CN106030029A - 用于井筒的压裂系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本文所包含的公开内容描述可用于刺激地层的系统、装置以及方法，包括可用于加压流体的泵、与所述泵连通并且驱动所述泵的电动驱动器、以及与所述电动驱动器连通并且对该电动驱动器供电的电源。所述电源可包括现场的发电机和/或电网电源，并且可使用变压器来将接收的电压变换至可适用于对所述电动驱动器供电的电压。可使用与所述电动驱动器相关的空气移动装置来提供靠近所述泵的空气以驱散气体。在流体供给和/或支撑剂添加子系统的结合中，所述泵可用于压裂地层。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年10月10日提交的美国临时专利申请61/889,187的优先权。
本申请还要求于2013年3月3日提交的美国非临时专利申请14/199,461以及于2013年12月12日提交的美国临时专利申请61/915,093的优先权。
所有上述申请均通过引用以全文并入本文中。
技术领域
本发明一般涉及可在井筒内使用的系统、方法、装置及组成，更具体地，涉及用于压裂地层以刺激地层(formation)产量(例如，烃类的产量)的系统及方法。
背景技术
为了刺激和/或增加井的烃类产量，人们进行了称为压裂(fracturing)(俗称“压裂(fracing)”)的工艺。在简要概述中，将加压流体-经常为水-以足以在地层中产生裂缝的压力泵浦进地层的生产区，从而使得烃类能够以较少的阻力在地层中流动。可将如沙子、陶瓷小珠、和/或类似的颗粒型材料等固体物质与压裂液混合，这些固体材料一般在裂缝形成后留在裂缝内。公知的固体材料如支撑剂，用于防止裂缝闭合和/或防止在压裂操作后裂缝尺寸大大减小，例如通过将裂缝“支撑”在打开位置中。某些类型的支撑剂当在压力的作用下被泵浦进地层时还可有利于形成裂缝。尽管存在于裂缝中的支撑剂可阻碍地层的渗透性，例如通过阻碍烃类朝井筒流动，但是由支撑裂缝所产生的增加的流量超过支撑剂引起的任何阻力。出于压裂目的而输送进地层的材料可称为“压裂材料”。压裂材料可包括出于压裂目的而输送进地层的任何材料，并且可包括流体、气体、固体、或其组合。
由于水对地层的副作用，使用含水流体压裂往往是不可取的。例如，粘土以及其它地层组分接触水时会发生膨胀，而盐以及其它地层组分则会溶解，以致接触大量的水会使地层不稳定。水以及其它含水流体的使用还产生处理方面的问题。具体地，从井中回收(例如，在压裂施工之后)的含水压裂液包含各种井筒流体以及其它化学成分(例如，促进使用流体压裂的添加剂)，因此，根据大量法规的规定，回收的压裂流体必须收集并且存储在表面处，以环境可接受的方式处理。这样的过程对于压裂施工来说增加了大量的时间和费用。
无水压裂液已经被作为一种替代方式来使用，一种此类受欢迎的流体包括烃基流体(例如，粗/精油、甲醇、柴油、凝析油、液体石油玻璃(LPG)和/或其它脂肪族或芳族化合物)。烃基压裂液本身与大多数储层兼容，在产生可接受的裂缝几何体期间一般不会对地层造成伤害。然而，由于烃基流体的可燃性，因此使用此类流体进行井筒作业时，需要增强的安全准备以及设备。此外，许多烃基流体是易挥发的和/或不适合以井筒温度和压力使用，同时缺乏足够的密度来承载许多类型的支撑剂。因此，通常的做法就是使用化学添加剂(例如，胶凝剂、增粘剂等)来改变流体特性。描述使用液化石油气的系统的实例在美国专利8,408,289中描述，该专利通过引用以全文并入于此。化学添加剂的使用会产生废料和处置问题，这与使用含水流体进行压裂施工遇到的那些问题类似。
与使用的压裂液和支撑剂的类型无关，压裂施工通常需要使用一个或多个高压泵来对泵浦进井筒的压裂液进行加压。以往，此类设备使用柴油机来驱动/发动，这可能会在现场造成大量的噪音、污染以及费用。电驱动系统已经被考虑用来替代柴油机；然而，此类系统需要大量设备件、大范围布线和/或类似的导管，并且通常利用现场发电，如天然气汽轮机。当使用包含可燃组分的压裂流体时，可能就不适合使用汽轮原动机以及类似的设备。用于在压裂地层中使用的示例性电动系统在公开的美国专利申请2012/0255734中描述，该专利申请通过引用以全文并入于此。
存在压裂和/或刺激地层的系统及方法的需求，以克服地层伤害/兼容、可燃性、支撑剂输送、和/或供电问题。
发明内容
本文范围内可使用的实施例包括可用于刺激地层(例如，通过在地层中形成裂缝)的系统，如通过经由井筒将加压流体供给至地层。适用于提供流体(例如，如丙烷、其它烷烃、卤代烃、其它烃类等压裂液，或如水等任何其它压裂液)的流体供给系统可被设置与地层流体连通。可使用动力系统来将流体加压至足以刺激地层的压力，该动力系统包括一个或多个与所述流体连通的泵(例如，可用于压裂作业的高压泵)。在一实施例中，可使用支撑剂添加系统来提供固体材料(例如支撑剂，如可用于在地层中保持裂缝的沙子、陶瓷、小珠、玻璃微珠、结晶材料、或任何其它固体和/或颗粒物质)。
