JP2023547577A - フラクチャリングシステムのためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

フラクチャリングポンプのためのシステムおよび方法を提供する。本発明のシステムはタービンを含む。前記タービンは、天然ガスまたはその他の燃料から100％動力を得ることができる。前記タービンは、OEM制御装置を有していてもよく、フラクチャリングポンプを駆動させる。このフラクチャリングポンプは水圧破砕法に用いられる。本発明のシステムは、該システムを制御する制御装置を有しており、この制御装置は前記OEM制御装置を含む。本発明のシステムは、前記タービンに入る空気を処理するための空気濾過システムを有する。この空気濾過システムは、可動部品やフィルタを含まないシステムを含んでいてもよい。本発明のシステムは、トレーラーにぴったり収めることができるため、遠隔地に輸送することができる。本発明のシステムは自己動力供給型である。

Description

本発明は、2020年10月23日に出願された米国仮特許出願第63/104,982号；2021年5月12日に出願された米国仮特許出願第63/187,757号；2021年9月30日に出願された米国仮特許出願第63/250,965号；および2021年10月21日に出願された米国仮特許出願第17/507,636号に基づく優先権を主張するものであり、これらの文献に記載の内容はいずれも参照によりその全体が本明細書に援用される。

本発明は、タービンで作動するフラクチャリングポンプのためのシステムおよび方法に関する。

水圧破砕法（フラッキング）は、高圧のフラッキング液を岩層に注入することによって石油および天然ガスの抽出を行う坑井刺激技術である。フラクチャリングポンプの制御に関しては、いくつかの変数がある。１つの変数を変化させると、その他の多くの変数に影響が及ぶ。必要に応じて、ポンプやその他の設備を設けたり省いたりすることによっても制御を変更することができる。したがって、フラクチャリングポンプを制御および作動させるためのシステムおよび方法が必要とされている。

本発明を特徴付けると考えられる新規な特徴は、添付の請求項に記載の通りである。一方、本発明自体、その使用の好ましい態様、本発明のさらなる目的および本発明の利点は、説明を目的とした後述の実施形態の詳細な説明を、以下の添付の図面と併せて参照することによって最もよく理解することができるであろう。

一実施形態におけるフラクチャリング制御装置の制御画面のスクリーンショットである。

一実施形態における圧力試験のスクリーンショットである。

一実施形態におけるトランスデューサのゼロ調整のスクリーンショットである。

一実施形態におけるセンサのスクリーンショットである。

一実施形態におけるタービンとフラクチャリングポンプの模式図である。

一実施形態における２つのファンを備えるシステムの模式図である。

一実施形態における空気微粒子セパレータの模式図である。

一実施形態におけるマウントの透視図である。

一実施形態におけるマウントの側面断面図である。

本出願人による発明のいくつかの実施形態を、図面を参照しながら以下で説明する。別段の記載がない限り、すべての図面において類似の構成要素を同じ符号で示す。本明細書において説明とともに開示される本発明は、本明細書には具体的に開示されていない構成要素の不在下において適切に実施してもよい。

前述したように、フラクチャリングポンプは、破砕掘削作業を支援するために用いられる。様々な方法でポンプに動力を供給することができる。本明細書に述べる一実施形態では、タービンを用いて高圧フラクチャリングポンプに動力を供給する。

様々な種類のタービンを利用することができる。一実施形態において、タービンはVericor社製のタービンを含む。そのようなタービンは、それ自体に組み込まれたFADEC方式のエンジン制御装置を用いて、自体の作動制御を行っている。したがって、一実施形態において、それぞれのタービンは、それ自体にOEM制御装置を有する。OEM制御装置は、部品設備に設けられた制御装置である。

タービンは、従来の燃料から動力を供給することができる。一実施形態では、天然ガスまたはこれに由来する燃料からタービンに動力が供給される。いくつかの実施形態では、天然ガスからタービンに動力を供給することによって、遠隔地にタービンを設置することが可能となる。一実施形態では、タービンは、天然ガスから100％動力を得る。

前述したように、タービンは、ディーゼル燃料、天然ガス、水素、アンモニアなどの様々な燃料から動力を得ることができる。いくつかの実施形態では、配合燃料からタービンに燃料を供給することができる。これによって、本発明のシステムの柔軟性を高めることができるという利点がある。本発明のシステムは、様々な品質のガスで作動させることができることから、オペレーターに対して、大幅にコストを削減できる。

タービンは大きな馬力を発生させ、この馬力をフラクチャリングポンプに伝達することができる。実質的にどのようなポンプであっても、フラッキングに用いることができる。一実施形態において、ポンプは多連プランジャーポンプを含む。一実施形態において、ポンプは容積式ポンプを含む。ポンプは、どのようなタイプであっても、フラッキング用の垂直坑井に材料を送達することができる。一実施形態において、このポンプは40,000HHP（１時間１水馬力）である。このような高馬力ポンプを用いることによって、いくつかの実施形態では、先行技術と比べて、高馬力ポンプの設置面積を70％減少させることができる。

制御システム

一実施形態において、本発明のフラッキングシステムは、複数のサブ制御システムを利用する。一実施形態において、タービンはそれ自体にFADEC方式の制御装置を有しており、この制御装置は主制御装置によって制御される。したがって、FADEC方式のタービン制御装置によって監視および制御されるすべての入力および変数も、主制御装置である包括的フラクチャリング制御装置によって制御される。一実施形態において、FADEC方式のタービン制御装置は、連続的に通信をチェックして、エンジンの特定の監視警告および制限警告とエンジンの不具合とを連動させるとともに、包括的フラクチャリング制御装置の上位制御命令により、コマンドの確認、安全性のチェック、インターロック、サブシステムの制御および複数の入出力点の拡張が行われる。

