СПОСОБ НАГНЕТАНИЯ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ С ПОВЕРХНОСТИ СКВАЖИНЫ В СТВОЛ СКВАЖИНЫ (ВАРИАНТЫ)
PROCEDURE FOR PUMPING WORKING FLUID FROM SURFACE OF WELL INTO BOREHOLE OF WELL (VERSIONS)

Область изобретения
Настоящее изобретение относится в общем к способам  нагнетания жидкости с поверхности нефтяной скважины в ствол скважины под высоким давлением и, более точно, к такому способу,  который включает разделение жидкости на чистый поток, содержащий минимальное количество твердых материалов, и грязный поток, содержащий твердый материал в жидком носителе.
Предшествующий уровень техники
В специальных применениях для нефтяной скважины используются насосные узлы для нагнетания жидкости с поверхности скважины в ствол скважины при чрезвычайно высоком давлении. Такие применения включают гидравлический разрыв пласта, закачивание цементного раствора и нагнетание через гибкие трубы, а также другие возможные применения. При гидравлическом разрыве пласта часто применяется набор из нескольких насосов для нагнетания жидкости, содержащей абразивный материал, или жидкости для гидравлического разрыва пласта через ствол скважины в предназначенные для этого области для создания боковых «трещин» в стволе скважины. Для создания таких трещин жидкость для гидравлического разрыва пласта нагнетается при особо высоком давлении, иногда в диапазоне от 10000 фунт./кв.дюйм до 15000 фунт./кв.дюйм (от 68,95 МПа до 103,4 МПа) или более. В дополнение к этому жидкость для гидравлического разрыва пласта содержит абразивный расклинивающий наполнитель, который служит как для создания трещин, так и обеспечивает «расклинивание» трещины и ее открытие после ее создания. Эти трещины обеспечивают дополнительные каналы для прохода газа и нефти из подземных формаций на поверхность скважины. Эти дополнительные каналы служат увеличению продуктивности скважины.
Для нагнетания рабочей жидкости в нефтяную скважину под высоким давлением, например, для гидравлического разрыва пласта, обычно используются плунжерные насосы. Такие плунжерные насосы также известны как поршневые насосы, насосы с прерывистым режимом работы, трехпоршневые насосы или пятипоршневые насосы. Плунжерные насосы обычно включают один или несколько плунжеров, перемещаемых коленчатым валом в камеру и из камеры в пространстве высокого давления (обычно называемую нагнетательной частью насоса), так что в камере возникают колебания между пониженным и повышенным давлением. Эти колебания давления позволяют насосу принимать жидкость при низком давлении и выпускать ее при высоком давлении через одноходовые клапаны (также называемые обратными клапанами).
В больших операциях по гидравлическому разрыву пласта часто используются несколько плунжерных насосов. Эти насосы могут быть связаны друг с другом при помощи общего коллектора, который механически собирает и распределяет комбинированный выход отдельных насосов. Например, при операции гидравлического разрыва пласта часто до двадцати и более насосов соединены через один коллектор. Централизованная компьютерная управляющая система может быть задействована для управления всей системой в течение операции.
Однако, абразивная природа жидкости для гидравлического разрыва пласта не только эффективно разрушает подземные формации и создает в них трещины, но также приводит к износу внутренних компонентов плунжерных насосов, которые перекачивают эту жидкость. Таким образом, когда плунжерные насосы используются для перекачивания жидкости для гидравлического разрыва пласта, расходы на ремонт, замену и/или техническое обслуживание внутренних компонентов насосов весьма высоки, а срок службы очень низкий.
Например, когда плунжерный насос используется для перекачивания жидкости для гидравлического разрыва пласта, нагнетательная часть насоса, клапаны, седла клапанов, набивка и плунжеры требуют частого технического обслуживания и/или замены. Такая замена нагнетательной части является сама по себе очень дорогостоящей не только потому, что дорога сама нагнетательная часть, но также вследствие сложности и продолжительности этой операции. Клапаны, с другой стороны, являются недорогими, и их замена не является сложной, но операции замены проводятся настолько часто, что они определяют большую часть стоимости технического обслуживания плунжерного насоса. К тому же, если клапан отказал, его седло также бывает повреждено, а седло заменить намного сложнее, чем клапан, из-за значительных усилий, требуемых для его удаления из нагнетательной части. Соответственно, существует потребность в улучшенной системе и способе для нагнетания жидкости с поверхности в ствол скважины.
Сущность изобретения
Согласно изобретению создан способ нагнетания рабочей жидкости с поверхности скважины в ствол скважины, содержащий следующие стадии:
обеспечение чистого потока, содержащего, преимущественно, воду, поданную из водяных баков ;
осуществление действия одного или нескольких «чистых» насосов для нагнетания чистого потока с поверхности скважины в ствол скважины;
обеспечение грязного потока, содержащего твердый материал в жидком носителе, содержащем воду, поданную из водяных баков,  и гелеобразующее вещество;
осуществление действия одного или нескольких «грязных» насосов для нагнетания грязного потока с поверхности скважины в ствол скважины;  и
объединение на поверхности скважины чистого потока и грязного потока  в общем коллекторе  для образования рабочей жидкости  и нагнетание рабочей жидкости в ствол скважины.
Каждый «чистый» насос может быть  насосом первого типа, и каждый «грязный» насос является насосом второго типа, причем насосы первого и второго типов являются насосами одного типа.
Насосы первого и второго типов могут быть плунжерными насосами.
Каждый «чистый» насос может быть  насосом первого типа, и каждый «грязный» насос может быть  насосом второго типа, причем насосы первого и второго типов являются насосами разных типов.
Насос первого типа является многоступенчатым центробежным насосом, а насос второго типа является плунжерным насосом.
Насос первого типа может быть насосом с перемещающейся полостью, а насос второго типа является плунжерным насосом.
Каждый «чистый» насос может быть многоступенчатым центробежным насосом, насосом с перемещающейся полостью,  плунжерным насосом или включать любую комбинацию из одного или нескольких многоступенчатых центробежных насосов, одного или нескольких насосов с перемещающейся полостью и одного или нескольких плунжерных насосов.
