CN104364465A - 用于通过水力压裂抽取油气的系统和过程 - Google Patents
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Abstract
描述了一种压裂系统。系统包括电动机驱动的泵送子系统，其构造成在高压力条件下将加压的压裂流体泵送到至少一个井眼中，该高压力条件足以增大井眼的井下压力，以超过包围井眼的固体物质的压裂梯度。系统还包括发电子系统，其向泵送子系统提供能量。发电子系统包括由单个电馈源提供功率的大量电动机。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2012年5月21日提交的美国临时申请No.61/649563的权益，其通过引用以其整体并入本文中。
技术领域
本发明大体涉及来自储油岩层的碳氢化合物的抽取。在一些特定的实施例中，本发明涉及便携式的模块化系统，其可运输至油田或气田，并用于刺激来自油井或气井的生产。
背景技术
水力压裂或“断裂”是用于增加来自井的油或气的流的过程。其通常在足够压裂岩石的高压力下通过将特定类型的液体泵送到井中来执行。形成互连的裂隙网络，并且它们用作孔隙，用于油和天然气移动至井眼。当结合诸如水平钻孔的技术使用时，水力压裂能够将之前-非生产性的岩层转换成例如大天然气田。
水力压裂典型地通过将压裂流体以速率泵送到井眼中来形成，该速率足以产生井下压力，其超过周围岩石的压裂梯度。岩石破裂，并且压裂流体继续进一步到岩石中，使破裂延伸到井的深度。经常，支撑剂(如下面所述)添加到注入的流体中，以防止裂隙在注入停止时闭合。保持开启的裂隙具有足够的渗透性，以允许期望的气或油流向井，并最终流向用于收集的表面。在通过水平钻孔形成井的情况下，压裂技术可为特别有生产能力的。这些类型的井通过钻孔来形成，该孔基本上是横向的，即，平行于包含待抽取的燃料的岩层。在进入岩层的初始的竖直深度之后，横向井可具有巨大的长度，例如高达大约10,000英尺。
用于油田和天然气田中的水力压裂设备包括大量的构件。掺合器、高容积压裂泵、监测单元、材料储罐、软管、电子系统以及功率单元仅为这些操作所需的构件中的一些。在当前实践的典型压裂操作中，大量的牵引机挂车用于支承单独成组的柴油机和压裂泵，以及相关联的设备，诸如传输系统。作为一个示例，16个牵引机挂车可支承16个柴油机提供功率的2000hp的压裂泵。(发动机/泵组中的两个典型地用于备用目的)。高容量高功率的液压泵(例如三缸或五缸类型)能够在商业上从一定数量的源获得。总之，泵将足够的压力提供到一个或更多个井眼中，以容许泥浆(水、支撑剂和化学添加剂)穿过数千英尺的土地和岩石的注入和移动。压裂设备需要设计成在广泛范围的压力和注入速率下操作，并且可在大约100MPa(15,000psi)或更高，以及265L/s(100桶/分钟)或更高下操作。这些操作所需要的功率可超过20-30兆瓦。
一定数量的缺点与当前类型的压裂设备和系统中的大多数相关联。例如，许多柴油发动机和许多泵的机械收集可导致整个泵送操作的效率极低。该低效部分是由于大量发动机中的各个的维护需要以及发动机停机的可能性。
大量柴油燃料的使用还可需要额外的安全装置，以解决潜在的安全、噪声和环境问题。此外，常规压裂系统所需要的牵引机挂车的数量代表钻孔/压裂现场处的相对大且不合乎需要的“占地面积”。(因为柴油发动机的使用强制了柴油燃料的使用，所以需要额外的空间用于柴油燃料罐车)。就交通拥堵和道路-表面的磨损和撕裂而言，该潜在的大型卡车队伍还具有显著的“群体冲击”。
考虑到这些问题和挑战中的一些，新的水力压裂系统将在工业中受到欢迎。新系统应当减少压裂操作中的泵送子系统所需的柴油发动机的数量。新系统还应当简化功率传递机构，其用于向压裂过程所需的所有泵供能。在一些优选实施例中，新系统还应当减少水力压裂现场所需的大型设备的数量，从而减少现场的生态占地面积。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种压裂系统，其包括：
a) 电动机驱动的泵送子系统，其构造成在高压力条件下将加压的压裂流体泵送到至少一个井眼中，该高压力条件足以增大井眼的井下压力，以超过包围井眼的固体物质的压裂梯度；和
b) 发电子系统，其向泵送子系统提供能量，包括由单个电馈源提供功率的大量电动机。
本发明的另一个实施例涉及一种用于通过水力压裂操作从储油岩层抽取碳氢化合物的过程，其包括将水力压裂处理流体在压力下引入到地层中的步骤，该压力足以形成或增强地层内的至少一个裂隙。在该方法中，压裂处理流体通过电动机驱动的泵送子系统泵送到地层中的至少一个井眼中，该电动机驱动的泵送子系统构造成在高压力条件下将流体泵送到井眼中，该高压力条件足以增大井眼的井下压力，以超过包围井眼的固体物质的压裂梯度。泵送子系统由发电子系统供能，该发电子系统向泵送子系统提供能量，并且发电子系统包括由单个电馈源提供功率的大量电动机。
附图说明
图1是根据本发明的一些实施例的水力压裂系统的示意图。
图2是根据本发明的其它实施例的水力压裂系统的示意图。
具体实施方式
本文中使用的近似语言在整个说明书和权利要求中可用于修饰任何数量表述，其可在不导致其相关的基本功能发生变化的情况下可容许地改变。因此，由诸如“大约”的用语或更多个用语修饰的值不局限于所规定的精确值。在一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。用语“第一”、“第二”等在本文中并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件区分开。
如本文中使用的，用语“可”和“可为”指示发生在一组环境内的可能性；规定的属性、特征或功能的拥有；并且/或者通过表达与所修饰的动词相关联的能力、性能或可能性中的一个或更多个而修饰另一个动词。因此，“可”和“可为”的使用指示修饰的用语是明显恰当的，能够或适合于所指示的能力、功能或使用，同时考虑到在某些情况下，修饰的用语有时可不为恰当，能够或适合的。例如，在某些情况下，事件或能力可为预期的，而在其它情况下，事件或能力可不发生。该区别通过用语“可(may)”和“可为(may be)”或“可(can)”或“可为(can be)”来捕获。
本文中描述了水力压裂系统。系统可用作钻孔和激励技术，例如用作可增加来自地下岩石内的井的油或气(例如天然气)的流的程序。系统包括电动机驱动的泵送子系统。子系统构造成在高压力条件下将加压的压裂流体泵送到至少一个井眼中，该高压力条件足以增加井下压力，以超过包围井眼的岩石的压裂梯度。系统还包括发电子系统，其向泵送子系统提供能量。(出于简单起见，泵送子系统和功率子系统可在本文中分别被称为“泵送系统”和“功率系统”)。
在某些优选的实施例中，泵送系统包括许多电动机，其由单个电馈源，例如馈电器提供功率。馈电器的源(直接或间接地)可为例如传输线、变电站、发电设施或专用发电子系统。(如本文中举例的，发电系统或子系统可位于现场或非现场)。
此外，在一些特定情况下，电馈源可包括至少一个燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机可位于远离泵送系统的位置。备选地，燃气涡轮可位于与泵送系统相同的现场(有时被称为“井台”)。在一些实施例中，燃气涡轮可例如在(多个)井中的一些的钻孔和激励之后通过现场获得的天然气、油或其它碳基燃料来加燃料。(在其它实施例中，燃料可通过管道输送至现场，或者经由卡车等输送到那里)。