一実施形態において、包括的フラクチャリング制御装置は、設備の監視に必要とされる入力データを利用する。このような入力データとして、温度、圧力、流速、振動、ギヤ位置、充電レベル、燃料レベル、燃料消費量などが挙げられる。

さらに、包括的フラクチャリング制御装置は、ガス検知、ファンによる換気、および侵入防止警告を発する制限監視を備えた設備エンクロージャシステムの監視および制御も行う。この設備エンクロージャシステムを包括的フラクチャリング制御装置に組み込むことによって、安全性を高め、環境保全を向上させることができる。

一実施形態において、包括的フラクチャリング制御装置は、ギヤボックスシステムを含むサブシステムをさらに有する。このギヤボックスシステムは、油予熱と油圧と循環ポンプの制御を含む。一実施形態において、ギヤボックスシステムは、温度制限、侵入防止警告および油圧低下警告を含む。前述したように、これは独立した特徴ではなく、包括的制御装置に組み込まれている。

一実施形態において、包括的フラクチャリング制御装置は、シェールポンプシステムを監視するためのシステムをさらに含む。シェールポンプシステムは、油圧と循環ポンプの制御、温度制限、侵入防止警告および／または油圧低下警告を含んでいてもよい。

一実施形態において、包括的フラクチャリング制御装置は、エンジンと設備とオペレーターを保護するため、安全ロックを備えたブレーキとシェールポンプギヤの制御をさらに含む。一例として、ギヤチェンジとブレーキ制御を、様々な位置に配置されたフィードバックセンサと連動させることができる。

一実施形態において、包括的フラクチャリング制御装置は、圧力制御およびキックアウトを監視および制御するためのシステムを含む。これによって、安全性の高い圧力制限を常時維持しながら、正確なトルクとブレーキの制御を用いて正確な圧力を得ることができる。

安全システム

本発明のシステムは、前述したように、安全性が向上している。しかし、別の一実施形態では、いくつかの安全インターロックが設けられており、この安全インターロックによって、本発明のシステムを安全に制御することができるとともに、有害な操作および危険な操作手順または問題のある操作手順を適切に監視し、このような操作や操作手順から設備を保護する。また、一実施形態において、本発明のシステムは、防音設備および耐熱設備を含んでいる。

一実施形態では、様々な早期警戒限界をオペレーターに提示することにより、偶発的なシャットダウンまたは設備障害の発生をオペレーターに知らせる。さらに、一実施形態では、様々な動作限界に達したときに、自動的にエンジンのアイドリングを発生させる。このような動作限界の例として、高温、流量の低下、油圧の低下、過剰な振動およびその他の発生しうる設備パラメータが挙げられる。

いくつかの実施形態において、本発明のシステムは、１つ以上の振動センサを含む。タービンは速い回転速度で回転するため、設備が所望の方法で作動しているかどうかを振動センサによって判定できることが多い。振動センサは様々な位置に配置することができる。一実施形態では、１つまたは２つの振動センサをタービンに配置し、１つの振動センサをギヤボックスに配置し、１つ以上の振動センサをポンプに配置する。一実施形態では、５つの別個の振動センサを、流体側、電源側、プランジャー、バルブ、弁座などのポンプの様々な位置に配置する。振動センサによって、本発明のシステムの効率および健康状態を判定することができる。このようにして、振動センサにより安全性をさらに向上させることができる。

いくつかの実施形態において、本発明のシステムが良好な状態なものの、準備が整っていない場合や、あるいはその他のサブシステムがオペレーターの侵入を阻止しなければいけない状態になった場合に、危険な操作が行われないように、オペレーターの侵入を防止する措置が取られる。さらに、ネットワークは制御オプションにより保護されており、パスワードが必要とされることが多い。

いくつかの実施形態において、設備を保護するために必要な、道路への負荷、ピニオントルクの限界値および送り量の限界値に対して、リアルタイムでポンプ計算とポンプの制限が行われる。

一実施形態において、本発明のシステムは消火システムを含む。この消火システムは、温度計、熱電対およびカメラと接続されて、火災を検知および予測することができる。一実施形態において、消火システムはサーマルカメラを含む。サーマルカメラは、漏出などの様々な問題を検出することができる。消火システムにサーマルカメラを利用することによって、熱損失や発熱などを監視することができる。また、サーマルカメラは、ポンプまたはバルブからの漏出も診断することができる。このようにして、サーマルカメラを制御システムと通信させて、例えば、バルブまたはポンプからの漏出を停止することができる。

一実施形態において、本発明のシステムは１つ以上のマルチガス分析計を含み、このマルチガス分析計を用いてガスの有無を検出する。ガスが検出された場合、エンジンは起動されない。さらに、ガスが検出された場合、タービンを停止することができる。さらに、別の実施形態において、ガスが検出された場合、本発明のシステムは警告を送信する。一酸化炭素検出器などのその他のシステムを利用することもできる。

