BR122020025350A2 - sistemas para uso na entrega de fluido pressurizado e método de entrega de um fluido de fratura a um furo de poço - Google Patents

Abstract

“sistemas para uso na entrega de fluido pressurizado e método de entrega de um fluido de fratura a um furo de poço”. 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 eletricamnente. 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 de fraturamento, quando comparado com sistemas convencionais.

Description

SISTEMA PARA USO NA ENTREGA DE FLUIDO PRESSURIZADO A UM FURO DE POÇO E MÉTODO DE ENTREGA DE UM FLUIDO DE FRATURAMENTO A UM FURO DE POÇO (Dividido do BR 112013025880-2, depositado em 06/04/2012) HISTÓRICO 1. Referência Remissiva a Pedidos Relacionados

[001] 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 "MOBILE, MODULAR, ELECTRICALLY POWERED SYSTEM FOR USE IN FRACTURING UNDERGROUND FORMATIONS", cuja descrição é incorporada aqui na íntegra.

2. Campo da Invenção

[002] A presente invenção refere-se genericamente a 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

[003] Durante o ciclo de vida de um furo de poço que 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 tipicamente mobilizados em estrados (skids) ou tratores-reboques e acionados utilizando motores diesel.

[004] Avanços tecnológicos melhoraram muito a capacidade de identificar e recuperar recursos de gás e óleo não convencionais. Notavelmente, fraturamento de multi-estágios e perfuração horizontal conduziram ao surgimento de novas oportunidades para produção de gás natural a partir de formações de xisto. Por exemplo, mais de vinte intervalos fraturados foram relatados em um furo de poço horizontal, único, em uma formação de gás natural hermética. Entretanto, operações de fraturamento significativas são necessárias para recuperar esses recursos.

[005] Oportunidades de recuperação de gás natural atualmente consideradas exigem infraestrutura operacional considerável, incluindo grandes investimentos em equipamento de fraturamento e pessoal relacionado. Notavelmente, bombas de fluido padrão exigem volumes grandes de combustível diesel e programas de manutenção de equipamento extensivo. Tipicamente, cada bomba de fluido é alojada em uma configuração de reboque e caminhão dedicado. Com operações de fraturamento médias que exigem tantos quantos cinquenta bombas de fluido, a área no local, ou "pegada" ("footprint"), exigida para acomodar essas operações de fraturamento é maciça. Como resultado, a infraestrutura operacional exigida para sustentar essas operações de fraturamento é extensiva. Eficiências operacionais maiores na recuperação de gás natural seriam desejáveis.

[006] Ao planejar operações de fraturamento grandes, uma preocupação logística principal é a disponibilidade de combustível diesel. Os volumes excessivos de combustível diesel exigidos necessitam transporte constante de petroleiros de diesel para o local, e resulta em emissões de dióxido de carbono significativas. Outros tentaram diminuir o consumo de combustível e emissões por rodar motores de bomba grandes em "Bi-combustível", misturar gás natural e combustível diesel juntos, porém com sucesso limitado. Além disso, tentativas para diminuir o número de pessoal no local ao implementar monitoramento remoto e controle operacional não foram bem-sucedidas, visto que pessoal ainda é exigido no local para transportar o equipamento e combustível para, e a partir do, local.

SUMÁRIO

[007] Várias modalidades ilustrativas de um sistema e método para estimulação hidráulica de formações que contêm hidrocarboneto subterrâneas são fornecidas aqui. De acordo com um aspecto da matéria descrita, um método de fornecer fluido de fratura para um furo de poço é fornecido. O método pode compreender as etapas de: fornecer uma fonte dedicada de energia elétrica em um local contendo um furo de poço a ser fraturado; fornecer um ou mais módulos de fraturamento elétricos no local, cada módulo de faturamento elétrico compreendendo um motor elétrico e uma bomba de fluido acoplada, cada motor elétrico associado operativamente à fonte dedicada de energia elétrica; fornecer um fluido de tratamento de furo de poço para fornecimento pressurizado a um furo de poço, em que o fluido de tratamento de furo de poço pode ser contínuo com a bomba de fluido e com o furo de poço; e operar a unidade de fraturamento utilizando energia elétrica a partir da fonte dedicada para bombear o fluido de tratamento para o furo de poço.

[008] Em certas modalidades ilustrativas, a fonte dedicada de energia elétrica é um gerador de turbina. Uma fonte de gás natural pode ser fornecida, pelo que o gás natural aciona o gerador de turbina na produção de energia elétrica. Por exemplo, gás natural pode ser fornecido por tubulação, ou gás natural produzido no local. Combustíveis líquidos como condensado podem ser também fornecidos para acionar o gerador de turbina.

[009] Em certas modalidades ilustrativas, o motor elétrico pode ser um motor com ímã permanente AC e/ou um motor de velocidade variável. O motor elétrico pode ser capaz de operação na faixa de até 1.500 rpm e até 27.116 N.m de torque. A bomba pode ser uma bomba de fluido estilo êmbolo tríplex ou quintiplex.

[0010] Em certas modalidades ilustrativas, o método pode compreender adicionalmente as etapas de: fornecer um módulo misturador elétrico contínuo e/ou associado operativamente à bomba de fluido, o módulo misturador compreendendo: uma fonte de fluido, uma fonte de aditivo de fluido, e um tanque de misturador centrífugo, e fornecer energia elétrica a partir da fonte dedicada ao módulo misturador para efetuar mistura do fluido com aditivos de fluido para gerar o fluido de tratamento.

[0011] De acordo com outro aspecto da matéria descrita, um sistema para uso no fornecimento de fluido pressurizado a um furo de poço é fornecido. O sistema pode compreender: um local de poço compreendendo um furo de poço e uma fonte de eletricidade dedicada; um módulo de fraturamento alimentado eletricamente associado operativamente à fonte de eletricidade dedicada, o módulo de fraturamento alimentado eletricamente compreendendo um motor elétrico e uma bomba de fluido acoplada ao motor elétrico; uma fonte de fluido de tratamento, em que o fluido de tratamento pode ser contínuo com a bomba de fluido e com o furo de poço; e um sistema de controle para regular o módulo de fraturamento no fornecimento do fluido de tratamento a partir da fonte de fluido de tratamento para o furo de poço.

[0012] Em certas modalidades ilustrativas, a fonte de fluido de tratamento pode compreender um módulo misturador alimentado eletricamente associado operativamente à fonte dedicada de eletricidade. O sistema pode compreender adicionalmente um reboque de fraturamento no local de poço para alojar um ou mais módulos de fraturamento. Cada módulo de fraturamento pode ser adaptado para montagem removível no reboque. O sistema pode compreender adicionalmente um módulo de bombeamento de substituição compreendendo uma bomba e um motor elétrico, o módulo de bombeamento de substituição adaptado para montagem removível no reboque. Em certas modalidades ilustrativas, o módulo de bombeamento de substituição pode ser um módulo de bombeamento de nitrogênio, ou um módulo de bombeamento de dióxido de carbono. O módulo de bombeamento de substituição pode ser, por exemplo, um motor de torque elevado, de taxa baixa ou um motor de torque baixo, de taxa elevada.

[0013] De acordo com outro aspecto da matéria descrita, um módulo de fraturamento para uso no fornecimento de fluido pressurizado a um furo de poço é fornecido. O módulo de fraturamento pode compreender: um motor com ímã permanente AC capaz de operação na faixa de até 1.500 rpm e até 27.116 N.m de torque; e uma bomba de fluido no estilo de êmbolo acoplada ao motor.

