ES2692897T3

ES2692897T3 - Sistema energizado eléctricamente, modular, móvil para uso en formaciones subterráneas de fracturación

Info

Publication number: ES2692897T3
Application number: ES12767292.1T
Authority: ES
Inventors: Todd COLI; Eldon SCHELSKE
Original assignee: Evolution Well Services LLC
Current assignee: Evolution Well Services LLC
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2018-12-05
Anticipated expiration: 2032-04-06
Also published as: CA2845347A1; BR122020025342B1; US20150068754A1; EP4407143A2; EP3456915B1; BR112013025880A2; BR122020025342A2; CA2835904A1; US10895138B2; EP3444431B1; US20180363435A1; CA3012331C; US10851634B2; BR122020025374B1; BR122020025337A2; EP4265883A2; EP4276275A3; BR122020025337B1; BR122020025374B8; US9366114B2

Abstract

Un método para suministrar fluido de fracturación a un recinto de pozo, el método comprende las etapas de: proporcionar una fuente dedicada de energía (30) eléctrica a un sitio que contiene un recinto de pozo que se va a fracturar; proporcionar uno o más módulos (20) de fracturación eléctrica en el sitio, el módulo (20) de fracturación eléctrica que comprende un motor (21) eléctrico y una bomba (22) de fluido acoplada, el motor (21) eléctrico asociado operativamente con la fuente dedicada de energía (30) eléctrica; proporcionar un módulo (40) mezclador eléctrico, el módulo (40) mezclador eléctrico comprende: una fuente (48) de fluido, una fuente (44) aditiva de fluido, y una cubeta (46) de mezclador; suministrar energía eléctrica desde la fuente (30) dedicada hasta el módulo (40) mezclador eléctrico para efectuar mezcla de un fluido desde la fuente (48) de fluido con un aditivo de fluido desde la fuente (44) aditiva de fluido para generar el fluido de fracturación; proporcionar el fluido de fracturación para suministro presurizado a un recinto de pozo; y operar los módulos (20) de fracturación utilizando energía eléctrica desde la fuente dedicada para bombear el fluido de fracturación hasta el recinto de pozo.

Description

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DESCRIPCION

Sistema energizado electricamente, modular, movil para uso en formaciones subterraneas de fracturacion

1. Campo de la invencion

Esta invencion se relaciona en general con la estimulacion hidraulica de formaciones subterraneas con hidrocarburos y mas particularmente con la generacion y el uso de energia electrica para suministrar fluido de fracturacion a un recinto de pozo.

2. Descripcion de la tecnica relacionada

Durante el ciclo de vida de un recinto de pozo que produce hidrocarburos tipicos se pueden suministrar diversos fluidos (junto con aditivos, agente apuntalante, geles, cemento, etc...) al recinto de pozo bajo presion y se inyectan en el recinto de pozo. Los sistemas de bombeo de superficie tienen que tener la capacidad de acomodar estos diversos fluidos. Dichos sistemas de bombeo normalmente se movilizan en patines o tractores con remolques y se energizan utilizando motores diesel.

Los avances tecnologicos han mejorado enormemente la capacidad de identificar y recuperar recursos de petroleo y gas no convencionales. Notablemente, la perforacion horizontal y la fracturacion en multiples etapas han llevado al surgimiento de nuevas oportunidades para la produccion de gas natural a partir de formaciones de esquistos. Por ejemplo, se han reportado mas de veinte intervalos fracturados en un unico recinto de pozo horizontal en una formacion de gas natural compacta. Sin embargo, se requieren operaciones de fracturacion significativas para recuperar estos recursos.

Actualmente, las oportunidades de recuperacion de gas natural contempladas requieren una infraestructura operativa considerable que incluye grandes inversiones en equipos de fracturacion y personal relacionado. Notablemente, las bombas de fluidos estandar requieren grandes cantidades de combustible diesel y programas de mantenimiento de equipos frecuentes. Normalmente, tal como se divulga en el documento US2007/277982 A1, cada bomba de fluido se aloja en una configuracion de remolque y camion dedicados. Las operaciones de fracturacion promedio requieren tanto como cincuenta bombas de fluido, el area del sitio, o "espacio ocupado" que se requiere para acomodar estas operaciones de fracturacion es enorme. Como resultado, la infraestructura operativa requerida para soportar estas operaciones de fracturacion es extensa. Seria deseable una mayor eficiencia operativa en la recuperacion del gas natural. El documento US 2007/125544 A1 divulga un dispositivo de agrietamiento con una bomba central para proporcionar medio presurizado para diversos recintos de pozos y en virtud del documento US2008/264640 A1 se divulga un tratamiento de pozo que utiliza un sistema de bombeo sumergible electrico.

Cuando se planifican grandes operaciones de fracturacion, una cuestion logistica importante es la disponibilidad de combustible diesel. Los excesivos volumenes de combustible diesel requeridos necesitan transporte constante de diesel en camiones cisterna hacia el sitio y resultan en emisiones de dioxido de carbono significativas. Otros han intentado reducir el consumo de combustible y las emisiones al hacer funcionar motores de grandes bombas con "Bicombustible", mezclar gas natural y combustible diesel pero con exito limitado. Adicionalmente, los intentos de reducir la cantidad de personal en el sitio al implementar monitorizacion remota y control operativo no han tenido exito ya que todavia se requiere personal en el sitio para transportar el equipo y el combustible hacia y desde la ubicacion.

Resumen

Diversas realizaciones ilustrativas de un sistema y metodo para estimulacion hidraulica de formaciones subterraneas con hidrocarburos se proporcionan en el presente documento. De acuerdo con un aspecto de la materia objeto divulgada, se proporciona un metodo para suministrar fluido de fracturacion a un recinto de pozo. El metodo puede comprender las etapas de: proporcionar una fuente dedicada de energia electrica a un sitio que contiene un recinto de pozo que se va a fracturar; proporcionar uno o mas modulos de fracturacion electrica en el sitio, cada modulo de fracturacion electrica que comprende un motor electrico y una bomba de fluido acoplada, cada motor electrico asociado operativamente con la fuente dedicada de energia electrica; proporcionar un fluido de tratamiento de recinto de pozo para suministro presurizado a un recinto de pozo, en el que el fluido de tratamiento de recinto de pozo puede ser continuo con la bomba de fluido y con el recinto de pozo; y operar la unidad de fracturacion utilizando energia electrica desde la fuente dedicada para bombear el fluido de tratamiento hasta el recinto de pozo.

En ciertas realizaciones ilustrativas, la fuente dedicada de energia electrica es un generador de turbina. Se puede proporcionar una fuente de gas natural, por lo cual el gas natural acciona el generador de turbina en la produccion de energia electrica. Por ejemplo, se puede proporcionar gas natural en tuberia, o gas natural producido en sitio. Los combustibles liquidos tales como condensado tambien se pueden proporcionar para accionar el generador de turbina.

En ciertas realizaciones ilustrativas, el motor electrico puede ser un motor de iman permanente de CA y/o a motor de velocidad variable. El motor electrico puede ser capaz de operacion en el rango de hasta 1500 rpms y hasta 20.000 pies/libras de torque. La bomba puede ser una bomba de fluido de estilo embolo triple o quintuple.

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En ciertas realizaciones ilustrativas, el metodo puede comprender adicionalmente las etapas de: proporcionar un modulo mezclador electrico continuo y/o asociado operativamente con la bomba de fluido, el modulo de mezclador comprende: una fuente de fluido, una fuente aditiva de fluido, y una cubeta de mezclador centrifuga, y suministrar energia electrica desde la fuente dedicada hasta el modulo de mezclador para efectuar mezcla del fluido con aditivos de fluido para generar el fluido de tratamiento.

De acuerdo con otro aspecto de la materia objeto divulgada, se proporciona un sistema para uso en suministrar fluido presurizado a un recinto de pozo. El sistema puede comprender: un sitio de pozo que comprende un recinto de pozo y una fuente dedicada de electricidad; un modulo de fracturacion energizado electricamente asociado operativamente con la fuente dedicada de electricidad, el modulo de fracturacion energizado electricamente que comprende un motor electrico y una bomba de fluido acoplada al motor electrico; una fuente de fluido de tratamiento, en la que el fluido de tratamiento puede ser continuo con la bomba de fluido y con el recinto de pozo; y un sistema de control para regular el modulo de fracturacion en el suministro de fluido de tratamiento desde la fuente de fluido de tratamiento hasta el recinto de pozo.

En ciertas realizaciones ilustrativas, la fuente de fluido de tratamiento puede comprender un modulo de mezclador energizado electricamente asociado operativamente con la fuente dedicada de electricidad. El sistema puede comprender adicionalmente un remolque de fracturacion en el sitio de pozo para alojar uno o mas modulos de fracturacion. Cada modulo de fracturacion se puede adaptar para montar de forma desmontable sobre el remolque. El sistema puede comprender adicionalmente un modulo de bombeo de repuesto que comprende una bomba y un motor electrico, el modulo de bombeo de repuesto adaptado para montar de forma desmontable sobre el remolque. En ciertas realizaciones ilustrativas, el modulo de bombeo de repuesto puede ser un modulo de bombeo de nitrogeno, o un modulo de bombeo de dioxido de carbono. El modulo de bombeo de repuesto puede ser, por ejemplo, un torque alto, motor de baja velocidad o un torque bajo, motor de alta velocidad.

De acuerdo con otro aspecto de la materia objeto divulgada, se proporciona un modulo de fracturacion para uso en suministrar fluido presurizado a un recinto de pozo. El modulo de fracturacion puede comprender: un motor de iman permanente de CA capaz de operacion en el rango de hasta 1 500 rpms y hasta 20.000 pies/libras de torque; y una bomba de fluido estilo embolo acoplado al motor.

De acuerdo con otro aspecto de la materia objeto divulgada, se proporciona un metodo para mezclar un fluido de fracturacion para suministro a un recinto de pozo que se va a fracturar. Se puede proporcionar una fuente dedicada de energia electrica a un sitio que contiene un recinto de pozo que se va a fracturar. Se puede proporcionar por lo menos un modulo mezclador electrico en el sitio. El modulo mezclador electrico puede incluir una fuente de fluido, una fuente aditiva de fluido, y una cubeta de mezclador. Se puede suministrar energia electrica desde la fuente dedicada hasta el modulo mezclador electrico para efectuar mezcla de un fluido desde la fuente de fluido con un aditivo de fluido desde la fuente aditiva de fluido para generar el fluido de fracturacion. La fuente dedicada de energia electrica puede ser un generador de turbina. Se puede proporcionar una fuente de gas natural, en la que el gas natural se utiliza para accionar el generador de turbina en la produccion de energia electrica. El fluido de la fuente de fluido se puede mezclar con el aditivo de fluido de la fuente aditiva de fluido en la cubeta de mezclador. El modulo mezclador electrico tambien puede incluir por lo menos un motor electrico que se asocia operativamente con la fuente dedicada de energia electrica y que efectua la mezcla del fluido de la fuente de fluido con el aditivo de fluido de la fuente aditiva de fluido.

En ciertas realizaciones ilustrativas, el modulo mezclador electrico puede incluir un primer motor electrico y un segundo motor electrico, cada uno de los cuales se asocia operativamente con la fuente dedicada de energia electrica. El primer motor electrico puede efectuar el suministro del fluido desde la fuente de fluido hasta la cubeta de mezclador. El segundo motor electrico puede efectuar la mezcla del fluido de la fuente de fluido con el aditivo de fluido de la fuente aditiva de fluido en la cubeta de mezclador. En ciertas realizaciones ilustrativas, tambien puede estar presente un tercer motor electrico opcional, que tambien se puede asociar operativamente con la fuente dedicada de energia electrica, El tercer motor electrico puede efectuar el suministro del aditivo de fluido desde la fuente aditiva de fluido hasta la cubeta de mezclador.

En ciertas realizaciones ilustrativas, el modulo mezclador electrico puede incluir una primera unidad de mezclador y una segunda unidad de mezclador, cada uno dispuesto adyacente entre si sobre el modulo de mezclador y cada uno capaz de operacion independiente, o colectivamente capaz de operacion cooperativa, segun se desee. La primera unidad de mezclador y la segunda unidad de mezclador puede cada una incluir una fuente de fluido, una fuente aditiva de fluido, y una cubeta de mezclador. La primera unidad de mezclador y la segunda unidad de mezclador cada una pueden tener por lo menos un motor electrico que se asocia operativamente con la fuente dedicada de energia electrica y que efectua la mezcla del fluido de la fuente de fluido con el aditivo de fluido desde la fuente aditiva de fluido. Alternativamente, la primera unidad de mezclador y la segunda unidad de mezclador puede cada tener un primer motor electrico y un segundo motor electrico, ambos asociados operativamente con la fuente dedicada de energia electrica, en la que el primer motor electrico efectua el suministro del fluido desde la fuente de fluido hasta la cubeta de mezclador y el segundo motor electrico efectua la mezcla del fluido de la fuente de fluido con el aditivo de fluido de la fuente aditiva de fluido en la cubeta de mezclador. En ciertas realizaciones ilustrativas, la primera unidad de mezclador y la segunda unidad de mezclador cada una tambien puede tener un tercer motor

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electrico asociado operativamente con la fuente dedicada de energia electrica, en la que el tercer motor electrico efectua suministro del aditivo de fluido desde la fuente aditiva de fluido hasta la cubeta de mezclador.

De acuerdo con otro aspecto de la materia objeto divulgada, se proporciona un modulo mezclador electrico para uso en suministrar un fluido de fracturacion mezclado a un recinto de pozo. El modulo mezclador electrico puede incluir una primera unidad de mezclador accionada electricamente y un primer multiple de entrada acoplado a la primera unidad de mezclador accionada electricamente y capaz de suministrar un fluido de fracturacion no mezclado a la misma. Un primer multiple de salida se puede acoplar a la primera unidad de mezclador accionada electricamente y puede ser capaz de suministrar el fluido de fracturacion mezclado lejos de esta. Se puede proporcionar una segunda unidad de mezclador accionada electricamente. Un segundo multiple de entrada se puede acoplar a la segunda unidad de mezclador accionada electricamente y capaz de suministrar el fluido de fracturacion no mezclado a esta. Un segundo multiple de salida se puede acoplar a la segunda unidad de mezclador accionada electricamente y puede ser capaz de suministrar el fluido de fracturacion mezclado lejos de esta. Una linea de cruce de entrada se puede acoplar a tanto el primer multiple de entrada y el segundo multiple de entrada y puede ser capaz de suministrar el fluido de fracturacion no mezclado entre ellos. Una linea de cruce de salida se puede acoplar a tanto el primer multiple de salida como el segundo multiple de salida y puede ser capaz de suministrar el fluido de fracturacion mezclado entre ellos. Se puede proporcionar un patin para alojar la primera unidad de mezclador accionada electricamente, el primer multiple de entrada, la segunda unidad de mezclador accionada electricamente, y el segundo multiple de entrada.

Otros aspectos y caracteristicas de la presente invencion seran evidentes para aquellos expertos en la tecnica luego de analizar la siguiente descripcion detallada en conjunto con las figuras acompanantes.

Breve descripcion de los dibujos

Una mejor comprension de la materia objeto divulgada actualmente se puede obtener cuando se considere la siguiente descripcion detallada en conjunto con los siguientes dibujos en los que:

La Figura 1 es una vista de plano esquematica de un sitio de fracturacion tradicional;

La Figura 2 es una vista de plano esquematica de un sitio de fracturacion de acuerdo con ciertas realizaciones ilustrativas descritas en este documento;

La Figura 3 es una vista en perspectiva esquematica de un remolque de fracturacion de acuerdo con ciertas realizaciones ilustrativas descritas en este documento;

La Figura 4A es una vista en perspectiva esquematica de un modulo de fracturacion de acuerdo con ciertas realizaciones ilustrativas descritas en este documento;

La Figura 4B es una vista en perspectiva esquematica de un modulo de fracturacion con personal de mantenimiento de acuerdo con ciertas realizaciones ilustrativas descritas en este documento;

La Figura 5A es una vista lateral esquematica de un modulo de mezclador de acuerdo con ciertas realizaciones ilustrativas descritas en este documento;

La Figura 5B es una vista de extremo del modulo de mezclador mostrado en la Figura 4A;

La Figura 5C es una vista superior esquematica de un modulo de mezclador de acuerdo con ciertas realizaciones ilustrativas descritas en este documento;

La Figura 5D es una vista lateral esquematica del modulo de mezclador mostrado en la Figura 5C;

La Figura 5E es una vista en perspectiva esquematica del modulo de mezclador mostrado en la Figura 5C;

La Figura 6 es una vista superior esquematica de un multiple de entrada para un modulo de mezclador de acuerdo con ciertas realizaciones ilustrativas descritas en este documento; y

La Figura 7 es una vista superior esquematica de un multiple de salida para un modulo de mezclador de acuerdo con ciertas realizaciones ilustrativas descritas en este documento.

Descripcion detallada

La materia objeto actualmente divulgada se refiere en general a un sistema de fracturacion energizado electricamente y un sistema y metodo para la provision de energia electrica en el sitio y el suministro de fluido de fracturacion a un recinto de pozo en una operacion de fracturacion.

En una operacion de fracturacion convencional, una "suspension" de fluidos y aditivos se inyecta en una formacion rocosa con hidrocarburos en un recinto de pozo para propagar la fracturacion. Los fluidos de baja presion se mezclan con productos quimicos, arena y si es necesario acido y luego se transfieren a media presion y alta

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velocidad a porciones verticales y/o desviadas del recinto de pozo por medio de multiples bombas de tipo embolo de alta presion accionadas por motores primarios energizados con diesel. La mayoria de los fluidos inyectados fluiran nuevamente a traves del recinto de pozo y seran recuperados mientras que la arena se mantendra en la fractura recien creada, de esta manera se "apuntala" para abrirlo y se proporciona una membrana permeable para los fluidos de hidrocarburos y gases para que fluyan a traves de modo que se puedan recuperar.

De acuerdo con las realizaciones ilustrativas descritas en el presente documento, el gas natural (ya sea que se suministra al sitio o se produzca en el sitio) se puede utilizar para accionar una fuente dedicada de energia electrica, tal como un generador de turbina, para las terminaciones de recintos de pozos que producen hidrocarburos. Se proporciona una flota dimensionable de fracturacion energizada electricamente para suministrar fluido de tratamiento presurizado, tal como fluido de fracturacion, a un recinto de pozo en una operacion de fracturacion en la que no se necesita un suministro constante de combustible diesel al sitio y se reduce el espacio ocupado de sitio y la infraestructura requerida para la operacion de fracturacion cuando se compara con las operaciones convencionales. En ciertas realizaciones ilustrativas, el fluido de tratamiento proporcionado para un suministro presurizado al recinto de pozo puede ser continuo con el recinto de pozo y con uno o mas componentes de la flota de fracturacion. En estas realizaciones, generalmente continuo significa que la hidrodinamica de fondo de pozo depende del flujo constante (velocidad y presion) de los fluidos suministrados y que no tiene que haber interrupcion alguna en el flujo de fluido durante el suministro al recinto de pozo si se desea que la fractura se propague. Sin embargo, esto no se debe interpretar que significa que las operaciones de la flota de fracturacion no se pueden generalmente detener e iniciar, como lo comprendera un experto en la tecnica.

Con referencia a la Figura 1, se muestra un plan de sitio para una operacion de fracturacion tradicional en un sitio en tierra firme. Se proporcionan multiples remolques 5, cada uno tiene por lo menos un tanque de diesel instalado o dispuesto de otro modo en el mismo. Cada remolque 5 se conecta a un camion 6 para permitir el reabastecimiento de los tanques de diesel segun se requiera. Los camiones 6 y remolques 5 se localizan dentro de la region A en el sitio de fracturacion. Cada camion 6 requiere un operador dedicado. Una o mas motores primarios son abastecidos con diesel y se utilizan para energizar la operacion de fracturacion. Se proporcionan uno o mas patines 7 de manipulacion de productos quimicos separados para el alojamiento de tanques de mezcla y equipos relacionados.

Con referencia a la Figura 2, se muestra una realizacion ilustrativa de un plan de sitio para una operacion de fracturacion energizada electricamente en un sitio en tierra firme. La operacion de fracturacion incluye uno o mas remolques 10, cada uno aloja uno o mas modulos 20 de fracturacion (vease Figura 3). Los remolques 10 se localizan en la region B en el sitio de fracturacion. Uno o mas generadores 30 de turbinas energizados con gas natural se localizan en la region C en el sitio que se localiza a una distancia remota D de la region B en la que los remolques 10 y los modulos 20 de fracturacion se localizan por razones de seguridad. Los generadores 30 de turbina reemplazan los motores primarios de diesel utilizadas en el plan de sitio de la Figura 1. Los generadores 30 de turbina proporcionan una fuente dedicada de energia electrica en el sitio. Preferiblemente existe una separacion fisica entre la generacion de energia a base de gas natural en la region C y la operacion de fracturacion y recinto de pozo localizados en la region B. La generacion de energia a base de gas natural puede requerir mayores precauciones de seguridad que la operacion de fracturacion y el cabezal de pozo. De acuerdo con lo anterior, se pueden tomar medidas de seguridad en la region C para limitar el acceso a esta localizacion mas peligrosa mientras que se mantienen estandares de seguridad separados en la region B en la que normalmente se encuentra la mayoria del personal del sitio. Adicionalmente, el suministro energizado con gas natural se puede monitorizar y regular de forma remota de modo tal que si se desea no se requiere que el personal se encuentre dentro de la region C durante la operacion.

Notablemente, la configuracion de la Figura 2 requiere una infraestructura significativamente menor que la configuracion que se muestra en la Figura 1 y al mismo tiempo proporciona una capacidad de bombeo comparable. Menos remolques 10 estan presentes en la region B de la Figura 2 que los camiones 6 y remolques 5 en la region A de la Figura 1 como consecuencia de la falta de necesidad de un suministro constante de combustible diesel. Adicionalmente, cada remolque 10 en la Figura 2 no necesita un camion 6 y un operador dedicado como en la Figura 1. Menos patines 7 de manipulacion de productos quimicos se requieren en la region B de la Figura 2 que en la region A de la Figura 1 porque los patines 7 en la Figura 2 pueden ser energizados electricamente. Tambien, al eliminar los motores primarios de diesel, se puede eliminar toda la maquinaria asociada necesaria para la transferencia de energia, tal como transmision, conversor de torque, embrague, arbol de transmision, sistema hidraulico, etc. y se reduce significativamente la necesidad de sistemas de enfriamiento que incluyen bombas y fluidos de circulacion. En una realizacion ilustrativa, el espacio fisico ocupado del area en el sitio en la region B de la Figura 2 es aproximadamente 80% menor que el espacio ocupado por el sistema convencional en la region A de la Figura 1.

Con referencia a las realizaciones ilustrativas de la Figura 3, se muestra el remolque 10 para alojar uno o mas modulos 20 de fracturacion. El remolque 10 tambien puede ser un patin en ciertas realizaciones ilustrativas. Cada modulo 20 de fracturacion puede incluir un motor 21 electrico y una bomba 22 de fluido acoplada al mismo. Durante la fracturacion, el modulo 20 de fracturacion se asocia operativamente con un generador 30 de turbina para recibir energia electrica del mismo. En ciertas realizaciones ilustrativas, una pluralidad de motores 21 electricos y bombas 22 pueden ser transportados en un unico remolque 10. En las realizaciones ilustrativas de la Figura 3, cuatro motores 21 electricos y bombas 22 son transportados en un unico remolque 10. Cada motor 21 electrico esta

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emparejado con una bomba 22 como un unico modulo 20 de fracturacion. Cada modulo 20 de fracturacion se puede instalar de modo separable en el remolque 10 para facilitar el reemplazo segun sea necesario. Los modulos 20 de fracturacion utilizan energia electrica del generador 30 de turbina para bombear el fluido de fracturacion directamente al recinto de pozo.

Generacion de energia electrica

El uso de una turbina para accionar directamente una bomba ha sido investigado previamente. En dichos sistemas, se utiliza una transmision para regular la potencia de la turbina a la bomba de modo de permitir el control de la velocidad y del torque. En la presente operacion, se utiliza en su lugar gas natural para accionar una fuente de energia dedicada para la produccion de electricidad. En realizaciones ilustrativas, la fuente de energia dedicada es un generador de turbina en el sitio. Se elimina la necesidad de una transmision y la electricidad generada se puede utilizar para energizar los modulos de fracturacion, los mezcladores y otras operaciones en el sitio segun sea necesario.

En el sitio puede estar accesible la energia electrica de la red electrica en ciertas operaciones de fracturacion, pero se prefiere el uso de una fuente de energia dedicada. Durante el inicio de una operacion de fracturacion, se requieren enormes cantidades de energia de modo tal que el uso de la energia electrica de la red electrica no seria practico. Los generadores energizados a gas natural son mas apropiados para esta aplicacion con base en la posible disponibilidad de gas natural en el sitio y la capacidad de los generadores de gas natural para producir grandes cantidades de energia. Notablemente, la posibilidad de ajustes instantaneos muy grandes de la energia extraida de la red electrica durante una operacion de fracturacion puede poner en peligro la estabilidad y confiabilidad del sistema de red de energia electrica. De acuerdo con lo anterior, una fuente de electricidad dedicada y generada en el sitio proporciona una solucion mas factible para abastecer un sistema electrico de fracturacion. Adicionalmente, una operacion en el sitio dedicada se puede utilizar para proporcionar energia para la operacion de otros equipos locales, que incluyen sistemas de tuberia enrollada, plataformas de servicio, etc.

En una realizacion ilustrativa, un unico generador 30 de turbina energizado con gas natural que se aloja en un area restringida C de la Figura 2 puede generar suficiente energia (por ejemplo 31 MW a 13.800 voltios de energia CA) para abastecer varios motores 21 electricos y bombas 22 y evitar la necesidad actual de suministrar y operar cada bomba de fluido desde un camion separado energizado con diesel. Una turbina apropiada para este proposito es un generador de turbina TM2500+ vendido por General Electric. Otros paquetes de generacion pueden ser suministrados, por ejemplo, por Pratt & Whitney o Kawasaki. Estan disponibles muchas opciones para la generacion de energia con turbinas que dependen de la cantidad de electricidad requerida. En una realizacion ilustrativa, combustibles liquidos tales como condensados tambien se pueden proporcionar para accionar un generador 30 de turbina en lugar o ademas de gas natural. El condensado es mas barato que el combustible diesel y rediciendo de esta manera los costes operativos.

Modulo de fracturacion

Con referencia a las Figuras 4A y 4B, se proporciona una realizacion ilustrativa del modulo 20 de fracturacion. En ciertas realizaciones ilustrativas, el modulo 20 de fracturacion puede incluir un motor 21 electrico acoplado a una o mas bombas 22 electricas. Una bomba apropiada es una bomba de tipo embolo quintuple o triple, por ejemplo, la Well Service Pump SWGS-2500 vendida por Gardner Denver, Inc.

En ciertas realizaciones el motor 21 electrico se asocia operativamente con el generador 30 de turbina. Normalmente, cada modulo 20 de fracturacion estara asociado con un alojamiento de accionamiento para controlar el motor 21 electrico y las bombas 22 y asi como tambien un transformador electrico y unidad 50 de accionamiento (vease Figura 3) para reducir el voltaje de la potencia del generador 30 de turbina a un voltaje apropiado para el motor 21 electrico. En varias realizaciones, el transformador electrico y la unidad 50 de accionamiento se pueden proporcionar como una unidad independiente para asociarse con el modulo 20 de fracturacion o se pueden fijar de manera permanente en el remolque 10. Si estan permanentemente fijos, entonces el transformador y unidad 50 de accionamiento se pueden dimensionar para permitir la adicion o sustraccion de bombas 22 u otros componentes para acomodarse a los requisitos operativos.

Cada bomba 22 y motor 21 electrico son de tipo modular en naturaleza con el fin de simplificar el retiro y reemplazo del modulo 20 de fracturacion con propositos de mantenimiento. El retiro de un unico modulo 20 de fracturacion del remolque 10 tambien se simplifica. Por ejemplo, cualquier modulo 20 de fracturacion se puede desconectar y separar del remolque 10 y retirar y otro modulo 20 de fracturacion se puede instalar en su lugar en cuestion de minutos.

En la realizacion ilustrativa de la Figura 3, el remolque 10 puede alojar cuatro modulos 20 de fracturacion junto con un transformador y una unidad 50 de accionamiento. En esta configuracion particular, cada uno de los remolques 10 proporciona mas capacidad de bombeo que cuatro de los remolques 5 de fracturacion energizados con diesel tradicionales de la Figura 1 porque las perdidas parasitas son minimas en el sistema de fracturacion electrico en comparacion con las perdidas parasitas tipicas de los sistemas energizados con diesel. Por ejemplo, una bomba de fluido energizada con diesel convencional tiene 2250 hp nominales. Sin embargo, como consecuencia de las

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perdidas parasitas en la transmision, el conversor de torque y los sistemas de enfriamiento, los sistemas energizados con diesel normalmente solo proporcionan 1800 hp a las bombas. En contraste, el sistema actual puede suministrar 2500 hp reales directamente a cada bomba 22 porque la bomba 22 se acopla directamente al motor 21 electrico. Adicionalmente, el peso nominal de una bomba de fluido convencional es de hasta 120.000 libras. En la operacion actual, cada modulo 20 de fracturacion pesa aproximadamente 28.000 libras y permitiendo de esta manera la colocacion de cuatro bombas 22 en la misma dimension fisica (tamano y peso) que el espacio necesario para una sola bomba en los sistemas de diesel convencionales, asi como tambien permite hasta 10.000 hp totales para las bombas. En otras realizaciones, mas o menos modulos 20 de fracturacion pueden estar localizados en el remolque 10, segun se desee o requiera con propositos operativos.

En ciertas realizaciones ilustrativas, el modulo 20 de fracturacion puede incluir un motor 21 electrico que es un motor de iman permanente de CA con capacidad de operacion en el rango de hasta 1500 rpm y hasta 20.000 pies/libras de torque. El modulo 20 de fracturacion tambien puede incluir una bomba 22 que es una bomba de fluido de tipo embolo acoplada a un motor 21 electrico. En ciertas realizaciones ilustrativas, el modulo 20 de fracturacion puede tener dimensiones de aproximadamente 136" de ancho x 108" de largo x 100" de altura. Estas dimensiones permiten que el modulo 20 de fracturacion sea facilmente portatil y se ajuste con un contenedor intermodal ISO para propositos de transporte sin necesidad de desmontarlo. Las longitudes del contenedor segun la norma ISO de tamano estandar son normalmente 20’, 40' o 53'. En ciertas realizaciones ilustrativas, el modulo 20 de fracturacion puede tener dimensiones no mayores que 136" de ancho x 108" de largo x 100" de altura. Estas dimensiones del modulo 20 de fracturacion tambien permiten que miembros de la cuadrilla entren facilmente dentro de los limites del modulo 20 de fracturacion para realizar reparaciones, tal como se ilustra en la Figura 4b. En ciertas realizaciones ilustrativas, el modulo 20 de fracturacion puede tener un ancho no mayor que 102" para estar dentro de las configuraciones de transporte y restricciones de rutas. En una realizacion especifica, el modulo 20 de fracturacion tiene la capacidad de operar 2500 hp mientras que todavia tiene las dimensiones anteriormente especificadas y cumple las especificaciones anteriormente mencionadas para rpm y pies/libras de torque.

Motor electrico

Con referencia a las realizaciones ilustrativas de las Figuras 2 y 3, un motor 21 electrico de iman permanente de CA de voltaje bajo medio recibe energia electrica del generador 30 de turbina y se acopla directamente a la bomba 22. En ciertas realizaciones ilustrativas, con el fin de asegurar la adecuabilidad de uso en la fracturacion, el motor 21 electrico tiene que tener capacidad de operacion de hasta 1500 rpm con un torque de hasta 20.000 pies/libras. Un motor apropiado para este proposito se vende bajo la marca comercial TeraTorq® que esta disponible de Comprehensive Power, Inc. de Marlborough, Massachusetts. Un motor compacto con torque suficiente permitira que se maximice la cantidad de modulos 20 de fracturacion colocados en cada remolque 10.

Mezclador

Para mayor eficiencia, los mezcladores convencionales energizados con diesel y las unidades de adicion de productos quimicos se pueden reemplazar con unidades de mezclador energizadas electricamente. En ciertas realizaciones ilustrativas, como se describe en el presente documento, las unidades de mezclado energizadas electricamente pueden ser de naturaleza modular y son alojadas en el remolque 10 en lugar del modulo 20 de fracturacion o son alojadas de forma independiente y estan asociadas con cada remolque 10. Una operacion de mezcla electrica permite mayor precision y control de los aditivos de fluido de fracturacion. Adicionalmente, las cubetas de mezclador centrifugas normalmente utilizadas en remolques de mezcla para mezclar fluidos con agente apuntalante, arena, productos quimicos, acido, etc. antes de suministrarlos al recinto de pozo son una fuente comun de costes de mantenimiento en las operaciones de fracturacion tradicionales.

Con referencia a las figuras 5A-5E y las Figuras 6-7, se proporcionan realizaciones ilustrativas de un modulo 40 de mezclador y sus componentes. El modulo 40 de mezclador puede estar asociado operativamente con el generador 30 de turbina y tiene la capacidad de proporcionar fluido de fracturacion a la bomba 22 para suministrarlo al recinto de pozo. En ciertas realizaciones, el modulo 40 de mezclador puede incluir por lo menos una fuente 44 de aditivo de fluido, por lo menos una fuente 48 de fluido y por lo menos una cubeta 46 de mezclador centrifuga. La energia electrica puede suministrarse desde el generador 30 de turbina al modulo 40 de mezclador para efectuar la mezcla de un fluido de la fuente 48 de fluido con un aditivo de fluido de la fuente 44 de aditivo de fluido para generar el fluido de fracturacion. En ciertas realizaciones, el fluido de la fuente 48 de fluido puede ser, por ejemplo, agua, aceites o mezclas de metanol y el aditivo de fluido de la fuente 44 de aditivo de fluido puede ser, por ejemplo, reductor de friccion, gelificante, rompedor de gelificante o biocidas.

En ciertas realizaciones ilustrativas, el modulo 40 de mezclador puede tener una configuracion dual con una primera unidad 47a de mezclador y una segunda unidad 47b de mezclador que estan adyacentes entre si. Esta configuracion dual se disena para proporcionar redundancia y facilitar el acceso para mantenimiento y reemplazo de componentes segun sea necesario. En ciertas realizaciones, cada unidad 47a y 47b de mezclador puede tener sus propios motores de cubeta y de succion energizados electricamente dispuestos en la misma y opcionalmente se pueden utilizar otros motores energizados electricamente para funciones operativas adicionales de productos quimicos y/o otras funciones operativas auxiliares, como se describe con mas detalle en el presente documento.

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Por ejemplo, en ciertas realizaciones ilustrativas, la primera unidad 47a de mezclador puede tener una pluralidad de motores electricos que incluye un primer motor 43a electrico y un segundo motor 41a electrico que se utilizan para accionar varios componentes del modulo 40 de mezclador. Los motores 41a y 43a electricos pueden ser energizados por el generador 30 de turbina. El fluido puede ser bombeado hacia el modulo 40 de mezclador a traves de un multiple 48a de entrada por el primer motor 43a electrico y se agrega a la cubeta 46a. Por lo tanto, el primer motor 43a electrico actua como un motor de succion. El segundo motor 41a electrico puede accionar el proceso de mezcla centrifuga en la cubeta 46a. El segundo motor 41a electrico tambien puede accionar el suministro de fluido mezclado fuera del modulo 40 de mezclador y hacia el recinto de pozo a traves de un multiple 49a de salida. Por lo tanto, el segundo motor 41a electrico actua como un motor de cubeta y un motor de descarga. En ciertas realizaciones ilustrativas, tambien se puede proporcionar un tercer motor 42a electrico. El tercer motor 42a electrico tambien puede ser energizado por el generador 30 de turbina y puede suministrar aditivos de fluido a l mezclador 46a. Por ejemplo, un agente apuntalante desde una tolva 44a puede ser suministrado hasta una cubeta 46a de mezclador, por ejemplo, una cubeta de mezclador centrifuga por una barrena 45a que es energizada por el tercer motor 42a electrico.

De modo similar, en ciertas realizaciones ilustrativas, la segunda unidad 47a de mezclador puede tener una pluralidad de motores electricos que incluyen un primer motor 43b electrico y un segundo motor 41 b electrico que se utilizan para accionar varios componentes del modulo 40 de mezclador. Los motores 41b y 43b electricos pueden ser energizados por el generador 30 de turbina. El fluido puede ser bombeado hacia el modulo 40 de mezclador a traves de un multiple 48b de entrada por el primer motor 43b electrico y se agrega a la cubeta 46b. Por lo tanto, el segundo motor 43a electrico actua como un motor de succion. El segundo motor 41b electrico puede accionar el proceso de mezcla centrifuga en la cubeta 46b. El segundo motor 41b electrico tambien puede accionar el suministro de fluido mezclado fuera del modulo 40 de mezclador y hacia el recinto de pozo a traves de un multiple 49b de salida. Por lo tanto, el segundo motor 41b electrico actua como un motor de cubeta y un motor de descarga. En ciertas realizaciones ilustrativas, tambien se puede proporcionar un tercer motor 42b electrico. El tercer motor 42b electrico tambien puede ser energizado por el generador 30 de turbina y puede suministrar aditivos de fluido al mezclador 46b. Por ejemplo, un agente apuntalante de una tolva 44b puede ser suministrado a una cubeta 46b de mezclador, por ejemplo, una cubeta de mezclador centrifuga por una barrena 45b que es energizada por el tercer motor 42b electrico.

El modulo 40 de mezclador tambien puede incluir una cabina 53 de control para alojar los controles de equipamiento de la primera unidad 47a de mezclador y la segunda unidad 47b de mezclador y puede incluir adicionalmente, segun se requiera, accionadores y enfriadores apropiados.

Los mezcladores convencionales energizados por un sistema hidraulico de diesel estan normalmente alojados en un remolque de tractor de cuarenta y cinco pies y tienen capacidad para aproximadamente 100 barriles/minuto. En contraste, la configuracion dual de modulo 40 de mezclador que tiene una primera unidad 47a de mezclador y una segunda unidad 47b de mezclador puede proporcionar una capacidad de produccion total de 240 barriles/minuto en el mismo espacio ocupado fisico que un mezclador convencional, sin la necesidad de una unidad de emergencia separada en caso de falla.

En el pasado se han intentado mezcladores de sistemas redundantes con exito limitado, principalmente como consecuencia de los problemas con los contrapesos de los remolques sin dejar de suministrar la cantidad de energia apropiada. Normalmente, dos motores separados cada uno de aproximadamente 650 hp, se instalan lado a lado en la nariz del remolque. Con el fin de accionar todos los sistemas necesarios, cada motor debe accionar una cubeta de mezclador por medio de una transmision, caja de caida y arbol de transmision extendido. Tambien se coloca un gran sistema hidraulico para cada motor para accionar todos los sistemas auxiliares, tales como aditivos quimicos y bombas de succion. Las perdidas parasitas de energia son muy grandes y el sistema de manguera y cableado es complejo.

En contraste, el modulo 40 de mezclador energizado electricamente descrito en ciertas realizaciones ilustrativas en el presente documento puede disminuir las perdidas de potencia parasitas de los sistemas convencionales por el accionamiento directo de cada pieza de equipo critico con un motor electrico dedicado. Adicionalmente, el modulo 40 de mezclador energizado electricamente descrito en ciertas realizaciones ilustrativas en el presente documento permite rutas de tuberia que no estan disponibles en las aplicaciones convencionales. Por ejemplo, en ciertas realizaciones ilustrativas, la fuente de fluido puede ser un multiple 48 de entrada que puede tener una o mas lineas

50 de cruce de entrada (vease Figura 7) que conectan la seccion de multiple 48 de entrada dedicado para suministrar fluido a la primera unidad 47a de mezclador con la seccion del multiple 48 de entrada dedicado para suministrar fluido a la segunda unidad 47b de mezclador. De modo similar, en ciertas realizaciones ilustrativas, el multiple 49 de salida puede tener una o mas lineas 51 de cruce de salida (vease Figura 6) que conectan la seccion de multiple 49 de salida dedicado para suministrar fluido desde la primera unidad 47a de mezclador con la seccion de multiple 49 de salida dedicado para suministrar fluido desde la segunda unidad 47b de mezclador. Las lineas 50 y

51 de cruce permiten que se enrute o desvie el flujo entre la primera unidad 47a de mezclador y la segunda unidad 47b de mezclador. Por lo tanto, el modulo 40 de mezclador se puede mezclar desde cualquier lado o desde ambos lados y/o descargar en cualquiera de los lados o en ambos lados, si es necesario. Como resultado, las velocidades alcanzables por el modulo 40 de mezclador energizado electricamente son mucho mas grandes que las de un mezclador convencional. En ciertas realizaciones ilustrativas, cada lado (es decir, primera unidad 47a de mezclador

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y segunda unidad 47b de mezclador) del modulo 40 de mezclador tiene una capacidad de aproximadamente 120 barriles/minuto. Tambien, cada lado (es decir, primera unidad 47a de mezclador y segunda unidad 47b de mezclador) puede desplazar aproximadamente 15 t/min de arena, por lo menos en parte porque la longitud de la barrena 45 es mas corta (aproximadamente 6') si se compara con las unidades convencionales (aproximadamente 12').

En ciertas realizaciones ilustrativas, el modulo 40 de mezclador se puede acortar o "reducir" a un unico modulo compacto comparable en tamano y dimensiones al modulo 20 de fracturacion descrito en el presente documento. Para trabajos de fracturacion o tratamiento mas pequenos que requieren menos que cuatro modulos 20 de fracturacion, un modulo 40 de mezclador reducido puede reemplazar uno de los modulos 20 de fracturacion en el remolque 10, reduciendo de esta manera los costes operativos y mejorando la facilidad de transporte del sistema.

Sistema de control

Se puede proporcionar un sistema de control para regular diversos equipos y sistemas dentro de la operacion de fracturacion energizada electricamente. Por ejemplo, en ciertas realizaciones ilustrativas, el sistema de control puede regular el modulo 20 de fracturacion en el suministro del fluido de tratamiento desde el modulo 30 de mezclador hasta las bombas 22 para suministrarlo al recinto de pozo. Los controles para la operacion energizada electricamente que se describen en el presente documento son una mejora significativa sobre aquellas de los sistemas de motor de diesel convencionales. Debido a que los motores electricos son controlados por accionamientos de frecuencia variables, el control absoluto de todos los equipos sobre el sitio se puede mantener desde un punto central. Cuando el operador del sistema establece una presion maxima para el tratamiento, el software de control y los accionamientos de frecuencia variables calculan una corriente maxima disponible para los motores. Los accionamientos de frecuencia variables esencialmente "informan" a los motores lo que les esta perm itido.

Los motores electricos controlados por medio de accionamientos de frecuencia variables son mucho mas seguros y mas faciles de controlar que los equipos convencionales de motor de diesel. Por ejemplo, flotas convencionales con bombas energizadas con diesel utilizan transmision y motor controlados electronicamente en la unidad. Puede haber hasta catorce parametros diferentes que necesitan ser monitorizados y controlados para una operacion apropiada. Estas senales normalmente se suelen enviar a traves de cables permanentemente conectados a una consola de operador controlada por el accionador de bomba. Las senales se convierten de digitales a analogicas de modo que las entradas se pueden hacer a traves de conmutadores y mandos de control. Las entradas se convierten entonces de analogicas nuevamente a digitales y se envian de nuevo a la unidad. El modulo de control de la unidad informa entonces al motor o transmision que realice la tarea requerida y la senal se convierte en una operacion mecanica. Este proceso toma tiempo.

Las sobrepresiones accidentales son bastante comunes en estas operaciones convencionales porque la senal debe viajar a la consola, nuevamente a la unidad y luego realizar una funcion mecanica. Las sobrepresiones pueden ocurrir en milisegundos como consecuencia de la naturaleza de las operaciones. Estas en general se deben a errores humanos y puede ser tan simple como que un unico operador falla en reaccionar a un comando. Tambien con frecuencia se deben a una valvula que se cierra, que accidentalmente crea una situacion de "punto muerto".

Por ejemplo, en enero de 2011, una operacion de fracturacion de gran escala se llevo a cabo en la cuenca del Rio Horn en el noreste de la Columbia Britanica, Canada. Se produjo una fuga en una de las lineas y se dio una orden de cierre. La valvula principal en el cabezal de pozo se cerro entonces de forma remota. Desafortunadamente, multiples bombas siguieron funcionando y sobrevino un sistema de sobrepresion. El tratamiento con hierro clasificado para 10.000 psi fue llevado a mas de 15.000 psi. Una linea conectada con el pozo tambien se separo y comenzo a golpear a su alrededor. El incidente provoco una parada de toda la operacion durante mas de una semana mientras se realizaba una investigacion y se evaluaban los danos.

El sistema de control provisto, de acuerdo con las realizaciones ilustrativas presentes, al ser accionado electricamente elimina virtualmente la posibilidad de que ocurran estos tipos de escenarios. Un valor maximo de presion fijado al comienzo de la operacion es la cantidad maxima de energia que se puede enviar al motor 21 electrico para la bomba 22. Al extrapolar un valor de corriente maxima de esta entrada, el motor 21 electrico no tiene la energia disponible para superar su presion de operacion. Tambien, dado que virtualmente no existen sistemas mecanicos entre la bomba 22 y el motor 21 electrico, hay que lidiar con un "momento de inercia" mas pequeno de los engranajes y embragues. Una detencion casi instantanea del motor 21 electrico resulta en una detencion casi instantanea de la bomba 22.

Un sistema energizado electricamente y controlado como se describe en el presente documento aumenta en gran medida la facilidad con la que se puede sincronizar o subordinar todo el equipo entre si. Esto significa que un cambio en un unico punto lo llevaran a cabo todas las piezas del equipo, a diferencia de los equipos de diesel. Por ejemplo, en las operaciones energizadas con diesel convencionales, el mezclador normalmente suministra todos los fluidos necesarios para todo el sistema. Con el fin de realizar un cambio de velocidad de la operacion, el mezclador debe cambiar la velocidad antes que las bombas cambien sus velocidades. Esto con frecuencia puede resultar en un

sobreflujo accidental de las cubetas de mezclador y/o la cavitacion de las bombas debido al desfase temporal de cada pieza del equipo a las que se les dan comandos manuales.

En contraste, en ciertas realizaciones ilustrativas, la presente operacion utiliza un control de punto unico que no se vincula unicamente con las operaciones de mezclado. Todos los parametros de operacion pueden ser ingresados 5 antes de comenzar la fracturacion. Si se requiere un cambio de velocidad, el sistema aumentara la velocidad de todo el sistema con un unico comando. Esto significa que, si se informa a las bombas 22 que aumenten la velocidad, entonces el modulo 40 de mezclador junto con las unidades de productos quimicos e incluso los equipos auxiliares, como las correas abrasivas, aumentaran las velocidades para compensar de forma automatica.