いくつかの実施形態において、オペレーターには承認が必要とされ、時間を置くように、あるいは危険性の高い機能にアクセスしないように、かつ過度な摩耗または危険性を引き起こす設備操作を行わないように自動的に制限を受ける。前述の様々なシステムによって安全性を向上させることができる。一実施形態において、包括的フラクチャリング制御装置は、タービンとポンプの両方、エンクロージャシステム、およびその他のサブシステムを制御できることから、包括的フラクチャリング制御装置は、先行技術によるフラクチャリングポンプよりも良好な全体像を有する。本発明のフラクチャリング制御装置は、従来のシステムよりも動作プロセスの点でより明確かつ包括的な仕組みを備える。したがって、安全サブシステムは包括性が高く、堅牢性が高い。

一実施形態において、タービンおよび包括的フラクチャリング制御装置は、それぞれ無線により遠隔地からアクセス可能である。したがって、現地での操作は必要とされない。これによって、オペレーターがタービンおよびフラクチャリングポンプを遠隔地から作動させて、制御することが可能となる。人であるオペレーターと高圧作動設備との間で距離を確保できることから、安全性がさらに向上する。さらに、１人のオペレーターが現地で判断するのではなく、遠隔地からチームとして判断を下すことができる。これによって、安全性と効率がさらに向上する。

一実施形態において、オペレーターは、カメラを利用して遠隔地から本発明のシステムの動作を確認することができる。一実施形態において、このカメラは360度カメラシステムである。オペレーターは、例えば、開放されるべきバルブが実際に開放されているのかを確認するために監視を行うことができる。このようにして、オペレーターは、危険区域に身をさらすことなく、危険区域内に設置された設備を確認することができる。危険区域は、設備の作動中に作業員が侵入してはならない区域を指すことが多い。問題が発生した場合、オペレーターは、危険区域に身をさらすことなく、遠隔地からその問題を解決することができる。

一実施形態において、スマートフォン、ノートパソコン、タブレットなどの、実質的にどのようなインターネット対応機器でも、タービンおよびフラクチャリングの中央制御装置として機能させることができる。これによって、安全な環境から複数のユーザによる監視を行うことができるという前例のない制御が可能となる。さらに、１人以上のオペレーターが、複数のフラクチャリングシステムの管理と制御を安全に行うこともできる。したがって、単に遠隔地からのアクセスが可能となったり、遠隔地からの監視が可能となるだけでなく、一実施形態では、ユーザは、本発明のシステムを遠隔地から制御することができる。いくつかの実施形態において、これは、１つのユニットまたは複数のユニットのすべての機能を制御できることに相当する。いくつかの実施形態において、リアルタイムデータを得ることができる。また、安全制御システムの監視と制御を行うことができる。ユーザは、安全な距離から設定値およびパラメータを変更することができる。

一実施形態において、本発明のシステムは、現地の制御システムからアマゾンウェブサービス（AWS）のクラウドインフラストラクチャーに接続した完全なIoT（Internet of Things）スタック技術を含み、これを利用することによって、世界中のどのような場所からでもタービンの制御装置から実際の現地データに簡単にアクセスすることができる。

一実施形態において、本発明のフラクチャリングシステムは、完全な遠隔操作で起動とシャットダウンを行うことができる。現地にオペレーターを必要とする先行技術のシステムでは、このような遠隔操作はこれまで不可能であった。

前述したように、包括的フラクチャリング制御装置は、様々な制御出力を監視および制御することができる。このような監視および制御として、調整可能なベーンの位置の制御、燃料比、ブリードバンドの設定、ブレーキの設定、ギヤの位置、ギヤの選択などが挙げられる。これらは、制御出力として一般的なものではない。これらの制御は、ディーゼル燃料を利用する重機、電気を利用する重機、燃料の種類に応じて作動する重機、レシプロガスエンジンなどに利用されるようなその他のフラクチャリング制御と同期させることができる。

一実施形態において、本発明のシステムは、破片を検出することができる。エンジンが摩耗し始めると、エンジンの金属部分が削れることがある。破片検出器は、エンジン内の破片、削りくず、異物などを監視および検出する。破片の検出によりエンジンの健康状態を監視することができる。したがって、エンジンの安全性と性能を向上させることができる。

複数のポンプの制御

説明を簡略化するため、単一のタービンと単一のポンプを用いた実施形態について説明するが、この実施形態は説明のみを目的としたものであり、この実施形態に限定されない。別の実施形態では、２つ以上のポンプおよび／または２つ以上のタービンを使用することができる。これらのポンプは同じ種類のポンプであってもよく、異なる種類のポンプであってもよい。例えば、前述したように、タービンにより第１のポンプに動力を供給してもよく、第２のポンプは電気ポンプまたはディーゼルポンプであってもよい。一実施形態では、本明細書に記載の単一の包括的フラクチャリング制御装置によって複数のポンプを制御する。

複数のポンプを用いた場合、制御変数も確実に増加するため、これらのポンプを協調して動作させることが必要である。圧力の制御および圧力の制限は、複数のポンプが制御システムを介して通信を行うことによって、どのポンプが圧力制限と圧力制御を管理するのかというように協調して動作する。一実施形態において、本発明のシステムは、複数のポンプを利用する本発明のシステム全体で自動的に送り量を選択し、送り量のバランスを取っている。使用する様々なポンプやスロットルなどは、圧力、流速、価格などの様々な要因に基づいて選択することができる。一例として、本発明のシステムでは、追加のディーゼルポンプのコストが考慮に入れられる場合がある。例えば、ディーゼル燃料の価格が、タービンに使用する天然ガスのコストを大幅に上回る場合、コストを最小限に抑えるため、ディーゼルポンプの使用を少なくすることができる。一方、圧力上昇または送り量の増加が必要とされる場合は、ディーゼルポンプの使用を増やすこともできる。本発明のフラクチャリング制御システムでは、複数のポンプを制御し、かつ複数の要因（圧力、送り量、運転コストなど）のバランスをとるためのシステムが提供されるが、これは先行技術では達成不可能であった。

