CN106103890B - 带有液压能传递系统的frac系统 - Google Patents

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Abstract

一种压裂系统(10)，其包括构造成交换第一流体和第二流体之间压力的液压能传递系统(12)。

Description

带有液压能传递系统的FRAC系统
相关申请的交互参照
本申请要求对以下专利申请的优先权益：2013年10月3日提交的美国临时专利申请No.61/886,638，其题为“Isobaric Pressure Exchanger Protection for HydraulicFracturing Fluid Pumps(用于水力压裂流体泵的等压交换器保护)”、2014年8月4日提交的美国临时专利申请No.62/033,080，其题为“Frac System with Hydraulic EnergyTransfer System(带有液压能传递系统的FRAC系统)”、2014年10月3日提交的美国非临时专利申请No.14/505,885，其题为“Frac System with Hydraulic Energy TransferSystem(带有液压能传递系统的FRAC系统)”，本文以参见方式引入它们的全部内容。
背景技术
本节旨在向读者引入有关本发明各个方面的现有技术的各个方面，本发明的描述和/或权利要求在下文中。可以相信本讨论有助于向读者提供背景技术的信息，以便于更好地理解本发明的各个方面。因此，应该理解到，这些陈述应是就此而论地阅读，并不是对现有技术的认可。
油气工业中井的完工操作通常引入水力压裂(通常被称作水力压裂法或水力压裂)以提高岩层中油和气的释放。水力压裂包括在高压下将含有水、化学物和支撑剂(例如，沙、陶瓷粒)组合物的流体(例如，压裂流体)泵送到井中。流体的高压增大碎裂的大小和碎裂通过岩层的传播，以便释放更多的油和气，同时支撑剂防止碎裂一旦流体减压时闭合起来。压裂操作使用高压泵来提高压裂流体的压力。遗憾的是，压裂流体中的支撑剂增加了高压泵的磨损和维护保养。
附图说明
若参照附图阅读以下的详细描述，则将会更好地理解本发明的各个特征、方面和优点，在全部的附图中，相同的附图标记代表相同的零件，附图中：
图1是带有液压能传递系统的水力压裂系统的实施例的示意图；
图2是液压涡轮增压器的实施例的示意图；
图3是往复式等压的压力交换器(往复式IPX)的实施例的示意图；
图4是往复式IPX的实施例的示意图；
图5是旋转式等压的压力交换器(旋转式IPX)的实施例的分解立体图；
图6是处于第一操作位置中的旋转式IPX的实施例的分解立体图；
图7是处于第二操作位置中的旋转式IPX的实施例的分解立体图；
图8是处于第三操作位置中的旋转式IPX的实施例的分解立体图；
图9是处于第四操作位置中的旋转式IPX的实施例的分解立体图；
图10是带有液压能传递系统的水力压裂系统的实施例的示意图；以及
图11是带有液压能传递系统的水力压裂系统的实施例的示意图。
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或多个特殊的实施例。这些描述的实施例仅是对本发明的示范。此外，为了试图对这些示范实施例提供简明的描述，在本说明书中可能不描述实际实施例的所有特征。应该认识到，在任何如此实际实施例的研发中，就如在任何工程或设计的项目中，必须作出许多有关实施的决策以达到研发者特殊的目标，诸如与系统相关的和商业有关的各种约束的一致性，它们可因实施方式不同而变化。此外，应该认识到，如此研发的努力可能是复杂的和费时的，但对于获益于本发明的本技术领域内技术人员来说，不管怎样总是从事设计、加工和制造的例行程序。
