CN112996983A - 流体交换设备以及相关控制装置、系统和方法 - Google Patents

流体交换设备以及相关控制装置、系统和方法 Download PDF

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扎克·普鲁基塔
马克·奥苏利文
安德烈亚斯·德雷斯
斯科特·贾奇
克里斯托弗·沙格斯
汤姆·克诺琴豪尔
贾森·班迪
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F13/00—Details common to, or for air-conditioning, air-humidification, ventilation or use of air currents for screening

Abstract

压力交换设备以及相关系统可以包括阀设备，该阀设备被配置为选择性地使处于第一较高压力的流体与处于较低压力的另一流体连通，以便将另一流体加压至第二较高压力。在至少两个流体流之间交换压力的方法可以包括具有两个低压进口的压力交换器。

Description

流体交换设备以及相关控制装置、系统和方法
优先权益
本申请要求于2018年11月9日提交的序列号为62/758,327的美国临时专利申请“Fluid Exchange Devices and Related Controls,Systems,and Methods(流体交换设备以及相关控制装置、系统和方法)”的权益，其公开内容通过引用全部并入本文。
技术领域
本公开内容大体涉及交换设备。更具体地，本公开内容的实施方式涉及流体交换设备以及系统和方法，该设备用于在流体之间交换特性(例如，压力)中的一种或更多种。
背景技术
工业过程往往涉及液压系统，其包括泵、阀、叶轮等。泵、阀和叶轮可以用于控制在液压过程中使用的流体的流。例如，一些泵可以用于增加(例如，增压)液压系统中的压力，其他泵可以用于将流体从一个位置移动到另一位置。一些液压系统包括阀，以控制流体的流向。阀可以包括控制阀、球阀、闸阀、截止阀、止回阀、隔离阀、它们的组合等。
一些工业过程涉及使用腐蚀性流体、磨蚀性流体和/或酸性流体。这些类型的流体可能会增加液压系统的部件上的磨损量。增加的磨损可能导致增加的维护和修理成本，或者需要提前更换器材。例如，磨蚀性、腐蚀性或酸性流体可能会增加泵的内部部件诸如叶轮、轴、叶片、喷嘴等上的磨损。一些泵是可修复的，并且操作可能会选择更换磨损零件来修复磨损泵，这可能会造成磨损泵的停机时间延长，从而造成需要冗余泵或造成生产力下降。其他操作可以更换磨损泵，费用较高但停机时间减少。
石油和天然气行业中的完井作业往往涉及液压压裂(往往被称为压裂或致裂)，以增加岩层中石油和天然气的释放。液压压裂涉及在高压下将含有水、化学物质和支撑剂(例如沙子、陶瓷)的组合的流体(例如致裂流体、压裂流体等)泵送到井中。流体的高压增加了裂缝的大小和裂缝在岩层中的传播，释放出更多的石油和天然气，而支撑剂则在流体减压后防止裂缝闭合。压裂作业使用高压泵来增加压裂流体的压力。然而，压裂流体中的支撑剂由于其磨蚀性增加了高压泵的磨损和维护，并基本上降低了高压泵的运行寿命。
发明内容
不同的实施方式可以包括用于在至少两个流体流之间交换压力的系统。该系统可以包括压力交换设备，该压力交换设备包括至少一个高压进口、至少一个低压进口、至少一个高压出口和至少一个低压出口。至少一个高压进口可以被配置为接收处于第一较高压力的流体。至少一个低压进口可以被配置为接收处于第一较低压力的井下流体(例如，压裂流体、钻探流体)。至少一个高压出口可以被配置为输出处于第二较高压力的井下流体，该第二较高压力大于第一较低压力。至少一个低压出口可以被配置为输出处于第二较低压力的流体，该第二较低压力小于第一较高压力。压力交换设备还可以包括阀设备。阀设备可以包括线性阀致动器。阀设备可以被配置为选择性地使处于第一较高压力的流体与处于第一较低压力的井下流体连通，以便将井下流体加压到第二较高压力；以及通过至少一个低压出口来选择性地从压力交换设备输出处于第二较低压力的流体。系统还可以包括至少一个泵，至少一个泵用于将处于第一较高压力的流体供应至压力设备的至少一个高压进口。
另一实施方式可以包括用于在至少两个流体流之间交换压力的系统。系统可以包括压力交换设备，该压力交换设备包括一高压进口、至少两个低压进口、至少两个高压出口、至少两个低压出口和一阀设备。高压进口可以被配置为接收处于第一较高压力的流体。至少两个低压进口可以被配置为接收处于第一较低压力的井下流体(例如，压裂流体、钻探流体)。至少两个高压出口可以被配置为输出处于第二较高压力的井下流体，该第二较高压力大于第一较低压力。至少两个低压出口可以被配置为输出处于第二较低压力的流体，该第二较低压力小于第一较高压力。阀设备可以包括线性阀致动器。阀设备可以被配置为选择性地使处于第一较高压力的流体与处于第一较低压力的井下流体连通，以便将井下流体加压到第二较高压力，以及通过至少两个低压出口中的一个低压出口来选择性地从压力交换设备输出处于第二较低压力的流体。系统还可以包括至少一个泵，至少一个泵用于将处于第一较高压力的流体供应至压力设备的高压进口。
另一实施方式可以包括用于在至少两个流体流之间交换压力的设备。该设备可以包括至少一个高压进口、至少一个低压进口、至少一个高压出口和至少一个低压出口。至少一个高压进口可以被配置为用于接收处于第一较高压力的流体。至少一个低压进口可以被配置为用于接收处于第一较低压力的井下流体(例如，压裂流体、钻探流体)。至少一个高压出口可以被配置为输出处于第二较高压力的井下流体，该第二较高压力大于第一较低压力。至少一个低压出口可以被配置为输出处于第二较低压力的流体，该第二较低压力小于第一较高压力。该设备还可以包括阀设备。阀设备可以被配置为选择性地使处于第一较高压力的流体与处于第一较低压力的井下流体连通，以将井下流体加压至第二较高压力。阀设备还可以被配置为通过至少一个低压出口来选择性地从压力交换设备输出处于第二较低压力的流体。该设备还可以包括至少一个罐。至少一个罐可以与至少一个高压出口、至少一个低压进口、至少一个高压进口和至少一个低压进口连通。至少一个高压出口和至少一个低压进口可以被定位在至少一个罐的第一端部上。至少一个高压进口和至少一个低压出口可以被定位在阀设备上。
