществления настоящего изобретения частицы расклинивающего агента из пластовой и/или промывочной воды и других источников приводятся к требуемым размерам с использованием определенного сочетания печи, дробилки, мельницы и сит с целью создания расклинивающего агента с частицами различных размеров, которые специалисты в данной области техники считают пригодными для использования в операциях по гидроразрыву пластов. Например, смотрите статью ((Industrial Materials)) в журнале Mining Engineering, с. 59-61, июнь 2012 года (www.miningengineeringmagazine.com), которая включена в настоящую заявку посредством ссылки. Различные размеры получаются за счет регулирования используемой мельницы и сит.
В еще одном из примеров осуществления настоящего изобретения предложен способ обработки воды для гидроразрывов, вытекающей из скважин для добычи углеводородов (которая представляет собой как промывочную воду, так и пластовую воду); при этом указанный способ включает в себя следующие стадии: отделение твердых веществ от воды для гидроразрывов, в результате чего образуется поток воды с взвешенными твердыми частицами; разделение потока воды на множество отдельных потоков; создание положительного заряда во множестве отдельных потоков воды, в результате чего образуется множество потоков положительно заряженной воды; и объединение множества отдельных потоков положительно заряженной воды после указанного создания положительного заряда. В еще одном из примеров указанный способ также включает в себя мониторинг уровня границы раздела между нефтью и водой и регулирования уровня границы раздела между нефтью и водой в сепараторе.
В одном из частных примеров реализации заявленного изобретения указанный способ также включает в себя замедление расхода воды во множестве отдельных потоков, который должен быть меньше расхода воды в потоке с взвешенными твердыми частицами. Замедление расхода позволяет увеличить продолжительность времени выдержки на стадии создания положительного заряда. Это увеличивает величину положительного заряда в воде, что считается фактором, повышающим эффективность уничтожения микробов в воде и обеспечивающим наличие остаточного положительного заряда в течение всего того времени, которое необходимо для закачки воды в геологическую формацию, откуда добываются углеводороды. Считается, что наличие положительного заряда в воде, закачанной в геологическую формацию, положительно сказывается на сокращении различных структур в этой формации, препятствующих свободному прохождению потоков.
В еще одном из конкретных примеров реализации настоящего изобретения способ создания положительного заряда в потоках воды включает в себя обработку каждого из множества потоков воды потоком электромагнитной энергии.
В еще одном из примеров осуществления заявленного изобретения размеры большинства взвешенных твердых частиц составляют менее 100 микрон. В некоторых таких примерах практически все взвешенные твердые частицы характеризуются размерами менее 100 микрон. В ограниченном ряде примеров размеры взвешенных твердых частиц составляет менее 10 микрон. А в еще более ограниченном ряде примеров практически все взвешенные твердые частицы характеризуются размерами менее 10 микрон. За счет уменьшения размеров взвешенных твердых частиц можно сократить затраты на пропускание воды через устройства, применяемые на практике для создания положительного заряда в воде, путем использования, например, каналов из нержавеющей стали для взвешенных твердых частиц размерами около 100 микрон и каналов из более мягких материалов (например, ПВХ) для взвешенных твердых частиц размерами от 10 микрон и ниже.
Кроме того, в еще некоторых примерах осуществления настоящего изобретения сепарация представляет собой двухступенчатый процесс. По меньшей мере, в одном из таких примеров двухступенчатая сепарация включает в себя: пропускание воды для гидроразрывов через трехфазный сепаратор с получением определенного объема воды на выходе трехфазного сепаратора; и пропускание объема воды, полученного на выходе трехфазного сепаратора, через двухфазный сепаратор. По меньшей мере, в одном из таких способов трехфазный сепаратор представляет собой сепаратор с разделением исходного материала на четыре фракции, обеспечивающий получение на выходе, по меньшей мере, четырех продуктов, а именно: шлама, воды с взвешенными твердыми частицами, жидкого углеводорода и газообразного углеводорода.
Согласно еще одному из примеров осуществления настоящего изобретения предложена система обработки воды для гидроразрывов, вытекающей из скважин для добычи углеводородов; при этом указанная система включает в себя следующие элементы: средства для отделения шлама от воды для гидроразрывов с последующим образованием потока воды с взвешенными твердыми частицами; средства разделения потока воды на множество отдельных потоков воды; средства создания положительного заряда во множестве отдельных потоков воды с образованием множества потоков положительной заряженной воды; и средства объединения множества отдельных потоков положительно заряженной воды.
По меньшей мере, в одной из таких систем устройством для отделения шлама от воды является трехфазный сепаратор с разделением исходного материала на четыре фракции. В одном из конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, например, средства разделения также включают в себя второй двухфазный сепаратор, который содержит вход для приема воды из трехфазного нефтегазового сепаратора и выход для потока воды с взвешенными твердыми частицами. В еще одном из примеров предусмотрены также средства мониторинга уровня границы раздела между нефтью и водой и средства регулирования уровня границы раздела между нефтью и водой в первом и втором сепараторе. В одном из таких примеров к средствам мониторинга уровня границы раздела между нефтью и водой относится индикатор уровня границы раздела между нефтью и водой и датчик регулирующего клапана (например, каскадная система регулирования).
В некоторых примерах реализации заявленного изобретения к средствам разделения потока воды на множество отдельных потоков воды относится коллектор, характеризующийся наличием входного патрубка для приема потока воды с взвешенными твердыми частицами и множества выходных патрубков; при этом площадь поперечного сечения каждого из выходных патрубков коллектора меньше площади поперечного сечения входного патрубка коллектора, а сумма площадей поперечного сечения всех выходных патрубков превышает площадь поперечного сечения входного патрубка, благодаря чему расход воды, выходящей из коллектора, будет меньше расходы воды, поступающей в коллектор. По меньшей мере, в одном из примеров используется коллектор на 12 выходов (например, с выходными патрубками диаметром 4 дюйма в поперечном сечении и входным патрубком большего диаметра в поперечном сечении). В альтернативном примере устройством разделения потока воды на множество отдельных потоков является автоцистерна с множеством отделений, каждое из которых расположено таким образом, чтобы в него могла поступать часть потока воды.
В еще одном из примеров реализации заявленного изобретения в качестве устройства создания положительного заряда используется устройство обработки каждого из множества потоков воды потоком электромагнитной энергии. По меньшей мере, в одном из таких примеров к средствам обработки каждого из множества потоков воды потоком электромагнитной энергии относятся: трубка; и, по меньшей мере, одна электрическая обмотка, ось которой практически совпадает с осью трубки. В некоторых таких примерах трубка изготовлена из непроводящего материала. В других таких примерах трубка изготовлена из нержавеющей стали. Во множестве примеров предусмотрена также цепь коммутации вызывного тока, соединенная с обмоткой. В некоторых таких примерах цепь коммутации вызывного тока функционирует в двухполупериодном режиме с частотой от около 10 кГц до около 80 кГц.
В еще одном из примеров осуществления настоящего изобретения в качестве устройства объединения потоков используется коллектор с входными патрубками для множества потоков положительно заряженной воды и одним выходным патрубком. В одном из таких примеров к средствам объединения также относится блендер для смешивания воды для гидроразрывов с расклинивающим агентом. Во множестве примеров размеры большей части взвешенных твердых частиц составляют менее 100 микрон. В некоторых таких примерах практически все взвешенные твердые частицы характеризуются размерами менее 100 микрон. В ограниченном ряде примеров размеры большей части взвешенных твердых частиц составляет менее 10 микрон. А в еще более ограниченном ряде примеров практически все взвешенные твердые частицы характеризуются размерами менее 10 микрон.
В одном из частных примеров осуществления настоящего изобретения в качестве средств сепарации используется двухступенчатый сепаратор. В одном из таких примеров двухступенчатый сепаратор представляет собой трехфазный сепаратор, снабженный выходом для воды, соединенным с входом в двухфазный сепаратор. В еще одном из примеров трехфазный сепаратор представляет собой сепаратор с разделением исходного материала на четыре фракции, обеспечивающий получение на выходе, по меньшей мере, четырех продуктов, а именно: шлама, воды с взвешенными твердыми частицами, жидкого углеводорода и газообразного углеводорода.
