СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ И УСТАНОВКА ДЛЯ ДОСТАВКИ НЕВОДНОЙ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ГИДРОРАЗРЫВА Российский патент 2018 года по МПК E21B43/267 E21B21/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Описана система регулирования и связанные с ней методика и установка для реализации способа с эдуктором-смесителем, который обеспечивает возможность инжектирования проппантного материала в неводный поток текучей среды гидроразрыва, используемый при операциях гидравлического разрыва пласта. Система и установка включают в себя эдуктор, герметичный сосуд, который служит резервуаром для проппанта, систему клапанов, расположенную между эдуктором и герметичным сосудом, и систему регулирования давления для изменения давления в герметичном сосуде с проппантом в ходе операции гидроразрыва. В системе регулирования используется сочетание положения регулировочного клапана и давления в резервуаре для проппанта для корректировки и задания скорости подачи проппанта в эдуктор для смешивания с неводной текучей средой и для регулирования концентраций проппанта в потоке текучей среды гидроразрыва.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Использование диоксида углерода для повышения добычи нефти и газа из пластов хорошо известно. Гидроразрыв на основе сжиженного газа является уникальным по сравнению с использованием традиционных текучих сред, таких как вода, и имеет определенные преимущества в пластах, чувствительных к воздействию воды и с низким давлением, включая стимулирование обратного потока текучей среды (т.е. извлечения воды/текучей среды, использованной при проведении гидроразрыва), что сводит к минимуму повреждение пласта, вызванное водой. См. Michael J. Economides, T. M. (2007). Modern Fracturing: Enhancing Natural Gas Production. (S. Weiss, Ed.) Houston, Texas, USA: Energy Tribune Publishing Inc. LCO₂, используемый при проведении гидроразрыва, обычно добавляется к высоконапорному потоку из воды и проппанта (обычно твердых частиц, таких как песок, полимерные гранулы, маркеры, гравий, и т.д. различных размеров и плотности) в устье скважины. Объединение воды с проппантом и добавление отдельного потока сжатого LCO₂ является наиболее обычным способом образования текучей среды гидроразрыва, активизированной CO₂. В значительной степени это объясняется тем, что проще смешивать проппант с водой при атмосферном давлении, чем добавлять проппант в жидкий диоксид углерода при давлении выше тройной точки углекислого газа (т.е. более 75,1 фунт/кв.дюйм абс. (0,52 МПа абс.)).

[0003] Оборудование является доступным и может использоваться для небольших операций гидроразрыва (например, чтобы поместить приблизительно до 20 тонн проппанта) для смешивания проппанта непосредственно с текучей средой гидроразрыва на основе жидкого диоксида углерода. Данное оборудование включает в себя находящийся под давлением сосуд и распределительную систему, которая осуществляет смешивание проппанта в потоке жидкого СО₂ до подачи в насосы высокого давления. Проппант загружают в смеситель CO₂. Смеситель герметизируют и после этого заполняют CO₂. В процессе гидроразрыва проппант смешивается с текучей средой гидроразрыва с помощью шнеков с гидравлическим приводом или самотеком через регулировочный клапан. См. Michael J. Economides, T. M. (2007). Modern Fracturing: Enhancing Natural Gas Production. (S. Weiss, Ed.) Houston, Texas, USA: Energy Tribune Publishing Inc. Как только порция LCO₂ и проппанта исчерпана, проведение гидроразрыва должно быть закончено или приостановлено для пополнения смесителя дополнительным проппантом.

[0004] Предыдущие попытки, как описано в патенте US 4374545, предусматривают периодический процесс создания суспензии гидроразрыва из проппанта и LCO₂. Каждый модуль способен дозировать до 20 тонн проппанта одного типа и производит регулирование подачи проппанта с помощью использования дозирующего шнека. Добавление LCO₂ в нижнюю часть сосуда позволяет текучей и не содержащей пара суспензии проппанта покидать систему, а также поддерживает давление в сосуде.

[0005] Другая система описана в патентах US 8408289 и US 8689876, которые иллюстрируют вертикальный сосуд, где проппант дозируется в СНГ (сжиженный нефтяной газ), служащий базовой текучей средой гидроразрыва. Заполнение проппантом меняется в потоке текучей среды гидроразрыва, содержащей СНГ, за счет использования силы тяжести (посредством регулировочного клапана) или с помощью одного или более шнеков, расположенных внутри и вдоль нижней части источника подачи проппанта, или расположенных за пределами источника подачи проппанта. Инертный газ (в виде азота) закачивается в сосуд во время работы для поддержания давления в сосуде, чтобы гарантировать, что смесь СНГ останется в жидкой фазе для предотвращения обратного потока в сосуд.

[0006] Немеханический насос, такой как эдуктор, может использоваться для смешивания проппанта в потоке текучей среды гидроразрыва. Немеханические насосы имеют преимущество отсутствия движущихся частей, обычно имеют низкую стоимость и простые компоненты оборудования, и уже широко используются при введении соответствующего материала. Например, международная публикация WO 2012087388 описывает эдукторную систему для введения и смешивания полимерных добавок в потоке текучей среды гидроразрыва.

[0007] Основное применение жидкостного эдуктора для перемещения и смешивания твердых частиц в значительной степени определяется отношением движущего потока (т.е. входящего потока текучей среды в эдуктор (без добавления проппанта)) к скорости увлечения твердых частиц для регулирования концентрации твердых частиц. По мере того, как жидкости проходят через сужающееся сопло эдуктора, потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию, в результате чего образуется струйный поток с высокой скоростью. Данное изменение в энергии приводит к локализованному снижению статического давления, что создает всасывание в корпусе эдуктора. Это всасывание позволяет материалу втягиваться в эдуктор и увлекаться текучей средой (LCO₂ и т.д.). Эдуктор служит двойной цели: смешиванию в сопле, а также втягиванию материала в текучую среду с обеспечением тщательного перемешивания. В более традиционных способах, таких как использование песка или аналогичного проппантного материала для получения суспензий на водной основе, вязкостные свойства воды способствуют втягиванию твердых материалов в корпус эдуктора, где происходит всасывание. Сложности появляются, когда необходимо создать суспензию твердых частиц в текучей среде с относительно низкой вязкостью (по сравнению с водой), такой как жидкий диоксид углерода (LCO₂). Настоящее изобретение удовлетворяет потребность добавления проппанта в такие текучие среды на основе более полного регулирования, обеспечивая доставку однородной текучей среды гидроразрыва к насосным установкам высокого давления перед закачиванием в устье скважины.

