СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИМ ДАВЛЕНИЕМ В РЕЗЕРВУАРЕ СЖИЖЕННОГО ГАЗА И В СМЕСИТЕЛЕ РАСКЛИНИВАЮЩЕГО НАПОЛНИТЕЛЯ Российский патент 2020 года по МПК E21B43/267 

Область изобретения

[0001] Раскрыт способ и связанный с ним прибор для управления давлением в резервуаре расклинивающего наполнителя для использования при изменении загрузки расклинивающего наполнителя и для использования в стимуляции подземных продуктивных пластов со сжиженным газом. Прибор включает в себя сосуд для хранения расклинивающего наполнителя, сконфигурированный для подачи потока расклинивающего наполнителя в поток текучей среды для разрыва пласта, средство для управления давлением внутри резервуара для расклинивающего наполнителя, с использованием сжатой текучей среды и/или воздушного канала, и устройства для измерения потока и загрузки расклинивающего наполнителя текучей среды для разрыва пласта. В ходе эксплуатации, для контроля потока материала из резервуара используют изменения давления в резервуаре для расклинивающего наполнителя. Для оптимизации отклика системы управления с обратной связью для регулирования давления в сосуде для расклинивающего наполнителя используют расход текучей среды для разрыва пласта и концентрацию расклинивающего наполнителя.

Уровень техники

[0002] Гидравлический разрыв пласта - это широко используемая технология для стимулирования получения нефти и природного газа из подземных пластов. После бурения ствола скважины в горной породе, расклинивающую жидкость, как правило, воду, содержащую расклинивающий наполнитель во взвешенном состоянии, вводят таким образом, чтобы открыть трещину в обнаженном пласте и поместить расклинивающий наполнитель во вновь образованную трещину, для предотвращения полного замыкания трещины. Этот процесс повышает проводимость подземного пласта, содержащего углеводороды, и облегчает получение ранее захваченной нефти и газа из пластовых резервуаров и в ствол скважины.

[0003] Разрыв пластов сжиженным газом (с текучими средами типа CO₂) можно использовать для смягчения многих проблем, связанных с водным разрывом пластов, например, сниженной проницаемости, вызванной захватом воды, набухания и миграции гидрофильных глин, и уменьшения или устранения утечек текучей среды с поверхности. Однако, существуют ограничения в промышленном применении. Для CO₂, оборудование должно функционировать при повышенных давлениях выше тройной точки диоксида углерода (т.е., более 75,1 фунт/дюйм²) для поддержания жидкого состояния и возможности откачки. Оборудование пригодно для операций по гидроразрыву пласта для смешивания расклинивающего наполнителя непосредственно с жидкостями для разрыва пласта на основе жидкого диоксида углерода. Это оборудование, как правило, состоит из сосуда под давлением и системы коллектора, которая примешивает расклинивающий наполнитель с потоком жидкого CO₂, до подачи в насосы высокого давления. Расклинивающий наполнитель загружают в смеситель CO₂, где блок герметизируют, а затем заполняют CO₂. В ходе процесса разрыва пласта, расклинивающий наполнитель вытягивается в жидкость для разрыва пласта под действием буров или силы тяжести, посредством регулирующего клапана.

[0004] Более ранние предпринятые меры, как описано в Патенте США № 4,374,545, предусматривают наличие периодического процесса, создающего разрывающую взвесь расклинивающего наполнителя и жидкого CO₂. Каждый блок пригоден для измерения до 20 тонн одного типа расклинивающего наполнителя и предназначен для управления подачей расклинивающего наполнителя, за счет использования измерительного бура. Добавки LCO₂, подаваемые в бак, предусматривают наличие текучей и не насыщенной паром суспензии расклинивающего наполнителя, покидающей систему, а также поддержание давления в сосуде, предотвращение течения неверно направленного потока CO₂ из основного потока текучей среды для разрыва пласта назад во взвесь расклинивающего наполнителя.

