Способы и системы для нагнетания агрессивных текучих сред - RU2673895C1

Чертежи

Показать все 12 чертежа(ей)

Описание

[0001] Данная заявка испрашивает приоритет согласно предварительной заявке на патент США №62/119392, поданной 23 февраля 2015 г., содержание которой включено в данный документ посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Данное изобретение в целом относится к способам и системам для закачивания текучей среды с поверхности скважины в ствол скважины при высоком давлении. Более конкретно, данное изобретение относится к обменнику давления, который отбирает энергию давления от системы текучей среды, текущей под высоким давлением, и передает ее системеой текучей среды, текущей под сравнительно низким давлением.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] В специальных приложениях для нефтепромыслов, для закачивания текучей среды с поверхности скважины в ствол скважины под очень высоким давлением используют насосные установки. Такие приложения включают в себя, помимо прочихприложений, гидравлический разрыв, цементирование и закачивание через гибкие НКТ. В примере с операцией гидроразрыва, чтобы направлять текучую среду, содержащую абразив, или жидкость для гидроразрыва через ствол скважины в намеченные области скважины для создания в стволе скважины идущих вбок разрывов, часто применяют насосную установку с несколькими агрегатами. Для создания таких разрывов жидкость для гидроразрыва закачивают под очень высокими давлениями, иногда в диапазоне от 10000 до 15000 фунт на кв. дюйм (68,95-103,4 МПа) или больше. Кроме того, жидкости для гидроразрыва содержат абразивный расклинивающий наполнитель, который способствует началу создания разрыва, а также служит для сохранения разрыва «расклиненным» после создания разрыва. Данные разрывы обеспечивают дополнительные пути для вытекания подземных залежей нефти и газа из подземных формаций на поверхность скважины. Эти дополнительные пути служат для увеличения производительности скважины.

[0004] Для применения на нефтяных промыслах при закачивании под высоким давлением, например, операциях гидроразрыва, обычно применяют плунжерные насосы. Такие плунжерные насосы иногда также называют объемными насосами, насосами с прерывистым режимом работы, трехцилиндровыми насосами или пятицилиндровыми насосами. Плунжерные насосы обычно содержат один или больше плунжеров, приводимых в действие от коленчатого вала в направлении камеры и от нее в корпусе, находящемся под давлением (обычно называемой «напорная часть»), чтобы создавать колебания давления с чередованием высокого и низкого давлений в камере. Данные колебания давления позволяют насосу принимать текучую среду под низким давлением и выпускать ее под высоким давлением через клапаны одностороннего действия (также называемые обратными клапанами).

[0005] Насосы с несколькими плунжерами часто применяют одновременно в операциях гидроразрыва большого масштаба. Эти насосы могут быть связаны друг с другом посредством общего коллектора, который механически собирает и распределяет объединенный выпуск от отдельных насосов. Например, операции гидроразрыва часто выполняют таким способом, с возможным количеством насосов от двадцати или больше, соединенных друг с другом посредством общего коллектора. Для управления всей системой насосов во время действия может использоваться централизованная компьютеризованная система.

[0006] Однако абразивный характер жидкостей для гидроразрыва не только является эффективным при разрушении подземных горных пород для создания в них разрыва, но также вызывает изнашивание внутренних компонентов плунжерных насосов, которые используют для закачивания.Таким образом, когда плунжерные насосы используют для закачивания жидкостей для гидроразрыва, затраты на ремонт, замену и/или обслуживание внутренних компонентов насосов чрезвычайно высокие, а общий срок службы насосов малый.

[0007] Например, когда плунжерный насос используют для закачивания жидкости для гидроразрыва, напорная часть, клапаны, седла клапанов, уплотнения и плунжеры насоса нуждаются в частом обслуживании и/или замене. Такая замена напорной части обходится очень дорого, не только из-за того, что сама напорная часть дорогая, но также из-за сложности и трудоемкости выполнения необходимой замены. Большой процент затрат на обслуживание плунжерного насоса может быть потрачен на замену клапана. Кроме того, когда клапан выходит из строя, седло клапана также часто повреждается, а замена седла намного сложнее, чем замена клапана, вследствие необходимости прикладывать очень большое усилие для его выталкивания из напорной части.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0008] Данный раздел описания приведен для представления выбора принципов, которые дополнительно раскрыты в приведенном ниже подробном описании. Данное краткое изложение не предназначено для идентификации основных (XE «Narrowing designation: Key») или существенных (XE «Narrowing designation: essential») отличий заявленного изобретения, а также не предназначено для использования в качестве средства, ограничивающего объем заявленного изобретения.

[0009] В одном варианте реализации раскрыт способ закачивания нефтепромысловой текучей среды с поверхности скважины в ствол скважины. Способ включает в себя действие по меньшей мере одного насоса низкого давления для закачивания агрессивной текучей среды; действие по меньшей мере одного насоса высокого давления для закачивания чистой текучей среды; использование в направлении его перемещения поршня, который находится в контакте с чистой текучей средой, и который нагнетает чистую текучую среду, используя давление от насоса высокого давления, чтобы обеспечить давление на агрессивную текучую среду, таким образом, закачивая агрессивную текучую среду в ствол скважины. В одном аспекте, когда агрессивная текучая среда нагнетается насосом высокого давления, она не находится в контакте с поршневым блоком.

[0010] В одном варианте реализации агрессивная текучая среда не находится в контакте с какой-либо стороной поршня.

[0011] В другом варианте реализации раскрыта система для закачивания нефтепромысловой жидкости с поверхности скважины в ствол скважины. Система содержит по меньшей мере один насос низкого давления, сообщающийся с устройством подачи агрессивной текучей среды; по меньшей мере один насос высокого давления, сообщающийся с источником чистой текучей среды; и трубчатый элемент, содержащий поршневой блок, при этом поршневой блок находится в контакте с чистой текучей средой, в направлении ее перемещения, и поршневой блок нагнетает чистую текучую среду, используя давление от насоса высокого давления, чтобы обеспечить давление на агрессивную текучую среду, таким образом, закачивая агрессивную текучую среду в ствол скважины. В одном аспекте с помощью описанного устройства агрессивная текучая среда под высоким давлением не вступает в контакт с поршнем.