另一实施方式可以包括在至少两个流体流之间交换压力的方法。该方法可以包括从高压进口将处于第一较高压力的流体接收到压力交换器中，以及从第一低压进口将处于第一较低压力的井下流体(例如，压裂流体、钻探流体)接收到压力交换器中。处于第一较高压力的流体可以与处于第一较低压力的井下流体连通，以便将井下流体加压到大于第一较低压力的第二较高压力。井下流体可以在第二较高压力下输出。该方法还可以包括从高压进口将处于第一较高压力的附加流体接收到压力交换器中，以及从第二低压进口将附加的井下流体(例如，压裂流体、钻探流体)接收到压力交换器中。
附图说明
尽管本说明书随附有特别地指出且明确要求保护被视为本公开内容的实施方式的权利要求书，但根据结合附图阅读时本公开内容的实施方式的下列描述，可以更容易地确定本公开内容的实施方式的不同特征和优点，在附图中：
图1是根据本公开内容的一实施方式的液压压裂系统的示意图；
图2是根据本公开内容的一实施方式的流体交换器设备的截面图；
图3A是根据本公开内容的一实施方式的、处于第一位置的控制阀的截面图；
图3B是根据本公开内容的一实施方式的、处于第二位置的控制阀的截面图；以及
图4是根据本公开内容的一实施方式的模块化流体交换器设备的等轴测视图。
具体实施方式
本文呈现的图示并不意指是任何特定流体交换器或其部件的实际视图，而仅是被采用以描述例示性实施方式的理想化表述。附图不一定是按比例绘制的。附图之间共有的元件可以保留相同的附图标记。
如本文所使用的，关系术语诸如“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”等通常是为了清楚且方便地理解本公开内容和附图，并不意指或取决于任何特定的偏好、定向或顺序，除非上下文另有明确指出。
如本文所使用的，术语“和/或”意指并包括一个或更多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
如本文所使用的，术语“竖向”和“侧向”是指附图中所描述的定向。
如本文所使用的，涉及给定参数的术语“基本上”或“约”意指并包括在一定程度上本领域技术人员将理解的给定的参数、特性或状况符合较小变化程度，诸如在可接受的制造公差内。例如，基本上符合的参数可以是至少90％符合、至少95％符合、至少99％符合、或者甚至100％符合。
如本文所使用的，术语“流体”可以意指并包括任何类型和成分的流体。流体可以采取液体形式、气体形式或它们的组合，并且在一些情况下可以包括一些固体材料。在一些实施方式中，流体可以在如本文所述的冷却或加热过程期间在液体形式和气体形式之间转换。在一些实施方式中，术语流体包括气体、液体和/或液体与固体的可泵送混合物。
本公开内容的实施方式可以涉及能够用于在流体之间交换一个或更多种特性的交换设备(例如，压力交换器)。这样的交换器(例如，压力交换器)有时被称为“流动功交换器”或“等压设备”，并且是用于将压力能量从相对高压流动的流体系统交换到相对低压流动的流体系统的机器。
在一些工业过程中，在操作的某些部分中需要升高压力以达到预期的结果，之后经加压的流体被减压。在其他过程中，在过程中使用的一些流体在高压下可用，而其他流体在低压下可用，并且期望在这两个流体之间交换压力能量。因此，在一些应用中，如果可以在两个流体之间有效地转移压力，就可以实现经济上的极大改善。
在一些实施方式中，本文公开的交换器可能类似于并包括在1998年8月25日颁发的Shumway的美国专利5,797,429中公开的压力交换器的不同部件和配置，该专利的公开内容通过引用全部并入本文。
尽管本公开内容的一些实施方式被描述为作为两个或更多个流体之间的压力交换器被使用和被采用，但本领域技术人员将理解的是，本公开内容的实施方式可以用于其他实现方式，诸如例如，在一个或更多个流体和/或两个或更多个流体的混合物之间交换其他特性(例如，温度、密度等)和/或成分。
在一些实施方式中，压力交换器可以用于在流体——该流体有可能损坏移动部件(例如，磨蚀性流体、腐蚀性流体、酸性流体等)——需要高压的过程中保护移动部件(例如，泵、阀、叶轮等)。
例如，根据本公开内容的实施方式的压力交换设备可以在与烃有关的过程诸如液压压裂或其他钻探作业(例如，地下井下钻探作业)中实施。
如上所述，石油和天然气行业中的完井作业往往涉及液压压裂、钻探作业、或使用高压泵来增加井下流体(例如，意在被引导到地下地层或井眼中的流体，诸如压裂流体、钻探流体、钻探泥浆)的压力的其他井下作业。这些流体中产生泥浆的支撑剂、化学物质、添加剂等往往会增加高压泵的磨损和维护。
在一些实施方式中，液压压裂系统可以包括液压能量转移系统，该液压能量转移系统在第一流体(例如，清洁流体，诸如部分(例如，大部分)或基本上不含支撑剂的流体或压力交换流体)和第二流体(例如，压裂流体，诸如含支撑剂的流体、磨蚀性流体或污浊流体)之间转移压力。这样的系统可以至少部分地(例如，基本上、主要地、完全地)将高压第一流体与第二污浊流体隔离，同时仍然能够用高压第一流体对第二污浊流体进行加压，而不必使第二污浊流体直接经过泵或其他加压设备。
尽管本文讨论的一些实施方式可能针对压裂作业，但在另外的实施方式中，本文所公开的交换器系统和设备可以用于其他作业。例如，本文所公开的设备、系统和/或方法可以用于其他井下作业，诸如例如，井下钻探作业。
图1例示了液压压裂系统100的一实施方式的系统图，该液压压裂系统利用了在第一流体流(例如，清洁流体流)和第二流体流(例如，压裂流体流)之间的压力交换器。尽管没有明确描述，但应该理解的是，系统100的每个部件可以直接连接到或通过流体导管(例如，管道)耦接到相邻的(例如，上游或下游)部件。液压压裂系统100可以包括用于对第一流体流加压的一个或更多个设备，诸如例如，压裂泵102(例如，往复泵、离心泵、涡旋泵等)。系统100可以包括多个压裂泵102，诸如至少两个压裂泵102、至少四个压裂泵102、至少十个压裂泵102、至少十六个压裂泵、或至少二十个压裂泵102。在一些实施方式中，压裂泵102可以在高压下向压力交换器104提供来自流体源101的相对地且基本上清洁的流体。在一些实施方式中，流体可以分别提供给每个泵102(例如，处于并行配置)。在泵102中加压后，高压清洁流体110可以被合并，并被传输到压力交换器104(例如，处于串行配置)。