В другом примере осуществления настоящего изобретения предложена система обработки воды для гидроразрывов в скважинах для добычи углеводородов, которая включает в себя следующие элементы: многофазный сепаратор; коллектор с входным патрубком, соединенным с выходом многофазного сепаратора, и множеством выходных патрубком; множество трубок с обмоткой вокруг каждой из них (при этом каждая трубка характеризуется наличием входного конца, соединенного с выходным патрубком коллектора, и выходного конца); и смешивающий коллектор с входными патрубками, соединенными с выходными концами множества трубок.
По меньшей мере, в одной из таких систем предусмотрен также блендер для смешивания воды с расклинивающим агентом, соединенный с выходом смешивающего коллектора.
По меньшей мере, в одной из таких систем многофазный сепаратор представляет собой многоступенчатый сепаратор. В одном из частных примеров реализации заявленного изобретения в качестве многоступенчатого сепаратора используется двухступенчатый сепаратор; при этом первой ступенью двухступенчатого сепаратора служит трехфазный сепаратор, а второй ступенью двухступенчатого сепаратора является двухфазный сепаратор. В другом еще более частном примере в качестве трехфазного сепаратора используется сепаратор с разделением исходного материала на четыре фракции, включающий в себя систему регулирования границы раздела между нефтью и водой.
В еще одном из примеров реализации заявленного изобретения предложен способ регулирования границы раздела между водой и жидким углеводородом в трехфазном сепараторе. Этот способ включает в себя следующие стадии: задание границы раздела между водой и жидким углеводородом в трехфазном сепараторе; измерение границы раздела между водой и жидким углеводородом в трехфазном сепараторе с выдачей сигнала о результатах измерения границы раздела между водой и жидким углеводородом; сравнение сигнала о результатах измерения границы раздела между водой и жидким углеводородом с соответствующей уставкой с последующей выдачей опорного сигнала; уменьшение расхода промывочной или пластовой воды, поступающей в трехфазный сепаратор воды для гидроразрывов в скважинах для добычи углеводородов, если опорный сигнал указывает на то, что граница раздела между водой и жидким углеводородом превышает заданную уставку; или увеличение расхода воды, поступающей в трехфазный сепаратор, если опорный сигнал указывает на то, что граница раздела между водой и жидким углеводородом находится ниже уровня, заданного уставкой; при этом увеличение расхода предусматривает забор воды для гидроразрывов из скважины для добычи углеводородов и подпиточной воды из бака-хранилища или отстойника.
В еще одном из примеров осуществления настоящего изобретения указанный способ также включает в себя уменьшение расхода на выходе трехфазного сепаратора с такой же уравновешивающей скоростью, с которой уменьшается подача в трехфазный сепаратор, и увеличение расхода на выходе трехфазного сепаратора с такой же уравновешивающей скоростью, с которой увеличивается подача в трехфазный сепаратор.
В другом примере осуществления настоящего изобретения предложена система регулирования границы раздела между водой и жидким углеводородом в трехфазном сепараторе. Эта система включает в себя следующие элементы: средства установления границы раздела между водой и жидким углеводородом в трехфазном сепараторе; средства измерения границы раздела между водой и жидким углеводородом в трехфазном сепараторе с выдачей сигнала о результатах измерения границы раздела между водой и жидким углеводородом; средства сравнения сигнала о результатах измерения границы раздела между водой и жидким углеводородом с соответствующей уставкой с последующей выдачей опорного сигнала; средства уменьшения расхода промывочной или пластовой воды, поступающей в трехфазный сепаратор воды для гидроразрывов в скважинах для добычи углеводородов, если опорный сигнал указывает на то, что граница раздела между водой и жидким углеводородом превышает заданную уставку; и средства увеличения расхода воды, поступающей в трехфазный сепаратор, если опорный сигнал указывает на то, что граница раздела между водой и жидким углеводородом находится ниже уровня, заданного уставкой; при этом увеличение расхода предусматривает забор воды для гидроразрывов и подпиточной воды.
По меньшей мере, в одном из примеров реализации заявленного изобретения в качестве средства установления границы раздела между водой и жидким углеводородом используется диафрагменная перегородка. В еще одном из примеров в качестве средства измерения границы раздела между водой и жидким углеводородом используется датчик-индикатор уровня жидкости типа контроллера. В другом примере сигнал о результатах измерения границы раздела между водой и жидким углеводородом сравнивается с соответствующей уставкой с помощью емкостного датчика уровня непрерывного действия.
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения к средствам уменьшения и увеличения расхода воды, поступающей в трехфазный сепаратор, относится расходомер турбинного типа, а также входной регулирующий клапан, расположенный в линию с входом трехфазного сепаратора.
В других примерах предусмотрены также средства для уменьшения расхода жидкости на выходе трехфазного сепаратора, которая должна вытекать с такой же уравновешивающей уменьшенной скоростью, с которой осуществляется подача в трехфазный сепаратор, и для увеличения расхода жидкости на выходе трехфазного сепаратора, которая должна вытекать с такой же уравновешивающей увеличенной скоростью, с которой осуществляется подача в трехфазный сепаратор.
По меньшей мере, в одном из таких примеров к средствам уменьшения и увеличения расхода на выходе трехфазного сепаратора относится расходомер, соединенный в линию с выходом трехфазного сепаратора. В другом таком примере к средствам уменьшения и увеличения расхода на выходе трехфазного сепаратора относится регулятор расхода диафрагменного типа, регулирующий расход воды на выходе трехфазного сепаратора.
Примеры осуществления настоящего изобретения также представлены на прилагаемых чертежах, которые носят исключительно иллюстративный характер, и не являются техническими или сборочными чертежами, и не вычерчены в масштабе. Различные элементы представлены в символьном виде; кроме того, в различных местах «навешаны» окошки с обозначением элементом, которые иллюстрируют движение материала из одного места в другое. Однако специалисты в данной области техники понимают, какие из этих элементов находятся в нормально замкнутом или закрытом состоянии. Ничто на чертежах или в подробном описании не должно толковаться как ограничивающее смысл какого-либо термина в формуле изобретения, используемого в рамках своего обычного смысла, известному любому специалисту в различных областях техники, сведенных вместе в настоящем документе.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена схема буровой площадки, на которой показано движение различных материалов, используемых в различных примерах осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 2А и 2В, если их соединить по соответствующим пунктирным линиям, показан вид сбоку одного из примеров осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 2А1 показан альтернативный вариант примера осуществления настоящего изобретения, представленного на Фиг. 2А.
На Фиг. 2С представлено схематическое изображение системы управления, используемой, по меньшей мере, в одном из примеров осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 3А и 3В, если соединить их с наложением элементов вблизи пунктирных линий, показан вид в плане примера осуществления настоящего изобретения, представленного на Фиг. 2А и 2В.
На Фиг. 3С и 3D показаны, соответственно, виды в изометрии и сбоку одного из аспектов примеров осуществления настоящего изобретения, представленных на Фиг. 2А-2В и 3А-3В.
На Фиг. 4 показан вид сбоку еще одного из примеров осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 5 показан вид в плане примера реализации заявленного изобретения, представленного на Фиг. 4.
На Фиг. 6 представлена другая схема буровой площадки, на которой показано движение различных материалов, используемых в различных примерах осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 7 представлена еще одна схема буровой площадки, на которой показано движение различных материалов, используемых в различных примерах осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 8 показан вид сверху одного из примеров реализации заявленного изобретения.
На Фиг. 9 показан вид сбоку одного из примеров реализации заявленного изобретения.
На Фиг. 10А показан вид сбоку опоры (100) примера реализации заявленного изобретения, представленного на Фиг. 8.
На Фиг. 10В показан вид сверху основания (101) опоры, представленной на Фиг. 10А.
На Фиг. 11 показано поперечное сечение по линии А, представленной на Фиг. 9.
На Фиг. 12 показано поперечное сечение по линии С, представленной на Фиг. 8.
На Фиг. 13 показано поперечное сечение по линии В, представленной на Фиг. 8.
На Фиг. 14А показан вид сверху одного из элементов одного из примеров реализации заявленного изобретения.
На Фиг. 14В показано поперечное сечение элемента, представленного на Фиг. 14А.
