СИСТЕМА, УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ БЫСТРОГО КОНФИГУРИРОВАНИЯ ОБЪЕМНОЙ ПОДАЧИ НАСОСОВ
SYSTEM, DEVICE AND METHOD FOR FAST CONFIGURATION OF PUMP DISPLACEMENT

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Формулировки, приведенные в этом разделе, обеспечивают лишь общую информацию о представленном изобретении и могут не представлять собой описание прототипа. Данная техническая область относится к поршневым насосам прямого вытеснения, а точнее, но не исключительно, к поршневым насосам прямого вытеснения высокого давления. Установки с поршневыми насосами прямого вытеснения, имеющими несколько цилиндров, периодически сталкиваются с ситуациями возникновения высокого давления, неисправностями одного или нескольких насосов в насосной системе, или иначе выполняют нагнетательные функции, требующие широкого диапазона расходов текучей среды и давлений в рамках одной и той же работы. Изменение объемной подачи насоса при современном уровне техники предусматривает использование насоса с многоскоростной трансмиссией, выполнение работ на насосе, требующих значительной его разборки и/или предусматривающих необходимость работы персонала с металлическими или другими трубопроводами, находящимися под высоким давлением. В некоторых ситуациях, включая работу насосов на нефтяных скважинах, отключение насосного оборудования на длительный срок в процессе работы может отрицательно повлиять на результаты работы насосной системы. Таким образом, в данной области желательно дальнейшее развитие технологии.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Одним вариантом воплощения настоящего изобретения является уникальный способ быстрого изменения объемной подачи насоса в процессе его работы. Другие воплощения включают уникальные способы, системы и устройства для быстрого подключения или отключения секций гидравлической части насоса от его приводной части. Дальнейшие воплощения, формы, объекты, особенности, преимущества, аспекты и выгоды станут понятны из приведенного далее описания и чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0003] На фиг.1 изображена общая схема системы для быстрого конфигурирования объемной подачи насосов.
[0004] На фиг.2 показан привод для соединения вспомогательного штока с плунжером.
[0005] На фиг.3 показано схематическое изображение другого привода для соединения вспомогательного штока с плунжером.
[0006] На фиг.4A показано схематическое изображение еще одного привода для соединения вспомогательного штока с плунжером.
[0007] На фиг.4B показано схематическое изображение соединенных с плунжером зубьев, взаимодействующих с зубьями, соединенными со вспомогательным штоком.
[0008] На фиг.4C показано схематическое изображение соединенных с плунжером зубьев, вращающихся в непосредственной близости с зубьями, соединенными со вспомогательным штоком.
[0009] На фиг.4D показано схематическое изображение соединенных с плунжером зубьев, вошедших в зацепление с зубьями, соединенными со вспомогательным штоком.
[00010] На фиг.5A показано схематическое изображение еще одного привода для соединения вспомогательного штока с плунжером, находящегося в сцепленном положении.
[00011] На фиг.5B показано схематическое изображение еще одного привода для соединения вспомогательного штока с плунжером, находящегося в расцепленном положении.
[00012] На фиг.6A показано схематическое изображение вида сбоку еще одного привода для соединения вспомогательного штока с плунжером, находящегося в сцепленном положении.
[00013] На фиг.6B показано схематическое изображение вида в перспективе данного привода для соединения вспомогательного штока с плунжером, находящегося в сцепленном положении.
[00014] На фиг.6C показано схематическое изображение вида сбоку данного привода для соединения вспомогательного штока с плунжером, находящегося в расцепленном положении.
[00015] На фиг.6D показано схематическое изображение вида в перспективе данного привода для соединения вспомогательного штока с плунжером, находящегося в расцепленном положении.
ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАТИВНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
[00016] Для улучшения понимания принципов данного изобретения рассмотрим его варианты воплощения, проиллюстрированные на чертежах, и их подробное описание. Тем не менее следует понимать, что никаких ограничений сферы применения данного изобретения при этом не предполагается, любые изменения и дальнейшие модификации в иллюстрируемых вариантах воплощения и любые дальнейшие изменения иллюстрируемых вариантов воплощения и любые дальнейшие применения принципов данного изобретения, проиллюстрированных здесь, понятные специалистам в соответствующей области техники, входят в сферу применения настоящего изобретения.
[00017] Обратимся к фиг.1; система 100 включает смеситель 102, откуда текучая среда низкого давления подается в насос 104. Текучая среда низкого давления, используемая здесь, представляет собой текучую среду по стороне низкого давления насоса перед ее сжатием при помощи насоса. Текучая среда низкого давления может подвергаться сжатию при помощи смесителя 102 или другого устройства подачи и может иметь давление, существенно превышающее давление окружающей среды. Не ограничительными примерами устройств подачи текучей среды низкого давления являются центробежный насос и питатель гравитационного типа. Насос 104 имеет приводную часть 106 и гидравлическую часть 108, имеющую несколько плунжеров 110. Приводная часть 106 может представлять собой любой механизм привода насоса или комбинацию механизмов привода, известных в соответствующей области техники, включая, помимо прочего, двигатель внутреннего сгорания, гидравлическую систему, электрическую систему и/или механическую систему, получающие энергию от другого устройства (например, от вала отбора мощности). Гидравлическая часть 108 принимает текучую среду низкого давления и подает текучую среду под давлением. Гидравлическая часть 108 состоит из поршней, цилиндров, плунжеров 110 и/или других устройств создания избыточного давления, известных в данной области техники.
