CN109277009A - 用于产生均质油田凝胶的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于产生均质油田凝胶的系统包括电源单元、控制系统、给水箱、料斗和管道组件，其包括用于填充给水箱并且操控油田凝胶的排放的入口和出口歧管、离心泵和计量装置。该系统还包括粉末水合元件和液体化学设备。用于产生均质油田凝胶的方法包括瓜尔粉末过程，其中包括用于启动和停止水合单元中的文氏管混合器的可控序列。用于产生均质油田凝胶的方法还包括液化凝胶浓缩物过程，其中包括用于混合液化凝胶浓缩物的计量和化学注入过程。

Description

用于产生均质油田凝胶的系统和方法
本申请是申请日为2012年12月05日、申请号为201280068582.6、名称为“用于产生均质油田凝胶的系统和方法”的发明申请的分案。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年12月5日在美国专利商标局提交的美国临时专利申请No.61/566958的优先权。
与联邦资助研发有关的声明
本申请不是任何联邦资助研发的主题。
联合研发协议方的名称
没有与任何第三方的联合研发协议。
技术领域
本发明的实施例涉及用于从传统液化凝胶浓缩物(LGC)和瓜尔胶粉末来产生高质量均质油田凝胶的系统和方法。
背景技术
用于生成油田凝胶的现有技术系统因水合瓜尔胶粉末的困难而一般依靠LGC，其中如果粉末的各微粒没有彻底湿润，则不希望的结块(“凝胶球”)能够在混合物中形成，从而降低总产量，并且要求高能量、高剪切处理，其通常是不成功的。
存在使用干瓜尔粉末的若干优点，包括成本、环境和运输有益效果。先前通过在基于石油的产品中悬浮瓜尔(或另一种聚合物)，使得它们可被抽吸并且与水混合，来处理LCG。由于起源于压裂流体的使用和处置的环境问题，采用天然矿物油来替代石油产品。但是，这些天然矿物油是短缺、高成本的，并且用于悬浮的任何流体对需要输送到站点的总材料增加相当大的重量。干瓜尔粉末不要求用于悬浮的任何东西，因此它不太昂贵、较小重量并且更易于运输。
存在对干粉末操控和水合系统的需要，其“即时”产生功能油田凝胶，而没有再循环、结块或者损坏高剪切过程。
发明内容
本发明的实施例包括用于产生油田凝胶的、其中包括电源单元的系统，电源单元包括发动机、泵以及用于提供液压动力的所有必要辅助元件。用于产生油田凝胶的系统还包括控制系统、其中包含多个腔室的给水箱以及料斗。用于产生油田凝胶的系统还包括管道组件，其包括用于填充给水箱并且操控油田凝胶的排放的入口和出口歧管、离心泵和计量装置。此外，用于产生油田凝胶的系统包括具有文氏管混合系统的粉末水合元件以及液体化学设备。
本发明的另一个实施例针对一种用于产生油田凝胶的方法，包括：使用搅拌料斗和计量分配器来计量干瓜尔粉末；向拣选漏斗分配已知容积的瓜尔粉末；使用水合箱来水合瓜尔粉末，其中水合箱包括淡水容器；由第一离心泵把来自池中的水提供到第一腔室中；由第二离心泵将水输送给喷射装置(eductor device)，从而经由喷射装置创建真空以迫使足够的水经过系统；闭合真空断流阀，从而创建粉末传送管线中的真空；由分配器将粉末输送给拣选漏斗；水合粉末，从而创建凝胶；以及将凝胶排放到水合箱的第二腔室中。
本发明的实施例还包括水合单元，其中包括搅拌料斗、计量分配器、水合箱、喷射装置、至少一个离心泵、压力计或传感器、真空断流阀、粉末传送管线、拣选漏斗、至少一个腔室和集成水槽。
附图说明
在附图中公开本发明的实施例的优选特征，其中相似参考标号在若干视图中通篇表示相似元件，并且附图包括：
图1是按照本发明的一实施例、用于产生油田凝胶的设备的侧视图；
图2是按照本发明的一实施例、用于产生油田凝胶的系统的流动路径图；
图3是按照本发明的一实施例、用于产生油田凝胶的系统的透视图；以及
图4是按照本发明的一实施例、用于产生油田凝胶的系统的截面中的料斗的双层底板的侧视图。
具体实施方式