如本文所使用的，“清洁”流体可以描述至少部分地或基本上没有(例如，基本上完全没有或完全没有)通常在井下流体中发现的化学物质和/或支撑剂的流体，以及“污浊”流体可以描述至少部分地含有通常在井下流体中发现的化学物质和/或支撑剂的流体。
压力交换器104可以将压力从高压清洁流体110传输到低压压裂流体(例如，压裂流体112)，以提供高压压裂流体116。清洁流体在将压力传输给低压压裂流体112之后可以作为低压流体114从压力交换器104排出。在一些实施方式中，低压流体114可以是除了少量可能在压力交换器104中从压裂流体112传到低压流体114的化学物质和/或支撑剂之外，基本上没有化学物质和/或支撑剂的至少部分地或基本上清洁的流体。
在一些实施方式中，压力交换器104可以包括一个或更多个压力交换器设备(例如，并行运行)。在这样的配置中，高压输入可以被分离并提供给压力交换器设备中每一者的输入端。当高压压裂流体离开压力交换器104时，压力交换器设备中的每一者的输出可以被合并。例如，且如下面参考图4所讨论的，压力交换器104可以包括并行运行且以基本上平行的配置定向的两个或更多个(例如，三个)压力交换器设备。如所示的，压力交换器104可以设置在可以相对容易地安装于压裂井现场和从压裂井现场移除的移动平台(例如，卡车拖车)上。
低压清洁流体114在从压力交换器104排出后可以行进至混合腔室106(例如，掺合器单元、混合单元等)并被收集在其中。在一些实施方式中，低压流体114可以在混合腔室106中被转换(例如，修改、转变等)为低压压裂流体112。例如，可以在混合腔室106中向低压清洁流体114添加支撑剂，以形成低压压裂流体112。在一些实施方式中，低压清洁流体114可以作为废弃物排出。
在许多液压压裂作业中，在压裂流体112被排放到井下之前，可以使用单独的过程来加热压裂流体112(例如，以确保压裂流体中支撑剂的适当混配)。在一些实施方式中，使用低压清洁流体114来生产压裂流体112可以省去加热压裂流体的步骤。例如，由于压裂泵102对高压清洁流体110进行加压，低压清洁流体114可能已经处于升高的温度。在将已经被泵102加热的高压清洁流体112中的压力转移后，现在的低压清洁流体114在从压力交换器104传到混合腔室106时保留了至少一部分热能。在一些实施方式中，使用已经处于升高的温度的低压清洁流体114来产生压裂流体可以省去对压裂流体加热的步骤。在其他实施方式中，低压清洁流体114的升高的温度可能会造成压裂流体所需加热量的减少。
在支撑剂被添加到低压流体，现在，压裂流体114之后，低压压裂流体112可以从混合腔室106中被排出。然后，低压压裂流体112可以通过连接(例如，耦接)在混合腔室106和压力交换器104之间的流体导管108在压裂流体端部上进入压力交换器104。进入压力交换器104后，低压压裂流体112可以被通过压力交换器104从高压清洁流体110传输的压力加压。然后，高压压裂流体116可以离开压力交换器104并被传输到井下。
液压压裂系统通常需要用于高压压裂流体116的高操作压力。在一些实施方式中，高压压裂流体116的期望压力可以在约8,000PSI(55,158kPa)至约12,000PSI(82,737kPa)之间，诸如在约9,000PSI(62,052kPa)至约11,000PSI(75,842kPa)之间，或者为约10,000PSI(68,947kPa)。
在一些实施方式中，高压清洁流体110可以被加压到的压力至少基本上相同或略大于高压压裂流体116的期望压力。例如，高压清洁流体110可以被加压到比高压压裂流体116的期望压力高约0PSI(0kPa)至约1000PSI(6,894kPa)之间，诸如比期望压力高约200PSI(1,379kPa)至约700PSI(4,826kPa)之间，或者比期望压力高约400PSI(2,758kPa)至约600PSI(4,137kPa)之间，以考虑到压力和交换过程期间的任何压力损失。
图2例示了压力交换器200的一实施方式。压力交换器200可以是线性压力交换器，就其是通过使致动组件基本上沿着线性路径移动或平移来操作的意义而言。例如，致动组件可以线性移动，以选择性地使低压和高压流体至少部分地连通(例如，间接连通，其中高压流体的压力可以转移到低压流体)，如下文详细讨论的。
线性压力交换器200可以包括一个或更多个(例如，两个)腔室202a、202b(例如，罐、收集器、缸、管、管道等)。腔室202a、202b(例如，并行腔室202a、202b)可以包括活塞204a、204b，活塞被配置为基本上维持高压清洁流体210和低压清洁流体214(例如，清洁侧)与高压污浊流体216和低压污浊流体212(例如，污浊侧)分离，同时使相应的流体210、212、214和216之间的压力能够转移。活塞204a、204b的大小(例如，活塞204a、204b的外部直径相对于腔室202a、204b的内部直径)可以被设置成使活塞204a、204b能够行进通过腔室202a、202b，同时使活塞204a、204b周围的流体流最小化。
线性压力交换器200可以包括清洁控制阀206，该清洁控制阀被配置为控制高压清洁流体210和低压清洁流体214的流。腔室202a、202b中的每一者可以包括一个或更多个污浊控制阀207a、207b、208a和208b，污浊控制阀被配置为控制低压污浊流体212和高压污浊流体216的流。
尽管图2的实施方式设想了线性压力交换器200，但其他实施方式可以包括涉及其他机制的其他类型压力交换器，以用于选择性地使低压和高压流体至少部分地连通(例如，转动致动器，如2016年9月6日颁发的美国专利9,435,354中公开的那些，该美国专利的公开内容通过引用全部并入本文等)。