На Фиг. 15 представлено схематическое изображение системы управления, которую целесообразно использовать в примерах осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 16 показан предметный вид системы, которую целесообразно использовать в примерах осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 17 показана принципиальная схема системы управления, целесообразной для использования согласно примерам осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 18 представлено перспективное изображение примера осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 19 показано перспективное изображение одного из устройств согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 20 показано развернутое изображение трубного блока устройства, представленного на Фиг. 19.
На Фиг. 21 показано продольное поперечное сечение трубного блока, представленного на Фиг. 19.
На Фиг. 22 показана упрощенная электрическая схема трубного блока, представленного на Фиг. 19.
На Фиг. 23 показана подробная принципиальная схема электрической цепи трубного блока, представленного на Фиг. 19.
На Фиг. 24 изображена схема, демонстрирующая волны разной формы, создаваемые трубным блоком по Фиг. 19 во время работы.
На Фиг. 25 изображена принципиальная электрическая схема, аналогичная схеме, представленной на Фиг. 24, но относящаяся к модифицированному варианту осуществления настоящего изобретения.
На Фиг. 26 показан вид, аналогичный виду, представленному на Фиг. 21, но относящийся к модифицированному варианту осуществления настоящего изобретения, в котором трубный блок имеет только одно обмотку, идущую вокруг трубки для прохождения жидкости.
На Фиг. 27 показана подробная принципиальная схема, аналогичная схеме по Фиг. 23, но относящаяся к электрической цепи, которая используется в трубном блоке по Фиг. 27.
На Фиг. 28 показана таблица с предпочтительными в настоящее время значениями определенных параметров устройства, представленного на Фиг. 19-24.
Осуществление изобретения
На Фиг. 1 представлена блок-схема использования настоящего изобретения в скважине для добычи углеводородов, включающей в себя ствол (1) с зацементированной колонной (3) обсадных труб, проходящей через зоны разлома, которые изолированы пакерами. Гибкие НКТ (9) вводятся в скважину с помощью буровой установки (11) для выполнения операций по гидроразрыву, известных специалистам в данной области техники.
Промывочная (и/пластовая) вода, выливаемая из скважины, направляется в трехфазный сепаратор (10) шлама/жидкостей/газов/углеводородов/воды, откуда выходят жидкие и газообразные углеводороды; при этом вода из сепаратора (10) направляется в бак-хранилище (17) воды для гидроразрывов, в котором может также содержаться вода и из других источников (так называема «подпиточная» вода). Жидкий шлам проходит из трехфазного сепаратора (10) в двухфазный сепаратор (14), который производит жидкость, поступающую в систему (32) резкого охлаждения, и шлам, поступающий в печь (24). Шлак из печи (24) проходит через систему (32) резкого охлаждения и поступает в дробилку (40), после чего подается на мельницу (46). Частицы размолотого материала сортируются по размерам на сите (50), после чего материал с частицами требуемого размера поступает в бункер (26) для хранения расклинивающего агента, в котором может также содержаться расклинивающий агент из другого источника (например, песок). Вода подается в коагулятор (13) биоцидов. Расклинивающий агент из бункера (26) поступает в блендер (15) вместе с водой из коагулятора (13) биоцидов, после чего смесь воды и расклинивающего агента подается на насосную установку (19) для гидроразрывов, которая закачивает эту смесь в скважину, где она разрывает слой (21) горючих сланцев. При необходимости в блендер (15) могут быть внесены и другие добавки. Кроме того, в альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения расклинивающий агент может быть добавлен в воду до ее поступления в коагулятор (13) биоцидов.
В примерах реализации заявленного изобретения предусмотрено создание расклинивающего агента разного типа с частицами заданных размеров, который был получен из шлама, извлеченного из скважины для добычи углеводородов, подвергнутой гидроразрыву.
На Фиг. 2А и 2С, а также на Фиг. 3А-3D можно видеть конкретный пример осуществления настоящего изобретения. В этом примере шлам извлекается из массы, осажденной под действием силы тяжести, которая скапливается в нижней части стандартного трехфазного сепаратора (10) (который характеризуется унифицированной конструкцией, хорошо известной специалистам в данной области техники). В частном примере, представленном на Фиг. 2А, уровень границы раздела между водой и углеводородом облегчает сепарацию и восстановление любого жидкого углеводородного продукта из потока промывочной или пластовой жидкости (которая находится под давление при поступлении в сепаратор (10)) за счет использования наружного или внутреннего индикатора уровня жидкости (не показан), что должно быть очевидно любому специалисту в данной области техники. Этот индикатор передает сигнал о результатах измерения уровня жидкости на предварительно запрограммированный интегратор контрольных данных о низком/высоком уровне воды (не показан). При достижении уставки максимального уровня воды в сепараторе (10) интегратор данных активирует регулирующий клапан (не показан), который управляет расходом воды, протекающей через водоподводящий патрубок (10а) («Подвод воды» на чертеже), с целью уменьшения объема воды, заходящего в трехфазный сепаратор. После этого расход воды начнет уменьшаться до тех пор, пока не будет достигнута уставки, при которой объем поступающей воды уравновешивает объем воды, выходящей из трехфазного сепаратора. И наоборот, при превышении уставки минимального уровня воды в трехфазном сепараторе (10) интегратор данных инициирует еще большее открытие регулирующего клапана во впускном патрубке (10а) для увеличения объема или расхода воды, достаточного для того, чтобы стабилизировать уровень воды на границе раздела. Если этого дополнительного объема воды окажется недостаточно для стабилизации уровня воды на границе раздела, то интегратор активирует насос (не показан) и откроет еще один регулирующий клапан (не показан), расположенный в выпускном патрубке (не показан) в баке (17) для хранения воды (Фиг. 1). Этот выпускной патрубок соединен с впускным патрубком (10); таким образом, вода из бака-хранилища (17) воды для гидроразрывов будет по-прежнему поступать в трехфазный сепаратор вместе с промывочной или пластовой водой до тех пор, пока уровень воды в сепараторе (10) не достигнет заданной границы раздела. После этого регулирующий клапан подпиточной воды закроется, и насос подпиточной воды прекратить свою работу. Такая последовательность управляющих воздействий необходима для того, чтобы обеспечить статическую и эксплуатационную устойчивость при сепарации и восстановлении любых жидких углеводородных продуктов, поступающих в трехфазный сепаратор вместе с потоком промывочной или пластовой воды, вытекающей из скважины.
Конфигурация с переливными стенками и перегородками (широко применяемая в установках сепарации газа/нефти) облегчает сепарацию и восстановление жидкого углеводородного продукта, при наличии такового, используя границы раздела в качестве максимальной высотной отметки воды в сепараторе и позволяя более легким углеводородам подниматься наверх, а затем удаляться в качестве жидкого углеводородного продукта после его переливания через стенку, удерживающую жидкий углеводородный продукт, и поступления на выходное фланцевое соединение для жидких углеводородных продуктов. Горизонтальная перегородка под переливной стенкой ограничивает потенциально возможный чрезмерный унос воды вместе с потоком жидкого углеводородного продукта. По мере поступления потока промывочной или пластовой воды в трехфазный сепаратор (10) сброс давления высвобождает более легкие газообразные углеводороды, что способствует всплыванию жидких углеводородных продуктов, а также сбрасыванию газообразных углеводородных продуктов через выпускной патрубок (10с). Вода вытекает из сепаратора (10) через патрубок (10b) и попадает в уравнительный бак (не показан), откуда она перекачивается обратно в бак (17) для хранения воды (Фиг. 1).
Из сепаратора (10) поршневой диафрагменный шламовый насос (12) с приводом от электродвигателя перекачивает шлам наверх до впускного патрубка двухфазного сепаратора (14), предназначенного для разделения воды и твердых веществ, в результате чего образуется поток (16) шлама и поток (18) жидкости, который перекачивается насосом (19) в охладитель (обозначен буквой «О»). Шлам, осажденный в нижней части двухфазного сепаратора (14), транспортируется ковшовым конвейером (10) из нижней части двухфазного сепаратора (14) выше уровня воды и сбрасывается в подающий бункер (22) (Фиг. 2В). Этот сброс проиллюстрирован на Фиг. 2А с переходом за пунктирную линию, которая соединяется с пунктирной линией в левой части Фиг. 2В; при этом на указанных фигурах показано, как шлам скапливается в подающем бункере (22) вращающейся печи (24) со шлакоудалением, оставляя шламовую воду в сепараторе (14) для разделения воды и твердых веществ и на подъемнике (20). В результате весь процесс сепарации происходит при атмосферном давлении, а не в сосудах давления, как это принято в современной практике.