Каждый «грязный» насос может быть  насосом с перемещающейся полостью, плунжерным насосом или включать любую комбинацию из одного или нескольких многоступенчатых центробежных насосов, одного или нескольких насосов с перемещающейся полостью и одного или нескольких плунжерных насосов.
Каждый «чистый» насос может  включать первичный двигатель для подачи мощности, выбранный из группы, состоящей из дизельного двигателя, газовой турбины, паровой турбины, электродвигателя переменного тока и электродвигателя постоянного тока.
Один или несколько «чистых» насосов могут быть расположены на удалении от ствола скважины.
Твердым материалом может быть  расклинивающий наполнитель, и рабочей жидкостью является жидкость для гидравлического разрыва пласта.
Твердый материал может представлять собой частицы, волокна или материал, имеющий заданную форму.
Грязный поток может дополнительно содержать добавку для изменения свойств рабочей жидкости или промышленное химическое вещество.
Общий коллектор может быть расположен выше по потоку от ствола скважины.
Согласно другому варианту осуществления изобретения способ нагнетания рабочей жидкости с поверхности скважины в множество стволов скважин, содержащее, по меньшей мере, первый ствол скважины и второй ствол скважины, содержит следующие стадии:
обеспечение чистого потока;
осуществление действия одного или нескольких «чистых» насосов для нагнетания чистого потока с поверхности скважины в первый и второй стволы скважины;
обеспечение первого грязного потока, содержащего первый  твердый  материал в первом жидком носителе;
осуществление  действия одного или нескольких первых «грязных» насосов для нагнетания первого грязного потока с поверхности скважины  в первый ствол скважины, при этом чистый поток и первый грязный поток объединяются  для образования рабочей жидкости;
обеспечение второго  грязного потока, содержащего второй  твердый  материал во втором  жидком носителе;
осуществление  действия одного или нескольких вторых  «грязных» насосов для нагнетания второго грязного потока с поверхности скважины  во второй ствол скважины, при этом чистый поток и второй грязный поток объединяются для образования  рабочей жидкости.
Один или несколько «чистых» насосов могут быть расположены на удалении от первого ствола скважины.
Один или несколько «чистых» насосов могут быть расположены на удалении от первого и от второго стволов скважины.
Первый твердый материал и второй твердый материал представляет собой расклинивающий наполнитель, и рабочая жидкость представляет собой жидкость для гидравлического разрыва пласта.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения  изобретению способ нагнетания рабочей жидкости с поверхности скважины в ствол скважины содержит следующие стадии:
обеспечение чистого потока, содержащего, преимущественно, воду, поданную из водяных баков;
осуществление действия одного или нескольких «чистых» насосов для нагнетания чистого потока с поверхности скважины в ствол скважины;
обеспечение грязного потока, содержащего коррозийный материал и воду, поданную из водяных баков;
осуществление действия одного или нескольких «грязных» насосов для нагнетания грязного потока с поверхности скважины в ствол скважины;
объединение на поверхности скважины чистого потока и грязного потока  в общем коллекторе для образования рабочей жидкости.
Каждый «чистый» насос может включать любую комбинацию из одного или нескольких многоступенчатых центробежных насосов, одного или нескольких насосов с перемещающейся полостью и одного или нескольких плунжерных насосов, и каждый «грязный» насос включает любую комбинацию из одного или нескольких многоступенчатых центробежных насосов, одного или нескольких насосов с перемещающейся полостью и одного или нескольких плунжерных насосов.
Общий коллектор может быть расположен выше по потоку от ствола скважины.
Каждый «чистый» и «грязный» насосы могут быть плунжерными насосами.
Каждый «чистый» насос может быть многоступенчатым центробежным насосом, и каждый «грязный» насос может быть плунжерным насосом.
Каждый «чистый» насос может включать первичный двигатель для подачи мощности, выбранный из группы, состоящей из дизельного двигателя, газовой турбины, паровой турбины, электродвигателя переменного тока и электродвигателя постоянного тока.
Один или несколько «чистых» насосов могут быть расположены на удалении от ствола скважины.
Коррозийный материал может быть выбран из группы, состоящей из кислот, нефти, нефтепродуктов, жидкой двуокиси углерода, жидкого пропана, жидких углеводородов с низкой точкой кипения, двуокиси углерода и азота.
Краткое описание чертежей
Вышеуказанные и другие особенности и преимущества настоящего изобретения можно лучше понять из последующего подробного описания со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 изображает вид сбоку плунжерного насоса, предназначенного для работы в насосной системе  в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;
фиг.2 - схематический вид известной насосной системы для выполнения операции гидравлического разрыва пласта в скважине;
фиг.3 - схематический вид насосной системы для нагнетания жидкости с поверхности скважины в ствол скважины в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения, в котором жидкость разделяется на чистый поток, перекачиваемый одним или несколькими плунжерными насосами, и на грязный поток, также перекачиваемый одним или несколькими плунжерными насосами;
фиг.4 - боковой разрез многоступенчатого центробежного насоса;
фиг.5, 7 и 9 схематически показывают насосные системы  для нагнетания жидкости с поверхности скважины в ствол скважины в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения, причем жидкость делится на чистый поток, нагнетаемый одним или несколькими многоступенчатыми центробежными насосами, и грязный поток, перекачиваемый одним или несколькими плунжерными насосами;
фиг.6, 8 и 10 показывают виды сверху в изометрии многоступенчатого центробежного насоса для использования в системе насосов, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;
фиг.11 показывает боковой разрез насоса с перемещающейся рабочей полостью; и
фиг.12 схематически показывает насосную систему для нагнетания жидкости с поверхности скважины в ствол скважины согласно одному осуществлению данного изобретения, причем жидкость делится на чистый поток, нагнетаемый одним или несколькими «чистыми» насосами, которые находятся на определенном расстоянии от скважины, и грязный поток.
Подробное описание вариантов
выполнения изобретения
Варианты выполнения настоящего изобретения относятся, в основном, к насосной системе для нагнетания жидкости с поверхности скважины в ствол скважины под высоким давлением, а более конкретно, к системе, которая включает разделение жидкости на чистый поток, в котором количество твердого материала минимально, и грязный поток, который содержит твердый материал в жидком носителе. В одном варианте изобретения как чистый поток, так и грязный поток нагнетаются в ствол скважины насосами одного типа. Например, в одном варианте изобретения для нагнетания потока обеих жидкостей используются один или несколько плунжерных насосов. В другом варианте, чистый поток и грязный поток нагнетаются насосами разных типов. Например, для перекачивания грязного потока в одном варианте выполнения изобретения используются один или несколько плунжерных насосов, в то время как для перекачивания чистого потока используются горизонтальные насосы (такие, как центробежный насос или насос с перемещающейся полостью).