下面将参照附图更全面地描述本发明的实施例，附图中示出本发明的优选实施例。不过，本发明可通过许多不同形式来实施，而不应当被理解为局限于本文所述的所示实施例。相反，提供这些所示实施例，使得本公开将是全面和完整的，并且将使本领域的技术人员了解本发明的范围。
在以下描述中，相似参考标号在附图中通篇表示相似或对应部件。另外，在以下描述中，要理解，诸如“顶部”、“底部”、“上”、“下”、“第一”、“第二”等术语是便捷用语，而不是要被理解为限制术语。
本申请由此还通过引用结合下列现有技术美国专利和已发表专利申请，其包括与如本文所述的本发明的实施例的方面相关的主题：美国专利No.7048432(“Method andApparatus for Hydrating a Gel for Use in Subterranean Formation”；公布日期为2006年5月23日)；美国专利No.7794135(“Dry Polymer Hydration Apparatus andMethods of Use”，公布日期为2010年9月14日)；美国专利申请公开No.2008/0264641(“Blending Fracturing Gel”)；美国专利申请公开No.2004/0008571(“Apparatus andMethod for Accelerating Hydration of Particulate Polymer”)；美国专利No.5382411(“Apparatus and Method for Continuously Mixing Fluids”，公布日期为1995年1月17日)；美国专利No.5334788(“Reaction of Substrate Compounds with Fluorine in anEductor”，公布日期为1994年8月2日)；美国专利No.7794135(“Dry Polymer HydrationApparatus and Methods of Use”，公布日期为2010年9月14日)；美国专利No.5426137(“Method for Continuously Mixing Fluids”，公布日期为1995年6月20日)；美国专利No.5344619(“Apparatus for Dissolving Dry Polymer”，公布日期为1994年9月6日)；美国专利No.5447394(“Automatic Flushing Apparatus for a Hydrator”，公布日期为1995年9月5日)；美国专利6,817,376(“Gel Hydration Tank and Method”，公布日期为2004年11月6日2004)；以及美国专利No.5190374(“Method and Apparatus for ContinuouslyMixing Well Treatment Fluids”，公布日期为1993年3月2日)。
本发明的一实施例包括板载干粉末操控和水合系统，其“即时”产生功能油田凝胶，而没有再循环、结块或者损坏高剪切过程。本发明的实施例的能力将改进全球的压裂操作的这个部分。
对于市场认可考虑因素，在本发明的一实施例中，保持从LGC来产生油田凝胶的能力。
本发明的实施例包括电源单元。本发明的一实施例中的电源单元包括柴油机、液压泵以及所有必要的辅助元件。本发明的一实施例中的电源单元提供系统液压动力。
本发明的实施例包括给水箱。本发明的一优选实施例中的给水箱包括用于制作和储存功能油田凝胶的180桶容量钢箱(或相似物)。本领域的技术人员将会理解，给水箱并不局限于180桶箱，而是考虑包括应用在内的许多因素可以更小或更大。本发明的一实施例中的给水箱包括用于更准确计量的洁净水腔室，并且促进文氏管混合器和元件的清洁(要在工作结束时排空单元，箱经过将促进清洁的文氏管混合器来清空)。
如图1所示，为了混合液化成分，经过包含在给水箱中的多个腔室来使保持与LGC配合工作的能力成为可能。图1所示的实施例包括六个箱，其中箱提供停留时间以给予凝胶有充分时间周期进行水合。在本发明的一实施例中，腔室61专用作洁净腔室。