[0014] De acordo com outro aspecto da matéria descrita, um método de misturar um fluido de fratura para fornecimento a um furo de poço a ser fraturado é fornecido. Uma fonte de energia elétrica dedicada pode ser fornecida em um local contendo um furo de poço a ser fraturado. Pelo menos um módulo misturador elétrico pode ser fornecido no local. O módulo misturador elétrico pode incluir uma fonte de fluido, uma fonte de aditivo de fluido e um tanque de misturador. Energia elétrica pode ser fornecida a partir da fonte dedicada ao módulo misturador elétrico para efetuar mistura de um fluido a partir da fonte de fluido com um aditivo de fluido a partir da fonte de aditivo de fluido para gerar o fluido de fratura. A fonte de energia elétrica dedicada pode ser um gerador de turbina. Uma fonte de gás natural pode ser fornecida, em que o gás natural é utilizado para acionar o gerador de turbina na produção de energia elétrica. O fluido a partir da fonte de fluido pode ser misturado com o aditivo de fluido a partir da fonte de aditivo de fluido no tanque de misturador. O módulo de misturador elétrico pode incluir também pelo menos um motor elétrico que é associado operativamente à fonte de energia elétrica dedicada e que afeta a mistura do fluido a partir da fonte de fluido com o aditivo de fluido a partir da fonte de aditivo de fluido.

[0015] Em certas modalidades ilustrativas, o módulo misturador elétrico pode incluir um primeiro motor elétrico e um segundo motor elétrico, cada um dos quais é associado operativamente à fonte de energia elétrica dedicada. O primeiro motor elétrico pode efetuar fornecimento do fluido a partir da fonte de fluido ao tanque de mistura. O segundo motor elétrico pode efetuar mistura do fluido a partir da fonte de fluido com o aditivo de fluido a partir da fonte de aditivo de fluido no tanque de mistura. Em certas modalidades ilustrativas, um terceiro motor elétrico também pode estar presente, que também pode ser associado operativamente à fonte de energia elétrica dedicada. O terceiro motor elétrico pode efetuar fornecimento do aditivo de fluido a partir da fonte de aditivo de fluido para o tanque de mistura.

[0016] Em certas modalidades ilustrativas, o módulo misturador elétrico pode incluir uma primeira unidade misturadora e uma segunda unidade misturadora, individualmente dispostas adjacentes entre si no módulo misturador e cada um capaz de operação independente, ou coletivamente capaz de operação cooperativa, como desejado. A primeira unidade misturadora e a segunda unidade misturadora podem incluir, individualmente, uma fonte de fluido, uma fonte de aditivo de fluido, e um tanque de misturador. A primeira unidade misturadora e a segunda unidade misturadora podem ter individualmente pelo menos um motor elétrico que seja associado operativamente à fonte de energia elétrica dedicada e que efetua mistura do fluido a partir da fonte de fluido com o aditivo de fluido a partir da fonte de aditivo de fluido. Alternativamente, a primeira unidade misturadora e a segunda unidade misturadora podem ter, individualmente, um primeiro motor elétrico e um segundo motor elétrico, ambos associados operativamente à fonte dedicada de energia elétrica, em que o primeiro motor elétrico efetua fornecimento do fluido a partir da fonte de fluido para o tanque de mistura e o segundo motor elétrico efetua fornecimento do fluido a partir da fonte de fluido com o aditivo de fluido a partir da fonte de aditivo de fluido no tanque de mistura. Em certas modalidades ilustrativas, a primeira unidade misturadora e a segunda unidade misturadora podem ter individualmente um terceiro motor elétrico associado operativamente à fonte de energia elétrica dedicada, em que o terceiro motor elétrico efetua fornecimento do aditivo de fluido a partir da fonte de aditivo de fluido para o tanque de mistura.

[0017] De acordo com outro aspecto da matéria descrita, um módulo misturador elétrico para uso no fornecimento de um fluido de fratura misturado para um furo de poço é fornecido. O módulo misturador elétrico pode incluir uma primeira unidade misturadora acionada eletricamente e uma primeira tubulação de entrada acoplada à primeira unidade misturadora acionada eletricamente e capaz de fornecer um fluido de fratura para não misturado ao mesmo. Uma primeira tubulação de saída pode ser acoplada à primeira unidade misturadora acionada eletricamente e pode ser capaz de fornecer o fluido de fratura misturado para longe a partir do mesmo. Uma segunda unidade misturadora acionada eletricamente pode ser fornecida. Uma segunda tubulação de entrada pode ser acoplada à segunda unidade misturadora acionada eletricamente e capaz de fornecer o fluido de fratura não misturado para o mesmo. Uma segunda tubulação de saída pode ser acoplada à segunda unidade misturadora acionada eletricamente e pode ser capaz de fornecer o fluido de fratura misturado para longe a partir do mesmo. Uma linha de cruzamento de entrada pode ser acoplada tanto à primeira tubulação de entrada como à segunda tubulação de entrada e pode ser capaz de fornecer o fluido de fratura não misturado entre os mesmos. Uma linha de cruzamento de saída pode ser acoplada tanto à primeira tubulação de saída como à segunda tubulação de saída e pode ser capaz de fornecer o fluido de fratura misturado entre os mesmos. Um estrado pode ser fornecido para alojar a primeira unidade misturadora acionada eletricamente, a primeira tubulação de entrada, a segunda unidade misturadora acionada eletricamente, e a segunda tubulação de entrada.

[0018] Outros aspectos e características da presente invenção se tornarão evidentes para aqueles com conhecimentos ordinários na técnica após exame da seguinte descrição detalhada em combinação com as figuras em anexo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0019] Uma melhor compreensão da matéria atualmente descrita pode ser obtida quando a seguinte descrição detalhada é considerada em combinação com os seguintes desenhos, em que:

[0020] A Figura 1 é uma vista plana esquemática de um local de fraturamento tradicional.

[0021] A Figura 2 é uma vista plana esquemática de um local de fraturamento de acordo com certas modalidades ilustrativas descritas aqui.

[0022] A Figura 3 é uma vista em perspectiva esquemática de um reboque de fraturamento de acordo com certas modalidades ilustrativas descritas aqui.

[0023] A Figura 4A é uma vista em perspectiva esquemática de um módulo de fraturamento de acordo com certas modalidades ilustrativas descritas aqui.

[0024] A Figura 4B é uma vista em perspectiva esquemática de um módulo de fraturamento com pessoal de manutenção de acordo com certas modalidades ilustrativas descritas aqui.

[0025] A Figura 5A é uma vista lateral esquemática de um módulo misturador de acordo com certas modalidades ilustrativas descritas aqui.

[0026] A Figura 5B é uma vista extrema do módulo misturador mostrado na Figura 4A.

[0027] A Figura SC é uma vista superior esquemática de um módulo misturador de acordo com certas modalidades ilustrativas descritas aqui.

[0028] A Figura 5D é uma vista lateral esquemática do módulo misturador mostrado na Figura 5C.

[0029] A Figura 5E é uma vista em perspectiva esquemática do módulo misturador mostrado na Figura 5C.

[0030] A Figura 6 é uma vista superior esquemática de uma tubulação de entrada para um módulo misturador de acordo com certas modalidades ilustrativas descritas aqui.