В подающем бункере (22) шлам из сепаратора для разделения воды и шлама смешивается с соответствующим расклинивающим материалом из бункера (26) (см. Фиг. 1), а также с частицами шлама завышенного и заниженного размера, который поступает из установки (50) окончательного просеивания (описана ниже).
В ходе процесса расплавления расклинивающего материала неорганические расклинивающие материалы сплавляются в однородную массу, а летучие органические вещества, которые могут присутствовать в потоке, подаваемом из сепаратора (14) для разделения воды и шлама, сгорают и испаряются до того, как газы будут в итоге выведены наружу через выпускную трубу (30).
Расклинивающий материал, выходящий из вращающейся печи (24), резко охлаждается потоком воды с целью уменьшения его температуры по мере того, как указанный материал появляется на выходе печи (24). В некоторых примерах реализации заявленного изобретения вышедший из печи материал поступает на перфорированную конвейерную ленту (35) из нержавеющей стали с приводом от электродвигателя; и под каскадами воды, проходящей через сопла (34), происходит отверждение и охлаждение расклинивающего материала на движущейся ленте (35). Вода, используемая для резкого охлаждения расклинивающего материала, подается из сепаратора (14) для разделения воды и шлама (см. Фиг. 2А) с помощью, например, центробежного насоса (19) с приводом от электродвигателя, который закачивает воду в охлаждающие сопла (34), показанные на Фиг. 3В. Поддон (36) для сбора излишков воды расположен под конвейерной лентой (35). Указанный поддон предназначен для сбора и восстановления всех излишков охлаждающей воды и ее возврата в сепаратор (14) для разделения воды и шлама с помощью центробежного насоса (21) с приводом от электродвигателя через возвратный трубопровод, обозначенный буквой «В» на Фиг. 2А.
Резкое охлаждение горячего расклинивающего материала по мере его выхода из печи (24) приводит к образованию множества беспорядочных разломов или трещин из-за разности температур, что обусловлено неравномерным сжатием расклинивающего материала и высокими внутренними напряжениями, вызванными быстрым охлаждением. Куски расклинивающего материала разного размера сбрасываются непосредственно в дробилку (40).
В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения дробление или измельчение больших некондиционных кусков расклинивающего материала и уменьшение их размеров выполняется с помощью жираторной конусной или щековой дробилки с вертикальным главным валом и приводом от электродвигателя, которая хорошо известна специалистам в данной области техники. Степень уменьшения размеров регулируется путем изменения зазора в дробилке, обеспечивая на выходе материал разного размера, что хорошо известно любому специалисту в данной области техники.
Придание частицам расклинивающего материала требуемого размера завершается путем размола дробленого расклинивающего материала после его поступления в нижнюю часть дробилки. На проиллюстрированном примере материал транспортируется наверх в шаровую мельницу (46) с помощью ковшового подъемника (44). По меньшей мере, в одном из альтернативных примеров используется прутковая мельница. Для размола расклинивающего материала с получением частиц разных размеров мельница (46) регулируется путем изменения частоты вращения и размеров прутком или шаров в мельнице (46), а также интервала между этими прутками или шарами.
Размолотый расклинивающий материал проходит под действием силы тяжести через зону размола мельницы и подается на вибросито (50), в котором размеры ячеек сетки выбираются избирательно под конкретные сланцы. Например, для мягких сланцев используются сита с размерами ячеек около 590 микрон или 30 ячейками на линейный дюйм. Для твердых сланцев (например) сланцев используются сита с размерами ячеек около 150 микрон или 100 ячейками на линейный дюйм. Расклинивающий материал с частицами требуемого размера под действием силы тяжести проходит через сито с ячейками выбранного размера и поступает на выход, обозначенный буквой «А». Слишком крупные частицы расклинивающего материала, которые не проходят через наклонное вибросито (53), подаются на ленту (51а), которую хорошо видно на Фиг. 3В, а остальные частицы падают на сито (55). Частицы расклинивающего материала, которые прошли через сито (53), но не прошли через сито (55), считаются частицами требуемых размеров и выводятся через отверстие «А» в бункер (26) (см. Фиг. 1). Частицы расклинивающего материала заниженного размера падают на ленту (51а), которая транспортирует частицы расклинивающего материала завышенного и заниженного размера на ленту (5lb), которая подает их обратно в печь (24) с помощью подъемника (25). На Фиг. 3А и 3В показан вид свержу одного из примеров осуществления настоящего изобретения, в котором компоненты системы смонтированы на прицепе или салазках и собраны на буровой площадке вместе с коагулятором биоцидов и прочими элементами (например, Фиг. 4 и 5). В некоторых примерах осуществления настоящего изобретения такие прицепы или салазки выравниваются с помощью установочных домкратов (81).
Как показано на Фиг. 3С и 3D, подъемник (25) загружает материал в верхнюю часть подающего бункера (22), а подъемник (23) подает материал из бункера (26) и загружает его в подающий бункер (22) через отверстие в подающем бункере (22), расположенное немного ниже.
Расклинивающий материал с частицами надлежащего размера поступает под действием силы тяжести в контейнер для расклинивающего агента, соответствующего техническим условиям (не показан), для последующего перемещения в бункер (26) для хранения расклинивающего агента, соответствующего техническим условиям (Фиг. 1), который может также содержать расклинивающий агент, соответствующего техническим условиям, из другого источника.
Как показано на Фиг. 2В, желательно регулировать вязкость смеси с расклинивающим агентом для устойчивого поддержания оптимальной температуры плавления (приблизительно 2200 градусов по Фаренгейту в некоторых примерах осуществления настоящего изобретения). По мере роста температуры подаваемой смеси с расклинивающим агентом вследствие нагрева печи (24) процесс расплавления различных неорганических материалов с образованием равномерно вязкой массы начинается тогда, когда температура смеси с расклинивающим агентом достигает точки плавления диоксида кремния или песка. Вязкость расклинивающего материала зависит от температуры самого материала. Такое регулирование может осуществляться разными способами.
По меньшей мере, в одном из примеров осуществления настоящего изобретения температура расплавленного материала может измеряться любым способом, известным специалистам в данной области техники (например, с помощью оптического пирометрического датчика в охлаждающей системе (32)), по мере выхода указанного материала из печи. Если температура превышает точку плавления материала, то этот материал будет слишком жидким, и подача топлива на горелку печи будет уменьшена. Вместе с тем, в подающий бункер (22) может быть добавлен больший объем расклинивающего агента, соответствующего техническим условиям. Это также повлияет на температуру, так как материал, содержащийся в шламе, не однороден по своей структуре и не сухой; соответственно, добавление расклинивающего агента из бункера будет способствовать выравниванию такой вариабельности.
На Фиг. 2С можно видеть изображение схемы, на которой датчик (67) подает сигналы о температуре на выходе печи (24) на интегратор (69), на основании которых интегратор (69) регулирует работу электродвигателя (90) с переменной частотой вращения, который управляет подъемником (23) (см. также Фиг. 3В), подающим расклинивающий агента из бункера (26) и загружающим его в подающий бункер (22) вращающейся печи со шлакообразованием. Потоки разных материалов соединяются в подающем бункере (22) перед их подачей на вращающийся барабан печи (24). Доля или объем расклинивающего агента, соответствующего техническим условиям, который необходимо добавить в поток материала из сепаратора (14) для разделения води и шлама, регулируется в зависимости от изменений в составе материалов, поступающих из сепаратора (14) для разделения воды и шлама. Это повышает однородность смеси с расклинивающим материалом, которая подвергается расплавлению в печи (24). По меньшей мере, в одном из примеров осуществления настоящего изобретения подача топлива на горелку уменьшается при слишком высокой температуре; если же эта мера не приводит к требуемому эффекту, то увеличивается объем расклинивающего материала, подаваемого в печь. Подобным же образом, подача топлива на горелку увеличивается при слишком низкой температуре, а если эта мера оказывается недостаточно эффективной, то уменьшается объем загружаемого расклинивающего агента. Специалистам в данной области техники известны и альтернативные варианты регулирования.