[0005] В опубликованной заявке на Патент США 2015/0060065 A1 описана система управления, соответствующая методология и прибор для воплощения технологии «эдуктор – смеситель», для обеспечения возможности введения и измерения материала расклинивающего наполнителя в неводный поток текучей среды для разрыва пласта. Система использует эдуктор для текучей среды для переноса твердых частиц, вместо стандартного бура, для смешивания и ускорения расклинивающего наполнителя в основном потоке текучей среды для разрыва пласта. В системе управления применяют, по меньшей мере, один клапан для управления потоком расклинивающего наполнителя из одного или более находящегося под давлением резервуара расклинивающего наполнителя в эдуктор; со смешиванием, таким образом, материала с перемещающим потоком. Газ и/или жидкость подают наверх резервуара расклинивающего наполнителя, для контроля давления внутри резервуара расклинивающего наполнителя. Модифицирование давления внутри резервуара расклинивающего наполнителя увеличивает диапазон достигаемых расходов расклинивающего наполнителя, текущего из резервуара в эдуктор.

[0006] Поскольку применение давления резервуара (с клапанной системой для удаления твердых примесей) используют для регулирования итогового расхода материала, вытекающего из резервуара расклинивающего наполнителя, является уместным определить влияние давления на получающуюся в результате концентрацию расклинивающего наполнителя. Этого сложно достигнуть, без использования требуемого сложного моделирования и полного определения характеристик оборудования при различных скоростях обработки и концентраций расклинивающего наполнителя. Если для корректировки значений давления внутри резервуара расклинивающего наполнителя используется денситометр, гистерезис или задержка во времени при считываниях концентрации может создать возможность чрезмерного превышения желаемых нагрузок. Оборудование может быть настроено на пошаговую регулировку давления в резервуаре, для снижения вероятности чрезмерного роста значений концентрации, но за счет повышения времени отклика. Чтобы преодолеть недостатки соответствующего уровня техники, задача настоящего изобретения состоит в обеспечении способа для регулировки статического давления внутри резервуара расклинивающего наполнителя, в целях обеспечения своевременных изменений в концентрации расклинивающего наполнителя в текучей среде для разрыва пласта, при снижении вероятности чрезмерного роста значений желаемой концентрации расклинивающего наполнителя. В частности, в разработанном механизме управления применяется расходомер, расположенный на основном потоке текучей среды для разрыва пласта (на чистой стороне или стороне, содержащей расклинивающий наполнитель), и датчик загрузки расклинивающего наполнителя, для управления изменениями статического давления в резервуаре расклинивающего наполнителя.

[0007] Другие задачи и аспекты настоящего изобретения станут ясными специалистам в данной области техники при прочтении описания, чертежей и приложенной к ним формулы изобретения.

Сущность изобретения

[0008] Настоящее изобретение описывает способ и соответствующую систему для модификации давления в резервуаре расклинивающего наполнителя, а следовательно, для улучшения регулирования подачи расклинивающего наполнителя в поток текучей среды для разрыва пласта. Точнее говоря, в этой системе используется резервуар расклинивающего наполнителя, расходомер (или другое устройство, пригодное для определения расхода потока), денситометр и источник давления для обеспечения надлежащей концентрации расклинивающего наполнителя в текущем потоке текучей среды для разрыва пласта, для использования в стимуляции новых и существующих скважин нефти и газа. Сосуд изолирован от атмосферы, для достижения надлежащего модифицирования давления и находится в сообщении с основным составом для обработки приствольной зоны. В качестве примера, рабочее давление для системы смешения расклинивающего наполнителя, включающей в себя резервуар расклинивающего наполнителя и дополнительное оборудование и систему трубопроводов, составляет примерно 200-400 PSI (фунтов на квадратный дюйм).

[0009] Сжатый газ и/или жидкость подают в верхнее свободное пространство резервуара расклинивающего наполнителя для управления давлением внутри резервуара расклинивающего наполнителя. В системе используется расходомер для измерения расхода потока текучей среды (расположенный с чистой стороны, либо со стороны суспензии) и денситометр для измерения концентрации расклинивающего наполнителя в текучей среде для обработки приствольной зоны. Расходомер и денситометр испускают электронные сигналы, которые непосредственно связаны с объемом и концентрацией твердых частиц, проходящих через измеритель. Сигналы посылают на процессор, который, используя предварительно заданный алгоритм, преобразует измеренный расход и концентрацию в градиент давления, отображаемый для оператора, или выходные сигналы направляются из процессора на клапаны управления давлением, используемые для регулирования давления внутри резервуара расклинивающего наполнителя.