[0012] В одном варианте реализации система для беспрерывного закачивания под высоким давлением нефтепромысловой текучей среды с поверхности скважины в ствол скважины содержит по меньшей мере одну пару трубчатых элементов, каждый из которых содержит поршневой блок, при этом один трубчатый элемент из пары находится в фазе цикла высокого давления, тогда как другой трубчатый элемент из пары находится в фазе цикла низкого давления.

[0013] Дополнительные признаки и преимущества данного изобретения будут более ясны из следующего подробного описания, рассматриваемого в сочетании с прилагаемыми чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0014] Данное изобретение далее описано подробно со ссылкой на указанное множество чертежей в качестве примера, не имеющего ограничительного характера для предмета изобретения, в котором одинаковыми ссылочными номерами обозначены аналогичные детали на нескольких видах чертежей, и на которых:

[0015] На фиг. 1-5 приведены схемы, изображающие вариант реализации данного изобретения на нескольких этапах половины цикла;

[0016] На фиг. 6-10 приведены схемы, изображающие другой вариант реализации данного изобретения на нескольких этапах цикла, в котором вариант реализации включает в себя элемент «упора» около конца трубчатого элемента и обратный клапан в поршне;

[0017] На фиг. 11 изображена одна из схем поршня для вариантов реализации данного изобретения; и

[0018] На фиг. 12a - 12f изображены несколько этапов последовательности операций в варианте реализации данного изобретения с использованием обратных клапанов.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0019] Показанные в данном документе особенности приведены в качестве примера и с целью только (XE «Narrowing designation: only») иллюстративного описания примеров раскрытия объекта изобретения и приведены для представления того, что считается наиболее полезным и легко понятным описанием принципов и концептуальных аспектов объекта изобретения. В этом отношении, не делается никаких попыток показать конструктивные детали более полно, чем это необходимо (XE «Narrowing designation: necessary»), описание вместе с чертежами делает очевидным специалистам в данной области то, как несколько форм объекта изобретения могут быть осуществлены на практике. Кроме того, одинаковыми ссылочными символами и обозначениями на различных чертежах показаны одинаковые элементы.

[0020] Закачивание суспензии содержащей эрозионные, коррозионные или абразивные флюиды (также называемые «агрессивными» текучими средами), ведет к высокой стоимости производства и обслуживания насосов. Варианты реализации данного изобретения, в целом, относятся к системе насосов для закачивания текучей среды с поверхности скважины в ствол скважины под высоким давлением, и, более конкретно, к такой системе, которая включает использование чистых текучих сред для передачи давления к агрессивным текучим средам. Это обеспечивает низкую стоимость работы этих систем.

[0021] На фиг. 1-5 изображен вариант реализации данного изобретения в нескольких точках половины цикла. Система 10 содержит два накопительных бака 20, 30, три насоса 42, 44, 46, два (дополнительных) трубчатых элемента 50, 60 с соответствующими первыми концами 50a, 60a и вторыми концами 50b, 60b, имеющие соответствующие поршни 55, 65, десять электромагнитных клапанов от SV-1 до SV-10, и ряд труб 71-78, содержащих чистую текучую среду 95, например воду, и ряд труб 81-85, часто содержащих агрессивные текучие среды 96. Чистая текучая среда 95 показана на фигурах более светлым цветом, а агрессивная текучая среда 96 показана более темным цветом. Накопительный бак 20 предназначен для чистой текучей среды, тогда как накопительный бак 30 предназначен для агрессивной текучей среды. Насос 42 является насосом высокого давления для чистой текучей среды. Для целей данного изобретения «высокое» давление следует считать относительным термином по сравнению с «низким» давлением, и в различных вариантах реализации могут создаваться давления 5000 фунт на кв. дюйм, или 10000 фунт на кв. дюйм, или 15000 фунт на кв. дюйм (33,47 или 68,95 или 103,4 МПа), или больше, или давления в этом диапазоне. В не имеющих ограничительного характера примерах насосы высокого давления могут быть трехплунжерным или пятиплкунжерным насосами. Насосы 44 и 46 являются насосами низкого давления для чистой и агрессивной текучих сред, соответственно. Для целей данного изобретения «низкое» давление следует считать относительным термином по сравнению с «высоким» давлением, и в различных вариантах реализации может создаваться абсолютное давление 20, или 60, или 100 фунт на кв. дюйм,, (0,1379, или 0,4137, или 0,6895 МПа), или давления между ними, или другие, меньшие или большие давления, которые меньше, чем давление насоса высокого давления. В не имеющем ограничительного характера примере насосы низкого давления могут быть насосами C.

[0022] Как показано на фиг. 1-5, накопительный бак 20 соединен с насосом 44 низкого давления посредством трубы 71. Выпуск насоса 44 низкого давления соединен со вторым концом 50b трубчатого элемента 50 посредством трубы 72 и клапана SV-5, и со вторым концом 60b трубчатого элемента 60 посредством трубы 73 и клапана SV-6. Накопительный бак 20 также соединен с насосом 42 высокого давления посредством трубы 74. Выпуск насоса 42 высокого давления соединен с первым концом 50a трубчатого элемента 50 посредством трубы 75 и клапана SV-1, и с первым концом 60a трубчатого элемента 60 посредством трубы 76 и клапана SV-2. Накопительный бак 20, кроме того, соединен с первым концом 60a трубчатого элемента 60 посредством трубы 77 и клапана SV-4, и с первым концом 50a трубчатого элемента 50 посредством трубы 78 и клапана SV-3.

[0023] Накопительный бак 30 соединен с насосом 46 низкого давления посредством трубы 81. Насос 46 низкого давления закачивает агрессивную текучую среду из накопительного бака 30 во второй конец 50b трубчатого элемента 50 посредством трубы 82 и клапана SV-7, и во второй конец 60b трубчатого элемента 60 посредством трубы 83 и клапана SV-8. Вторые концы трубчатых элементов 50 и 60 также соединены с коллектором высокого давления (не показано) посредством клапанов SV-9 и SV-10, соответственно.