[0031] A Figura 7 é uma vista superior esquemática de uma tubulação de saída para um módulo misturador de acordo com certas modalidades ilustrativas descritas aqui.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0032] A matéria presentemente descrita se refere genericamente a um sistema de fraturamento alimentado eletricamente e a um sistema e método para fornecer energia elétrica no local e fornecer fluido de fratura a um furo de poço em uma operação de fraturamento.

[0033] Em uma operação de fraturamento convencional, uma "pasta" de fluidos e aditivos é injetada em uma formação de rocha contendo hidrocarboneto em um furo de poço para propagar fraturamento. Fluidos de baixa pressão são misturados com produtos químicos, areia, e, se necessário, ácido, e então transferidos em pressão média e taxa elevada para porções verticais e/ou desviadas do furo de poço através de múltiplas bombas do estilo de êmbolo de pressão elevada alimentadas por máquinas térmicas (prime movers) abastecidas com diesel. A maioria dos fluidos injetados será fluida de volta através do furo de poço e recuperada, enquanto a areia permanecerá na fratura recentemente criada, desse modo "sustentando" ("propping") aberta e fornecendo uma membrana permeável para fluidos de hidrocarboneto e gases para fluir pelo mesmo de modo que possam ser recuperadas.

[0034] De acordo com as modalidades ilustrativas descritas aqui, gás natural (fornecido ao local ou produzido no local) pode ser utilizado para acionar uma fonte de energia elétrica dedicada, tal como um gerador de turbina, para finalizações de furo de poço que produz hidrocarboneto. Uma frota de fraturamento alimentado eletricamente, escalonável é provida para fornecer fluido de tratamento pressurizado, tal como fluido de fratura, a um furo de poço em uma operação de fraturamento, evitando a necessidade de um fornecimento constante de combustível diesel para o local e reduzindo a pegada do local e infraestrutura necessárias para a operação de fraturamento, quando comparado com operações convencionais. O fluido de tratamento fornecido para fornecimento pressurizado para o furo de poço pode ser contínuo com o furo de poço e com um ou mais componentes da frota de fraturamento, em certas modalidades ilustrativas. Nessas modalidades, contínuo genericamente significa que hidrodinâmica de fundo de poço é depende de fluxo constante (taxa e pressão) dos fluidos fornecidos, e que não deve haver qualquer interrupção no fluido durante o fornecimento ao furo de poço se a fratura deve ser propagar conforme desejado. Entretanto, não deve ser interpretado como significando que operações da frota de fraturamento não possam ser genericamente paradas e iniciadas, como seria entendido por uma pessoa com conhecimentos ordinários na técnica.

[0035] Com referência à Figura 1, uma planta do local para uma operação de faturamento tradicional em um local terrestre (onshore) é mostrada. Múltiplos reboques 5 são fornecidos, cada um tendo pelo menos um tanque diesel montado ou de outro modo disposto no mesmo. Cada reboque 5 é fixado em um caminhão 6 para permitir reabastecimento dos tanques diesel, como necessário. Caminhões 6 e reboques 5 são localizados na região A no local de fraturamento. Cada caminhão 6 requer um operador dedicado. Uma ou mais máquinas térmicas são abastecidas por diesel e são utilizadas para alimentar a operação de fraturamento. Um ou mais estrados de manipulação de produto químico separados 7 são fornecidos para alojamento de tanques de mistura e equipamento relacionado.

[0036] Com referência à Figura 2, uma modalidade ilustrativa de uma planta do local para uma operação de fraturamento acionada eletricamente em um local terrestre é mostrada. A operação de fraturamento inclui um ou mais reboques 10, cada um alojando um ou mais módulos de fraturamento 20 (ver a Figura 3). Reboques 10 são localizados na região B no local de fraturamento. Um ou mais geradores de turbina alimentados a gás natural 30 são localizados na região C no local, que é localizado em uma distância remota D da região B onde os reboques 10 e módulos de fraturamento 20 são localizados, por motivos de segurança. Geradores de turbina 30 substituem as máquinas térmicas a diesel utilizadas na planta do local da Figura 1. Geradores de turbina 30 fornecem uma fonte dedicada de energia elétrica no local. Há preferivelmente uma separação física entre a geração de energia baseada em gás natural na região C e a operação de fraturamento e furo de poço localizada na região B. A geração de energia baseada em gás natural pode exigir precauções de segurança maiores do que a operação de fraturamento e cabeça de poço. Por conseguinte, medidas de segurança podem ser tomadas na região C para limitar acesso a esse local mais perigoso, enquanto mantendo padrões de segurança separados na região B onde a maioria do pessoal local é tipicamente localizado. Além disso, o fornecimento de eletricidade alimentado por gás natural pode ser monitorado e regulado remotamente de tal modo que, se desejado, não é necessário que nenhum pessoal permaneça na região C durante a operação.

[0037] Notavelmente, a montagem da Figura 2 requer significativamente menos infraestrutura do que a montagem mostrada na Figura 1, enquanto fornece capacidade de bombeamento comparável. Um número menor de reboques 10 está presente na região B da Figura 2 do que os caminhões 6 e reboques 5 na região A da Figura 1, devido à falta de necessidade para um fornecimento de combustível diesel constante. Além disso, cada reboque 10 na Figura 2 não necessita de um caminhão dedicado 6 e operador como na Figura 1. Um número menor de estrados 7 de manipulação de produto químico é exigido na região B da Figura 2 do que na região A da Figura 1, visto que os estrados 7 na Figura 2 podem ser alimentados eletricamente. Adicionalmente, ao remover máquinas térmicas a diesel, toda maquinaria associada necessária para transferência de energia pode ser eliminada, tal como a transmissão, conversor de torque, embreagem, eixo de acionamento, sistema hidráulico, etc., e a necessidade de sistemas de resfriamento, incluindo bombas de circulação e fluidos, é significativamente reduzida. Em uma modalidade ilustrativa, a pegada física da área no local na região B da Figura é 2 aproximadamente 80% menor do que a pegada para o sistema convencional na região A da Figura 1.

[0038] Com referência às modalidades ilustrativas da Figura 3, o reboque 10 para alojar um ou mais módulos de fraturamento 20 é mostrado. O reboque 10 também pode ser um estrado, em certas modalidades ilustrativas. Cada módulo de fraturamento 20 pode incluir um motor elétrico 21 e uma bomba de fluido 22 acoplada ao mesmo. Durante o fraturamento, o módulo de fraturamento 20 é associado operativamente ao gerador de turbina 30 para receber energia elétrica a partir do mesmo. Em certas modalidades ilustrativas, uma pluralidade de motores elétricos 21 é bombas 22 podem ser transportados em um reboque único 10. Nas modalidades ilustrativas da Figura 3, quatro motores elétricos 21 e bombas 22 são transportados em um único reboque 10. Cada motor elétrico 21 é emparelhado a uma bomba 22 como um módulo de fraturamento único 20. Cada módulo de fraturamento 20 pode ser removivelmente montado ao reboque 10 para facilitar a substituição conforme necessário. Módulos de fraturamento 20 utilizam energia elétrica a partir do gerador de turbina 30 para bombear o fluido de fratura diretamente para o furo de poço.

Geração de Energia Elétrica

[0039] O uso de uma turbina para acionar diretamente uma bomba foi anteriormente explorado. Em tais sistemas, uma transmissão é utilizada para regular a energia de turbina para a bomba de modo a permitir controle de torque e velocidade. Na presente operação, gás natural é utilizado em vez disso para acionar uma fonte de energia dedicada na produção de eletricidade. Em modalidades ilustrativas, a fonte de energia dedicada é um gerador de turbina no local. A necessidade de uma transmissão é eliminada, e eletricidade gerada pode ser utilizada para alimentar os módulos de fraturamento, misturadores e outras operações no local conforme necessário.