除了所述一个或多个泵外，所述电源子系统还可包括与一个或多个泵连通并且驱动一个或多个泵的电动驱动器(例如，电机)、以及与所述电动驱动器连通并且对该电动驱动器供电的电源(例如汽轮发电机、电网电源、和/或另一交流或直流电源)。可选或额外地，发电机可使用往复式发动机(例如，柴油机)来提供动力，这并不脱离本文的范围。可使用单个电动驱动器或多个电动驱动器来驱动单个泵，以及可使用单个电动驱动器或多个电动驱动器来驱动多个泵。类似地，单个电源可对一个或多个电动驱动器供电，或多个电源可对一个或多个电动驱动器供电。在一实施例中，所述电源子系统可适用于同时或选择性/可选地使用现场电源，如由天然气汽轮机提供动力的发电机、或电网电源(例如，与远端电源相关的电力线或类似导线)。
可使用一个或多个变压器来将电源电压变换至适合用于对电动驱动器供电的电压。一个或多个变频器(“VFD(s)”)可被设置与所述一个或多个变压器以及各自的电动驱动器连通。
在一实施例中，至少一个VFD、电动驱动器、以及泵可被设置在移动车上，以便于例如现场的模块化定位。还可将一个或多个变压器设置在移动车上或离开移动车设置。可通过电导线将电源与变压器接合(并且随后与其它相关组件接合)，这消除了存在于传统现场的许多电缆/导线。
在一实施例中，与电动驱动器相关的空气移动装置(例如，鼓风机)(通常用于冷却电动驱动器)可被用于使靠近泵的空气流动，例如用于驱散挥发性气体。例如，当使用丙烷作为压裂液时，靠近所述泵的丙烷积累可产生可燃条件(例如，空气中含有约2.2％至9.5％的丙烷浓度)，而连续移动靠近泵的空气将防止可燃组分以足以点火的浓度积累。在所述电动驱动器和泵之间延伸的封闭导管可用于促进空气流动。可选地或额外地，所述电动驱动器以及泵可占据单个外壳。在一个实施例中，驱动轴在所述电动驱动器和泵之间延伸，来自空气移动装置的空气可触碰延伸自所述驱动轴的一个或多个凸部，使得所述空气的流动将动力输出至驱动轴。除了与电动驱动器相关的空气移动装置外或者替代与电动驱动器相关的空气移动装置，此凸部的旋转本身(例如，当旋转所述驱动轴以驱动泵时)可用于使靠近所述泵的空气流通。
在本文范围内可使用的系统的实施例可提供具有有源前端的一个或多个VFD。可与VFD一起使用的有源前端有效切换约3500Hz的频率下的多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及多个电感-电容-电感无源滤波器(LCL)。将输进VFD的信号有效过滤使得能够进行有源信号调制，该调制降低并且可用于有效防止系统形成谐波的可能性，该谐波可不利地影响压裂材料的输送。相比于传统的二极管桥式整流器或其它无源滤波技术，当使用来自电网的电力时，此有源前端提供优越的线消除谐波(line canceling harmonics)。
此外，所述系统的实施例可包括用于控制多个泵的逻辑系统，所述多个泵在同一时间用于相同的压裂作业中。所述逻辑系统可包括一个或多个传感器，所述传感器有效监控众多不同的泵浦系统参数。为了响应性调节一个或多个泵的泵浦行为特性，以优化流进地层中的压裂材料流动和/或防止由于多个泵系统之间的相互作用而出现的潜在危险情况，所述逻辑系统可进一步包括使用由传感器收集的数据的有源反馈回路。
本文所述的系统的电组件可运行在众多不同电压中的任一电压下；然而，在没有否认任何功能电压范围的情况下，出于描述本文实施例的目的，将假定运行电压约为4160V或“中压”。
本文具体描述了中压的使用，因为其为所述系统提供许多潜在的益处。这些优点包括不需要用于将电源的输入电转换至可供VFD使用的电压的前端变压器。前端变压器的去除减少了系统使用所需的设备量，继而降低了组建以及运行系统的成本以及后勤需求(例如，一个或多个前端变压器本身的成本、设备输送的成本以及规划、现场设备重量等)。
此外，比起在更低电压结构中所需的，中压的使用实现在系统的电组件之间连接的电缆更少和/或更小。电缆的减少降低了组建系统的成本以及工作现场的杂乱(clutteredness)。
本文范围包括一种用于以足够刺激地层的压力将压裂材料供给至地层的电力系统。所述电力系统包括至少一个泵、至少一个电动驱动器、以及至少一个VFD。在所述系统的一实施例中，所述VFD从电源接收电力，所述VFD接着将该电力转换成电信号，所述电信号接着被传输至电动驱动器。所述电动驱动器将VFD提供的电信号转换成用于驱动所述泵的机械能。由所述电动驱动器所产生的机械能来驱动所述泵，使得所述泵对一定体积的压裂材料加压。所述经加压的压裂材料可被输送进地层，以刺激所述地层。
可配置所述电力系统的实施例，以便单个VFD将所述电信号提供至多个电机，每一电机为相关的泵提供动力。单个VFD对多个的电机/泵组件供电可有益于需要以高流速低压力将压裂材料输送至地层的压裂系统。
