CN103958820B - 压裂系统及配置压裂系统的方法 - Google Patents

Abstract

提供可调节的压裂系统(10)及配置压裂系统的方法。在一个实施例中，所述压裂系统包含具有可调节的主体的压裂头(60、62、64)，所述主体具有能够使得所述压裂头的尺寸发生变化的第一部分(82)和第二部分(84)。所述系统还可以包含耦接到压裂轴(20)的压裂歧管(22)，并且所述压裂头可以通过所述压裂头的尺寸的变化促进所述压裂歧管到所述压裂轴的连接。此外也公开了额外的系统、装置和方法。

Description

压裂系统及配置压裂系统的方法

背景技术

本部分意在向读者介绍可能与当前描述的具体实施例的各方面相关的各方面的所属领域。相信此论述有助于向读者提供背景信息以促进对本实施例的各个方面的更好理解。因此，应理解，这些声明应藉此来解读现有技术，而并非对现有技术的认可。

为了满足消费者和工业对天然资源的需求，公司通常投入大量的时间和金钱从地球中搜寻和提取石油、天然气以及其他地下资源。具体而言，一旦发现所希望的地下资源，通常会采用钻井和生产系统来接近并且提取资源。取决于所希望的资源的位置，这些系统可以位于陆地上或者近海处。另外，此类系统大体上包含井口总成，通过所述井口总成可以提取资源。这些井口总成可以包含控制钻井或提取操作的多种组件，例如，各种罩壳、阀门、流体导管等。

此外，此类井口总成可以使用压裂轴和其他组件以促进压裂过程并且提高井中的产量。应了解，例如石油和天然气等资源是基本上从形成于各种地下岩层或地层中的裂隙或其他空腔中提取的。为了有助于此类资源的提取，井可以经受在岩层中形成一个或多个人造裂缝的压裂过程。这有助于，例如，预先存在的裂隙和空腔的耦接，允许石油、气体等流到井眼中。此类压裂过程通常包含将压裂流体(通常是包含沙和水的混合物)注入到井中以增大井的压力并且形成人造的裂缝。压裂歧管可以经由压裂管线(例如，管道)将压裂流体提供给一个或多个压裂轴。但是压裂歧管和相关联的压裂轴通常是较大且较重的，并且可以在固定位置处安装到其他设备，使得压裂歧管和压裂轴之间的调节变得困难。

发明内容

本文中所揭示的一些实施例的某些方面在下文中列出。应理解这些方面仅仅是呈现以为读者提供本发明可采取的某些形式的简要总结，并且这些方面并非意图限制本发明的范围。实际上，本发明可以涵盖下文中可能并未阐述的各方面。

本发明的实施例基本上涉及可调节的压裂系统，所述系统促进经由流体连接的压裂歧管与压裂轴的对齐和耦接。在一个实施例中，压裂系统包含一个或多个调节接头，每个调节接头为对压裂歧管与压裂轴的对齐流体连接提供至少一个自由度。调节接头可以以压裂头的形式或一些其他形式来提供，例如，管道连接器。更确切地说，压裂系统中的调节接头可以包含一定尺寸，所述尺寸可以通过使用者以有效方式促进压裂歧管与压裂轴的连接而变化(例如，通过允许使用者补偿连接期间的意外的对齐问题)。

以上提到的特征与本发明的实施例的各方面相关的各种改进可能存在。进一步特征同样也可以并入这些各种方面中。这些改进和额外的特征可能单独地存在或者以任何组合存在。举例来说，下文论述的关于一个或多个所说明的实施例的各种特征可独自或者以任何组合并入到任何本发明的上述方面中。同样，以上呈现的简短的总结仅意图使读者熟悉一些实施例的某些方面和内容，而并非限制于所权利要求的主题。

附图说明

在阅读以下详细说明并参考附图后，将更好地理解某些实施例的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，相同的符号代表所有附图中相同的部分，其中：