На фиг.1 показан плунжерный насос 101, предназначенный для нагнетания жидкости с поверхности в ствол скважины. Плунжерный насос 101 установлен на стандартном трейлере 102 для удобства его транспортировки тягачом 104. Плунжерный насос 101 имеет первичный двигатель 106, который вращает коленчатый вал через трансмиссию 110 и приводной вал 112. Коленчатый вал, в свою очередь, приводит в движение один или несколько плунжеров, перемещающихся в камеру и из нее в нагнетательной части насоса 108, для создания переменного давления в камере. Эти колебания давления позволяют насосу получать жидкость с низким давлением и выпустить ее при высоком давлении при помощи одноходовых клапанов (также называемых обратными клапанами). С первичным двигателем 106 соединен радиатор 114, предназначенный для охлаждения первичного двигателя 106. В дополнение, нагнетательная часть 108 плунжерного насоса включает в себя входную трубу 116 для получения жидкости под низким давлением и выходную трубу 118 для подачи жидкости под высоким давлением.
На фиг.2 показана известная насосная система 200 для нагнетания жидкости с поверхности 118 скважины 120 в ствол 122 скважины во время работы на нефтяном месторождении. В данном конкретном варианте операция представляет собой гидравлический разрыв пласта, и поэтому закачиваемая жидкость является жидкостью для разрыва пласта. Система 200 включает ряд водяных баков 221, из которых вода подается в приготавливающее гель устройство 223. Устройство 223 смешивает воду с гелеобразующим веществом для приготовления геля. Гель затем подается в мешалку 225, где он смешивается с расклинивающим наполнителем, поступающим из питателя расклинивающего наполнителя для образования жидкости, предназначенной для гидравлического разрыва пласта. Гелеобразующее вещество повышает вязкость жидкости, предназначенной для разрыва пласта, и позволяет расклинивающему наполнителю распределяться в этой жидкости. Оно также может действовать как понизитель трения, позволяя увеличить расход насоса при снижении потерь давления на трение.
Жидкость, предназначенная для разрыва пласта, потом подается при низком давлении, например, от 60 до 120 фунт./кв.дюйм (от 413 кПа до 827 кПа) в плунжерные насосы 201, как показано сплошными линиями 212. Каждый плунжерный насос 201 может иметь такую же или похожую конфигурацию, как плунжерный насос 101, показанный на фиг.1. Как показано на фиг.2, каждый плунжерный насос 201 получает жидкость для гидравлического разрыва пласта при низком давлении и подает ее в общий коллектор 210 при высоком давлении, как показано пунктирными линиями 214. Из коллектора 210 жидкость для гидравлического разрыва пласта от плунжерных насосов 201 направляется в ствол 122 скважины, как показано сплошной линией 215.
3
В типичной операции по гидравлическому разрыву пласта вычисляется примерное давление в скважине и требуемый расход для создания требуемых боковых трещин в стволе скважины. Базируясь на этих вычислениях, определяют необходимую гидравлическую мощность в лошадиных силах, нужную для гидравлического разрыва пласта. Например, если оценено, что давление в скважине и потребный расход составляют 6000 фунт./кв.дюйм (41,37 МПа) и 68 баррелей в минуту (0,18 м/сек), то гидравлическая мощность составит 10000 лошадиных сил (7,45 МВт).
В одном варианте осуществления первичный двигатель 106 каждого плунжерного насоса 201 является двигателем с эффективной мощностью 2250 лошадиных сил (1,68 МВт), что, если учесть потери (обычно при операциях гидравлического разрыва пласта - 3%), составляет 2182 лошадиные силы (1,63 МВт), приложенные к жидкости для разрыва. Таким образом, чтобы подать 10000 лошадиных сил (7,45 МВт), потребуется насосная система 200 на фиг.2, включающая по меньшей мере пять плунжерных насосов 201.
Тем не менее, чтобы предотвратить перегрузку трансмиссии 110 между двигателем 106 и нагнетательной частью 108 каждого плунжерного насоса 201, каждый плунжерный насос работает при производительности значительно ниже его номинальной производительности. Работа насосов при производительности ниже номинальной также позволяет при выходе из строя одного из насосов остальным насосам увеличить производительность, чтобы компенсировать выход насоса из строя. Например, при операции гидравлического разрыва пласта требуется мощность в 10000 лошадиных сил (7,45 МВт). Установка десяти плунжерных насосов на площадке скважины позволяет каждому насосу работать при мощности в 1030 лошадиных сил (0,767 МВт) или половине своего максимума, чтобы снабжать разрывающую жидкость мощностью в 1000 лошадиных сил (0,745 МВт) индивидуально и 10000 лошадиных сил (7,45 МВт) совместно. С другой стороны, если будут работать только девять насосов 201 на буровой площадке, или если один насос откажет, тогда каждый из девяти двигателей 106 насосов будет работать при тормозной мощности около 1145 лошадиных сил (0,853 МВт), чтобы сообщить требуемые 10000 лошадиных сил (7,45 МВт) разрывающей жидкости. Как показано, может использоваться компьютеризированная система 229 управления, чтобы руководить работой целой насосной системой 200 во время операции гидравлического разрыва пласта.
3
Как обсуждалось выше, проблема с насосной системой 200 заключается в том, что каждый плунжерный насос 201 подвергается абразивному воздействию расклинивающего наполнителя в разрывающей жидкости. Характерная концентрация расклинивающего наполнителя в разрывающей жидкости составляет от 2 до 12 фунтов на галлон (от 239,6 до 1437,6 кг/м). Как указано выше, расклинивающий наполнитель оказывает сильное разрушительное действие на внутренние компоненты плунжерных насосов 201 и вызывает сокращение срока службы этих насосов.