[00018] Система 100 включает в себя исполнительный механизм 112, соединяющий приводную часть с избираемым частичным набором плунжеров 110. Упомянутый избираемый набор включает любое число плунжеров 110 от нуля плунжеров 110 (т.е. когда приводная часть полностью отсоединена от гидравлической части) до всех плунжеров 110. Иллюстративная гидравлическая часть 108 включает первый набор плунжеров 110a и второй набор плунжеров 110b, при этом гидравлическая часть 108 функционирует как триплекс-насос, если задействует один из двух наборов плунжеров 110a или 110b, или как шестиплексная гидравлическая часть, если задействует оба набора плунжеров 110a и 110b. В положении, показанном на фиг.1, первый набор плунжеров 110a соединен с приводной частью 106, а второй набор плунжеров 110b отключен от приводной части 106. Второй набор плунжеров 110b отведен от приводной части, например, при помощи смещающего элемента (пружины и т.п.) или механически удерживается (например, при помощи штифта в пазу (не показан)) в таком положении, в котором вращение вспомогательных штоков 114 не приводит к воздействию на второй набор плунжеров 110b. В иллюстративном варианте воплощения, первый набор из трех плунжеров 110a обеспечивает первую удельную объемную подачу (т.е. количество текучей среды, подаваемое плунжерами 110a за один оборот приводной части 106), а второй набор из трех плунжеров 110b обеспечивает вторую удельную объемную подачу.
[00019] В некоторых вариантах воплощения, система 100 дополнительно содержит контроллер 116, выполняющий определенные операции для быстрого конфигурирования объемной подачи насоса. В некоторых вариантах воплощения, контроллер является частью технологической подсистемы, включающей одно или несколько компьютерных устройств, имеющих память, процессорное и коммуникационное оборудование. Контроллер 116 может быть отдельным устройством или распределенным устройством, а функции данного контроллера может выполнять аппаратное или программное обеспечение. Некоторые операции контроллера 116 могут выполняться вручную оператором или вводиться в контроллер 116 при помощи переключателей, рычагов или посредством других устройств ввода. Некоторые операции контроллера 116 могут выполняться компьютером в ответ на инструкции, представленные на носителе для компьютерного считывания.
[00020] Контроллер 116 выбирает частичный набор плунжеров 110, соответствующий требуемой рабочей подаче, требуемому рабочему давлению и/или являющийся необходимой реакцией на срабатывание индикатора неисправности гидравлической части. Например, рабочую подачу и/или рабочее давление может указывать контроллеру 116 оператор в соответствии с планом работы, а контроллер 116 - выбирать частичный набор плунжеров 110 с учетом рабочей подачи и давления. Плунжеры 110 могут иметь различные размеры, например, первый набор плунжеров 110a может иметь меньший размер и использоваться для применений с небольшой подачей и высоким давлением, а второй набор плунжеров 110b может иметь больший размер и использоваться для применений с большой подачей и высоким давлением. Контроллер 116 определяет рабочую подачу и/или давление любым способом, понятным специалисту в соответствующей области техники, включая как минимум определение расхода и давления при помощи датчиков, цифровых значений, хранящихся на носителе для компьютерного считывания, значений, определяемых при помощи переключателей или введенных электронных данных, данных, предоставленных по каналам передачи данных, и/или введенных значений, при помощи команды установки рабочей подачи или ограничения максимального давления.
[00021] В приведенном примере контроллер 116 выбирает первый набор плунжеров 110a, второй набор плунжеров 110b или оба набора плунжеров 110a, 110b. Использование наборов из трех плунжеров желательно с точки зрения плавной подачи текучей среды из насоса 104. В то же время, контроллер 116 может выбирать любое количество плунжеров 110. Например, там, где этого требуют рабочее давление и имеющаяся мощность приводной части 106, выбирают один плунжер 110. Контроллер 116 может выполнять любой анализ выгод и затрат, понятный специалисту в соответствующей области техники, перед выбором плунжеров 110, включая определение того, произойдет ли нештатная ситуация, если насос 104 будет полностью неспособен обеспечить подачу текучей среды, определение уровня кавитации или пульсаций давления, появляющихся при работе в неноминальных условиях, определение значений любых пересиливающих команд пользователя (например, команда пользователя контроллеру 116 "обеспечить подачу текучей среды при любых обстоятельствах", или "прекратить работу насоса при невозможности использовать группы из трех плунжеров 110"). В некоторых вариантах воплощения контроллер 116 может отключать отдельные плунжеры при выявлении неисправности отдельных плунжеров 110 или соответствующих клапанов (не показаны) или других компонентов гидравлической части 108, связанной с конкретным плунжером 110.
[00022] Кроме того, контроллер 116 обеспечивает выдачу команды на исполнительный механизм в ответ на выбранный частичный набор плунжеров 110. В некоторых вариантах воплощения команда исполнительному механизму представляет собой прямое управляющее воздействие на исполнительный механизм 112 (например, гидравлическое, электрическое, пневматическое или команду по каналу передачи данных), соединяющее выбранные плунжеры 110 с приводной частью 106 и отсоединяющее невыбранные плунжеры 110 от приводной части 106. Команда исполнительному механизму может представлять собой любую команду исполнительному механизму, понятную специалисту в соответствующей области техники, обеспечивающую соответствующее перемещение исполнительного механизма 112 включая по меньшей мере видимое оператору изображение значения, информирующее оператора, какие плунжеры 110 следует соединить с приводной частью 106, а какие - отсоединить от нее. В некоторых вариантах воплощения, команда исполнительному механизму может обеспечиваться посредством установки заранее определенных установок, связанных с подачей насоса, взятых, например, из письменной таблицы, хранящейся в непосредственной близости от насоса, в которой указывается, какие плунжеры 110 необходимо подключить, а какие отключить, чтобы обеспечить ту или иную величину подачи при помощи насоса 104. Такая письменная таблица и/или любые данные, хранящиеся на носителе для считывания компьютером и связанные с насосом 104, можно обновлять в зависимости от текущего состояния насоса 104, например в зависимости от размеров плунжеров 110, установленных в настоящее время в насосе 104.