图1基本上描绘了根据本发明的一个实施例的可调节的压裂系统；

图2是图1的可调节的压裂系统的图，根据本发明的一个实施例其中压裂歧管耦接到多个压裂轴；

图3是可调节的压裂系统的某些组件的透视图,根据本发明的一个实施例包含压裂歧管、一个压裂轴和若干调节接头；

图4是根据本发明的一个实施例的压裂头形式的调节接头的透视图；

图5是根据本发明的一个实施例的图4的压裂头的截面图；

图6基本上描绘了图4和图5的压裂头,所述压裂头根据本发明的一个实施例的对压裂头进行调节以增大其长度；

图7是压裂头形式的调节接头的透视图,根据本发明的一个实施例所述压裂头具有并不彼此轴向对齐的入口和出口端口；

图8是压裂头的局部截面图,根据本发明的一个实施例，所述压裂头包含测试端口以在压裂头的两个密封件之间确保完整性测试；以及

图9是管道连接器形式的调节接头的截面图，根据本发明的一个实施例所述管道连接器具有可以变化的长度。

具体实施方式

下文将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了简要描述这些实施例，说明书中可能不会描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任何工程或设计项目中开发任何此类实际实施方案时，均应当作出各种与实施方案相关的决定，以实现开发人员的特定目标，例如，符合与系统相关以及与业务相关的限制条件，这些限制条件可能会因实施方案的不同而有所不同。此外，应了解，此类开发工作可能非常复杂并且耗时，但无论如何对受益于本发明的一般技术人员而言，此类开发仍是常规的设计、建造和制造操作。

在介绍各实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个该元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在表示包括性含义，且表示除了所列元件外，可能还有其他元件。另外，为了方便起见，使用“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、其他方向性术语以及这些术语的变体，但是不要求组件的任何特定取向。

现参看本发明的附图，在图1和图2中提供了根据一个实施例的压裂系统10的实例。压裂系统10有助于经由井眼14和井口16从井12中提取天然资源(例如，石油或天然气)。具体而言，通过将压裂流体注入到井12中，压裂系统10增大了岩层或地层中的裂缝的数目或大小，以促进存在于地层中的天然资源的回收。在目前所说明的实施例中，井12是通过安装在表面水平处(即，在地面18上)的井口16的设备接近的表面井。但是应了解可以从其他井中提取天然资源，例如，从平台或海底井中。

压裂系统10包含各种组件以控制压裂流体到井12中的流动。举例来说，所描绘的压裂系统10包含压裂轴20和压裂歧管22。压裂轴20包含至少一个阀门，所述阀门控制压裂流体到井口16中的流动以及随后到井12中的流动。类似地，压裂歧管22包含至少一个阀门，所述阀门控制压裂流体通过导管或流体连接件26(例如，管道)到压裂轴20的流动。

压裂歧管22安装在至少一个滑轨24(例如，安装在轨道上的平台)上，以使得压裂歧管22能够相对于地面18移动。如图2中所描绘，压裂歧管22经连接以将压裂流体提供给多个压裂轴20和井口16。但是应注意,，压裂歧管22可以代替地耦接到单个压裂轴20以完全根据本发明的技术。在一个实施例中，其中压裂歧管22耦接到多个压裂轴20，压裂歧管22的各种阀门可以安装在单独的滑轨24上，以使得阀门之间的距离发生变化。并且在至少一些实例中，如下文中进一步详细描述的，此类配置允许流体连接件26在压裂歧管22与压裂轴20之间更容易的对齐。

将来自供应源28的压裂流体提供给压裂歧管22。在图1中，连接器30通过导管或流体连接件32(例如，管道或软管)接收来自供应源28的压裂流体并且随后通过地下导管或流体连接件34(例如，管道)将所述流体输送到压裂歧管22。在一个实施例中，压裂流体供应源28由通过输送压裂流体的一个或多个卡车提供并连接到连接器30，并且经由连接器30以及连接件32和34将流体泵送到压裂歧管22中。在另一个实施例中，压裂流体供应源28是储槽形式，从所述储槽中可以将流体泵送到压裂歧管22中。但是可以代替地使用任何其他合适的压裂流体的来源以及用于输送此类流体到压裂歧管的方式。

根据一个实施例,在图3中说明了压裂系统10的部分40。在所描绘的实施例中，部分40包含压裂轴20和压裂歧管22，以及若干调节接头，所述调节接头使得连接线(即，流体连接件26)能够在压裂轴20与压裂歧管22之间对齐。歧管22包含将压裂流体导引到阀门44和46的导管42。这些阀门44和46是耦接到导管42的连接区块48和50以经由连接件32和24接收来自流体供应源28的压裂流体。压裂流体可以随后通过流体连接件26导引到对应的压裂轴20。虽然本发明的实施例包含两个阀门44和两个阀门46，但是任何其他合适的数目的阀门可以代替地用于控制到压裂轴20的压裂流体的流动。另外，虽然所描绘的流体连接件26包含压裂轴20与压裂歧管22之间的单个流动路径或导管(在一个实例中其可以是具有七英寸钻孔的压裂管线)，在其他实施例中压裂系统可以包含压裂歧管与压裂轴之间的更大数目的导管。

在图3中压裂轴20是以水平压裂轴的形式提供的，然而其他实施例可以包含不同样式的压裂轴(例如，垂直的轴)。所描绘的压裂轴20包含阀门52以控制通过轴20的水平部分的压裂流体的流动。轴20还包含：主阀54以控制到附接的井口16(图1)的流体(例如，压裂流体或产物流体)流动或来自附接的井口16的流体流动,以及端口56，其允许通过主阀54接近井口16。在其它实施例中，阀门54可以省略(例如，在所有阀门整合到一个区块的复合轴布置中)。

压裂系统10的部分40还包含可延伸的调节接头，所述接头促进压裂歧管22到压裂轴20的连接。在目前说明的实施例中，调节接头是以可调节的压裂头60、62和64的形式提供的(也通常被称作“山羊头”)，然而还设想出其他形式的调节接头并且可以根据本发明的技术来使用。在操作中，压裂轴20可以安装在固定位置处(即，耦接到井口16)。流体连接件26是在压裂轴20与压裂歧管22之间对齐和耦接的。调节接头(例如，图3中的压裂头60、62和64)通过允许操作人员操纵流体连接件26的位置促进流体连接的此类对齐和耦接，方法是改变调节接头的尺寸(例如，长度或高度)。通过提供三个调节接头，每个接头具有不同的移动轴(即，向上和向下，向前和向后，以及向左和向右)，可以进行调节从而有助于促进压裂歧管22到压裂轴20的耦接。

举例来说，导管42包含可以伸展或收缩(由箭头68表示)的压裂头60，以改变导管42的长度以及阀门44与46(其可以安装在单独的滑轨24上，如上文所论述，以允许阀门44与46之间的相对运动)之间的距离。此类变化还提供了对齐压裂轴20与压裂歧管22之间的流体连接件26的第一自由度。换句话说，导管42中的调节接头允许压裂轴20处以及压裂歧管22处的流体连接件26的密封点之间的距离以第一尺寸变化。

类似地，图3中的流体连接件26包含压裂头62从而以第二尺寸改变流体连接件26的长度，由箭头70表示。压裂头62的可调性提供了对齐压裂轴20与压裂歧管22之间的连接的第二自由度。另外，部分40包含具有第三尺寸的可变长度(由箭头72表示)的压裂头64，因此为对齐压裂轴20与压裂歧管22之间的流体连接件26提供了第三自由度。这三个自由度是通过具有非平行的不同调节方向的三个调节接头提供的，并且在一些实施例中(例如在图3中)所述调节方向是彼此正交的。除这三个平移自由度之外，一个或多个调节接头(例如，压裂头60、62和64)也可以围绕它们的轴旋转，如箭头69、71和73指示的，以提供旋转自由度。举例来说，目前描绘的实施例提供了六个自由度(三个平移和三个旋转)。

虽然传统上难以在压裂歧管与压裂轴之间调节大型的压裂管线(例如，具有七英寸的钻孔)，但是在本发明所揭示的系统10中提供的可调性能够确保大型压裂管线以更有效地对齐以及连接到此类组件。因此，如图3中所描绘，单个流体连接件26可以按大型钻孔压裂管线的形式提供，而并非使用压裂歧管与给定的压裂轴之间的多个较小钻孔的压裂管线。