泵送系统可以许多不同的方式布置，这部分地取决于各种因素。它们包括：水力压裂操作和任何相关联的钻孔操作的尺寸。操作尺寸进而也取决于其它因素，诸如钻孔和压裂操作的竖直深度和水平长度；钻孔/压裂操作将行进穿过的土地和岩石的类型和成分；以及大体钻孔/压裂系统设计。如本文中简要描述的，水力压裂操作对于泵送操作通常需要大量功率。
在一个实施例中，泵送系统包括一个或更多个可移动的平台。各个平台可支承一个或更多个泵以及一个或更多个电动机，它们有时被统称为泵送单元或“泵送机”。电动机可向多个泵提供功率。然而，在一些特定实施例(但非所有实施例)中，每个电动机向一个泵提供功率。用于在泵和电动机之间提供物理连接和电连接的技术在本领域中为已知的。
许多不同类型的泵可被使用；并且它们能够在商业上从油井-压裂公司或其它钻孔和钻孔支持公司获得。泵供应商的示例包括Baker Hughes、Halliburton、Weatherford、Weir Oil & Gas以及Bosch Rexroth。各个泵的尺寸将取决于各种因素，诸如井现场的总泵送要求(例如就泵送压力和泵送速率而言)；以及泵将位于其上的平台的尺寸。在一些实施例中，各个泵具有大约2,000hp至大约3,000hp范围内的容量，但该范围可显著地改变。
作为一个非限制性图示，各个移动平台可为卡车的底床，例如牵引机挂车钻机的底床，或附接于此类钻机的挂车。重型牵引机-挂车通常非常适合于携带泵、马达和钻孔设备。它们在高速公路和许多其它道路上行驶的能力对于将必要的设备和材料运输至许多钻孔和压裂现场而言为明显优点。
各个牵引机挂车可容纳至少一个泵和用以驱动泵的马达。在一些实施例中，各个牵引机挂车支承两个泵和两个电动机，每个电动机与泵中的一个相关联。如下面简要描述的，由单个电馈源向各个马达供能的能力是优于现有技术系统的明显优点，例如依赖于各个牵引机挂车上的专用的直接驱动式发动机的那些。
水力压裂操作包括一定数量的不同类型的设备和操作单元，并且基本上所有设备和材料必须位于压裂操作的现场。大体上，压裂操作可包括：
1) 用于压裂流体成分(包括大量的供水)、砂和/或其它支撑剂、以及各种压裂化学物/添加剂的供应容器；
2) 用于根据预选定的比例掺合压裂流体/固体成分的掺合设备；
3) 至少一个如上所述的高马力压裂泵(“泵送机”)；
4) 至少一个平台(并且通常是，并且通常是，一定数量的平台)，诸如牵引机挂车底床；用以支承马达、发电机、泵和掺合器；以及
5) 操作和控制单元，其通常是基于计算机的，并且包含监测、数据-记录和通信设备，以及远程泵送机控制器，以监测各级压裂过程并记录用于各个阶段的数据。
各种其它设备、工具等也可位于现场，诸如变压器、配电构件、开关装置(包括保险丝或电路断路器)、电缆、软管、空调设备、绳索、起重机、流体泵等。那些熟悉钻孔和压裂操作的人理解该其它设备的目的，以及将其设置在现场的方式。
关于一些特定的示例，开关装置和配电构件向压裂操作提供了一定数量的重要属性。例如，它们提供了来自发电子系统的总功率至和在泵送子系统的单元之间的分配和共用。它们还控制多线功率通量，使得单个构件或单元中的故障或失效不对其它构件或单元造成次级损坏。以该方式，最小化具有故障或失效的构件或单元内的次级损坏。此外，所选定的功率通量可出于维护和其它现场操作的目的而被中断，同时为所涉及的人员提供安全的工作环境。此外，这允许在发电子系统或泵送子系统中根据需要采用其它单元，同时执行此类维护和现场操作。
如上面暗示的，本发明的实施例消除或最小化了这些缺点中的许多个。图1是根据本发明的一些实施例的水力压裂系统的示意图。该图是位于井台现场10的各种构件的非限制性图示。作为简化描述的一般手段，区段11可被称为功率系统；并且区段13可被称为泵送系统。