[0010] Клапан управления давлением используют для регулирования потока сжатой текучей среды в резервуар расклинивающего наполнителя, а другой клапан используют для сброса давления из резервуара расклинивающего наполнителя. Датчик давления размещают таким образом, чтобы можно было обнаружить давление пластового резервуара расклинивающего наполнителя наверху, либо внизу резервуара. Процессор подключают для приема выходного сигнала, поступающего из датчика давления. Процессор дополнительно подключают для вывода управляющего сигнала на оба клапана контроля давления для регулирования потока текучей среды для контроля давления, текущей в или из пластового резервуара расклинивающего наполнителя.

[0011] Прибор также может содержать немеханический насос, такой как жидкостной эдуктор для переноса твердых частиц, который используют для смешивания и ускорения расклинивающего наполнителя в основном потоке текучей среды для обработки и размещают под резервуаром расклинивающего наполнителя. Клапан управления транспортировкой твердых частиц может быть расположен между резервуаром для расклинивающего наполнителя и системой трубопроводов для основной текучей среды для обработки или эдуктором переноса твердых частиц. Управляющий клапан используют для управления потоком расклинивающего наполнителя из резервуара расклинивающего наполнителя под давлением в эдуктор или в поток основной текучей среды для обработки.

[0012] В примерном варианте воплощения изобретения обеспечен способ управления с обратной связью для регулировки концентрации расклинивающего наполнителя в текучей среде для разрыва пласта, которую используют при стимуляции подземного пласта. Способ управления включает в себя подачу расклинивающего наполнителя или суспензии расклинивающего наполнителя из герметизированного, находящегося под давлением резервуара для расклинивающего наполнителя, в поток текучей среды для разрыва пласта; подачу потока текучей среды сжиженного газа и измерение расхода упомянутой текучей среды расходомером и подачу сигнала обратной связи на компьютер; объединение расклинивающего наполнителя или суспензии расклинивающего наполнителя с потоком сжиженного газа, образующим жидкость для разрыва пласта, содержащую расклинивающий наполнитель, и измерение концентрации расклинивающего наполнителя в упомянутой текучей среде для разрыва пласта расположенным ниже по потоку измерителем концентрации, и подачу сигнала обратной связи на компьютер; изменение концентрации текучей среды для разрыва пласта путем отправки сигнала с компьютера, для направления сжатой текучей среды в резервуар расклинивающего наполнителя, для управления, таким образом, давлением в упомянутом резервуаре расклинивающего наполнителя, для достижения желаемой концентрации; обеспечение системы управления давлением для регулирования потока сжатой текучей среды в резервуар расклинивающего наполнителя, содержащей устройство регулирования потока и датчик давления с обратной связью, находящийся в сообщении с текучей средой в резервуаре расклинивающего наполнителя; и программирование алгоритма для регулировки параметров настройки системы управления давлением через условия, измеренные измерителем концентрации и расходомером.

Краткое описание чертежей

[0013] Вышеприведенные и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения станут более ясными из следующих чертежей, на которых:

[0014] Фигура 1 представляет собой блок-схему контура адаптивного управления, в котором использована концентрация расклинивающего наполнителя и расход для регулировки параметров настройки контура.

[0015] Фигура 2 представляет собой схематическое изображение варианта воплощения оборудования с включением немеханического насоса и управляющего клапана (клапанов), расположенного между резервуаром расклинивающего наполнителя и системой трубопроводов для основной текучей среды для обработки. Оборудование устанавливают таким образом, чтобы можно было управлять скоростью изменения давления в резервуаре расклинивающего наполнителя в ходе введения расклинивающего наполнителя.

Подробное описание изобретения

[0016] Настоящее изобретение предусматривает наличие прибора для обеспечения непрерывной или полунепрерывной подачи текучей среды для разрыва пласта, где в способе регулирования расхода потока используется изменение в давлении резервуара расклинивающего наполнителя. Как используется в настоящей заявке, выражения «текучая среда для разрыва пласта», «жидкость для разрыва пласта» или «текучая среда для обработки» используются взаимозаменяемо и относятся к продукту, направляемому вниз по потоку к насосу для разрыва пласта. Текучая среда, не содержащая никакого расклинивающего наполнителя, которая находится выше по потоку относительно смесительного оборудования или точек введения расклинивающего наполнителя, может называться «чистой или движущей текучей средой». Система трубопроводов, используемая для переноса, как «чистой текучей среды», так и «текучей среда для обработки», может называться «линией основной текучей среды».