可配置所述电力系统的可选实施例，以便单个VFD可提供电信号至单个的电机/泵组件。此结构可有益于压裂系统需要以高压将压裂材料输送至地层的情形。可配置所述电力系统的实施例，使得所述VFD位于靠近所述电机/泵组件的位置。此结构可实现减少作业现场需要的基础设施，并且可使得整个电力系统能被配置以便通过移动平台支撑并且可在该移动平台上运输。
可配置所述电力系统的实施例，使得所述VFD位于远离所述一个或多个电机/泵组件的位置。通过将与压裂材料相互作用的潜在火源(VFD)从系统组件的近端物理移除，此结构可有助于防止现场发生危险。这在当加压的压裂材料包括挥发性材料时尤其重要。
所述电力系统的实施例可包括设计为防火和/或防爆的一个或多个电动驱动器。
所述电力系统的实施例可进一步包括支撑剂添加子系统，所述支撑剂添加子系统被配置用于将支撑剂添加至加压的压裂材料。
所述电力系统可进一步包括搅拌器，所述搅拌器被配置用于使粘性压裂材料能够被输送至地层。此搅拌器可使用振动，以使得能够输送所述粘性压裂材料。
所述电力系统的实施例可进一步包括变压器，所述变压器用于将接收的电力在被输进VFD之前从第一电压转换至第二电压。
此外，本文范围包括一种对用于以足够刺激地层的压力将压裂材料供给至地层的系统供电的方法。所述方法的实施例包括首先从电源接收电力。将所述电力输进将该电力转换成电信号的VFD。所述电信号接着从所述VFD传输至电机。所述电机将VFD提供的电信号转换成机械能。电机产生的机械能被传送至泵，所述泵使用电机产生的机械能来对一定体积的压裂材料加压。
所述方法的实施例可进一步包括将接收的电力在被输进VFD之前从第一电压转换至第二电压的步骤。可使用变压器来将所述电力从第一电压转换至第二电压。当电源提供的电压在VFD可使用的电压范围外时，可需要此步骤。
所述方法的实施例可提供将一部分VFD提供的电信号传输至多个电动驱动器。所述部分电信号可被提供至多个串联或并联的电机。
附图说明
认为是本文主题特性的新颖特征将在后面提出的任意权利要求中阐述。然而，结合附图进行阅读，本发明本身以及优选的实施例、进一步的目的和其中的优点通过参考下面详细的说明性实施例描述可以得到最好的理解。
在本文范围内可用的、下面呈现的各种实施例的详细描述中，参考如下附图，其中：
图1示出了可在本文范围内使用的系统实施例的示意图；
图2A示出了可在本文范围内使用的、与泵接合的电机的一实施例的概略侧视图；
图2B示出了可在本文范围内使用的、与泵接合的电机的一实施例的概略侧视图；
图2C示出了可在本文范围内使用的、与泵接合的电机的一实施例的概略侧视图；
图3示出了可在本文范围内使用的、与泵接合的电机的一实施例的概略侧视图；
图4示出了可在本文范围内使用的、与泵接合的电机的一实施例的概略侧视图；
图5示出了可在本文范围内使用的VFD的一实施例的概略侧视图；
图6示出了可在本文范围内使用的、用于将压裂材料供给至地层的电泵系统的一实施例的示意图；
图7示出了可在本文范围内使用的、用于将压裂材料供给至地层的电泵系统的一实施例的示意图；
图8示出了可在本文范围内使用的、用于将压裂材料供给至地层的电泵系统的一实施例的示意图；
下面参考所列出的附图来描述一个或多个实施例。
具体实施方式
现在参考附图，其中在所有不同附图中使用相同的引用标记来表示相同的组件。
在详细描述本发明的选定实施例前，应当理解的是，本发明并不局限于本文所述的特定实施例。本文的公开和描述是对本发明一个或多个目前优选的实施例及其变形的说明以及解释，本领域技术人员将理解的是，可以对设计、组织、操作顺序、操作方式、设备结构和位置、方法以及机械等同物的使用进行各种变形，这并不违背本发明的精神。
同样，应当理解的是，这些附图旨在对本领域技术人员说明和清楚地公开本发明目前优选的实施例，而并不意为制造的同等附图或最终产品的演示，并且可包括对于更简单且更快的理解或解释本发明所需要的简化的概念性视图。同样，组件的相对尺寸和设置可与所示的不同，但是仍操作在如本申请全文所述的本发明精神范围内。
此外，应当理解的是，如“上”、“下”、“底”、“顶”、“左”、“右”等各种方向只针对于结合附图的解释产生，而例如在运输和制造以及作业期间，组件可以取向不同。因为可以在本文教导的一个或多个发明性概念范围内进行许多变化和不同的实施例，而且因为可以对本文所描述的实施例进行许多修改，所以应当理解的是，应当将本文的细节解释为说明性和非限制性。
图1示出了可用于在压力下将流体注射进井(10)的系统的实施例。例如，所示系统可通过将加压的压裂液供给进井(10)在井筒地层中形成裂缝来刺激(例如，烃类的)产量，加压的压裂液与支撑剂(例如，固体颗粒物)混合以保持和/或支撑该裂缝，同时允许烃类或其它流体从地层流进井筒并且朝表面流动。从概念上讲，图1将所示系统细分成用于将压裂液提供至井(10)的流体添加子系统(12)、用于将支撑剂提供进压裂液的支撑剂添加子系统(14)、用于提供电力至一个或多个系统组件的电源子系统(16)、用于将加压流体注射进井(10)的泵浦子系统(17)。应当理解到，图1中所示的组件数目、类型以及设置仅仅是一个示例性实施例，所示图解是概略的，旨在概念性描述本系统的一个实施例。因此，应当注意的是，可以使用任何数量、类型以及设置的相同或类似的组件，这并不脱离本文的范围。