如下文中详细讨论的，压裂系统或水力压裂系统包括液压能传递系统，该系统在第一流体(例如，压力交换流体，诸如基本上没有支撑剂的流体)和第二流体(例如，压裂流体，诸如载有支撑剂的流体)之间传输功和/或压力。例如，第一流体可以处在大约5000kPa至25000kPa、20000kPa至50000kPa、40000kPa至75000kPa、75000kPa至100000kPa之间的第一压力，或可以大于第二流体的第二压力。在操作中，液压能传递系统可以完全平衡也可以不完全平衡第一流体和第二流体之间的压力。因此，液压能传递系统可以等压地或基本等压地操作(例如，其中，第一和第二流体的压力平衡在相互之间的大约±1、2、3、4、5、6、7、8、9或10％)。
液压能传递系统也可被描述为液压保护系统、液压缓冲系统或液压隔离系统，因为它堵塞或限制压裂流体和各种水力压裂设备(例如，高压泵)之间的接触，同时仍然交换第一和第二流体之间的功和/或压力。通过堵塞或限制各个水力压裂设备和第二流体(例如，含有支撑剂的流体)之间的接触，液压能传递系统便减小了磨削/磨损，因此提高了该设备(例如，高压泵)的寿命/性能。此外，能使压裂系统使用水力压裂系统中的便宜的设备，例如，不是设计用于磨削流体(例如，压裂流体和/或腐蚀流体)的高压泵。在某些实施例中，液压能传递系统可以是液压涡轮增压器、旋转式等压的压力交换器(例如，旋转式IPX)或非旋转式等压的压力交换器(例如，囊状物、往复式等压的压力交换器)。旋转式和非旋转式等压的压力交换器一般地可以定义为这样的装置，其传输高压入口流体流和低压入口流体流之间的流体压力，其效率大致超过50％、60％、70％、80％或90％，而不使用离心技术。
如上所解释的，液压能传递系统传输第一和第二流体之间的功和/或压力。这些流体可以是多相流体，诸如气体/液体流、气体/固体颗粒流、液体/固体颗粒流、气体/液体/固体颗粒流或任何其他的多相流。此外，这些流体可以是非牛顿流体(例如，剪切变薄流体)、高粘度流体、含有支撑剂的非牛顿流体，或含有支撑剂的高粘度流体。支撑剂可包括沙、固体颗粒、粉末、碎粒、陶瓷粒或它们的任何组合。
图1是带有液压能传递系统12的FRAC系统10(例如，流体处理系统)的实施例的示意图。在操作中，FRAC系统10能进行井完工操作以提高岩层中油和气的释放。FRAC系统10可包括偶联到液压能传递系统12的一个或多个第一流体泵18和一个或多个第二流体泵20。例如，液压能传递系统12可包括液压涡轮增压器、旋转式IPX、往复式IPX，或它们的任何组合。此外，液压能传递系统12可设置在与FRAC系统10其他部件分离的滑板上，在将液压能传递系统12添加到现有FRAC系统10的情形中，这样做是理想的。在操作中，液压能传递系统12传输压力，而在由第一流体泵18泵送的第一流体(例如，无支撑剂的流体)和由第二流体泵20泵送的第二流体(例如，含有支撑剂的流体或FRAC流体)之间，没有任何很大的混合。这样，液压能传递系统12阻止或限制第一流体泵18(例如，高压泵)上的磨损，同时，能使FRAC系统10将高压压裂流体泵送到井14中，以释放油和气。此外，因为液压能传递系统12被构造成暴露于第一和第二流体中，所以，液压能传递系统12可由在第一和第二流体中抗腐蚀和磨削的材料制成。例如，液压能传递系统12可由如下材料制成：金属基质内(例如，Co，Cr或Ni，或它们的任何组合)的陶瓷(例如，氧化铝、金属陶瓷，诸如碳化物、氧化物、氮化物或硼化物硬质态)，诸如CoCr、Ni、NiCr或Co之类的基质中的碳化钨。