Если вернуться к Фиг. 2С, то можно увидеть, что интегратор (69) также управляет клапаном (63), который увеличивает или уменьшает подачу топлива (61) на горелку (65) печи.
Еще раз вернемся к Фиг. 1, на которой представлен один из примеров осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, сепаратор (10) подает шлам в сепаратор (14), а вода из сепаратора (10) соединяется с новой «подпиточной» водой (в баке 17) для последующего использования в дальнейших операциях по гидроразрыву. Объединенные потоки обрабатываются в электромагнитном коагуляторе (13) биоцидов, тип которого описан в патенте США №6,063,267, который включен в настоящую заявку посредством ссылки для использования в любых целях (выпускается серийно под маркой Dolphin модели 2000). По меньшей мере, в одном из примеров реализации заявленного изобретения указанный коагулятор настроен на произвольную подачу электромагнитного импульса переменной длительности с подстраиваемыми частотами в диапазоне около 10-80 кГц. Такой импульс достаточен для уничтожения биологических организмов и создания положительного заряда в воде, что способствует осаждению или коагуляции растворенных твердых веществ в скважине.
На Фиг. 4 и 5 показаны, соответственно, виды сбоку и сверху одного из примеров системы, смонтированной на прицепе или салазках, которая включает в себя ряд коагуляторов биоцидов (70а-70i), отлаженных таким образом, чтобы в них могла поступать вода из бака-хранилища вода для гидроразрывов в соответствии с расходом, который используется при проведении стандартных операций по гидроразрыву сланцевых пластов. Такие системы управляются с панели (72) электроуправления, подключенной к стойке (73) питания по воздушной линии и распределения управления, которая соединена с элементами (71а-71i) подвода питания по воздушной линии. Питание подается двигателем (75), который вращает электрогенератор (77), подключенный к силовому фидеру (79) способом, известным специалистам в данной области техники.
Обратимся теперь к Фиг. 2А1, на котором показана альтернатива варианту осуществления настоящего изобретения по Фиг. 2А, где уровень воды в двухфазном сепараторе (14) совпадает с уровнем воды в трехфазном сепараторе (10). В таком варианте реализации заявленного изобретения баки сообщаются между собой по текучей среде через насос (12), благодаря чему граница раздела между жидкостью и газом находится на одном уровне.
Теперь обратимся к Фиг. 6, на которой представлена система обработки воды для гидроразрывов, вытекающей из скважин для добычи углеводородов, согласно другому примеру осуществления настоящего изобретения. Эта система включает в себя средства отделения твердых веществ от воды для гидроразрывов, в качестве которых используется трехфазный сепаратор (10) с разделением исходного материала на четыре фракции, в результате чего образуется поток воды с взвешенными твердыми частицами, который подается в бак-хранилище (17) воды для гидроразрывов. Отсюда в бак-хранилище (17) воды для гидроразрывов может быть добавлена так называемая «подпиточная вода»; а поток воды проходит через устройство разделения потока воды на множество потоков воды (подробно описанного выше) и поступает в устройство для создания положительного заряда во множестве потоков воды (например, ряд коагуляторов биоцидов, описанных выше) с последующим образованием множества потоков положительно заряженной воды. Устройство перемешивания множества потоков положительно заряженной воды еще более равномерно распределяет положительный заряд в воде перед ее поступлением в блендер (15) для использования в последующих операциях по гидроразрыву.
На Фиг. 7 проиллюстрирован пример осуществления настоящего изобретения, в котором к устройствам сепарации также относится двухфазный сепаратор (14) второй ступени; при этом указанный двухфазный сепаратор характеризуется наличием входа для приема потока воды из трехфазного нефтегазового сепаратора. Поток воды из трехфазного сепаратора отбирается из средней части сепаратора, тогда как большая часть твердых частиц выпадает в его нижнюю часть, как это описано выше. Однако вода из трехфазного сепаратора все же включает в себя некоторое количество взвешенных твердых частиц, которые могут повредить коагулятор биоцидов. Соответственно, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения поток воды из трехфазного сепаратора (10) поступает на вход двухфазного сепаратора (14), который также характеризуется наличием выхода для потока воды с взвешенными твердыми частицами. В двухфазном сепараторе (14) также происходит выпадение твердых частиц в его нижней части в виде шлама. После этого шлам из трехфазного сепаратора (10) и двухфазного сепаратора (14) обрабатывается (например, как это описано выше) или утилизируется каким-либо иным образом.
На Фиг. 8 и 9 представлен пример трехфазного сепаратора (90) с разделением исходного материала на четыре фракции, который целесообразно использовать согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. Сепаратор (90) характеризуется наличием входа (92), выхода (94) для выпуска шлама, выхода (98) для выпуска жидкого углеводорода и выхода (80) для выпуска газа. Как показано на Фиг. 10А, сепаратор (90) поддерживается опорой (100), которая характеризуется наличием основания (101), приваренным к боковой стороне сепаратора (90), что проиллюстрировано на Фиг. 10В.
Кроме того, на Фиг. 9, так же как и на Фиг. 11 (на которой показано поперечное сечение по линии А, представленной на Фиг. 9) и на Фиг. 13 (на которой показано поперечное сечение по линии В, представленной на Фиг. 8), показана отбойная стенка (111), которая позволяет воде, содержащей некоторое количество взвешенных твердых частиц, выходить из сепаратора (90), а большей части твердых частиц выходить в виде шлама через патрубок (94) в нижней части указанного сепаратора. На Фиг. 12 проиллюстрировано поперечное сечение входа (92) (выполненное по линии С, представленной на Фиг. 8), где входной патрубок (92) поддерживается опорой (120), которая соединена с нижней частью сепаратора (90), и которая удерживает сам входной патрубок (92) и седло.
В еще одном из примеров реализации заявленного изобретения предусмотрены также средства мониторинга уровня границы раздела между нефтью и водой и регулирования уровня границы раздела между нефтью и водой в первом и втором сепараторах. В одном из таких примеров в качестве средств мониторинга используется индикатор уровня границы раздела между нефтью и водой, а также датчик регулирующего клапана (например, каскадная система регулирования).
Как показано на Фиг. 18, в некоторых примерах осуществления настоящего изобретения в качестве устройства разделения потока воды на множество отдельных потоков воды используется коллектор (181), характеризующийся наличием клапана (183) на входном патрубке для приема потока воды с взвешенными твердыми частицами, поступающего из сепарационного устройства, а также множества выходных патрубков на коагуляторах (184) биоцидов; при этом площадь поперечного сечения каждого из выходных патрубков меньше площади поперечного сечения входа в коллектор. В некоторых примерах сумма площадей поперечного сечения выходных патрубков превышает площадь поперечного сечения входных патрубков, вследствие чего расход на выходе коллектора будет меньше расхода на входе в коллектор. По меньшей мере, в одном из примеров коллектор (181) представляет собой коллектор на 12 выходов (например, с выходными патрубками диаметром 4 дюйма в поперечном сечении и входными патрубками большего диаметра в поперечном сечении). В альтернативном примере устройством разделения потока воды на множество отдельных потоков является автоцистерна, известная любому специалисту в данной области техники (не показана), характеризующаяся наличием множества отделений, каждое из которых расположено таким образом, чтобы в него могла поступать часть потока воды. Во время работы вода проходит через клапан (183) и поступает в коллектор (181). Затем движение потока воды замедляется по мере его разделения на несколько параллельных потоков в параллельно соединенных коагуляторах (184) биоцидов, что увеличивает продолжительность времени выдержки при подаче потока электромагнитной энергии, в результате чего максимально увеличивается положительный заряд воды. Выход блоков (184) сходится в коллекторе (186), выход которого регулируется клапаном (188). В некоторых примерах коллекторы в полном сборе и блоки коагуляторов биоцидов монтируются на раме (184), которая может быть поднята с помощью сцепного устройства (186) для размещения на буровой площадке или грузовике для транспортировки.