Для устранения этой проблемы в системе 200, на фиг.3 показана насосная система 300 в соответствии с одним из вариантов выполнения настоящего изобретения. В этом выполнении жидкость, которая нагнетается с поверхности скважины 118 в ствол 122 скважины, разделена на чистый поток 305, содержащий преимущественно воду, которая нагнетается одним или несколькими «чистыми» насосами 301, и грязный поток 305', содержащий твердый материал в жидком носителе, который нагнетается одним или несколькими «грязными» насосами 301'. Например, в операции гидравлического разрыва пласта грязный поток 305' содержит расклинивающий наполнитель в жидком носителе (таком, как гель). Как детально поясняется ниже, такая система 300 значительно увеличивает срок службы «чистых» насосов 301, поскольку «чистые» насосы 301 не подвержены воздействию абразивных жидкостей. Каждый «чистый» насос 301 и каждый «грязный» насос 301' в соответствии со схемой, представленной на фиг.3, могут иметь конфигурацию, совпадающую или аналогичную конфигурации плунжерного насоса, показанного на фиг.1.
В системе 300 согласно фиг.3, «грязные» насосы 301 получают грязный поток аналогично способу, проиллюстрированному на фиг.2. Это означает, что при исполнении согласно фиг.3, система 300 включает ряд баков 321 с водой, из которых вода подается в приготавливающее гель устройство 323. Устройство 323 смешивает воду из баков 321 с гелеобразующим веществом и образует гель, который подается в мешалку 325, где он смешивается с расклинивающим наполнителем из питателя расклинивающего наполнителя 327 и образует грязный поток, в данном случае жидкость для гидравлического разрыва пласта. Пример расклинивающего наполнителя - гранулы песка, покрытые смолой гранулы песка, производные молочной кислоты или прочные керамические материалы, такие как спеченные бокситы, а также другие подходящие расклинивающие наполнители.
Раствор затем подается под низким давлением, например, 60-120 фунт./кв.дюйм (от 413 кПа до 827 кПа) из мешалки 325 к «грязным» насосам 301', как показано сплошными линиями 312′, и подается из насосов 301' при высоком давлении в общий коллектор 310, как показано пунктирными линиями 314'.
Чистый поток 305, содержащий воду из водяных баков 321, нагнетается при небольшом давлении, например, 60-120 фунт./кв.дюйм (от 413 кПа до 827 кПа), напрямую в «чистые» насосы 301 промежуточным насосом 331, как показано сплошными линиями 312, и поступает из насосов под высоким давлением в коллектор 310, как показано пунктирными линиями 314. Коллектор 310 принимает чистый поток и грязный поток и направляет их смесь, которая образует жидкость для гидравлического разрыва пласта, в ствол 122 скважины, как показано сплошной линией 315.
Если система 300 на фиг.3 использовалась бы вместо системы 200, показанной на фиг.2 (то есть, в скважине 120, где требуется мощность в 10000 лошадиных сил (7,45 МВт)) и предполагая, что каждый «чистый» насос 301 и каждый «грязный» насос 301' включает в себя двигатель 106 с максимальной эффективной мощностью в 2250 лошадиных сил (1,68 МВт), то, как и в насосной системе 200 согласно фиг.2, каждый двигатель 106 в каждом «чистом» насосе и «грязном» насосе может работать при эффективной мощности в 1030 лошадиных сил (0,767 МВт) для обеспечения требуемых 10000 лошадиных сил (7,45 МВт) для закачивания жидкости для гидравлического разрыва пласта. Так же, как и в системе насосов 200 на фиг.2, общее число насосов 301/301' в системе 300 на фиг.3 может быть снижено, если двигатели 106 насосов работают при большей эффективной мощности. Например, если один «чистый» насос или один «грязный» насос откажет, оставшиеся насосы могут работать с большей скоростью, чтобы компенсировать отсутствие отказавшего насоса. В дополнение, компьютеризованная система 329 контроля может использоваться для управления всей системой 300 на продолжении операции разрыва пласта.
3
3
В системе 300, показанной на фиг.3, «чистые» насосы 301 не подвержены воздействию расклинивающего наполнителя. В результате, согласно оценке, срок службы «чистых» насосов 301 в системе 300 в десять раз превышает срок службы насосов 201 из системы 200 с фиг.2. Однако, чтобы компенсировать отсутствие расклинивающего наполнителя в жидкости, поступающей и выходящей из «чистых» насосов 301, «грязные» насосы 301' в системе 300 подвержены большей концентрации расклинивающего наполнителя, чтобы добиться того же эффекта, что и у системы насосов 200. Это означает, что для операции, требующей концентрации расклинивающего наполнителя около 2 фунтов на галлон (239,6 кг/м), при прокачивании через насосы 201 (фиг.2) для «грязных» насосов 301' в системе 300 потребуется прокачивание жидкости с концентрацией расклинивающего наполнителя около 10 фунтов на галлон (1198,3 кг/м). В результате, согласно оценке, продолжительность службы «грязных» насосов 301' составит примерно 0,2 от срока службы насосов 201 из системы 200.
Однако, сравнивая насосные системы 200 и 300 и предполагая, что общее количество насосов в каждой системе одинаково при той же концентрации расклинивающего наполнителя и той же мощности в лошадиных силах, восемь «чистых» насосов в системе 300, имеющих срок службы приблизительно в десять раз больше, чем у насосов 201 в системе 200, заметно превосходят по сроку службы два «грязных» насоса 301' в системе 300, который составляет для последних примерно 0,2 от срока службы насосов 201 в системе 200. Таким образом, общий срок службы системы насосов 300 заметно превышает срок службы системы насосов 200.
Предполагается, что система насосов 300 используется на скважине 120, требующей мощность в 10000 гидравлических лошадиных сил (7,45 МВт). Это предполагается только для сравнения того, как система 300 работает по сравнению с системой 200 на той же скважине 120. Эти требующиеся 10000 гидравлических лошадиных сил (7,45 МВт) предполагаются для насосных систем 500, 700, 900 (описанных ниже) для аналогичной цели. Однако, как описано ниже, следует понимать, что любая насосная система 300, 500, 700, 900, 1200 может подать любую желательную гидравлическую мощность в скважину. Например, различные скважины могут иметь потребность в гидравлической мощности от 500 до 100000 лошадиных сил (от 0,373 МВт до 74,6 МВт) и даже больше.