[0024] Для запуска системы 10, включаются насос 42 высокого давления и насос 44 низкого давления, и открываются клапаны SV-2 и SV-10, чтобы наполнить трубчатый элемент 60 чистой текучей средой (таким образом, толкая поршень 65 ко второму концу 60b трубчатого элемента 60). Аналогично, чтобы наполнить трубчатый элемент 50 чистой текучей средой, клапаны SV-1 и SV9 открываются (таким образом, толкая поршень 55 ко второму концу 50b трубчатого элемента 50). После того как трубчатые элементы 50, 60 наполнены чистой текучей средой, клапаны SV-1 и SV-9 закрываются. Затем, чтобы ввести заранее определенное количество чистой текучей среды 95a во вторую заднюю сторону поршня 55, открываются клапаны SV-6 и SV-3. Варианты реализации для выбора заранее определенного количества чистой текучей среды (также называемой буфером), подлежащего введению, описаны ниже. В любом случае, клапан SV-5 затем закрывается. При закрытом клапане SV-5 запускается насос 46, и клапаны SV-7 и SV-3 открываются. Клапан SV-7 обеспечивает возможность введения агрессивной текучей среды во второй торец поршня 55 в трубчатый элемент 50, а клапан SV-3 обеспечивает возможность введения чистой текучей среды, выталкиваемой из переднего конца 50a трубчатого элемента 50, чтобы направлить ее обратно в накопительный бак 20. Агрессивная текучая среда вводится в трубчатый элемент 50 до тех пор, пока поршень 55 перемещается к первому концу 50a трубчатого элемента 50.

[0025] После того как система 10 запущена, можно начинать закачивание агрессивной текучей среды под высоким давлением. В начале цикла, как показано на фиг.1, клапаны SV-1, SV-4, SV-6 и SV-9 открыты, а клапаны SV-2, SV-3, SV-5, SV-7, SV-8 и SV-10 закрыты. В данной конфигурации чистая текучая среда из бака 20 может закачиваться под высоким давлением посредством насоса 42 и клапана SV-1 в первый конец трубчатого элемента 50, чтобы толкать вперед поршень 55. Поршень 55, в свою очередь, вытесняет буфер 95a чистой текучей среды прямо перед собой, и агрессивную текучую среду 96 перед буфером чистой текучей среды ко второму концу 50b трубчатого элемента 50 и наружу через клапан SV-9 и трубу 85 в коллектор высокого давления, который соединен с устьем скважины. В то же время, чистая текучая среда 95 из бака 20, трубы 71, насоса 44 низкого давления, трубы 73 и насоса SV-6 вводится во второй торец поршня 65 в трубчатом элементе 60.Таким образом, когда цикл начинается, под воздействием высокого давления поршень 55 начинает движение вправо (ко второму концу трубчатого элемента 50), тогда как под воздействием низкого давления поршень 65 начинает движение влево (к первому концу трубчатого элемента 60), при этом чистая текучая среда 95 выходит из трубчатого элемента 60 и направляется через трубу 77 и клапан SV-4 обратно в накопительный бак 20. Как будет понятно далее, при таком расположении оба поршня 55, 65 содержат чистую текучую среду 95, 95a на обеих сторонах поршней. Расположение с открытыми клапанами SV-1, SV-4, SV-6 и SV-9, и закрытыми остальными клапанами длится до тех пор, пока, как показано на фиг.2, во второй торец поршня 65 не будет введено заранее определенное количество чистой текучей среды. В этот момент клапан SV-6 закрывается, а клапан SV-8 открывается, так что агрессивная текучая среда может закачиваться из бака 30, через насос 46 низкого давления, трубу 83 и клапан SV-8 во второй торец трубчатого элемента 60b, как показано на фиг.3.

[0026] При открытых клапанах SV-1, SV-4, SV-8 и SV-9 и закрытых остальных клапанах, продолжается закачивание агрессивной текучей среды 96 из трубчатого элемента 50 под высоким давлением через трубу 85 и клапан SV-9 в ствол скважины, тогда как продолжается выталкивание чистой текучей среды 95 из трубчатого элемента 60 под низким давлением через трубу 77 и клапан SV-4 в накопительный бак, до тех пор, пока поршни 55 и 65 почти достигнут соответствующих первого и второго концов 50b, 60a соответствующих трубчатых элементов 50, 60, как показано на фиг.4, и вся агрессивная текучая среда будет вытолкнута из трубчатого элемента 50. В этот момент, при необходимости, и в одном варианте реализации, клапаны SV-1, SV-4 SV-8 и SV-9 закрываются, а клапаны SV-7, SV-3, SV-2 и SV-10 открываются, чтобы изменить на противоположные направления перемещения поршней 55, 65, и начать вторую половину цикла. При таком расположении чистая текучая среда под высоким давлением закачивается в трубчатый элемент 60 через клапан SV-2, чтобы вызвать выталкивание агрессивной текучей среды 96 из трубчатого элемента 60 в коллектор высокого давления через клапан SV-10. В то же время, агрессивная текучая среда 96 из накопительного бака 30 закачивается через клапан SV-7 под низким давлением во второй конец 50b трубчатого элемента 50, а чистая текучая среда 95 закачивается из первого конца 50a трубчатого элемента 50 обратно в накопительный бак 20 чистой текучей среды через клапан SV-3.Такое расположение может продолжаться, пока поршень 55 толкается обратно, почти до первого конца 50a трубчатого элемента 50, и поршень 65 толкается обратно, почти до второго конца 60b трубчатого элемента 60. В этот момент текучие среды из трубчатых элементов будут приобретать расположение, показанное на фиг.2, и полный цикл может быть завершен. Кроме того, в этот момент клапаны SV-1, SV-4, SV-8 и SV-9 снова будут открываться, а клапаны SV-2, SV-3, SV-5, SV-6, SV-7 и SV-10 будут закрываться, и будет начинаться новый цикл.

[0027] В другом варианте реализации клапаны SV-1, SV-4, SV-8 и SV-9 могут оставаться открытыми до тех пор, пока поршни не дойдут до концов соответствующих трубчатых элементов, как показано на фиг.5, так что все содержимое трубчатых элементов выпускается. Количество чистой текучей среды 95a, выталкиваемой из второго конца 50b трубчатого элемента 50, может быть достаточным, чтобы вымывать агрессивную текучую среду из сегмента трубы 85 из второго конца 50b трубчатого элемента 50 и клапана SV-9, таким образом, продлевается срок службы этого клапана.

