BR112013025880A2 - método para fornecer fluido de fratura a um furo de poço, sistema para uso no fornecimento de fluido pressurizado para um furo de poço e aparelho misturador elétrico usado em operações de fraturamento - Google Patents

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Abstract

MÉTODO PARA FORNECER FLUIDO DE FRATURA A UM FURO DE POÇO, SISTEMA PARA USO NO FORNECIMENTO DE FLUIDO PRESSURIZADO PARA UM FURO DE POÇO E APARELHO MISTURADOR ELÉTRICO USADO EM OPERAÇÕES DE FRATURAMENTO A presente invenção provê um método e sistema para fornecer energia elétrica no local para uma operação de fraturamento, e um sistema de fraturamento alimentado eletricamente. Gás natural pode ser utilizado para acionar um gerador de turbina na produção de energia elétrica. Uma frota de fraturamento alimentada eletricamente, escalonável é fornecida para bombear fluidos para a operação de fraturamento, evitando a necessidade de um fornecimento constante de combustível diesel para o local e reduzindo a pegada do local e infraestrutura exigida para a operação e fraturamento, quando comparado com sistemas convencionais.

Description

·, "MÉTODO PARA FORNECER FLUIDO DE FRATURA A UM FURO DE POÇO, SISTEMA PARA USO NO FORNECIMENTO DE FLUIDO PRESSURIZADO PARA UM FURO DE
POÇO E APARELHO MISTURADOR ELÉTRICO USADO EM OPERAÇÕES DE FRATURAMENTO" 5 HISTÓRICO
1. Referência Remissiva a Pedidos Relacionados o presente pedido reivindica o benefício e o benefício de prioridade, do pedido de patente provisório U.S. No. de série 61/472.861, depositado em 7 de abril de 2011, intitulado 10 "MOBILE, MODULAR, ELECTRICALLY POWERED SYSTEM FOR USE IN FRACTURING UNDERGROUND FORMATIONS" I cuja descrição é incorporada aqui na íntegra.
2. Campo da Invenção A presente invenção refere-se genericamente a 15 estimulação hidráulica de formações contendo hidrocarboneto subterrâneo, e mais particularmente à geração e uso de energia elétrica para fornecer fluido de fratura a um furo de poço.
3. Descrição da Técnica Relacionada Durante o ciclo de vida de um furo de poço que 20 produz hidrocarboneto típico, vários fluidos (juntamente com aditivos, meios de sustentação, géis, cimento, etc.) podem ser fornecidos ao furo do poço sob pressão e injetados no furo de poço. Sistemas de bombeamento superficial devem ser capazes de acomodar esses vários fluidos. Tais sistemas de bombeamento são 25 tipicamente mobilizados em estrados (skids) ou tratores-reboques e acionados utilizando motores diesel. Avanços tecnológicos melhoraram muito a capacidade de identificar e recuperar recursos de gás e óleo não convencionais. Notavelmente, fraturamento de multi-estágios e 30 perfuração horizontal conduziram ao surgimento de novas oportunidades para produção de gás natural a partir de formações de xisto. Por exemplo, mais dé vinte intervalos fraturados foram relatados em um furo de poço horizontal, único, em uma formação de gás natural hermética. Entretanto, operações de fraturamento 35 significativas são necessárias para recuperar esses recursos.
Misturadores convencionais acionados por um sistema hidráulico a diesel são tipicamente alojados em um reboque de trator de 14 m (45 pés) e são capazes de aproximadamente 100 bbl/min.
Ao contrário, a configuração dual do módulo misturador 40 5 tendo a primeira unidade misturadora 47a e segunda unidade misturadora 47b pode fornecer uma capacidade de saída total de 240 bbl/min na mesma pegada física que um misturador convencional, sem a necessidade de uma unidade de apoio separada no caso de falha.
Misturadores de sistema redundantes foram experimentados no passado com sucesso limitado, principalmente devido a problemas com pesos de equilíbrio dos reboques enquanto ainda fornecem a quantidade apropriada de energia.
Tipicamente, dois motores separados, cada um com aproximadamente 485 kW ( 650 hp) , foram montados lado a lado na mangueira do reboque.
Para operar todos os sistemas necessários, cada motor deve acionar um tanque de mistura através de uma transmissão, caixa de queda e eixo de acionamento estendido.
Um sistema hidráulico grande também é encaixado em cada mecanismo para executar todos os sistemas auxiliares tais como adições de produtos químicos e bombas de sucção.
Perdas de energia parasíticas são muito grandes e a mangueira e fiação são complexas.