Таким образом, хотя на фиг.3 показана система 300, состоящая из восьми «чистых» насосов 301 и двух «грязных» насосов 301′, в альтернативном исполнении система 300 может иметь любое подходящее количество «грязных» насосов 301' и любое количество «чистых» насосов 301, в зависимости от требуемой мощности в лошадиных силах, необходимой для скважины 120, процента загрузки двигателей 106 насосов и количества расклинивающего наполнителя, который необходимо закачать.
Также заметьте, что хотя в осуществлении согласно фиг.3 показаны два «грязных» насоса 301', система 300 может включать больше и даже меньше, чем два «грязных» насоса 301', причем, чем меньше «грязных» насосов 301' имеет система 300, тем больше концентрация расклинивающего наполнителя в жидкости, которую должен перекачивать насос 301′; результатом повышенной концентрации расклинивающего наполнителя может быть значительное сокращение срока службы «грязных» насосов 301'. С другой стороны, чем меньше используется «грязных» насосов 301', тем больше «чистых» насосов можно использовать для достижения того же результата, и, как указано выше, ожидаемое снижение срока службы «грязных» насосов значительно перекрывается увеличенным сроком службы «чистых» насосов 301.
В исполнении согласно фиг.3 показаны два «грязных» насоса 301'. Хотя система 300 могла бы работать только с одним «грязным» насосом 301', в данном исполнении система 300 включает два «грязных» насоса 301', так, чтобы при отказе одного из «грязных» насосов можно было бы удвоить концентрацию расклинивающего наполнителя для компенсации отсутствия отказавшего насоса.
Хотя система 300 (фиг.3) достигает цели увеличения общего срока службы системы по сравнению со сроком службы системы 200 (фиг.2), в системе 300 по-прежнему используются плунжерные насосы. Хотя это решение является полностью приемлемым, проблема с плунжерными насосами заключается в том, что они непрерывно перемещаются между условиями работы с высоким и низким давлением. То есть, когда плунжер движется в направлении от нагнетательной части, давление в ней уменьшается, а когда плунжер движется по направлению к нагнетательной части, давление в ней становится высоким. Этот перепад давлений на нагнетательной части подвергает ее (а также ее внутренние компоненты) большим напряжениям, которые могут привести к усталостным дефектам нагнетательной части.
В дополнение, плунжерные насосы создают пульсации крутящего момента и пульсации давления, причем эти пульсации зависят от числа плунжеров в насосе, и чем больше число плунжеров, тем меньше пульсации. Однако, повышение числа плунжеров ведет к значительному увеличению стоимости в результате усиления механической сложности и повышения стоимости замены клапанов, седел клапанов, набивок, плунжеров и т.п. С другой стороны, пульсации, создаваемые плунжерными насосами, являются основной причиной отказов трансмиссии 110, которые происходят достаточно часто, и трансмиссию 110 еще сложнее заменить, чем нагнетательную часть 108 насоса, при этом эти операции сопоставимы по цене.
Пульсации давления в плунжерном насосе достаточно велики, чтобы, если система насосов высокого давления войдет в резонанс, части системы насосов отказали бы за один цикл работы. Это означает катастрофическое разрушение таких компонентов, как коллектор и обрабатывающие элементы. Эта проблема пульсации давления даже ухудшается, когда несколько насосов работают при одной и той же или близкой скорости. Таким образом, в системе, использующей многочисленные плунжерные насосы, необходимо предпринимать значительные усилия, чтобы все насосы работали при разных скоростях для предотвращения резонанса и потенциального катастрофического разрушения.
Многоступенчатые центробежные насосы, с другой стороны, могут получать жидкость при низком давлении и выдавать ее при высоком давлении, при этом их внутренние компоненты подвергаются практически постоянному давлению с минимальными отклонениями на каждой ступени по их длине. Отсутствие больших перепадов давления означает, что корпус повышенного давления центробежного насоса не испытывает разрушительных воздействий во время перекачивания жидкости. В результате, при перекачивании чистой жидкости, многоступенчатый центробежный насос имеет больший срок службы и более низкие рабочие издержки, чем плунжерный насос. К тому же, системы многоступенчатых центробежных насосов постепенно изнашиваются и теряют эффективность, в отличие от плунжерных насосов и их трансмиссии, где эти процессы происходят катастрофически. Таким образом, в некоторых ситуациях при перекачке чистой жидкости желательнее применять многоступенчатые центробежные насосы, чем плунжерные насосы.
На фиг.4 показан пример многоступенчатого центробежного насоса 424. В насос 424 поступает жидкость через входную трубу 426 при низком давлении, и жидкость под высоким давлением выходит из выходной трубы 428, причем жидкость проходит (как показано стрелками) вдоль длинной цилиндрической трубы или цилиндра 430, в которой расположен ряд рабочих колес или роторов 432. Таким образом, поскольку жидкость последовательно проходит через ряд последовательных рабочих колес 432, ее давление все больше и больше повышается, и давление на выходе значительно превышает давление на входе. Для создания многоступенчатого центробежного насоса с большим выходным давлением может быть увеличен диаметр рабочих колес 432 или их число (также обозначаемое как число ступеней насоса).
Таким образом, может быть желательным создание насосной системы согласно фиг.3, но с использованием многоступенчатых центробежных насосов в качестве «чистых» насосов вместо использования плунжерных насосов в качестве «чистых» насосов. Такая конфигурация представлена в виде насосной системы 500 на фиг.5. Многие части насосной системы 500 могут работать аналогично тому, как описано выше в отношении системы 300 на фиг.3. Поэтому, работа системы 500 может осуществляться таким же способом, что и работа системы 300, описанная выше, и поэтому она не описана здесь во избежание повторения. Однако, как упомянуто выше, разница между системой 500 и системой 300 заключается в том, что «чистые» насосы 501 насосной системы 500 представляют собой многоступенчатые центробежные насосы, а не плунжерные насосы.