[0017] ФИГ. 1 представляет собой схематическое изображение системы управления PID (P - пропорциональная, I - интегральная, D - дифференциальная составляющая) с обратной связью, используемой в модифицировании давления в резервуаре расклинивающего наполнителя. PID-контроллер выполняет PID-расчет контроля разницы между установленным значением и давлением, обнаруженным датчиком давления резервуара расклинивающего наполнителя. PID-расчет приводит к созданию управляющего сигнала или выходного сигнала, подаваемого на клапан контроля давления или другой управляемый объект, используемый при управлении давлением в резервуаре. Механизм регулировки используют в качестве модификатора параметра PID-контура и изменяет выходной сигнал контроллера, исходя из сигналов, отправляемых из датчика загрузки расклинивающего наполнителя и датчика расхода, расположенного на линии основной текучей среды.

[0018] В своей самой простейшей форме, на последовательность операций можно смотреть как на разомкнутую адаптивную систему управления, в которой отклик на изменения параметров управления не измеряют, и обратная связь не влияет на эффективность изменения параметра. В этом случае, тип механизма регулировки может быть таким простым, как таблица поиска, хранящаяся в компьютере, которая предоставляет параметры контроллера для заданного набора условий окружающей среды. Менее фиксированные связи могут быть обеспечены использованием модельных уравнений для обеспечения более динамичной системы.

[0019] Пример такой системы, находящейся в эксплуатации, может быть следующим: сигналы от «датчика расхода сжиженного газа» и «датчик концентрации расклинивающего наполнителя» измеряют и направляют на компьютер. Компьютер будет затем «просматривать» или рассчитывать параметры настройки для контроллера, исходя из измеренного расхода и концентрации расклинивающего наполнителя. Например, идеальная версия PID-контроллера задана формулой:

Уравнение 1,

где u - это управляющий сигнал, а e - погрешность управления (e=r - y). R - эталонное или установочное значение. Управляющий сигнал представляет собой сумму составляющих: пропорциональной составляющей (пропорциональной погрешности), интегральной составляющей (пропорциональной интегралу погрешности) и дифференциальной составляющей (пропорциональной производной погрешности). Параметры настройки контроллера в этом случае представляют собой пропорциональный (K_p), интегральный (K_i) и производный (K_D) коэффициент. Параметры настройки контроллера могут быть затем заданы в качестве переменных, зависящих от расхода сжиженного газа и концентрации расклинивающего наполнителя. Примерные уравнения для определения параметров настройки заданы следующим образом:

Уравнение 2

Уравнение 3

Уравнение 4,

где GFR - расход сжиженного газа, PC - концентрация расклинивающего наполнителя, а C_1-9 означает предварительно заданные константы. Эти константы можно определить несколькими путями, но чаще всего путем тестирования оборудования при нескольких условиях расхода газа и концентрации расклинивающего наполнителя.

[0020] ФИГ. 2 показывает прибор для добавления расклинивающего наполнителя, аналогичный описанному в документе опубликованной заявки на Патент США 2015/0060065 A1. Поток движущей текучей среды или чистой текучей среды попадает в систему через находящуюся выше по потоку систему 101 трубопроводов и проходит через эдуктор 104. По мере прохождения текучей среды через суживающееся сопло эдуктора, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, что приводит к образованию высокоскоростного струйного течения. Это изменение энергии приводит к локализованному снижению статического давления, которое порождает всасывание в корпусе эдуктора. Это всасывание позволяет материалу втягиваться из резервуара 111 в эдуктор и увлекаться текучей средой (LCO₂, и т.д.). Эдуктор служит двойной цели: смешиванию внутри сопла, а также втягиванию материала в текучую среду, для обеспечения тщательного перемешивания. Объединенную чистую текучую среду и материал затем направляют на насосные установки высокого давления через расположенную выше по потоку систему трубопроводов 106. Расход потока материала, попадающего в выпуск резервуара 110, контролируют путем использования комбинированного управляющего клапана 103 и давления в резервуаре. Давление в резервуаре воспринимается индикатором 112 давления. Давлением управляют путем использования сжатой текучей среды 121, регулируемой управляющим клапаном 123, и воздушного канала 125, регулируемого управляющим клапаном 124. Процессор 130 используют для вывода управляющего сигнала на упомянутые управляющие клапаны 103, 123, 124. Процессор 130 обычно представляет собой одиночный блок, показанный на Фигуре на нескольких местоположениях, для простоты иллюстрации. Денситометр 105, сигнал которого используют в качестве входного сигнала для процессора 130, представляет собой устройство с обратной связью для регулирования местонахождения управляющего клапана 103 потока.