继续参照图1，井台现场10包含一个或更多个用于储存压裂流体的容器12。现场还包含一个或更多个用于储存砂或其它类型的支撑剂(例如陶瓷珠或其它颗粒)的容器14。压裂流体12主要包括例如从存储容器16供应的水。然而，流体还包含能够在商业上获得的各种化学添加剂，其可有助于产生岩石裂隙；以及保护井眼表面。
支撑剂材料可为上面提到的陶瓷珠或砂粒或其它颗粒。如本领域技术人员理解的，支撑剂材料的注入防止了当注入停止时水力裂隙闭合。以该方式，过程操作员可保持“裂隙宽度”，或减缓宽度的减少。这可在更深的压裂深度下为特别重要的，其中，裂隙上的压力和应力是更高的。
预选定比例的压裂流体成分(包括化学添加剂)和支撑剂引导到至少一个掺合器/混合单元18中(在图中描绘了两个此类单元)。典型地，掺合器使各种成分完全混合。在掺合单元中采用了至少一个大容量泵来将混合物供给至泵送子系统。如在下面描述的马达/泵平台的情况中，混合器单元可位于牵引机挂车的底床上，例如具有挂车的卡车，该挂车具有大约35-50英尺的平均长度；大约7-12英尺的平均宽度；以及大约60,000至大约100,000磅的平均承重能力。(这些大小在一些情况下当然也可改变)。
混合的压裂流体成分接着引导(通过泵送)到管道阵列20中，其能够容纳相对高压力和相对高容量下的稠密流体，例如大约100psi至大约140psi，大约60-80桶/分钟或更高。管道阵列20接着用于将压裂流体分配到一定数量的泵送机22中(作为普通示例，这里示出了六个)。各个泵送机容纳恰当比例的流体，并且有助于将压裂材料带到进入一个或更多个井口所需的高压的任务。
如上所述，各个泵送机22典型地(但不一定)包括至少一个泵和驱动该泵的电动机。在一些优选实施例中(取决于平台、马达和泵的相对尺寸)，各个泵送机包括两个泵-马达组。电动机可全部由单个电馈源24提供功率。
电馈源24可包括例如配电单元。在一些实施例中，配电单元由单个电传输电缆26供给，其可源自任何高压传输线路(未显示)或其它电源。电馈源24可包括常规的分配电路、用以减小来自电缆26的电压的变压器、或者分配电路和变压器(或多个变压器)的一些组合。
在一些实施例中，采用了至少一个可变频驱动器(VFD)28，来根据期望的参数控制来自电馈源24的电流。(在图1中描绘了VFD驱动器中的三个，作为泵送子系统的一部分。如同其它构件一样，它们可设置在牵引机挂车或其它合适的平台上。出于简单起见，VFD驱动器描绘为挂车，它们可位于该挂车上)。如本领域技术人员理解的，VFD控制供应至马达的电功率的频率，以及控制电流和电压。该“可控制性”允许在泵送功率的可变需求期间节省能量，并且减少各个马达上的应变。用于类似本文中所述的应用的VFD的大体设计和使用可通过那些熟悉电动机技术和电功率系统技术的人在不需要过度努力的情况下执行。
可变频驱动器28通过一个或更多个适合的电导线(图中以简单形式显示)将所需的电功率引导至泵送机22。在一个实施例中，三个VFD中的各个连接于泵送机22中的两个。VFD(28)相对泵送机(22)的最适当的比将取决于本文中所述的其它因素中的一些，包括采用的电动机的尺寸和数量。
如上面提到的，本文中所述的基于电气的压裂实施例可提供优于现有技术的基于机械的压裂系统的一定数量的重要优点。在消除了用于泵送的单独柴油发动机的情况下，各个平台/挂车可适应大得多的泵送容量。因而，可极大地减少现场挂车的数量。此外，将功率传递至各个泵的电动机-由一个主功率线路和相关联的分配和VFD设备供应-大体比柴油功率系统更清洁和更可靠。
如之前暗示的，压裂流体的部分接着引导至各个泵送机22。泵送机能够使流体的压力增大至典型压裂所需的非常高的水平，例如通常高于大约5,000psi，并且经常为大约10,000psi或更高。离开泵送机22的总压裂流体接着可通过井口导管(例如至少一个管道)30引导至井口32中的至少一个。(描绘的井口和导管的数量是示例性的，并且可部分地取决于勘探的现场的性质而显著地改变)。