Ao contrário, o módulo misturador alimentado eletricamente 40 descrito em certas modalidades ilustrativas da presente invenção pode aliviar as perdas de energia parasíticas de sistemas convencionais por acionamento direto de cada peça de equipamento crítico com um motor elétrico dedicado.
Além disso, o módulo misturador alimentado eletricamente 40 descrito em certas modalidades ilustrativas aqui permite rotas de encanamento que não são disponíveis em aplicações convencionais.
Por exemplo, em certas modalidades ilustrativas, a fonte de fluido pode ser uma tubulação de entrada 48 que pode ter uma ou mais linhas de cruzamento de entrada 51 (ver a Figura 6) que conectam a seção da tubulação de entrada 48 dedicada ao fornecimento de fluido para a primeira unidade misturadora 47a com a seção de tubulação de entrada 48 dedicada ao fornecimento de fluido à segunda unidade misturadora 47b.
Similarmente, em certas modalidades ilustrativas, a tubulação de saída 49 pode ter uma ou mais linhas de cruzamento de saída 50 (ver a Figura 7) que conectam a seção da tubulação de saída 49 dedicada ao fornecimento de fluído a partir da primeira unidade misturadora 4 7a com a sessão da tubulação de saída 49 dedicada ao fornecimento de fluído a partir da segunda unidade 5 misturadora 47b. Linhas de cruzamento 50 e 51 permitem que o fluxo seja encaminhado ou desviado entre a primeira unidade misturadora 47a e a segunda unidade misturadora 47b. Desse modo, o módulo misturador 40 pode misturar de qualquer lado, ou ambos os lados, e/ou descarregar para qualquer lado, ou ambos os lados, se necessário. Como resultado, as taxas obteníveis para o módulo misturador alimentado eletricamente 40 são muito maiores do que aquela de um misturador convencional. Em certas modalidades ilustrativas, cada lado (isto é, primeira unidade misturadora 47a e segunda unidade misturadora 47b) do módulo misturador 40 é capaz de aproximadamente 120 bbl/min. Também, cada lado (isto é, primeira unidade misturadora 4 7a e segunda unidade misturadora 4 7b) pode mover aproximadamente 15 t/m de areia, pelo menos em parte devido ao fato do comprimento do trado 45 ser mais curto (aproximadamente l, 8 m ( 6') ) em comparação com unidades convencionais (aproximadamente 3,6 m (12')). Em certas modalidades ilustrativas, o módulo misturador 40 pode ser diminuído ou "encurtado" para um único módulo compacto comparável em tamanho e dimensões ao módulo de fraturamento 20 descrito aqui. Para trabalhos de tratamento ou fraturamento menores que exigem um número menor do que quatro módulos de fraturamento 20, um módulo misturador de tamanho diminuído 40 pode substituir um dos módulos de fraturamento 20 no reboque 10, desse modo reduzindo custos operacionais e melhorando a capacidade de transporte do sistema.
Sistema de Controle Um sistema de controle pode ser fornecido para regular vários equipamentos e sistemas na operação de fracionamento acionada eletricamente. Por exemplo, em certas modalidades ilustrativas, o sistema de controle pode regular o módulo de fraturamento 20 no fornecimento de fluido de tratamento a partir do módulo misturador 30 para bombas 22 para fornecimento ao furo de poço. Os controles para a operação acionada

Claims (29)

REIVINDICAÇÕES
1. Método para fornecer fluido de fratura a um furo de poço, caracterizado por compreender as etapas de: fornecer uma fonte dedicada de energia elétrica 5 para operações de fraturamento em um local de poço que contém um furo de poço a ser fraturado, em que a fonte dedicada de energia elétrica é um gerador de turbina localizado no local de poço que recebe uma fonte de gás natural e gera energia elétrica a partir da fonte de gás natural recebida; pressurizar o fluido de fratura usando um ou mais módulos de fraturamento elétricos no local de poço, em que cada um dos módulos de fraturamento elétricos compreende um motor elétrico acoplado a pelo menos uma bomba de fluido, em que a fonte dedicada de energia elétrica fornece a energia elétrica para o motor elétrico; e operar os módulos de fraturamento usando energia elétrica a partir da fonte dedicada de energia elétrica para bombear o fluido de fratura para dentro do furo de poço.
2. Método, de acordo com a reivindicação l, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente a mistura, usando um misturador elétrico, de um fluido recebido a partir de uma primeira tubulação de fonte de fluido do misturador elétrico e uma segunda tubulação de fonte de fluido do misturador elétrico com um aditivo de fluido a partir de pelo menos uma fonte de aditivo de fluido para produzir o fluido de fratura, em que o misturador elétrico compreende pelo menos um motor de mistura elétrico que obtém a energia elétrica a partir da fonte de energia elétrica dedicada.