图2是液压涡轮增压器40的实施例的示意图。如上所解释的，FRAC系统10可使用液压涡轮增压器40作为液压能传递系统12。在操作中，液压涡轮增压器40能在第一流体(例如，无支撑剂或基本上无支撑剂的高压流体)和第二流体(例如，含有支撑剂的流体)之间传输功和/或压力，同时，阻塞或限制第一和第二流体之间的接触(和由此的混合)。如图所示，第一流体通过第一入口44进入液压涡轮增压器40的第一侧42，而第二流体(例如，低压压裂流体)可通过第二入口48在第二侧46上进入液压涡轮增压器40。当第一流体进入液压涡轮增压器40时，第一流体接触第一叶轮50，其将能量从第一流体传输到第一叶轮；这驱动第一叶轮50围绕轴52的转动。第一叶轮50的转动能然后通过轴54传输到第二叶轮56。在将能量传输到第一叶轮50之后，第一流体作为低压流体通过第一出口58而退出液压涡轮增压器40。第二叶轮56的转动然后增大通过入口48进入液压涡轮增压器40的第二流体的压力。一旦加压后，第二流体作为高压压裂流体能够水力地压裂井14而退出液压涡轮增压器40。
为了阻塞第一和第二流体之间的接触，液压涡轮增压器40包括介于第一和第二侧42、46之间的壁62。该壁62包括孔64，其能够使轴58(例如，圆柱形轴)延伸在第一和第二叶轮50和56之间，但阻塞流体的流动。在某些实施例中，液压涡轮增压器40可包括垫片/密封件66(例如，环形密封件)，其可进一步减小或阻塞第一和第二流体之间的流体交换。
图3是往复式等压的压力交换器90(往复式IPX)的示意图。往复式IPX90可包括第一和第二压力容器92、94，它们使用阀门96交替地将压力从第一流体(例如，无支撑剂的高压流体)传输到第二流体(例如，含有支撑剂的流体，压裂流体)。在其他的实施例中，可存在有附加的压力容器(例如，2、4、6、8、10、20、30、40、50个或更多)。如图所示，阀门96包括第一活塞98、第二活塞100和轴102，轴102将第一活塞98偶联到第二活塞100和驱动器104(例如，电动机、液压马达、燃烧马达等)。驱动器104沿交替的轴向方向106和108驱动阀门96，以控制通过高压入口110进入的第一流体的流动。例如，在第一位置时，阀门96使用第一和第二活塞98和100，将高压的第一流体引导到第一压力容器92内，同时，阻塞高压的第一流体通过低压出口112和114流入第二压力容器94内或流出阀门96外。当高压的第一流体进入第一压力容器92时，第一流体沿轴向方向118驱动压力容器活塞116，这增加第一压力容器92内第二流体的压力。一旦第二流体达到合适的压力，高压止回阀120打开，能使高压第二流体通过用于压裂操作的高压出口122退出往复式IPX90。当第一压力容器92排放时，往复式IPX90准备第二压力容器94以加压第二流体。如图所示，低压的第二流体通过偶联到低压第二流体入口126的低压止回阀124进入第二压力容器94。当第二流体填满第二压力容器94时，第二流体沿轴向方向130驱动压力容器活塞128，迫使低压的第一流体通过低压出口114流出第二压力容器94和流出阀门96外，准备第二压力容器94接纳高压的第一流体。
图4是带有第二压力容器94和第一压力容器92的往复式IPX90的示意图，第二压力容器94用来排放高压的第二流体，而第一压力容器92用来填充低压的第二流体。如图所示，阀门96处于第二位置中。在该第二位置中，阀门96引导高压的第一流体流入第二压力容器94内，同时阻塞高压的第一流体流入第一压力容器92内，或通过低压出口112和114流出阀门96的流动。当高压的第一流体进入第二压力容器94时，第一流体沿轴向方向118驱动压力容器活塞128，以增大第二压力容器94内第二流体的压力。一旦第二流体达到合适的压力，高压止回阀132打开，能使高压第二流体通过用于压裂操作的高压出口134退出往复式IPX90。当第二压力容器94排放时，第一压力容器92填充以流过偶联到低压第二流体入口138的低压止回阀136的第二流体。当第二流体填满第一压力容器92时，第二流体沿轴向方向130驱动压力容器活塞116，迫使低压的第一流体通过低压出口112流出第一压力容器92和流出低压出口112。这样，往复式IPX90使用第一压力容器92和第二压力容器94，交替地将压力从第一流体(例如，无支撑剂的高压流体)传输到第二流体(例如，含有支撑剂的流体，压裂流体)。此外，因为压力容器活塞116和128分离开第一和第二流体，所以，往复式IPX90能够保护压裂系统设备(例如，流体地偶联到高压入口110的高压流体泵)免于接触第二流体(例如，含有腐蚀剂和/或支撑剂的流体)。