虽然目前描绘的实施例包含三个调节接头，但是应注意其他实施例可以包含在对齐流体连接件26方面提供较少的调节接头,从而提供较少的自由度。举例来说，可以提供单个调节接头以给出针对流体连接件26对齐压裂轴20和压裂歧管22的一个平移自由度(例如，向上和向下、向前和向后，或向左和向右)。或者可以提供两个调节接头以给出两个平移自由度。此类调节接头还可以提供如上文所示的旋转自由度。另外，多个调节接头可以同轴地对齐以在系统10内的不同位置处提供可调性(例如，歧管22可以包含多个同轴的调节接头)。

为了清楚起见，在图3中仅描绘了单个流体连接件26和单个压裂轴20(这两者都接收来自阀门44的压裂流体)作为压裂系统10的部分40的一部分。但是应了解,压裂系统10可以包含额外的流体连接件26和压裂轴20(参见，例如，图2)。举例来说，阀门46可以耦接(例如，经由出口74)到另一流体连接件26使得不同的压裂轴20位于另一井口16上。另外，导管42可能延伸超过所描绘的连接区块48和50以将压裂流体导引到额外的阀门和相关联的压裂轴20。并且导管42可以包含额外的调节接头以确保此类额外的阀门相对于歧管22的另一部分的移动，由此促进这些阀门与同它们相关联的压裂轴20的对齐。

在图4至图6中更详细地说明了根据一个实施例的压裂头60。在所描绘的实施例中，压裂头60包含具有第一部分82和第二部分84的主体。主体部分82和84经配置以相对于彼此移动，从而如上文所述改变压裂头的尺寸,并且促进压裂歧管22与压裂轴20的连接。压裂头60包含流体端口86和114(图5)以通过压裂头60输送流体。在一些实施例中，例如当以图3描绘的方式安装流体端口86和114在压裂系统10中时，流体端口86可以被视作输出端口并且流体端口114可以被视作入口端口。除流体端口86之外，第二主体部分84包含一组螺栓88和螺帽90用于将压裂头60连接到另一组件(例如，经由API凸缘或其他连接器)。类似地，第一主体部分82包含围绕流体端口114布置在凸缘93中的通孔92以耦接到另一组件(例如，还经由额外的螺栓和螺帽耦接到API凸缘或者耦接到另一连接器)。第一主体部分82包含额外的一组通孔95，所述通孔95从通孔92径向向外定位。在第二主体部分84的凸缘99中,通孔95与对接的孔97对齐，并且第一主体部分82和第二主体部分84是由螺栓94(通过孔95和97)和螺帽96彼此紧固的。

如在图5和图6中描绘的，钻孔98延伸穿过流体端口86与114之间的压裂头60。钻孔98可能具有类似于或者等同于耦接到流体端口86和114的组件的直径，例如在一个实施例中为七英寸(然而其他直径也可以用于钻孔98，并且用于其他组件)。钻孔的尺寸可以经设定以匹配井中的产物壳体的内径(即，完整的钻孔布置)，从而促进工具、插塞等通过压裂头60。压裂头60包含调节套管100，所述套管可以由使用者在螺纹104上旋转,以相对于套管旋拧在其上的压裂头60的主体部分82或84(即，图5和图6中的第一主体部分82)平移套管100。调节套管100的移动允许压裂头60的长度以及流体端口86和114之间的距离的调节。具体而言，如图6所说明，螺帽96可以在螺栓94上松开，并且可调节的套管100可以沿第一主体部分82移动以伸长压裂头60。以此方式，压裂头60的长度(或可以被代替地视为高度)可以发生变化，以辅助经由流体连接件26的压裂歧管22和压裂轴20的对齐和耦接，如上文所论述。压裂头60以及系统10中的其他调节接头(例如，如下文所述的压裂头62或64，或者管道连接器130、170或224)可以经构造以允许任何理想的量的尺寸变化。举例来说，调节接头可以经构造以允许在一个实施例中的七英寸的尺寸变化(例如，伸长)，在另一个实施例中的十二英寸的尺寸变化，以及在又一实施例中的十八英寸的尺寸变化。