[00023] Кроме того, контроллер 116 может выбирать тот или иной частичный набор плунжеров в зависимости от наступления определенных событий. Эти события включают любые события, известные специалистам в соответствующей области техники, на которые влияет удельная подача (т.е. количество текучей среды, подаваемой из насоса за один полный оборот приводной части 106, например коленчатого вала 118 приводной части). Иллюстративными определенными событиями являются избыточное давление, падение давления, неисправность насоса, поломка плунжера, обслуживание насоса, запуск насоса, возникновение кавитации, поломка смесителя и/или неисправность системы подачи текучей среды низкого давления. Событие "Избыточное давление" включает любое давление в системе 100, которое превышает пороговое значение, например давление, которое является слишком высоким по сравнению с максимально допустимой нагрузкой на приводную часть 106, повышенное давление по сравнению с максимальным давлением обработки, повышенное давление по сравнению с необходимым для оборудования для подготовки (например, технологической обвязки, сегмента обсадной трубы, по меньшей мере, частично воспринимающего давление обработки, и т.п.). В одном варианте воплощения контроллер 116 в ответ на событие "Избыточное давление" отсоединяет приводную часть 106 от всех плунжеров 110.
[00024] Один вариант воплощения иллюстративной системы 100 включает скважину 120, гидравлически соединенную с пластом 122, представляющим интерес, и модуль сбора данных 124, определяющий данные по давлению в скважине 120. Модуль сбора данных 124 может содержать компьютер, собирающий данные от различных датчиков, распределенных в системе 100, хотя здесь подразумевается любой модуль сбора данных 124. Кроме того, контроллер 116 выбирает частичный набор плунжеров 110 в зависимости от значения давления обработки, полученного по результатам пробной операции по гидроразрыву, выполненной на пласте, представляющем интерес 122. Например, после того как технологическое оборудование будет подключено к стволу скважины 120, производят пробную операцию по гидроразрыву (небольшую ГРП-операцию с целью сбора данных) для определения по меньшей мере одного значения поглощения пластом 122 жидкости гидроразрыва, давления закрытия трещин или других параметров. По данным пробной операции определяют значение давления обработки. Давление обработки может представлять собой любое давление обработки, определенное по результатам пробной ГРП-операции или другого диагностического испытания, и может включать по меньшей мере одно из значений следующих параметров: расчетное максимальное давление обработки, давление, необходимое для разрыва пласта или образования трещины в пласте и/или пороговое значение давления, как, например, максимальное давление, позволяющее избежать разрыва пластов, расположенных рядом с пластом, представляющим интерес 122.
[00025] В некоторых вариантах воплощения контроллер 116 выбирает частичный набор плунжеров 110 для передачи импульса давления скважинному устройству (не показано). Колебания давления можно использовать для коммуникации со скважинными зондами, связи или взаимодействия с каротажными инструментами или выполнения любых других операций с импульсами давления, понятных специалисту в соответствующей области техники.
[00026] Иллюстративное устройство включает насос 104, имеющий приводную часть 106 и гидравлическую часть 108, причем гидравлическая часть 108 имеет несколько плунжеров 110. Кроме того, такое устройство включает исполнительный механизм 112, соединяющий приводную часть 106 с выбираемым количеством плунжеров 110, и контроллер 116, который выбирает количество плунжеров 110 в соответствии с рабочей подачей и/или рабочим давлением. Контроллер 116 обеспечивает выдачу команды на исполнительный механизм в ответ на выбранное количество плунжеров 110. Иллюстративное устройство включает насос, имеющий две группы по три плунжера 110a, 110b, где выбираемое количество плунжеров включает первую группу из трех плунжеров 110a, вторую группу из трех плунжеров 110b и/или обе группы из трех плунжеров 110a, 110b. В некоторых вариантах воплощения изобретения контроллер 116 выбирает количество плунжеров в зависимости от события, включая избыточное давление, падение давления, неисправность насоса, поломка плунжера, обслуживание насоса, запуск насоса, возникновение кавитации, поломка смесителя и/или неисправность системы подачи текучей среды низкого давления. В некоторых вариантах воплощения исполнительный механизм 112 можно привести в действие вручную.