[0008] Система и способ, описанные в патенте US 7735551, используются для смешивания газообразного азота с проппантом для гидроразрыва подземного нефтегазоносного или угольного пласта. Смешивание проппанта и газа происходит при давлении, достаточном для гидроразрыва пласта. В одном варианте осуществления используется эдуктор для введения проппанта в парообразный поток, причем эдуктор находится в сообщении со стволом скважины. Проппантный материал или подается под действием силы тяжести из резервуара для проппанта в эдуктор с помощью регулировочного клапана, или подача регулируется с помощью шнека. Описанная система предусматривает использование или положения клапана или скорости шнека для регулирования поступления проппанта в парообразный поток для достижения заданных заполнений проппантом. Давление в головном пространстве резервуара для проппанта поддерживается на постоянном уровне во время всей стимуляции.

[0009] Для преодоления недостатков предшествующего уровня техники задачей настоящего изобретения является создание механизма регулирования для обеспечения функционирования системы доставки проппанта в сжиженный газ, такой как LCO₂, для целей гидроразрыва подземного пласта. Хотя описываемый в настоящем документе сжиженный газ относится к LCO₂, в качестве примера он может быть сочетанием несмешивающихся и смешивающихся текучих сред, таких СО₂ и метанол, CO₂ и биодизель, или CO₂ и вода. В частности, разработанный механизм регулирования использует эдуктор вместе с регулировочным клапаном проппанта и подушечным давлением (как определено ниже) в резервуаре для проппанта для регулирования заполнения проппантом при заданных концентрациях по существу равномерным образом.

[00010] Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение системы, предназначенной для смешивания проппанта и текучей среды гидроразрыва при давлениях, существенно более низких, чем поверхностное давление обработки (например, на уровне или ниже 400 фунт/кв. дюйм (2,76 МПа)).

[0011] Еще одной задачей настоящего изобретения является создание системы, в которой эдуктор может использоваться вместе с жидкостью, и при этом указанная система не использует шнек для целей дозирования проппанта в текучую среду гидроразрыва.

[0012] Другие цели и аспекты настоящего изобретения станут очевидны специалисту в данной области после рассмотрения описания, чертежей и формулы изобретения, приводимых ниже.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] Настоящее изобретение описывает систему и связанную с ней установку для изменения скоростей увлечения проппанта сжиженным газом или жидкостью с относительно низкой вязкостью (т.е. меньше, чем у воды при 1 сантипуаз (сП)), (например, диоксидом углерода), использующую эдуктор. В частности, в данной системе применяется резервуар для проппанта, система клапанов, эдуктор и источник давления для создания надлежащей концентрации проппанта в движущемся потоке текучей среды гидроразрыва для использования при стимулировании подземных пластов, например, новых и существующих нефтегазовых скважин. Шнек не используется для дозирования проппанта в настоящем изобретении. Сосуд изолируют от атмосферы для достижения надлежащего изменения давления. Рабочее давление оборудования в настоящем изобретении, включающем в себя резервуар для проппанта и эдуктор, находится в диапазоне от примерно 100 до 400 фунт/кв. дюйм (0,69-2,76 МПа).

[0014] Эдуктор твердых частиц - транспортирующей жидкости используется для смешивания и ускорения проппанта внутри основного жидкостного потока. Эдуктор может варьировать в размерах (с различными соплами и хвостовой частью), чтобы приспособиться к скоростям потока, необходимым для конкретной скважины. После того, как определено требующееся количество движущего потока, реализуется система регулирования. Система регулирования использует по меньшей мере один клапан для регулирования потока проппанта из одного или более находящихся под давлением резервуаров для проппанта в эдуктор; посредством этого осуществляется смешивание материала с движущим потоком. Газ и/или жидкость подаются в верхнюю часть резервуара для проппанта для регулирования статического давления (как определено ниже) в резервуаре для проппанта. Изменение статического давления в резервуаре для проппанта расширяет спектр достижимых скоростей поступления проппанта из резервуара в эдуктор.

[0015] В одном аспекте изобретения предложен способ регулирования концентрации проппанта в текучей среде гидроразрыва, которая используется при стимуляции подземного пласта. Способ включает в себя:

[0016] подачу потока движущей текучей среды из сжиженного газа при давлении от примерно 150 до 400 фунт/кв.дюйм изб. (1,03-2,76 МПа изб.) в эдуктор, при этом сжиженный газ смешивается с проппантом или суспензией проппанта в эдукторе с образованием текучей среды гидроразрыва, при этом находящийся под давлением резервуар для проппанта находится в положении для подачи суспензии проппанта в по меньшей мере один эдуктор;

А) изменение подушечного давления в находящемся под давлением резервуаре для проппанта на величину от примерно -30 до 40 фунт/кв. дюйм (от примерно -0,21 до 0,28 МПа); и

В) дополнительное регулирование регулировочного клапана проппанта, расположенного между эдуктором и находящимся под давлением резервуаром для проппанта, для регулирования концентрации проппанта в диапазоне от примерно 0,1 до 10 фунт/гал проппанта (0,01-1,20 кг/л) в текучей среде гидроразрыва.

[0017] В другом аспекте изобретения предложена система регулирования концентрации проппанта в текучей среде гидроразрыва, которая используется при стимуляции подземного пласта. Система включает в себя:

А) обеспечение резервуара для проппанта, содержащего проппант или суспензию проппанта и находящегося в положении для подачи проппанта или суспензии проппанта в эдуктор;

В) обеспечение эдуктора для приема потока движущей текучей среды из сжиженного газа при давлении 150-450 фунт/кв. дюйм изб. (1,0-3,1 МПа), при этом эдуктор расположен ниже резервуара для проппанта и образует текучую среду, содержащую проппант, на выходе из эдуктора, после приема проппанта или суспензии проппанта из резервуара для проппанта; и

С) обеспечение регулировочного клапана проппанта, расположенного между резервуаром для проппанта и эдуктором, при этом подушечное давление в резервуаре для проппанта варьирует от примерно -30 до 40 фунт/кв. дюйм (от примерно -0,21 до 0,28 МПа) для достижения концентрации, находящейся в диапазоне от примерно 0,1 до 10 фунт/гал проппанта (0,01-1,20 кг/л) в текучей среде гидроразрыва.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0018] Указанные выше и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из следующих чертежей, на которых:

[0019] на фиг. 1 представлен график, который иллюстрирует различия между скоростью движущего потока и влиянием на массовый расход песка/проппанта, сравнивая использование воды и сжиженного диоксида углерода.

[0020] На фиг. 2 представлен график, показывающий влияние подушечного давления на концентрацию проппанта в потоке текучей среды гидроразрыва для различных положений регулируемого компьютером клапана.

[0021] На фиг. 3 представлена схема, отображающая вариант осуществления системы смеситель/резервуар, которая обеспечивает регулируемое инжектирование и смешивание проппанта с текучей средой сжиженного газа для гидроразрыва геологического пласта, при использовании эдуктора.

[0022] На фиг. 4 представлена еще одна иллюстрация другого варианта осуществления общей системы с указанием некоторых аспектов регулирования процесса.

[0023] На фиг. 5 приводится графическое представление различных положений регулировочного клапана проппанта при низких подушечных давлениях и скорости движущего потока 23 гал/мин (87 л/мин).

[0024] На фиг. 6 приводится графическое представление различных положений регулировочного клапана проппанта при высоких подушечных давлениях и скорости движущего потока 23 гал/мин (87 л/мин).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0025] Настоящее изобретение включает в себя систему и установку для обеспечения непрерывной или полупериодической подачи жидкости гидроразрыва, при этом для скорости потока и способа регулирования скорости потока используется эдуктор, так что проппант может быть тщательно смешан с текучей средой в процессе образования потока текучей среды гидроразрыва и регулируется с помощью использования регулировочных клапанов и давлений в резервуаре для проппанта. Употребляемые здесь термины «текучая среда гидроразрыва» или «жидкость гидроразрыва» используются взаимозаменяемо и относятся к продукту, направляемому ниже по потоку к насосной установке для гидроразрыва. Эдуктор и сопряженная система клапанов должны быть правильно подобраны по размерам, чтобы обеспечивать эффективное ускорение проппанта и получаемой объединенной текучей среды суспензии проппанта в желаемой концентрации - в зависимости от требуемой скорости потока жидкости гидроразрыва. Эдукторы, которые могут применяться, включают в себя, например, струйные насосы, эжекторы, насосы Вентури, сифонные насосы, аспираторы, смесительные тройники, инжекторные насосы и т.д. Эдукторы могут включать в себя сопла переменного размера или отверстия, которые могут регулироваться посредством программируемого логического контроллера, или тому подобное, для поддержания допускаемого кавитационного запаса (NPSH) давления ниже по потоку от резервуара для проппанта, что обсуждается ниже. Это позволяет использовать широкий диапазон скоростей потока без смены сопла или самого эдуктора. На стороне всасывания эдуктора расположен большой резервуар (называемый резервуаром для проппанта) для содержания сухого проппанта или суспензии проппанта (смесь проппанта и сжиженного газа потенциально с другими добавками). Поступление проппанта или суспензии из резервуара в поток текучей среды регулируется с помощью клапана, расположенного между эдуктором и резервуаром. Для целей настоящего изобретения данный клапан будет называться «регулировочный клапан проппанта». Этот регулировочный клапан проппанта может быть одним из многочисленных типов, включая скользящий запор, ножевой клапан, пережимающий клапан и штуцерный клапан. Проппант загружают в резервуар через люк или посредством пневматической закладки, и после этого сосуд герметизируют. Затем в систему могут быть добавлены сухой газ (газы) или сжиженные газы. Сухой газ обычно добавляют в верхнюю часть резервуара, чтобы предотвратить аэрозолизацию проппанта.

[0026] Сжиженный газ может быть добавлен через нижнюю часть резервуара по отдельному трубопроводу для жидкости (называемому трубопроводом добавления жидкости), соединенному с нижней частью сосуда или, в качестве альтернативы, со стороной всасывания эдуктора. Сжиженный газ добавляют в нижнюю часть резервуара первоначально, чтобы предотвратить образование газовых карманов. Во время проведения гидроразрыва, сжиженный газ также может добавляться в нижнюю часть резервуара, чтобы стимулировать образование суспензии твердые частицы - сжиженный газ.

[0027] Подготовка системы и использование установки для осуществления методики процесса в целом описывается следующим образом: проппант загружается в резервуар для проппанта, и в резервуар нагнетается газ до давления, превышающего давление в тройной точке сжиженного газа, чтобы гарантировать, что жидкость сохранится в резервуаре при добавлении сжиженного газа.

[0028] После установления движущего потока регулировочный клапан проппанта открывают, чтобы начать смешивание проппантного материала с потоком текучей среды гидроразрыва. Заполнение проппантом в текучей среде гидроразрыва и/или расход объединенного потока обычно измеряют с помощью радиоизотопного денситометра, магнитного расходомера, расходомера Кориолиса или других подходящих измерительных устройств. В настоящем изобретении корректировки положения открытия регулировочного клапана проппанта (т.е. между отверстиями различных размеров) определяют, исходя из измеренной концентрации твердых частиц ручными способами или с помощью использования автоматического, регулируемого компьютером, контура управления. Регулирование открытия и закрытия клапана позволяет осуществлять надлежащее дозирование проппанта в эдуктор. Концентрация твердых частиц в текучей среде гидроразрыва синонимична заполнению проппантом. Регулировка статического давления в резервуаре для проппанта используется для обеспечения более широкого диапазона функциональности клапана (как более подробно описано ниже). Дозирование проппанта с помощью регулировки регулировочного клапана проппанта и статического давления в резервуаре для проппанта позволяет обеспечить желаемое заполнение проппантом на галлон (или другую единицу меры жидкостей) текучей среды гидроразрыва. Эта загрузка или концентрация, как правило, находится в диапазоне от по меньшей мере 0,1 до 10 фунтов на галлон (0,01-1,20 кг/л). Еще более предпочтительный диапазон для некоторых операций гидроразрыва составляет от 0,1 до 4 фунт/гал (0,01-0,48 кг/л).