在一些实施方式中，清洁控制阀206可以选择性地允许(例如，输入、放置等)从高压进口端口302提供的高压清洁流体210进入活塞204a的清洁侧220a上的第一腔室202a，该清洁控制阀包括使一个或更多个阻挡件308沿(例如，线性地沿)阀206的本体205移动的致动杆203。高压清洁流体210可以作用在活塞204a上，使活塞204a在朝向活塞204a的污浊侧221a的方向上移动，并压缩第一腔室202a中的污浊流体，以产生高压污浊流体216。高压污浊流体216可以通过污浊排放控制阀208a(例如，出口阀、高压出口)离开第一腔室202a。在基本上相同的时间，低压污浊流体212可以通过污浊填充控制阀207b(例如，进口阀、低压进口)进入第二腔室202b。低压污浊流体212可以作用在活塞204b的污浊侧221b上，使活塞204b在第二腔室202b中在朝向活塞204b的清洁侧220b的方向上移动。当活塞204b在朝向活塞204b的清洁侧220b的方向上移动时，低压清洁流体214可以通过清洁控制阀206排放(例如，排空、排出等)，从而减少第二腔室202b内活塞204b的清洁侧220b上的空间。每个活塞204a、204b移动了相应腔室202a、202b的基本长度(例如，大部分长度)后，压力交换器的一循环(cycle，周期)就完成了(该“循环”可以是活塞204a、204b沿腔室202a、202b的长度在一个方向上移动的半个循环，而完整的循环包括活塞204a、204b沿腔室202a、202b的长度在一个方向上移动，然后在另一方向上移动以返回基本上原来的位置)。在一些实施方式中，只有部分长度可以被利用(例如，在容量减少的情况下)。在一循环完成后，清洁控制阀206的致动杆203可以改变位置，使高压清洁流体210能够进入第二腔室202b，从而将第二腔室202b变为高压腔室且将第一腔室202a变为低压腔室，并重复该过程。
在一些实施方式中，每个腔室202a、202b可以在活塞204a、204b的一侧上具有较高的压力，使活塞在远离较高压力的方向上移动。例如，高压腔室可能经历约8,000PSI(55,158kPa)至约13,000PSI(89,632kPa)之间的压力，其中最高压力在高压清洁流体210中，以使活塞204a、204b移动远离高压清洁流体210，压缩和排放污浊流体，从而产生高压污浊流体216。相对地，低压腔室202a、202b可能经历低得多的压力，其中当前低压腔室202a、202b中的在低压污浊流体212中相对较高的压力仍足以使活塞204a、204b在远离低压污浊流体212的方向上移动，从而排放低压污浊流体214。在一些实施方式中，低压污浊流体212的压力可以在约100PSI(689kPa)至约700PSI(4,826k Pa)之间，例如在约200PSI(1,379kPa)至约500PSI(3,447kPa)之间，或者在约300PSI(2,068kPa)至约400PSI(2,758kPa)之间。
再次参考图1，在一些实施方式中，系统100可以包括一个或更多个可选的设备(例如，泵)，以便在低压污浊流体212被提供到腔室202a、202b中时对其进行加压(例如，加压到适合使活塞204a、204b朝向清洁侧移动的压力水平)。
再次参考图2，如果任何流体从活塞204a、204b旁挤过去(例如，泄漏、漏出等)，一般将倾向于从较高压的流体流向较低压的流体。高压清洁流体210可以被维持处于系统中的最高压力，使得高压清洁流体210一般可以基本上不被污染。低压清洁流体214可以被维持处于系统中的最低压力。因此，低压清洁流体214有可能被低压污浊流体212污染。在一些实施方式中，低压清洁流体214可以用于生产低压污浊流体212，基本上抵消了污染造成的任何损害。同样地，高压清洁流体210对高压污浊流体216的任何污染对高压污浊流体216的影响也将是最小的。
在一些实施方式中，污浊控制阀207a、207b、208a、208b可以是止回阀(例如，瓣阀、逆止阀、回流阀、保持阀或单向阀)。例如，一个或更多个污浊控制阀207a、207b、208a、208b可以是球式止回阀、隔膜式止回阀、摆动式止回阀、倾斜盘式止回阀、拍板阀、截止式止回阀、升降式止回阀、直列式止回阀、鸭嘴阀等。在另外的实施方式中，一个或更多个污浊控制阀207a、207b、208a和208b可以是致动阀(例如，电磁阀、气动阀、液压阀、电子阀等)，其被配置为接收来自控制器的信号并响应于该信号来打开或关闭。
污浊控制阀207a、207b、208a、208b可以被布置为相对的配置，使得当腔室202a、202b处于高压配置时，高压污浊流体打开污浊排放控制阀208a、208b，而腔室202a、202b中的压力使污浊填充控制阀207a、207b保持关闭。例如，污浊排放控制阀208a、208b包括在离开腔室202a、202b的第一方向上打开的止回阀，而污浊填充控制阀207a、207b包括在进入腔室202a、202b的第二相反方向上打开的止回阀。
污浊排放控制阀208a、208b可以连接到下游元件(例如，流体导管、单独或共用的歧管)，使得下游元件中的高压使污浊排放阀208a、208b在处于低压配置的腔室202a、202b中保持关闭。这样的配置使低压污浊流体能够打开污浊填充控制阀207a、207b并进入腔室202a、202b。
图3A和图3B例示了处于两个不同位置的清洁控制阀300的一实施方式的截面图。在一些实施方式中，清洁控制阀300可以类似于上面讨论的控制阀206。清洁控制阀300可以是多端口阀(例如，4通阀、5通阀、
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阀等)。清洁控制阀300可以具有一个或更多个高压进口端口(例如，一个端口302)、一个或更多个低压出口端口(例如，两个端口304a、304b)和一个或更多个腔室连接端口(例如，两个端口306a、306b)。清洁控制阀300可以包括至少两个阻挡件308(例如，插塞、活塞、盘、阀构件等)。在一些实施方式中，清洁控制阀300可以是线性致动阀。例如，阻挡件308可以被线性致动，使得阻挡件308沿基本上直线(例如，沿清洁控制阀300的纵向轴线L300)移动。