所示的流体添加子系统(12)包括可用于容纳可用作压裂液(例如，用于将支撑剂运载至井(10)和/或在加压时在地层中形成裂缝)的一种或多种流体介质的多个罐(18A、18B、18C)和/或其它类型的容器。具体地，所示实施例包括可用于容纳液化丙烷或其它轻质烷烃(例如，具有1至6个碳原子)的罐(18A、18B、18C)；然而，应当理解的是，尽管本文的各种实施例可包括使用丙烷和/或其它烷烃作为压裂液，但是所示系统，包括支撑剂添加子系统(14)以及电源子系统(16)，可与任何类型的压裂液(例如，水)一起使用。
尽管已经在压裂液中使用凝胶液化石油气以将对地层的伤害降到最低，凝胶液化石油气通过使用惰性气体(例如，氮气)所施加的压力来驱动，如在美国专利8,408,289中所述，该专利通过引用并入本文中，但是在本文范围内可用的实施例包括使用不添加凝胶剂或其它化学添加剂的液化丙烷和/或其它烷烃。此外，为了降低或消除烃基压裂液的可燃性，在一实施例中，可以存在卤代烃。例如，1,1,1,2,3,3,3-七氟丙烷或由具有一种或多种卤素元素(例如，氟、溴等)的脂肪族或脂肪族衍生物(例如，醚和/或烯烃)组成的类似的卤代烃化合物可存在于压裂流体中，使得产生的流体为阻燃的或不可燃的。虽然可以使用任何量的卤代化合物，这并不脱离本文的范围，但是在仍然提供具有阻燃和/或不可燃性质的压裂液的同时，一部分压裂液可包括卤代化合物。此外，应当理解的是，七氟丙烷作为单独的示例性实例性引用；也可以使用氢氟烷、氢氟醚、以及其他类型的卤代化合物，这并不脱离本文的范围。值得注意的是，除了不可燃性外，使用卤代烃可提供附加的有益性质，部分由于卤代化合物相比非卤代化合物具有较高的流体密度以及较低的表面张力。
图1示出了作为具有垂直取向的大致圆柱形容器的罐(18A、18B、18C)。当与卧式罐相比时，使用立式罐来容纳丙烷和/或其它烷烃(和/或卤代烃)使得罐的内含物上方的重力和/或蒸汽压力能够帮助朝井(10)驱动内含物，从而需要更低能量和/或更低功率的泵浦设备，同时还使得罐能够包括更小量的未使用容积(例如，“罐底”)。立式罐还提供比卧式罐以及其它替代罐更小的占用空间。然而，应当理解的是，可以使用任何类型的可用于容纳压裂液的容器，这并不脱离本文的范围。在一实施例中，罐(18A、18B、18C)可包括多个出口，用于促进其中的流体以足以执行压裂或其它作业的速率流动。在进一步的实施例中，罐(18A、18B、18C)在大致垂直的取向上可以可便携/运输(例如，是橇装的(skid-mounted)或以其它方式促进运输的构造)。在其它实施例中，可以省略使用容纳压裂液的现场容器，并且可使用来自远程源的管道或类似的导管来连续或间歇地将压裂液供给至井(10)。
罐(18A、18B、18C)所示为与用于通过填补线(22)将丙烷和/或其它烷烃或烃类供给至罐(18A、18B、18C)的流体源(20)连通。还可使用通风管(24)，例如用于将压力从罐(18A、18B、18C)中释放和/或另外促进罐(18A、18B、18C)流进和流出。每个罐(18A、18B、18C)所示为与相关的泵(26A、26B、26C)(例如，增压泵)连通，这些泵可用于将压裂液从每个罐中抽出并且使流体经由导管(28)朝井(10)流动。次级流体增压泵(30)所示为用于进一步朝井(10)驱动流体通过导管的低压区(32)。尽管图1示出了每个罐(18A、18B、18C)具有与各自相关联的泵(26A、26B、26C)，并且次级增压泵(30)用于进一步驱动流体，但是应当理解的是，在各个实施例中，可以省略次级泵、可使用单个泵来从多个罐中抽出流体、可使用多个泵来从单个罐中抽出流体、或可以省略泵的使用。在一实施例中，重力、蒸汽压力、和/或使用外部源施加至罐(18A、18B、18C)和/或其内含物的压力可被用于替代泵来朝井(10)驱动压裂液。
所示的支撑剂添加子系统(14)包括与输送机(36)结合放置的多个添加剂储存容器(34A、34B、34C)(例如，筒仓或另一类型的罐和/或容器)，该输送机(36)可包括可用来将来自容器(34A、34B、34C)的支撑剂朝料斗(38)或类似类型的容器输送的一个或多个传送带、滑槽、滑板、管、其它类型的导管和/或传送装置。使用如筒仓等立式支撑剂储存容器可使得支撑剂的重力和/或重量能够朝输送机(36)和/或朝井(10)驱动来自容器的支撑剂，同时还减少由容器所呈现的占用空间。一种示例性的支撑剂储存容器可包括由得克萨斯州布雷迪市的Loadcraft Industries有限公司生产的模型424砂仓，其可包括相关运输拖车。除其它可能的替代方案外，容器(34A、34B、34C)内的支撑剂可包括任何形式的小的和/或微粒的固体物质，该固体物质可用来保持和/或支撑地层中的裂缝，如沙子、玻璃或陶珠、砂砾、或其它类似类型的材料和颗粒物质，如结晶材料(例如，锆石)和/或空心玻璃材料(例如，如那些由3M of St.Paul,Minnesota制作的玻璃泡/微球)。