В еще одном из примеров реализации заявленного изобретения в качестве устройства для создания положительного заряда используется устройство обработки каждого из множества потоков воды потоком электромагнитной энергии. По меньшей мере, один такой пример показан на Фиг. 19-28, где устройство обработки каждого из множества потоков воды потоком электромагнитной энергии характеризуется наличием трубки и, по меньшей мере, одной электрической обмотки, ось которой практически совпадает с осью трубки. В некоторых таких примерах трубка выполнена, главным образом, из непроводящего материала. В некоторых других таких примерах трубка выполнена, главным образом, из нержавеющей стали. Во множестве других примерах предусмотрена также цепь коммутации вызывного тока, соединенная с обмоткой. В некоторых таких примерах цепь коммутации вызывного тока функционирует в двухполупериодном режиме с частотой в диапазоне от около 10 кГц до около 80 кГц.
В частности, если еще раз обратиться к Фиг. 19-28, то на Фиг. 19 можно увидеть устройство согласно настоящему изобретению, обозначенное позицией (910), которое состоит, главным образом, из трубного блока (912) и источника (914) питания переменного тока. Трубный блок (912) включает в себя трубку (916), через которую проходит жидкость, подлежащая обработке; при этом направление движения этой жидкости обозначено стрелками «А». Трубка (916) может быть изготовлена из разных материалов, но поскольку обработка жидкости в трубном блоке (912), предусматривает прохождение потока электромагнитной энергии через стенки трубки и поток жидкости, проходящей через трубку, то предпочтительно изготавливать трубку из непроводящих материалов во избежание уменьшения величины электромагнитного потока, достигающего жидкости, из-за того, что некоторая часть этого потока может быть израсходована на создание вихревых токов в материале трубки. Другие составные части трубного блока (912) содержатся в цилиндрическом корпусе (918), внутри которого проходит трубка (916), или монтируются на нем.
В предпочтительном варианте, и как это описано ниже в настоящем документе, трубный блок (912) рассчитан на работу от относительно низковольтного источника питания, например, от источника питания на напряжение от 911 В (среднеквадратичное значение) до 37 В (среднеквадратичное значение) и частоту 60 Гц; соответственно, проиллюстрированный источник (914) питания представляет собой понижающий трансформатор напряжения, который характеризуется наличием первичной обмотки, соединенной с входным кабелем (920), который снабжен вилкой (922) для подключения к обычной сети, подающей питание 120 В, 60 Гц или 240 В, 60 Гц, и выходным кабелем (924), соединенным со вторичной обмоткой трансформатора, подающим питание меньшего напряжение на трубный блок (912). Трубный блок (912) может быть рассчитан на использование с трубками (916) разного диаметра; при этом конкретное выходное напряжение, подаваемое источником (914) питания, выбирается таким образом, чтобы оно соответствовало диаметру трубки, а также размерам и конструкции соответствующих элементов трубного блока.
Помимо корпуса (918) и трубки (916), трубный блок (912) характеризуется наличием электрической обмотки, идущей вокруг трубки, и коммутационной цепи для регулирования тока, проходящего через катушки обмотки таким образом, чтобы формировать в обмотке последовательные периоды вызывного тока и, в результате, последовательные периоды посыпки потока электромагнитной энергии, проходящего через жидкость в трубке (916). Количество, конструкция и схема расположения катушек, составляющих обмотку, может варьироваться. Например, на Фиг. 20 и 21 показано, что обмотка состоит из четырех катушек (L1, L2-наружная, L2-внутренняя и L3), расположенных так, как это описано в патенте США №5,702,600, который включен в настоящий документ посредством ссылки для использования в любых целях. Катушки, как показано на Фиг. 20 и 21, соотнесены с тремя разными продольными сечениями (926), (928) и (930) трубки (916). Иначе говоря, катушка L1 намотана на остов (932) витками, идущими вдоль сечения (926) трубки; катушка L3 намотана на остов (934) витками, идущими вдоль сечения (930) трубки; а две катушки (L2-внутреннаяя и L2-внешняя) намотаны на остов (936) витками, идущими вдоль сечения (928) трубки; при этом катушка L2-наружная намотана поверх катушки L2-внутренней. Обмотка одной катушки поверх другой (L2-наружной и L2-внутренней) или иное тесное соединение катушек обеспечивает межвитковую емкость между этими двумя катушками, которая образует - полностью или частично - емкость последовательного резонансного контура, что описано ниже.
Как показано на Фиг. 20, корпус (918) трубного блока (912) состоит из цилиндрической обечайки (938) и двух кольцевых заглушек (940) и (942). Заглушка (940) несет элементы, составляющие коммутационную цепь; при этом, по меньшей мере, некоторые из них смонтированы на радиаторе (944), который прикреплен к заглушке (940) винтами (946). При сборке трубного блока (912) заглушка (940) первая надевается на трубку (916) с ее правой стороны, как это показано на Фиг. 20, и устанавливается в положение, отстоящее на некоторое расстояние от правого конца трубки, а затем прикрепляется к трубке нажимными винтами (948). После этого на трубку (916) с ее левого конца последовательно надеваются остовы (932), (936) и (934) трех катушек вместе с самими катушками до тех пор, пока они не соединятся впритык друг с другом и с заглушкой (940); при этом между остовами и трубкой наносится клей с тем, чтобы обеспечить приклеивание остовов к трубке. После этого вставляется кольцо (950), которое надевается на трубку с ее левого конца и упирается в катушку L3, а затем прикрепляется к трубке нажимными винтами (960). Затем поверх трубки надевается обечайка (938), которая прикрепляется своим правым концом к заглушке (940) винтами (962). И, наконец, на трубку (916) с ее левой стороны надевается заглушка (942), которая затем прикрепляется к обечайке (938) с помощью винтов (964), а к трубке - винтами (966).
Принципиальная электрическая схема трубного блока (912) показана на Фиг. 22. Входные клеммы, подключающие источник (914) питания, обозначены позициями (968) и (970). Соединительные элементы, в том числе проиллюстрированные провода, соединяют эти входные клеммы (968) и (970) с катушками и с коммутационной цепью (972) так, как это показано на схеме; при этом к соединительным элементам относится и выключатель (974), срабатывающий при перегреве. Стрелка «В» указывает на направление обмотки катушек по часовой стрелке, и в соответствии с этим катушка L3 и катушка L2-наружная намотаны на трубку (916) в направлении по часовой стрелке, а катушки L1 и L2-внутренняя намотаны вокруг трубки в направлении против часовой стрелки. С учетом этих направлений обмотки и проиллюстрированных электрических соединений понятно, что при протекании тока i через катушки в направлении, обозначенном стрелкой «С», направления магнитных потоков, проходящих через центр каждой катушки и, соответственно, через жидкость в трубке, будут соответствовать направлениям, обозначенным стрелками «Е», «F», «G» и «Н» на фиг. 22. Иными словами, магнитные потоки, проходящие через центры катушек L1, L2-внутренней и L3, будут идти в одном направлении вдоль трубки, а магнитный поток, проходящий через центр катушки L2-наружной, будет идти в противоположном направлении. В зависимости от схемного решения коммутационной цепи (972) может оказаться необходимым или целесообразным обеспечить местное заземление коммутационной цепи (972), и в этом случае коммутационная цепь может быть подключенная к входным клеммам (968) и (970) через развязывающий трансформатор (976), как это показано на Фиг. 22.
На Фиг. 23 представлена принципиальная электрическая схема, на которой более подробно показаны соединительные элементы и коммутационная цепь (972) по Фиг. 22. Как показано на Фиг. 23, коммутационная цепь (972) включает в себя подсхему (976) питания 12 В, подсхему (978) сравнения, подсхему (980) синхронизации, переключатель (982) и подсхему (984) индикатора.