さらに、複数のポンプを作動させる一実施形態において、本発明のシステムは、瞬間的な圧力低下を検出し、自動的に送り量を回復させる。したがって、前述したように、所望の圧力と送り量を維持するため、ポンプを追加したり、減らしたりすることができる。

一実施形態において、包括的フラクチャリング制御装置は、１台のノートパソコンまたは１人のユーザによって制御することができる。したがって、１つのコマンドで、様々なFADEC／OEM制御装置に同時に命令を出すことができる。したがって、例えば、１つのシグナルを６つの別個のポンプに送信することができる。別の実施形態において、例えば、包括的フラクチャリング制御装置から６つの別個のFADEC制御装置に６つの異なるコマンドが送信される。これらとは異なる別の態様もいくつか考えられる。一度に１つのユニットを制御することができる。あるいは、２つ以上のユニットをグループ化して配置することもできる。包括的フラクチャリング制御装置は、グループ化されたOEM制御装置に、１つの命令を送信することができる。あるいは、包括的フラクチャリング制御装置は、グループ化された各メンバーに同じ命令または異なる命令を送信することもできる。

稼働

前述したように、一実施形態において、本発明のシステムは、少なくとも１つの高馬力ポンプを使用する。本発明のシステムに高馬力ポンプを使用することによって、比較的小さい馬力のポンプを用いたシステムと比べて、より効率的にシステムを作動させつつ、非常に少ない設備を用いて必要な送り量を達成することができる。前述したように、一実施形態において、燃料消費量を追跡し、この燃料消費量から必要な設備を算出する。タービンの最も効率的な出力範囲を利用して、所望の送り量を達成するため、複数のタービンを用いて燃料消費曲線を調整する。このような方法は、先行技術による方法と対照的であり、先行技術による方法では、従来の水圧ポンプを交換するか、タービンを用いて燃料の使用範囲を効率的なものに制限して、燃料費と燃料消費を最小限に抑えている。

前述したように、一実施形態において、本発明のシステムは、遠隔地に設置できるように設計されている。そのような一実施形態において、本発明のシステムは、現地で作業を行うため、各ユニットを輸送できるように設計された平ボディトラックを利用する。これによって、道路を使って各ユニットを容易に現地まで輸送し、かつ現地から返送することが可能になることから、機動力が向上する。さらにその大きさから、本発明のシステムの設置に必要とされる面積も少なくなる。設置面積が小さくなることから、設置面積（平方フィート）あたりの馬力の比率も増加する。

前述したように、一実施形態において、タービンは天然ガスを利用する。したがって、このような実施形態において、本発明のシステムは自己動力供給型であり、補助電源や外部設備による補助を必要としない。配線で接続された別の設備や掘削現場に別個に輸送された別の設備を必要とすることなく、掘削現場に本発明のシステムを設置するだけでよいため、このような態様には大きな利点がある。

一実施形態において、本発明のシステムは、マルチスピードギヤボックスを利用することによって、タービンエンジンとポンプの作動範囲を増加させている。一実施形態において、本発明のシステムは、タービンに接続された１１：１のギヤ比のギヤ減速機を利用することによって、トランスミッションの要求性能に応じてタービンの出力シャフトの速度を最適化している。このような構成とした理由として、前述したように、タービンは、例えば、最大で20,000rpmという回転速度に達することが挙げられる。以降で詳述するが、第２のファンの回転速度は16,000rpm以下まで減少する。これらの特定の回転速度は、説明のみを目的としたものである。このような特定の回転速度は、タービンの大きさ、ファンおよびその他の要因に左右される。ギヤボックスまたは一連のギヤボックスによって、このような回転速度をポンプが利用可能な回転速度まで減少させる。

一実施形態において、摩擦を減少させるベアリングがギヤボックス内に設置されている。特定の一実施形態では、ローラーベアリングを使用する。

一実施形態において、本発明のシステムはフローティングドライブシャフトを使用する。フローティングドライブシャフトを用いることによって、ユニバーサルジョイントを用いることなく、メインギヤボックスをトランスミッション（マルチスピードギヤボックス）に接続することができる。この方法の利点の１つは、振動を減少させ、駆動系を単純化できることにある。

ドライブシャフトは、どのような方法で制御してもよく、当技術分野で公知の装置で制御してもよい。このような装置として、トランスミッションやギヤボックスなどが挙げられる。一例として、このユニットは変速駆動を含むが、これに限定されない。したがって、ギヤを備えた従来のトランスミッションの代わりに、変速駆動を利用することもできる。変速駆動は、公比の初項と末項の間で駆動比を実質的に無限大に設定することができる。ベルトやチェーンなどを用いてトルクが伝達される。

一実施形態では、ドライブシャフトをすべて省くことができる。このような例では、タービンはギヤボックスに接続され、このギヤボックスはポンプに接続される。これによって、一続きの駆動チェーンアセンブリが構成される。いくつかの実施形態では、ドライブシャフトを省くことには、多数の利点がある。いくつかの実施形態では、ドライブシャフトを省くことによって、設置長を短くし、かつ設置面積を小さくすることができる。さらに、ドライブシャフトによって、トルクおよび振動が制限されることがある。ドライブシャフトを省くことによって、これらの制限を縮小することができる。いくつかの実施形態では、ドライブシャフトの代わりに、ギヤなどを介して各部品を直接接続する。