本发明的实施例包括料斗。本发明的一优选实施例中的料斗包括10000lb容量的粉末箱(或相似物)，其中搅拌器、水槽和传送螺杆专门设计用于计量和分配干瓜尔粉末。本领域的技术人员将会理解，料斗并不局限于10000lb容量的粉末箱，而是考虑包括应用在内的许多因素可以更小或更大。本领域的技术人员还将会理解，在本发明的实施例中可提供除了传送螺杆之外的其它计量部件。另外，料斗的形状并不局限于附图所示。搅拌器的示例包括但不限于搅拌桨、振动器、旋转装置等。
本发明的实施例包括管道组件。本发明的一实施例中的管道组件包括用于填充给水箱并且操控油田凝胶的排放的入口和出口流体歧管、离心泵和计量装置。如图1所示，管道组件可包括加压淡水供应管10、离心泵11和淡水供应管12。
本发明的实施例允许使用干粉凝胶而不是泥浆或液体凝胶。粉末水合元件编组允许双重泥浆/粉末或粉末单元。本发明的实施例包括粉末水合元件编组。本发明的一实施例中的粉末水合元件编组包括文氏管混合系统，其将加压水用于创建真空并且湿润干聚合物。本发明的一实施例中的粉末水合元件编组包括真空截止阀、压力传感器或开关、离心泵、气动传送管线和拣选漏斗。另外，粉末水合元件编组可包括流量计。
本发明的实施例包括液体化学设备编组。本发明的一实施例中的液体化学设备编组包括用于向功能凝胶添加液体化学或者用于从液体浓缩物来制作功能凝胶的化学泵、计量装置和软管。
本发明的实施例可包括平台和舱。本发明的一实施例中的平台和舱为操作人员提供舒适环境以及从控件到给水箱、粉末料斗和混合装置的安全通道。图3示出按照本发明的一优选实施例的整个系统。图3中，操作人员舱示为元件16，通道/进入平台示为元件17，以及歧管系统示为元件18。
本发明的实施例还可包括用于产生均质油田凝胶的若干过程。具体来说，本发明的一实施例包括瓜尔粉末过程。本发明的一实施例中的瓜尔粉末过程包括用于启动和停止文氏管混合器的可控序列(其可由可编程逻辑控制器或继电器逻辑来操控)。这个序列可作为避免混合器的故障模式的手段来自动操控。
本发明的一实施例包括LGC过程。本发明的一实施例的LGC过程包括用于以正确比率来混合LGC、其它化学品和/或水的计量和化学注入过程。
本发明的实施例各促成经创建以确保正确化学比率并且避免混合器故障模式的过程。在本发明的一实施例中，自动控制系统(可编程控制系统)允许操作人员实现预期化学比率。
本发明的实施例的其它特征包括文氏管混合系统。另外，本发明的实施例包括控制系统、接口和图形控制界面(例如Stewart和Stevenson的“ACCUFRAC”)。本发明的实施例还可包括瓜尔粉末料斗、具有洁净水腔室的改进给水箱、电源单元概念以及化学添加剂成分和过程。
现在将描述本发明的一实施例以及本发明的一实施例的过程和相关流动路径的附加细节。
本发明的实施例的水合单元设计成从传统液化凝胶物(LGC)和瓜尔胶粉末来产生高质量均质油田凝胶。用于生成油田凝胶的现有技术系统因水合瓜尔粉末的困难而一般依靠LGC；如果粉末的各微粒没有彻底湿润，则不希望的结块(“白点”的“凝胶球”)能够在混合物中形成，这降低总产量，并且要求通常不成功的高能量、高剪切处理。此外，LCG通常将烃基载液或者矿物油用于聚合物悬浮。矿物油对油田凝胶的产生增加显著成本，并且烃基流体要求小心操控和处置，因为它们对环境是有害的。本发明的实施例的另一个优点是运输和储存成本。例如，粉末在正确储存时能够无限地储存，而泥浆具有货架期。另外，粉末的运输成本比泥浆要小。本发明的实施例的另一个优点是与泥浆相反的水合粉末的时间(无需从粉末中去除烃基分子—其会阻塞用于水合的水)。
本发明的实施例的板载干粉末操控和水合系统“即时”产生功能性的、可生物降解油田凝胶，而没有再循环、结块或者损坏高剪切过程。
本文中描述用于从粉瓜尔胶来产生油田凝胶的设备和过程，并且在图1和图2中示出示例。图1示出搅拌瓜尔粉末料斗1、计量螺旋粉末分配器2、粉末拣选漏斗3、振动器4、粉末气动传送软管5、水合箱6、喷射水合装置7、真空断流阀8、压力传感器9、加压淡水供应管10、离心泵11、淡水供应管12、计量淡水箱入口管13、流量计14和离心泵15。