[0040] A energia de rede (grid power) pode ser acessível no local em certas operações de fraturamento, porém o uso de uma fonte de energia dedicada é preferido. Durante o início de uma operação de fraturamento, quantidades maciças de energia são exigidas de tal modo que o uso de energia de rede seria impraticável. Geradores acionados por gás natural são mais adequados para essa aplicação com base na disponibilidade provável de gás natural no local e na capacidade de geradores de gás natural para produzir grandes quantidades de energia.

[0041] Notavelmente, o potencial para ajustes instantâneos muito grandes em energia tirada da rede durante uma operação de fraturamento poderia prejudicar a estabilidade e confiabilidade do sistema de energia de rede. Por conseguinte, uma fonte de eletricidade dedicada e gerada no local provê uma solução mais viável em alimentar um sistema de fraturamento elétrico. Além disso, uma operação no local dedicada pode ser utilizada para fornecer energia para operar outro equipamento local, incluindo sistemas de tubagem enrolada, sondas de serviço, etc.

[0042] Em uma modalidade ilustrativa, um único gerador de turbina acionado por gás natural 30, como alojado em uma área restrita C da Figura 2, pode gerar energia suficiente (por exemplo, 31 MW em 13.800 volts de energia AC) para abastecer vários motores elétricos 21 e bombas 22, evitando a necessidade atual de fornecer e operar cada bomba de fluido a partir de um caminhão acionado a diesel, separado. Uma turbina apropriada para essa finalidade é um gerador de turbina TM2500+ vendida por General Electric. Outros pacotes de geração poderiam ser fornecidos por Pratt & Whitney ou Kawasaki, por exemplo. Múltiplas opções são disponíveis para geração de energia de turbina, dependendo da quantidade de eletricidade necessária. Em uma modalidade ilustrativa, combustíveis líquidos, tal como condensado, também podem ser fornecidos para acionar o gerador de turbina 30 em vez de, ou além de, gás natural. Condensado é mais barato do que combustíveis de diesel, desse modo reduzindo custos operacionais.

Módulo de Fraturamento

[0043] Com referência às Figuras 4A e 4B, uma modalidade ilustrativa de módulo de fraturamento 20 é fornecida. O módulo de fraturamento 20 pode incluir um motor elétrico 21 acoplado a uma ou mais bombas elétricas 22, em certas modalidades ilustrativas. Uma bomba apropriada é uma bomba estilo êmbolo quintiplex ou tríplex; por exemplo, a bomba de serviço de poço SWGS-2500 vendida por Gardner Denver, Inc.

[0044] O motor elétrico 21 é associado operativamente ao gerador de turbina 30, em certas modalidades. Tipicamente, cada módulo de fraturamento 20 será associado a um alojamento de acionamento para controlar o motor elétrico 21 e bombas 22, bem como uma unidade de acionamento e transformador elétrico 50 (ver a Figura 3) para reduzir a voltagem da energia a partir do gerador de turbina 30 para uma voltagem apropriada para o motor elétrico 21. A unidade de acionamento e transformador elétrico 50 pode ser fornecida como uma unidade independente para associação ao módulo de fraturamento 20, ou pode ser permanentemente fixada ao reboque 10, em várias modalidades. Se permanentemente fixada, então a unidade de acionamento e transformador 50 pode ser escalável para permitir adições e subtrações de bombas 22 ou outros componentes para acomodar quaisquer exigências operacionais.

[0045] Cada bomba 22 e motor elétrico 21 são de natureza modular, de modo a simplificar a remoção e substituição de módulo de fraturamento 20 para fins de manutenção. A remoção de um único módulo de fraturamento 20 a partir do reboque 10 também é simplificada. Por exemplo, qualquer módulo de fraturamento 20 pode ser desplugado e destravado do reboque 10 e removido, e outro módulo de fraturamento 20 pode ser instalado em seu lugar em uma questão de minutos.

[0046] Na modalidade ilustrativa da Figura 3, o reboque 10 pode alojar quatro módulos de fraturamento 20, juntamente com uma unidade de acionamento e transformador 50. Nessa configuração específica, cada reboque único 10 provê mais capacidade de bombeamento do que quatro dos reboques de fraturamento acionados a 30 diesel tradicionais 5 da Figura 1, visto que perdas parasíticas são mínimas no sistema de fraturamento elétrico em comparação com as perdas parasíticas típicas de sistemas abastecidos com diesel. Por exemplo, uma bomba de fluido alimentada a diesel convencional é classificada para 1.678 kW (2.250 hp). Entretanto, devido a perdas parasíticas na transmissão, sistemas de resfriamento e conversor de torque, sistemas abastecidos com diesel tipicamente fornecem somente 1.342 kW (1.800 hp) para as bombas. Ao contrário, o presente sistema pode fornecer 1.864 kW (2.500 hp) verdadeiro diretamente a cada bomba 22 porque a bomba 22 é diretamente acoplada ao motor elétrico 21. Além disso, o peso nominal de uma bomba de fluido convencional é de até 54.431 Kg (120.000 lbs). Na presente operação, cada módulo de fraturamento 20 pesa aproximadamente 12.700 Kg (28.000 lbs), desse modo permitindo a colocação de quatro bombas 22 na mesma dimensão física (tamanho e peso) que o espaçamento necessário para uma bomba única em sistemas a diesel convencionais, bem como permitindo até 7.457 Kw 10 (10.000 hp) total para as bombas. Em outras modalidades, um número maior ou menor de módulos de fraturamento 20 pode ser localizado no reboque 10 como desejado ou exigido para fins operacionais.

[0047] Em certas modalidades ilustrativas, o módulo de fraturamento 20 pode incluir um motor elétrico 21 que é um motor com ímã permanente AC capaz de operação na faixa de até 1.500 rpm e de até 27.116 N.m de torque. O módulo de fraturamento 20 também pode incluir uma bomba 22 que é uma bomba de fluido estilo êmbolo acoplada ao motor elétrico 21. Em certas modalidades ilustrativas, o módulo de fraturamento 20 pode ter dimensões de aproximadamente 345 em de largura x 274 em de comprimento x 254 em de altura (136" de largura x 108" de comprimento x 100" de altura). Essas dimensões permitiriam que o módulo de fraturamento 20 fosse facilmente portátil e adaptado com um recipiente intermodal ISO para fins de transporte sem a necessidade de desmontagem. Comprimentos de recipiente ISO de tamanho padrão são tipicamente 6 m, 12 m ou 16 m (20', 40' ou 53'). Em certas modalidades ilustrativas, o módulo de fraturamento 20 pode ter dimensões não maiores do que 345 em de largura x 274 em de comprimento x 254 em de altura. Essas dimensões para o módulo de fraturamento 20 também permite que elementos da tripulação caibam facilmente nos limites do módulo de fraturamento 20 para fazer reparos, como ilustrado na Figura 4b. Em certas modalidades ilustrativas, o módulo de fraturamento 20 pode ter uma largura não maior do que 259 em (102") para estar compreendida nas configurações de transporte e restrições de estrada. Em uma modalidade específica, o módulo de fraturamento 20 é capaz de operar em 1.864 kW (2.500 hp) enquanto ainda tem as dimensões acima especificadas e atendem as especificações acima mencionadas para RPM e N.m de torque.