压裂头60还包含各种密封元件以抑制流体泄漏。举例来说，如所描绘，压裂头60包含密封元件102、106、108、110和112。密封元件是由任何合适的材料(例如，弹性体或金属)形成的。在一个实施例中，密封件110包含购自美国德克萨斯州的休斯顿的卡梅伦国际公司的CANH^TM密封件。并且，在一个实施例中套管100的移动预加载压裂头60的一个或多个密封件,或者给压裂头60的一个或多个密封件供能。

如图7中所描绘，压裂头64是基本上类似于压裂头60(以及压裂头62，在一个实施例中压裂头62是等同于压裂头60的)，但是在主体部分84的侧表面而非顶部面部上包含流体端口86。如图3所说明，此类布置使得压裂头64能够经由以一定角度(例如，以直角)弯曲的钻孔连接流体连接件26的管道和压裂轴20，以改变流经压裂头64的流体的方向。并且压裂头64的尺寸可以如上文所述相对于压裂头60以相同方式变化，由此促进压裂轴20和压裂歧管22与流体连接件26的对齐和耦接。

在图8所说明的一个实施例中，压裂头(例如，压裂头60、62或64)包含以环形空间122设置的密封件118和120(而非密封元件106、108和110)。密封件118和120是由任何合适的材料形成的，并且在一个实施例中可以包含金属CANH^TM密封件。环形空间122由主体部分82、主体部分84以及可调节的套管100限定。测试端口124从环形空间122(例如，在密封件118和120之间的位置处)延伸到主体部分84的外表面，以允许压力监测装置的连接，从而确保密封件118和120的完整性的监控或测试。

虽然上文中以压裂头的形式描述了压裂系统10的调节接头，但是其他实施例可以使用除压裂头之外或替代于压裂头的其他调节接头。举例来说，图3的一个或多个压裂头60、62和64在额外的实施例中可以由其他调节接头替代。另一调节接头的一个实例在图9中以管道连接器130的形式描绘。连接器130包含第一管状部件132和第二管状部件134。管状部件132和134可以是管道(例如，流体连接件26或导管42的管道)，或者它们可以按任何合适的方式耦接到管道或其他导管。连接器的相对端包含入口和出口，允许压裂流体经由部件132和134本身的钻孔或其管道或由连接器130接合的其他导管而流经连接器130。

连接器130经配置以确保管状部件132和134之间的相对移动从而允许连接器130的长度的变化。如同压裂头60、62和64，连接器130可以经构造以允许任何理想范围的长度变化，例如七英寸或十二英寸的范围。在管状部件132和134之间提供各种密封件136、138和140。在一个实施例中，密封件136是弹性体密封件并且密封件138和140是金属CANH^TM密封件。

连接器130还包含套管142(在本文中也可以称为联管螺母142)，所述套管与凸缘套管154配合以调节连接器130的长度。接合螺母142可以按任何合适的方式耦接到第一管状部件132。在所描绘的实施例中，螺纹146允许将联管螺母142旋拧到管状部件132上。联管螺母142包含经由螺纹152啮合套管154的端部150，并且联管螺母142的旋转使得套管154沿连接器130的轴相对于管状部件132移动。套管154的凸缘156通过螺栓160和螺帽162耦接到管状部件134的对接的凸缘158。因此，联管螺母142的旋转还使得第二管状部件134相对于第一管状部件132移动，由此使得连接器130能够通过此类操作伸长或缩短。连接器130还可包含测试端口164，从而以类似于上述相对于测试端口124(图8)的方式确保密封件138和140的完整性的监控。

虽然本发明的各方面可能有多种修改和替代形式，但在附图中已经示出了特定的实施例并且在本文中进行了详细说明。但是，应理解，本发明并非意图限于所揭示的特定形式。事实上，本发明将涵盖在如所附权利要求书界定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物和替代形式。

Claims (15)