干瓜尔由图1所示的搅拌瓜尔粉末料斗1和计量螺旋粉末分配器2所组成的组件来储存并且准确计量。搅拌瓜尔粉末料斗1设计成促进瓜尔粉末到计量螺旋粉末分配器2的正向流动。在本发明的一实施例中，设计料斗1，其中具有防止粉末积聚的无阻挡内部(obstruction free interior)、防止分流并且迫使粉末进入分配器的搅拌桨以及使桨效能为最大的错层锥形底板。错层锥形底板可包括搅拌器(例如每层上的清扫器或者多个清扫器)。参见图4。
无阻挡内部可以通过将结构构件移动到外部来制作。本发明的一实施例中的料斗1的顶部在操作人员无法气动地填充箱时包含填充舱口，以及料斗1的侧面在料斗1需要手动清空时配备有铰接门。
在本发明的一实施例中，计量螺旋粉末分配器2利用计量螺旋螺杆将已知容积的瓜尔粉末分配给粉末拣选漏斗3。粉末的容积流率能够由计算机来控制或者通过操纵螺旋轴的角速度来手动控制。本领域的技术人员将会理解，在本发明的实施例中，螺杆螺旋输送系统可通过其它已知输送系统来替代。
本发明的一实施例中的水合箱6优选地是设计用于从LGC或瓜尔粉末来制备油田凝胶的六腔室、200桶容量的箱(或相似物)。本领域的技术人员将会理解，箱并不局限于200桶箱，而是考虑包括应用在内的许多因素可以更小或更大。当使用瓜尔粉末时，第一腔室用作淡水容器。水由离心泵15来提供，由流量计14来计量，并且使用计量淡水箱入口管13排放到第一腔室中。淡水经离心泵15提供至系统。
在本发明的一实施例中，喷射装置7通过迫使足够的水经过装置以创建内部真空来起作用。水的这个容积流率是已知常数，经由第一离心泵11输送给喷射装置7。在大多数情况下，喷射装置7所需的水的容积流率将小于总预计凝胶流率。在这种条件下，额外淡水从第一腔室溢出到第二凝胶腔室中，由此稀释凝胶并且使下游均质。如果较少的水吸取到12中、然后离开13，则水只在两个腔室的堰之上溢出。附图示出腔室之间的堰或间隔，其可具有上溢或下溢容量。例如，每隔一间隔可具有上溢堰或者下溢堰。
跨喷射装置7的压降由压力计或传感器9来监测。当充分真空存在时，真空断流阀8能够闭合，，由此创建粉末传送管线5中的真空。
该系统设计成创建足够的真空，以传送由分配器2输送给拣选漏斗3的全部粉末。
当粉末由喷射装置7摄取时，所有微粒经过水合，并且将凝胶排放到水合箱6的箱二。如前面所述，它可与来自腔室一的附加淡水相结合供稀释。水合箱能够配备有桨，以促进良好循环，并且桨的形状可使得防止剪切材料。
如从图2的流动路径图看到，在本发明的一实施例中，流体将在从箱中排放之前最终经过至少六个腔室。在本发明的一实施例中，集成水槽内置于腔室六中，其中凝胶能够被抽吸或重力馈入歧管，供从水合单元的最终排放。另外，桨可存在。
本发明的实施例还可包括辅助子系统。辅助子系统包括定制干料斗，其能够储存10000lb的材料，并且设计用于瓜尔粉末的物理性质。另外，辅助子系统可包括直观Stewart和Stevenson LLC“ACCUFRAC”图形控制界面和180bbl给水箱，其设计成促进混合设备的清洁和维护。在本发明的实施例中，其它板载系统可以是现有技术水合单元常见的系统，以及本领域的技术人员易于理解这些系统中包含的方面。
本发明的实施例还包括确保正确的粉末量与正确的水量的特征。本发明的一优选实施例包括用于权衡料斗的系统。例如，料斗具有一侧的负荷单元以及另一侧的铰接点。随时间读取负荷单元允许测量所输送的凝胶量。这是典型容积输送的后备。
如本申请通篇使用的“瓜尔粉末”或“瓜尔胶粉末”包括瓜尔粉末以及任何其它类型的凝胶粉末，包括天然粉末或聚合物粉末或者合成粉末等，其中凝胶将由其来形成。
现在将描述按照本发明的一优选实施例的启动和关机过程的示例。
启动过程：
1.填充给水箱；
2.接通干凝胶混合系统离心泵(图1，器件11)；
3.等待经过干混合系统的750加仑/分钟速率；
4.闭合真空截止阀(图1，器件8)；以及
5.开始按照预期配方向拣选漏斗(图3，器件3)输送干粉末。
关机过程：
1.停止向拣选漏斗(图1，器件3)输送粉凝胶；
2.开启真空截止阀(图1，器件8)；
