CN105579665A - 非均匀压裂布置中的同步脉冲 - Google Patents

Abstract

一种通过在支撑剂流体被注入到储层裂缝的过程中维持所述支撑剂流体的非均匀性来改进压裂操作的技术。所述技术包括使用搅拌机以脉冲的方式给送支撑剂材料以产生支撑剂脉冲。所述支撑剂脉冲与流体混合以形成具有被第二流体分离的支撑剂材料脉冲的支撑剂浆液。所述支撑剂浆液接着被多个操作用于将浆液泵送到井的泵分流。为了维持非均匀性，所述泵的泵速率被单独地调整以控制所述泵下游的支撑剂脉冲的分散并且将分离的支撑剂材料脉冲基本上维持在所述浆液中。可以进行多种其他系统调节用以增强整个压裂系统维持分离的聚集支撑剂材料脉冲的能力。

Description

非均匀压裂布置中的同步脉冲

优先权

本申请要求享有2014年5月27日提交的属于专利合作条约专利申请的申请号为14/287,526的美国非临时专利申请以及2013年5月28日提交的申请号为61/827,866的临时专利申请的优先权，二者的标题相同并且均通过引用被结合于此。

背景技术

水力压裂通过生成延伸穿过储层到达井筒的高渗透流动路径而提高井生产率。水力压裂包括将压裂流体，例如压裂浆液，水力注入到穿透地下地层的井筒中。所述压裂流体在压力下对地层作用直到地层受力开裂和破裂。支撑剂接着被放置到裂缝中以防止裂缝坍塌并且用于提高流体穿过所述储层到达所述井筒的流动，所述流体例如是油，气或水。

在许多压裂作业中，支撑剂被给送并且与干净的载体流体混合到一起以形成所述支撑剂流体或浆液。接着通过一组泵将所述浆液泵送到共用管汇或发射机并且将其给送到井口装置用于在压力下注入到井下。所述支撑剂流体中的支撑剂的非均匀性在所述支撑剂被注入到裂缝中后有助于改善裂缝的传导性。然而，使用多个泵以及压裂系统的整体性设计能够有效地使支撑剂混入到干净的流体中并且形成基本上均匀的浆液。

发明内容

总体上，提供了一种技术，用于通过在支撑剂流体被注入到延伸穿过储层的裂缝中时维持支撑剂流体的非均匀性而便利于压裂作业。该技术包括：使用搅拌机以脉冲方式给送支撑剂材料，以形成支撑剂脉冲或股流。支撑剂脉冲或股流与流体混合，以形成支撑剂浆液，其中，支撑剂材料脉冲被第二流体分离，所述第二流体具有相对较低浓度的支撑剂。然后，支撑剂浆液在多个泵之间分流，所述泵被操作以将浆液泵送到井。为了维持非均匀性，单独调整各个泵的泵速率，以控制所述支撑剂脉冲在所述多个泵下游的分散和基本维持被分离的支撑剂材料脉冲，从而维持支撑剂浆液的非均匀性。也可进行各种各样的其他系统调整，以提高整个压裂系统维持聚集的支撑剂材料脉冲或股流被分离的能力。

然而，也可在实质上没有脱离本公开教导的情况下进行许多修改。因此，这些修改也应包括在权利要求所限定的本公开的范围内。

附图说明

随后参照附图描述本公开的某些实施例，其中，相同的参考数字指代相同的部件。然而，应该理解的是，附图所示的是这里描述的各种实施方式，并不对这里公开的各种技术的范围作限制，并且：