图5是旋转式等压的压力交换器160(旋转式IPX)的实施例的分解立体图，该旋转式等压的压力交换器160能够在带有最小流体混合的第一和第二流体(例如，无支撑剂的流体和加载有支撑剂的流体)之间传递压力和/或功。旋转式IPX160可包括大致圆柱形的本体部分162，该本体部分包括套筒164和转子166。旋转式IPX160还可包括两个端帽168和170，它们分别包括集管172和174。集管172包括相应的入口和出口端口176和178，而集管174包括相应的入口和出口端口180和182。在操作中，这些入口端口176、180能使第一流体(例如，无支撑剂的流体)进入旋转式IPX160以交换压力，同时，出口端口180、182能使第一流体然后退出旋转式IPX160。在操作中，入口端口176可接纳高压的第一流体，在交换压力之后，可使用出口端口178来引导低压的第一流体流出旋转式IPX160之外。同样地，入口端口180可接纳低压的第二流体(例如，含有支撑剂的流体，压裂流体)，而出口端口182可用来引导高压的第二流体流出旋转式IPX160之外。端帽168和170包括相应的端盖184和186，它们设置在相应的集管172和174内，端盖能使流体与转子166密封地接触。转子166可以是圆柱形的并设置在套筒164内，这能使转子166围绕轴线188转动。转子166可具有多个通道190，它们基本上纵向地延伸通过转子166，在各个端部处开口192和194围绕纵向轴线188对称地布置。转子166的开口192和194布置成与入口和出口孔196和198保持水力连通；而端盖172和174内的开口200和202处于如此的方式中：在转动过程中，通道190暴露于高压的流体和低压的流体前。如图所示，入口和出口孔196和198以及78和80可设计成圆弧或圆形段的形式(例如，C形状)。
在某些实施例中，使用传感器反馈的控制器可控制旋转式IPX160内第一流体和第二流体之间的混合程度，这可用来提高流体操作系统的可操作性。例如，改变进入旋转式IPX160的第一和第二流体的比例，可让装置的操作者控制液压能传递系统12内流体混合量。影响混合的旋转式IPX160的三个特征是：(1)转子通道190的纵横比，(2)第一和第二流体之间短的暴露的时长，(3)转子通道190内第一和第二流体之间建立起流体屏障(例如，交界面)。首先，转子通道190通常长而狭窄，这稳定了旋转式IPX160内的流动。此外，第一和第二流体可在堵塞流动的区域内以非常小的轴向混合方式移动通过通道190。其次，在某些实施例中，转子166的速度可减小第一和第二流体之间的接触。例如，转子166的速度可减小第一和第二流体之间的接触时间，小于大致0.15秒、0.10秒或0.05秒。第三，使用小部分的转子通道190来交换第一和第二流体之间的压力。因此，由于第一和第二流体之间存在着屏障，一定体积的流体保持在通道190内。所有这些机构可限制旋转式IPX160内的混合。此外，在某些实施例中，旋转式IPX160可设计成用内部活塞进行操作，该内部活塞隔离第一和第二流体，同时能使压力传递。