[00027] Обратимся к фиг.2; иллюстративное устройство включает исполнительный механизм в виде скользящей муфты 202, входящей в зацепление с шариком 204, установленным в канавке 206, и/или с профилированным зубом (не показан). Это устройство может иметь несколько шариков 204, например, распределенных радиально по окружности плунжера 110 или вспомогательного штока 114. Кроме того, устройство, показанное на фиг.2, имеет главный или вытесняющий шток 208, взаимодействующий с шариком, профилированными зубами и/или скользящей муфтой 202. В примере, показанном на фиг.2, вытесняющий шток 208 входит в контакт со скользящей муфтой 202 в непосредственной близости к плунжеру 110, заставляя муфту 202 надвинуться на шарик 204, когда вспомогательный шток 114 воздействует на плунжер 110 и отсоединяет вспомогательный шток 114 от плунжера 110. При дальнейшем движении вытесняющий шток 208 входит в контакт с канавкой 210 на плунжере 110, удерживая плунжер в максимально отведенном положении и предотвращая контакт плунжера 110 со вспомогательным штоком 114 (хотя, в целом, контакт между вспомогательным штоком 114 и плунжером 110 будет продолжаться в максимально растянутом положении вспомогательного штока 114). В некоторых вариантах воплощения, муфта 202 может быть отведена в сторону (например, при помощи пружины) для возвращения в положение, показанное на фиг.2, когда шток 208 отведен, в результате чего шарик 204 имеет возможность снова войти в контакт со вспомогательным штоком 114 и плунжером 110. Шарик 204 можно сместить (например, при помощи пружины, откидного металлического выступа и т.п.) в выступающее положение, сохраняя возможность упругого вдавливания во вспомогательный шток 114 при движении муфты 202 вперед. Шток 208 прикреплен к неподвижному элементу гидравлической части 108 (не показан). Устройство, показанное на фиг.2, является лишь иллюстративным, а его описание охватывает любые воплощения, содержащие шарик и канавку, профилированные зубья или другие механизмы сцепления.
[00028] Обращаясь к фиг.3, можно увидеть, что иллюстративный исполнительный механизм включает первый штифт 302, соединяющий скобу 308 со вспомогательным штоком 114 в первом сцепленном положении, и второй штифт 304, который связывает скобу 308 с неподвижным элементом гидравлической части 306 во втором зацепленном положении. Исполнительный механизм, показанный на фиг.3, изображен во втором зацепленном положении, и можно видеть, что при отведении вспомогательного штока 114 (его движении вправо) плунжер 110 остается и является отсоединенным от вспомогательного штока 114.
[00029] В первом зацепленном положении (не показано), штифт 302 движется вверх и входит в контакт со вспомогательным штоком 114, в то время как второй штифт 304 движется вниз и скоба 308 больше не фиксируется к неподвижному элементу гидравлической части 306. Как видно из иллюстрации на фиг.3, в первом зацепленном положении, при отведении вспомогательного штока 114, плунжер 110 движется вместе со вспомогательным штоком 114 и плунжер 110, таким образом, соединяется с приводной частью 106 насоса 104. Скоординированное движение штифтов 302, 304 может быть обеспечено при помощи любого механизма, понятного специалисту в соответствующей области техники, включая, использование пружинных возвращателей или шатунов, но не ограничивается ими. Привод штифтов 302, 304 может быть электронным, гидравлическим, пневматическим, ручным или предусматривать применение любого другого механизма, известного специалисту в соответствующей области техники, управление которым может осуществлять контроллер 116. В некоторых вариантах воплощения, контроллер 116 вводит в контакт первый штифт 302 (одновременно с этим или предварительно выводя из контакта второй штифт 304) для соединения приводной части 106 с выбранным плунжером 110, и задействует второй штифт 304 (одновременно с этим или предварительно выведя из контакта первый штифт 302) для отключения приводной части 106 от выбранного плунжера 110. Каждый из плунжеров 110 на насосе 104 может иметь связанные с ним скобу(ы) 308 и штифты 302, 304, обеспечивающие возможность контроллеру 116 выбрать или отменить выбор любого плунжера 110.
[00030] Обращаясь к фиг.4А, можно увидеть, что иллюстративный исполнительный механизм включает первое количество зубьев 404 на вспомогательном штоке 114, которые избирательно входят в контакт со вторым количеством зубьев 402 на валу выбранного плунжера 110. Когда расцепленный вспомогательный шток 114 приближается к плунжеру 110 (двигаясь в направлении 410, показанном на фиг.4A), зубья 404 вспомогательного штока 114 входят в зацепление с зубьями 402 плунжера 110. В некоторых вариантах воплощения, плунжер 110 включает торцевой фланец 414 имеющий зубья 402, и этот торцевой фланец 414 вращается в направлении 408 по отношению к плунжеру 114 на торсионных пружинах (или с использованием другого механизма, обеспечивающего свободу вращения для зубьев 402). После того как зубья 402, 404 проходят мимо друг друга, торсионные пружины возвращают в исходное положение торцевой фланец 414 (вращающийся в направлении 412 - см. фиг.4D) тем самым, зацепляя зубья и соединяя плунжер 110 с приводной частью через вспомогательный шток 114. Иллюстративное зацепление зубьев 402, 404 показано на фиг. 4B-4D, при этом зубья 402, 404 на фиг.4B показаны приближающимися друг к другу, вращение 408 дает возможность зубьям 402, 404 проскальзывать мимо друг друга, как показано на фиг.4C, а обратное вращение 412 зацепляет зубья 402, 404 как показано на фиг.4D. Количество зубьев 402, 404 выбирают исходя из информации, известной специалисту в соответствующей области техники, ознакомленному с данным описанием, и оно может изменяться в зависимости от желаемых затрат, сложности в производстве, используемых материалов и сил, действующих в процессе зацепления, расцепления и нагнетания. Дополнительно или с другой стороны, зубья 402, 404 на одной или обеих сторонах могут быть спиральными и взаимодействовать торсионно, после того как вспомогательный шток 114 с силой прижимается к плунжеру 110. В некоторых вариантах воплощения, используется только одна пара из зубьев 402, 404.