1.一种压裂系统(10)，包括：

压裂头(60、62、64)，所述压裂头包含具有入口端口(114)、出口端口(86)以及钻孔(98)的压裂头主体，所述压裂头主体使得压裂流体在所述入口端口与所述出口端口之间流动，其中所述压裂头主体是可调节的压裂头主体，允许具有所述入口端口的所述压裂头主体的第一部分(82)相对于具有所述出口端口的所述压裂头主体的第二部分(84)的移动，以确保所述可调节的主体的尺寸的变化以便改变所述入口端口和所述出口端口之间的距离。

2.根据权利要求1所述的压裂系统，其包括：

压裂歧管(22)；以及

压裂轴(20)，所述压裂轴耦接到所述压裂歧管；

其中所述压裂头通过所述可调节的压裂头主体的尺寸的变化以便改变所述入口端口和所述出口端口之间的距离，以促进所述压裂歧管连接到所述压裂轴。

3.根据权利要求2所述的压裂系统，其包括具有可调节的压裂头主体的至少一个额外的压裂头(60、62、64)，所述压裂头主体能够确保所述额外的压裂头的尺寸的变化，以促进所述压裂歧管连接到所述压裂轴。

4.根据权利要求3所述的压裂系统，其中所述至少一个额外的压裂头包含具有可调节的主体的两个额外的压裂头(60、62、64)，并且所述压裂头和所述两个额外的压裂头提供三个平移自由度(68、70、72)以使得所述压裂歧管对齐并连接到所述压裂轴。

5.根据权利要求4所述的压裂系统，其中所述压裂头和所述两个额外的压裂头进一步提供三个旋转自由度(69、71、73)以使得所述压裂歧管对齐并连接到所述压裂轴。

6.根据权利要求2所述的压裂系统，其包括所述压裂歧管与所述压裂轴之间的单个流动路径。

7.根据权利要求2所述的压裂系统，其中所述压裂歧管是安装在滑轨(24)上的，以实现所述压裂歧管相对于井口(16)的移动。

8.根据权利要求2所述的压裂系统，其包括耦接到所述压裂歧管的多个压裂轴(20)。

9.根据权利要求1所述的压裂系统，其中所述压裂头是具有单入口端口和单出口端口的单钻孔压裂头。

10.根据权利要求1所述的压裂系统，其包括旋拧到所述第一部分或所述第二部分上的调节套管(100)。

11.根据权利要求10所述的压裂系统，其中所述调节套管允许操作人员旋转所述调节套管以便改变在所述入口端口和所述出口端口之间的所述可调节的压裂头主体的长度，并且以便对在所述第一部分和所述第二部分之间的至少一个密封件(106、108、110、118、120)施力。

12.根据权利要求1所述的压裂系统，其中所述压裂头的所述第一部分包含凸缘(93)，所述凸缘包括：

第一多个通孔(95)，所述第一多个通孔(95)与所述压裂头的所述第二部分的凸缘(99)中的匹配通孔(97)对齐；以及

第二多个通孔(92)，所述第二多个通孔(92)从所述第一多个通孔径向向内，其中所述第二多个通孔能够使所述压裂头的所述第一部分经由连接凸缘耦接到压裂歧管。

13.根据权利要求1所述的压裂系统，其包括：第一密封件(118)和第二密封件(120)，所述第一密封件和所述第二密封件设置在所述第一部分与所述第二部分之间的环形空间(122)中；以及测试端口(124)，所述测试端口从所述压裂头的外表面延伸到所述第一密封件与所述第二密封件之间的位置处的所述环形空间。

14.一种配置压裂系统的方法，其包括：

提供具有入口端口(114)和出口端口(86)的压裂头(60、62、64)；以及

将所述压裂头安装在压裂系统(10)中，其中安装所述压裂头包含调节所述压裂头的高度以改变所述压裂头的所述入口端口与所述出口端口之间的距离。

15.根据权利要求14所述的配置压裂系统的方法，其包括经由所述压裂头中的测试端口(124)测试所述压裂头的一个或多个密封件(118、120)的完整性。