Motor Elétrico

[0048] Com referência às modalidades ilustrativas das Figuras 2 e 3, um motor elétrico de ímã permanente AC de voltagem baixa média 21 recebe energia elétrica a partir do gerador de turbina 30, e é acoplado diretamente à bomba 22. Para assegurar adequação para uso em fraturamento, o motor elétrico 21 deve ser capaz de operação até 1.500 rpm com um torque de até 27.116 N.m em certas modalidades ilustrativas. Um motor adequado para essa finalidade é vendido sob a marca registrada TeraTorq® e é disponível da Comprehensive Power, Inc. de Marlborough, Massachusetts, EUA. Um motor compacto de torque suficiente permitirá a maximização de diversos módulos de faturamento 20 colocados em cada reboque 10.

Misturador

[0049] Para maior eficiência, misturadores acionados a diesel convencionais e unidades de adição química podem ser substituídos por unidades misturadas acionadas eletricamente. Em certas modalidades ilustrativas como descrito aqui, as unidades misturadas acionadas eletricamente podem ser de natureza modular para alojamento no reboque 10 no lugar do módulo de faturamento 20, ou alojadas independentemente para associação com cada reboque 10. Uma operação de mistura elétrica permite maior acurácia e controle de aditivos de fluido de fraturamento. Além disso, os tanques de misturador centrífugo tipicamente utilizados com reboques de mistura para misturar fluidos com meio de sustentação, areia, produtos químicos, ácido, etc., antes do fornecimento ao furo do poço são uma fonte comum de custos de manutenção em operações de fraturamento tradicionais.

[0050] Com referência às Figuras 5A-5E e às Figuras 6-7, modalidades ilustrativas de um módulo misturador 40 e componentes do mesmo são fornecidas. O módulo misturador 40 pode ser associado operativamente ao gerador de turbina 30 e capaz de fornecer fluido de fracionamento para a bomba 22 para fornecimento ao furo de poço. Em certas modalidades, o módulo misturador 40 pode incluir pelo menos uma fonte de aditivo de fluido 44, pelo menos uma fonte de fluido 48, e pelo menos um tanque de misturador centrífugo 46. Energia elétrica pode ser fornecida a partir do gerador de turbina 30 ao módulo misturador 40 para efetuar mistura de um fluido a partir da fonte de fluido 48 com um aditivo de fluido a partir da fonte de aditivo de fluido 44 para gerar o fluido de fraturamento. Em certas modalidades, o fluido a partir da fonte de fluido 48 pode ser, por exemplo, água, óleos, ou misturas de metanol, e o aditivo de fluido a partir da fonte de aditivo de fluido 44 pode ser, por exemplo, redutores de fricção, gelificantes, meios de quebra de gelificante ou biocidas.

[0051] Em certas modalidades ilustrativas, o módulo misturador 40 pode ter uma configuração dual, com uma primeira unidade misturadora 47a e uma segunda unidade misturadora 47b posicionadas adjacentes entre si. Esta configuração dual é projetada para prover redundância e facilidade de acesso para manutenção e substituição de componentes conforme necessário. Em certas modalidades, cada unidade misturadora 47a e 47b pode ter seus próprios motores de tanque e sucção alimentados eletricamente dispostos sobre a mesma, e opcionalmente, outros motores alimentados eletricamente podem ser utilizados para adição de produtos químicos e/ou outras funções operacionais auxiliares, como discutido adicionalmente aqui.

[0052] Por exemplo, em certas modalidades ilustrativas, a primeira unidade misturadora 47a pode ter uma pluralidade de motores elétricos incluindo um primeiro motor elétrico 43a e um segundo motor elétrico 41a que são utilizados para acionar vários componentes do módulo misturador 40. Motores elétricos 41a e 43a podem ser alimentados por gerador de turbina 30. Fluido pode ser bombeado para dentro do módulo misturador 40 através de uma tubulação de entrada 48a pelo primeiro motor elétrico 43a e adicionado ao tanque 46a. Desse modo, o primeiro motor elétrico 43a atua como um motor de sucção. O segundo motor elétrico 41a pode acionar o processo de mistura centrífuga no tanque 46a. O segundo motor elétrico 41a também pode acionar o fornecimento de fluido misturado para fora do módulo misturador 40 e para o furo do poço através de uma tubulação de saída 49a. Desse modo, o segundo motor elétrico 41a atua como um motor de tanque e um motor de descarga. Em certas modalidades ilustrativas, um terceiro motor elétrico 42a também pode ser fornecido. O terceiro motor elétrico 42a também pode ser alimentado por gerador de turbina 30, e pode acionar o fornecimento de aditivos de fluido ao misturador 46a. Por exemplo, o meio de sustentação a partir de uma tremonha 44a pode ser fornecido a um tanque de misturador 46a, por exemplo, um tanque de misturador centrífugo, por um trado 45a, que é acionado pelo terceiro motor elétrico 42a.

[0053] Similarmente, em certas modalidades ilustrativas, a segunda unidade misturadora 47b pode ter uma pluralidade de motores elétricos incluindo um primeiro motor elétrico 43b e um segundo motor elétrico 41b que são utilizados para acionar vários componentes do módulo misturador 40. Motores elétricos 41b e 43b podem ser acionados pelo gerador de turbina 30. Fluido pode ser bombeado para dentro do módulo misturador 40 através de uma tubulação de entrada 48b pelo primeiro motor elétrico 43b e adicionado ao tanque 46b. Assim, o segundo motor elétrico 43a atua como um motor de sucção. O segundo motor elétrico 41b pode acionar o processo de mistura centrífuga no tanque 46b. O segundo motor elétrico 41b pode acionar também o fornecimento de fluido misturado para fora do módulo misturador 40 e para o furo de poço através de uma tubulação de saída 49b. Desse modo, o segundo motor elétrico 41b atua como um motor de tanque e um motor de descarga. Em certas modalidades ilustrativas, um terceiro motor elétrico 42b também pode ser fornecido. O terceiro motor elétrico 42b também pode ser alimentado pelo gerador de turbina 30, e pode acionar o fornecimento de aditivos de fluido para o misturador 46b. Por exemplo, meio de sustentação de uma tremonha 44b pode ser fornecido a um tanque de misturador 46b, por exemplo, um tanque de misturador centrífugo, por um trado 45b, que é acionado pelo terceiro motor elétrico 42b.

[0054] O módulo misturador 40 também pode incluir uma cabine de controle 53 para alojar controles de equipamento para a primeira unidade misturadora 47a e segunda unidade misturadora 47b, e pode incluir ainda acionamentos e resfriadores apropriados conforme necessário.

[0055] 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 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.

[0056] 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.

[0057] 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 30 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 50 (ver a Figura 7) 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 51 (ver a Figura 6) que conectam a seção da tubulação de saída 49 dedicada ao fornecimento de fluído a partir da primeira unidade misturadora 47a com a sessão da tubulação de saída 49 dedicada ao fornecimento de fluído a partir da segunda unidade 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 47a e segunda unidade misturadora 47b) pode mover aproximadamente 15 t/m de areia, pelo menos em parte devido ao fato do comprimento do trado 45 ser mais curto (aproximadamente 1,8 m (6')) em comparação com unidades convencionais (aproximadamente 3,6 m (12')).