[0029] Использование подушечного давления (определяемого в данном изобретении как разница в давлении в головной части резервуара для проппанта и на выходе из эдуктора) обеспечивает необходимое статическое давление, увеличивающее общую способность достижения желаемой загрузки проппантом. Статическое давление в резервуаре в настоящем изобретении измеряется как разница в давлении в нижней части резервуара относительно давления, измеренного на выходе из эдуктора.

[0030] Изменений в статическом давлении обычно достигают с помощью регулирования потока сжатого газа (такого как газообразный диоксид углерода или азот) или жидкости (такой как сжиженный углекислый газ), подаваемого в верхнюю часть резервуара для проппанта. Кроме того, регулировочный клапан сброса давления может использоваться для сброса избыточного давления в головном пространстве резервуара. В идеале, подушечное давление меняется в ходе операции гидроразрыва, и рабочий диапазон поддерживается в пределах от -20 до 30 фунт/кв. дюйм (от -0,14 до 0,21 МПа). Избыточное подушечное давление может привести к более высокому заполнению проппантом, чем желательно в потоке текучей среды гидроразрыва. Подушечное давление, которое является слишком высоким, может привести к повышенной чувствительности регулировочного клапана проппанта, и точного регулирования требуемых концентраций проппанта добиться может быть более трудно. В этом случае подушечное давление должно быть уменьшено. В качестве альтернативы, подушечное давление, которое является слишком низким, может привести к ограничению поступления проппанта из резервуара для проппанта, в связи с чем концентрация проппанта в текучей среде гидроразрыва оказывается ниже, чем заданное значение. В этом случае подушечное давление должно быть увеличено.

[0031] Рабочие статические давления и давления на выходе эдуктора должны поддерживаться превышающими давление паров текучих сред гидроразрыва при рабочей температуре и/или превышать требуемую величину NPSH. Например, поддержание надлежащего давления для обеспечения сохранения жидкого диоксида углерода (LCO2) в однофазной текучей среде (жидкости) в насосных установках высокого давления для гидроразрыва требует примерно 50 фунт/кв. дюйм (0,34 МПа) NPSH, или, по меньшей мере, давления, существенно превышающего условия насыщения, для нормальной, безопасной и надежной работы насосных установок высокого давления. Значительные количества пара или подача текучей среды с более низкой величиной NPSH увеличивает риск появления воздушной пробки или кавитации. Эти условия негативно отразятся на производительности и могут привести к повреждению насосов высокого давления. Из-за риска образования воздушной пробки и кавитации операторы должны быть осведомлены о перепадах давления, необходимых для обеспечения надлежащей работы эдуктора.

[0032] Рекомендуемые рабочие диапазоны давления для эдукторов обычно составляют от 15 фунт/кв. дюйм до 60 фунт/кв. дюйм (0,10-0,41 МПа), в зависимости от существующей «доступной» NPSH (или давления, доступного оператору, для обеспечения надлежащей производительности эдуктора при одновременном сохранении достаточного давления, превышающего давление насыщения, как описано выше). Скорости движущего потока, которые не в состоянии создать, по меньшей мере, перепад давления в эдукторе 10 фунт/кв. дюйм (0,07 МПа) или более, приведут к плохо разгружаемому проппанту или переполнению проппантом в последующем трубопроводе.

[0033] Обходной трубопровод для текучей среды гидроразрыва присоединен вокруг эдуктора и также может быть использован для обеспечения возможностей увеличения скоростей потока текучей среды гидроразрыва без повышенных перепадов давления через эдуктор или для дополнительного разбавления концентрации проппанта в текучей среде гидроразрыва, выходящей из эдуктора. Это особенно полезно, когда необходимы более высокие, чем ожидается, скорости потока текучей среды гидроразрыва для поддержания соответствующего уровня допускаемого кавитационного запаса (NPSH). Например, если проведение гидроразрыва требует скорости перекачивания 40 барр./мин (63595,5 л/мин), и установленный эдуктор может обрабатывать только до 30 барр./мин (4769,6 л/мин) без появления опасности сохранения необходимой NPSH для давления на выходе, поток 10 барр./мин (1589,9 л/мин) может быть обведен вокруг эдуктора, в результате чего общий поток составит 40 барр./мин (63595,5 л/мин), при снижении максимальной концентрации проппанта, создаваемой смесительной установкой в потоке текучей среды гидроразрыва.

[0034] Фактическая работа системы описывается с помощью двух отдельных стадий.

А. ПРЕДПУСКОВАЯ СТАДИЯ:

Во время предпусковой стадии выполняются следующие шаги:

(1) Резервуар для проппанта изолируют от эдуктора, и проппант/песок загружают в резервуар для проппанта через отверстие, расположенное на верху резервуара, или посредством трубопроводов пневматической закладки.

(2) После этого в резервуаре для проппанта создают повышенное давление с помощью трубопровода добавления пара в верхней части резервуара.

(3) Резервуар для проппанта после этого заполняют жидкостью через трубопровод для жидкости, находящийся в нижней части резервуара.

а) Одновременно жидкие добавки могут подаваться в верхнюю часть резервуара для проппанта для заполнения или для поддержания уровня жидкости в резервуаре.

b) Регулировочный клапан сброса давления используется для поддержания заданного давления в резервуаре для проппанта во время заполнения.

(4) Как только заполнение закончено, может начинаться стадия работы.

B. Стадия работы:

(1) Текучую среду или движущую среду закачивают в основной трубопровод текучей среды через эдуктор.

(a) Обходной трубопровод, который обходит эдуктор, может использоваться для расширения скоростей поступления текучей среды гидроразрыва за пределы ограничений, вызванных перепадом давления через эдуктор и, возможно, для предотвращения кавитации расположенных ниже по потоку насосов.