清洁控制阀300可以包括被配置为致动清洁控制阀300的致动器303(例如，与清洁控制阀300的阀杆301耦接的致动器)。在一些实施方式中，致动器303可以是电子的(例如，电磁线圈、齿条和齿轮、滚珠丝杠、分段式主轴、移动式线圈等)、气动的(例如，拉杆式缸，隔膜式致动器等)或液压的。在一些实施方式中，致动器303可以使清洁控制阀300能够以可变速率(例如，改变速度、可调节速度等)移动阀杆301和阻挡件308。
图3A例示了处于第一位置的清洁控制阀300。在第一位置，阻挡件308可以被定位为使得高压清洁流体可以通过高压进口端口302进入清洁控制阀300，并通过腔室连接端口306a离开以进入第一腔室。在第一位置，低压清洁流体可以在腔室连接端口306b和低压出口端口304b之间行进通过清洁控制阀300(例如，可以通过低压出口端口304b离开)。
图3B例示了处于第二位置的清洁控制阀300。在第二位置，阻挡件308可以被定位为使得高压清洁流体可以通过高压进口端口302进入清洁控制阀300，并通过腔室连接端口306b离开以进入第二腔室。低压清洁流体可以在腔室连接端口306a和低压出口端口304a之间行进通过清洁控制阀300(例如，可以通过低压出口端口304a离开)。
现在参考图2、图3A和图3B，清洁控制阀206被例示为处于第一位置，其中高压进口端口302连接至腔室连接端口306a，从而向第一腔室202a提供高压清洁流体。在循环完成后，清洁控制阀206可以将阻挡件308移动到第二位置，从而通过腔室连接端口306b将高压进口端口302连接至第二腔室202b。
在一些实施方式中，清洁控制阀206可以在第一位置和第二位置之间的行程的中间部分处经过基本上完全关闭的位置。例如，在第一位置，阻挡件308可以维持高压进口端口302与腔室连接端口306a之间的流体通路以及腔室连接端口306b与低压出口端口304b之间的流体通路。在第二位置，阻挡件308可以维持高压进口端口302与腔室连接端口306b之间的流体通路以及腔室连接端口306a与低压出口端口304a之间的流体通路。在第一位置和第二位置之间的过渡可能涉及至少基本上关闭两个流体通路，以将腔室连接端口306a的连接从高压进口端口302改变到低压出口端口304a，并将腔室连接端口306b的连接从低压出口端口306b改变到高压进口端口302。流体通路至少可以在行程的中间部分处基本上关闭，以实现连接的改变。当流体在高压下操作时，打开和关闭阀可能会造成压力脉动(例如，水锤)，该压力脉动在高压突然被引入系统或从系统中移除时可以造成系统中的部件损坏。因此，当流体通路分别关闭和打开时，压力脉动可能发生在行程的中间部分。
在一些实施方式中，致动器303可以被配置为使阻挡件308以可变的速度沿清洁控制阀206的行程移动。当阻挡件308从第一位置移动到第二位置时，阻挡件308可以在穿越行程的第一部分时以高速率移动，该第一部分不涉及将流从高压进口端口302新引入到腔室连接端口306a、306b中。当阻挡件308在行程的中间部分处接近关闭位置时(例如，当阻挡件308在高压进口端口302连接和低压出口端口304a、304b连接之间的过渡期间遮挡腔室连接端口306a、306b时)，阻挡件308可以减速到低速率。在高压进口端口302与腔室连接端口306a、306b之一连通时，阻挡件308可以继续处于较低的速率。在穿越腔室连接端口306a、306b之后，随着阻挡件308接近第二位置，阻挡件308可以加速到另一高速率。行程中间部分处的低速率可以降低清洁控制阀206打开和关闭的速度，使清洁控制阀能够将高压逐渐引入腔室202a、202b中和/或从腔室中逐渐移除高压。
在一些实施方式中，活塞204a、204b的运动可以通过调节以下来控制：流体流的速率(例如，流入流体的速率)，和/或至少部分地随着清洁控制阀206的移动而造成的活塞204a、204b的清洁侧220a、220b与活塞204a、204b的污浊侧221a、221b之间的压力差。在一些实施方式中，可能期望通过操纵低压腔室202a、202b和高压腔室202a、202b的每个腔室中的压力差和/或通过控制流体进出腔室202a、202b的流速，来使低压腔室中的活塞204a、204b与高压腔室中的活塞204a、204b以基本上相同的速度移动。然而，低压腔室202a、202b中的活塞204a、204b可能倾向于以比高压腔室202a、202b中的活塞204a、204b大的速度移动。
在一些实施方式中，可以改变流体流的速率和/或压力差，以控制活塞204a、204b的加速和减速(例如，通过操纵和/或改变清洁控制阀206的行程，和/或通过用一个或更多个泵来操纵流体流中的压力)。例如，当活塞204a、204b在高压行程开始处位于腔室202a、202b的清洁端部224附近时，增加高压清洁流体210的流速和/或压力可以增加腔室202a、202b中的流体流的速率和/或压力差。增加流体流的速率和/或压力差可以使得活塞204a、204b加速到较快的速率或以较快的速率移动。在另一示例中，当活塞204a、204b在高压行程结束处接近腔室202a、202b的污浊端部226时，高压清洁流体210的流速和/或压力可以降低。降低流体流的速率和/或压力差可以使活塞204a、204b在到达相应腔室202a、202b的污浊端部之前减速和/或停止。
可以利用对清洁控制阀206的行程进行类似控制来防止活塞204a、204b行进至腔室202a、202b的清洁端部的最远范围。例如，清洁控制阀206可以在活塞204a、204b接触腔室202a、202b的清洁端部的最远范围之前关闭腔室连接端口306a、306b中的一个，从而防止任何其他流体流并减缓和/或停止活塞204a、204b。在一些实施方式中，清洁控制阀206可以在活塞204a、204b接触腔室202a、202b的清洁端部的最远范围之前打开一个腔室连接端口306a、306b，以与高压进口端口302连通，从而减缓、停止和/或逆转活塞204a、204b的运动。
如果活塞204a、204b到达相应腔室202a、202b的清洁端部224或污浊端部226，高压流体可以绕过活塞204a、204b并与低压流体混合。在一些实施方式中，将流体混合可能是期望的。例如，如果活塞204a、204b在高压行程期间到达相应腔室202a、202b的污浊端部226，高压清洁流体210可以绕过活塞204a、204b(例如，通过在活塞204a、204b周围行进或穿过活塞204a、204b中的阀)，从活塞204a、204b的表面冲洗掉任何残留的污染物。在一些实施方式中，将流体混合可能是不期望的。例如，如果活塞204a、204b在低压行程期间到达相应腔室202a、202b的清洁端部224，低压污浊流体212可以绕过活塞204a、204b并与低压清洁流体混合，使清洁控制阀206中的清洁区域被污浊流体污染。
在一些实施方式中，系统100可以防止活塞204a、204b到达相应腔室202a、202b的清洁端部224。例如，清洁控制阀206可以包括控制设备207(例如，传感器、安全装置、开关等)，以在检测到活塞204a、204b接近相应腔室202a、202b的清洁端部224时触发清洁控制阀206的位置变化，使得系统100可以利用清洁控制阀206来在活塞204a、204b到达腔室202a、202b的清洁端部224之前改变流动路径位置。
在一些实施方式中，流体中可能出现压力峰(spike，尖峰、猛增、急升)。例如，当清洁控制阀206关闭或打开时，高压清洁流体210中可能出现压力峰。在一些实施方式中，腔室202a、202b和活塞204a、204b在将压力从高压清洁流体210转移到污浊流体212时，可以抑制(例如，减少、平衡等)高压清洁流体210中的任何压力峰，从而产生高压污浊流体216，同时使压力峰最小化。
在一些实施方式中，每个循环的持续时间可以与系统100的产量相互关联。例如，在每个循环中，压力交换器200可以移动由腔室202a、202b的组合容量限定的特定量的污浊流体。在一些实施方式中，压力交换器200可以移动约40加仑(75.7升)至约90加仑(340.7升)之间，诸如约60加仑(227.1升)至约80加仑(302.8升)之间，或者约65加仑(246.1升)至约75加仑(283.9升)之间。例如，在具有一个或更多个罐(例如两个罐)的系统中，压力交换器200中的每个罐可以移动约40加仑(75.7升)至约90加仑(340.7升)之间(例如，两个约60加仑(227.1升)的罐，其每个循环移动约120加仑(454.2升))。
在一些实施方式中，可以通过使用清洁控制阀206改变流体流的速率和/或跨活塞204a、204b的压力差来控制循环的持续时间。例如，可以控制高压清洁流体210的流速和/或压力，使得循环与污浊流体112的期望流速相对应。在一些实施方式中，可以通过控制压裂泵102(图1)的速度(例如，通过变频驱动器(VFD)、节流控制装置等)、通过机械压力控制装置(例如，可变叶片、泄压系统、放气阀等)或者通过改变清洁控制阀206的位置以限制进出腔室202a、202b的流来控制流速和/或压力。
在一些实施方式中，最大产量可能是期望的状况，该期望的状况可以使用尽可能最短的循环持续时间。在一些实施方式中，最短的循环持续时间可以由清洁控制阀206、300上的致动器303的速度来限定。在一些实施方式中，循环的最短持续时间可以由高压清洁流体210的最大压力来限定。在一些实施方式中，最短的持续时间可以由清洁控制阀206、300的响应时间来限定。
现在参考图1和图2，在一些实施方式中，压力交换器104可以由并行操作的多个线性压力交换器200来形成。例如，压力交换器104可以由两个或更多个压力交换器(例如，以并行配置堆叠的三个、四个、五个或更多个压力交换器)形成。在一些实施方式中，压力交换器104可以是模块化的，使得可以通过基于流量需求，添加或移除线性压力交换器的部分来改变线性压力交换器200的数量。在一些实施方式中，操作可以包括在区域内操作的多个系统，并且每个相应系统的压力交换器104可以根据需要通过添加或移除来自相同区域内的其他系统的线性压力交换器来进行调整。
图4例示了压力交换器400的一实施方式，该压力交换器可以根据各个压力交换设备401的数量进行模块化。在一些实施方式中，压力交换器400可以被构造到移动平台中或构造在移动平台上，移动平台诸如例如，牵引拖车(例如，半拖车、平板拖车等)。在一些实施方式中，压力交换器400可以包括多个高压进口402(例如，耦接器、连接件等)，该高压进口被配置为连接到高压供给诸如高压泵(例如，压裂泵102(图1))。高压进口402可以连接到高压清洁歧管404。高压清洁歧管404可以连接到清洁控制阀408的高压进口端口406。在一些实施方式中，高压清洁歧管404可以连接到不止一个清洁控制阀408，诸如两个清洁控制阀408、三个清洁控制阀408、五个清洁控制阀408、或八个清洁控制阀。洁净控制阀408可以以类似于上述图2中描述的方式连接到腔室410。在一些实施方式中，腔室410的数量可以与清洁控制阀408的数量互相关联。例如，每个清洁控制阀408可以与两个腔室410相关联。例如，具有三个清洁控制阀408的实施方式可以包括六个腔室410，具有四个清洁控制阀408的实施方式可以包括八个腔室410，具有六个清洁控制阀408的实施方式可以包括十二个腔室410，等等。
在一些实施方式中，清洁控制阀408的低压出口端口412可以连接至低压清洁歧管。低压清洁歧管可以包括被配置为将低压清洁歧管连接到外部设备的耦接件(例如，连接件、配件等)。在一些实施方式中，压力交换器400可以包括不止一个低压清洁歧管414a、414b。例如，第一低压清洁歧管414a可以连接至清洁控制阀408的第一低压出口端口412a，以及第二低压清洁歧管414b可以连接至清洁控制阀408的第二低压出口端口412b。在一些实施方式中，外部设备可以是混合腔室，该混合腔室被配置为将低压清洁流体与材料混合以产生污浊流体(例如，压裂流体)以进行进一步处理。在一些实施方式中，外部设备可以是被配置为将使用过的清洁流体作为废弃物排出的废弃物罐或排泄管线。