[00031] Устройство, показанное на фиг.4A, включает механизм, удерживающий плунжер 110 в максимально отведенном положении, когда плунжер 110 выведен из контакта со вспомогательным штоком 114. Например, скользящий шток 208 взаимодействует с элементом плунжера 110, отсоединяя плунжер 110 от вспомогательного штока 114 и/или удерживая плунжер 110 в максимально отведенном положении (например, в гидравлической части 306 или на максимальном расстоянии от вспомогательного штока 114). В варианте воплощения по фиг.4A, кулачок 208 взаимодействует со спиральным зубом 406, созданным на боковой поверхности торцевого фланца 414, приводя во вращение (в направлении 408) торцевой фланец 414 для вывода зубьев 402 из зацепления и удерживая плунжер 110 в максимально отведенном положении. Здесь имеются в виду любой исполнительный механизм или комбинация исполнительных механизмов, понятные специалисту в соответствующей области техники, используемые для вращения и отведения плунжера 110, включая, в не ограничительном понимании, взаимодействие с канавкой на плунжере 110. В некоторых вариантах воплощения, кулачок 208 входит в контакт со спиральным зубом 406, когда вспомогательный шток 114 полностью выдвинут к гидравлической части (т.е. когда плунжер 110 находится в верхней мертвой точке), где прижимная сила зубьев 402, 404 минимальна или, в некоторых вариантах воплощения, слегка ослаблена.
[00032] В некоторых вариантах воплощения, вспомогательный шток 114 имеет выступ вспомогательного штока 504 и плунжер 110 имеет выступ плунжера 506. Скоба 502 соединяет и рассоединяет вспомогательный шток 114 и плунжер 110, вступая в контакт или выходя из контакта с выступами 504, 506. Скоба 502 может представлять собой жесткую скобу, охватывающую оба выступа 504, 506, и может иметь рычаг экстренного расцепления или другое устройство. Например, в некоторых вариантах воплощения можно использовать муфту Style 78 Snap-Joint Coupling, производства Victualic Company, 4901 Kesslersville Road, Easton, PA, или другое подобное устройство. Скоба 502 может приводиться в действие при помощи механических, электромагнитных, термических или других средств, понятных специалисту в соответствующей области техники. Обратимся к фиг.5A; скоба 502 сцепляет выступ вспомогательного штока 504 с выступом плунжера 506, при этом скоба 502 имеет гибкий фиксирующий элемент (например, гибкий наконечник 508 или стержень) и стабилизирующий штифт 510. Стабилизирующий штифт 510 на иллюстрации с фиг.5A смещен в стабилизирующее положение, в котором он соединяет выступ вспомогательного штока 504 с выступом плунжера 506. Кроме того, исполнительный механизм содержит вытесняющий шток 208, который перемещает стабилизирующий штифт 510 в отпущенное положение, позволяя гибкому наконечнику 508 изгибаться и отсоединить выступ вспомогательного штока 504 от выступа плунжера 506 (см. фиг.5B). Вытесняющий шток 208 может дополнительно удерживать плунжер 110 в максимально отведенном положении, предотвращая соударение между плунжером 110 и вспомогательным штоком 114. Освобождение вытесняющего штока 208 дает возможность стабилизирующему штифту 510 вернуть скобу 502 в положение, в котором следующее соударение вспомогательного штока 114 приведет к сцеплению плунжера 110 со вспомогательным штоком 114.
[00033] Еще одно иллюстративное устройство включает исполнительный механизм, имеющий скобу с зубом-защелкой 602, соединяющую выступ вспомогательного штока 604 с выступом плунжера 606. Вращение плунжера 110 (или вспомогательного штока 114, хотя, обычно, вспомогательный шток 114 зафиксирован и не может вращаться) до зацепленного положения приводит к сцеплению скобы с зубом-защелкой 602 с противоположным выступом. На виде сбоку, изображенном на фиг.6A, показана скоба с зубом-защелкой 602 в положении, зацепленном за выступ вспомогательного штока 604, а на фиг.6B показан вид в перспективе скобы с зубом-защелкой 602, находящейся в положении, зацепленном за выступ вспомогательного штока 604. На иллюстрации, показанной на фиг.6A, изображена скоба с зубом-защелкой 602, закрепленная на плунжере 110, но такая скоба с зубом-защелкой 602 может устанавливаться на вспомогательном штоке 114, или можно установить несколько скоб с зубом-защелкой 602, часть - на вспомогательном штоке 114, а часть - на плунжере 110. Вращение плунжера 110 (или вспомогательного штока 114) до расцепленного положения отсоединяет скобу с зубом-защелкой 602 от соответствующего выступа, и когда вспомогательный шток 114 отводится от плунжера 110, упомянутый вспомогательный шток 114 отходит свободно, будучи отсоединенным от плунжера 110. На виде сбоку, изображенном на фиг.6С, показана скоба с зубом-защелкой 602, вращающаяся и отцепленная от вспомогательного штока 604, а на фиг.6С показан вид в перспективе скобы с зубом-защелкой 602, находящейся в положении, отцепленном от выступа вспомогательного штока 604. Плунжер 110 и/или вспомогательный шток 114 может сопротивляться вращению и исполнительный механизм обеспечивает усилие на плунжер 110 (или вспомогательный шток 114) для вращения между зацепленным и расцепленным положениями. В некоторых вариантах воплощения плунжер 110 (или вспомогательный шток 114) может быть смещен к зацепленному или расцепленному положению или может вращаться во время нормального движения (случайным образом, свободно или слегка), и стабилизирующий штифт (не показан) может предотвращать относительное вращение выбранного плунжера 110 (или вспомогательного штока 114) с тем, чтобы выбранное положение (зацепленное или расцепленное) сохранялось.