[0058] 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

[0059] 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 eletricamente descrita aqui são um aperfeiçoamento significativo em relação aquele de sistemas acionados a diesel convencionais. Como motores elétricos são controlados por acionamentos de frequência variável, controle absoluto de todo equipamento no local pode ser mantido a partir de um ponto central. Quando o operador do sistema ajusta uma pressão máxima para o tratamento, o software de controle e acionamentos de frequência variável calculam uma corrente máxima disponível para os motores. Acionamentos de frequência variável essencialmente "falam" aos motores o que eles podem fazer.

[0060] Motores elétricos controlados através de acionamento de frequência variável são muito mais seguros e mais fáceis de controlar do que equipamento acionado a diesel convencional. Por exemplo, frotas convencionais alimentadas por diesel utilizam uma transmissão com bombas controlada eletricamente e mecanismo na unidade. Pode haver até quatorze parâmetros diferentes que necessitam ser monitorados e controlados para adequada operação. Estes sinais são tipicamente enviados através de cabos de fios rígidos a um console de operador controlado pelo acionador de bomba. Os sinais são convertidos de digital em analógico de modo que as entradas possam ser feitas através de comutadores e botões de controle. As entradas são então convertidas de analógico de volta em digital e enviadas de volta para a unidade. O módulo de controle na unidade então fala para o mecanismo ou transmissão para executar a tarefa exigida e o sinal é convertido em uma operação mecânica. Esse processo toma um tempo.

[0061] Pressões em excesso acidentais são bem comuns nessas operações convencionais, visto que o sinal deve se deslocar até o console, de volta para a unidade e então executar uma função mecânica. Pressões em excesso podem ocorrer em milissegundos devido à natureza das operações. Essas são normalmente devido a erro humano, e podem ser tão simples quanto um único operador falhando em reagir a um comando. São frequentemente devido a uma válvula ser fechada, que acidentalmente cria uma situação de perda de pressão ("deadhead").

[0062] Por exemplo, em janeiro de 2011, uma operação de fracionamento de grande escala estava ocorrendo na Bacia de Horn River no noroeste de British Columbia, Canadá. Um vazamento ocorreu em uma das linhas e uma ordem de fechamento foi dada. A válvula mestre na cabeça do poço era então fechada remotamente. Infelizmente, múltiplas bombas estavam ainda girando e uma pressão excessiva do sistema ocorreu. O ferro de tratamento calibrado para 68.947 kPa (10.000 psi) foi levado bem acima de 103.421 kPa (15.000 psi). Uma linha fixada ao poço também separou, fazendo com que a mesma volvesse rapidamente. O incidente causou uma interrupção de fechamento para a operação inteira por mais de uma semana enquanto investigação e avaliação de dano foram realizadas.

[0063] O sistema de controle fornecido de acordo com as presentes modalidades ilustrativas, sendo alimentado eletricamente, elimina virtualmente que ocorram esses tipos de cenários. Um valor de pressão máxima ajustado no início da operação é a quantidade máxima de energia que pode ser enviada para o motor elétrico 21 para a bomba 22. Por extrapolar um valor de corrente máxima a partir dessa entrada, o motor elétrico 21 não tem a energia disponível para exceder a sua pressão operacional. Adicionalmente, devido ao fato de virtualmente não existirem sistemas mecânicos entre a bomba 22 e o motor elétrico 21, há bem menos "momento de inércia" de engrenagens e embreagens para resolver. Uma parada quase instantânea do motor elétrico 21 resulta em uma parada quase instantânea da bomba 22.

[0064] Um sistema alimentado eletricamente e controlado como descrito aqui aumenta muito a facilidade na qual todo equipamento pode ser sincronizado ou tornado escravo entre si. Isso significa que uma alteração em um único ponto será realizada por todas as peças de equipamento, diferente de com equipamento diesel. Por exemplo, em operações acionadas a diesel convencionais, o misturador fornece tipicamente todos os fluidos necessários para o sistema inteiro. Para executar uma alteração de taxa na operação, o misturador deve alterar a taxa antes das taxas de alteração das bombas. Isso pode resultar frequentemente em transbordamento acidental dos tanques de misturador e/ou cavitação das bombas devido ao retardo de tempo de cada peça de equipamento recebendo comandos manuais.

[0065] Ao contrário, a presente operação utiliza um controle de ponto único que não é ligado unicamente a operações de misturador, em certas modalidades ilustrativas.
Todos os parâmetros de operação podem ser entrados antes do início do fracionamento. Se uma alteração de taxa for exigida, o sistema aumentará a taxa do sistema inteiro com um único comando. Isso significa que se for dito para as bombas 22 que aumentem a taxa, então o módulo misturador 40, juntamente com as unidades de produtos químicos e mesmo equipamento auxiliar como correias de areia, aumentará as taxas para compensar automaticamente.

[0066] Controles apropriados e monitoramento por computador para a operação de fraturamento inteira podem ocorrer em um local central único, o que facilita a aderência a parâmetros de segurança pré-definidos. Por exemplo, um centro de controle 40 é indicado na Figura 2 a partir do qual operações podem ser gerenciadas através da ligação de comunicações 41. Os exemplos de operações que podem ser controladas e monitoradas remotamente a partir do centro de controle 40 através da ligação de comunicações 41 podem ser a função de geração de energia na Área B, ou o fornecimento de fluido de tratamento a partir do módulo misturador 40 para as bombas 22 para fornecimento ao furo de poço.

Exemplo Comparativo

[0067] A Tabela 1, mostrada abaixo, compara e contrasta os custos operacionais e exigências de força humana para uma operação alimentada a diesel convencional (como mostrado na Figura 1) com aquelas de uma operação alimentada eletricamente (como mostrado na Figura 2).
Tabela 1: Comparação de Operação Alimentada a Diesel Convencional Versus Operação Alimentada por Energia Elétrica.

[0068] Na Tabela 1, a "operação alimentada a diesel" utiliza pelo menos 24 bombas e 2 misturadores, e requer pelo menos 40.267 kW (54.000 hp) para executar o programa de faturamento naquele local. Cada bomba queima aproximadamente 300-400 litros por hora de operação, e as unidades misturadoras queimam uma quantidade comparável de combustível diesel. Devido ao consumo de combustível e capacidade de combustível dessa unidade convencional, requer reabastecimento durante a operação, o que é extremamente perigoso e apresenta um perigo de incêndio. Ademais, cada peça do equipamento convencional precisa de um trator dedicado para mover o mesmo e um motorista/operador para operar o mesmo. O número de pessoal exigido para operar e manter uma operação convencional tal como aquela na Figura 1 representa um custo direto para o operador do local.

[0069] Ao contrário, a operação alimentada por energia elétrica como descrito aqui utiliza uma turbina que somente consome aproximadamente 6 mm scf de gás natural por 24 horas. Em taxas de mercado atuais (aproximadamente US$2.50 por mmbtu), isso equivale a uma redução em custo direto para o operador local de mais de US$77.000 por dia em comparação com a operação alimentada a diesel. Também, o intervalo de serviço em motores elétricos é de aproximadamente 50.000 horas, o que permite que a maior parte dos custos de manutenção e confiabilidade desapareça. Além disso, a necessidade de múltiplos motoristas/operadores é reduzida significativamente, e a operação alimentada por energia elétrica significa que um único operador pode operar o sistema inteiro a partir de um local central. O número de pessoal pode ser reduzido em torno de 75%, visto que somente aproximadamente 10 pessoas são necessárias no mesmo local para realizar as mesmas tarefas que as de operações convencionais, com as 10 pessoas incluindo pessoal fora do local, pessoal de manutenção. Além disso, o número de pessoal não muda com a quantidade de equipamento utilizado. Desse modo, a operação alimentada por energia elétrica é significativamente mais econômica.