3.冲洗粉末混合系统至少2分钟；以及
4.停止干凝胶混合系统离心泵(图1，器件11)。

Claims (17)

1.一种用于产生油田凝胶的系统，包括：
电源单元，包括发动机和泵；
给水箱，包括水室和至少一个凝胶室；
料斗；
第一管道组件，包括入口和出口歧管、第一泵、水供应管和用于操控油田凝胶的排放的压力计；
第二管道组件，包括入口管、第二泵和用于填充给水箱的计量装置；和
粉末水合元件，包括文氏管混合系统，
其中该第一管道组件的水供应管伸入该水室以从该水室抽水，该第二管道组件的入口管伸入水室以提供水填充给水箱，且该第一管道组件的出口歧管配置为将油田凝胶排放至该至少一个凝胶室中，
其中所述料斗向所述粉末水合元件提供粉末，且所述粉末水合元件与所述第一管道组件流体连通。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述电源单元包括柴油机和液压泵。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述料斗包括粉末箱，其中包括用于计量和分配干瓜尔粉末的搅拌器、水槽和传送螺杆。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述粉末水合元件包括：
文氏管混合系统，其将加压水用于创建真空并且湿润干聚合物；
真空截止阀；
压力传感器或开关；
离心泵；
气动传送管线；以及
拣选漏斗。
5.如权利要求1所述的系统，还包括液体化学设备，其中，所述液体化学设备包括：
化学泵；
计量装置；以及
用于向功能凝胶添加液体化学品或者用于从液体浓缩物来制作功能凝胶的软管。
6.如权利要求1所述的系统，还包括平台和舱。
7.如权利要求1所述的系统，其中，均质油田凝胶从液化凝胶浓缩物来产生。
8.如权利要求1所述的系统，其中，均质油田凝胶从瓜尔胶粉末来产生。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述料斗包括搅拌桨和错层锥形底板。
10.如权利要求1所述的系统，其中，所述料斗包括手动填充舱口。
11.如权利要求1所述的系统，其中，所述料斗包括其侧面的铰接门，使得它可手动清空。
12.一种水合单元，包括：
用于储存粉末的搅拌料斗；
用于分配来自该搅拌料斗的粉末的计量分配器；
水合箱，包含水腔室和至少一个凝胶腔室；
喷射装置，用于将油田凝胶排放至该水合箱的至少一个凝胶腔室中，其包括:
第一泵；
压力计；和
真空断流阀；
粉末传送管线，用于将粉末从该计量分配器传送至该喷射装置；
拣选漏斗，其将该计量分配器连接至该粉末传送管线；
管道组件，其包括用于填充该水合箱的入口管、第二泵和计量装置；
与该喷射装置连接的供水管；和
设置在该水合箱的至少一个凝胶腔室中的集成水槽，
其中该供水管的一端伸入该水腔室中，以从水腔室抽水，该管道组件的入口管伸入该水腔室中以提供水来填充该箱，且该喷射装置的歧管被配置为将油田凝胶排放至该至少一个凝胶腔室中
13.如权利要求12所述的水合单元，其中该搅拌料斗包括粉末箱，其中包括用于计量和分配干瓜尔粉末的搅拌器、水槽和传送螺杆。
14.如权利要求12所述的水合单元，其中该至少一个凝胶腔室包括第一凝胶腔室、第二凝胶腔室和第三凝胶腔室，且该水合箱进一步包括在该水腔室和该第一凝胶腔室之间的第一上溢堰，在该第一凝胶腔室和该第二凝胶腔室之间的第二上溢堰，和该第二凝胶腔室和该第三凝胶腔室之间的第三上溢堰。
15.如权利要求12所述的水合单元，其中该第一上溢堰在垂直方向上高于该第二上溢堰或该第三上溢堰。
16.如权利要求12所述的水合单元，其中，当从供水管抽出的水少于从管道组件的入口管中流出的水时，水腔室的水的溢流使得水进入该至少一个凝胶腔室。
17.如权利要求12所述的水合单元，其中，该至少一个凝胶腔室包括第一、第二、第三、第四和第五相邻凝胶腔室，液体由该水腔室流至该第五凝胶腔室，且该集成水槽设置在该第五凝胶腔室内。
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