图6-9是旋转式IPX160实施例的分解立体图，示出当通道190转动通过完全一周时，转子166内单个通道190的位置顺序。应该指出的是，图6-9是旋转式IPX160的简化图，显示了一个通道190，该通道190显示为具有圆形的横截面。在其他的实施例中，旋转式IPX160可包括多个通道190，它们可具有相同的或不同的横截面形状(圆形、椭圆形、方形、矩形、多边形等)。因此，图6-9为了图示的目的作了简化，旋转式IPX160的其他实施例可具有不同于图6-9所示构造的结构。如下文中详细描述的，通过让第一和第二流体能够在转子166内瞬间彼此接触，旋转式IPX160便于在第一和第二流体(例如，无支撑剂的流体和加载支撑剂的流体)之间进行压力交换。在某些实施例中，该交换发生在某些速度之下，这些速度导致第一和第二流体的有限制的混合。
在图6中，通道开口192处于第一位置中。在该第一位置中，通道开口192与端板184内的孔198并因此与集管172流体地连通，同时，相对的通道开口194与端盖186内的孔202水力地连通，并延伸到集管174。正如下文中要讨论的，转子166可沿如箭头204所示的顺时针方向转动。在操作中，低压的第二流体206通过端盖186并进入通道190，那里，第二流体在动态流体交界面210处与第一流体208接触。第二流体206然后驱动第一流体208流出通道190外，流过端盖184并流出旋转式IPX160之外。然而，因为短的接触时长，在第二流体206和第一流体208之间存在着最小的混合。
在图7中，通道190顺时针转过大约90度的圆弧。在该位置中，出口194不再与端盖186的孔200和202流体地连通，开口192不再与端盖184的孔196和198流体地连通。因此，低压的第二流体206暂时容纳在通道190内。
在图8中，通道190从图6所示的位置转过大约180度的圆弧。开口194现与端盖186内的孔200流体地连通，而通道190的开口192现与端盖184的孔196流体地连通。在位置中，高压的第一流体208进入并加压低压的第二流体206，驱动第二流体206流出流体通道190之外并流过用于压裂系统10的孔200。
在图9中，通道190从图6所示的位置转过大约270度的圆弧。在该位置中，出口194不再与端盖186的孔200和202流体地连通，开口192不再与端盖184的孔196和198流体地连通。因此，第一流体208不再被加压，并暂时容纳在通道190内，直到转子166转过另一90度，再次重新开始循环。
图10是压裂系统10的实施例的示意图，其中，液压能传递系统12可以是液压涡轮增压器40、往复式IPX90或它们的组合。如以上所解释的，液压涡轮增压器40或往复式IPX90保护水力压裂设备(例如，高压泵)，同时，在压裂操作过程中，能使高压压裂流体被泵送到井14内。如图所示，压裂系统10包括一个或多个第一流体泵18和一个或多个第二流体泵20。第一流体泵18可包括低压泵234和高压泵236，而第二流体泵20可包括低压泵238。在某些实施例中，压裂系统10可包括附加的第一流体泵18(例如，附加的低压、中压和/或高压泵)和第二流体泵20(例如，低压泵)。在操作中，第一流体泵18和第二流体泵20将相应的第一和第二流体(例如，无支撑剂的流体和加载有支撑剂的流体)泵送到液压能传递系统12内，那里，流体进行功和压力交换。如上文所解释的，液压涡轮增压器40和往复式IPX90交换功和压力，而不混合第一和第二流体。其结果，液压涡轮增压器40和往复式IPX90高压泵236保护第一流体泵18避免暴露于第二流体(例如，含有支撑剂的流体)中。话句话说，第二流体泵18不经受由支撑剂(例如，固体颗粒)造成的增加的磨削和/或磨损。