尽管图1示出了与用于将支撑剂输送至料斗(38)或其它类型的第二容器的输送机(36)相关的三个支撑剂储存容器(34A、34B、34C)，但应当理解的是，在各个实施例中，可以使用单个料斗或容器，同时省去单独的储存容器以及输送机，或可以省略使用料斗或其它类型的次级容器，同时直接从储存容器将支撑剂朝井(10)输送。一般来说，料斗(38)用作将润滑源(40)中的润滑流体经由导管(44)以及润滑泵(42)提供至分发支撑剂的位置。可用的润滑流体可包括与储存在流体添加子系统的罐(18A、18B、18C)中的压裂相同或类似的压裂液、矿物油、或任何其它合适的润滑剂，该润滑剂一般不对系统组件造成伤害并且与罐(18A、18B、18C)中的压裂液及地层及井(10)中的储层流体兼容。可使用支撑剂泵(45)朝井(10)驱动支撑剂以及压裂液和/或浆化支撑剂以及压裂液。支撑剂与来自压裂液添加子系统(12)的压裂液的流体在导管的低压区(32)内的添加点(46)处混合，使得支撑剂流和压裂液的流动可混合和/或浆化支撑剂以及压裂液(例如，由于湍流和/或其它因素)，以实现所需的支撑剂浓度。形成具有大致恒定支撑剂浓度的支撑剂以及压裂液的浆液，使得仅通过改变支撑剂浆液的添加速度，就可以控制在添加点(46)处添加的支撑剂量。
应当理解的是，所示支撑剂添加子系统(14)仅仅是一个可通过该系统将支撑剂添加至压裂液流中的示例性实施例。在一实施例中，文丘里(venturi)喷嘴(47)可在添加点(46)处或附近(例如，其上游处)与压裂液的流动流连通，从而增大喷嘴(47)上游端部处的流体速度并且降低该处流体压力，使得较低压力的压裂液穿过和/或接近添加点(46)的流动可将支撑剂吸入流动流中。可将扩散器(49)设置在喷嘴(47)的下游。可使用弹性(例如，自调节的)喷嘴来促进喷嘴两端形成恒定压降，从而促进支撑剂速度/浓度的控制。使用文丘里喷嘴可进一步促进支撑剂和压裂液的混合和/或浆化。
当低压区(32)中的压裂液和支撑剂朝井(10)流动时，通过限定导管高压区(72)的一个或多个高压压裂泵(70A、70B、70C、70D)对该压裂液和支撑剂加压，使得供给进井(10)中的流体处于足以在地层中产生裂缝的压力。所示电源子系统(6)可用于提供动力至高压泵(70A、70B、70C、70D)和/或其它系统组件(如可用于使压裂液、支撑剂、以及润滑流体流动的泵(26A、26B、26C、30、42、45)、支撑剂输送机(36)、与系统组件和/或其它类似元件相关的一个或多个阀)。
图1说明了可以对高压泵(70A、70B、70C、70D)以及相关组件提供动力的两种方法；然而，应当理解的是，尽管所示电源子系统(16)包括同时和/或选择性使用两个电源，但是在其它实施例中可以使用单个的电源。此外，尽管所示使用电源子系统(16)对高压泵(70A、70B、70C、70D)供电，但是应理解的是，电源子系统(16)可以用于对所示系统的任何部分(例如，与流体子系统相关的增压泵、与支撑剂子系统相关的润滑以及浆液泵、支撑剂输送机、各个相关的阀门、以及与井(10)相关的其它流体系统(未示出))供电。具体地，电源子系统(16)所示为具有与发电机(54)连接的汽轮机(52)(例如，天然气汽轮机或可由其它能量形式产生机械输出的类似类型的装置)，以产生可经由电缆(56)或类似的导线传导至电源子系统(16)的其它组件的电力。可选地或额外地，可从外部源(例如，市政电网、电力线等)(60)获得动力。尽管典型的电源设置具有4160V的电压，但是在一实施例中，可使用高压线来将电力传输至系统。例如，图1示出了能够将高压(13800V或以上)传输至变压器(62)的电力线，变压器(62)可用于将导线(56)中的电压降低至4160V的典型电压或另一可用的电压。可使用发电机(54)产生的电能提供可用电压而无需变压器；然而，可以与发电机(54)关联使用变压器，这并不脱离本文的范围。
尽管可以使用任何数量以及类型的高压泵，但是图1示出了可用于对压裂液加压的四个高压泵(70A、70B、70C、70D)。第一以及第二高压泵(70A、70B)所示为位于第一运输车(48A)上，第一运输车(48A)可包括平板拖车、卡车、滑橇、或任何其它可运输平台或框架等。类似的，第三以及第四高压泵(70C、70D)所示为位于第二运输车(48B)上。