Projeto Modular e Modalidades Alternativas

[0070] Como discutido acima, a natureza modular da operação de fraturamento alimentada por energia elétrica descrita aqui provê vantagens operacionais significativas e eficiências em relação a sistemas de fraturamento tradicionais. Cada módulo de fraturamento 20 assenta no reboque 10 que aloja os suportes e sistemas de tubulação necessários para sucções de baixa pressão e descargas de alta pressão. Cada módulo de fraturamento 20 pode ser retirado do serviço e substituído sem fechamento ou comprometer a extensão de fracionamento. Por exemplo, a bomba 22 pode ser isolada do reboque 10, retirada e substituída por uma bomba nova 22 em apenas alguns minutos. Se o módulo de fraturamento 20 requerer algum serviço, pode ser isolado das linhas de fluido, desplugado, destravado e removido por uma empilhadeira. Outro módulo de fraturamento 20 pode ser então inserido novamente do mesmo modo, realizando uma economia de tempo drástica. Além disso, o módulo de fraturamento removido 20 pode ser reparado ou atendido no campo. Ao contrário, se uma das bombas em um sistema acionado a diesel convencional diminuir ou exigir serviço, a combinação trator/reboque necessita ser desc9nectada do sistema de tubulação e dirigida para fora do local. Uma unidade de substituição deve ser então montada na linha e reconectada. A manobra dessas unidades nesses limites apertados é difícil e perigosa.

[0071] A operação de fraturamento alimentada por energia elétrica atualmente descrita pode ser facilmente adaptada para acomodar tipos adicionais de capacidades de bombeamento conforme necessário. Por exemplo, um módulo de bombeamento de substituição pode ser fornecido que seja adaptado para montagem removível no reboque 10. O módulo de bombeamento de substituição pode ser utilizado para bombear nitrogênio líquido, dióxido de carbono ou outros produtos químicos ou fluidos conforme necessário, para aumentar a versatilidade do sistema e ampliar a faixa operacional e capacidade. Em um sistema convencional, se uma bomba de nitrogênio for necessária, uma unidade de caminhão/reboque separada deve ser levada até o local e ligada à extensão de fracionamento. Ao contrário, a operação atualmente descrita permite que um módulo de nitrogênio de substituição genericamente com as mesmas dimensões que o módulo de fracionamento 20, de modo que o módulo de substituição possa encaixar na mesma fenda no reboque que o módulo de fracionamento 20 o faria. O reboque 10 pode conter todas as distribuições de energia elétrica necessárias como exigido para um módulo de bomba de nitrogênio de modo que nenhuma modificação seja necessária. O mesmo conceito se aplicaria a módulos de bomba de dióxido de carbono ou quaisquer outras peças de equipamento que seriam exigidas. Em vez de outro caminhão/reboque, um módulo de substituição especializado pode ser utilizado em vez disso.

[0072] Gás natural é considerado como a fonte de combustível mais limpa e mais eficiente disponível. Ao projetar e construir o "equipamento apto para finalidade" que é alimentado por gás natural, espera-se que as exigências de pegada de fraturamento, força humana e manutenção possam ser individualmente reduzidas em mais de 60% quando comparada com operações acionadas a diesel tradicionais.

[0073] Além disso, a operação de fraturamento alimentada por energia elétrica atualmente descrita resolve ou diminui impactos ambientais de operações acionadas a diesel tradicionais. Por exemplo, a operação acionada a gás natural atualmente descrita pode fornecer uma redução significativa em emissões de dióxido de carbono em comparação com operações acionadas a diesel. Em uma modalidade ilustrativa, um local de fracionamento utilizando a operação acionada a gás natural atualmente descrita teria um nível de emissões de dióxido de carbono de aproximadamente 2.200 kg/h, dependendo da qualidade do gás combustível, que representa uma redução de aproximadamente 200% de emissões de dióxido de carbono de operações acionadas a diesel. Também, em uma modalidade ilustrativa, a operação acionada a gás natural atualmente descrita produziria não mais do que aproximadamente 80 decibéis de som com um pacote silenciador utilizado na turbina 30, que atende as exigências OSHA para emissões de ruído. Por comparação, uma bomba de fracionamento alimentada a diesel convencional que opera em RPM total emite aproximadamente 105 decibéis de som. Quando múltiplas bombas de fracionamento acionadas a diesel estão operando simultaneamente, ruído é um risco significativo associado a operações convencionais.

[0074] Em certas modalidades ilustrativas, a operação de fracionamento alimentada por energia elétrica também descrita aqui pode ser utilizada para aplicações de gás e óleo marítimas, por exemplo, fraturamento de um furo de poço em um local marítimo (offshore). Operações marítimas convencionais já possuem a capacidade de gerar energia elétrica no local. Essas embarcações são tipicamente de diesel sobre elétrica, o que significa que a usina de força motriz diesel na embarcação gera eletricidade para atender todas as exigências de força incluindo propulsão. A conversão de serviços de bombeamento marítimo para operar de uma fonte de energia elétrica permitirá que combustível diesel transportado seja utilizado na geração de energia em vez de acionar a operação de fraturamento, desse modo reduzindo consumo de combustível diesel. A energia elétrica gerada da usina de força motriz da embarcação marítima (que não é necessária durante manutenção de posição) pode ser utilizada para acionar um ou mais módulos de fraturamento 10. Isso é bem mais limpo, mais seguro e mais eficiente do que utilizar equipamento alimentado por diesel. Os módulos de fraturamento 10 são também menores e mais leves do que o equipamento tipicamente utilizado no convés de embarcações marítimas, desse modo removendo alguns dos problemas de lastro atuais e permitindo que mais equipamento ou matérias primas sejam transportadas pelas embarcações marítimas.

[0075] Em um leiaute de convés para uma embarcação de estimulação marítima convencional, equipamento de bombeamento alimentada a diesel, baseada em estrado e instalações de armazenagem no convés da embarcação criam problemas de lastro. Equipamento demasiadamente pesado no convés da embarcação faz com que a embarcação tenha centro de gravidade mais elevado. Além disso, linhas de combustível devem ser estendidas para cada peça de equipamento aumentando muito o risco de derramamentos de combustível. Em modalidades ilustrativas de um leiaute de convés para uma embarcação marítima utilizando operações de fracionamento alimentadas por energia elétrica como descrito aqui, a pegada física do leiaute de equipamento é reduzida significativamente quando comparado com o leiaute convencional. Mais espaço livre é disponível no convés, e o peso do equipamento é dramaticamente diminuído, desse modo eliminando a maioria dos problemas de lastro. Uma embarcação já projetada como diesel-elétrica pode ser utilizada. Quando a embarcação está em posição em uma plataforma e em modo de manutenção de posição, a grande maioria da energia que os motores do navio estão gerando pode ser levada até o convés para alimentar os módulos. As instalações de armazenagem da embarcação podem ser colocadas abaixo do convés, diminuindo adicionalmente o centro de gravidade, enquanto equipamento adicional, por exemplo, um separador de 3 fases, ou unidade de tubagem enrolada, pode ser fornecido no convés, o que é difícil em embarcações acionadas a diesel existentes. Esses benefícios, acoplados a sistemas de controle eletrônicos, proveem uma vantagem muito maior em relação a embarcações convencionais.