В этом варианте выполнения, каждый «чистый» насос 501 может иметь такую же или похожую конфигурацию, как многоступенчатый центробежный насос 501, показанный на фиг.6. Многоступенчатый центробежный насос 501 установлен на стандартном трейлере 102 для простоты перемещения при помощи тягача 104. Многоступенчатый центробежный насос 501 включает первичный двигатель 506, который приводит в действие рабочие колеса насоса через коробку 511 передач. Также к первичному двигателю 506 присоединен радиатор 514, предназначенный для охлаждения первичного двигателя 506. В дополнение, многоступенчатый центробежный насос 501 включает в себя четыре цилиндра 530 центробежного насоса, соединенных последовательно через внутренний коллектор 509 высокого давления. В данном исполнении каждый цилиндр 530 насоса содержит сорок рабочих колес диаметром около 5-11 дюймов (127-279 мм). Вариант цилиндра 530 производится компанией Reda Pump Co., Сингапур (например, цилиндр Reda 675 серии HPS с 40 ступенями).
В одном из выполнений первичный двигатель 506 каждого многоступенчатого центробежного насоса 501 из системы 500 является дизельным двигателем с максимальной эффективной мощностью в 2250 лошадиных сил (1,45 МВт), который, если учесть потери (характерная величина которых составляет 30% для многоступенчатых насосов при операции гидравлического разрыва пласта), позволяет каждому «чистому» насосу 501 системы 500 передать максимально 1575 лошадиных сил (1,01 МВт) закачиваемой жидкости. Таким образом, чтобы подать к жидкости разрыва 10000 лошадиных сил (6,47 МВт) (предполагая, что каждый «грязный» насос 301' передает около 1000 гидравлических лошадиных сил (0,647 МВт) (как предполагается в насосных системах 200 и 300 с фиг.2 и 3), для насосной системы 500 с фиг.5 потребуется шесть многоступенчатых центробежных насосов 501, каждый из которых передает жидкости 1575 лошадиных сил (1,01 МВт), что в сумме дает 11450 лошадиных сил (7,41 МВт).
Дополнительные 1450 лошадиных сил (0,938 МВт) сверх требуемых 10000 лошадиных сил (6,47 МВт) позволяют в случае отказа одного из насосов 501, 301' в системе насосов 500 с фиг.5, остальным насосам 501, 301' компенсировать его простой и/или «чистые» насосы могут работать не в полную мощность. Отметьте, однако, что поскольку многоступенчатые центробежные насосы 501 не включают в себя трансмиссию, они могут работать в полную мощность без опасности отказа. Поэтому, чтобы система 500 перекачивала жидкость с той же концентрацией расклинивающего наполнителя при той же гидравлической мощности в лошадиных силах, что и система 200 с фиг.2, в сумме потребуется на два насоса меньше. К тому же, «чистые» насосы 501 системы 500 будут иметь больший срок службы, чем насосы 201 системы 200.
На фиг.7 показано исполнение, аналогичное показанному на фиг.5, но при другой конфигурации «чистых» насосов 701. Многие секции системы 700 могут, вообще говоря, работать в том же режиме, что и система 300 с фиг.3. Поэтому, операции системы 700, которые аналогичны операциям, описанным выше в отношении системы 300, не изложены здесь, чтобы избежать повторения. Однако, как упомянуто выше, разница между системой 700 и системой 300 заключается в том, что «чистые» насосы 701 системы 700 являются многоступенчатыми центробежными насосами, а не плунжерными насосами. В дополнение, хотя «чистые» насосы 501, 701 в системах 500, 700 являются многоступенчатыми центробежными насосами, многоступенчатые центробежные насосы системы 700 имеют иную конфигурацию, чем многоступенчатые центробежные насосы системы 500.
Например, в соответствии с исполнением с фиг.7, каждый «чистый» насос 701 может иметь ту же или аналогичную конфигурацию, как и многоступенчатый центробежный насос 701, показанный на фиг.8. Как показано на фиг.8, многоступенчатый центробежный насос 701 установлен на стандартном трейлере 102 для простоты транспортировки тягачом 104. Многоступенчатый центробежный насос 701 приводится в действие первичным двигателем 706, который вращает содержащиеся в насосе рабочие колеса через коробку 711 передач и раздаточную коробку 713. В дополнение, многоступенчатый центробежный насос 701 содержит два цилиндра 730, соединенных последовательно через внутренний коллектор 709. В данном исполнении каждый цилиндр 730 содержит 76 рабочих колес, диаметр которых составляет 5-11 дюймов (127-279 мм). Вариант такого цилиндра 730 доступен на рынке от компании Reda Pump Co., Сингапур (например, Reda серии 862 HM520AN HPS насосная труба с 76 ступенями).
В одном из выполнений, первичный двигатель 706 в каждом многоступенчатом центробежном насосе 701 в системе 700 с фиг.7 является электрическим двигателем с максимальной эффективной мощностью в 3500 лошадиных сил (2,61 МВт), что с учетом потерь (обычно около 30% для многоступенчатых центробежных насосов в операции гидравлического разрыва пласта) позволяет каждому «чистому» насосу 701 в системе насосов 700 доставлять максимально 2450 гидравлических лошадиных сил (1,83 МВт) к жидкости для разрыва. Таким образом, с тем, чтобы довести 10000 гидравлических лошадиных сил (7,46 МВт) до жидкости для разрыва, предполагая, что каждый «грязный» насос 301' подает примерно 1000 лошадиных сил (0,746 МВт) к жидкости для разрыва (как предполагается в насосных системах 200 и 300 с фиг.2 и 3), для насосной системы 700 с фиг.7 понадобится четыре многоступенчатых центробежных насоса 701, каждый из которых подает 2450 гидравлических лошадиных сил (1,83 МВт), чтобы в сумме обеспечить около 11880 гидравлических лошадиных сил (8,86 МВт).
Дополнительно доступные 1880 гидравлических лошадиных сил (1,40 МВт) свыше требуемых 10000 лошадиных сил (7,46 МВт) позволяют при отказе одного из насосов 701, 301' из системы 700 остальным насосам 701, 301' компенсировать простой отказавшего насоса и/или позволяют «чистым» насосам 701 работать не в полную мощность. Отметьте, однако, что, поскольку многоступенчатые центробежные насосы 701 с фиг.7 не содержат трансмиссии, они могут работать в полную мощность без опасения отказа. Таким образом, чтобы система насосов 700 перекачивала жидкость при той же концентрации расклинивающего наполнителя и при той же мощности в гидравлических лошадиных силах, как и система насосов 200, требуется общее количество насосов на четыре меньше. В дополнение, срок службы «чистых» насосов 701 из системы 700 ожидается больше, чем у насосов 201 из системы 200.