前述したように、一実施形態では、本発明のシステムは制動装置を利用する。この制動装置は、水圧ディスクブレーキに電力を供給して、必要に応じてシャフトの出力を停止させる。このシステムも、包括的フラクチャリング制御装置によって制御されて、パルス的に圧力を負荷する技術を利用した圧力試験サービスが行われ、制御下での圧力試験に必要なシャフトの回転数を小さくすることができる。

図１は、一実施形態における包括的フラクチャリング制御装置の制御画面のスクリーンショットである。図に示すように、オペレーターは、エンジン制御の状態を確認して、エンジンを制御することができる。ユーザは、微粒子排出、ギヤボックス潤滑油、キックアウト圧力、ギヤチェンジおよび圧力試験をさらに監視することができる。

図２は、一実施形態における圧力試験のスクリーンショットである。一実施形態において、圧力制御は、一連のユニークなトルク制御アルゴリズムにより行われ、トルク制御機構によって、圧力の微調整、安定な制御および昇圧率の制御のすべてを行うことができる。この新規な方法において、段階的圧力制御、無段階昇圧、マッピングトルクの設定などのいくつかの方法を使用することにより、圧力を微細に制御することができる。したがって、ユーザがトルクを指定すると、本発明のシステムは、このトルクに対応する所望の圧力を決定する。次に、ユーザは、実際の圧力が所望の圧力から逸脱しないように、実際の圧力を監視することができる。別の実施形態では、これとは逆のことを行う。具体的には、ユーザが圧力を入力すると、本発明のシステムは、この圧力に対応するトルクを計算し、これによって生じるトルクが測定される。次に、ユーザは、実際のトルクと予測されるトルクとを比較することができる。次に、トルクを指定するのか、圧力を指定するのかにかかわらず、ユーザは、所望の出力を得るために変更を加えることができる。このシステムによって、本発明のシステムの圧力試験を行うことができる。

図３は、一実施形態におけるトランスデューサのゼロ調整のスクリーンショットである。

図４は、一実施形態におけるセンサのスクリーンショットである。図に示すように、オペレーターは、本発明のシステムの１つまたは複数のセンサの出力および／または測定の出力をリアルタイムで確認することができる。図に示すように、このスクリーンショットでは、様々な警告が示されており、これらの警告は色分けされている。しかし、当業者であれば、事象の重要性に基づいて是正措置を取るようにユーザに指示を出すために、様々な出力および事象を様々な方法で強調表示してもよいことを理解できるであろう。前述したように、特定の実施形態において、本発明のシステムは、様々な種類のセンサを複数使用する。これらのセンサから収集されたデータは、設備の故障、予期しない事象、重大な事象などを予測する際に非常に重要になりうる。したがって、一実施形態において、１つまたは複数のセンサから収集されたデータから、センサ出力およびその後に続く何らかの事象を学習することができる。この学習は機械学習すなわちAIに提供される。これによって、予知保全を行ったり、望ましくない事象を防止したりすることができる。これによって、本発明のシステムの安全性と効率が向上する。

図５は、一実施形態におけるタービンとフラクチャリングポンプの模式図である。図５に示すように、タービン101とフラクチャリングポンプ102、および支持設備のすべてが１台のトレーラー107にぴったりと収められている。一実施形態において、トレーラー107は、防振装置上に設置した８インチの船舶用チャンネルフレームを備えている。これによって、振動を減少させ、安定性を向上させることができる。

一実施形態において、タービン101は、エンクロージャに収容されている。前述したように、エンクロージャは消火システムを備えていてもよい。エンクロージャは、赤外線センサおよび／または赤外線カメラを含んでいてもよい。

一実施形態において、エンクロージャには、エンジン、ギヤボックスおよび排気システムが収容されている。

図に示すように、ポンプ102はトレーラー107の後方に配置されている。前述したように、このポンプは、実質的にどのようなポンプであってもよい。一実施形態において、このポンプは容積式ポンプである。図に示すように、このポンプは５つのプランジャーを備えている。ただし、この態様は説明のみを目的としたものであり、この態様に限定されない。

ポンプ102には、前述したギヤボックス103が接続されている。このギヤボックスにより、ポンプの回転の制動と制御を補助することができる。

ギヤボックス103には、ドライブシャフト104が接続されている。前述したように、一実施形態において、ドライブシャフト104はフローティングドライブシャフトである。ドライブシャフト104により、ギヤボックス103とギヤ減速機105が接続されている。ギヤ減速機105によって、タービンの回転毎分（rpm）を所望の回転速度に減速させる。ギヤボックス103とギヤ減速機105は、第１のファンに対して20,000rpmもの非常に速い回転速度を提供し、これを1400～1500rpmの許容可能な回転毎分に変換し、この回転速度であればポンプ102が許容可能である。ただし、前述と同様に、これらの回転速度は説明のみを目的としたものであり、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、ポンプ102は、内蔵減速機をさらに有する。

一実施形態では、ギヤボックス103と、ギヤ減速機105は接続されておらず、別の実施形態では、１つのギヤボックスのみを用いて回転毎分を減少させる。

一実施形態において、ドライブシャフトには、継手ではなく単純なシヤーピンまたはピンを使用する。一実施形態において、ドライブシャフト104または本発明のシステムで使用されるシャフトは、ピンシステムを備える。２つ以上の部品が、１つのピンまたは複数のピンにより接続されている。このピンは、所定のトルクで破断する。これによって、意図しないトルクの超過を防止することができる。望ましくないトルクがシャフトに伝わった場合、ピンが破断して、シャフトの回転が止まる。このようにして、設備を保護し、安全性を向上させることができる。

本明細書で述べるポンプは、様々な形態をとることができる。一実施形態において、ポンプは多連プランジャーポンプを含む。プランジャーの長さは様々であってもよい。一実施形態において、プランジャーのストローク長は、約８インチ以上である。プランジャーの直径は４インチ以上である。一実施形態において、ポンプは、該ポンプに電源を接続するシャフトを有する。一実施形態において、ポンプには、細分化または一体成形された流末アセンブリが利用される。

ポンプは様々な運用能力を有することができる。一実施形態において、ポンプは15,000psiで作動させることができる。一実施形態において、ポンプは、最大で7,500hpおよび60,000lb-ftのトルクを扱うことができる。

一実施形態において、ポンプは、本発明のアセンブリの全体的な強度に不可欠なパワーフレームを使用する。一実施形態において、このようなパワーフレームには、高強度ロッドまたは高強度管が使用され、この高強度ロッドまたは高強度管は、軸受ハウジング内を横断するように設置される。これは、軸受ハウジングおよび／またはパワーフレームの外面のたわみを防止または低下させることを目的としている。パワーフレームは、軸受ハウジングおよび／またはパワーフレームの外面のたわみを防止または低下させることを目的として、高応力領域に設けられた鋼鉄製のガセットプレートを備えていてもよい。

一実施形態において、フランジ設計またはハブ設計を介して、トランスミッションまたは駆動列アセンブリにポンプを直接接続することができる。一実施形態において、ニュートラルギヤを備えた、またはニュートラルギヤを備えていないシングルスピードギヤボックスまたはマルチスピードギヤボックスにポンプを直接装着することができる。

一実施形態において、ポンプをアセンブリ内に設置することができ、この態様では、ポンプアセンブリ（ポンプと、これに一体化されたギヤ減速機／ギヤボックス）にエンジンが直接接続される。一実施形態において、ポンプをアセンブリ内に設置することができ、この態様では、ポンプアセンブリに直接接続されたギヤ減速機にエンジンが直接接続される。

一実施形態において、ポンプをアセンブリ内に設置することができ、この態様では、ドライブシャフトを用いることなく、フランジの付いた駆動列アセンブリにエンジンが直接接続され、この駆動列アセンブリはポンプに直接接続される。一実施形態において、ポンプは、各プランジャーの入力回転数を一定に維持したまま、各プランジャーの移動速度が様々な時点で変更できるように設計される。

一実施形態において、駆動系は、ドライブシャフトが機械的に直接接続された直接駆動である。一方、別の実施形態では、駆動系は間接駆動系である。一例として、第１のファンは第２のファンに風を吹き付ける。第１のファンと第２のファンは、機械的に直接接続されていないが、間接的に互いを駆動している。これについて以下で詳細に検討する。

図６は、一実施形態における２つのファンを用いた方法を示す。図に示すように、燃焼器で燃料と空気が混合される。次に、混合された燃料と空気が、第１のファン108と第２のファン109の２つのファンを収容したタービン101内に送られる。第１のファン108は、空気圧縮機区画に配置されている。第２のファン109は、動力出力タービン区画に配置されている。この２軸タービンは、第１のファン108の動力を用いて第２のファン109を回転させる。第１のファン108と第２のファン109は直接接続されていない。第２のファン109は出力シャフトに接続されており、この出力シャフトは駆動列に接続されており、この駆動列はポンプ102に接続されている。このユニークな方法では、２つのファンは直接接続されていない。

一実施形態において、土やその他の望ましくない微粒子がタービンに侵入しないように、タービンシステムは空気濾過システムを備えている。濾過システムは、通常、高価なフィルタを必要とし、このフィルタは定期的に交換する必要がある。したがって、一実施形態では、空気濾過システムはフィルタを備えていない。空気濾過システムは、フィルタの代わりに、空気微粒子セパレータを備えることによって、タービンに調整された空気を供給し、かつ空気取入口における圧力低下を小さくすることができる。これによって、タービン自体の馬力の出力が向上し、ひいては本発明のシステムの全体的な効率を向上させ、コストを削減することができる。さらに、フィルタの交換は労力を要することが多く、フィルタの位置によっては、危険を伴う場合もある。高価で時間もかかるフィルタ交換の必要性を排除することができるため、安全性が向上し、運転コストも削減することができる。

前述したように、一実施形態では、空気微粒子セパレータはフィルタを使用しない。空気微粒子セパレータは、フィルタの代わりに、遠心力を利用する遠心分離機を備えることによって空気を清浄化する。フィルタを設けていないことから、気流が増加する。

図７は、一実施形態における空気微粒子セパレータの模式図である。空気微粒子セパレータは濾過管を有する。濾過する前の空気110は、濾過管112の上流端に入る。濾過管112は、その内周に沿って１つまたは複数のベーン113を有する。微粒子111の重さが重いほど、微粒子111は、遠心力で外周に飛ばされる。微粒子111は、濾過管112のベーン113に沿って流れる。濾過された空気115は、濾過管112の下流端から、収集カップ114を通って排出される。図に示すように、微粒子112は収集カップ114に収集される。