每一运输车(48A、48B)所示为其上具有变压器(64A、64B)。在车辆本身使用变压器使得各自的单条电源线能够从电源延伸至车辆(48A、48B)。相反地，使用远离其它系统组件的变压器将需要大量从变压器延伸至其它系统组件的电缆和/或其它导线。因此，变压器(64A、64B)靠近高压泵(70A、70B、70C、70D)以及其它相关的组件放置使得大量电缆/导线必须延伸穿过的距离最小化。尽管可用的电压可以变化而不脱离本发明的范围，但是在一实施例中，变压器(64A、64B)可适用于将电缆(58A、58B)中的电压从4160V降低至600V，以供与高压泵(70A、70B、70C、70D)相关的组件使用。具体地，图1示出了与第一变压器(64A)电连接的两个VFD(66A、66B)、以及与第二变压器(64B)电连接的两个VFD(66C、66D)。每一VFD(66A、66B、66C、66D)继而驱动各自相关的电机(66A、66B、66C、66D)。每一电机(66A、66B、66C、66D)再对各自的高压泵(70A、70B、70C、70D)提供动力。在一实施例中，电机可包括防爆电机，比如可用英国伍斯特郡的TEC电机公司的ATEX电机以及其它来源的电机。
为了减少电噪声/干扰，如在使用基于电网的电源时，变压器(64A、64B)可适用于将接收的电力转化至较大数量的连续电相位/脉冲。例如，变压器可接受三相电源并将其转换至九相十八脉冲电源，用于传输至连续的系统组件。
因此，所示的电源子系统(16)可用于减少或无需使用为高压压裂泵提供动力的传统柴油机。此外，在移动拖车或类似的可运输车辆(48A、48B)上使用模块化元件组，使得对每一组件供电所需的电缆以及其它导线的数量以及长度最小化，同时还有利于每一元件的安装。变压器(64A、64B)、VFD(66A、66B、66C、66D)、电机(68A、68B、68C、68D)以及高压泵(70A、70B、70C、70D)之间的所有连接一般是永久安装的，使得车辆(48A，48B)可位于操作现场的所需位置处，接着与单条电缆(58A、58B)接合，从而对每一组件供电。进一步地，使用模块化的、可移动的元件组减少了系统的占用空间，同时使得可以根据需要取决于作业现场其他物体的位置来灵活定位组件。在一实施例中，发电组件可远离如压裂液添加子系统(12)等其它系统组件放置，这降低了当在压裂液中使用可燃组件时起火的风险。
尽管图1示出了两辆可运输车(48A、48B)，在每一可运输车上，具有一个变压器、两个VFD、两个电机、以及两个高压泵，但是应当理解的是，可以使用任何数量的可运输车，并且更进一步地，每一可运输可包括单个高压泵或三个或三个以上的高压泵，这并不脱离本文的范围。此外，尽管图1示出了与两个VFD、两个电机、以及两个高压泵一起使用的单个变压器，但是可以使用任何数量的变压器，或在一实施例中，可以将合适的电压直接提供至电源子系统(16)的组件，这避免了在可运输车上使用变压器的需要。进一步地，尽管图1示出用于驱动单个电机的单个VFD，电机继而对单个高压泵提供动力，但是在各个实施例中，一个VFD可以驱动多个电机、多个VFD可用于驱动单个电机、单个电机可对多个高压泵供电、和/或多个电机可对单个高压泵提供动力。
将电源子系统(16)的组件彼此紧挨放置，例如在可运输车(48A、48B)上，可使得能够获得其它协同益处。例如，在一实施例中，来自用于冷却电机(68A、68B、68C、68D)和/或保持其正压力的一个或多个鼓风机的空气可被引导至相邻的高压泵(70A、70B、70C、70D)，例如通过将每一电机及其相关的高压泵放置在单个外壳中，和/或通过空气导管将每一电机的外壳连接至每一相关泵的外壳。来自鼓风机的空气因而可在作业期间消散/驱散靠近泵的任何丙烷或其它烷烃和/或其它可燃材料，从而防止可燃材料积累至可点燃的浓度。在一个实施例中，将电机连接至各自的高压泵的联轴器和/或轴可设置有翅片、叶片、和/或其它类似的凸部，使得该轴的旋转可使得靠近高压泵的空气流通，和/或通过增加旋转动力至该轴，来自电机的鼓风机空气可经由翅片/凸部促进该轴的旋转。
例如，图2A示出了一电动电机(72)的实施例，电动电机(72)具有与其相关的鼓风机(74)，通常可用于提供空气至电机的操作性和/或移动部件，例如以空气流道(76)表示方式用于冷却电机(72)。电机(72)的驱动轴(80)所示为从电机(72)延伸以接合相邻的泵(78)(例如，可在压裂作业中使用的高压泵)。随对电机(72)供电而产生的驱动轴(80)旋转和/或其它类型的移动可由此驱动泵(78)。空气导管(82)所示为在电机(72)和泵(78)之间延伸，使得来自鼓风机(76)的空气可以流经导管(82)至泵(72)(如由流道(84)所示)，该空气可用于使靠近该泵的气体消散。
图2B示出了替代的实施例，其中示出电机(72)、鼓风机74、泵(78)以及驱动轴(80)。在所示实施例中，将空气导管(86)周向设置在驱动轴(80)周围，使得移动穿过电机(72)(如流道(86)所示)的鼓风机(74)空气可穿过导管(86)(如流(88)所指示)，该空气可用于使靠近泵(78)的气体消散。