(2) Регулировочный клапан проппанта далее открывают, и проппант получает возможность смешиваться в основном трубопроводе текучей среды в эдукторе.

а) Стопорный клапан может быть расположен рядом с регулировочным клапаном проппанта, чтобы выступать в качестве уплотнения в том случае, если регулировочный клапан проппанта не функционирует в качестве герметичного клапана.

(3) Подушечное давление регулируют до заданного значения. Подушечное давление увеличивается с помощью поступления сжатого газа (или жидкости) в верхнюю часть резервуара проппанта. Подушечное давление уменьшается с помощью открытия регулировочного клапана сброса давления.

(4) Степень открытия регулировочного клапана проппанта регулируют для достижения желаемой концентрации проппанта в текучей среде гидроразрыва.

(5) Подушечное давление можно скорректировать к новому значению для расширения диапазона достижимых концентраций.

[0035] На фиг. 1 показано соотношение между скоростью увлечения проппанта и скоростью движущего потока (т.е. скоростью потока воды или жидкого СО_2, поступающего в эдуктор) при использовании эдуктора модели 264 производства компании Schutte & Koerting. На фиг. 1 линия с пометкой «[1]» иллюстрирует производительность эдуктора, перекачивающего проппант и водную суспензию при использовании воды в качестве движущей текучей среды (как «базовая линия» для сравнения). Область и точки, отмеченные «[2]», иллюстрируют аналогичные условия, в которых однако вместо воды используется LCO₂ в качестве движущей и суспендирующей текучей среды. Низкая вязкость жидкого диоксида углерода (опять по сравнению с вязкостью воды), как полагают, приводит к различиям в тенденциях между скоростью поступления движущей текучей среды и скоростью увлечения и, таким образом, требуется стратегия регулирования, как предусмотрено в настоящем изобретении.

[0036] На фиг. 2 показана концентрация проппанта как функция подушечного давления и положения регулировочного клапана проппанта (например, клапана равнолинейного типа) при использовании жидкого диоксида углерода в качестве текучей среды гидроразрыва. На фиг. 2 проиллюстрирована получаемая концентрация проппанта в зависимости от подушечного давления и степени открытия регулировочного клапана проппанта. Как показано в настоящем документе, система регулирования функционирует в пределах диапазона подушечного давления от -25 до +30 фунт/кв. дюйм (от -0,17 до +0,21 МПа), и может еще функционировать в пределах диапазона от -30 до +40 фунт/кв. дюйм (-0,21 МПа до +0,28 МПа). В настоящем изобретении подушечное давление используется как средство грубой регулировки заполнения проппантом, тогда как степень открытия регулировочного клапана проппанта используется как средство точной регулировки заполнения проппантом.

[0037] На фиг. 3 представлен общий вид процесса с помощью технологической схемы, иллюстрирующей основные элементы настоящего изобретения. Текучая среда жидкого диоксида углерода (LCO₂) подается в виде потока 101. Обычно поток 101 будет подаваться из бустерного насоса сжиженного газа. Давление потока 101 обычно составляет 200-400 фунт/кв.дюйм изб. (1,38-2,76 МПа изб.). LCO₂ направляется через эдуктор 104 и смешивается с проппантом из резервуара 102 для проппанта, который ориентирован в положении, достаточном для подачи проппанта в эдуктор, и предпочтительно в вертикальном или почти вертикальном положении. Кроме того, текучая среда в резервуаре 102 для проппанта может быть переохлаждена для создания требуемой NPSH ниже по потоку. Например, понижение давления в резервуаре и/или переохлаждение жидкости в резервуаре используется, чтобы достичь требуемой NPSH. Эдуктор 104 служит двойной цели: вызывает смешивание в технологических трубопроводах, а также создает всасывание для вытягивания проппанта из резервуара 102, тем самым приводя к некоторой степени однородности в потоке 107 продукта. Типичные скорости поступления LCO₂ в потоке 101 для данной системы будут составлять от 10 до 80 барр./мин (1589,9-12719,0 л/мин). Подходящий размер сужающегося сопла в эдукторе 104 выбирают, чтобы получить перепад давления 30-50 фунт/кв. дюйм (0,21-0,34 МПа) для выбранного потока 101 жидкости/движущей текучей среды. Рекомендуемый перепад давления при работе эдуктора 104 составляет от 15 фунт/кв. дюйм (0,10 МПа) до 60 фунт/кв. дюйм (0,41 МПа), в зависимости от существующей «доступной» NPSH потока 107. В ходе операции гидроразрыва регулировочный клапан 105 проппанта регулирует поток проппанта или суспензии проппанта из резервуара 102 для проппанта в эдуктор 104. Один или более этих эдукторов могут быть размещены и соединены параллельно и могут действовать как одно устройство. Например, два семидюймовых (17,8 см) эдуктора могут использоваться вместо одного девятидюймого (22,9 см) эдуктора в зависимости от необходимой скорости потока. Эдукторы и другие компоненты системы могут быть выполнены из модулей, меняющихся и отключаемых из системы. Измеритель 106 может быть любым одним устройством или сочетанием радиоизотопного денситометра, расходомера Кориолиса или другого подходящего измерительного устройства, которое обеспечивает обратную связь по концентрации заполнения текучей среды гидроразрыва, плотности или другому параметру, позволяющему определить концентрацию проппанта перед инжектированием в устье скважины. Степень открытия регулировочного клапана 105 проппанта можно корректировать, исходя из показаний измерителя 106. Объем сжатой жидкости или газа 103, подаваемых в верхнюю часть резервуара 102 проппанта, позволяет изменять статическое давление, находящееся в диапазоне примерно 80-400 фунт/кв. дюйм (0,55-2,76 МПа) в резервуаре 102 для проппанта. Корректировка статического давления системы изменяет общую пропускную способность регулировочного клапана 105 проппанта. Полученную из LCO₂ и проппанта текучую среду гидроразрыва подают в насосные установки высокого давления с помощью потока 107. Для данной или заранее определенной скорости движущего потока регулировочный клапан 105 проппанта или подушечное давление, или и то и другое вместе используют для достижения желаемой концентрации с помощью дозирования раствора проппанта в движущий поток. В альтернативном варианте осуществления фазовый сепаратор (не показан) или система охлаждения (не показана) могут использоваться для удаления пара и подачи конденсированной текучей среды гидроразрыва после эдуктора в насосные установки высокого давления.