[00034] Приведенные далее описания обеспечивают иллюстративные варианты воплощения выполнения процедур для быстрого конфигурирования подачи насоса. Иллюстрируемые операции подразумеваются как иллюстративные; их можно комбинировать или разделять, добавлять и удалять, а также изменять порядок выполнения в целом и по частям, кроме случаев, когда противоположное прямо указано здесь. Некоторые описанные операции может выполнять компьютер, исполняя компьютерный программный продукт, записанный на носитель для считывания компьютером, где упомянутый компьютерный программный продукт включает инструкции, заставляющие компьютер выполнять одну или несколько операций или выдавать команды другим устройствам на выполнение одной или нескольких операций.
[00035] Процедура включает операцию по прокачке первого вытесняемого количества текучей среды от поршневого насоса прямого вытеснения, имеющего первое количество плунжеров при вращении приводной части насоса. Первое вытесняемое количество связано с периодическим изменением объема первого количества плунжеров в ответ на вращение приводной части насоса (например, за исключением всяких потерь в объемной эффективности), и будет в дальнейшем связываться с площадью торцевой поверхности плунжеров. Процедура, кроме того, включает операцию по изменению первого количества плунжеров на второе количество плунжеров, и перекачку второго вытесняемого количества текучей среды от поршневого насоса прямого вытеснения, имеющего второе количество плунжеров, при вращении приводной части насоса. В некоторых вариантах воплощения, второе вытесняемое количество текучей среды представляет собой количество текучей среды, отличающееся от первого вытесняемого количества (то есть периодически изменяющийся объем второго количества плунжеров отличается от периодически изменяющегося объема первого количества плунжеров). В некоторых дополнительных вариантах воплощения второе количество плунжеров может: включать первое количество плунжеров, представлять собой набор плунжеров, отличающийся от первого количества плунжеров, или представлять собой набор плунжеров, который является частичным или полным набором первого количества плунжеров.
[00036] Обычная операция данной процедуры включает изменение количества плунжеров путем перехода от одного набора из трех плунжеров ко второму набору из трех плунжеров. Другие операции данной процедуры включают добавление группы плунжеров, исключение группы плунжеров и/или отключение всех плунжеров от приводной части. Кроме того, операция по смене плунжеров включает в некоторых вариантах воплощения операцию по определению того, что давление нагнетания превысило пороговое значение, и выполнение операции по смене количества плунжеров в ответ на повышение давления нагнетания выше порогового значения.
[00037] Иллюстративная процедура может быть выполнена дистанционно или вручную оператором, находящимся возле насоса. Иллюстративная процедура включает операцию по выбору первого набора плунжеров, второго набора плунжеров или обоих наборов плунжеров, тем самым обеспечивая работу шестиплексного насоса с одним из трех выбираемых различных значений объемной подачи. Другая иллюстративная процедура включает запуск насоса в текущую работу нагнетательной системы (т.е. когда другие гидравлически соединенные насосы уже работают) с первым плунжером или количеством плунжеров, и увеличение количества плунжеров до второго количества плунжеров, после того как насос будет запущен. Первое количество плунжеров и/или второе количество плунжеров может включать один плунжер, или ноль плунжеров, если изменение количества плунжеров происходит в ответ на избыточное давление или другую ситуацию, требующую отключения насоса.
[00038] В некоторых вариантах воплощения изменение первого количества плунжеров на второе количество плунжеров происходит в рамках изменения временных значений. Изменение временных значений происходит в зависимости от конкретной системы и цели изменения плунжеров. В некоторых вариантах воплощения проводить быстрые изменения желательно (например, в ситуации, близкой к выпадению песка из-за утечки текучей среды, когда длительная процедура отключения связана с риском отказа в работе по нагнетанию) и возможно (то есть когда возможна быстрая реакция исполнительного механизма, например, при использовании автоматизированных скользящей муфты, вытесняющего штока и т.д.) и значение времени изменения составляет меньше 5 секунд. В некоторых вариантах воплощения в зависимости от исполнительного механизма, который будет понятен специалистам в соответствующей области техники после прочтения настоящего описания, значение времени изменения составляет меньше десяти секунд (например, при использовании быстроразъемных скоб в некоторых вариантах воплощения) или меньше тридцати секунд (например там, где требуются несколько операций по вращению насосов во время замены, в зависимости от органов управления и реакции насоса). В некоторых вариантах воплощения, значение времени изменения может составлять меньше шестидесяти секунд или быть большим, чем шестьдесят секунд. Значения времени изменения, описанные здесь, являются иллюстративными и зависят от конкретных требований и реализации системы. В некоторых вариантах воплощения, изменение выполняется без прерывания нагнетательной функции операции насоса.
[00039] Еще одна иллюстративная процедура включает операцию по гидравлическому подключению насоса, имеющего определенное количество плунжеров, к линии текучей среды, операцию по соединению первого частичного набора плунжеров с приводной частью насоса и операцию по прокачке текучей среды через линию текучей среды при помощи первого частичного набора плунжеров. Кроме того, эта процедура включает операцию по прокачке текучей среды через линию текучей среды при помощи первого частичного набора плунжеров, операцию по соединению второго частичного набора плунжеров с приводной частью насоса и операцию по прокачке текучей среды через линию текучей среды при помощи второго частичного набора плунжеров. Также эта иллюстративная процедура включает операцию по определению значения давления обработки и выполнение операции по подключению второго частичного набора плунжеров в ответ на значение давления обработки.