[0028] Если соответствующие клапаны удерживаются в заданном положении, чтобы достичь расположения по фиг.5, в этом момент клапаны SV-1, SV-4, SV-8 и SV-9 будут закрываться, а клапаны SV2, SV-10, SV-5 и SV-3 будут открываться, чтобы изменить на противоположные направления движения поршней 55, 65, и начать вторую половину цикла. В начале второй половины цикла чистая текучая среда под высоким давлением закачивается в первый конец 60a трубчатого элемента 60, чтобы вызвать выталкивание агрессивной текучей среды из второго конца 60b трубчатого элемента 60 через клапан SV-10 в направлении ствола скважины. В то же время, чистая текучая среда закачивается под низким давлением через клапан SV-5 на втором торце поршня 55, и чистая текучая среда направляется от первого конца 50a трубчатого элемента 50 через клапан SV-3 обратно в накопительный бак 20.После того как заранее определенное количество чистой текучей среды 95a заполняет второй конец 50b трубчатого элемента 50, клапан SV-5 закрывается, а клапан SV-7 открывается, чтобы обеспечить заполнение агрессивной текучей средой 96 трубчатого элемента 50 «позади» буфера 95a чистой текучей среды, примыкающего к поршню. Как и в описанном ранее варианте реализации, данное расположение будет длиться до тех пор, пока поршни 55 и 65 проталкиваются назад до расположения по фиг.2, или до расположения по фиг.1, так что (в любом случае), будет выполняться полный цикл. Если поршни проталкиваются назад в расположение по фиг.1, при поршне 55 на первом конце 50a трубчатого элемента 50 и поршне 65, толкаемом назад, ко второму концу 60b трубчатого элемента 60, чистая текучая среда 95a из трубчатого элемента 60 будет очищать сегмент трубы 84 и клапан SV-10. В этот момент клапаны SV-1, SV-4, SV-6 и SV-9 снова будут открываться, а клапаны SV-2, SV-3, SV-5, SV-7, SV-8 и SV-10 будут закрываться, и будет начинаться новый цикл. Если поршни проталкиваются назад в расположение по фиг.2, при поршне 55, находящемся вблизи первого конца 50a трубчатого элемента 50 и поршне 65, находящемся вблизи второго конца 60b трубчатого элемента 60, клапаны SV-1, SV-9, SV-8 и SV-4 снова открываются, а остальные клапаны закрываются, и начинается новый цикл.

[0029] В одном аспекте циклы согласно вышеописанным вариантам реализации повторяются между двумя трубчатыми элементами, чтобы поддерживать постоянную величину подачи агрессивной текучей среды высокого давления. Циклы могут чередоваться между расположением, показанным на фиг.1, до расположения, показанного на фиг.4, или расположением, показанным на фиг.1, до расположения, показанного на фиг.5, до расположения, показанного на фиг.2, до расположения, показанного на фиг.4, или расположением, показанным на фиг.2, до расположения, показанного на фиг.5. Если необходимо «промывать» клапаны SV-9 и SV-10 только периодически, циклы могут быть изменены таким образом, что постоянным циклом является показанный на фиг.1 - фиг.4, и периодически цикл может продолжаться до расположения по фиг.5.

[0030] В описанных выше вариантах реализации данного изобретения использованы два трубчатых элемента, но данный способ применим к любому числу трубчатых элементов.

[0031] В описанных выше вариантах реализации данного изобретения обеспечен насос низкого давления и накопительный бак для агрессивной текучей среды, но данный способ применим тогда, когда агрессивная текучая среда подается с помощью операций выше по потоку без накопительного бака для агрессивной текучей среды или нагнетательного насоса для агрессивной текучей среды.

[0032] В одном варианте реализации трубчатые элементы имеют диаметр между двумя и шестью дюймами (50,8-152,4 мм), и длину между десятью и сорока футами (3,048-12,19 м). В других вариантах реализации трубчатые элементы имеют меньшие или большие диаметры и меньшие или большие длины.

[0033] В одном варианте реализации некоторые или все из клапанов являются обратными клапанами.

[0034] В одном варианте реализации внутренние диаметры трубчатых элементов и/или труб 84 и 85 покрыты твердым, устойчивым к абразивному износу покрытием, чтобы выдерживать закачивание агрессивных суспензий под высокими давлениями.

[0035] В одном варианте реализации клапаны имеют электрический привод и находятся под управлением процессора. При необходимости могут быть предусмотрены датчики для обнаружения положения одного или обоих поршней 55, 65, и датчики могут быть соединены с процессором так, что процессор может открывать и закрывать клапаны соответствующим образом.

[0036] В одном варианте реализации трубчатые элементы расположены горизонтально (т. е. перпендикулярно силам тяжести).

[0037] В одном аспекте срок службы поршневых блоков 55, 65 (и выпускных клапанов SV-9 и SV-10) увеличивается в результате закачивания небольшого количества чистой текучей среды в качестве защитного слоя (фронт буфера) между поршневыми блоками и агрессивной текучей средой.

[0038] Количество чистой текучей среды, используемой в качестве защитного слоя, может быть определено заранее, и в одном варианте реализации выбирается так, чтобы превышать дисперсионную длину l_Dагрессивной текучей среды. Длину распространения можно вычислить следующим образом.

[0039] Рассмотрим трубу диаметром d и длиной l, а скорость потока зафиксирeм на значении q. Текучая среда отслеживаемой концентрации C при вводе в трубу длиной l, претерпевает дисперсию. Первоначальный ступенчатый профиль с концентрацией C «размывается» на расстояния порядка длины l_D, и при достаточно большом l профиль становится гауссовским. Для достаточно большого числа Рейнольдса, Re, вычисление основано на трении турбулентного потока, что обеспечивает оценку профиля скорости. Для ламинарного потока распространение вызывается сдвигом и является не гауссовским. Оно становится гауссовским, когда 2(Dt)^1/2 >> d, где D - коэффициент диффузии. В следующих вычислениях рассматривается только гауссовское распространение, и, когда это неприменимо, длина трубы, необходимая для приемлемого распространения, настолько велика, что концепция фронта буфера становится нецелесообразной. Также предполагается, что чистая и агрессивная текучие среды имеют похожие вязкости, и поэтому во время смещения не возникает неустойчивости при трении. Похожесть вязкостей может быть обоснована, поскольку предполагается, что чистая текучая среда аналогична агрессивной текучей среде, но без расклинивающего наполнителя. Ниже приведены вычисления вместе с таблицей дисперсионных длин.

[0040] Даны плотность ρ, вязкость μ, расход q, и коэффициент диффузии D.Целью является оценка дисперсионной длины l_Dили ее функции. Представлены результаты для двух различных диаметров трубы, примерно 10 см и 7,5 см, соответствующих номинальным размерам 4 дюйма и 3 дюйма, соответственно. Средняя скорость составляет

при соответствующем числе Рейнольдса, равном

Это позволяет разграничить режим потока на ламинарную, переходную и турбулентную категории, чтобы можно было вычислить соответствующую длину распространения. Переходной частью пренебрегают, и предполагается отсечка между турбулентным и ламинарным режимом при числе Рейнольдса Re=2400, поскольку большинство вариантов применения разрыва имеет достаточный шум с конечной амплитудой, чтобы вызывать турбулентность.

[0041] Для турбулентного потока вычисляют коэффициент трения f, либо по диаграммам, либо по одной из известных функций. Для простоты предполагается, что труба гладкая, и, таким образом, форма Никурадзе дает:

[0042] Для распространения Тейлора скорость трения может быть получена из f, что, в свою очередь, может быть использовано для определения коэффициента дисперсии D согласно формуле

Длина распространения l_D может быть получена из коэффициента распространения D согласно формуле

где L- длина трубчатого элемента. Длина буфера l_b может быть выбрана так, чтобы она была кратной длине распространения l_D. В качестве примера, для определенности трех сигма (т. е.,99,7%), при которой длина буфера будет достаточной для того, чтобы предотвратить достижение поршня агрессивной текучей средой, длина буфера l_b может быть выбрана в соответствии с l_b=3l_D. В других вариантах реализации длина буфера может быть выбрана так, чтобы быть равной или большей, чем длина распространения. В другом варианте реализации длина буфера может быть вдвое больше, чем длина распространения. В другом варианте реализации длина буфера примерно равна (здесь определяется как плюс или минус 20%) трем длинам распространения. При выбранной длине буфера и известном внутреннем диаметре трубчатого элемента, заданное количество чистой текучей среды, закачиваемой в трубчатый элемент на поверхность поршня перед агрессивной текучей средой, легко вычислить, как равное l_bπd/4.

_[0043] Для ламинарного потока вычисления отличаются. Распространение является гауссовским для очень длинной трубы, т. е. для таких ситуаций, в которых радиальная диффузия вычисляется как концентрация, являющаяся функцией от осевого расстояния. Для таких случаев коэффициент дисперсии D задается теорией Тейлора-Ариса в соответствии с формулой

D₌ D_{1+

Следует также учитывать, что коэффициент распространения D по уравнению (6) является коэффициентом продольного распространения, который показывает, какова величина смешивания, происходящего между двумя типами текучей среды параллельно направлению движения. Из уравнения (6), в качестве коэффициента продольного распространения для ламинарного потока, характерная длина распространения равна

Таблица 1. Дисперсионная длина для различных условий. Плотность поддерживается на уровне 1100 кг м^-3, а число Шмидта Sc=1000. Номер плана-графика 80. Внутренний диаметр трубы вычислен соответственно. Все единицы в системе СИ: d в м, μ в Па с l_Dd в м, q в м³ с^-1

Таким образом, полученная дисперсионная длина становится несущественной, и ею можно пренебречь для случаев, когда длина радиальной диффузии, определяемая как (D * время конвекции)^.5, очень мала по сравнению с радиусом трубчатого элемента. В большинстве случаев это условие выполняется, и, следовательно, длина продольного распространения ограничена длиной трубчатого элемента. Иначе говоря, когда длина радиальной диффузии является очень малой по сравнению с радиусом трубчатого элемента, длина распространения считается равной длине продольного распространения, которая часто будет больше, чем длина трубчатого элемента (и поэтому мало действенна для буферизации).

[0044] На основании анализа описанных выше ситуаций ламинарного потока, согласно одному варианту реализации изобретения, поток в трубчатых элементах, используемый для закачивания агрессивной текучей среды под высоким давлением в направлении ствола скважины, намеренно поддерживают в виде турбулентного потока, чтобы предотвратить вхождение агрессивной текучей среды в контакт с передними движущимися поверхностями поршней в этих трубчатых элементах.

[0045] Обращаясь к фиг. 6-10, показан другой вариант реализации. Система 110 аналогична системе 10 по фиг.1-5, и когда элементы являются одинаковыми или, по существу, одинаковыми, используется один и тот же номер обозначения. Таким образом, показано, что система 110 содержит два накопительных бака 20, 30, два насоса 42, 46, два (дополнительных) трубчатых элемента 50, 60 с соответствующими первыми концами 50a, 60a и вторыми концами 50b, 60b, имеющими соответствующие поршни 155, 165 с обратными клапанами и упорными элементами 158, 168, восемь электромагнитных клапанов SV-1, SV-2, SV-3, SV-4, SV-7, SV-8, SV-9 и SV-10, и ряд труб 74-78, которые содержат чистую текучую среду, например, воду, и ряд труб 81-85, часто содержащих агрессивные текучие среды. Чистая текучая среда показана на фигурах затенением с пунктирными линиями, а агрессивная текучая среда показана с более темным затенением. Накопительный бак 20 предназначен для чистой текучей среды, тогда как накопительный бак 30 предназначен для агрессивной текучей среды. Насос 42 является насосом высокого давления для чистой текучей среды, а насос 46 является насосом низкого давления для агрессивной текучей среды.

[0046] Как показано на фиг. 6-10, накопительный бак соединен с насосом 42 высокого давления посредством трубы 74. Выпуск насоса 42 высокого давления соединен с первым концом 50a трубчатого элемента 50 посредством трубы 75 и клапана SV-1, и с первым концом 60a трубчатого элемента 60 посредством трубы 76 и клапана SV-2. Накопительный бак 20, кроме того, соединен с первым концом 60a трубчатого элемента 60 посредством трубы 77 и клапана SV-4, и с первым концом 50a трубчатого элемента 50 посредством трубы 78 и клапана SV-3.

[0047] Накопительный бак 30 соединен с насосом 46 низкого давления посредством трубы 81. Насос 46 низкого давления закачивает агрессивную текучую среду из накопительного бака 2 во второй конец 50b трубчатого элемента 50 посредством трубы 82 и клапана SV-7, и во второй конец 60b трубчатого элемента 60 посредством трубы 83 и клапана SV-8. Вторые концы трубчатых элементов 50 и 60 также соединены с коллектором высокого давления (не показано) посредством клапанов SV-9 и SV-10, соответственно.

[0048] Трубчатый элемент 50 обеспечен поршнем 155 с обратным клапаном и упором 158, а трубчатый элемент 60 обеспечен поршнем 165 с обратным клапаном и упором 168. Упоры ограничивают перемещение поршней с обратными клапанами в трубчатых элементах, как дополнительно описано ниже, и могут быть выполнены различными способами. В примерах, не имеющих ограничительного характера, упорные элементы могут быть внутренними кольцами, отдельными деталями колец, фильтрами, или любым приспособлением, которое будет препятствовать перемещению поршня. Поршни с обратными клапанами позволяют чистой текучей среде течь через обратный клапан в конце цикла выпускания агрессивной текучей среды и промывать обратный клапан, трубчатый элемент, расположенные ниже по потоку трубопроводы и клапаны чистой текучей средой, как дополнительно описано ниже.

[0049] Для запуска системы 110, включается насос 42 высокого давления, открываются клапаны SV-1 и SV-2 (и SV-9 и SV-10), чтобы заполнить трубчатые элементы 50 и 60 чистой текучей средой 95 (таким образом, толкая поршни 155 и 165 ко вторым концам 50b и 60b трубчатых элементов 50 и 60). Все остальные клапаны находятся в закрытом положении. Когда поршни 155 и 165 с обратными клапанами доходят до упоров 158 и 168 внутри трубчатых элементов, обратные клапаны в поршнях открываются при давлении срабатывания, чтобы обеспечить возможность заполнения остальной части трубчатых элементов чистой текучей средой. Чистая текучая среда, подаваемая в правую часть от упоров, действует как буферы 95a.Таким образом, положение упоров может быть выбрано так, чтобы обеспечивать необходимый размер буфера. Когда трубчатые элементы полностью заполнены чистой текучей средой, клапаны SV-2, SV-9 и SV-10 закрываются, а клапаны SV-4 и SV-8 открываются, и насос 46 запускается. В результате агрессивная текучая среда направляется в конец 60b трубчатого элемента 60 и толкает поршень 165 обратно, к концу 60a трубчатого элемента. Когда поршень 165 доходит до конца 60a трубчатого элемента, агрессивная текучая среда 96 заполняет трубчатый элемент 60, за исключением буфера 95a, как показано на фиг.6.

[0050] После того как система 10 запущена, можно начинать закачивание агрессивной текучей среды 96 при высоких давлениях в ствол скважины. В частности, когда оба насоса 42 и 46 работают, клапаны SV-2, SV-10, SV-7 и SV-3 открыты, а все остальные клапаны закрыты. Трубчатый элемент 60, который раньше был заполнен агрессивной текучей средой 96 (за исключением буфера 95a) теперь принимает чистую текучую среду 95 через клапан SV-2, а агрессивная текучая среда 96 выпускается под высоким давлением через клапан SV-10, при этом давление прилагается текучей средой через клапан SV-2. Разность давления между стороной чистой текучей среды и стороной агрессивной текучей среды в трубчатом элементе 60 меньше, чем давление срабатывания для обратного клапана в поршне 165, так что обратный клапан остается закрытым. Аналогично, трубчатый элемент 50, который ранее был заполнен чистой текучей средой 95, теперь принимает агрессивную текучую среду 96 через клапан SV-7, и чистая текучая среда 95 выпускается обратно в накопительный бак 20 через клапан SV-3. И в этом случае давление агрессивной текучей среды 96 выше, чем давление чистой текучей среды 95, так что обратный клапан остается закрытым. Обратные клапаны в обоих поршнях выполнены так, что открываются, когда давление на стороне чистой текучей среды выше, чем давление на стороне агрессивной текучей среды на заданную величину, называемую давлением срабатывания.

[0051] На фиг.7 показано такое же устройство клапана, как на фиг.6, причем два поршня 155, 165 через некоторое время продвигаются к середине трубчатых элементов 50, 60. Поршень 155 перемещается влево (в направлении конца 50a трубчатого элемента 50), а поршень 165 перемещается вправо (в направлении конца 60b трубчатого элемента 60), и обратные клапаны в обоих поршнях закрыты.

[0052] Еще через некоторое время, и как показано на фиг.8, поршень 165 доходит до упора 168 по внутреннему диаметру трубчатого элемента 60 раньше, чем поршень 155 доходит до первого конца 50a трубчатого элемента 50 (поскольку в данном варианте реализации он движется быстрее). После того как поршень 165 доходит до упора 168, поршень 165 будет неспособен перемещаться, несмотря на давление, оказываемое чистой текучей средой 95 высокого давления. Поскольку поршень 165 неспособен перемещаться, давление на стороне чистой текучей среды нарастает, и это приводит к открыванию обратного клапана в поршне 165, что позволяет чистой текучей среде высокого давления перемещаться мимо поршня 165 и выпускаться в трубу 84 и клапан SV-10, таким образом, очищая эту трубу и клапан. Кроме того, перемещение чистой текучей среды мимо поршня 165 эффективно подпитывает буфер 95a; т. е., удаляет элементы агрессивной текучей среды, которые могут быть рассредоточены в буфере.

[0053] Немного позже, и как показано на фиг.9, поршень 155 будет доходить до конца 50a трубчатого элемента, таким образом, завершая половину цикла. После выполнения половины цикла клапаны SV-2, SV-3, SV-7 и SV-10 могут быть закрыты, а клапаны SV-1, SV-9, SV-8 и SV-4 могут быть открыты. Чистая текучая среда 95 высокого давления будет начинать движение в трубчатый элемент 50 через клапан SV-1, толкая поршень 155 и буфер 95a чистой текучей среды к концу 50b трубчатого элемента, таким образом, нагнетая агрессивную текучую среду 96, которая выпускается через клапан SV-9 в направлении коллектора высокого давления. Аналогично, агрессивная текучая среда 96 будет подаваться к концу 60b трубчатого элемента, таким образом, толкая буфер 95a чистой текучей среды, поршень 165, и чистую текучую среду 95 в трубчатом элементе 60 в направлении конца 60a трубчатого элемента.