如图所示，第一流体低压泵234流体地偶联到第一流体高压泵236。在操作中，第一流体低压泵234接纳第一流体(例如，无支撑剂的流体，基本上无支撑剂的流体)，并增大第一流体的压力，以备第一流体高压泵236使用。第一流体可以是来自于水箱244的水和来自于化学品储箱246的化学品的组合。然而，在某些实施例中，第一流体可以仅是水或基本上是水(例如，50％、60％、70％、80％、90％、95％或更多百分比的水)。第一流体高压泵236然后泵送第一流体通过高压入口240和泵入液压能传递系统12内。第一流体的压力然后传输到第二流体(例如，加载有支撑剂的流体，压裂流体)，第二流体通过第二流体低压入口242进入液压能传递系统12。第二流体是含有来自支撑剂储箱248的支撑剂(例如，沙、陶瓷粒等)的压裂流体。在交换压力之后，第二流体通过高压出口250退出液压能传递系统12并进入井14，同时，第一流体通过低压出口252以减小的压力退出。在某些实施例中，压裂系统10可包括增压泵254，其在进入井14之前进一步提升第二流体的压力。
在以低压退出出口252之后，第一流体可通过第一流体泵18再循环，和/或通过混合箱256。例如，三通阀258可控制是全部第一流体还是部分第一流体再循环通过第一流体泵18，或控制是否引导全部或部分第一流体通过混合箱256而形成第二流体。如果第一流体被引导到混合箱256，则混合箱256组合了带有来自支撑剂储箱248的支撑剂的第一流体以形成第二流体(例如，压裂流体)。在某些实施例中，混合箱256可接纳直接来自水箱244和化学品箱246的水和化学品，以补充或替换通过液压能传递系统12的第一流体。混合箱256然后可组合这些带有来自支撑剂箱248的支撑剂的流体，以形成第二流体(例如，压裂流体)。
为了控制第一和第二流体的组分(例如，化学品、水和支撑剂的百分比)和流动，压裂系统10可包括控制器260。例如，控制器260可将第一和第二流体的流动、组分和压力保持在阈值范围内、阈值水平之上和/或阈值水平之下。控制器260可包括一个或多个处理器262和从传感器266和268中接纳反馈的存储器264；以及流动计量器270和272，以便控制流入液压能传递系统12内的第一和第二流体的组分和流动。例如，控制器260可接纳来自传感器266的表明第二流体的化学组分不正确的反馈。在响应之下，控制器260可打开或关闭阀门274或276，以改变进入第一流体或直接进入混合箱256的化学品量。在其他的情形中，控制器260可接纳来自第一流体流动路径内的流动计量器272的信号，其指明增加第一流体流率的需求。因此，控制器260可打开阀门278和阀门274以增大通过压裂系统10的水和化学品的流量。控制器260还可用液位传感器268(例如，液位控制)来监控混合箱256内第二流体的组分(例如，支撑剂、水等的百分比)。如果该组分不正确，则控制器260可打开和关闭阀门258、274、276、278、280和282，以增大或减小流入混合箱256内的水、化学品和/或支撑剂的流量。在某些实施例中，压裂系统10可包括偶联到第二流体的流体流动路径的流量计量器270。在操作中，控制器260用流量计量器270监控流入液压能传递系统12内的第二流体的流率。如果第二流体的流量太高或太低，则控制器260可打开和关闭阀门258、274、276、278、280和282，和/或控制第二流体泵20来提高或降低第二流体的流率。
图11是压裂系统10的实施例的示意图，其中，液压能传递系统12是旋转式IPX160。如图所示，压裂系统10包括一个或多个第一流体泵18和一个或多个第二流体泵20。第一流体泵18可包括一个或多个低压泵234和一个或多个高压泵236，而第二流体泵20可包括一个或多个低压泵238。例如，某些实施例可包括多个低压泵234和238，以补偿流体管线(例如，管道、软管)中的压力损失。在操作中，旋转式IPX160能使第一和第二流体(例如，无支撑剂的流体和加载有支撑剂的流体)交换功和压力，同时减小或堵塞第二流体(例如，加载有支撑剂的流体，压裂流体)和第一流体泵18之间的接触。因此，压裂系统10能够以高压将第二流体泵送到井14内，同时减小由第一流体泵18(例如，高压泵236)上的支撑剂(例如，固体颗粒)造成的磨损。