图1为根据本公开的一个实施例，用于泵送具有从搅拌机接收的支撑剂脉冲的浆液的泵计划的图示说明；

图2为根据本公开的一个实施例，布置在井场处的压裂系统的示意图；

图3为根据本公开的一个实施例，具有移动通过多个泵的支撑剂脉冲的支撑剂浆液的图表说明；

图4为根据本公开的一个实施例，通过泵下游的密度计测量的支撑剂浓度的图表说明；

图5为根据本公开的一个实施例，在泵速率调整之前支撑剂脉冲分散的图表说明；

图6为根据本公开的一个实施例，同样显示支撑剂脉冲分散的图表说明；

图7为根据本公开的一个实施例，当泵速率被单独控制以维持支撑剂浆液的非均匀性时支撑剂脉冲分散的图表说明；

图8为根据本公开的一个实施例，可以用于与基于处理器的控制系统协作以调整压裂系统参数的图形用户界面的图像说明；

图9为根据本公开的一个实施例，可以用于与基于处理器的控制系统协作以调整泵速率的图形用户界面的另一图像说明。

具体实施方式

在后面的描述中，提供了多处细节描述以帮助理解本公开的一些实施例。然而，本领域普通技术人员可以理解的是，所述系统和/或方法没有这些细节也可以实施并且描述的实施例可以具有多种变形或修改。

本公开总体上涉及一种技术，其通过在支撑剂流体被注入到延伸穿过储层的裂缝的过程中维持所述支撑流体的非均匀性来改进压裂作业。可使用搅拌机以脉冲的方式运送支撑剂材料以形成支撑剂脉冲或股流。在本实例中，所述支撑剂与没有支撑剂的流体混合并且作为支撑剂浆液被运送到发射机汇管。所述支撑剂浆液接着被多个泵分流，其中，所述多个泵被操作用于将各部分的支撑剂浆液送到井里。在通过了所述多个泵之后，所述部分的支撑剂浆液被重新混合到一起成为单一的混合物，其可以被运送到井口装置。为了维持非均匀性，多个泵的泵速率被单独调节以控制所述泵下游的支撑剂脉冲的分散并且大体上维持所述分离的支撑剂材料脉冲、进而维持所述支撑剂浆液的非均匀性。也可以进行其它系统调节，以增强整个压裂系统在部分的支撑剂脉冲通过所述多个泵并且被重新混合以后维持所述分离的聚集支撑剂材料脉冲或股流的能力。

在图1中，给出了一个曲线图并且其显示出从所述搅拌机被运送到所述泵的支撑剂脉冲。在非均匀支撑剂布置应用中，搅拌机可以被设计成以脉冲的方式释放支撑剂，例如，沙子。如图1所示，所述支撑剂脉冲与支撑剂较少的流体脉冲组合，以使得在支撑剂浓度相对较低的流体脉冲20之后跟着支撑剂浓度相对较高的脉冲22。

在图2中，示出设置在井场26处的压裂系统24的一个实例。应该注意到的是，压裂系统24根据情况可以包括多种其它和/或附加部件，所述情况包括地层和给定的压裂作业设计。在图示的实例中，压裂系统24包括搅拌机28，其用于搅拌支撑剂和流体，例如，干净流体，以形成被运送到发射机32的汇管30中的压裂流体或浆液。如上所述，搅拌机28可以被设计成以脉冲方式释放支撑剂以形成被具有低支撑剂浓度的干净流体脉冲分离的支撑剂脉冲，如图1的曲线图所示。

一旦支撑剂脉冲进入发射机汇管30，脉冲在多个泵34之间被分流。所述多个泵34被划分为左侧泵和右侧泵，并且支撑剂脉冲或股流22的各部分移动通过所述多个泵34。由于多种压裂系统因素，支撑剂脉冲22的各部分可在不同的时间离开所述汇管30，这样易于支撑剂脉冲22与干净的流体脉冲20混合。例如，由于汇管30的吸入和排除管线直径之间的差别，装配泵34的方式的差别，泵速率的差别，以及其它部件差别，相同的支撑剂脉冲22的各部分可能在不同的时间离开所述汇管30，除非按照下面更加详细描述的内容进行操作。因此，初始的聚集支撑剂材料股流或脉冲不会在井口装置36处重构，而且不会是单个高聚集的支撑剂脉冲，相反所述脉冲变成分散的。与注入更多非均匀支撑剂浆液相比，将更多的这种分散的支撑剂浆液注入到储层裂缝中形成更加狭窄的通道。