[0021] Настоящее изобретение добавляет дополнительную сложность, связанную с измерением расходомером 102 расхода чистого потока текучей среды. В качестве альтернативы, может быть использован расходомер, расположенный ниже по потоку относительно эдуктора 104, измеряющий объединенный поток расклинивающего наполнителя и чистой текучей среды или текучей среды для разрыва пласта. Однако, это может привести к избыточному износу устройства для измерения потока или к возможному засорению системы трубопроводов 106 текучей среды для разрыва пласта. Расходомер 102 используют в качестве впуска для процессора 130. С использованием алгоритма на основе расхода чистого потока текучей среды и концентрации расклинивающего наполнителя, измеренной денситометром 105, определяют скорость изменения положения или PID-параметры настройки для управляющего клапана 123 сжатой текучей среды и управляющего клапана 124 воздушного канала, и затем используют для управления скоростями, с которыми открывают и закрывают клапаны 123, 124.

Изобретение относится к способу управления с обратной связью для регулировки концентрации расклинивающего наполнителя в текучей среде для разрыва пласта, которую используют при стимуляции подземного пласта. Способ содержит этапы, на которых подают расклинивающий наполнитель или суспензию расклинивающего наполнителя из герметизированного, находящегося под давлением резервуара расклинивающего наполнителя в поток текучей среды для разрыва пласта. Подают поток текучей среды сжиженного газа и измеряют расход текучей среды расходомером, и подают сигнал обратной связи на компьютер. Объединяют расклинивающий наполнитель или суспензию расклинивающего наполнителя с потоком сжиженного газа и измеряют концентрацию расклинивающего наполнителя в текучей среде для разрыва пласта ниже по потоку измерителем концентрации, и подают сигнал обратной связи на компьютер. Изменяют концентрацию текучей среды для разрыва пласта путем отправки сигнала с компьютера для направления сжатой текучей среды в резервуар расклинивающего наполнителя, для управления, таким образом, давлением в резервуаре расклинивающего наполнителя, для достижения желаемой концентрации. Обеспечивают систему управления давлением для регулирования протекания сжатой текучей среды к и от резервуара расклинивающего наполнителя. Программируют алгоритм для регулировки параметров настройки системы управления давлением посредством условий, измеренных измерителем концентрации и расходомером. Технический результат заключатся в улучшении регулирования подачи расклинивающего наполнителя. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления с обратной связью для регулировки концентрации расклинивающего наполнителя в текучей среде для разрыва пласта, которую используют при стимуляции подземного пласта, содержащий этапы, на которых:

подают расклинивающий наполнитель или суспензию расклинивающего наполнителя из герметизированного, находящегося под давлением резервуара расклинивающего наполнителя в поток текучей среды для разрыва пласта;

подают поток текучей среды сжиженного газа и измеряют расход текучей среды расходомером, и подают сигнал обратной связи на компьютер;

объединяют расклинивающий наполнитель или суспензию расклинивающего наполнителя с потоком сжиженного газа, образуя текучую среду для разрыва пласта, содержащую расклинивающий наполнитель, и измеряют концентрацию расклинивающего наполнителя в текучей среде для разрыва пласта ниже по потоку измерителем концентрации, и подают сигнал обратной связи на компьютер; и

изменяют концентрацию текучей среды для разрыва пласта путем отправки сигнала с компьютера для направления сжатой текучей среды в резервуар расклинивающего наполнителя, для управления, таким образом, давлением в резервуаре расклинивающего наполнителя, для достижения желаемой концентрации;

обеспечивают систему управления давлением для регулирования протекания сжатой текучей среды к и от резервуара расклинивающего наполнителя, содержащую устройство регулирования потока и датчик давления с обратной связью, находящийся в сообщении с текучей средой в резервуаре расклинивающего наполнителя; и

программируют алгоритм для регулировки параметров настройки системы управления давлением посредством условий, измеренных измерителем концентрации и расходомером.

2. Способ управления с обратной связью по п. 1, дополнительно содержащий способ измерения расхода потока расклинивающего наполнителя или суспензии расклинивающего наполнителя из резервуара расклинивающего наполнителя и программирования алгоритма в упомянутом компьютере для регулировки параметров настройки системы управления давлением исходя из расхода из резервуара расклинивающего наполнителя.

3. Способ управления с обратной связью по п. 1, в котором алгоритм встроен в динамический пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор.