CN116733430A - 基于操作时间表控制井口处的流体压力 - Google Patents
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Abstract
一种方法可以包括针对液压压裂系统的井口，监测所述液压压裂系统的一个或多个子系统的操作或状态。所述液压压裂系统可以包括一个或多个压裂钻机、一个或多个混合设备、和电连接到所述一个或多个压裂钻机的第一子集的一个或多个电源、或流体连接到所述一个或多个压裂钻机的第二子集的一个或多个燃料源。液压压裂系统还可以包括一个或多个投射阀、一个或多个拉链阀、一个或多个井口阀和一个或多个井口。所述方法还可以包括基于用于液压压裂系统的操作时间表并且基于监测操作或状态而控制所述状态或设备改变。
Description
技术领域
本公开一般涉及井口，且更特别地涉及基于操作时间表控制井口处的流体压力。
背景技术
液压压裂是用来从岩石提取石油和天然气的手段，通常用于补充水平钻探操作。特别地，高压流体用于压裂岩石，促进石油和天然气流过岩石以增加可取得的石油或天然气的量。用于注入高压流体或压裂流体的液压压裂钻机包括发动机、传动装置、驱动轴和泵，以及其他部件。
液压压裂可以涉及使用液压压裂系统，所述液压压裂系统包括多个液压压裂钻机，多个液压压裂钻机在相同或不同的压力下操作以实现流体的流量(例如，以桶/分钟测量)。该流体可以经由对应的井口被注入到地面的一个或多个井中。然而，液压压裂系统的操作通常涉及使用人类操作者来控制井口处的流体压力、流体到井口的流动等等。这些操作者经常必须在现场，并且经常必须在实地进行这种活动。这使操作者的安全处于危险中，可能不允许对变化的井或现场条件等等的足够快的响应时间。
2021年1月15日颁发的美国专利号11,035,207(“’207专利”)描述了当执行拉链液压压裂操作时或在一个井上发生钢缆泵送操作期间，而在第二井上同时发生主泵送操作的同时，使用泵送站。然而，’207专利未公开基于操作时间表监测液压压裂系统的一个或多个子系统的操作或状态并控制井处的流体压力。
本公开可解决上述问题中的一个或多个和/或本领域中的其它问题。然而，本公开的范围由所附权利要求限定，而不是由解决任何特定问题的能力限定。
发明内容
在一个方面，液压压裂系统可包括一个或多个压裂钻机、流体连接到一个或多个压裂钻机的入口的一个或多个混合设备、以及电连接到一个或多个压裂钻机的第一子集的一个或多个电源、或流体连接到一个或多个压裂钻机的第二子集的一个或多个燃料源。所述液压压裂系统还可包括流体连接到所述一个或多个压裂钻机的出口的一个或多个投射阀(missile valve)、流体连接到所述一个或多个投射阀的出口的一个或多个拉链阀、流体连接到所述一个或多个拉链阀的出口的一个或多个井口阀、以及流体连接到所述一个或多个井口阀的出口的一个或多个井口。所述液压压裂系统还可包括控制器，所述控制器被配置成针对所述一个或多个井口中的井口，监测所述液压压裂系统的一个或多个子系统的操作或状态。所述控制器还可被配置成基于用于液压压裂系统的操作时间表并且基于监测操作或状态，控制所述状态或设备改变。
在另一方面，一种方法可包括针对液压压裂系统的井口，监测所述液压压裂系统的一个或多个子系统的操作或状态。所述液压压裂系统可包括一个或多个压裂钻机、流体连接到所述一个或多个压裂钻机的入口的一个或多个混合设备、以及电连接到所述一个或多个压裂钻机的第一子集的一个或多个电源、或流体连接到所述一个或多个压裂钻机的第二子集的一个或多个燃料源。所述液压压裂系统还可包括流体连接到所述一个或多个压裂钻机的出口的一个或多个投射阀、流体连接到所述一个或多个投射阀的出口的一个或多个拉链阀、流体连接到所述一个或多个拉链阀的出口的一个或多个井口阀、以及流体连接到所述一个或多个井口阀的出口的一个或多个井口。所述方法还可以包括基于用于液压压裂系统的操作时间表并且基于监测操作或状态而控制所述状态或设备改变。
在又一方面，用于液压压裂系统的控制器可以被配置成针对液压压裂系统的井口监测液压压裂系统的一个或多个子系统的操作或状态。所述液压压裂系统可包括一个或多个压裂钻机、流体连接到所述一个或多个压裂钻机的入口的一个或多个混合设备、以及电连接到所述一个或多个压裂钻机的第一子集的一个或多个电源、或流体连接到所述一个或多个压裂钻机的第二子集的一个或多个燃料源。所述液压压裂系统还可包括流体连接到所述一个或多个压裂钻机的出口的一个或多个投射阀、流体连接到所述一个或多个投射阀的出口的一个或多个拉链阀、流体连接到所述一个或多个拉链阀的出口的一个或多个井口阀、以及流体连接到所述一个或多个井口阀的出口的一个或多个井口。所述控制器还可被配置成基于用于液压压裂系统的操作时间表并且基于监测操作或状态，控制所述状态或设备改变。
从以下描述和附图，本公开的其它特征和方面将变得显而易见。
附图说明
并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了各种示例性实施例，并与描述一起用于解释公开的实施例的原理。
图1是根据本公开的数个方面的包括多个压裂钻机、能量源和燃料类型的示例性液压压裂系统的示意图。
图2是根据本公开的数个方面的图1的液压压裂系统的数据监测系统和相关联的控制器的示意图。
图3是示出根据本公开的数个方面的示例性优化程序的图。
图4是示出根据本公开的数个方面的示例性控制逻辑程序的图。
图5示出了描绘根据本公开的数个方面的用于监测液压压裂系统的一个或多个子系统和控制井口处的流体压力的示例性方法的流程图。
具体实施方式
前面的一般描述和下面的详细描述都仅是示例性和说明性的，并且不限制所要求保护的特征。如本文所用的，术语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”、“具有(has)”、“具有(having)”、“包括(include)”、“包括(including)”或其其它变型旨在涵盖非排他性包含，使得包括元素列表的过程、方法、制品或设备不仅仅包括那些元素，而且可包括未明确列出或此类过程、方法、制品或设备固有的其它元素。在本公开中，除非另有说明，相对术语，例如，如，“约”、“基本上”和“大约”用于指示所述值的±10％的可能变化。
图1示出了根据本公开的数个方面的示例性液压压裂系统2。特别地，图1描绘了根据钻井/开采过程的油井增产阶段(例如，液压压裂阶段)的示例性现场布局，例如在已经在该现场钻出油井并且移除用于钻井的设备之后。液压压裂系统2可包括流体储罐4、沙子储罐6和用于制备压裂流体的混合设备8。可以例如包括水、沙子和一种或多种化学物质的压裂流体可以通过一个或多个低压流体管路34以压力注入到一个或多个压裂钻机10(图1示出了十个压裂钻机10和两种类型的压裂钻机——四个电压裂钻机10和六个液压压裂钻机10)。一种或多种类型的压裂钻机10可以与某些实施例结合使用，例如机械压裂钻机10、液压压裂钻机10、电压裂钻机10和/或类似物。一个或多个压裂钻机10可以通过一个或多个高压流体管路35以高压将压裂流体泵送到井口18(图1示出了四个井口18)。一个或多个压裂钻机10可由一个或多个钻机控制器19控制(例如，钻机控制器19可接收、处理和/或向压裂钻机10提供作业所希望的流动或压力)。
可以提供排出罐(图1中未示出)以从流体管路34和/或35接收排出液体或气体(例如，经由一个或多个自动减压阀13)。另外，由于各种原因而可能对液压压裂过程有益的氮气可以储存在罐中，其中泵送系统(图1中未示出)用于将氮气从该罐供应到流体管路35或井口18。
为了控制流体的流动，液压压裂系统2可包括各种类型的阀。例如，液压压裂系统2可包括在压裂钻机10的液压压裂泵的入口上游的一个或多个低压投射阀11(例如，低压投射阀11的入口可流体连接到流体管路34，且低压投射阀11的出口可流体连接到液压压裂泵的入口)。例如，低压投射阀11可以控制从流体管路34到压裂钻机10的液压压裂泵的流体流动。另外地或替代地，液压压裂系统2可包括一个或多个止回阀15(例如，致动的或单向止回阀15)，所述一个或多个止回阀可以在压裂钻机10所服务的压裂树上游(例如，压裂钻机10的泵的出口可以流体连接到止回阀15的入口，并且止回阀15的出口可以流体连接到压裂树的入口)。另外地或替代地，液压压裂系统2可包括润滑油系统的一个或多个大口径阀12(例如，开/关球阀)(图1示出了三个大口径阀12)。“大口径”可以指其中流动合并到一个管路中的管路，并且大口径阀12可以将井与投射管路隔绝。液压压裂系统2可包括系统17，所述系统可收集与液压压裂系统2有关的数据且可将数据提供至控制器58以便事件校正和/或维护监测。例如，控制器58可以基于来自系统17的数据来跟踪维护，并且可以例如在打开/关闭大口径阀12的一定数量的周期之后发送消息给操作者或系统17以润滑大口径阀12。一个或多个其它类似系统可以被包括在液压压裂系统2中以便监测液压压裂系统2的某些元件的操作和/或采取校正或维护相关动作。大口径阀12可以在止回阀15的出口下游(例如，大口径阀12的入口可以流体连接到止回阀15的出口)。另外地或替代地，液压压裂系统2可包括一个或多个自动减压阀13(图1示出了一个自动减压阀13)。例如，自动减压阀13可以在一个或多个大口径阀12的下游(例如，一个或多个自动减压阀13的入口可以流体连接到一个或多个大口径阀12的出口)。自动减压阀13可以被自动控制和/或触发以从流体管路35释放流体压力。
另外地或替代地，液压压裂系统2可包括自动减压阀13下游的一个或多个拉链阀14(图1示出四个拉链阀14)(例如，自动减压阀13的出口可流体连接到拉链阀14的入口)。拉链阀14可控制经由拉链管道37从流体管路35到单个井口18的流体流动(例如，拉链管道可将大口径阀12流体连接到井口18)。液压压裂系统2还可包括一个或多个井口阀16(图1示出四个井口阀16)，所述井口阀在拉链阀14的出口下游(例如，拉链阀14的出口可流体连接到井口阀16的入口)。井口阀16可以提供从流体管路35向井口18的另外的流体控制。
使用本公开的液压压裂系统2在现场执行的液压压裂过程以及该过程中使用的设备可以从单个位置(例如，位于现场或另外或替代位置的数据监测系统20)被管理和/或监测。根据实例，数据监测系统20可以被支撑在小货车、卡车上，或者可以是以其它方式可移动的。如下文将描述的，数据监测系统20可包括用户装置22，该用户装置用于显示或输入数据以便监测液压压裂系统2和/或压裂钻机10的性能且/或优化操作。根据一个实施例，由数据监测系统20收集的数据可以被离场或场外发送，以用于监测、记录或报告液压压裂系统2(或液压压裂系统2的元件)的性能，且/或用于执行与液压压裂系统2有关的计算。
数据监测系统20(或数据监测系统20的控制器)可以通信地连接到控制液压压裂系统2的子系统的液压压裂系统2的一个或多个控制器。例如，数据监测系统20可以通过有线或无线通信信道24连接到控制器。所述控制器可以包括井口阀控制器26，所述井口阀控制器通过有线或无线通信信道28连接到一个或多个井口阀16和/或井口18。井口阀控制器26可以被配置用来致动井口18的一个或多个井口阀16和/或一个或多个机械部件。阀或井口18的致动可包括将一个或多个机械部件致动到打开状态、关闭状态或部分关闭或部分打开状态。如这里描述的，致动可由关联致动器执行，该关联致动器可以与要被致动的部件成一体或可以为分离的部件(例如，阀的电致动可通过使用与阀成一体的致动器被执行，而液压致动可通过使用远离阀定位的致动器被执行)。另外地或替代地，控制器可包括拉链阀控制器30，该拉链阀控制器通过有线或无线通信信道32连接到一个或多个拉链阀14。拉链阀控制器30可以被配置用来致动一个或多个拉链阀14。
另外地或替代地，控制器可包括大口径阀控制器36，该大口径阀控制器通过有线或无线通信信道38连接到一个或多个大口径阀12。大口径阀控制器36可以被配置用来致动一个或多个大口径阀12。所述控制器还可包括阀控制器40，该阀控制器通过有线或无线通信信道42连接到一个或多个低压投射阀11和/或一个或多个止回阀15。阀控制器40可以被配置用来致动一个或多个低压投射阀11和/或一个或多个止回阀15。
另外地或替代地，所述控制器可包括混合器控制器44，该混合器控制器通过有线或无线通信信道46连接到混合设备8。混合器控制器44可以被配置用来控制混合设备8的操作(例如，控制压裂流体的制备)。所述控制器还可包括电源控制器48，该电源控制器通过有线或无线通信信道50连接到被包括在液压压裂系统2中的各种电源(例如，诸如气体或混合发电机54的发电机54、诸如电池或燃料电池的能量储存器55、和/或公用电网56)。图1中所示的发电机54可以是可移动发电机54，并且可以包括基于涡轮的发电机54或基于发动机的发电机54。其它电源可包括可再生能源，例如太阳能电池、风力涡轮机和/或来自微电网的类似物。电源控制器48可以被配置用来控制一个或多个电源且/或控制来自电源的电力供应。例如，电源控制器48可以接通或断开发电机54以满足电力期望，可以将液压压裂系统2的一个或多个设备从消耗来自公用电网56的电力切换到消耗来自一个或多个发电机54和/或能量储存器55的电力(或反之亦然)，等等。
燃料源52可以将燃料(例如，气体、压缩天然气(CNG)、氢(H2)、丙烷、气田天然气、柴油等)提供到机械压裂钻机10。向压裂钻机10提供燃料可以由与数据监测系统20相关联的控制器和/或与燃料源相关联的一个或多个其它控制器控制。
发电机54可以将能量提供到压裂钻机10。向压裂钻机10提供能量可以由与数据监测系统20相关联的控制器和/或与燃料源相关联的一个或多个其它控制器控制。
液压压裂系统2的元件可以被配置成在一个或多个操作模式中操作。所述一个或多个操作模式可包括手动模式，其中例如，操作者通过用户装置22将液压压裂系统2的元件的所希望的操作参数编程，并且操作者通过用户装置22使液压压裂系统2渐变到所希望的操作参数。另外，在手动模式中，根据这里描述的某些实施例，操作者可以通过用户装置22批准或拒绝由数据监测系统20确定的优化的操作参数。另外地或替代地，所述一个或多个操作模式可以包括半封闭模式，其中例如，操作者通过用户装置22使液压压裂系统2渐变到所希望的操作参数，并且控制器58可以基于操作者输入(例如，燃料优化、排放优化、总拥有成本优化等)优化液压压裂系统2的操作。
另外地或替代地，所述一个或多个操作模式可包括闭合模式，其中例如，操作者通过用户装置22将所希望的操作参数编程，并且一个或多个控制器(例如，控制器58和/或控制器64)使液压压裂系统2的操作渐变到希望的且/或优化的操作参数。另外地或替代地，所述一个或多个操作模式可以包括自主模式，其中例如，操作者远离数据监测系统20和/或液压压裂现场，且一个或多个控制器(例如，控制器58和/或控制器64)可以自动地监测且控制液压压裂系统2的操作参数(例如，自动地使液压压裂系统2的操作渐变到所希望的操作参数、确定并实施优化的操作参数等等)。自主模式另外可以包括通过用于液压压裂系统2的阀的子控制器在闭合模式中操作。另外地或替代地，所述一个或多个操作模式可以包括多现场模式，其中例如，操作者可以监测和/或控制不同现场处的多个液压压裂系统2的操作。在一些实施例中，多现场模式可以包括跨越多个压裂现场以自主模式操作。
参考图2，数据监测系统20可以包括用户装置22和控制器58。控制器58可以被提供，并且可以是数据监测系统20的一部分，或者可以与数据监测系统通信。控制器58可以全部或部分地存在于数据监测系统20或相对于液压压裂系统2的其它地方。用户装置22和控制器58可以通过一个或多个有线或无线连接彼此通信连接以便交换数据、指令等。此外，控制器58可以被配置用来通过有线或无线通信信道与一个或多个控制器64通信。例如，控制器58可以通过控制器64监测和控制液压压裂系统2的各种子系统。控制器64可以包括钻机控制器19、井口阀控制器26、拉链阀控制器30、大口径阀控制器36、阀控制器40、混合器控制器44和/或电源控制器48。
控制器64可以被配置用来与位于液压压裂系统2的元件上的一个或多个传感器(图2中未示出)通信。例如，阀控制器40可以被配置用来与位于一个或多个阀、压裂钻机10的部件(例如，发动机、泵等等)等等的一个或多个传感器通信。传感器可以被配置用来检测或测量与液压压裂系统2的各种元件的操作和/或性能相关的一个或多个物理性质。例如，传感器可以被配置用来向一个或多个控制器64提供指示阀的状态(例如，打开、关闭、打开百分比或关闭百分比)的传感器信号，所述控制器可以被配置用来将所述传感器信号提供到控制器58。
控制器58和/或控制器64可以包括处理器和存储器(图2中未示出)。处理器可以包括中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微处理器、数字信号处理器和/或其他处理单元或部件。另外地或替代地，这里描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件执行。例如，但不限于，可以使用的硬件逻辑部件的说明性类型包括现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。另外，所述处理器可以拥有其自己的本地存储器，所述本地存储器也可以存储程序模块、程序数据和/或一个或多个操作系统。所述处理器可以包括一个或多个内核。
存储器可以是非暂时计算机可读介质，所述非暂时计算机可读介质可以包括易失性和/或非易失性存储器、以任何方法或技术实现的用于存储例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据的信息的可移除和/或不可移除介质。这种存储器包括但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器或其他存储器技术、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能磁盘(DVD)或其他光学存储装置、盒式磁带、磁带、磁盘存储装置或其他磁存储装置、冗余阵列的独立磁盘(RAID)存储系统、或可用于存储希望的信息且可由计算装置访问(例如，用户装置22、服务器装置等等)的任何其他介质。存储器可以实施为计算机可读存储介质(CRSM)，其可以是处理器可访问以执行存储在存储器上的指令的任何可用物理介质。存储器可以具有存储在其上的操作系统(OS)和/或各种合适的应用程序。当由处理器执行时，所述OS可以实现对控制器58和/或控制器64的硬件和/或软件资源的管理。
存储器可能能够存储用来执行这里描述的某些操作(例如，控制器58和/或控制器64的操作)的各种计算机可读指令。所述指令当由处理器和/或硬件逻辑部件执行时可以引起这里描述的某些操作被执行。
控制器58可以存储和/或执行优化程序60以优化液压压裂系统2的操作(例如，基于存储在存储器中的或以其它方式被提供到控制器58(例如通过用户装置22)的、由控制器64收集的、或来自数据库的数据)。控制器58可以存储和/或执行控制逻辑程序62(如下面参考图4更详细地描述的)。由控制器58使用的数据可以包括现场配置相关信息、时间安排相关信息、成本相关信息、排放相关信息、操作相关或状态相关信息、系统操作参数等等。然而，可以使用各种其它另外的或替代的数据。
图3是示出根据本公开的数个方面的示例性优化程序60的图。如图3所示，优化程序60可以接收输入数据66并且可以借助优化算法76使用输入数据66。例如，优化程序60可以从用户装置22(例如，用户可以通过用户装置22输入输入数据66)、从服务器装置、从数据库、从液压压裂系统2的各种设备或其部件的存储器等等接收输入数据66。在液压压裂系统2的操作期间，在开始液压压裂系统2的操作之前等等，优化程序60可以接收输入数据66作为数据流。输入数据66可以被预先确定并且提供给优化程序60(例如，可以基于设备的实验或工厂测量)，可以由控制器58生成(例如，控制器58可以在现场广播ping通信以便从现场的设备接收响应ping以确定哪个设备存在，控制器58可以根据传感器信号测量输入数据66等等)，等等。
输入数据66可以包括现场配置相关信息68。例如，现场配置相关信息68可以包括液压压裂系统2的元件的数目和/或类型、压裂钻机10的动力系统类型(例如，机械或电动力系统配置)、机械动力系统的子类型(例如，排放认证燃式发动机的燃料类型或水平)、电动力系统的子类型(例如，涡轮发电机、往复发动机发电机、氢燃料电池、能量储存系统(例如电池)、或直接电网)、液压压裂系统2的元件的可能操作模式(例如，手动模式、半封闭模式、封闭模式、自主模式等等)、压裂钻机10在现场处的最大允许压力或流量、位于现场的其他设备的量和/或类型、在现场的设备的年龄、制造、型号、和/或配置，等等。另外地或替代地，输入数据66可以包括时间安排相关信息70。例如，时间安排相关信息70可以包括用于液压压裂系统2的某些操作的时间、日期、持续时间、位置等，例如，某些泵压力的计划时间和日期、阀的计划打开或关闭等。
另外地或替代地，输入数据66可以包括成本相关信息72。例如，成本相关信息72可以包括液压压裂系统2的燃料或动力的成本、液压压裂系统2的元件的总拥有成本(例如，包括维护成本、压裂流体的成本或人员成本)、排放成本(例如，应用于排放的监管成本或与减少排放相关的成本，例如柴油机排放流体(DEF)成本)，等等。另外地或替代地，输入数据66可以包括排放相关信息74。例如，排放相关信息74可以包括来自液压压裂系统2的元件(例如，在设备的不同操作水平)的排放的量，等等。另外地或替代地，输入数据66可以包括设备操作状态信息75。例如，设备操作状态可以包括液压压裂系统2的设备操作模式，例如用于验证改变设备的操作状态的请求。输入数据66可以包括取决于将由优化算法76优化的目标的各种其它类型的数据。例如，输入数据66可以包括传动齿轮寿命预测、泵空化预测、泵寿命预测、发动机寿命预测等等。
如这里更详细地描述的，优化算法76可以在接收输入数据66之后处理输入数据66。例如，优化算法76可以使用粒子群算法78处理输入数据66。优化算法76然后可以将用于液压压裂系统2的优化操作参数80输出到用户装置22以便观察或修改，输出到控制器58和/或控制器64以控制液压压裂系统2的操作，且/或输出到数据库以便存储。优化的操作参数80可以包括例如针对排放输出、燃料消耗、最低操作成本等等优化的发动机功率输出、齿轮比、发动机转数、节流阀控制、泵压力、流量或传动速度的值。
图4是示出根据本公开的数个方面的示例性控制逻辑程序62的图。如图4中所示，控制逻辑程序62可以接收操作相关或状态相关信息82并且可以将这种信息提供至控制逻辑84。操作相关或状态相关信息可以包括例如液压压裂系统2的井口18或其它元件处的操作压力、机械压裂钻机10的操作传动齿轮或速度或电压裂钻机10的功率消耗、液压压裂系统2或元件的燃料或功率消耗速率、压裂流体的混合物、某些类型的元件或某些类型的元件的某些实例是否在操作中、阀是打开的还是关闭的(或阀打开或关闭的程度)，和/或类似物。
控制逻辑程序62可以使用控制逻辑84处理操作相关或状态相关信息82。例如，控制逻辑84可以基于系统操作参数86，所述系统操作参数可以包括用于液压压裂系统2的操作极限、操作期望、操作基础等等。控制逻辑84然后可以基于该处理输出控制信号88。例如，控制信号88可以修改液压压裂系统2的操作以避免超过操作极限、使设备的操作渐变到操作预期、使设备的操作渐变到超出操作基线等等。
工业适用性
本公开的控制器58的多个方面，并且特别地由控制器58执行的方法可用于辅助监测液压压裂系统2的一个或多个子系统的操作或状态并且基于操作时间表控制井口18处的流体压力。因此，通过控制流体压力，这里描述的某些方面可以为液压压裂系统2的操作提供各种优点，例如帮助保证不发生某些事件，诸如超限压力或井倒塌。另外，控制器58可以根据操作时间表控制井口18，这可以通过减少或消除操作者存在于井口18的需要而提高压裂现场处的安全性。类似地，通过根据操作时间表自动地控制井口18，液压压裂操作可以更紧密地与预期时间安排对准，这可以减少液压压裂操作阶段之间的延迟，通过减少或消除由于偏离操作时间表的不正确压裂操作的实施而提高液压压裂现场处的安全性，等等。另外，控制器58可以(基于实时或近实时信息)以通过液压压裂系统2的基于操作者的操作非常困难或不可能的方式同时监测和控制多个不同井口18的操作。这可以增加液压压裂系统2的压裂操作的效率。
图5示出了描绘根据本公开的数个方面的用于监测和控制井口18的操作的示例性方法100的流程图。图5中示出的方法100可以由控制器58实施。这里描述的方法100的步骤可以被实施为存储在存储器中并由控制器58的处理器执行的机器可读且可执行的软件指令、软件代码或可执行计算机程序。软件指令还可以被实施为一个或多个例程、子例程或模块，且可利用各种辅助库和输入/输出功能与其它设备通信。图5中示出的方法100也可以与操作者界面(例如，人机接口，例如图形用户界面(GUI))关联，通过操作者界面，液压压裂系统2的操作者可以配置优化算法76和/或控制逻辑84，可以选择输入数据66或操作相关或状态相关信息82，可以为优化算法76设定目标(例如，粒子群算法78的目标)，等等。控制器58可以在关闭或打开井口18期间自动地致动一个或多个阀系统。例如，控制器58可以关闭井口18-1和拉链阀14-1，并且控制器58然后可以打开井口18-2和拉链阀14-2。控制器58可以控制井口18-1的关闭(例如，通过缓慢地关闭拉链阀14-1)以避免损坏液压压裂系统2的元件。另外地或替代地，控制器58可以基于井口18-2和/或拉链阀14-2的配置而确定打开井口18-2和打开拉链阀14-2的方式以避免损坏液压压裂系统2的元件。另外地或替代地，控制器58可以根据时间表自动地关闭和打开井口18-1和18-2。
在步骤102，控制器58可以针对液压压裂系统2的一个或多个井口18的井口18，监测液压压裂系统2的一个或多个子系统的操作或状态。例如，根据时间表等等，控制器58可以接收操作相关或状态相关信息82作为数据流。另外地或替代地，控制器58可以从传感器、从一个或多个控制器64(如通过用户装置22输入)、从服务器装置等等接收操作相关或状态相关信息82。在步骤102结合监测，控制器58可以通过用户装置22从存储器、从服务器装置、从远程控制中心等等另外接收系统操作参数86的配置。
对于某些井口18，子系统可以包括与将压裂流体泵送到井口18相关联的液压压裂系统2的特别设备。例如，所述一个或多个子系统可以包括混合设备8、某些压裂钻机10(例如，机械和/或电压裂钻机10)、压裂钻机10的部件(例如，用于机械压裂钻机10或可变频率驱动装置(VFD)的发动机、泵、传动装置等等，和用于电压裂钻机10的电动机)、某些低压投射阀11、某些大口径阀12、某些拉链阀14和/或拉链管道37和拉链阀14组、止回阀15、某些井口阀16、井口阀控制器26、拉链阀控制器30、大口径阀控制器36、阀控制器40、电源控制器48、某些燃料源52、电源、和/或类似者。例如，井口18可以具有专用阀、压裂钻机10等等，并且这些可以是针对井口18监测的子系统而不是监测液压压裂系统2的所有的阀、压裂钻机10等。这可以通过减少控制器58必须处理的信息量而节省控制器58的计算资源。
在一些实施例中，可以同时针对多个井口18监测一个或多个子系统的操作或状态。例如，图1将液压压裂系统2示出为包括四个井口18。在这个实例中，控制器58可以针对第一井口18监测第一压裂钻机10、第一投射阀11、第一大口径阀12、第一拉链阀14和第一井口阀16的操作或状态，可以针对第二井口18监测第二压裂钻机10、第二投射阀11、第二大口径阀12、第二拉链阀14和第二井口阀16的操作或状态等等。
在步骤104，控制器58可以基于用于液压压裂系统2的操作时间表并且基于监测操作或状态而控制状态或设备改变。例如，控制器58可以基于确定一个或多个子系统不满足操作预期或超过操作极限而自动地控制状态或设备改变。在一些实施例中，控制器58可以使用控制逻辑84处理在步骤102接收的信息，从而确定是否已超过操作极限、液压压裂系统2的设备是否至少以最小操作基线或在预期范围内操作，等等。例如，控制器58可以执行操作相关或状态相关信息82与系统操作参数86的比较，并且可以确定该设备不满足预期或超出操作极限。根据这个分析，控制器58可以确定哪个设备、设备的部件等正引起问题。例如，如果控制器58确定井口18处的流体压力超过压力极限并且另外确定一个或多个拉链阀14关闭到比预期更大的量，则控制器58可以确定过度关闭的拉链阀14是过度流体压力的原因。
控制器58然后可以将控制信号88提供到控制器64且/或直接提供到液压压裂系统2的设备以修改设备的操作。例如，控制器58可以提供控制信号88以修改一个或多个阀打开或关闭的程度以修改井口18处的流体压力。另外地或替代地，控制器58可以将操作参数(或用于修改操作参数的指令)输出到控制器64，并且控制器64可以生成控制信号88。在某些实施例中，从控制器58输出的操作参数可以包括优化的操作参数80(例如，控制器58可以在输出控制信号88之前执行优化算法76，如在本文其它地方更详细地描述的)。
操作时间表可以包括用于井口18的操作的天数、次数、持续时间等，以及用于各种不同天数、次数、持续时间等的对应流体压力(例如，用于计划的井完工)。当控制流体压力时，控制器58可以处理操作时间表以确定是否需要修改流体压力，以确定用于实现流体压力(或防止压力极限被超过)的优化的操作参数，等等。例如，控制器58可以处理操作时间表以确定井口18处的流体压力是否匹配计划的流体压力，基于压裂操作已经在现场被执行的时间量而确定增大还是减小流体压力，等等。这可以以通过操作者控制的液压压裂操作非常困难或不可能的方式促进液压压裂操作的连续操作、控制信号88的预先时间安排等等，这可以增加液压压裂系统2的液压压裂操作的效率。
结合步骤102和104，控制器58可以监测包括液压压裂系统2的各种阀的打开或关闭状态的信息，并且可以控制该阀以防止通过在封闭路径上泵送而在井口18处超过压力极限。例如，控制器58可以生成控制信号88以致动阀的机械部件以调节阀打开或关闭的程度。另外地或替代地，结合步骤102和104，控制器58可以监测和控制混合设备8以防止液压压裂系统2下降到最小抽吸压力以下或低于系统的低压极限。例如，控制器58可以生成控制信号88以调节压裂流体的混合物、混合设备8的输出流量等。
另外地或替代地，结合步骤102和104，控制器58可以监测和控制压裂钻机10的泵。例如，控制器58可以监测泵的输出压力或流量(例如，单独地或结合液压压裂系统2的阀处的压力)，并且可以基于在井口18处检测到的下游压力而生成控制信号88以增加或减小来自泵的流量或压力。作为另一实例，控制器58可以监测一个或多个子系统且将其控制在流体压力的安全极限内。例如，当控制器58检测到操作参数已超过安全极限或在流体压力的安全极限的阈值百分比内时，控制器58可以生成控制信号88以增加或减小与安全极限有关的某些操作参数以引起液压压裂系统2的某些设备的强制停止，等等。
尽管图5中示出的方法100被描述为包括步骤102和104，但方法100可以不包括所有这些步骤或者可以包括另外的或不同的步骤。例如，控制器58可以基于对一个或多个子系统的操作或状态的监测在操作极限内或基于操作期望控制一个或多个子系统以引起或防止一个或多个事件的发生。所述一个或多个事件可以与液压压裂操作期间的井完整性有关。例如，要引起的一个或多个事件可以包括：井压力满足或维持最小井压力、井压力在压力值的范围内、满足或维持最小操作速度的一个或多个子系统的操作速度(例如，传动速度)、操作速度在速度值的范围内等等。另外地或替代地，例如，要被防止的一个或多个事件可以包括井压力超过压力极限、井倒塌、一个或多个子系统停滞、偏离压裂时间表等等。
另外地或替代地，由于混合器设备8未提供足够的压力，某些实施例可以防止低压管路上的空化。例如，控制器58可以向混合器设备8发送指令以在泵速度增加之前增加速度。另外地或替代地，某些实施例可以控制操作效率以通过控制燃料压力而防止燃料损失、通过控制气体压力而防止混合损失等等。另外地或替代地，通过防止电力或电压的损失、防止在电源准备好之前启动电压裂钻机10(例如，通过在渐变之前检查电力)等等，某些实施例可以防止电压裂钻机10的操作中断。
另外地或替代地，方法100可以包括使用粒子群算法或另一类型的优化算法来优化液压压裂系统2的一个或多个子系统的操作。例如，粒子群算法可以迭代地调整操作参数以寻找实现优化目标的一组优化的操作参数80(P1，P2，...P n)。以这种方式，这里使用的“优化的”、“优化”和类似术语可以指基于一些标准(目标)从一组可用值选择值(对于操作参数)。目标可以是任何合适的类型，例如最小化液压压裂系统2的压裂操作的成本、最小化液压压裂系统2的燃料或电力消耗、最小化来自液压压裂系统2的排放、最大化液压压裂系统2的设备的操作寿命、最小化液压压裂操作的总时间、最小化液压压裂操作中使用的设备的拥有成本、最大化液压压裂系统2的设备的维护间隔、和/或其任何组合。另外，且作为另一实例，方法100还可以包括输出优化的操作参数80。例如，控制器58可以将优化的操作参数80输出到一个或多个目的地以便显示(例如，用于操作者的批准和/或修改)、存储(例如，用于历史比较或分析、用于以后的使用等)、包括到控制信号中(例如，引起液压压裂系统2的元件根据优化的操作参数80操作的控制信号88)，等等。关于包括在控制信号88中，控制器58可以使用处理器来生成控制信号88并且可以使用收发器(或发射器)将控制信号88输出到控制器64或液压压裂系统2的设备以引起设备以特别方式操作。以这种方式，控制器58可以节省液压压裂系统2的设备寿命、燃料、排放、电力等。
通过对目标进行优化以及为设备生成对应的控制信号88，某些实施例可以节约与液压压裂系统2相关联的资源(例如，操作寿命、电力资源、燃料资源等)，并且可以促进液压压裂系统2的系统级效率或现场的改进。通过考虑某些设备操作影响现场级或系统级目标的方式，与单个设备的优化相比，现场或系统级优化可以进一步促进效率增加和资源节约。例如，如果液压压裂系统2的目标是将燃料消耗和排放减小到阈值以下，同时保持流体压力和操作时间表，控制器58可确定修改各种混合设备8的操作和各种压裂钻机10的操作中的任一个可将燃料消耗和排放减小到合适的水平，但仅修改混合设备8的操作将保持液压压裂操作按计划进行。一个或多个目的地可包括用户装置22(或用户装置22的显示器)、服务器装置、控制器、数据库、存储器等。
以这种方式，某些实施例的控制器58可以基于操作时间表提供对井口18处的流体压力的实时(或近实时)监测和控制。通过促进响应于实时或近实时条件的流体压力的自动控制(这可以提高操作的效率)，这可以从现场级角度改善液压压裂系统2的操作。另外，通过提供对多个井口18和/或多个压裂现场上的变化的流体压力条件的更快响应，通过减少或消除对人类操作者物理地存在于井口18的需要等等，这里描述的某些实施例可以增加液压压裂系统2处的安全性。此外，某些实施例可以通过基于操作时间表的控制而减少或消除液压压裂操作阶段之间的延迟，这可以通过减少执行液压压裂操作所需的时间量而提高液压压裂系统2的效率、节省燃料或电力资源，等等。
对本领域技术人员来说显然的是，可以对所公开的系统作出各种修改和更改而不偏离本公开的范围。通过考虑这里公开的系统的说明和实践，所述系统的其它实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。说明书和示例旨在被认为仅仅是示例性的，本公开的真实范围由下面的权利要求书及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种液压压裂系统，包括：
一个或多个压裂钻机；
流体连接到所述一个或多个压裂钻机的入口的一个或多个混合设备；
电连接到所述一个或多个压裂钻机的第一子集的一个或多个电源，或流体连接到所述一个或多个压裂钻机的第二子集的一个或多个燃料源；
流体连接到所述一个或多个压裂钻机的出口的一个或多个投射阀；
流体连接到所述一个或多个投射阀的出口的一个或多个拉链阀；
流体连接到所述一个或多个拉链阀的出口的一个或多个井口阀；
流体连接到所述一个或多个井口阀的出口的一个或多个井口；以及
控制器，其中所述控制器被配置成：
针对所述一个或多个井口的井口，监测所述液压压裂系统的一个或多个子系统的操作或状态，以及
基于用于所述液压压裂系统的操作时间表并且基于监测所述操作或所述状态，控制所述状态或设备改变。
2.根据权利要求1所述的液压压裂系统，其中所述一个或多个子系统与将压裂流体泵送到所述井口相关联，并且所述一个或多个子系统包括所述一个或多个压裂钻机中的至少一个压裂钻机的泵、所述一个或多个投射阀中的至少一个、所述一个或多个井口阀中的至少一个或所述一个或多个拉链阀中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的液压压裂系统，其中所述控制器还被配置成：
基于所述操作时间表、所述操作或所述状态，针对所述一个或多个投射阀中的至少一个、所述一个或多个拉链阀中的至少一个或所述一个或多个井口阀中的至少一个控制一个或多个阀状态。
4.根据权利要求3所述的液压压裂系统，其中所述控制器在监测所述操作或所述状态时还被配置成：
监测所述一个或多个投射阀、所述一个或多个井口阀或所述一个或多个拉链阀的打开或关闭状态；以及
其中所述控制器在控制流体压力时还被配置成：
控制所述一个或多个投射阀、所述一个或多个井口阀或所述一个或多个拉链阀以防止所述液压压裂系统通过在封闭路径上泵送而超过压力极限。
5.根据权利要求1所述的液压压裂系统，其中所述控制器在控制所述状态或所述设备改变时还被配置成：
关闭所述一个或多个井口的第一井口并且关闭与所述第一井口相关联的所述一个或多个拉链阀的第一子集；以及
在关闭所述第一井口并且关闭所述第一子集之后，打开所述一个或多个井口的第二井口并且打开与所述第二井口相关联的所述一个或多个拉链阀的第二子集。
6.根据权利要求1所述的液压压裂系统，其中所述控制器还被配置成以一个或多个操作模式操作，其中所述一个或多个操作模式包括以下中的至少一个：
封闭模式，
自主模式，或
多现场模式。
7.根据权利要求1所述的液压压裂系统，其中针对多个液压压裂现场执行所述操作或所述状态的监测。
8.一种方法，包括：
针对液压压裂系统的井口，监测所述液压压裂系统的一个或多个子系统的操作或状态，其中所述液压压裂系统包括：
一个或多个压裂钻机，
流体连接到所述一个或多个压裂钻机的入口的一个或多个混合设备，
一个或多个电源，所述一个或多个电源电连接到所述一个或多个压裂钻机的第一子集，或一个或多个燃料源，所述一个或多个燃料源流体连接到所述一个或多个压裂钻机的第二子集，
流体连接到所述一个或多个压裂钻机的出口的一个或多个投射阀，
流体连接到所述一个或多个投射阀的出口的一个或多个拉链阀，
流体连接到所述一个或多个拉链阀的出口的一个或多个井口阀，和
流体连接到所述一个或多个井口阀的出口的一个或多个井口；以及
基于用于所述液压压裂系统的操作时间表并且基于监测所述操作或所述状态，控制所述状态或设备改变。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述操作或所述状态的监测还包括：
监测所述一个或多个投射阀、所述一个或多个井口阀或所述一个或多个拉链阀的打开或关闭状态；并且
其中所述控制还包括：
控制所述一个或多个投射阀、所述一个或多个井口阀或所述一个或多个拉链阀的打开或关闭状态以防止所述液压压裂系统通过在封闭路径上泵送而使流体压力超过压力极限。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述流体压力的控制还包括：
关闭所述一个或多个压裂钻机的压裂钻机以及所述一个或多个混合设备的混合设备；
关闭所述一个或多个井口的第一井口以及与所述第一井口相关联的拉链阀的第一子集；
打开所述一个或多个井口的第二井口以及与所述第二井口相关联的拉链阀的第二子集；以及
启动所述压裂钻机和所述混合设备。
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