微粒子112は、いくつかの種類の機構を介して濾過管112から取り除くことができる。一実施形態において、収集カップ114を下方に引き下げて、微粒子111を取り除く。別の一実施形態では、１つ以上のファンにより吸引力または圧力を生じさせて、微粒子111を吸引するか、吹き飛ばすことによって微粒子111を濾過管112から取り除く。このような微粒子の除去は一定の時間周期で行うことができ、あるいは、重量センサまたは圧力センサが、十分な量の微粒子111が収集されたことから微粒子111を空気濾過システムから除去する必要があると判定した場合に、微粒子を除去することができる。別の一実施形態において、微粒子は、濾過管112から微粒子を一旦収集して廃棄するための収集用廃棄容器に収集される。収集用廃棄容器に収集された微粒子は、前述と同様にして取り除くことができる。

一実施形態において、本発明のシステムは、10,000cfmの風量の別個の濾過管112を４つ使用する。一実施形態において、タービン101の両側に濾過管が２つずつ配置される。いくつかの実施形態において、タービン101は分岐構造を持つ。タービン101の両側に空気微粒子セパレータを２つずつ有することから、タービン101の両側に均等に空気を供給することができる。換言すれば、空気微粒子セパレータをこのように配置することによって、タービンの片側で空気が不足することを防ぐことができる。その結果、燃料の燃焼効率が向上する。

空気微粒子セパレータは、様々な種類の設備を含んでいてもよい。一実施形態において、それぞれが10,000cfmの処理能力を有するDonaldson社製の微粒子セパレータを４つ使用する。さらに、２つの電動ファンを用いて、空気微粒子セパレータからの排気を促す。したがって、各電動ファンはそれぞれ２つの空気微粒子セパレータに接続されている。電動ファンと空気微粒子セパレータの配置は様々に変更することができ、１つの空気微粒子セパレータにつき１つのファンを配置することもでき、あるいは４つの空気微粒子セパレータに対して１つファンのみを配置することもできる。さらに、一実施形態において、空気取入口は、ベローズを備えた分岐構造にすることができる。

一実施形態において、空気微粒子セパレータは可動部品を有していない。空気微粒子セパレータが可動部品を有していないことから、従来のフィルタよりも、空気を処理する際のコストが削減される。フィルタを使用しない代わりに、吸入される空気の遠心力を利用して、重い微粒子が側方に押しのけられる。前述したように、フィルタは閉塞することから交換が必要となるが、空気微粒子セパレータはフィルタを備えていない。空気微粒子セパレータがフィルタを備えていないことから、均一で高品質な空気を確実にタービンに送ることができる。

一実施形態において、空気微粒子セパレータは、圧力損失の有無を判断するための圧力センサを含む。例えば、空気微粒子セパレータの空気吸込口に障害物が生じた場合、空気濾過システムはこの障害物を認識して、１つ以上のエンジンをシャットダウンすることができる。さらに、空気濾過システムは警告を発することができてもよい。

一実施形態において、本発明のシステムおよび／またはポンプに、制振マウントおよび防振マウントを利用することができる。一実施形態において、マウントとは別に、またはマウントに加えて、本発明のシステムの振動、ハーモニクスおよび望ましくない応力を低減させる目的で、ポンプの各プランジャーの動作順序を最適化することができる。

図８Ａは、一実施形態におけるマウントの透視図である。図８Ｂは、一実施形態におけるマウントの側面断面図である。マウント116を用いて、トレーラー107に設備を固定することができる。図に示すように、マウントは、外側マウント117とエラストマー部材118を有する。エラストマー部材118、またはその他の類似した部品は、設備の振動と動きを吸収する。これによって、設備の寿命が延びる。さらに、エラストマー部材118は、輸送中および作動中のショック、衝撃および／または振動を減少させる。図５にマウント116を示す。

図５に示すように、タービン101自体を別個にトレーラー107に載せることはなく、マウント116を介してトレーラーに載せたギヤボックスにタービン101を装着する。マウント116を用いてギヤボックスを載置するものとして図示しているが、マウント116を用いてどの設備を載置してもよいことから、この態様に限定されない。さらに、どのようなマウントでも使用することができる。

前述したように、振動は衝撃を与え、設備の寿命に負の影響を与える。一実施形態において、ポンプの吐出口は、吐出口留め具に接続された高圧ゴムホースを含む。一実施形態において、隣接した２つの吐出口留め具が高圧ゴムホースで接続されている。一実施形態において、この高圧ゴムホースは、最大で15,000psiの圧力に耐えることができる。高圧ゴムホースは、ゴムと編組線とその他の材料から構成されている。高圧ゴムホースを構成するゴムは、剛直な鋼鉄と比べて減衰効果を有する。この減衰効果によってポンプの振動が減少し、これによって、各部品の寿命が延長し、ポンプの全体的な安全性が向上する。

前述したように、ギヤ減速機105にはタービン101が接続されている。さらに、タービンには排気システム106が接続されている。

一実施形態において、排気システムの外側はアルミニウムで覆われている。アルミニウムが排気管の周りを取り囲んでいることから、耐熱性が付与されている。特定の実施形態において、本発明のシステムからの排出は60～70％削減されている。排気ガスの分析および監視を行うことによって、エンジンの健康状態を評価することができる。一実施形態では、一酸化炭素を65％削減することができた。

一実施形態において、排気管はその全長にわたって均一な直径を有していない。均一な直径を有していないパイプまたは管の直径は、その全長にわたって一定ではなく、その長さに沿って変化する。一実施形態において、排気管の直径は、その長さに沿って増加する。