[00040] Определение значения давления обработки включает определение любого значения давления обработки, понятное специалисту в соответствующей области техники, которое указывает, что желательно иметь другое удельное вытеснение насоса (т.е. другой размер поверхности торца плунжера) или что тот или иной плунжер или группа плунжеров неисправны или требуют обслуживания. Иллюстративные операции по определению значения давления обработки включают определение значения давления обработки на основании пробной операции гидроразрыва пласта (ГРП), определение максимального давления обработки, наблюдаемого в процессе нагнетания (которое может измениться в процессе нагнетания) и/или прогнозирование максимального давления обработки в ответ на давления, наблюдаемые в процессе нагнетания при помощи первого частичного набора плунжеров. Например, определение значения давления обработки может включать оценку того, что максимальное давление, доступное для первого набора плунжеров, будет превышено позднее в процессе операции по нагнетанию и необходимо переключиться на второй набор плунжеров, до того как это максимальное возможное давление будет достигнуто. В некоторых вариантах воплощения данная процедура включает операцию по выявлению неисправности гидравлической части, связанной с первым частичным набором плунжеров, и операцию по подключению второго частичного набора плунжеров в ответ на неисправность гидравлической части.
[00041] Кроме того, иллюстративная процедура включает операцию по подаче импульса давления на скважинное устройство. Импульсы давления можно использовать для коммуникации со скважинными зондами, связи или взаимодействия с каротажными инструментами или выполнения любых других операций с импульсами давления, понятных специалисту в соответствующей области техники. Кроме того, в некоторых вариантах воплощения такая процедура включает операцию по удержанию первого набора плунжеров в максимально отведенном положении от приводной части после изменения. Таким образом, отключенные плунжеры не будут соударяться со вспомогательными штоками приводной части во время операции.
[00042] Как видно из иллюстраций и приведенного выше текста, настоящее изобретение охватывает множество различных вариантов воплощений.
[00043] Иллюстративный способ включает закачку первого вытесняемого количества текучей среды от поршневого насоса прямого вытеснения, имеющего первое количество плунжеров, при вращении приводной части насоса, изменение первого количества плунжеров на второе количество плунжеров и закачку второго вытесняемого количества текучей среды от поршневого насоса прямого вытеснения, имеющего второе количество плунжеров при вращении приводной части насоса. Кроме того, иллюстративный способ включает изменение плунжеров путем перехода от одного набора из трех плунжеров ко второму набору из трех плунжеров. Такое изменение может включать добавление группы плунжеров, исключение группы плунжеров и/или отключение всех плунжеров от приводной части. Кроме того, способ включает в некоторых вариантах воплощения определение того, что давление нагнетания превысило пороговое значение и изменение состава плунжеров в ответ на повышение давления нагнетания выше порогового значения.
[00044] Этот иллюстративный способ может быть выполнен дистанционно. В некоторых вариантах воплощения первый набор плунжеров имеет первое значение удельного вытеснения и второй набор плунжеров имеет второе значение удельного вытеснения, причем удельное вытеснение пропорционально количеству текучей среды, перекачанному за один оборот приводной части. Этот иллюстративный способ включает выбор первого набора плунжеров, второго набора плунжеров или обоих наборов плунжеров, тем самым обеспечивая работу шестиплексного насоса с одним из трех выбираемых различных значений объемной подачи. Кроме того, данный способ включает запуск насоса в текущую работу нагнетательной системы (т.е. когда другие гидравлически соединенные насосы уже работают) с первым количеством плунжеров, и увеличение количества плунжеров до второго количества плунжеров, после того как насос будет запущен. В некоторых вариантах воплощения первое количество плунжеров и/или второе количество плунжеров может включать один плунжер. В некоторых вариантах воплощения, изменение происходит в пределах значений времени изменения, которые могут составлять меньше пяти, десяти и/или шестидесяти секунд. В некоторых вариантах воплощения, изменение выполняется без прерывания нагнетательной функции насоса. Кроме того, иллюстративный способ включает подачу импульса давления на скважинное устройство и/или удержание первого набора плунжеров в максимально отведенном положении от приводной части после изменения.
[00045] Другой примерный вариант воплощения включает насос, имеющий приводную часть и гидравлическую часть, причем гидравлическая часть имеет несколько плунжеров. Кроме того, такое устройство включает исполнительный механизм, соединяющий приводную часть с выбираемым количеством плунжеров, и контроллер, который выбирает количество плунжеров в соответствии с рабочей подачей и/или рабочим давлением. Кроме того, контроллер обеспечивает выдачу команды на исполнительный механизм в ответ на выбранное количество плунжеров. Иллюстративное устройство включает насос, имеющий две группы по три плунжера, причем выбираемое количество плунжеров включает первую группу из трех плунжеров, вторую группу из трех плунжеров и/или обе группы из трех плунжеров. В некоторых вариантах воплощения контроллер выбирает количество плунжеров в зависимости от наступления определенных событий, которыми являются избыточное давление, падение давления, неисправность насоса, поломка плунжера, обслуживание насоса, запуск насоса, возникновение кавитации, поломка смесителя и/или неисправность системы подачи текучей среды низкого давления.
[00046] Иллюстративное устройство включает исполнительный механизм в виде скользящей муфты, входящей в зацепление с шариком в канавке и/или профилированным зубом и может также включать ключ или вытесняющий шток, входящий в контакт со скользящей муфтой, шариком и/или профилированным зубом. В некоторых вариантах воплощения исполнительный механизм включает первый штифт, соединяющий скобу со вспомогательным штоком в первом сцепленном положении, и второй штифт, который фиксирует скобу к неподвижному элементу гидравлической части во втором зацепленном положении. Контроллер вводит в контакт первый штифт для соединения приводной части с выбранным плунжером и задействует второй штифт для отключения приводной части от выбранного плунжера.