[0054] Конфигурация системы спустя короткое время показана на фиг.10, при этом поршень 155 толкает буфер 95a и агрессивную текучую среду 96 в направлении конца 50b трубчатого элемента, а поршень 165 толкает чистую текучую среду 95 в направлении конца 60a трубчатого элемента. Данная конфигурация является, по существу, такой же, как та, которая показана на фиг.7, за исключением того, что трубчатые элементы переключены; т. е., трубчатый элемент 50 подает агрессивную текучую среду 96 для выпуска в ствол скважины, а трубчатый элемент 60 заполняется агрессивной текучей средой 96, при этом чистая текучая среда 95 отводится обратно в накопительный бак 20. Данный процесс продолжается, и, чтобы обеспечить устойчивый поток агрессивной текучей среды 96 высокого давления, трубчатый элемент, который подает агрессивную текучую среду для ствола скважины, переключается с равными интервалами.

[0055] В соответствии с другим вариантом реализации, описанным более подробно со ссылками на фиг. 11 и 12a-12f, использована система 110, показанная на фиг. 6-10, за исключением того, что она изменена в том отношении, что в трубчатых элементах не выполнены упоры, и в каждом из поршней использован обратный клапан, имеющий низкое давление срабатывания, поэтому поршень будет непрерывно выпускать чистую текучую среду на сторону агрессивной текучей среды в течение цикла выпускания агрессивной текучей среды. В одном варианте реализации расход чистой текучей среды через обратный клапан будет определяться геометрией обработанной поверхности через поршень и трением на поршневых кольцах. Обратный клапан, геометрия потока ниже по потоку на поршне и сопротивление трения на поршне рассчитаны так, чтобы объем чистой текучей среды на задней части поршня возрастал с необходимой скоростью, чтобы конечный объем был достаточным для «промывания» чистой текучей средой обратных клапанов ниже по потоку. В одном варианте реализации изобретения выпуск текучей среды через сторону агрессивной текучей среды является тангенциальным по характеру, и может приводить к поворачиванию поршня в ответ на воздействие.

[0056] Поршень, созданный для данного варианта реализации (и вариант, описанный на фиг. 6-10) показан на фиг.11.Поршень (блок) 175 содержит цилиндрический блок 1100, имеющий по меньшей мере одно круговое поршневое кольцо 1101, проходящее вокруг блока, и образующее канал 1103 текучей среды, который содержит подпружиненный обратный клапан 1105. Ниже по потоку от обратного клапана 1103 канал 1103 текучей среды разделяется на множество потоков, которые смывают агрессивную текучую среду с поршневых колец 1101.

[0057] При использовании поршня 175 с обратным клапаном, показанного на фиг.11, в системе по фиг.6-10 и без упоров в трубчатых элементах, последовательность действия показана на фиг.12a - 12f. Начало цикла показано на фиг.12a, при этом трубчатый элемент 50 полностью заполнен агрессивной текучей средой 96, а трубчатый элемент 60 в конце цикла выпускания заполнен чистой текучей средой 95. Поскольку трубчатый элемент 50 обеспечен чистой текучей средой высокого давления, поршень 175a в трубчатом элементе 50 начинает двигаться вправо, так что агрессивная текучая среда 96 выпускается из конца 50b трубчатого элемента под высоким давлением. Одновременно, и сразу после того как чистая текучая среда высокого давления подана в трубчатый элемент 50, в зависимости от конструкции поршня, обратный клапан в поршне будет открыт, и небольшое количество чистой текучей среды будет выпущено через обратный клапан на сторону агрессивной текучей среды поршня 175a, тем самым создавая слой чистой текучей среды 95a рядом с поверхностью поршневого блока 175. Скорость утечки текучей среды определена таким образом, что, несмотря на дисперсию, вблизи поршневого узла поддерживается слой чистой текучей среды. Таким образом, когда поршень 175a обеспечивает высокое давление для выпускания агрессивной текучей среды 96, перед поршнем создается слой (или буфер) чистой текучей среды 95a в направлении движения поршня. Как показано на фиг.12b, 12c и 12d, размер буфера 95a чистой текучей среды увеличивается, по мере того как поршень 175a движется к концу 50b трубчатого элемента. Таким образом, до того как поршень 175a доходит до конца 50b, достаточное количество чистой текучей среды перемещается через поршень 175a, чтобы гарантировать, что, когда поршень 175a достигнет конца 50b трубчатого элемента (на фиг.12e), агрессивная текучая среда 96 будет вымыта из выхода трубки и клапана (SV-9).

[0058] Поскольку трубчатый элемент 50 выталкивает агрессивную текучую среду 96 в коллектор высокого давления, трубчатый элемент 60 заполняется агрессивной текучей средой 96 под низким давлением, а чистая текучая среда 95, содержащаяся в трубчатом элементе 60, выпускается через конец 60a трубчатого элемента под низким давлением обратно в накопительный бак. Данный процесс продолжается, как показано на фиг.12b, 12c, 12d и 12e. Следует заметить, что на фиг.12a-12e, агрессивная текучая среда 96 находится в контакте с поршнем 175b, хотя и не во время цикла выпускания высокого давления, а только в условиях низкого давления. Однако, поскольку поршень 175b имеет обратный клапан 1105, агрессивная текучая среда 96 не будет перемещаться в сторону чистой текучей среды обратного клапана и трубчатого элемента. Кроме того, поскольку трубчатый элемент 60 не находится под высоким давлением в этой части цикла, агрессивная текучая среда вряд ли приведет к повреждению поршня. Поршни 175a и 175b толкают чистую текучую среду, поэтому избегают повреждения агрессивной текучей средой.

[0059] После того как вся чистая текучая среда 95 вытолкнута из трубчатого элемента 50, и трубчатый элемент 60 полностью заполнен агрессивной текучей средой (как показано на фиг.12e), соответствующие клапаны открываются и закрываются, и цикл продолжается путем переключения действия трубчатого элемента, как показано на фиг.12f. Теперь агрессивная текучая среды 96 выталкивается из трубчатого элемента 60, по мере того как слой чистой текучей среды 96a выталкивается через клапан, и защищает поршневой блок 175b. Одновременно агрессивная текучая среда закачивается в конец 50b трубчатого элемента 50 под высоким давлением.

[0060] В одном варианте реализации защитный слой с высокой вязкостью между поршнем и агрессивной текучей средой поможет продлить срок службы поршневого блока.

[0061] В одном варианте реализации насос 46 низкого давления и/или накопительный бак 30 могут быть нежелательными, если существует непрерывная подача агрессивной текучей среды при низком давлении, доступном из действий выше по потоку.

[0062] В одном аспекте могут быть использованы различные типы устройств, создающих высокое давление, включая, помимо прочего, насосы с возвратно-поступательным движением, центробежные насосы, ротационные винтовые компрессоры и лопастные насосы.

[0063] В одном варианте реализации чистая текучая среда может включать газ.

[0064] В одном аспекте варианты реализации изобретения эффективно обеспечивают обменники давления, которые отбирают энергию давления от систем чистой текучей среды высокого давления и передают ее системам агрессивной текучей среды относительно низкого давления, для использования при нагнетании агрессивных текучих сред и направления их в ствол скважины, как агрессивных текучих сред высокого давления, без контакта агрессивной текучей среды с определенными частями обменников давления.

[0065] Некоторые из способов, процессов и систем, описанных выше, могут быть выполнены процессором и/или с использованием процессора. Термин «процессор» не следует рассматривать как ограничивающий раскрытые в данном описании варианты осуществления каким-либо конкретным типом устройства или системой. Процессор может включать компьютерную систему. Компьютерная система может также включать в себя процессор вычислительной машины (например, микропроцессор, микроконтроллер, процессор цифровой обработки сигналов, или компьютер общего назначения) для выполнения какого-либо из способов и процессов, описанных выше.

[0066] Компьютерная система может, кроме того, содержать запоминающее устройство, такое как полупроводниковое запоминающее устройство (например, ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, ЭСППЗУ, или флеш-ОЗУ), магнитное запоминающее устройство (например, дискета или несъемный диск), оптическое запоминающее устройство (например, компакт-диск), плату персонального компьютера (например, карта PCMCIA), или другое запоминающее устройство.

[0067] Некоторые из способов и процессов, описанных выше, могут быть реализованы как компьютерное программное логическое устройство для использования с процессором вычислительной машины. Компьютерное программное логическое устройство может быть воплощено в различных формах, включая исходный код или исполняемый файл. Исходный код может включать в себя ряд компьютерных управляющих команд на различных языках программирования (например, объектный код, язык ассемблера, или язык высокого уровня, такой как C, C++ или JAVA). Такие компьютерные команды могут сохраняться на энергонезависимом машиночитаемом носителе (например, в памяти) и выполняться процессором вычислительной машины. Компьютерные команды могут распространяться в любой форме в качестве съемного носителя данных с сопровождающей печатной или электронной документацией (например, коробочное ПО), предварительно установленные в компьютерную систему (например, на ПЗУ или несъемный диск системы), или распространяться с сервера или электронной доски объявлений по коммуникационной системе (например, Интернет в целом или с помощью веб-интерфейса).

[0068] Альтернативно или дополнительно процессор может содержать дискретные электронные компоненты, соединенные с печатной платой, интегральные микросхемы (например, Интегральная схема специального назначения, ASIC и/или программируемыми логическим устройствами (например, логическая матрица, программируемая пользователем). Любой из способов и процессов, описанных выше, может быть реализован с использованием указанных логических устройств.

[0069] Хотя выше (XE «Narrowing designation: only») подробно описано только несколько примеров, специалистам в данной области будет понятно, что возможны многие модификации в примерах без существенного отклонения от объекта изобретения (XE «Narrowing designation: invention»). Соответственно, все (XE «Narrowing designation: all») такие модификации предназначены для включения в объем данного изобретения, как указано в следующих пунктах формулы. В формуле изобретения пункты, излагающие одновременно средство и функцию, предназначены для охвата конструкций, раскрытых в данном документе, как выполняющих указанную функцию, и не только эквивалентов конструкции, но и эквивалентных конструкций. Таким образом, хотя гвоздь и винт могут не быть конструктивными эквивалентами в том смысле, что гвоздь задействует цилиндрическую поверхность для скрепления вместе деревянных частей, а винт задействует винтовую поверхность, в условиях скрепления деревянных частей гвоздь и винт могут быть эквивалентными конструкциями. Явным намерением заявителя не является требование применить Раздел 35 Кодекса законов США, 112, пункт 6, для любых ограничений любых пунктов формулы данного документа, кроме тех, в которых в формуле определенно использованы слова «предназначено для» вместе со связанной функцией.

Реферат

Группа изобретений относится к системам закачивания текучей среды с поверхности скважины в ствол скважины при высоком давлении и, конкретно, к обменнику давления, с помощью которого отбирают энергию давления от системы текучей среды с высоким давлением и передают ее в систему текучей среды с низким давлением. Технический результат – повышение эффективности работы упомянутого обменника давления. По способу обеспечивают источник низкого давления агрессивной текучей среды. Приводят в действие по меньшей мере один насос высокого давления для закачки чистой текучей среды. Используют поршневой блок, который находится в контакте с чистой текучей средой в направлении перемещения, с помощью которого проталкивают чистую текучую среду, используя давление по меньшей мере от одного насоса высокого давления, в ствол скважины. Для этого используют систему, имеющую по меньшей мере два трубчатых элемента, каждый из которых содержит соответствующий поршневой блок. Обеспечивают работу поршневых блоков в противоположных фазах. Непрерывно закачивают агрессивную текучую среду в ствол скважины так, что в первой половине цикла первый из соответствующих поршневых блоков вызывает выталкивание агрессивной текучей среды из первого из двух трубчатых элементов под высоким давлением, тогда как второй из трубчатых элементов заполняют агрессивной текучей средой под низким давлением. Во второй половине цикла второй из соответствующих поршневых блоков обеспечивает выталкивание агрессивной текучей среды из второго из двух трубчатых элементов под высоким давлением, тогда как первый из трубчатых элементов заполняют агрессивной текучей средой под низким давлением. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 17 ил., 1 табл.

Формула