在操作中，第一流体低压泵234接纳第一流体(无支撑剂的流体和基本上无支撑剂的流体)，并增大被第一流体高压泵236使用的第一流体的压力。第一流体可以是来自水箱244的水，或是来自水箱244的水和来自化学品箱246的化学品的组合。第一流体高压泵236然后泵送第一流体通过高压入口240和流入旋转式IPX160。第一流体的压力然后被传输到第二流体(例如，诸如压裂流体的含有支撑剂的流体)，第二流体通过第二流体低压入口242进入旋转式IPX160。在交换压力之后，第二流体通过高压出口250退出旋转式IPX160并进入井14，同时，第一流体通过低压出口252以降低的压力退出。在某些实施例中，压裂系统10可包括增压泵254，其进一步提升第二流体的压力。
当第一和第二流体在旋转式IPX160内交换压力时，某些第二流体(例如，泄漏的流体)可与第一流体组合并通过旋转式IPX160的低压出口252退出旋转式IPX160。换句话说，退出低压出口252的流体可以是第一流体加上没有通过高压出口250退出旋转式IPX160的某些第二流体的组合。为了保护第一流体泵18，压裂系统10可将大部分组合的流体(即，第一和第二流体的混合物)引导到混合箱256，那里，通过添加更多支撑剂和化学品，将组合的流体转换为第二流体。不需要在混合箱256内的任何过多组合的流体可被送到分离器300(例如，分离器箱、水力旋流器)，那里除去支撑剂，将组合流体转换成第一流体。基本上无支撑剂的第一流体然后可退出分离器300，以便通过第一流体泵18进行再循环。其余组合的流体然后可退出分离器箱300以用于混合箱256内。引导大部分组合的流体退出旋转式IPX160而流入混合箱256内的能力，能使压裂系统10使用较小的分离器300，同时降低压裂系统10内的热应力。例如，当高压泵236加压第一流体时，该加压便加热了第一流体。通过送大部分先前加压的第一流体通过混合箱256并然后流入井14内，压裂系统10便降低了第一流体泵18、旋转式IPX160和压裂系统10其他部件上的热应力。此外，较小的分离器可减少压裂系统10的成本、维护和占地面积。
在混合箱内，水256、化学品和支撑剂以适当的百分比/比例组合而形成第二流体(例如，压裂流体)。如图所示，混合箱256通过低压出口252、分离器300和水箱244偶联到支撑剂箱248、化学品箱246、旋转式IPX160。因此，混合箱256可接纳来自各种源头的流体和支撑剂，能使混合箱256形成第二流体。例如，在通过低压出口252退出旋转式IPX160的组合流体不足以形成第二流体的合适混合物的情况下，压裂系统10可打开阀门302，能使来自水箱244的水补充退出旋转式IPX160的组合的流体。为了堵塞来自水箱244的流体流入分离器300内的流动，压裂系统10可包括止回阀303。在获得合适的百分比/比例以形成第二流体(例如，压裂流体)之后，第二流体退出混合箱256并进入第二流体泵20。第二流体泵20然后将第二流体(例如，加载有支撑剂的流体，压裂流体)泵送到旋转式IPX160内。在旋转式IPX160中，第一流体接触并增大驱动第二流体流出旋转式IPX160外和流入井14内的第二流体的压力。
为了控制第一和第二流体的组分(例如，化学品、水和支撑剂的百分比)和流动，压裂系统10可包括控制器260。例如，控制器260可将第一和第二流体的流动、组分和压力保持在阈值范围内、阈值水平之上和/或阈值水平之下。控制器260可包括一个或多个处理器262和从传感器266和268中接收反馈的存储器264；以及流动计量器270和272，以便控制流入旋转式IPX160内的第一和第二流体的组分和流动。例如，控制器260可接收来自传感器266的表明第二流体的化学组分不正确的反馈。在响应之下，控制器260可打开或关闭阀门274，以改变进入混合箱256的化学品量。在其他的实施例中，控制器260还可用液位传感器268(例如，液位控制)来监控混合箱256内第二流体中的支撑剂、水等的百分比。