[0076] Embora a presente descrição tenha considerado especificamente um sistema de fraturamento, o sistema pode ser utilizado para acionar bombas para outras finalidades, ou alimentar outro equipamento de campo de petróleo. Por exemplo, equipamento de bombeamento de pressão e taxa elevada, equipamento de fraturamento hidráulico, equipamento de bombeamento de simulação de poço e/ou equipamento de reparo de poço também poderiam ser acionados utilizando o presente sistema. Além disso, o sistema pode ser adaptado para uso em outros campos da técnica que exigem operações de bombeamento de taxa elevada ou torque elevado, tal como limpeza de tubulação ou drenagem de minas.

[0077] Deve ser entendido que a matéria da presente invenção não é limitada aos detalhes exatos de construção, operação, materiais exatos, ou modalidades ilustrativas mostradas e descritas, visto que modificações e equivalentes serão evidentes para uma pessoa versada na técnica. Por conseguinte, a matéria deve ser, portanto, limitada somente pelo escopo das reivindicações anexas.

Claims (17)

1. Sistema para uso na entrega de fluido pressurizado a um furo de poço, o sistema caracterizado pelo fato de compreender: pelo menos uma bomba adaptada para pressurizar e bombear fluido de fratura em um furo de poço em um local de poço; pelo menos um motor elétrico associado operativamente a pelo menos uma bomba, de modo que o pelo menos um motor elétrico seja adaptado para acionar a pelo menos uma bomba; um acionamento de frequência variável conectado ao pelo menos um motor elétrico; e pelo menos uma fonte dedicada de eletricidade para operações de fraturamento no local de poço, em que a pelo menos uma fonte dedicada de eletricidade compreende um gerador de turbina, e em que a pelo menos uma fonte dedicada de eletricidade é associada operativamente ao pelo menos um motor elétrico, de modo que a fonte dedicada de eletricidade seja adaptada para suprir eletricidade para o pelo menos um motor elétrico para acionamento da pelo menos uma bomba.
2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do gerador de turbina ser adaptado para receber um combustível de hidrocarboneto e converter a fonte de combustível de hidrocarboneto em eletricidade.
3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ainda compreender pelo menos um misturador elétrico associado operativamente à fonte dedicada de eletricidade, de modo que a fonte dedicada de eletricidade seja adaptada para suprir eletricidade para pelo menos um misturador elétrico para produção de fluido de fratura.
4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato do pelo menos um misturador elétrico ainda compreender uma primeira tubulação de entrada associada operativamente ao primeiro motor elétrico de entrada e uma segunda tubulação de entrada associada operativamente a um segundo motor elétrico de entrada.
5. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato do pelo menos um misturador elétrico ainda compreender uma primeira tanque de misturador associada operativamente a um primeiro motor elétrico de cuba e uma segunda tanque de misturador associada operativamente a um segundo motor elétrico de cuba.
6. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de ainda compreender um sistema de controle central adaptado para evitar um transbordamento do pelo menos um misturador elétrico e cavitação da pelo menos uma bomba pela implementação de uma mudança de taxa de vazão para a pelo menos uma bomba e uma mudança de taxa de vazão para o pelo menos um misturador elétrico.
7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de uma fonte dedicada de eletricidade ser adaptada para gerar eletricidade para operações de fraturamento.
8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ainda compreender um sistema de controle central adaptado para: sincronização da pelo menos uma bomba com o pelo menos um misturador elétrico; e a compensação automática da mudança na taxa de vazão do pelo menos um misturador elétrico com base na mudança de taxa de vazão da pelo menos uma bomba instruída por um único comando.
9. Método de entrega de um fluido de fratura a um furo de poço, o método caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:
   fornecimento de pelo menos uma fonte dedicada de energia elétrica para operações de fraturamento em um local de poço que compreende um furo de poço a ser fraturado, em que a fonte dedicada de energia elétrica é um gerador de turbina que converte uma fonte de combustível de hidrocarboneto em eletricidade;
   pressurização de um fluido de fratura usando-se pelo menos uma bomba acionada por pelo menos um motor elétrico no local de poço, em que a fonte dedicada de energia elétrica fornece energia elétrica para o pelo menos um motor elétrico que é operativamente controlado com um acionamento de frequência variável;
   operação da pelo menos uma bomba e do pelo menos um motor elétrico usando-se energia elétrica a partir da pelo menos uma fonte dedicada de energia elétrica para bombeamento do fluido de fratura para o furo de poço; e
   bombeamento do fraturamento pressurizado para um furo de poço.
10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de ainda compreender 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 da pelo menos uma fonte de aditivo de fluido para a produção do fluido de fratura, em que a pelo menos uma fonte dedicada de energia elétrica fornece a energia elétrica para o misturador elétrico.
11. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de misturar, usando-se o pelo menos um misturador elétrico, o fluido recebido a partir da primeira tubulação de fonte de fluido de pelo menos um misturador elétrico e a segunda tubulação de fonte de fluido do pelo menos um misturador elétrico com o aditivo de fluido a partir de pelo menos uma fonte de aditivo de fluido para a produção do fluido de fratura compreender a condução do fluido recebido a partir da primeira tubulação de fonte de fluido e da segunda tubulação de fonte de fluido para um primeiro tanque de misturador de pelo menos um misturador elétrico e um segundo tanque de misturador do pelo menos um misturador elétrico usando-se um primeiro motor elétrico de entrada do pelo menos um misturador elétrico e um segundo motor elétrico de entrada do pelo menos um misturador elétrico.
12. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de ainda compreender: o controle, usando-se um primeiro acionamento de frequência variável, pelo menos um dos motores elétricos acionados por eletricidade para acionamento de pelo menos uma bomba; e controle, usando-se um segundo acionamento de frequência variável, pelo menos um motor de misturador elétrico de pelo menos um misturador elétrico, em que pelo menos um motor de misturador elétrico é acionado por eletricidade para produção do fluido de fratura a partir de pelo menos um misturador elétrico.
13. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de ainda compreender: a sincronização de pelo menos uma bomba com o misturador elétrico; e a compensação automática da mudança na taxa de vazão do misturador elétrico com base na mudança de taxa de vazão de pelo menos uma bomba instruída por um único comando a partir de um controle central para operações de fraturamento.
14. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de a fonte dedicada de energia elétrica fornecer energia elétrica para o motor elétrico pela geração de eletricidade para operações de fraturamento, e em que a fonte de combustível de hidrocarboneto compreende gás natural.
15. Sistema para uso na entrega de fluido pressurizado a um furo de poço, o sistema caracterizado pelo fato de compreender: pelo menos uma fonte dedicada de eletricidade para operações de fraturamento no local de poço, em que a pelo menos uma fonte dedicada de eletricidade compreende um gerador de turbina; pelo menos um motor elétrico conectado a pelo menos uma fonte dedicada de eletricidade, de modo que a fonte dedicada de eletricidade seja capaz de fornecer energia elétrica para o pelo menos um motor elétrico, o motor elétrico operativamente controlado com um acionamento de frequência variável; pelo menos uma bomba afixada a pelo menos um motor elétrico, de modo que o pelo menos um motor elétrico seja capaz de acionar pelo menos uma bomba para pressurização e bombeamento de fluido de fratura para um furo de poço em um local de poço.
16. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de o gerador de turbina a gás ser capaz de converter uma fonte de combustível de hidrocarboneto em energia elétrica.
17. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de ainda compreender um misturador elétrico que compreende um primeiro motor elétrico de entrada, um segundo motor elétrico de entrada, um primeiro motor elétrico de tanque de misturador e um segundo motor elétrico de tanque de misturador.

Images