Se pueden realizar controles apropiados y monitoreo computacional de toda la operacion de fracturacion en una 10 unica localizacion central, que facilita la adherencia a los parametros de seguridad preestablecidos. Por ejemplo, un centro 40 de control se indica en la Figura 2 desde el cual se pueden administrar las operaciones por medio del enlace 41 de comunicaciones. Ejemplos de operaciones que pueden ser controladas y monitorizadas remotamente desde el centro 40 de control por medio del enlace 41 de comunicaciones pueden ser la funcion de generar energia en el Area B o el suministro de fluido de tratamiento desde el modulo 40 de mezclador hasta las bombas 22 para 15 suministrarlo al recinto de pozo.

Ejemplo comparacion

La Tabla 1 que se muestra a continuacion compara y contrasta los costes operativos y los requerimientos de mano de obra para una operacion energizada con diesel convencional (tal como se muestra en la Figura 1) con aquellos de la operacion energizada electricamente (tal como se muestra en la Figura 2).

20 Tabla 1

Comparacion de operacion con operacion energizada con diesel convencional vs. operacion con energizacion electrica

Operacion energizada con diesel: Operacion energizada electrica

Coste total de combustible (diesel): alrededor de $80.000 por dia: Coste total de combustible (gas natural): alrededor de $2.300 por dia

Intervalo de servicio para motores diesel - aproximadamente cada 200-300 horas: Intervalo de servicio para motor electrico - aproximadamente cada 50.000 horas

Tamano de personal dedicado: alrededor de 40 personas: Tamano de personal dedicado: alrededor de 10 personas

En la Tabla 1, la "operacion de motor de diesel" utiliza por lo menos 24 bombas y 2 mezcladores y requiere por lo menos 54.000 hp para ejecutar el programa de fracturacion en ese sitio. Cada bomba quema aproximadamente 300400 litros por hora de funcionamiento y las unidades de mezclado queman una cantidad similar de combustible 25 diesel. Debido al consumo de combustible y la capacidad de combustible de esta unidad convencional, la misma requiere el reabastecimiento de combustible durante la operacion, lo que es extremadamente peligroso y representa un peligro de incendio. Adicionalmente, cada pieza de equipo convencional necesita un tractor dedicado para desplazarla y un conductor/operador para conducirlo. El tamano de la cuadrilla requerida para operar y mantener una operacion convencional, tal como la de la Figura 1, representa un coste directo para el operador del sitio.

30 En contraste, la operacion energizada electricamente, como se describe en el presente documento, utiliza una turbina que solo consume alrededor de 6 mm scf de gas natural cada 24 horas. En tasas de mercado actuales (aproximadamente $2.50 por mmbtu), esto equivale a una reduccion en el coste directo para el operador del sitio de mas de $77.000 por dia en comparacion con la operacion energizada con diesel. Tambien, el intervalo de mantenimiento de los motores electricos es de aproximadamente 50.000 horas, lo que permite que desaparezca la 35 mayor parte de los costes de confiabilidad y mantenimiento. Adicionalmente, la necesidad de multiples accionadores/operadores se reduce significativamente y la operacion energizada electricamente significa que un unico operador puede ejecutar todo el sistema desde una ubicacion central. El tamano de la cuadrilla se puede reducir en aproximadamente 75%, ya que solo se necesitan aproximadamente 10 personas en el mismo sitio para llevar a cabo las mismas tareas que en las operaciones convencionales, con las 10 personas que incluyen el 40 personal de mantenimiento fuera del sitio. Adicionalmente, el tamano de la cuadrilla no se modifica con la cantidad de equipos utilizados. De esta manera, la operacion energizada electricamente es significativamente mas economica.

Diseno modular y realizaciones alternativas

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Como se senalo anteriormente, la naturaleza modular de la operacion de fracturacion energizada electricamente que se describe en el presente documento proporciona ventajas operativas y eficiencias significativas sobre los sistemas de fracturacion tradicionales. Cada modulo 20 de fracturacion esta situado en el remolque 10 que aloja los soportes necesarios y los sistemas multiples para succiones de baja presion y descargas de alta presion. Cada modulo 20 de fracturacion se puede retirar del servicio y reemplazar sin cerrar o comprometer la dispersion de fracturacion. Por ejemplo, la bomba 22 se puede aislar con respecto al remolque 10, se retira y reemplaza por una nueva bomba 22 en pocos minutos. Si el modulo 20 de fracturacion requiere mantenimiento, se puede aislar de las lineas de fluido, desconectar, separar y retirar con un montacargas. Otro modulo 20 de fracturacion se puede entonces reinsertar de la misma manera y realizar un ahorro de tiempo drastico. Adicionalmente, el modulo 20 de fracturacion retirado se puede reparar o se realiza su mantenimiento en el sitio. En cambio, si una de las bombas en un sistema energizado con diesel convencional sale del servicio o requiere mantenimiento, la combinacion tractor/remolque debe ser desconectada del sistema multiple y trasladada del sitio. A continuacion, una unidad de reemplazo debe ser respaldada en la linea y reconectada. La manipulacion de estas unidades dentro de estos limites estrechos es dificil y peligrosa.

La operacion de fracturacion energizada electricamente que se describe actualmente puede facilmente adaptarse para acomodar tipos adicionales de capacidades de bombeo segun sea necesario. Por ejemplo, se puede proporcionar un modulo de bombeo de reemplazo que esta adaptado para ser instalado de modo separable en el remolque 10. El modulo de bombeo de reemplazo se puede utilizar para bombear nitrogeno liquido, dioxido de carbono u otros productos quimicos o fluidos segun sea necesario para aumentar la versatilidad del sistema y ampliar el rango y la capacidad operativa. En un sistema convencional, si se requiere una bomba de nitrogeno, una unidad de camion/remolque separada se debe llevar al sitio y unir en la extension de fracturacion. En contraste, la operacion actualmente descrita permite un modulo de nitrogeno de reemplazo con generalmente las mismas dimensiones que el modulo 20 de fracturacion, de modo que el modulo de reemplazo puede entrar en la misma ranura sobre el remolque que el modulo 20 de fracturacion. El remolque 10 puede contener todas las distribuciones necesarias de energia electrica segun requiere un modulo de bomba de nitrogeno de modo que no se requieren modificaciones. El mismo concepto se aplica a los modulos de bomba de dioxido de carbono o cualquier otra pieza de equipo que podria requerirse. En lugar de otro camion/remolque se puede utilizar en cambio un modulo de reemplazo especializado.

Se considera que el gas natural es la fuente de combustible disponible mas eficiente y mas limpia. Mediante el diseno y construccion de "equipo adecuado para el objetivo" que se energiza con gas natural, se espera que cada uno del espacio ocupado de fracturacion, mano de obra y requisitos de mantenimiento se pueda reducir en mas de 60% en comparacion con las operaciones energizadas con diesel tradicionales.

Adicionalmente, la operacion de fracturacion energizada electricamente actualmente descrita resuelve o mitiga los impactos ambientales de las operaciones energizadas por diesel tradicionales. Por ejemplo, la operacion energizada con gas natural descrita actualmente puede proporcionar una reduccion significativa de las emisiones de dioxido de carbono en comparacion con las operaciones energizadas con diesel. En una realizacion ilustrativa, un sitio de fracturacion que utiliza la operacion energizada con gas natural actualmente descrita tendria un nivel de emisiones de dioxido de carbono de aproximadamente 2200 kg/h dependiendo de la calidad del gas combustible lo que representa una reduccion de aproximadamente 200% de las emisiones de dioxido de carbono respecto de las operaciones energizadas con diesel. Tambien, en una realizacion ilustrativa, la operacion energizada con gas natural actualmente descrita puede producir no mas que aproximadamente 80 decibeles de sonido con un empaque de silenciador utilizado en la turbina 30 que cumple con los requisitos de OSHA para emisiones de ruido. En comparacion, una bomba de fracturacion energizada con diesel convencional que funciona a maximas rpm emite alrededor de 105 decibeles de sonido. Cuando multiples bombas de fracturacion energizadas con diesel funcionan simultaneamente, el ruido es un riesgo significativo asociado con las operaciones convencionales.