前述したように、トレーラーは、フラクチャリングポンプの作動に必要なすべての部品を収容することができる。トレーラーは、タービン101と、任意の部品として必要とされる駆動列、ギヤボックス、ギヤ減速機、シャフト、ポンプ102および排気システムとを有する。「トレーラー」という用語が使用されているが、この態様は説明のみを目的としたものであり、この態様に限定されない。本明細書に記載されているように、トラック、トレーラー、平ボディトラックなどを使用することができる。

一実施形態において、本発明のシステムは外部電力を必要としない。本発明のシステムは、発電機、ソーラーパワー、電池などを利用することができる。一実施形態において、本発明のシステムは、電力供給にトラックを利用する。一実施形態において、本発明のシステムは、トラクターのパワーテイクオフ（PTO）発電機を利用する。「トラクター」は、機械エネルギーを供給できるトラック、トラクターまたはその他のシステムを意味する。本発明のシステムは、PTO発電機に電力を供給するためにトラックまたは車両を利用する。PTO発電機は、本発明のシステムへの動力供給に必要な電力を発生させる。

本発明のシステムが所望の場所に到着したら、トレーラーを駐車させる。部品の緩衝材としてトレーラーのエアバッグを利用する実施形態では、用途に応じて、エアバッグの空気のすべてまたはその一部を抜く。次に、作業の実施に必要な関連するマニホールド／設備にフラクチャリングポンプを接続する。

前述したように、電力は、センサやバルブなどに必要である。送電網や発電機などから電力を得ることができる。一実施形態において、電力はPTO発電機から得られる。

次に、包括的制御システムを起動する。次に、燃料源を接続することにより、本発明のシステムが作動可能となる。前述したように、一実施形態において、本発明のシステムには必要なものがすべて含まれており、外部電力に依存せずに作動させることができる。これによって、本発明のシステムを非常に遠い場所に設置することが可能となる。

前述したように、本明細書に記載のシステムにはいくつかの利点がある。第１に、いくつかの実施形態では、本発明のシステムを天然ガスで作動させることができることから、本発明のシステムは、別個の設備を必要とすることなく、遠隔地に設置することができる。

第２に、１時間１水馬力あたりの本発明のシステムの運転コストは、先行技術によるシステムの運転コストよりも低い。

第３に、本発明のシステムは、FADEC方式の制御とフラクチャリング制御を１つの包括的フラクチャリング制御装置に組み込んでいることから、様々な条件に対して各ユニットの動作を最適化することができる。これによって、先行技術と比べて、維持管理総経費（TCO）を最も低く抑えることができる。

第４に、本発明のシステムは低排出である。この理由の１つとして、特定の実施形態では、ディーゼル燃料ではなく、天然ガスを燃料として使用していることがある。天然ガスを燃料として使用していることから、排出の点でディーゼル燃料よりも優れる。しかしながら、前述したように、本発明のシステムは様々な燃料を用いることができる。したがって、先行技術と比べて、環境上の利点が多数ある。

好ましい実施形態を参照することによって、本発明を具体的に提示および説明してきたが、本発明の要旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細を様々に変更してもよいことは、当業者であれば容易に理解できるであろう。

Claims (20)

1. フラクチャリングポンプ用システムであって、
   フラクチャリングポンプに接続されたギヤボックスに接続されたタービンと；
   フラクチャリングポンプ用システムを制御するための制御装置と；
   前記タービンに入る空気を処理するための空気濾過システムと
   を備え、
   前記タービンを用いて前記フラクチャリングポンプに動力を供給すること；および
   前記タービンが、前記制御装置によって制御されるOEM制御装置を備えること
   を特徴とするシステム。
2. １台のトレーラーに設置される、請求項１に記載のシステム。
3. 外部電力を必要としない、請求項１に記載のシステム。
4. 空気濾過システムをさらに備え、該空気濾過システムが、少なくとも１つのベーンを備えた濾過管を備える、請求項１に記載のシステム。
5. 前記空気濾過システムが、濾過した微粒子を収集するための収集カップを有する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記空気濾過システムを４つ備える、請求項４に記載のシステム。
7. 前記濾過管が固定されており、前記空気濾過システムがフィルタを備えていない、請求項４に記載のシステム。
8. 前記ギヤボックスが、マウントを介して前記トレーラーに接続されており、該マウントがエラストマー部材を備える、請求項２に記載のシステム。
9. 前記ギヤボックスと前記フラクチャリングポンプの間にドライブシャフトをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
10. 前記ドライブシャフトが、所定のトルクで向きが変わるピンを備える、請求項９に記載のシステム。
11. 前記ドライブシャフトがフローティングドライブシャフトである、請求項９に記載のシステム。
12. 天然ガスにより前記タービンに動力が供給される、請求項１に記載のシステム。
13. 前記フラクチャリングポンプが多連プランジャーポンプを含む、請求項１に記載のシステム。
14. 360度カメラをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
15. 複数のポンプを備える、請求項１に記載のシステム。
16. 前記タービンに接続された排気システムをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
17. 前記排気システムが排気管を備え、該排気管がその全長にわたって均一な直径を有していない、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記タービンが第１のファンを備え、該第１のファンにより第２のファンに動力が供給され、該第２のファンが出力シャフトに接続されており、該出力シャフトにより前記フラクチャリングポンプに動力が供給される、請求項１に記載のシステム。
19. 前記第１のファンと前記第２のファンが機械的に接続されていない、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記フラクチャリングポンプがパワーフレームを備える、請求項１に記載のシステム。