本领域技术人员熟悉钻入到储油岩层或任何类型的地层中的井眼的形成和使用。各个井口32可代表分开的井眼的末端。各个井眼可竖直地延伸到土地中一些距离，并且接着横向延伸(即，平行于岩层)几千英尺，例如高达至少大约10,000英尺。井眼例如可在现场10发散出的许多不同的横向(但在地下)方向上延伸。以该方式，非常大储量的岩生燃料(例如石油和天然气)可比其它地面上的泵送和功率系统更有效地被刺激，用于释放和回收。
在图2中描绘了水力压裂系统的另一个实施例。与图1的那些特征和单元相同的特征和单元在该图中标注，并且通常设有相同的标记。如在之前实施例中，系统包括功率子系统11和泵送子系统13，以及电馈源24、电传输电缆26以及VFD28。泵送系统13的其它单元也是相同的，例如存储容器12,14和泵送机22。
在图2的该实施例中，功率在现场提供。作为示例，相对大的发电机单元50可通过电缆26向电馈源24提供功率。许多不同类型的发电机可用于该目的，并且尺寸将取决于一定数量的变量，包括总压裂操作的尺寸。作为非限制性示例，发电机可为能够提供大约15MW至大约30MW的功率(即，通常大于大约15MW的功率)的发电机。发电机可由任何可获得的机械能量源供能，例如涡轮、水力功率、压缩空气、内燃机等。在一些实施例中，如之前暗示的，用于向发电机供能的涡轮或燃烧机可供应有至少部分地从压裂现场本身获得的燃料。
除了发电机50之外，该实施例可包括至少一个更小的发电单元52(图2)。(多个)更小单元可均提供大约1MW至大约10MW的功率，但该范围也可改变。在图2中，更小发电单元中的两个(52,54)被描绘，并且均可直接将电供应至供给源24。(在其它实施例中，可采用更小发电单元中的多于两个)。就功率要求而言，更小的单元可在压裂现场的操作期间提供大得多的灵活性。
在一些情况下，更小的单元中的一个或更多个可包括燃气发动机，该燃气发动机附接于或并入有适合的发电机。如本领域技术人员理解的，燃气发动机是内燃机，其可以以各种燃料操作，诸如天然气、填埋气体、煤气、生物衍生燃料等。(更小的单元中的一些还可使用传统的碳氢化合物燃料，例如液体碳氢化合物)。就燃气发动机用作发电机50的附件而言，燃料源和发动机尺寸两者的灵活性可提供相当大的优点。商业燃气发动机的非限制性的示例包括各种Jenbacher和Waukesha发电单元。(在其它情况下，更小的单元中的一个或更多个可为例如呈燃气涡轮发电机组形式的燃气涡轮，其能够提供针对单元52,54(图2)所述的范围内的功率)。
从上面的教导应当理解，用于通过水力压裂抽取油气的过程代表本发明的另一个实施例。过程包括使用主要基于电动机的泵送系统，该电动机向压裂泵提供功率。在优选的实施例中，电动机由发电子系统提供功率，该发电子系统使用远少于常规水力压裂系统的，例如与常规专用的发动机-泵方法相比，单独的发电机和相关联的构件。其它关于水力压裂的大体细节可在更大量的参考中找到。非限制性的示例包括美国专利8,309,498(Funkhouser等人)、美国专利7,901,314(Salvaire等人)、美国专利5,551,516(Norman等人)和美国专利3,888,311(Cooke)，它们全部通过引用并入本文中。
在发电子系统和泵送子系统之间的协调由控制系统执行。控制系统向各个泵/电动机组(即，泵送机22)提供足够的功率数量和“质量”(即，就频率、电压和谐波而言)。控制系统还防止发电单元在超出它们的安全性和可靠性极限的情况下操作。