在一些实施方式中，压力交换器400可以包括低压进口416。低压进口416可以被配置为接收低压污浊流体。在一些实施方式中，低压进口416可以连接至低压污浊歧管418。在一些实施方式中，低压进口416可以连接到至少两个低压污浊歧管419a、419b。例如，低压进口416中的一半可以连接到压力交换器400的第一侧420a上的第一低压污浊歧管419a，低压进口416中的另一半可以连接到压力交换器400的第二侧420b上的第二低压污浊歧管419b。在一些实施方式中，至少两个低压污浊歧管419a、419b可以通过流体导管422(例如，管道、歧管、管等)连接到共用的低压污浊歧管418。低压进口416可以通过共用的低压污浊歧管418连接到至少两个低压污浊歧管419a、419b。
在一些实施方式中，至少两个低压污浊歧管419a、419b可以连接到压力交换器400的低压进口端口424。在一些实施方式中，低压进口端口424可以是阀(例如，止回阀、控制阀等)。低压进口端口424可以被配置为使低压污浊流体能够进入腔室410。
在一些实施方式中，腔室410还可以包括高压出口端口426(例如，控制阀、止回阀等)。在一些实施方式中，高压出口端口426可以被配置为从压力交换器400释放高压污浊流体。在一些实施方式中，高压出口端口426可以被配置为耦接至外部处理设备(例如，井口、液压系统等)。
在一些实施方式中，每个清洁控制阀408和相关联的腔室410可以独立于能够通过高压清洁歧管404、低压清洁歧管414a、414b或低压污浊歧管419a、419b连接的相邻清洁控制阀408和腔室410进行操作。独立的清洁控制阀408和相关联的腔室410可以被布置为使得不止一个清洁控制阀408和相关联的腔室410可以被包括在一个牵引拖车上(例如，安装在相关联的牵引拖车的占地面积内)。在一些实施方式中，独立的清洁控制阀408和腔室410可以被配置为基本上竖向地堆叠，其中清洁控制阀408处于基本上水平的定向。在一些实施方式中，独立的清洁控制阀408和腔室410可以被配置为基本上水平地堆叠，其中清洁控制阀408处于基本上竖向的定向。
本公开内容的实施方式可以提供包括压力交换器的系统，该压力交换器可以起作用以减少在具有磨蚀性、腐蚀性或酸性流体的系统中高压泵、涡轮机和阀所经历的磨损量。减少的磨损可以使系统能够以较少的停机时间以及较少的与维修和/或更换系统部件相关联的费用运行较长的时间段，从而增加系统的收益或生产力。在高温下使用磨蚀性流体的作业诸如压裂作业中，系统部件的维修、更换和停机时间可以在一次作业中造成数百万美元的损失。本公开内容的实施方式可以使得在高温下使用磨蚀性、腐蚀性或酸性流体的系统的部件所经历的磨损减少。磨损的减少一般将使得成本降低且收益产量增加。
尽管本公开内容在本文中已经关于某些例示的实施方式进行了描述，但本领域技术人员将认识到并理解本公开内容并不限于此。而是在不背离权利要求书中所要求保护的包括其法定等同物的公开内容的范围的情况下，可以对例示的实施方式进行许多添加、删除和修改。另外地，来自一个实施方式的特征可以与另一实施方式的特征相结合，同时仍然被包含在本发明人所设想的公开内容的范围内。

Claims (20)

1.一种用于在至少两个流体流之间交换压力的系统，所述系统包括：
压力交换设备，所述压力交换设备包括：
至少一个罐；
至少一个高压进口，所述至少一个高压进口与所述至少一个罐连通，并且用于将处于第一较高压力的流体接收到所述至少一个罐中；
至少一个低压进口，所述至少一个低压进口与所述至少一个罐连通，并且用于将处于第一较低压力的井下流体接收到所述至少一个罐中；
至少一个高压出口，所述至少一个高压出口与所述至少一个罐连通，并且用于输出来自所述至少一个罐的处于第二较高压力的所述井下流体，所述第二较高压力大于所述第一较低压力；
至少一个低压出口，所述至少一个低压出口与所述至少一个罐连通，并且用于输出来自所述至少一个罐的处于第二较低压力的流体，所述第二较低压力小于所述第一较高压力；
包括线性阀致动器的阀设备，所述阀设备被配置为：
选择性地使处于所述第一较高压力的流体与处于所述第一较低压力的所述井下流体连通，以将所述井下流体加压至所述第二较高压力；以及
通过所述至少一个低压出口来选择性地从所述压力交换设备输出处于所述第二较低压力的所述流体；以及
至少一个泵，所述至少一个泵用于将处于所述第一较高压力的流体供应至压力设备的所述至少一个高压进口。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个低压出口通过流体导管耦接至所述至少一个低压进口。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括被定位在所述至少一个低压出口与所述至少一个低压进口之间的掺合器，所述掺合器被配置为将处于所述第二较低压力的流体更改为包括处于所述第一较低压力的压裂流体的所述井下流体。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阀致动器被配置为以可变速率移动，以便选择性地填充和清空与所述至少一个低压出口和所述至少一个高压进口连通的所述至少一个罐。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述阀设备被配置为：
当所述至少一个罐与所述至少一个低压出口连通时，使所述阀致动器以第一较高速率移动；以及
当所述至少一个罐过渡到与所述至少一个高压进口连通时，使所述阀致动器以低于所述第一较高速率的第二较低速率移动。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述压力交换设备的所述至少一个罐包括与所述阀设备耦接的两个罐。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述至少一个低压进口包括两个低压进口，所述至少一个低压出口包括两个低压出口，所述至少一个高压出口包括两个高压出口，所述至少一个高压出口包括唯一一个高压进口。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述两个罐与所述唯一一个高压进口连通，并且其中，所述两个罐中的每个罐与所述至少两个低压进口中的一个低压进口、所述至少两个高压出口中的一个高压出口以及所述至少两个低压出口中的一个低压出口连通。
9.根据权利要求4所述的系统，其中，所述至少一个高压出口和所述至少一个低压进口被定位在所述至少一个罐的第一端部上，其中，所述阀设备在所述至少一个罐的第二端部处耦接至所述至少一个罐，并且其中，所述至少一个高压进口和所述至少一个低压出口被定位在所述阀设备上。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，所述压力交换设备包括被定位成处于并行配置的至少两个压力交换设备。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，还包括附加的压力交换设备，所述压力交换设备和所述附加的压力交换设备被堆叠成处于并行配置，其中，一个或更多个歧管连接所述压力交换设备和所述附加的压力交换设备。
12.一种用于在至少两个流体流之间交换压力的系统，所述系统包括：
压力交换设备，所述压力交换设备包括：
高压进口，所述高压进口用于接收处于第一较高压力的流体；
至少两个低压进口，所述至少两个低压进口用于接收处于第一较低压力的井下流体；
至少两个高压出口，所述至少两个高压出口用于输出处于第二较高压力的所述井下流体，所述第二较高压力大于所述第一较低压力；
至少两个低压出口，所述至少两个低压出口用于输出处于第二较低压力的所述流体，所述第二较低压力小于所述第一较高压力；
包括线性阀致动器的阀设备，所述阀设备被配置为：
选择性地使处于所述第一较高压力的流体与处于所述第一较低压力的所述井下流体连通，以将所述井下流体加压至所述第二较高压力；以及
通过所述至少两个低压出口中的一个低压出口来选择性地从所述压力交换设备输出处于所述第二较低压力的流体；以及
至少一个泵，所述至少一个泵用于将处于所述第一较高压力的流体供应至压力设备的所述高压进口。
13.根据权利要求12所述的系统，还包括附加的压力交换设备，所述压力交换设备和所述附加的压力交换设备被堆叠成处于并行配置，其中，一个或更多个歧管连接所述压力交换设备和所述附加的压力交换设备。
14.一种用于在至少两个流体流之间交换压力的设备，所述设备包括：
至少一个高压进口，所述至少一个高压进口用于接收处于第一较高压力的流体；
至少一个低压进口，所述至少一个低压进口用于接收处于第一较低压力的井下流体；
至少一个高压出口，所述至少一个高压出口用于输出处于第二较高压力的所述井下流体，所述第二较高压力大于所述第一较低压力；
至少一个低压出口，所述至少一个低压出口用于输出处于第二较低压力的流体，所述第二较低压力小于所述第一较高压力；
阀设备，所述阀设备被配置为：
选择性地使处于所述第一较高压力的流体与处于所述第一较低压力的所述井下流体连通，以将所述井下流体加压至所述第二较高压力；以及
通过所述至少一个低压出口来选择性地从所述设备输出处于所述第二较低压力的所述流体；以及
至少一个罐，所述至少一个罐与所述至少一个高压出口、所述至少一个低压进口、所述至少一个高压进口和所述至少一个低压出口连通，其中，所述至少一个高压出口和所述至少一个低压进口被定位在所述至少一个罐的第一端部上，其中，所述阀设备在所述至少一个罐的第二端部处耦接至所述至少一个罐，并且其中，所述至少一个高压进口和所述至少一个低压出口被定位在所述阀设备上；
其中，所述阀设备被配置为以可变速率移动，以便选择性地填充和清空与所述至少一个低压出口和所述至少一个高压进口连通的所述至少一个罐。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述阀设备被配置为：
当与所述至少两个低压出口中的一个低压出口连通时，以第一较高速率移动；以及
当在与所述至少一个低压出口连通和与所述高压进口连通之间过渡时，以低于所述第一较高速率的第二较低速率移动。
16.一种在至少两个流体流之间交换压力的方法，所述方法包括：
从高压进口将处于第一较高压力的流体接收到压力交换器中；
从第一低压进口将处于第一较低压力的井下流体接收到所述压力交换器中；
使处于所述第一较高压力的流体与处于所述第一较低压力的所述井下流体连通，以便将所述井下流体加压至大于所述第一较低压力的第二较高压力；
输出处于所述第二较高压力的所述井下流体；
从所述高压进口将处于所述第一较高压力的附加流体接收到所述压力交换器中；以及
从第二低压进口将附加的井下流体接收到所述压力交换器中。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
使所述附加流体与所述附加的井下流体连通，以便将所述附加的井下流体基本上加压至所述第二较高压力；以及
通过一高压出口输出所述附加的井下流体，用于输出所述附加的井下流体的该高压出口与用于输出所述井下流体的另一高压出口分离。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括通过使阀设备的阀致动器以不止一个速度移动来调节处于所述第一较高压力的流体的流。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括：
当与低压出口连通时，使所述阀致动器以第一较高速率移动；以及
当过渡到与所述高压进口连通时，使所述阀致动器以低于所述第一较高速率的第二较低速率移动。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，还包括：
在对所述井下流体或所述附加的井下流体中的至少一者施压后，通过两个低压流体输出端中的至少一个低压流体输出端，输出所得的低压流体；
将所述所得的低压流体从所述两个低压流体输出端中的两者引导到掺合器；以及
在将所述所得的低压流体引导到所述掺合器后，将所述所得的低压流体引导回所述压力交换器中，作为处于基本上所述第一较低压力的另一井下流体。
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