与上面所述的分散相比，本设计操控压裂系统24的参数，以通过使支撑剂脉冲22的各部分移动通过不同的泵以在相同的时间到达下游相遇，例如井口装置36处相遇而维持非均匀性。在一个实施例中，可以操控所述高压设备，例如泵34的泵送速率来促使支撑剂脉冲22移动通过不同的泵34从而使得支撑剂脉冲的各部分在相同时间在汇管30的下游重新组合。可以使用多种控制策略来调节泵34的泵送速率以在井口装置36获得非均匀的支撑剂浆液。例如，各种电子制表程序，C语言计算机程序，基于处理器的计算，和/或采用流体力学方程的其它计算可以被用于确定适宜的泵速率的操控。在一个实施例中，计算每个泵34的泵速率并且操控这些泵速率以在压裂流体移动离开汇管30并通过各种高压和低压管线后移动进入井口装置36的过程中最小化支撑剂脉冲22的分散。

这里描述的实施例包括在地面设备上调节泵速率以促使支撑剂脉冲22在相同时间或者近似相同的时间到达井口装置36的过程。所述过程减少了脉冲分散并且提高了压裂处理的效率。所述泵送速率的调整可以根据例如基于电子表格的输出，可执行计算机程序，其它基于处理器的计算，和/或其它类型的计算的期望的控制参数被评价和选取，以确定颗粒物的流动并且进一步确定支撑剂脉冲22的各部分在到达井口装置36之前通过每个泵34的流动。所述泵送速率可以通过基于计算机的控制系统和/或采用来自井场操作者的输入自动地被调整。

在图2所示的实施例中，压裂系统24包括六个泵34和安装在发射机拖车38上的一个发射机32。泵34还可以是安装在卡车和/或拖车上的泵。根据应用，可以采用其它数量的泵34，发射机32，和/或搅拌机28。浆液从发射机32被排放进入高压管线40，例如，如图2的实例所示，具有左侧高压管线和右侧高压管线的两条高压管线40。可以通过一个下游密度计或者通过多个下游密度计在所述浆液到达井口装置36之前监测支撑剂通过高压管线40的流动。高压管线40将发射机32与井口装置36连接。

图3和4的图表显示出了同时通过调节泵速率以及通过确定即使在泵速率没有被优化时用于维持改善的非均匀性的最佳实施方案来防止分散并且维持非均匀的支撑剂脉冲22。例如在图3中，采用第一图线44表示在发射机32入口处支撑剂脉冲22的支撑剂浓度，并基于来自于密度计42的数据，采用第二图线46表示在发射机32出口处的浓度。在该实例中，泵速率在预定的，优化的速率(参见顶部的图表)与较少优化的速率(参见底部图表)之间变化。此外，压裂系统24的左侧和右侧分别通过左侧图表和右侧图表表示。如下面更加详细所述，压裂系统24的右侧具有优化后的各种其它系统部件。

如图表上方左侧部分所示，在发射机32的出口处支撑剂脉冲的形状已经被重构，以提供基本上再组合或重构的支撑剂脉冲，如图中的图线46所示。然而，如果泵速率没有被优化，如图表下方左侧部分所示，支撑剂脉冲的不均匀性在发射机的32出口处被降低。然而，如果对压裂系统24的其它参数进行优化，如图表的上方右侧部分和下方右侧部分之间的过渡所示，即使泵速率从优化的速率变化到低于所述优化的速率，支撑剂脉冲22的分散量也可能降低。如该实例所示，当泵送速率从良好的(例如优化的)速率向较少优化的速率移动，至少当其它系统参数没有被优化时，左侧的支撑剂脉冲或股流劣化得更多。所述结果被图4所示的曲线图所确认，其示出左侧的股流/支撑剂脉冲大量减少而右侧的股流/支撑剂脉冲维持在基本上非均匀的水平。因此，在多个泵34之间选取合适的泵速率分布以及评价分析其它系统参数都可以被用作促进支撑剂脉冲22在通过泵34和发射机32之后重构。