[00047] В некоторых вариантах воплощения исполнительный механизм включает первое количество зубьев на вспомогательном штоке, которые избирательно входят в контакт со вторым количеством зубьев на валу выбранного плунжера, и штифт, который входит в контакт со спиральным зубом, который избирательно зацепляет первое множество и второе множество зубьев. В дополнительном или альтернативном варианте воплощения исполнительный механизм включает скобу, сцепляющую выступ вспомогательного штока с выступом плунжера. При этом скоба имеет гибкий фиксирующий элемент и стабилизирующий штифт. Стабилизирующий штифт смещен в стабилизирующее положение, в котором он соединяет выступ вспомогательного штока с выступом плунжера. Кроме того, исполнительный механизм содержит вытесняющий шток, который перемещает стабилизирующий штифт в отпущенное положение, позволяя отсоединить выступ вспомогательного штока от выступа плунжера.
[00048] Иллюстративное устройство включает исполнительный механизм, имеющий скобу с зубом-защелкой, соединяющую выступ вспомогательного штока 604 с выступом плунжера. Исполнительный механизм включает, кроме того, стабилизирующий штифт, препятствующий относительному вращению выбранного плунжера, имеющего выступ плунжера и вспомогательного штока, имеющего выступ вспомогательного штока. Вращение плунжера и/или вспомогательного штока можно использовать для сцепления и расцепления плунжера и вспомогательного штока.
[00049] Другой примерный вариант воплощения представляет собой систему, включающую смеситель, подающий текучую среду низкого давления в насос, при этом насос включает приводную часть и гидравлическую часть, имеющую несколько плунжеров. Эта система включает исполнительный механизм, соединяющий приводную часть с выбираемым частичным набором плунжеров. Упомянутый частичный набор включает любое число плунжеров от нуля плунжеров (т.е. когда приводная часть полностью отсоединена от гидравлической части) до всех плунжеров. Кроме того, система включает контроллер, который выбирает частичный набор плунжеров в соответствии с рабочей подачей, рабочим давлением и/или индикатором неисправности гидравлической части, и который подает команду исполнительному механизму в ответ на выбранный частичный набор плунжеров. Кроме того, контроллер выбирает тот или иной частичный набор плунжеров в зависимости от определенных событий, включающих: избыточное давление, падение давления, неисправность насоса, поломку плунжера, обслуживание насоса, запуск насоса, возникновение кавитации, поломку смесителя и/или неисправность системы подачи текучей среды низкого давления. Иллюстративная система включает контроллер, структурированный для выбора частичного набора плунжеров для передачи импульса давления скважинному устройству. Кроме того, контроллер в ответ на событие "Избыточное давление" отсоединяет приводную часть от всех плунжеров. В некоторых вариантах воплощения избираемые частичные наборы плунжеров включают первый набор из трех плунжеров, имеющий первую удельную подачу, и второй набор из трех плунжеров, имеющий вторую удельную подачу.
[00050] Один вариант воплощения примерной системы включает ствол скважины, гидравлически соединенный с пластом, представляющим интерес, и модуль сбора данных, определяющий данные по давлению в стволе скважины. Кроме того, контроллер выбирает частичный набор плунжеров в зависимости от значения технологического давления, полученного по результатам пробной операции гидроразрыва, выполненной на пласте, представляющем интерес.
[00051] Еще один примерный вариант воплощения представляет собой способ, предусматривающий гидравлическое подключение насоса, имеющего определенное количество плунжеров, к линии текучей среды, соединение первого частичного набора плунжеров с приводной частью насоса, прокачку текучей среды через линию текучей среды при помощи первого частичного набора плунжеров и, после прокачки текучей среды через линию текучей среды при помощи первого частичного набора плунжеров, соединение второго частичного набора плунжеров с приводной частью насоса и прокачку текучей среды через линию текучей среды при помощи второго частичного набора плунжеров. Кроме того, этот иллюстративный способ включает определение значения давления обработки и подключение второго частичного набора плунжеров в ответ на значение давления обработки. Определение значения давления обработки включает выполнение операций по определению, таких как: определение значения давления обработки на основании пробной операции ГРП, определение максимального давления обработки, наблюдаемого в процессе нагнетания и/или прогнозирование максимального давления обработки в ответ на давления, наблюдаемые в процессе нагнетания при помощи первого частичного набора плунжеров. В некоторых вариантах воплощения данный способ включает выявление неисправности гидравлической части, связанной с первым частичным набором плунжеров, и подключение второго частичного набора плунжеров в ответ на неисправность гидравлической части.
[00052] Хотя настоящее изобретение проиллюстрировано и описано в деталях на чертежах и в приведенном выше описании, их следует рассматривать как иллюстративные и не ограничительные по характеру. Следует понимать, что показаны и описаны лишь некоторые иллюстративные воплощения и что все изменения и модификации, соответствующие идее этих изобретений, защищены настоящей заявкой. Следует понимать, что хотя в приведенном выше описании присутствуют такие слова, как "преимущественный", "преимущественно", "предпочтительный" и "более предпочтительный", которые указывают на то, что описываемая особенность является более желаемой, тем не менее она может не всегда быть необходимой, и воплощения, в которых эта особенность отсутствует, также попадают под сферу защиты настоящего изобретения, которая определена приведенной ниже формулой изобретения. В приведенной ниже формуле изобретения слова "один", "один из", "по меньшей мере один" или "по меньшей мере одна часть" не подразумевают ограничения элемента формулы только одним элементом кроме случаев, когда противоположное явно утверждается в формуле изобретения. При использовании терминов "по меньшей мере одна часть" или "часть" описываемый элемент может включать часть элемента или весь элемент кроме случаев, когда противоположное явно утверждается в формуле изобретения.