Элементы D2, R5, С5, R6 и Z1 составляют подсхему (976) питания 12 В, которая запитывает другие элементы триггерной схемы. Подсхему (978) сравнения образуют резисторы R1 и R2, а также операционный усилитель U1. Резисторы R1 и R2 составляют делитель напряжения, который посылает сигнал, пропорциональный напряжению переменного тока, поданному на операционный усилитель U1. Конденсатор С1 предназначен для фильтрации шумового напряжения, которое может присутствовать во входном напряжении переменного тока, с целью предотвращения искусственных флуктуаций в усилителе U1. Усилитель U1 подключен с целью генерирования «низкого» (или нулевого) выходного напряжения в линии (986) всякий раз, когда прикладывается положительное напряжение переменного тока, и «высокого» (+12 В) выходного напряжения, когда прикладывается отрицательное напряжение переменного тока.
Когда напряжение питания переменного тока «переходит ноль» и становится положительным, усилитель U1 переключается на низкое выходное напряжение. В результате запускается микросхема (555) таймера U2 для создания высокого выходного напряжения на штырьковом выводе (93). Конденсатор С2 и R3 действуют в качестве фильтра верхних частот для того, чтобы сделать импульс мгновенным, а не стационарным. Напряжение на штырьковом выводе (92) усилителя U2 сохраняется на низком уровне в течение около половины миллисекунды. Это кратковременное низкое пусковое напряжение заставляет усилитель U2 поддерживать напряжение на штырьковом выводе (93) на устойчиво высоком уровне (+12 В).
е
t
Переключатель (982) может принимать самые разные формы; например, он может представлять собой подсхему, состоящую из ряда отдельных элементов, но в любом случае он является элементом с тремя выводами или триодным переключателем, который содержит первый вывод, второй вывод и третий вывод (988, 990 и 992, соответственно). При этом третий вывод (992) является управляющим, а второй выход выполнен таким образом, что при подаче электрических сигналов на управляющий вывод (992) осуществляется переключение между положением ON (Вкл.), в котором первый и второй выводы находятся в замкнутом состоянии относительно друг друга, и положением OFF (Выкл.), в котором первый и второй выводы находятся в разомкнутом состоянии относительно друг друга. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 23, переключатель (982) представляет собой полевой МОП-транзистор (Q1). МОП-транзистор (Q1) устанавливает выводы (988) и (990) в замкнутое относительно друг друга положение, как только напряжение, подаваемое на управляющий вывод (992), становится положительным в результате появления положительного входного напряжения переменного тока на выводах (968) и (970). В свою очередь, это способствует нарастанию тока в катушках L1, L2-внутренней, L2-наружной и L3. По истечении постоянной времени, образованной произведением резистора R4 и конденсатора С3, микросхема (555) U2 возвращает на штырьковый вывод (93) низкое выходное напряжение, переводя МОП-транзистор (Qi) в положение OFF (Выкл.). После переведения МОП-транзистора (Qi) в положение выключения любой ток, по-прежнему протекающий в катушках, переводится в емкость, которая появляется на выводах (998) и (990) МОП-транзистора. Как показано на фиг. 23, эта емкость слагается из междувитковой емкости С, возникающей, главным образом, из-за близости двух катушек (L2-внутренней и L2-наружной). Эта междувитковая емкость сама по себе может оказаться достаточной для формирования эффективного последовательного резонансного контура во взаимодействии с катушками, но если необходима дополнительная емкость, то такая емкость может быть подана отдельным подстроечным конденсатором (C).
е
t
е
t
Когда переключатель (Q1) переводится в положение выключения или в разомкнутое состояние, любой ток, по-прежнему протекающий в катушках, переводится в конденсатор (С и/или C), и этот конденсатор - во взаимодействии с катушками и источником питания - формирует последовательный резонансный контур, который заставляет ток, протекающий через катушки, принимать форму кратной волны и, соответственно, генерировать вызывной поток электромагнитной энергии, проходящий через жидкость, которая протекает в трубке (916). За счет регулирования резистора R4 переменного сопротивления можно отрегулировать время размыкания переключателя (Q1) таким образом, чтобы указанное размыкание происходило раньше или позже в каждом рабочем полупериоде входного напряжения переменного тока. Предпочтительно, чтобы контур настраивался, начиная с максимального значения сопротивления резистора R4 с его последующей постепенной подстройкой в сторону понижения до тех пор, пока не загорится светодиодный индикатор (994) подсхемы (984) индикатора. Это произойдет тогда, когда максимальное напряжение, полученное на конденсаторе (С и/или C), превысит 150 В, при котором два зенеровских диода Z2 могут проводить электрический ток. Зенеровские диоды заряжают конденсатор (962), и полученное в итоге напряжение включает светодиодный индикатор (994). При загорании этого светодиодного индикатора следует начать регулирование резистора R4 в противоположном направлении до тех пор, пока он не погаснет, в результате чего переключатель (Q1) будет настроен на выдачу вызывного сигнала 150 В.
На Фиг. 24 проиллюстрирована функция схемы по Фиг. 23 путем представления разных форм сигнала, возникающих во время функционирования схемы. Как показано на этой фигуре, форма (996) сигнала отражает напряжение питания переменного тока на входных клеммах (968) и (970); при этом указанное напряжение является переменных, характеризуясь наличием первого множества полупериодов (998) положительного напряжения, которое чередуется со вторым множеством полупериодов (900) отрицательного напряжения. Схема по Фиг. 23 функционирует в двухполупериодном режиме; при этом периоды вызывного тока генерируются в катушках трубного блока только во время каждого из положительных полуциклов (998). Форма (902) сигнала отражает длительность размыкания и замыкания переключателя (Q1); и, исходя из этого, следует отметить, что во время каждого положительного полуцикла (998) напряжения питания переключатель (Q1) замыкается во время начального периода полуцикла, а размыкается задолго до начала окончания полуцикла; при этом точное время этих событий регулируется резистором R4 переменного сопротивления.
Процесс размыкания и замыкания переключателя (Q1) обуславливает форму кривой тока, обозначенную на Фиг. 24 позицией (904), которая отражает следующее в отношении каждого положительного полуцикла напряжения питания: ток, протекающий через катушки, повышается с нуля во время начального периода полуцикла, в течение которого происходит замыкание переключателя (Q1), а затем - после размыкания переключателя (Q1) - в течение заданного периода времени ток выполняет вызывную функцию. Форма сигнала напряжения, появляющегося на катушках трубного блока, будет соответствовать форме сигнала, обозначенной позицией (906) на Фиг. 24; при этом напряжение после размыкания переключателя (Q1) принимает форму вызывного сигнала, а его максимальное значение во много раз превышает значение напряжения, подаваемое источником (914) питания.
е
t
Частота вызывных токов, генерируемых в катушках, и вызывных напряжений, также генерируемых в катушках, может варьироваться за счет изменения емкости (С и/или C) на переключателе (Q1), и в предпочтительном варианте устанавливается в диапазоне от около 10 кГц до около 80 кГц.
Параметры устройства по Фиг. 19-24, в том числе номинальный диаметр трубок, конфигурация катушек по количеству витков, калибру проволоки и длине, емкость подстроечного конденсатора и соответствующее расчетное напряжение питания, представлены в виде таблицы на Фиг. 28.
Как было сказано выше, коммутационная цепь, проиллюстрированная и описанная в привязке к Фиг. 22, 23 и 24, выполнена с возможностью формирования одного периода вызывного тока и вызывного напряжения для каждого чередующегося полуцикла прикладываемого напряжения питания. Однако, при желании, коммутационная цепь может быть также выполнена с возможностью функционирования в двухполупериодном режиме; при этом период вызывного тока и вызывного напряжения формируется для каждого полуцикла напряжения питания. Как показано на Фиг. 25, это достигается путем модифицирования схемы по Фиг. 22, к которой добавляется вторая коммутационная цепь (908), идентичная первой коммутационной цепи (972), за исключением направления тока и напряжения, которое противоположно направлению в первой цепи (972). Иначе говоря, первая цепь (972) по Фиг. 25 функционирует так, как это описано выше, в продолжение каждого положительного полуцикла прикладываемого напряжения питания, а вторая цепь (908) функционирует таким же образом в продолжение отрицательных полуциклов прикладываемого напряжения питания, в результате чего количество периодов подачи вызывного тока и напряжения в течение заданного периода времени будет удвоено в сравнении с количеством периодов, сформированных в тот же период времени цепью по Фиг. 22.
t
Кроме того, как было указано выше, количество катушек, используемых в трубном блоке (912), может варьироваться и, при желании, трубный блок (912) может быть выполнен всего с одной катушкой без отступления от существа и объема настоящего изобретения. Такая конструкция проиллюстрирована на Фиг. 26 и 27; при этом на Фиг. 26 показан трубный блок, снабженный единственной катушкой (910), намотанной на остов (912), и идущей вокруг трубки (916). Коммутационная цепь, используемая в трубном блоке с единственной катушкой по Фиг. 26, проиллюстрирована на Фиг. 27. Обычно она идентична цепи, представленной на фиг. 23, за исключением того, что из-за недостаточной междувитковой емкости, создаваемой единственной катушкой (910), необходимо предусмотреть подстроечный конденсатор (C) на первом выводе (988) и втором выводе (990) переключателя. Кроме того, поскольку обмотка состоит из единственной катушки (910), а ее элементы сосредоточены на одном из концов переключателя (Q1), необходимо предусмотреть развязывающий трансформатор (976) по Фиг. 23 для установления местного заземления для элементов коммутационной цепи.