[0038] На фиг. 4 представлена схема, которая иллюстрирует другой вариант осуществления настоящего изобретения. В данном варианте осуществления может быть создан параллельный отводимый поток 302 LCO₂,который обходит эдуктор 305. Это может быть полезно, например, на тех стадиях операции гидроразрыва, когда проппант не требуется (обычно называемых «подушкой» или «подушечной стадией»). Этот обходящий поток 302 также может быть использован, чтобы помочь регулировать конечное заполнение проппантом. Поступление в поток 302 и в движущий поток 301 регулируется, соответственно, регулировочными клапанами 304 и 303 потоков. Движущий поток 301 направляется в эдуктор 305, где регулировочный клапан 306 проппанта регулирует поток проппанта из резервуара 315 для проппанта в эдуктор 305. Стопорный клапан 307, расположенный между регулировочным клапаном 306 и резервуаром для проппанта, используется для изоляции резервуара 315 для проппанта от эдуктора 305. Жидкость LCO₂ вводят по трубопроводу 308 в нижнюю часть резервуара 315, чтобы способствовать формированию суспензии твердых частиц в жидкости. Поток в трубопроводе 308 регулируется регулировочным клапаном 309 потока и активно обеспечивает перемешивание проппанта внутри резервуара 315 во время работы. Это создает динамическое диспергирование, которое помогает удалению проппанта из резервуара 315 и способствует увеличению однородности и степени гомогенности суспензии перед поступлением в эдуктор 305. Аналогичный трубопровод 310 LCO₂регулируется другим регулировочным клапаном 311 потока, обеспечивающим поступление текучей среды в верхнюю часть резервуара 315. Данная текучая среда используется для поддержания уровня жидкого СО₂ над уровнем проппанта в резервуаре 315, чтобы гарантировать, что газ из головного пространства резервуара 315 не будет входить в эдуктор 305, что предотвращает сквозное прохождение пара в насосные установки высокого давления по трубопроводу 317. Кроме того, поддержание этого верхнего уровня жидкости также способствует потоку проппанта из резервуара 315 за счет уменьшения образования комков и улучшения текучести проппанта. Трубопровод 312 сжатого газа может использоваться для закачивания пара в верхнюю часть резервуара 315 для изменения и регулирования статического давления резервуара 315. Примеры газов, которые могут использоваться для корректировки давления, включают без ограничения диоксид углерода и азот. Поток сжатого газа в резервуар 315 для проппанта регулируется с помощью регулировочного клапана 313 давления. В сочетании с регулировочным клапаном 313 давления работает регулировочный клапан 314 сброса давления. Этот клапан работает для уменьшения избыточного давления, созданного в головном пространстве резервуара 315 для проппанта. Давление в головном пространстве резервуара 315 для проппанта может быть как увеличено, так и понижено во время работы посредством регулировочных клапанов 313 и 314. Изменения давления в головном пространстве в резервуаре 315 приводят к изменению общей пропускной способности регулировочного клапана 306 заполнения проппантом. Денситометр 316 используется для определения заполнения проппантом во время работы. Показания плотности используются для изменения степени открытия регулировочного клапана 306 проппанта для достижения желаемой концентрации. После этого поток текучей среды гидроразрыва 317 направляется к насосным установкам высокого давления. Насосные установки высокого давления дополнительно повышают давление потока проппанта и сжиженного газа до поверхностного давления обработки и находятся в сообщении с устьем скважины.

[0039] Система регулирования и методика достижения желаемой концентрации проппанта дополнительно поясняется в рабочих примерах ниже. Эти примеры, однако, не следует рассматривать как ограничивающие настоящее изобретение.

Рабочий пример 1: Скорость движущего потока 20 барр./мин (3180,0 л/мин)

[0040] Данные в таблице 1 ниже представляют смоделированный пример, где приводятся требования к подушечному давлению резервуара (PP) и степени открытия клапана в процентах (VP) (для регулировочного клапана проппанта с коэффициентом пропускной способности (CV) 200) для получения желаемых концентраций проппанта от 0,25 до 4 фунтов проппанта на галлон LCO₂ (0,03-0,48 кг/л) в суспензии текучей среды гидроразрыва, как предписано схемой проведения гидроразрыва. Схема проведения обработки используется, чтобы обеспечить «предварительно запрограммированный» набор команд (т.е. набор команд для ПЛК-контроллера загружается в систему, и ПЛК-контроллер находится в сообщении с регулировочным клапаном проппанта и корректирует подушечное давление в резервуаре с помощью контуров управления). Естественно, оператор может вручную переопределить набор команд, если необходимо изменить концентрацию проппанта в суспензии. Определение положения регулировочного клапана и рабочего давления в головном пространстве резервуара для проппанта сначала осуществляется с помощью итеративного процесса, выполняемого в условиях эксплуатации. Во время проведения операций гидроразрыва давление в резервуаре корректируют, чтобы обеспечить определенное подушечное давление (PP) и положение клапана (VP), необходимые для достижения желаемой концентрации, исходя из выбранной скорости движущего потока и коэффициента пропускной способности регулировочного клапана проппанта. Схема проведения обработки не может быть установлена без надлежащего определения подушечного давления и положения регулировочного клапана проппанта. Для того, чтобы создать возможность обеспечения диапазона от нижнего предела заполнения проппантом до верхнего предела заполнения проппантом, необходимо изменять подушечное давление для достижения заполнения проппантом в предопределенных диапазонах. Скорость движущего потока устанавливается с помощью определения конкретной скорости закачивания, необходимой для проведения гидроразрыва.