图2C示出了替代的实施例，其中示出容纳在单个外壳(96)内的电机(72)、鼓风机74、泵(78)以及驱动轴(80)。穿过电机72(如流道(76)示)的鼓风机(74)空气还可由此靠近泵(78)流动(如流道(86A、98B)所示)。
应当理解的是，尽管图2A-2C示出了与电机相关的鼓风机空气可靠近泵流通的三种可能方法，但是可以使用任何用于将空气输送至该泵的方法，这并不脱离本文的范围，并且图2A-2C中所示的任意特征可以单独使用或组合使用。
图3示出了一实施例，其中示出了电机(72)、鼓风机(74)、泵(78)以及驱动轴(80)，其中驱动轴(80)包括多个从该轴延伸的凸部(90A、90B)(例如，翅片、叶片等)。来自鼓风机(74)的空气可被设置用于冷却电机(72)，如流道(76)所示。如流道(100)所示，该空气然后可流动来接触一个或多个凸部(90A、90B)，从而输出动力至一个或多个凸部(90A、90B)，接着输出动力至驱动轴(80)，使得空气的流动可引起附加的驱动轴(80)旋转，如箭头(102A、102B)所示。尽管图3中只示出了两个凸部(90A、90B)，但是可以使用任意数量以及设置/结构的凸部，这并不脱离本文的范围。进一步地，应当理解的是，延伸自驱动轴的凸部可以单独使用或组合使用如图2A-2C中所示的任何特征。
图4示出了凸部(90A、90B)本身可用作空气移动设备的实施例。该图示出了电机(72)、鼓风机(74)、泵(78)以及驱动轴(80)，其中驱动轴(80)包括多个从该轴延伸的凸部(90A、90B)。驱动轴(80)的移动(例如由电机(72)输出，如箭头(92)所示)可由此引起凸部(90A、90B)的旋转，凸部(90A、90B)可被配置和/或取向以使靠近泵(78)的空气流通，如流道(94A、94B)所示。
图5示出了可在本文范围内使用的VFD实施例的概略侧视图。应当理解的是，尽管本文示出并且描述了VFD，但是在图5中所阐述的概念可与图1中所示的系统的任何元件一起使用。具体地，在作业期间，在VFD(104)和/或其它系统组件处或者靠近VFD(104)和/或其它系统组件处的空气可能会受到污染(例如，当使用丙烷或类似的组分作为压裂液时被挥发性气体所污染，或被其它流体/气体所污染，这取决于正在进行的作业)。污染空气(108)区域所示为靠近VFD(104)的顶部，而基本干净的空气(100)(例如，缺少比空气重的污染物)所示为位于污染空气(108)的上方。在使用期间，VFD(104)可能需要吸入空气(例如，用于冷却和/或其中的运行)，而不希望吸入丙烷、挥发性组分、和/或其它污染物。图5示出了延伸自VFD(104)和/或采用其它方式与VFD(104)接合的空气导管(106)(例如，“通气管”)，用于将干净空气(100)连通进VFD(104)，同时将VFD(104)与污染空气隔离。
在图6-8中，一个或多个电机/泵组件(X11)包括电动驱动器(X06)以及泵(X08)。
图6示出了可在本文范围内使用的、用于将压裂材料供给至地层的电泵系统(200)实施例的示意图。具体地，图6显示了单独的VFD(204)与多个的电机/泵组件(211)结合使用的实施例，电机/泵组件(211)被配置以高压操作。如在图6中所示，为了使压裂材料流进单个的高压歧管(214)，高压歧管(214)接着将压裂材料供给至地层(216)，可同时使用多个系统，其中单个VFD(204)与多个的电机/泵组件(211)连接。在图6中举例说明的电系统可对压裂系统具有特殊的益处，其中需要使高体积的压裂材料以低压流进地层。当电机/泵组件(211)以低压运行并且因此不需要大量的动力来驱动时，可使用单个VFD(204)来驱动多个低压下的电机/泵组件(211)，而不需要接近或超出其最大输出容量。可通过操作多个具有每一VFD(204)的电机/泵组件(211)，从而增加泵(208)的数量，并且因此增加压裂材料的体积，来实现此高速率低压系统，该压裂材料可在任何给定的时刻，通过系统(200)以低压来输送。
图7示出了可在本文范围内使用的、用于将压裂材料供给至地层的电泵系统(300)实施例的示意图。具体地，图7示出了一实施例，其中为了允许使压裂材料以高压流进地层(316)，可使用单个VFD(304)来驱动单个电机/泵组件(311)。对每个电机/泵组件(311)使用单个VFD(304)使得VFD(304)能够施加其输出容量的全部至单个电机/泵组件(311)，从而允许泵(308)以更高的压力运行，该压力比在VFD(304)被配置将其输出分摊至多个电机/泵组件(311)(如图6所示)的条件下所可能得到的压力高。