На фиг.9 показан вариант выполнения изобретения, похожий на показанный на фиг.5, но при отличающейся конфигурации «чистых» насосов 901. Отметьте, что многие секции системы 900 могут работать аналогично системе 300 с фиг.3. Поэтому операции системы насосов 900, которые аналогичны операциям, описанным выше в отношении системы насосов 300, не описываются здесь во избежание повторения. Однако, как было упомянуто выше, разница между системой 900 и системой насосов 300 заключается в том, что «чистые» насосы 901 системы 900 являются центробежными многоступенчатыми насосами, а не плунжерными насосами. В дополнение, хотя «чистые» насосы 501, 901 из систем 500, 900 с фиг.5 и 9 представляют собой многоступенчатые центробежные насосы, многоступенчатые центробежные насосы системы 900 имеют иную конфигурацию, чем многоступенчатые центробежные насосы системы 500.
Например, в выполнении согласно фиг.9, каждый «чистый» насос 901 может иметь ту же или аналогичную конфигурацию, что и многоступенчатый центробежный насос 901, показанный на фиг.10. Как показано на фиг.10, многоступенчатый центробежный насос 901 смонтирован на стандартном трейлере 102, чтобы его было легко транспортировать тягачом 104. Многоступенчатый центробежный насос 901 включает первичный двигатель 906, который вращает рабочие колеса, расположенные в насосе, через коробку 911 передач. В дополнение, многоступенчатый центробежный насос 901 включает два цилиндра 930, соединенных последовательно при помощи коллектора 909 высокого давления. В данном исполнении каждый цилиндр насосов 930 содержит 76 рабочих колес, диаметр которых составляет от 5 до 11 дюймов (127-279 мм). Вариант такого цилиндра 930 доступен на рынке от компании Reda Pump Co., Сингапур (например, Reda серии 862 HM520 AN HPS с 76 ступенями).
В одном выполнении, первичный двигатель 906 в каждом многоступенчатом центробежном насосе 901 из системы 900 является турбинным двигателем с максимальной эффективной мощностью в 3500 лошадиных сил (2,61 МВт), или, при учете потерь (типично 30% для многоступенчатого центробежного насоса при операции гидравлического разрыва пласта), каждый «чистый» насос 901 в системе 900 подает гидравлическую мощность около 2450 лошадиных сил (1,83 МВт) к жидкости для разрыва. Поэтому, чтобы подать гидравлическую мощность в 10000 лошадиных сил (7,46 МВт) к жидкости, предполагая, что каждый «грязный» насос 301' подает гидравлическую мощность около 1000 лошадиных сил (0,746 МВт) (как предполагается в системах насосов 200 и 300 с фиг.2 и 3), насосная система 900 потребует четыре многоступенчатых центробежных насоса 901, каждый из которых подает гидравлическую мощность 2450 лошадиных сил (1,83 МВт), причем общая гидравлическая мощность составляет 11880 лошадиных сил (8,86 МВт).
Дополнительно доступные 1880 лошадиных сил гидравлической мощности (1,40 МВт) сверх требуемых 10000 лошадиных сил гидравлической мощности (7,46 МВт) позволяют при отказе одного из насосов 901, 301' в системе 900 остальным насосам 901, 301' компенсировать этот отказ и/или позволить «чистым» насосам 901 работать при неполной мощности. Поскольку многоступенчатые центробежные насосы 901 не имеют трансмиссии, они могут работать при полной мощности без угрозы отказа. Таким образом, при перекачивании жидкости с той же концентрацией расклинивающего наполнителя и при той же гидравлической мощности насосная система 900 может иметь на четыре насоса меньше, чем насосная система 200. В дополнение, срок службы «чистых» насосов 901 из насосной системы 900 ожидается больше, чем срок службы насосов 201 из насосной системы 200.
Хотя в выполнениях на фиг.5, 7, 9 цилиндры 530, 730, 930 показаны соединенными последовательно, в альтернативных выполнениях цилиндры 530, 730, 930 в любом из указанных выполнений могут быть соединены параллельно или в любых комбинациях параллельного и последовательного соединения. Однако, преимуществом последовательного соединения цилиндров является то, что жидкость выходит из каждого последующего цилиндра при повышенном давлении, в то время как у параллельно соединенных цилиндров жидкость покидает их при одном и том же давлении.
Насосы с перемещающейся полостью имеют характеристики, очень близкие к многоступенчатым центробежным насосам, и поэтому может быть желательно использовать их в системах насосов, выполненных согласно настоящему изобретению. На фиг.11 показан пример насоса 1140 с перемещающейся полостью. Насос 1140 получает жидкость через входной патрубок 1142 при низком давлении и выдает жидкость через выходной патрубок 1144 при высоком давлении, причем жидкость проходит вдоль длинной цилиндрической трубы или цилиндра 1130, имеющей ряд витков 1146 винта (на которые также ссылаются как на повороты или ступени). Таким образом, по мере продвижения жидкости с каждым последовательным витком 1146 винта, ее давление все время повышается, пока она не выходит из насоса 1140 при значительно более высоком давлении, чем она поступала в него. Для увеличения выходного давления насоса необходимо увеличить диаметр витков 1146 и/или число витков 1146 (также известное как число ступеней насоса). Подходящие насосы с перемещающейся полостью для операций с нефтяной скважиной, таких как гидравлический разрыв пласта, включают в себя насосы Moyno 962ERT6743 и Moyno 108-T-315, а также другие подходящие насосы.
Таким образом, в любом из вышеописанных вариантов «чистые» насосы 301 могут быть заменены на насосы с перемещающейся полостью, которые могут работать с большой концентрацией твердого материала, такого как расклинивающий элемент в типичной операции по гидравлическому разрыву пласта. Соответственно, в любом вышеописанном варианте «грязные» насосы 301' могут быть заменены на насосы с перемещающейся полостью. В дополнение, в любом вышеописанном исполнении, «чистые» насосы могут включать в себя любую комбинацию плунжерных насосов, многоступенчатых центробежных насосов и насосов с перемещающейся полостью; аналогично «грязные» насосы могут включать в себя любую комбинацию плунжерных насосов, многоступенчатых центробежных насосов и насосов с перемещающейся полостью.