[0041] Система (как например, описанная в любом из приведенных выше иллюстративных вариантов осуществления) первоначально установлена на низкое подушечное давление, причем в данном приведенном примере используется низкое подушечное давление -15 фунт/кв. дюйм (-0,10 МПа). Установка системы на данное низкое давление позволяет достичь лучшего регулирования низкого заполнения проппантом (например, 0,25 фунт/гал (0,03 кг/л), 0,50 фунт/гал (0,06 кг/л)) с помощью регулировочного клапана проппанта. Регулировочный клапан проппанта первоначально корректируют для увеличения концентрации проппанта в потоке текучей среды гидроразрыва, как предписано схемой обработки, которую загружают в ПЛК-контроллер. В приведенном примере степень открытия клапана корректируют от 10% до 40% для достижения заполнения проппантом от 0,25 до 1,5 фунт/гал (0,03-0,18 кг/л). После достижения 1,5 фунт/гал (0,18 кг/л) подушечное давление повышают для лучшего достижения более высоких заполнений проппантом (например, 3,5; 4,0; 4+ фунт/гал (0,42; 0,48; 0,48+ кг/л)). В примере подушечное давление корректируют от -15 фунт/кв. дюйм (-0,10 МПа) до 15 фунт/кв. дюйм (0,10 МПа). Повышение давления производится таким образом, что оно оказывает минимальное воздействие на положение регулировочного клапана проппанта (в данном примере это сделано при 1,5-2,0 фунтах на галлон (0,18-0,24 кг/л), и поэтому осуществляется при заданном заполнении. Как только новое подушечное давление установлено, процесс завершается с помощью регулировок регулировочного клапана проппанта.

[0042] Следующее осуществляют, чтобы свести к минимуму эксплуатационную сложность: головное давление меняют только один раз в процессе; систему регулируют с помощью только одного параметра за один раз (меняется или головное давление или положение регулировочного клапана проппанта, но не то и другое вместе), или если регулируют два параметра, один из них изменяют минимально; регулировочный клапан проппанта и подушечное давление регулируют в одном направлении (всегда, когда головное давление повышается, - регулировочный клапан проппанта открывается).

ТАБЛИЦА 1 Рабочие условия для различных концентраций проппанта при интенсивности подачи движущей текучей среды к устью скважины 20 барр./мин (3180,0 л/мин) Концентрация проппанта,
фунт/гал,(кг/л) PP
фунт/кв.дюйм, (МПа) VP
(% открытия) CV 200
Установка/Положение 0,25 (0,03) -15 (-0,10) 10% 0,5 (0,06) -15 (-0,10) 19% 0,75 (0,09) -15 (-0,10) 25% 1 (0,12) -15 (-0,10) 30% 1,5 (0,18) -15 (-0,10) 40% 2 (0,24) 15 (0,10) 40% 2,5 (0,30) 15 (0,10) 48% 3 (0,36) 15 (0,10) 56% 3,5 (0,42) 15 (0,10) 67% 4 (0,48) 15 (0,10) 82% 0,5 (0,06) 15 (0,10) 14% 0 (0) 15 (0,10) 0%

РАБОЧИЙ ПРИМЕР 2: ПИЛОТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ, ПРОВЕДЕННЫЕ ПРИ СКОРОСТИ ДВИЖУЩЕГО ПОТОКА 23 ГАЛЛОНА В МИНУТУ (87 Л/МИН).

[0043] Результаты работы системы пилотной установки, аналогичной описанной выше и показанной на фиг. 3, приведены в данном рабочем примере 2. В этой системе концентрацию текучей среды гидроразрыва регулировали с помощью изменения степени открытия регулировочного клапана проппанта, при работе резервуара для проппанта в условиях «низкого» (т.е. от -5 до -27 фунт/кв. дюйм (от -0,03 МПа до -0,19 МПа) и «высокого» (т.е. от 11 до 27 фунт/кв. дюйм (от 0,08 МПа до -0,19 МПа) подушечного давления. Поток движущей текучей среды составлял 23 галлона в минуту (87 л/мин) для обоих условий подушечного давления.

[0044] На фиг. 5 проиллюстрирована полученная концентрация в результате работы пилотной установки для диапазона «низкого» подушечного давления. Положение открытия регулировочного клапана проппанта варьировало от 8% до 70%, и отмечались концентрации проппанта от 0,25 до 3,27 фунт/гал (0,03-0,39 кг/л). Концентрация проппанта не поднималась выше 3,27 фунт/гал (0,39 кг/л), когда степень открытия регулировочного клапана проппанта увеличивалась свыше 70%.

На фиг. 6 приводятся результаты изменения положения регулировочного клапана проппанта для диапазона «высокого» подушечного давления. Положение регулировочного клапана варьировало от 10% до 23% открытия, и отмечались концентрации проппанта от 0,75 до 4,04 фунт/гал (0,09-0,48 кг/л). Минимальная достижимая концентрация для условия «высокого» подушечного давления составляла 0,75 фунт/гал.

[0045] Результаты пилотных испытаний при «низком» и «высоком» подушечном давлении, описанные в данном примере, показывают, что необходимо изменять и подушечное давление и положение регулировочного клапана проппанта для достижения полного диапазона заполнений проппантом, необходимого для проведения гидроразрыва (например, от 0,25 до 4,0+ фунт/гал (от 0,03 до 0,48+ кг/л)).

[0046] Хотя изобретение было подробно описано со ссылкой на его иллюстративные варианты осуществления, специалисту в данной области техники будет понятно, что различные изменения и модификации могут быть сделаны, и могут быть использованы эквиваленты без отклонения от объема прилагаемой формулы изобретения.