如图5和6中的图表所示，如果不对泵34的泵速率进行调节以防止分散，支撑剂和干净流体可能发生明显混合。在该实例中，没有形成最好的实施方式并且在处理操作环境发生改变后也没有优化泵速率。最初，如图5的图表左侧中的图线48，50和52所示，支撑剂股流或脉冲是非均匀的并且被具有低浓度支撑剂的干净流体分离。然而，在这样的压裂工作的末尾，在不同流动管线中移动的脉冲去同步地到达井口装置(参见图5的图表右侧中的图线48和50)。这种情况将全部的脉冲22混合并且产生基本上均匀的压裂流体(参见图线52)。随着地面物品的增加(更多的管线，泵，软管，等等)，这种问题发生的可能性也提高并且在没有任何泵速率调整和/或在压裂系统24的设计中没有采用最佳实施方式时变得难以控制。

图6表示一种快速的量化由于缺少同步性而产生分散的图解方法。在x轴上，画出在某个时刻由安装在汇管的其中一条排放管线40中的密度计42所记录的沙子/支撑剂浓度。在y轴上，画出在相同时刻由安装在其它管线40中的密度计42记录的沙子浓度。在该实例中，R²＝1.0表示期望的脉冲同步并且R²＝0.0表示理论上可能的最坏的情形。对于图5和6所示的阶段，得到的值为R²＝0.27。然而，图7表示另一个阶段，其中，使用这里描述的最佳实施方式来调整泵送速率用于优化在发射机32的下游侧上的支撑剂脉冲22的再组合和维持。在该后面的实例中，进入井口装置36的脉冲同步按照R²＝0.9449被建立。本技术用于维持非均匀支撑剂浆液的实施例被设计成在多数情况下都能实现R²>0.90。所述泵速率调节技术已经在多种场合进行了测试并且具有相一致的结果。此外，所述最佳的实施方式还可包括优化压裂系统24的整体设计和结构，以在即使泵送速率没有被完全优化的情况下也能进一步帮助维持非均匀性。

泵送速率的调节以及压裂系统设计/结构的改进例如可以借助具有图形用户界面56的基于处理器的系统54实现。如图8所示，图形用户界面56可以被用于输入多个参数58到基于处理器的系统54中用于处理和分析评价压裂系统24的结构。所述基于处理器的系统54可被用于自动控制或者提供涉及与系统部件和运行参数的调整和/或改变相关的建议。作为举例，基于处理器的系统54可以采用C语言计算机程序来确定适用于给定的压裂作业的最佳实施方式。然而，也可以采用多种其它计算机语言，模型，算法，程序和其它特征来帮助确定具体压裂作业的最佳实施方式。基于处理器的系统54还可以被编程以响应于具体的输入而自动控制各个泵34的泵速率，所述输入例如是从密度计42接收的数据。

如图9所示，图形用户界面56还可以被用于输入和输出多个泵速率60。作为举例，图形用户界面56允许操作者输入多个泵速率，并且基于处理器的系统54可以被编程以基于在执行压裂操作的过程中的持续基础上分析这些泵速率并且确定改进的泵速率和/或对泵速率进行的调整，由此维持支撑剂脉冲22在井口装置36处的非均匀性。图形用户界面56还可以被用于输出来自于密度计42的多种泵速率信息以及与所述压裂操作相关联的其它数据。

改进给定压裂操作的具体过程可包括多个其它和/或附加程序步骤。在某些应用中，改进压裂的过程除了调整泵送速率以在移动通过发射机32之前和之后维持支撑剂脉冲/股流的同步性之外，还包括预先确定多个系统参数。例如，过程可包括开始时确定被用在压裂系统24中的低压管或软管的类型，包括这些管和软管的数量，长度，和/或布置。类似的，所述过程可包括确定高压管，例如高压管线40的数量，长度和/或布置。

此外，用于减少支撑剂材料的分散的过程可包括确定泵34的数量和泵的类型，例如三重流体端面泵或四重流体端面泵。类似地，搅拌机28的类型可以连同发射机32的数量和类型确定。也可以采用基于处理器的系统54来帮助规定用于装配泵34，发射机32，以及搅拌机28的结构。在某些应用中，做出是否对泵34的最大泵速率或最小泵速率进行限制的决定。此外，用于压裂工作的总体泵送速率也被确定。接着，可以采用所述基于处理器的系统54或另一种合适的系统来处理各种系统参数和泵参数，以便为每个泵34确定初始的，期望的泵速率。