如果该组分不正确，则控制器260可打开和关闭阀门274、282和302，以增大或减小流入混合箱256内的水、化学品和/或支撑剂的流量。在其他的情形中，控制器260可接收来自流动计量器272的指示第一流体流率太高或太低的信号。控制器260然后可增大或减小低压泵234的速度，以改变第一流体的流率。压裂系统10还可用流量计270来监控第二流体的流率。如果第二流体的流率太高或太低，则控制器260可操纵阀门302和304；和/或提高或降低第二流体泵20的速度。在某些实施例中，控制器260还可监控传感器306(例如，振动、光学、磁性等)，传感器306探测旋转式IPX160是否不再转动(例如，停转)。如果旋转式IPX160停转，则控制器260可打开旁路阀308并关闭阀304、310和312，以堵塞流体从低压出口252到混合箱256的流动，以及堵塞第一流体通过第一流体泵18的流动。控制器260然后可打开阀302，以将水直接泵送到混合箱256内而形成第二流体。第二流体低压泵238然后将泵送第二流体通过旋转式IPX160和旁路阀308,送到第一流体泵18。第一流体泵18然后将增大驱动第二流体通过旋转式IPX160流入用于压裂的井14内的第二流体的压力。这样，如果旋转式IPX160停转，则图8的压裂系统10能够继续进行压裂操作。
尽管本发明可易于作出各种修改和替代形式，但借助于附图中的实例已经示出了具体的实施例，并在文中已经作了详细描述。然而，应该理解到，本发明并不意图局限于所披露的特殊形式。相反，本发明意欲涵盖落入由附后权利要求书定义的本发明精神和范围之内的所有修改、等价物和替代物。

Claims (5)

1.一种压裂系统，包括：
旋转式等压的压力交换器，所述旋转式等压的压力交换器构造成交换第一流体和第二流体之间的压力，其中所述第一流体是基本上无支撑剂的流体，而所述第二流体是加载有支撑剂的流体，所述旋转式等压的压力交换器构造成在压裂操作期间连续地向井提供加压的第二流体；
高压泵，所述高压泵构造成向所述旋转式等压的压力交换器的高压入口提供所述第一流体；
低压泵，所述低压泵构造成向所述旋转式等压的压力交换器的低压入口提供所述第二流体；以及
流动路径，所述流动路径联接到所述旋转式等压的压力交换器的低压出口和沿所述流动路径设置的分离器箱，其中所述分离器箱构造成从所述旋转式等压的压力交换器的所述低压出口排出的结合有部分第二流体的所述第一流体移除支撑剂，且所述流动路径构造成将穿过所述分离器箱之后的所述第一流体提供到所述高压泵。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压裂系统包括控制器，所述控制器控制所述第一流体和第二流体流入所述旋转式等压的压力交换器内的流动。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制器与流动计量器连通，以控制所述第一流体和所述第二流体流入所述旋转式等压的压力交换器内的流动。
4.一种压裂系统，包括：
高压泵，所述高压泵构造成泵送基本上无支撑剂的第一流体；
低压泵，所述低压泵构造成泵送含有支撑剂的第二流体；以及
旋转式等压的压力交换器，所述旋转式等压的压力交换器构造成堵塞流过所述高压泵的第二流体的流动，同时交换所述第一流体和所述第二流体之间的压力；以及
旁路阀，所述旁路阀在打开位置时构造成将通过所述高压泵的所述第二流体改向，且在关闭位置时构造成堵塞所述第二流体流过所述高压泵。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述压裂系统包括控制器，所述控制器控制所述第一流体和所述第二流体流入所述旋转式等压的压力交换器内的流量。
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