En ciertas realizaciones ilustrativas, la operacion de fracturacion energizada electricamente que se describe en el presente documento tambien se puede utilizar para aplicaciones de petroleo y gas en alta mar, por ejemplo, la fracturacion de un recinto de pozo en un sitio en alta mar. Las operaciones convencionales en alta mar ya poseen la capacidad de generar energia electrica en el sitio. Estos buques son normalmente a diesel mas que electricos, lo que significa que la planta de energia de diesel en el buque genera electricidad para satisfacer todos los requisitos de potencia que incluyen la propulsion. La conversion de los servicios de bombeo en alta mar para que funcionen con un suministro de energia electrica permitira que el combustible diesel transportado se utilice en la generacion de energia mas que para accionar la operacion de fracturacion, reduciendo de ese modo el consumo de combustible diesel. La energia electrica generada a partir de la planta de energia del buque de alta mar (que no es necesaria durante el mantenimiento de la estacion) puede ser utilizada para energizar uno o mas modulos 10 de fracturacion. Esto es mucho mas limpio, mas seguro y mas eficiente que el uso de equipos energizados con diesel. Los modulos 10 de fracturacion son tambien mas pequenos y mas livianos que el equipo normalmente utilizado en la cubierta de los buques en alta mar, por lo tanto, se suprimen algunos de los problemas de lastre actuales y permite que los buques en alta mar transporten mas equipos o materias primas.

En un diseno de cubierta para un buque de estimulacion de alta mar convencional, los equipos de bombeo energizados con diesel basados en patines y las instalaciones de almacenamiento en la cubierta del buque crean problemas de lastre. En la cubierta del buque, demasiado equipo pesado hace que el buque tenga un centro de

gravedad mas alto. Tambien, las lineas de combustible deben dirigirse a cada pieza de equipo lo que aumenta enormemente el riesgo de derrames de combustible. En las realizaciones ilustrativas de un diseno de cubierta de un buque en alta mar que utiliza operaciones de fracturacion energizadas electricamente como se describe en el presente documento, el espacio ocupado fisico del diseno de equipo se reduce significativamente cuando se 5 compara con el diseno convencional. Mas espacio libre esta disponible en la cubierta y el peso del equipo se reduce drasticamente, por lo tanto, se eliminan la mayor parte de los problemas de lastre. Se puede utilizar un buque ya disenado como diesel-electrico. Cuando el buque esta en la estacion en una plataforma y en el modo de mantenimiento de estacion, la mayor parte de la potencia que los motores del buque generan se puede llevar hasta la cubierta para energizar los modulos. Las instalaciones de almacenamiento en el buque se pueden ubicar por 10 debajo de la cubierta, y esto hace descender aun mas el centro de gravedad, mientras que el equipo adicional, por ejemplo, un separador trifasico o unidad de tuberia enrollada, se puede proporcionar sobre la cubierta, lo que es dificil en los buques energizados con diesel existentes. Estos beneficios junto con el sistema de control electronico proporcionan ventajas muy superiores sobre los buques convencionales.

Aunque la presente descripcion ha contemplado especificamente un sistema de fracturacion, el sistema se puede 15 utilizar para energizar bombas con otros propositos o para energizar otros equipos de campos petroliferos. Por ejemplo, los equipos de bombeo de alta velocidad y presion, equipos de fracturacion hidraulica, equipos de bombeo de estimulacion de pozos y/o equipos de mantenimiento de pozos tambien pueden ser energizados con el presente sistema. Adicionalmente, el sistema se puede adaptar para ser utilizado en otros campos de la tecnica que requieren operaciones de bombeo de alto torque o alta velocidad, tales como limpieza de tuberias o desague de minas.

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Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un metodo para suministrar fluido de fracturacion a un recinto de pozo, el metodo comprende las etapas de:

proporcionar una fuente dedicada de energfa (30) electrica a un sitio que contiene un recinto de pozo que se va a fracturar;

proporcionar uno o mas modulos (20) de fracturacion electrica en el sitio, el modulo (20) de fracturacion electrica que comprende un motor (21) electrico y una bomba (22) de fluido acoplada, el motor (21) electrico asociado operativamente con la fuente dedicada de energfa (30) electrica;

proporcionar un modulo (40) mezclador electrico, el modulo (40) mezclador electrico comprende: una fuente (48) de fluido, una fuente (44) aditiva de fluido, y una cubeta (46) de mezclador;

suministrar energfa electrica desde la fuente (30) dedicada hasta el modulo (40) mezclador electrico para efectuar mezcla de un fluido desde la fuente (48) de fluido con un aditivo de fluido desde la fuente (44) aditiva de fluido para generar el fluido de fracturacion;

proporcionar el fluido de fracturacion para suministro presurizado a un recinto de pozo; y

operar los modulos (20) de fracturacion utilizando energfa electrica desde la fuente dedicada para bombear el fluido de fracturacion hasta el recinto de pozo.
2. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la fuente dedicada de energfa electrica es un generador (30) de turbina.
3. El metodo de la reivindicacion 2, que comprende adicionalmente la etapa de proporcionar una fuente de gas natural, en el que el gas natural se utiliza para accionar el generador (30) de turbina en la produccion de energfa electrica.
4. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el motor (21) electrico es un motor de iman permanente de CA capaz de operacion en el rango de hasta 1500 rpms y hasta 20,000 pies/libras de torque.
5. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la bomba es una bomba (22) de fluido estilo de embolo qumtuple.
6. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la fuente dedicada de energfa (30) electrica se dispone en una

ubicacion remota desde uno o mas modulos (20) de fracturacion electrica.
7. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el sitio es un sitio en tierra.
8. El metodo de la reivindicacion 2, en el que el sitio es un sitio en alta mar.
9. Un sistema para uso en suministrar fluido presurizado a un recinto de pozo, el sistema comprende:

un sitio de pozo que comprende un recinto de pozo y una fuente (30) dedicada de electricidad;

un modulo (20) de fracturacion energizado electricamente asociado operativamente con la fuente (30) dedicada de electricidad, el modulo (20) de fracturacion energizado electricamente que comprende un motor (21) electrico y una bomba (22) de fluido acoplada al motor (21) electrico;

una fuente de fluido de tratamiento, en la que la fuente de fluido de tratamiento comprende un modulo de mezclador energizado electricamente (40) asociado operativamente con la fuente (30) dedicada de electricidad; y

un sistema de control para regular el modulo (20) de fracturacion en el suministro de fluido de tratamiento desde la fuente de fluido de tratamiento hasta el recinto de pozo.
10. El sistema de la reivindicacion 9, que comprende adicionalmente un remolque de fracturacion en el sitio de pozo para alojar uno o mas modulos (20) de fracturacion.
11. El sistema de la reivindicacion 9, en el que el modulo (20) de fracturacion se adapta para montar de forma desmontable sobre el remolque.
12. El sistema de la reivindicacion 9, que comprende adicionalmente un modulo de bombeo de repuesto que comprende una bomba y un motor electrico, en el que el modulo de bombeo de repuesto se adapta para montar de forma desmontable sobre el remolque.
13. El sistema de la reivindicacion 12, en el que el modulo de bombeo de repuesto se selecciona del grupo que comprende un modulo de bombeo de nitrogeno y un modulo de bombeo de dioxido de carbono.
14. El sistema de la reivindicacion 12, en el que el modulo de bombeo de repuesto se selecciona del grupo que comprende un torque alto, motor de baja velocidad y un torque bajo, motor de alta velocidad.
15. El sistema de la reivindicacion 9, en el que la fuente dedicada de electricidad se dispone en una ubicacion remota desde el modulo de fracturacion energizado electricamente.

5 16. El sistema de la reivindicacion 9, en el que el sitio de pozo es un sitio en tierra.
17. El sistema de la reivindicacion 9, en el que el sitio de pozo es un sitio en alta mar y la fuente dedicada de electricidad y el modulo de fracturacion energizado electricamente se ubican sobre un buque en alta mar.