作为举例，所述基于处理器的系统54可以被编程以执行迭代过程来确定使颗粒离开搅拌机28，移动通过所述低压侧，通过具体的泵34，接着流到井口装置36所花费的时间。在给定了低压管道/软管的长度，高压管线40的长度，以及所述具体泵34的给定的泵速率，对每个泵34执行所述计算。接着可调整每个泵34的泵速率以使得使颗粒移动到井口装置36的时间对于每个泵34来说是相同的。在其它应用中，所述基于处理器的系统54可以被编程以基于预定的方程调节泵速率。例如，基于处理器的系统54可具有可以用于每个泵34的多组流动方程并且这些方程在给定了对每个泵的最小速率和最大速率的限制时是可解的。可以使用这些解调节每个泵34的泵速率以获取与由所述方程的解所推荐的泵速率吻合或基本吻合的泵速率。

在该实例中，可以使用密度计42来确保所述支撑剂浓度足够地非均匀。换句话说，可以使用所述密度计42来确保移动到发射机32中的支撑剂浓度与井口装置36处的支撑剂浓度基本吻合。这种吻合表明支撑剂脉冲22的完整性已经得到了维持。

如这里所述，根据具体给定的压裂操作，压裂系统24可以包括多个泵34以及其它系统部件。这些部件的设计以及压裂系统24的整体结构可影响压裂流体非均匀性的维持。在许多应用中，通过调整泵速率可以维持或改善支撑剂脉冲并且进一步维持和改善所述压裂流体的非均匀性。然而，通过调节整个压裂系统24中的部件以及部件的布置可以提供额外的改进。对泵速率的这些调整可以根据多种人工和自动的方法进行计算。例如，基于处理器的系统54可以根据期望的编程和/或方程来处理数据以采用在井口装置处维持支撑剂脉冲的方式平衡多个泵34的泵速率，由此改进压裂操作。

尽管前面已经详细描述了本公开的几个实施例，本领域普通技术人员可以容易地意识到多种修改不会实质上脱离本公开的教导。因此，这些修改被看作是位于由权利要求所限定的本公开的范围之内。

Claims (11)

1.一种便利于压裂作业的方法，包括：

以脉冲方式从搅拌机给送支撑剂，以形成支撑剂脉冲；

使所述支撑剂与流体混合，以形成具有被第二流体分离的支撑剂脉冲的浆液，所述第二流体具有相对较低浓度的支撑剂；

在多个泵之间分流所述浆液；

操作所述多个泵，以将所述浆液泵送到井；以及

单独调整各个泵的泵速率，以控制所述支撑剂脉冲在所述多个泵下游的分散。

2.如权利要求1所述的方法，其中，调整包括：调整泵速率，以最小化支撑剂脉冲在浆液中的分散。

3.如权利要求1所述的方法，其中，调整包括：调整泵速率，以在所述浆液的各个部分通过泵之后在井口装置处形成支撑剂脉冲。

4.如权利要求3所述的方法，进一步包括：采用至少一个密度计监测正移向所述井口装置的浆液。

5.如权利要求1所述的方法，其中，调整包括：采用基于处理器的系统执行迭代过程，以确定颗粒通过每个泵的行程时间。

6.如权利要求1所述的方法，其中，调整包括：采用基于处理器的系统处理用于估计通过每个泵的流动的方程。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：调整附加设备的参数，以帮助支撑剂脉冲给送到所述井中。

8.一种便利于压裂作业的方法，包括：

在井场处根据预定设计组装具有搅拌机、多个泵以及发射机的压裂系统；

操作所述搅拌机，以支撑剂脉冲的方式给送支撑剂；

经由第二流体将所述支撑剂脉冲给送到所述多个泵；以及

操控所述多个泵的操作，以防止在所述支撑剂脉冲和所述第二流体通过所述发射机被给送到井口装置时所述支撑剂脉冲与所述第二流体均匀混合。

9.权利要求8所述的方法，进一步包括：在所述搅拌机处将所述支撑剂组合到第二流体中。

10.如权利要求8所述的方法，进一步包括：使用邻近于井口装置的多个密度计监测所述支撑剂脉冲。

11.如权利要求8所述的方法，其中，操控包括：采用基于处理器的操控器控制泵。