图8示出了可在本文范围内使用的、用于将压裂材料供给至地层的电泵系统(400)实施例的示意图。具体地，图8示出了与图7的实施例类似的实施例，其中使用单个VFD(404)来驱动单个的电机/泵组件(411)；然而，在图8中所示的实施例中，VFD(404)远离电机/泵组件(411)。图8中所示的实施例对于使用以高压条件进入地层的挥发性压裂材料的压裂项目来说是非常理想的，该挥发性压裂材料包括但不限于烃类。单个VFD(404)驱动单个的电机/泵(411)的结构实现改进的高压泵浦(如在附图7的描述中所述)。从泵(408)以及使用VFD(404)来驱动的电机(406)的物理近端移除VFD(404)组件实现附加的安全性，尤其是当被泵浦的材料是挥发性的、高压条件下的、或其某些组合。通过在VFD(404)和被操纵的挥发性和/或高压压裂材料之间设置物理间隔，降低了与潜在火源相关的风险。具体地，如果压裂材料为可燃的和/或易燃的(例如，液态丙烷或其它烃类)，从电机/泵组件(411)的近端移除VFD(404)降低了VFD(404)引起从电机/泵组件(411)中漏出的任何压裂材料的点燃和/或燃烧的风险。这在当以高压泵浦挥发性压裂材料时可能是特别重要的，因为当挥发性压裂材料从存在于压力系统中的高压转换至低的环境压力时，增加了压力系统的泄露以及压裂材料的雾化这两者的可能性。此结构还实现了成本的降低，原因在于VFD(404)远离可能与挥发性材料相互作用的区域，，假设其位于靠近在正在驱动的电机/泵组件的位置，VFD(404)本身将无需被设计来被保护免受可能潜在影响VFD(404)的火灾或爆炸。
尽管已经描述了本文范围内可用的各个实施例，但是应当理解的是，在所附权利要求书的范围内，本发明可以不同于本文具体描述的方式来实行。
Claims (17)
1.一种电力系统，用于以足够刺激地层的压力将压裂材料供给至地层，所述电力系统包括：
用于对所述压裂材料加压的泵；
与所述泵连接的电机，所述电机与所述泵一起定义为泵/电机组件，所述电机被配置用于提供机械能至该泵，从而驱动该泵；以及
与所述电机和电源连接的变频器，其中所述变频器从所述电源接收电力，并且其中所述变频器提供电信号至所述电机。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述变频器连接至单个的泵/电机组件。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述变频器连接至多个的泵/电机组件。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述变频器远离所述泵/电机组件的物理近端。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述压裂材料包括挥发性材料。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述压裂材料包括非挥发性材料。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述变频器位于泵/电机组件的物理近端。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述变频器位于泵/电机组件的物理近端。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述电机为防火电机。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述电机为防爆电机。
11.根据权利要求1所述的系统，进一步包括一移动平台，其中所述泵、电机、变频器、或其组件放置在所述移动平台上。
12.根据权利要求1所述的系统，进一步包括适用于能够使支撑剂添加至所述压裂材料的支撑剂添加子系统。
13.根据权利要求1所述的系统，进一步包括连接在所述电源和VFD之间的变压器，所述变压器被配置用于将从电源接收的电力由第一电压转换至第二电压，其中所述第二电压是在VFD可使用范围内的电压。
14.一种对以足够刺激地层的压力将压裂材料供给至地层的系统进行供电的方法，所述方法包括：
从电源接收电力并输入变频器中；
从变频器输出电信号；
将所述电信号输入到电动驱动器中；
通过使用所述电动驱动器将所述电信号转换成机械能；
将所述电动驱动器的机械能传输到泵中；
使用所述机械能来驱动泵，以为了对一定体积的所述压裂材料进行加压。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括在所述电力输进变频器之前，将电力从第一电压转换至第二电压。
16.根据权利要求15所述的方法，其中通过使用连接在所述电源和变频器之间的变压器来实现将所述电力从第一电压转换至第二电压。
17.根据权利要求14所述的方法，其中将至少一部分电信号输到多个电动驱动器中，并且其中所述多个电动驱动器中的每一个输出第二电信号至泵。
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