В еще одном из примеров осуществлении настоящего изобретения, который проиллюстрирован на Фиг. 18, средства объединения потоков воды включают в себя коллектор (186), характеризующийся наличием входных патрубков для множества потоков положительно заряженной воды, поступающей из множества устройств (184) создания положительного электрического заряда, а также выходного патрубка, соединенного с клапаном (188), направляющим выходной поток положительно заряженной воды в блендер для ее последующего использования в операциях по гидроразрыву. Во множестве примеров размеры большей части взвешенных твердых частиц составляют менее 100 микрон. В некоторых таких примерах размеры практически всех взвешенных твердых частиц составляют менее 100 микрон. В ограниченном ряде примеров размеры большей части взвешенных твердых частиц составляют менее 10 микрон. В еще более ограниченном ряде примеров размеры практически всех взвешенных твердых частиц составляют менее 10 микрон.
Обратимся теперь к Фиг. 16 и 17, на которых представлена система регулирования границы раздела между водой и жидким углеводородом в трехфазном сепараторе, которая включает в себя следующие элементы: средства установления границы раздела между водой и жидким углеводородом в трехфазном сепараторе; средства измерения границы раздела между водой и жидким углеводородом в трехфазном сепараторе с выдачей сигнала о результатах измерения границы раздела между водой и жидким углеводородом; средства сравнения сигнала о результатах измерения границы раздела между водой и жидким углеводородом с соответствующей уставкой с последующей выдачей опорного сигнала; средства уменьшения расхода пластовой или промывочной воды, поступающей в трехфазный сепаратор воды для гидроразрывов в скважинах для добычи углеводородов, если опорный сигнал указывает на то, что граница раздела между водой и жидким углеводородом превышает заданную уставку, и увеличения расхода воды, поступающей в трехфазный сепаратор, если опорный сигнал указывает на то, что граница раздела между водой и жидким углеводородом находится ниже уровня, заданного уставкой; при этом увеличение расхода предусматривает забор воды для гидроразрывов и подпиточной воды.
По меньшей мере, в одном из примеров реализации заявленного изобретения, как это хорошо видно на Фиг. 14а и 14В, к средствам установления границы раздела между водой и жидким углеводородом относится диафрагменная перегородка (140); при этом, в идеальном варианте, граница раздела между водой и жидким углеводородом установлена в нижней части (140b) указанной перегородки. Регулирование с помощью расходомеров и регулирующих клапанов проиллюстрировано на Фиг. 15 и 16.
Обратимся теперь к Фиг. 17, на котором более подробно проиллюстрирован пример регулирования уровня границы раздела в трехфазном сепараторе с разделением исходного материала на четыре части. Как показано на этой фигуре, поток промывочной воды, поступающей на вход сепаратора, измеряется с помощью расходомера турбинного типа (FE-101)/датчика (FE-101) и регулируется с помощью регулирующего клапана (FV-101) расхода через регулятор расхода (FV-101). Входной поток подпиточной воды измеряется с помощью измерительной диафрагмы (FE-103)/датчика дифференциального давления (FT-103) и регулируется с помощью регулирующего клапана расхода (FV-103) через регулятор расхода (FIC-103). Выходной поток воды измеряется с помощью измерительной диафрагмы (FE-102)/датчика дифференциального давления (FT-102) и регулируется с помощью регулирующего клапана (FV-102) через регулятор расхода (FIC-102). Граница уровня раздела между нефтью и водой в сепараторе измеряется магнитным уровнемером (LG-100), а также регулируется емкостным датчиком уровня непрерывного действия (LT-100). Оба эти устройства измерения и регулирования уровня смонтированы на внешней уровнемерной колонке с трубкой диаметром два дюйма. Эта колонка содержит клапаны с ручным приводом (HV-1, HV-2, HV-3, HV-4, HV-5, HV-6, HV-9 и HV-10) для управления колонкой и закрепленными на ней контрольно-измерительными приборами, хорошо известными любому специалисту в данной области техники. Клапаны HV-1 и HV-2 используются для изолирования колонки от технологического процесса. Клапаны HV-3 и HV-4 используются, соответственно, для дренажа и вентиляции колонки. Клапаны HV-5 и HV-6 используются для изолирования уровнемера от технологического процесса. Клапаны HV-9 и HV-10 используются для изолирования рабочей камеры емкостного датчика уровня от технологического процесса. Каждый прибор, установленный на колонке, снабжен клапанами обслуживания. Клапаны HV-7 и HV-8 являются составной частью уровнемера, и используются, соответственно, для его дренажа и вентиляции. Клапан HV-11 являются составной частью рабочей камеры емкостного датчика уровня, и используется для дренажа рабочей камеры.
Уровень границы раздела между водой и жидким углеводородом (называемой также «границей раздела между нефтью и водой») в сепараторе поддерживается с помощью регулятора уровня (LIC-100), который осуществляет каскадное управление регулятором входного потока промывочной воды (FIC-101), регулятором входного потока подпиточной воды (FIC-103) и регулятором выходного потока (FIC-102). Каскадное управление осуществляется регулятором уровня, посылающим дистанционно устанавливаемое заданное значение (RSP) на соответствующие регуляторы расхода для переустановки их уставок с целью поддержания уровня границы раздела.
Все регуляторы настроены на установившийся режим для поддержания нормального уровня жидкости (NLL=50%). Уставки отдельных регуляторов определяются по требуемой производительности и размерам сепаратора.
В одном из рабочих примеров по мере повышения уровня границы раздела регулятор уровня переустанавливает регулятор выходного потока на большее открытие, а регулятор входного потока промывочной воды - на прикрытие, с целью поддержания нормального уровня жидкости. Аварийный сигнал максимального уровня жидкости (HLL=80%) передается оператору в виде аналогового сигнала датчика уровня границы раздела, что позволяет оператору предпринять определенные действия для восстановления управления уровнем границы раздела или режимом работы.
По мере уменьшения уровня границы раздела регулятор уровня переустанавливает регулятор выходного потока на прикрытие, а регулятор входного потока промывочной воды - на большее открытие, с целью поддержания нормального уровня жидкости. Если уровень границы раздела понижается до минимального уровня жидкости (LLL=10%), то система переводит каскадное управление с регулятора уровня границы раздела на регулятор расхода подпиточной воды с помощью программно-управляемого переключателя LX-100.
Следует иметь в виду, что описанные выше варианты осуществления настоящего изобретения носят исключительно иллюстративный характер, и их не следует рассматривать как ограничивающие идею заявленного изобретения какой-либо одной физической конфигурацией. В настоящее изобретение могут быть внесены изменения, не выходящие за пределы существа и объема изобретения, которые должны быть понятны любому специалисту в данной области техники. Каждый элемент или стадию по любому из пунктов прилагаемой формулы изобретения следует трактовать как включающий в себя любой эквивалентный элемент или стадию. Формула изобретения охватывает настоящее изобретения максимально широко в допустимых законом пределах в любой форме, в которой она может быть использована. Эквиваленты вариантов осуществления настоящего изобретения, которые описаны в формуле изобретения, также входят в справедливый объем притязаний формулы настоящего изобретения. Все патенты, заявки на патенты и прочие документы, указанные в настоящей заявке, включены в данный документ посредством ссылки для использования в любых целях.