Каждая из вышеописанных систем 200, 300, 500, 700, 900, как предполагается, требует для соответствующей скважины 120 гидравлическую мощность в 10000 лошадиных сил (7,46 МВт). Такое предположение делается для того, чтобы можно было напрямую сравнить системы 200, 300, 500, 700, 900 между собой. Однако, в каждой системе 300, 500, 700, 900, описанной выше, общий выход гидравлической мощности может быть повышен/понижен при использовании первичного двигателя 106, 506, 706, 906 большей/меньшей производительности, а также за счет изменения общего числа насосов в системе. Учитывая эти модификации, каждая система 300, 500, 700, 900, описанная выше, может иметь гидравлическую мощность от 500 до 100000 гидравлических лошадиных сил (от 0,373 МВт до 74,6 МВт), а если понадобится, и больше.
В различных исполнениях, первичный двигатель 106, 506, 706, 906 в любой вышеописанной системе 300, 500, 700, 900 может представлять собой дизельный двигатель, газотурбинный двигатель, паровую турбину, электрический двигатель переменного или постоянного тока. В дополнение к этому, любой из первичных двигателей 106, 506, 706, 906 может иметь надлежащую регулировку мощности.
На фиг.12 представлено еще одно выполнение насосной системы 1200 в соответствии с настоящим изобретением, в котором нагнетаемая жидкость (например, жидкость для гидравлического разрыва пласта) делится на чистый поток 305, преимущественно содержащий воду, перекачиваемую одним или несколькими «чистыми» насосами 1201, и грязный поток 305', содержащий твердый материал в жидком носителе (например, расклинивающий наполнитель в геле), перекачиваемый одним или несколькими «грязными» насосами 1201'.
В выполнении согласно фиг.12, «чистые» насосы 1201 могут работать так же, как «чистые» насосы 301, 501, 701, 901, описанные выше, и поэтому могут содержать один или несколько плунжерных насосов 301, один или несколько многоступенчатых центробежных насосов 501, 701, 901, один или несколько насосов 1140 с перемещающейся полостью, а также любую походящую комбинацию указанных насосов. Аналогично «грязные» насосы 1201' могут работать так же, как любые «грязные» насосы 301, 501, 701, 901, описанные выше, и поэтому могут содержать один или несколько плунжерных насосов 301, один или несколько многоступенчатых центробежных насосов 501, 701, 901, один или несколько насосов 1140 с перемещающейся полостью, а также любую походящую комбинацию указанных насосов.
Однако, в отличие от вышеуказанных выполнений, в насосной системе 1200, «чистые насосы 1201 могут располагаться на удалении от «грязных» насосов 1201', 1201”. В дополнение к этому, «чистые» насосы 1201 могут использоваться для подачи чистой жидкости в несколько скважин. Например, согласно фиг.12, «чистые» насосы показаны на удалении от стволов 1222 и 1222' первой скважины 1220 и второй скважины 1220', но подают в них чистую жидкость. Такая конфигурация значительно снижает занимаемую территорию вокруг скважин 1218 и 1218”, поскольку только один набор «чистых» насосов 1201 используется для работы с обеими скважинами 1222 и 1222”.
В альтернативных выполнениях «чистые» насосы 1201 могут быть смонтированы в удалении и соединены с единственной скважиной или соединены на удалении с любым желательным числом многочисленных скважин, причем каждая скважина либо соединена напрямую с одним или несколькими предназначенными для нее «грязными» насосами, либо соединена с одним или несколькими удаленными «грязными» насосами. В последующих выполнениях один или несколько «грязных» насосов могут быть соединены на удалении с единственной скважиной или соединены на удалении с любым числом скважин. Также, линии 1250 и 1250” скважины, используемые для соединения насосов 1201, 1201', 1201” со стволами 1222, 1222” скважин могут применяться в качестве линии продукта, когда желательно получить продукт из скважины. В одном из выполнений, «чистые» насосы 1201 могут быть удалены от скважины (от скважин) 1222, 1222', в которые они подают чистую жидкость на любое расстояние от одной тысячи футов (305 метров) до нескольких миль (нескольких километров).
Хотя в вышеописанных вариантах выполнения изобретения раскрыты системы насосов, которые используют «грязные» насосы для перекачивания жидкости, предназначенной для гидравлического разрыва пласта, в любом выполнении насосной системы, описанном выше, «грязные» насосы могут использоваться для перекачивания любой жидкости или газа, которые оказывают большее коррозионное влияние на «грязные» насосы, чем вода, такие как кислоты, нефть, нефтепродукты (такие, как дизельное топливо), жидкая двуокись углерода, жидкий пропан, жидкие углеводороды с низкой точкой кипения, двуокись углерода, азот и прочие.
В дополнение, «грязные» насосы в любом вышеописанном выполнении могут использоваться для перекачивания второстепенных добавок, предназначенных для изменения характеристик перекачиваемой жидкости, таких, как материалы, предназначенные для увеличения способности жидкости переносить твердый материал, стабилизаторы пены, материалы для изменения рН, антикоррозионные материалы и/или прочие субстанции. Также, «грязные» насосы в любом из вышеописанных выполнений могут использоваться для перекачивания иного твердого материала, чем расклинивающий наполнитель, такой как частицы, волокна и материалы специальной формы, среди прочих. В дополнение, как «чистые» насосы, так и «грязные» насосы в любом выполнении, указанном выше, могут использоваться для перекачивания химикатов для модификации продукта, которые используются для изменения характеристик формируемого в скважине жидкого продукта, таких как ингибитор образования отложений, вспенивающий агент для буровых растворов, а также другие подходящие для модификации продукта химикаты.
Предыдущее описание было представлено со ссылкой на предпочтительные выполнения изобретения. Специалистам в данной области техники, для которых предназначено данное изобретение, понятно, что изменения в описанных конструкциях и методах могут быть сделаны без отклонения от принципов и объема данного изобретения. Аналогично, предыдущее описание не следует читать как имеющее отношение только к конкретным схемам, представленным на прилагаемых чертежах, но оно должно трактоваться в соответствии с последующей формулой изобретения, в которой определен ее полный и точный смысл.