3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: sincronizar a pelo menos uma bomba de fluido com o misturador elétrico; e compensar automaticamente a alteração na taxa de fluxo do misturador elétrico baseado na alteração na taxa de fluxo da pelo menos uma ·bomba de fluido instruída por um único comando a partir de um controle central para operações de fraturamento.
4. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o misturador elétrico é um misturador elétrico de configuração dual que compreende adicionalmente uma pluralidade de tanques de mistura, e em que o 5 método compreende adicionalmente: acionar, usando um primeiro motor de mistura elétrico do pelo menos um mo.tor de mistura elétrico, o fluido recebido na primeira tubulação de fonte de fluido do misturador elétrico na pluralidade de tanques de mistura; e acionar, usando o segundo motor de mistura elétrico do pelo menos um motor de mistura elétrico, o fluido recebido em uma segunda tubulação de entrada da pelo menos uma tubulação de fonte de fluido na pluralidade de tanques de mistura.
5. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que evita o transbordamento do misturador elétrico e cavitação da pelo menos uma bomba de fluido para operações de fraturamento pela implementação de uma alteração da taxa de fluxo para os um ou mais módulos de fraturamento elétricos e uma alteração da taxa de fluxo para o misturador elétrico usando um único comando a partir de um controle central.
6. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o misturador elétrico é um misturador elétrico de configuração dual, em que o método compreende adicionalmente: receber um fluido de fratura não misturado a partir de uma primeira tubulação de entrada do misturador elétrico de configuração dual; receber um fluido de fratura não misturado a partir de uma segunda tubulação de entrada do misturador elétrico de configuração dual; acionar, usando um primeiro motor de mistura elétrico do misturador elétrico de configuração dual, o fluido de fratura não misturado a partir da primeira tubulação de entrada do misturador elétrico de configuração dual para um primeiro tanque de mistura do misturador elétrico de configuração dual, um segundo tanque de mistura do misturador elétrico de configuração dual, ou ambos para formar o fluido de fratura; e acionar, usando um segundo motor de mistura elétrico do misturador elétrico de configuração dual, o fluido de fratura não misturado a partir da primeira tubulação de entrada do misturador elétrico de configuração dual para o primeiro tanque de 5 mistura do misturador elétrico de configuração dual, o segundo tanque de mistura do misturador elétrico de configuração dual, ou ambos para formar o fluido de fratura.
7. Método, de acordo com a reivindicação l, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente monitorar e controlar, usando um acionamento de frequência variável, o motor elétrico para acionar a pelo menos uma bomba de fluido adaptada para bombear o fluido de fratura para baixo no furo de poço.
8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que monitorar e controlar, usando um acionamento de frequência variável, o motor elétrico para acionar a pelo menos uma bomba de fluido adaptada para bombear o fluido de fratura para baixo no furo de poço compreende regular uma corrente máxima disponível para o motor elétrico.
9. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: controlar, usando um primeiro acionamento de frequência variável, o motor elétrico alimentado por eletricidade para acionar pelo menos uma bomba de fluido; e controlar, usando um segundo acionamento de frequência variável, pelo menos um motor de mistura elétrico alimentado por eletricidade para produzir o fluido de fratura a partir do misturador elétrico.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o primeiro acionamento de frequência variável é adaptado para controlar o motor elétrico ao controlar o motor elétrico dentro de uma pressão máxima para operações de fraturamento.
11. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente remover os um ou mais módulos de fraturamento a partir de um reboque sem desconectar o reboque de um sistema de tubulação, em que o sistema de tubulação é usado para conectar o reboque para operações de fraturamento no local de poço.
12. Sistema para uso no fornecimento de fluido pressurizado para um furo de poço, caracterizado por compreender: 5 uma fonte dedicada de eletricidade para operações de fraturamento localizada em um local de poço que compreende um furo de poço a ser fraturado, em que a fonte dedicada de eletricidade é adaptada para gerar energia elétrica através da conversão de uma fonte de gás natural em eletricidade, em que a fonte dedicada de eletricidade fornece energia elétrica para um módulo de fraturamento alimentado eletricamente e um misturador alimentado eletricamente; e um módulo de fraturamento alimentado eletricamente operativamente associado à fonte dedicada de eletricidade, em que o módulo de fraturamento alimentado eletricamente compreende um motor elétrico e pelo menos uma bomba de fluido acoplada ao motor elétrico, em que o módulo de fraturamento alimentado eletricamente é adaptado para bombear fluido de fratura usando a energia elétrica da fonte dedicada de eletricidade para o furo de poço.
13. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: um módulo misturador alimentado eletricamente operativamente associado à fonte dedicada de eletricidade e adaptado para fornecer fluido de fratura à bomba de fluido para fornecimento ao furo de poço, em que o módulo misturador alimentado eletricamente compreende pelo menos um motor de mistura elétrico que é alimentado pela fonte dedicada de eletricidade; e um controle central adaptado para evitar o transbordamento do módulo misturador alimentado eletricamente e cavitação da bomba de fluido pela implementação de uma alteração da taxa de fluxo para a bomba de fluido e uma alteração da taxa de fluxo para o módulo misturador alimentado eletricamente usando um único comando.
14. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o único comando a partir do controle central substitui uma pluralidade de comandos manuais fornecidos separadamente para a bomba de fluido e o módulo misturador alimentado eletricamente para implementar a alteração da taxa de fluxo para a bomba de fluido e a alteração da taxa de fluxo para o módulo misturador alimentado eletricamente. 5
15. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um reboque de fratura no local de poço para a montagem do módulo de fraturamento alimentado eletricamente, em que o reboque de fratura é conectado a um sistema de tubulação para operações de fraturamento, e en- que o reboque de fratura é adaptado para isolar o módulo de fraturamento alimentado eletricamente do reboque de fratura, de modo que o módulo de fraturamento alimentado eletricamente seja adaptado para ser removido do reboque de fratura sem desconectar o reboque de fratura do sistema de tubulação.
16. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um módulo de bombeamento de substituição compreendendo uma bomba e um motor elétrico, em que o módulo de bombeamento de substituição é adaptado para se conectar ao reboque de fratura no lugar do módulo de fraturamento alimentado eletricamente sem desconectar o reboque de fratura do sistema de tubulação.
17. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um acionamento de frequência variável adaptado para monitorar e controlar o motor elétrico para acionar a pelo menos uma bomba de fluido adaptada para bombear o fluido de fratura para baixo no furo de poço.
18. Sistema, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o acionamento de frequência variável é adaptado para monitorar e controlar o motor elétrico ao regular uma corrente máxima disponível para o motor elétrico.
19. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: um módulo misturador alimentado eletricamente operativamente associado à fonte dedicada de eletricidade e adaptado para fornecer fluido de fratura à bomba de fluido para fornecimento para o furo de poço, em que 0 módulo misturador alimentado eletricamente compreende pelo menos um motor de mistura elétrico; e um sistema de controle central adaptado para 5 evitar o transbordamento do módulo misturador alimentado eletricamente e cavitação da bomba de fluido pela implementação de uma alteração da taxa de fluxo para a bomba de fluido e uma alteração da taxa de fluxo para o módulo misturador alimentado eletricamente usando um único comando.
20. Sistema, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um acionamento de frequência variável adaptado para controlar o pelo menos um motor de mistura elétrico usado para produzir o fluido de fratura a partir do módulo de fratura alimentado eletricamente.
21. Sistema, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle central é configurado para: sincronizar a pelo menos uma bomba de fluido com o módulo misturador alimentado eletricamente; e compensar automaticamente a alteração na taxa de fluxo do módulo misturador alimentado eletricamente baseado na alteração na taxa de fluxo da pelo menos uma bomba de fluido instruída por um único comando.
22. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um módulo misturador alimentado eletricamente operativamente associado à fonte dedicada de eletricidade e adaptado para fornecer fluido de fratura à bomba de fluido para fornecimento ao furo de poço, em que o módulo misturador alimentado eletricamente é um misturador 3O elétrico de configuração dual que compreende adicionalmente uma pluralidade de tanques de mistura, e em que o misturador elétrico de configuração dual é configurado para: acionar, usando um primeiro motor de mistura elétrico do pelo menos um motor de mistura elétrico, o fluido recebido na primeira tubulação de fonte de fluido do misturador elétrico na pluralidade de tanques de mistura; e acionar, usando um segundo motor de mistura elétrico do pelo menos um motor de mistura elétrico, o fluido recebido em uma segunda tubulação de entrada da pelo menos uma tubulação de fonte de fluido na pluralidade de tanques de mistura. 5
23. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pel0; fato de que a fonte dedicada de eletricidade é adicionalmente adaptadc:3- para gerar eletricidade de 13. 800 volts para operações de fraturamento e fornecer a eletricidade gerada para o motor elétrico sem uma transmissão de energia de rede.
24. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um misturador de fraturamento elétrico de configuração dual que compreende uma primeira tubulação de entrada, uma segunda tubulação de entrada, uma primeira unidade misturadora, uma segunda unidade misturadora, um primeiro motor elétrico de entrada e um segundo motor elétrico de entrada, e em que o módulo misturador alimentado eletricamente-é adaptado para: receber um fluido de fratura não misturado a partir de uma primeira tubulação de entrada e da segunda tubulação; bombear com pelo menos a potência do primeiro motor elétrico de entrada, o fluido de fratura não misturado recebido a partir da primeira tubulação de entrada para ambas a primeira unidade misturadora alimentada eletricamente e a segunda unidade misturadora alimentada eletricamente para produzir o fluido de fratura; e bombear com pelo menos a potência do segundo motor elétrico de entrada, o fluido de fratura não misturado recebido a partir da segunda tubulação de entrada para ambas a primeira unidade misturadora alimentada eletricamente e a segunda unidade misturadora alimentada eletricamente para produzir o fluido de fratura.
25. Sistema, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o misturador de fraturamento elétrico de configuração dual compreende adicionalmente um primeiro motor de descarga, uma primeira tubulação de saída e uma segunda tubulação de saída, e em que o primeiro motor de descarga é adaptado para acionar a descarga do fluido de fratura a partir da primeira unidade misturadora para a primeira tubulação de saída e a segunda tubulação de saída.
26. Sistema, de acordo com a reivindicação 22, 5 caracterizado pelo fato de que o sistema de controle central é adaptado para controlar e monitorar remotamente através de pelo menos um canal de comunicação, a geração de energia do módulo de fraturamento alimentado eletricamente e o misturador de fraturamento elétrico de configuração dual para operações de fraturamento no local de poço.
27. Aparelho misturador elétrico usado em operações de fraturamento, caracterizado por compreender: uma primeira tubulação de entrada e uma segunda tubulação de entrada; um primeiro cruzamento de entrada operativamente acoplado entre a primeira tubulação de entrada e a segunda tubulação de entrada; um segundo cruzamento de entrada operativamente acoplado entre a primeira tubulação de entrada e a segunda tubulação de entrada; uma primeira tubulação de saída e uma segunda tubulação de saída; um primeiro cruzamento de saída que seja operativamente acoplado à primeira tubulação de saída; um segundo cruzamento de saída que seja operativamente acoplado à segunda tubulação de saída; uma primeira unidade misturadora alimentada eletricamente operativamente acoplada entre a primeira tubulação de entrada e a primeira tubulação de saída; uma segunda unidade misturadora alimentada eletricamente operativamente acoplada entre a segunda tubulação de entrada e a segunda tubulação de saída; e uma pluralidade de motores elétricos acoplada a uma cabine de controle, em que os motores elétricos são configurados para fornecer energia para a mistura de um fluido de fratura,
• em que a cabine de controle está configurada para: sincronizar o aparelho misturador elétrico com uma ou mais bombas de fluido que bombeiam fluido de 5 fratura dentro de um furo de poço; e compensar automaticamente uma alteração na taxa de fluxo do aparelho misturador elétrico baseado em uma alteração na taxa de fluxo da uma ou mais bombas de fluido instruídas por um único comando gerado a partir de um 10 controle central para operações de fraturamento.
28. Aparelho, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado pelo fato de que o primeiro cruzamento de entrada é configurado para rotear o fluido de fratura para a primeira unidade misturadora alimentada eletricamente a partir de ambas a 15 primeira tubulação de entrada e a segunda tubulação de entrada, e em que o segundo cruzamento de entrada é configurado para rotear o fluido de fratura para a segunda unidade misturadora alimentada eletricamente a partir de ambas a primeira tubulação de entrada e a segunda tubulação de entrada. 20
29. Aparelho, de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato de que compreende: um primeiro motor elétrico de entrada operativamente acoplado à primeira tubulação de entrada e configurado para bombear fluido que entra na primeira tubulação de 25 entrada para a. primeira unidade misturadora alimentada eletricamente e a segunda unidade misturadora alimentada eletricamente; e um segundo motor elétrico de entrada operativamente acoplado à segunda tubulação de entrada e 30 configurado para bombear fluido que entra na primeira tubulação de entrada para a primeira unidade misturadora alimentada eletricamente e a segunda unidade misturadora alimentada eletricamente, em que o aparelho misturador elétrico é 35 configurado para ser montado sobre um estrado ou um reboque.
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