Описана система, которая обеспечивает проппант для смешивания в потоке текучей среды из сжиженного газа с помощью эдуктора для получения суспензии проппанта, которая эффективно регулируется системой регулировочного клапана и связанного ПЛК-контроллера. Данная система гарантирует обеспечение работы системы при различных статических давлениях и сохраняет проппант полностью текучим в течение всей операции гидроразрыва. Технический результат заключается в повышении эффективности регулирования концентрации проппанта в текучей среде гидроразрыва. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Способ регулирования концентрации проппанта в текучей среде гидроразрыва, которая используется при стимуляции подземного пласта, включающий в себя:

подачу потока движущей текучей среды из сжиженного газа при давлении от примерно 150 до 400 фунт/кв.дюйм изб. (1,03-2,76 МПа изб.) по меньшей мере в один эдуктор, при этом сжиженный газ смешивается с проппантом или суспензией проппанта в эдукторе с образованием текучей среды гидроразрыва, при этом находящийся под давлением резервуар для проппанта находится в положении для подачи суспензии проппанта в по меньшей мере один эдуктор;

изменение подушечного давления в находящемся под давлением резервуаре для проппанта на величину от примерно -30 до 40 фунт/кв. дюйм (от примерно -0,21 до 0,28 МПа); и

дополнительное регулирование регулировочного клапана проппанта, расположенного между эдуктором и находящимся под давлением резервуаром для проппанта, для регулирования концентрации проппанта в диапазоне от примерно 0,1 до 10 фунт/гал проппанта (0,01-1,20 кг/л) в текучей среде гидроразрыва.

2. Способ по п.1, в котором давление сжиженного газа, подаваемого в эдуктор, составляет от примерно 200 до 300 фунт/кв. дюйм изб. (1,38-2,07 МПа изб.).

3. Способ по п.1, в котором поток движущей текучей среды из сжиженного газа является преимущественно диоксидом углерода.

4. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя: скорость потока движущей текучей среды, находящуюся в диапазоне примерно 10-80 барр./мин (1590-12719 л/мин).

5. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя: дозирование проппанта в поток движущей текучей среды без использования шнека.

6. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя: подбор размеров эдуктора и задание потока движущей текучей среды для достижения перепада давления сжиженного газа через эдуктор от примерно 15 до 60 фунт/кв. дюйм (0,10-0,41 МПа).

7. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя подачу части потока движущей текучей среды сжиженного газа через обходной трубопровод ниже по потоку от эдуктора.

8. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя подачу сжиженного газа в верхнюю часть резервуара для проппанта для регулирования в ней подушечного давления или для поддержания уровня жидкости над средой проппанта.

9. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя: подачу сжатого газа в верхнюю часть резервуара для проппанта для регулирования подушечного давления.

10. Способ по п.9, в котором сжатый газ содержит диоксид углерода или азот.

11. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя понижение подушечного давления с помощью регулировочного клапана сброса давления.

12. Способ по п.1, дополнительно включающий в себя подачу сжиженного газа в нижнюю часть резервуара для проппанта для облегчения смешивания содержащихся в ней проппанта и сжиженного газа.

13. Способ по п.1, в котором концентрацию проппанта в текучей среде гидроразрыва измеряют с помощью денситометра или измерителя концентрации, расположенного ниже по потоку от эдуктора.

14. Способ по п.1, обеспечивающий по меньшей мере два эдуктора, соединенных параллельно, для образования текучей среды гидроразрыва.

15. Способ по п.1, обеспечивающий переохлаждение проппанта или суспензии проппанта в находящемся под давлением резервуаре для проппанта для создания требуемого допускаемого кавитационного запаса (NPSH) ниже по потоку.

16. Способ по п.1, дополнительно направляющий текучую среду гидроразрыва к насосным установкам высокого давления.

17. Система регулирования концентрации проппанта в текучей среде гидроразрыва, которая используется при стимуляции подземного пласта, выполненная с возможностью:

обеспечения резервуара для проппанта, содержащего проппант или суспензию проппанта и находящегося в положении для подачи проппанта или суспензии проппанта в эдуктор;

обеспечения эдуктора для приема потока движущей текучей среды из сжиженного газа при давлении 150-450 фунт/кв. дюйм изб. (1,0-3,1 МПа изб.), при этом эдуктор расположен ниже резервуара для проппанта и образует текучую среду гидроразрыва, содержащую проппант, на выходе из эдуктора после приема проппанта или суспензии проппанта из резервуара для проппанта; и

обеспечения регулировочного клапана проппанта, расположенного между резервуаром для проппанта и эдуктором, при этом подушечное давление в резервуаре для проппанта варьирует от примерно -30 до 40 фунт/кв. дюйм (от примерно -0,21 до 0,28 МПа) для достижения концентрации, находящейся в диапазоне от примерно 0,1 до 10 фунт/гал проппанта (0,01-1,20 кг/л) в текучей среде гидроразрыва.

18. Система по п.17, дополнительно включающая в себя измеритель концентрации ниже по потоку от эдуктора, при этом измеритель концентрации может быть выбран из расходомера Кориолиса, радиоизотопного денситометра и магнитного расходомера.

19. Система по п.17, дополнительно включающая в себя компьютер, находящийся в сообщении с измерителем концентрации, при этом компьютер принимает показания от измерителя концентрации, сравнивает их с заданным значением и изменяет отверстие регулировочного клапана проппанта для достижения желаемой концентрации.

20. Система по п.17, дополнительно включающая в себя программируемый логический контроллер для изменения подушечного давления и степени открытия регулировочного клапана проппанта в системе.

21. Система по п.17, при этом система не содержит шнека для дозирования проппанта или суспензии проппанта в движущий поток сжиженного газа.

22. Система по п.17, дополнительно содержащая обходной трубопровод, подающий часть потока движущей текучей среды сжиженного газа, которая объединяется с текучей средой гидроразрыва ниже по потоку от эдуктора.

23. Система по п.17, дополнительно содержащая трубопровод добавления жидкости, находящийся в сообщении с нижней частью резервуара для проппанта, при этом добавляемая жидкость способствует суспендированию твердых частиц проппанта в суспензии.

24. Система по п.17, дополнительно содержащая трубопровод добавления жидкости, находящийся в сообщении с верхней частью резервуара для проппанта, при этом уровень жидкости создается над средой проппанта.

25. Система по п.17, дополнительно содержащая трубопровод добавления пара, находящийся в сообщении с верхней частью резервуара для проппанта, при этом пар используется для изменения подушечного давления в резервуаре для проппанта.

26. Система по п.17, дополнительно содержащая регулировочный клапан сброса давления, расположенный на верхней части резервуара для проппанта для сброса избыточного давления, созданного в головном пространстве резервуара для проппанта.