控制系统应经常包括机构，其容许可高度调整的可变速驱动装置。该可调整性有时是关键的，因为基于可发生在远离泵送机本身数千英尺处的所需压裂力，泵送机上的负载也是高度可变的。作为示例，可变速驱动机构(有时被称为可调速驱动器(ASD))允许分别在起动和停止阶段提升功率和降低功率。此外，应用于本发明的VSD/ASD机构还能够传递相对短的高扭矩功率脉冲(例如大约几秒至几分钟)，例如如果压裂流体流遭遇挑战性的岩石和砂砾条件。
本发明已经根据一些特定的实施例进行了描述。它们仅意图用于图示，并且不应当看作是以任何方式限制。因而，应当理解，可对其做出修改，该修改在本发明和所附权利要求的范围内。此外，上面提到的所有专利、专利申请、文章和文本通过引用并入本文中。
Claims (16)
1. 一种水力压裂系统，包括：
a) 电动机驱动的泵送子系统，其构造成在高压力条件下将加压的压裂流体泵送到至少一个井眼中，所述高压力条件足以增大所述井眼的井下压力，以超过包围所述井眼的固体物质的压裂梯度；和
b) 发电子系统，其向所述泵送子系统提供能量，包括由单个电馈源提供功率的大量电动机。
2. 根据权利要求1所述的压裂系统，其特征在于，所述泵送子系统包括一个或更多个平台，并且各个平台支承一个或更多个泵送单元，其均包括至少一个泵和至少一个电动机。
3. 根据权利要求2所述的压裂系统，其特征在于，各个电动机构造成向一个泵提供功率。
4. 根据权利要求2所述的压裂系统，其特征在于，各个泵送单元包括两个泵-马达组。
5. 根据权利要求1所述的压裂系统，其特征在于，所述电馈源包括馈电器，其直接或间接地连接于电传输线路、功率变电站、发电设施或专用发电子系统。
6. 根据权利要求1所述的压裂系统，其特征在于，所述电馈源包括至少一个燃气涡轮发动机。
7. 根据权利要求1所述的压裂系统，其特征在于，所述发电子系统由大型发电机提供功率，所述大型发电机能够供应大于大约15MW的功率。
8. 根据权利要求7所述的压裂系统，其特征在于，所述发电子系统进一步由至少一个燃气发动机提供功率，所述至少一个燃气发动机能够供应大约1MW至大约10MW的功率。
9. 根据权利要求1所述的压裂系统，其特征在于，所述泵送子系统包括至少一个可变频驱动器(VFD)。
10. 根据权利要求9所述的压裂系统，其特征在于，所述可变频驱动器构造成根据期望的参数控制来自所述电馈源的电流。
11. 根据权利要求10所述的压裂系统，其特征在于，所述可变频驱动器构造成将所述电流引导至至少一个指定的泵送单元。
12. 一种用于通过水力压裂操作从储油岩层抽取碳氢化合物的过程，其包括将水力压裂处理流体在压力下引入到地层中的步骤，所述压力足以形成或增强所述地层内的至少一个裂隙，
其中所述压裂处理流体通过电动机驱动的泵送子系统泵送到所述地层中的至少一个井眼中，所述电动机驱动的泵送子系统构造成在高压力条件下将所述流体泵送到所述井眼中，所述高压力条件足以增大所述井眼的井下压力，以超过包围所述井眼的固体物质的压裂梯度；并且
其中所述泵送子系统由发电子系统供能，所述发电子系统向所述泵送子系统提供能量，并且所述发电子系统包括由单个电馈源提供功率的大量电动机。
13. 根据权利要求12所述的过程，其特征在于，所述泵送子系统包括一个或更多个平台，并且各个平台支承一个或更多个泵送单元，其均包括至少一个泵和至少一个电动机。
14. 根据权利要求13所述的过程，其特征在于，各个电动机构造成向一个泵提供功率。
15. 根据权利要求13所述的过程，其特征在于，各个泵送单元包括两个泵-马达组。
16. 根据权利要求12所述的过程，其特征在于，所述电馈源包括馈电器，其直接或间接地连接于电传输线路、功率变电站、发电设施或专用发电子系统。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |