Способ нагнетания рабочей жидкости с поверхности скважины в ствол скважины (варианты)

Способ нагнетания рабочей жидкости с поверхности скважины в ствол скважины (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область изобретения

Настоящее изобретение относится в общем к способам нагнетания жидкости с поверхности нефтяной скважины в ствол скважины под высоким давлением и, более точно, к такому способу, который включает разделение жидкости на чистый поток, содержащий минимальное количество твердых материалов, и грязный поток, содержащий твердый материал в жидком носителе.

Предшествующий уровень техники

В специальных применениях для нефтяной скважины используются насосные узлы для нагнетания жидкости с поверхности скважины в ствол скважины при чрезвычайно высоком давлении. Такие применения включают гидравлический разрыв пласта, закачивание цементного раствора и нагнетание через гибкие трубы, а также другие возможные применения. При гидравлическом разрыве пласта часто применяется набор из нескольких насосов для нагнетания жидкости, содержащей абразивный материал, или жидкости для гидравлического разрыва пласта через ствол скважины в предназначенные для этого области для создания боковых «трещин» в стволе скважины. Для создания таких трещин жидкость для гидравлического разрыва пласта нагнетается при особо высоком давлении, иногда в диапазоне от 10000 фунт./кв.дюйм до 15000 фунт./кв.дюйм (от 68,95 МПа до 103,4 МПа) или более. В дополнение к этому жидкость для гидравлического разрыва пласта содержит абразивный расклинивающий наполнитель, который служит как для создания трещин, так и обеспечивает «расклинивание» трещины и ее открытие после ее создания. Эти трещины обеспечивают дополнительные каналы для прохода газа и нефти из подземных формаций на поверхность скважины. Эти дополнительные каналы служат увеличению продуктивности скважины.

Для нагнетания рабочей жидкости в нефтяную скважину под высоким давлением, например, для гидравлического разрыва пласта, обычно используются плунжерные насосы. Такие плунжерные насосы также известны как поршневые насосы, насосы с прерывистым режимом работы, трехпоршневые насосы или пятипоршневые насосы. Плунжерные насосы обычно включают один или несколько плунжеров, перемещаемых коленчатым валом в камеру и из камеры в пространстве высокого давления (обычно называемую нагнетательной частью насоса), так что в камере возникают колебания между пониженным и повышенным давлением. Эти колебания давления позволяют насосу принимать жидкость при низком давлении и выпускать ее при высоком давлении через одноходовые клапаны (также называемые обратными клапанами).

В больших операциях по гидравлическому разрыву пласта часто используются несколько плунжерных насосов. Эти насосы могут быть связаны друг с другом при помощи общего коллектора, который механически собирает и распределяет комбинированный выход отдельных насосов. Например, при операции гидравлического разрыва пласта часто до двадцати и более насосов соединены через один коллектор. Централизованная компьютерная управляющая система может быть задействована для управления всей системой в течение операции.

Однако, абразивная природа жидкости для гидравлического разрыва пласта не только эффективно разрушает подземные формации и создает в них трещины, но также приводит к износу внутренних компонентов плунжерных насосов, которые перекачивают эту жидкость. Таким образом, когда плунжерные насосы используются для перекачивания жидкости для гидравлического разрыва пласта, расходы на ремонт, замену и/или техническое обслуживание внутренних компонентов насосов весьма высоки, а срок службы очень низкий.

Например, когда плунжерный насос используется для перекачивания жидкости для гидравлического разрыва пласта, нагнетательная часть насоса, клапаны, седла клапанов, набивка и плунжеры требуют частого технического обслуживания и/или замены. Такая замена нагнетательной части является сама по себе очень дорогостоящей не только потому, что дорога сама нагнетательная часть, но также вследствие сложности и продолжительности этой операции. Клапаны, с другой стороны, являются недорогими, и их замена не является сложной, но операции замены проводятся настолько часто, что они определяют большую часть стоимости технического обслуживания плунжерного насоса. К тому же, если клапан отказал, его седло также бывает повреждено, а седло заменить намного сложнее, чем клапан, из-за значительных усилий, требуемых для его удаления из нагнетательной части. Соответственно, существует потребность в улучшенной системе и способе для нагнетания жидкости с поверхности в ствол скважины.

Сущность изобретения

Согласно изобретению создан способ нагнетания рабочей жидкости с поверхности скважины в ствол скважины, содержащий следующие стадии:

обеспечение чистого потока, содержащего, преимущественно, воду, поданную из водяных баков ;

осуществление действия одного или нескольких «чистых» насосов для нагнетания чистого потока с поверхности скважины в ствол скважины;

обеспечение грязного потока, содержащего твердый материал в жидком носителе, содержащем воду, поданную из водяных баков, и гелеобразующее вещество;

осуществление действия одного или нескольких «грязных» насосов для нагнетания грязного потока с поверхности скважины в ствол скважины; и

объединение на поверхности скважины чистого потока и грязного потока в общем коллекторе для образования рабочей жидкости и нагнетание рабочей жидкости в ствол скважины.

Каждый «чистый» насос может быть насосом первого типа, и каждый «грязный» насос является насосом второго типа, причем насосы первого и второго типов являются насосами одного типа.

Насосы первого и второго типов могут быть плунжерными насосами.

Каждый «чистый» насос может быть насосом первого типа, и каждый «грязный» насос может быть насосом второго типа, причем насосы первого и второго типов являются насосами разных типов.

Насос первого типа является многоступенчатым центробежным насосом, а насос второго типа является плунжерным насосом.

Насос первого типа может быть насосом с перемещающейся полостью, а насос второго типа является плунжерным насосом.

Каждый «чистый» насос может быть многоступенчатым центробежным насосом, насосом с перемещающейся полостью, плунжерным насосом или включать любую комбинацию из одного или нескольких многоступенчатых центробежных насосов, одного или нескольких насосов с перемещающейся полостью и одного или нескольких плунжерных насосов.

Каждый «грязный» насос может быть насосом с перемещающейся полостью, плунжерным насосом или включать любую комбинацию из одного или нескольких многоступенчатых центробежных насосов, одного или нескольких насосов с перемещающейся полостью и одного или нескольких плунжерных насосов.

Каждый «чистый» насос может включать первичный двигатель для подачи мощности, выбранный из группы, состоящей из дизельного двигателя, газовой турбины, паровой турбины, электродвигателя переменного тока и электродвигателя постоянного тока.

Один или несколько «чистых» насосов могут быть расположены на удалении от ствола скважины.

Твердым материалом может быть расклинивающий наполнитель, и рабочей жидкостью является жидкость для гидравлического разрыва пласта.

Твердый материал может представлять собой частицы, волокна или материал, имеющий заданную форму.

Грязный поток может дополнительно содержать добавку для изменения свойств рабочей жидкости или промышленное химическое вещество.

Общий коллектор может быть расположен выше по потоку от ствола скважины.

Согласно другому варианту осуществления изобретения способ нагнетания рабочей жидкости с поверхности скважины в множество стволов скважин, содержащее, по меньшей мере, первый ствол скважины и второй ствол скважины, содержит следующие стадии:

обеспечение чистого потока;

осуществление действия одного или нескольких «чистых» насосов для нагнетания чистого потока с поверхности скважины в первый и второй стволы скважины;

обеспечение первого грязного потока, содержащего первый твердый материал в первом жидком носителе;

осуществление действия одного или нескольких первых «грязных» насосов для нагнетания первого грязного потока с поверхности скважины в первый ствол скважины, при этом чистый поток и первый грязный поток объединяются для образования рабочей жидкости;

обеспечение второго грязного потока, содержащего второй твердый материал во втором жидком носителе;

осуществление действия одного или нескольких вторых «грязных» насосов для нагнетания второго грязного потока с поверхности скважины во второй ствол скважины, при этом чистый поток и второй грязный поток объединяются для образования рабочей жидкости.

Один или несколько «чистых» насосов могут быть расположены на удалении от первого ствола скважины.

Один или несколько «чистых» насосов могут быть расположены на удалении от первого и от второго стволов скважины.

Первый твердый материал и второй твердый материал представляет собой расклинивающий наполнитель, и рабочая жидкость представляет собой жидкость для гидравлического разрыва пласта.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения изобретению способ нагнетания рабочей жидкости с поверхности скважины в ствол скважины содержит следующие стадии:

обеспечение чистого потока, содержащего, преимущественно, воду, поданную из водяных баков;

осуществление действия одного или нескольких «чистых» насосов для нагнетания чистого потока с поверхности скважины в ствол скважины;

обеспечение грязного потока, содержащего коррозийный материал и воду, поданную из водяных баков;

осуществление действия одного или нескольких «грязных» насосов для нагнетания грязного потока с поверхности скважины в ствол скважины;

объединение на поверхности скважины чистого потока и грязного потока в общем коллекторе для образования рабочей жидкости.

Каждый «чистый» насос может включать любую комбинацию из одного или нескольких многоступенчатых центробежных насосов, одного или нескольких насосов с перемещающейся полостью и одного или нескольких плунжерных насосов, и каждый «грязный» насос включает любую комбинацию из одного или нескольких многоступенчатых центробежных насосов, одного или нескольких насосов с перемещающейся полостью и одного или нескольких плунжерных насосов.

Общий коллектор может быть расположен выше по потоку от ствола скважины.

Каждый «чистый» и «грязный» насосы могут быть плунжерными насосами.

Каждый «чистый» насос может быть многоступенчатым центробежным насосом, и каждый «грязный» насос может быть плунжерным насосом.

Каждый «чистый» насос может включать первичный двигатель для подачи мощности, выбранный из группы, состоящей из дизельного двигателя, газовой турбины, паровой турбины, электродвигателя переменного тока и электродвигателя постоянного тока.

Один или несколько «чистых» насосов могут быть расположены на удалении от ствола скважины.

Коррозийный материал может быть выбран из группы, состоящей из кислот, нефти, нефтепродуктов, жидкой двуокиси углерода, жидкого пропана, жидких углеводородов с низкой точкой кипения, двуокиси углерода и азота.

Краткое описание чертежей

Вышеуказанные и другие особенности и преимущества настоящего изобретения можно лучше понять из последующего подробного описания со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 изображает вид сбоку плунжерного насоса, предназначенного для работы в насосной системе в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;

фиг.2 - схематический вид известной насосной системы для выполнения операции гидравлического разрыва пласта в скважине;

фиг.3 - схематический вид насосной системы для нагнетания жидкости с поверхности скважины в ствол скважины в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения, в котором жидкость разделяется на чистый поток, перекачиваемый одним или несколькими плунжерными насосами, и на грязный поток, также перекачиваемый одним или несколькими плунжерными насосами;

фиг.4 - боковой разрез многоступенчатого центробежного насоса;

фиг.5, 7 и 9 схематически показывают насосные системы для нагнетания жидкости с поверхности скважины в ствол скважины в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения, причем жидкость делится на чистый поток, нагнетаемый одним или несколькими многоступенчатыми центробежными насосами, и грязный поток, перекачиваемый одним или несколькими плунжерными насосами;

фиг.6, 8 и 10 показывают виды сверху в изометрии многоступенчатого центробежного насоса для использования в системе насосов, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;

фиг.11 показывает боковой разрез насоса с перемещающейся рабочей полостью; и

фиг.12 схематически показывает насосную систему для нагнетания жидкости с поверхности скважины в ствол скважины согласно одному осуществлению данного изобретения, причем жидкость делится на чистый поток, нагнетаемый одним или несколькими «чистыми» насосами, которые находятся на определенном расстоянии от скважины, и грязный поток.

Подробное описание вариантов

выполнения изобретения

Варианты выполнения настоящего изобретения относятся, в основном, к насосной системе для нагнетания жидкости с поверхности скважины в ствол скважины под высоким давлением, а более конкретно, к системе, которая включает разделение жидкости на чистый поток, в котором количество твердого материала минимально, и грязный поток, который содержит твердый материал в жидком носителе. В одном варианте изобретения как чистый поток, так и грязный поток нагнетаются в ствол скважины насосами одного типа. Например, в одном варианте изобретения для нагнетания потока обеих жидкостей используются один или несколько плунжерных насосов. В другом варианте, чистый поток и грязный поток нагнетаются насосами разных типов. Например, для перекачивания грязного потока в одном варианте выполнения изобретения используются один или несколько плунжерных насосов, в то время как для перекачивания чистого потока используются горизонтальные насосы (такие, как центробежный насос или насос с перемещающейся полостью).

На фиг.1 показан плунжерный насос 101, предназначенный для нагнетания жидкости с поверхности в ствол скважины. Плунжерный насос 101 установлен на стандартном трейлере 102 для удобства его транспортировки тягачом 104. Плунжерный насос 101 имеет первичный двигатель 106, который вращает коленчатый вал через трансмиссию 110 и приводной вал 112. Коленчатый вал, в свою очередь, приводит в движение один или несколько плунжеров, перемещающихся в камеру и из нее в нагнетательной части насоса 108, для создания переменного давления в камере. Эти колебания давления позволяют насосу получать жидкость с низким давлением и выпустить ее при высоком давлении при помощи одноходовых клапанов (также называемых обратными клапанами). С первичным двигателем 106 соединен радиатор 114, предназначенный для охлаждения первичного двигателя 106. В дополнение, нагнетательная часть 108 плунжерного насоса включает в себя входную трубу 116 для получения жидкости под низким давлением и выходную трубу 118 для подачи жидкости под высоким давлением.

На фиг.2 показана известная насосная система 200 для нагнетания жидкости с поверхности 118 скважины 120 в ствол 122 скважины во время работы на нефтяном месторождении. В данном конкретном варианте операция представляет собой гидравлический разрыв пласта, и поэтому закачиваемая жидкость является жидкостью для разрыва пласта. Система 200 включает ряд водяных баков 221, из которых вода подается в приготавливающее гель устройство 223. Устройство 223 смешивает воду с гелеобразующим веществом для приготовления геля. Гель затем подается в мешалку 225, где он смешивается с расклинивающим наполнителем, поступающим из питателя расклинивающего наполнителя для образования жидкости, предназначенной для гидравлического разрыва пласта. Гелеобразующее вещество повышает вязкость жидкости, предназначенной для разрыва пласта, и позволяет расклинивающему наполнителю распределяться в этой жидкости. Оно также может действовать как понизитель трения, позволяя увеличить расход насоса при снижении потерь давления на трение.

Жидкость, предназначенная для разрыва пласта, потом подается при низком давлении, например, от 60 до 120 фунт./кв.дюйм (от 413 кПа до 827 кПа) в плунжерные насосы 201, как показано сплошными линиями 212. Каждый плунжерный насос 201 может иметь такую же или похожую конфигурацию, как плунжерный насос 101, показанный на фиг.1. Как показано на фиг.2, каждый плунжерный насос 201 получает жидкость для гидравлического разрыва пласта при низком давлении и подает ее в общий коллектор 210 при высоком давлении, как показано пунктирными линиями 214. Из коллектора 210 жидкость для гидравлического разрыва пласта от плунжерных насосов 201 направляется в ствол 122 скважины, как показано сплошной линией 215.

В типичной операции по гидравлическому разрыву пласта вычисляется примерное давление в скважине и требуемый расход для создания требуемых боковых трещин в стволе скважины. Базируясь на этих вычислениях, определяют необходимую гидравлическую мощность в лошадиных силах, нужную для гидравлического разрыва пласта. Например, если оценено, что давление в скважине и потребный расход составляют 6000 фунт./кв.дюйм (41,37 МПа) и 68 баррелей в минуту (0,18 м³/сек), то гидравлическая мощность составит 10000 лошадиных сил (7,45 МВт).

В одном варианте осуществления первичный двигатель 106 каждого плунжерного насоса 201 является двигателем с эффективной мощностью 2250 лошадиных сил (1,68 МВт), что, если учесть потери (обычно при операциях гидравлического разрыва пласта - 3%), составляет 2182 лошадиные силы (1,63 МВт), приложенные к жидкости для разрыва. Таким образом, чтобы подать 10000 лошадиных сил (7,45 МВт), потребуется насосная система 200 на фиг.2, включающая по меньшей мере пять плунжерных насосов 201.

Тем не менее, чтобы предотвратить перегрузку трансмиссии 110 между двигателем 106 и нагнетательной частью 108 каждого плунжерного насоса 201, каждый плунжерный насос работает при производительности значительно ниже его номинальной производительности. Работа насосов при производительности ниже номинальной также позволяет при выходе из строя одного из насосов остальным насосам увеличить производительность, чтобы компенсировать выход насоса из строя. Например, при операции гидравлического разрыва пласта требуется мощность в 10000 лошадиных сил (7,45 МВт). Установка десяти плунжерных насосов на площадке скважины позволяет каждому насосу работать при мощности в 1030 лошадиных сил (0,767 МВт) или половине своего максимума, чтобы снабжать разрывающую жидкость мощностью в 1000 лошадиных сил (0,745 МВт) индивидуально и 10000 лошадиных сил (7,45 МВт) совместно. С другой стороны, если будут работать только девять насосов 201 на буровой площадке, или если один насос откажет, тогда каждый из девяти двигателей 106 насосов будет работать при тормозной мощности около 1145 лошадиных сил (0,853 МВт), чтобы сообщить требуемые 10000 лошадиных сил (7,45 МВт) разрывающей жидкости. Как показано, может использоваться компьютеризированная система 229 управления, чтобы руководить работой целой насосной системой 200 во время операции гидравлического разрыва пласта.

Как обсуждалось выше, проблема с насосной системой 200 заключается в том, что каждый плунжерный насос 201 подвергается абразивному воздействию расклинивающего наполнителя в разрывающей жидкости. Характерная концентрация расклинивающего наполнителя в разрывающей жидкости составляет от 2 до 12 фунтов на галлон (от 239,6 до 1437,6 кг/м³). Как указано выше, расклинивающий наполнитель оказывает сильное разрушительное действие на внутренние компоненты плунжерных насосов 201 и вызывает сокращение срока службы этих насосов.

Для устранения этой проблемы в системе 200, на фиг.3 показана насосная система 300 в соответствии с одним из вариантов выполнения настоящего изобретения. В этом выполнении жидкость, которая нагнетается с поверхности скважины 118 в ствол 122 скважины, разделена на чистый поток 305, содержащий преимущественно воду, которая нагнетается одним или несколькими «чистыми» насосами 301, и грязный поток 305', содержащий твердый материал в жидком носителе, который нагнетается одним или несколькими «грязными» насосами 301'. Например, в операции гидравлического разрыва пласта грязный поток 305' содержит расклинивающий наполнитель в жидком носителе (таком, как гель). Как детально поясняется ниже, такая система 300 значительно увеличивает срок службы «чистых» насосов 301, поскольку «чистые» насосы 301 не подвержены воздействию абразивных жидкостей. Каждый «чистый» насос 301 и каждый «грязный» насос 301' в соответствии со схемой, представленной на фиг.3, могут иметь конфигурацию, совпадающую или аналогичную конфигурации плунжерного насоса, показанного на фиг.1.

В системе 300 согласно фиг.3, «грязные» насосы 301 получают грязный поток аналогично способу, проиллюстрированному на фиг.2. Это означает, что при исполнении согласно фиг.3, система 300 включает ряд баков 321 с водой, из которых вода подается в приготавливающее гель устройство 323. Устройство 323 смешивает воду из баков 321 с гелеобразующим веществом и образует гель, который подается в мешалку 325, где он смешивается с расклинивающим наполнителем из питателя расклинивающего наполнителя 327 и образует грязный поток, в данном случае жидкость для гидравлического разрыва пласта. Пример расклинивающего наполнителя - гранулы песка, покрытые смолой гранулы песка, производные молочной кислоты или прочные керамические материалы, такие как спеченные бокситы, а также другие подходящие расклинивающие наполнители.

Раствор затем подается под низким давлением, например, 60-120 фунт./кв.дюйм (от 413 кПа до 827 кПа) из мешалки 325 к «грязным» насосам 301', как показано сплошными линиями 312′, и подается из насосов 301' при высоком давлении в общий коллектор 310, как показано пунктирными линиями 314'.

Чистый поток 305, содержащий воду из водяных баков 321, нагнетается при небольшом давлении, например, 60-120 фунт./кв.дюйм (от 413 кПа до 827 кПа), напрямую в «чистые» насосы 301 промежуточным насосом 331, как показано сплошными линиями 312, и поступает из насосов под высоким давлением в коллектор 310, как показано пунктирными линиями 314. Коллектор 310 принимает чистый поток и грязный поток и направляет их смесь, которая образует жидкость для гидравлического разрыва пласта, в ствол 122 скважины, как показано сплошной линией 315.

Если система 300 на фиг.3 использовалась бы вместо системы 200, показанной на фиг.2 (то есть, в скважине 120, где требуется мощность в 10000 лошадиных сил (7,45 МВт)) и предполагая, что каждый «чистый» насос 301 и каждый «грязный» насос 301' включает в себя двигатель 106 с максимальной эффективной мощностью в 2250 лошадиных сил (1,68 МВт), то, как и в насосной системе 200 согласно фиг.2, каждый двигатель 106 в каждом «чистом» насосе и «грязном» насосе может работать при эффективной мощности в 1030 лошадиных сил (0,767 МВт) для обеспечения требуемых 10000 лошадиных сил (7,45 МВт) для закачивания жидкости для гидравлического разрыва пласта. Так же, как и в системе насосов 200 на фиг.2, общее число насосов 301/301' в системе 300 на фиг.3 может быть снижено, если двигатели 106 насосов работают при большей эффективной мощности. Например, если один «чистый» насос или один «грязный» насос откажет, оставшиеся насосы могут работать с большей скоростью, чтобы компенсировать отсутствие отказавшего насоса. В дополнение, компьютеризованная система 329 контроля может использоваться для управления всей системой 300 на продолжении операции разрыва пласта.

В системе 300, показанной на фиг.3, «чистые» насосы 301 не подвержены воздействию расклинивающего наполнителя. В результате, согласно оценке, срок службы «чистых» насосов 301 в системе 300 в десять раз превышает срок службы насосов 201 из системы 200 с фиг.2. Однако, чтобы компенсировать отсутствие расклинивающего наполнителя в жидкости, поступающей и выходящей из «чистых» насосов 301, «грязные» насосы 301' в системе 300 подвержены большей концентрации расклинивающего наполнителя, чтобы добиться того же эффекта, что и у системы насосов 200. Это означает, что для операции, требующей концентрации расклинивающего наполнителя около 2 фунтов на галлон (239,6 кг/м³), при прокачивании через насосы 201 (фиг.2) для «грязных» насосов 301' в системе 300 потребуется прокачивание жидкости с концентрацией расклинивающего наполнителя около 10 фунтов на галлон (1198,3 кг/м³). В результате, согласно оценке, продолжительность службы «грязных» насосов 301' составит примерно 0,2 от срока службы насосов 201 из системы 200.

Однако, сравнивая насосные системы 200 и 300 и предполагая, что общее количество насосов в каждой системе одинаково при той же концентрации расклинивающего наполнителя и той же мощности в лошадиных силах, восемь «чистых» насосов в системе 300, имеющих срок службы приблизительно в десять раз больше, чем у насосов 201 в системе 200, заметно превосходят по сроку службы два «грязных» насоса 301' в системе 300, который составляет для последних примерно 0,2 от срока службы насосов 201 в системе 200. Таким образом, общий срок службы системы насосов 300 заметно превышает срок службы системы насосов 200.

Предполагается, что система насосов 300 используется на скважине 120, требующей мощность в 10000 гидравлических лошадиных сил (7,45 МВт). Это предполагается только для сравнения того, как система 300 работает по сравнению с системой 200 на той же скважине 120. Эти требующиеся 10000 гидравлических лошадиных сил (7,45 МВт) предполагаются для насосных систем 500, 700, 900 (описанных ниже) для аналогичной цели. Однако, как описано ниже, следует понимать, что любая насосная система 300, 500, 700, 900, 1200 может подать любую желательную гидравлическую мощность в скважину. Например, различные скважины могут иметь потребность в гидравлической мощности от 500 до 100000 лошадиных сил (от 0,373 МВт до 74,6 МВт) и даже больше.

Таким образом, хотя на фиг.3 показана система 300, состоящая из восьми «чистых» насосов 301 и двух «грязных» насосов 301′, в альтернативном исполнении система 300 может иметь любое подходящее количество «грязных» насосов 301' и любое количество «чистых» насосов 301, в зависимости от требуемой мощности в лошадиных силах, необходимой для скважины 120, процента загрузки двигателей 106 насосов и количества расклинивающего наполнителя, который необходимо закачать.

Также заметьте, что хотя в осуществлении согласно фиг.3 показаны два «грязных» насоса 301', система 300 может включать больше и даже меньше, чем два «грязных» насоса 301', причем, чем меньше «грязных» насосов 301' имеет система 300, тем больше концентрация расклинивающего наполнителя в жидкости, которую должен перекачивать насос 301′; результатом повышенной концентрации расклинивающего наполнителя может быть значительное сокращение срока службы «грязных» насосов 301'. С другой стороны, чем меньше используется «грязных» насосов 301', тем больше «чистых» насосов можно использовать для достижения того же результата, и, как указано выше, ожидаемое снижение срока службы «грязных» насосов значительно перекрывается увеличенным сроком службы «чистых» насосов 301.

В исполнении согласно фиг.3 показаны два «грязных» насоса 301'. Хотя система 300 могла бы работать только с одним «грязным» насосом 301', в данном исполнении система 300 включает два «грязных» насоса 301', так, чтобы при отказе одного из «грязных» насосов можно было бы удвоить концентрацию расклинивающего наполнителя для компенсации отсутствия отказавшего насоса.

Хотя система 300 (фиг.3) достигает цели увеличения общего срока службы системы по сравнению со сроком службы системы 200 (фиг.2), в системе 300 по-прежнему используются плунжерные насосы. Хотя это решение является полностью приемлемым, проблема с плунжерными насосами заключается в том, что они непрерывно перемещаются между условиями работы с высоким и низким давлением. То есть, когда плунжер движется в направлении от нагнетательной части, давление в ней уменьшается, а когда плунжер движется по направлению к нагнетательной части, давление в ней становится высоким. Этот перепад давлений на нагнетательной части подвергает ее (а также ее внутренние компоненты) большим напряжениям, которые могут привести к усталостным дефектам нагнетательной части.

В дополнение, плунжерные насосы создают пульсации крутящего момента и пульсации давления, причем эти пульсации зависят от числа плунжеров в насосе, и чем больше число плунжеров, тем меньше пульсации. Однако, повышение числа плунжеров ведет к значительному увеличению стоимости в результате усиления механической сложности и повышения стоимости замены клапанов, седел клапанов, набивок, плунжеров и т.п. С другой стороны, пульсации, создаваемые плунжерными насосами, являются основной причиной отказов трансмиссии 110, которые происходят достаточно часто, и трансмиссию 110 еще сложнее заменить, чем нагнетательную часть 108 насоса, при этом эти операции сопоставимы по цене.

Пульсации давления в плунжерном насосе достаточно велики, чтобы, если система насосов высокого давления войдет в резонанс, части системы насосов отказали бы за один цикл работы. Это означает катастрофическое разрушение таких компонентов, как коллектор и обрабатывающие элементы. Эта проблема пульсации давления даже ухудшается, когда несколько насосов работают при одной и той же или близкой скорости. Таким образом, в системе, использующей многочисленные плунжерные насосы, необходимо предпринимать значительные усилия, чтобы все насосы работали при разных скоростях для предотвращения резонанса и потенциального катастрофического разрушения.

Многоступенчатые центробежные насосы, с другой стороны, могут получать жидкость при низком давлении и выдавать ее при высоком давлении, при этом их внутренние компоненты подвергаются практически постоянному давлению с минимальными отклонениями на каждой ступени по их длине. Отсутствие больших перепадов давления означает, что корпус повышенного давления центробежного насоса не испытывает разрушительных воздействий во время перекачивания жидкости. В результате, при перекачивании чистой жидкости, многоступенчатый центробежный насос имеет больший срок службы и более низкие рабочие издержки, чем плунжерный насос. К тому же, системы многоступенчатых центробежных насосов постепенно изнашиваются и теряют эффективность, в отличие от плунжерных насосов и их трансмиссии, где эти процессы происходят катастрофически. Таким образом, в некоторых ситуациях при перекачке чистой жидкости желательнее применять многоступенчатые центробежные насосы, чем плунжерные насосы.

На фиг.4 показан пример многоступенчатого центробежного насоса 424. В насос 424 поступает жидкость через входную трубу 426 при низком давлении, и жидкость под высоким давлением выходит из выходной трубы 428, причем жидкость проходит (как показано стрелками) вдоль длинной цилиндрической трубы или цилиндра 430, в которой расположен ряд рабочих колес или роторов 432. Таким образом, поскольку жидкость последовательно проходит через ряд последовательных рабочих колес 432, ее давление все больше и больше повышается, и давление на выходе значительно превышает давление на входе. Для создания многоступенчатого центробежного насоса с большим выходным давлением может быть увеличен диаметр рабочих колес 432 или их число (также обозначаемое как число ступеней насоса).

Таким образом, может быть желательным создание насосной системы согласно фиг.3, но с использованием многоступенчатых центробежных насосов в качестве «чистых» насосов вместо использования плунжерных насосов в качестве «чистых» насосов. Такая конфигурация представлена в виде насосной системы 500 на фиг.5. Многие части насосной системы 500 могут работать аналогично тому, как описано выше в отношении системы 300 на фиг.3. Поэтому, работа системы 500 может осуществляться таким же способом, что и работа системы 300, описанная выше, и поэтому она не описана здесь во избежание повторения. Однако, как упомянуто выше, разница между системой 500 и системой 300 заключается в том, что «чистые» насосы 501 насосной системы 500 представляют собой многоступенчатые центробежные насосы, а не плунжерные насосы.

В этом варианте выполнения, каждый «чистый» насос 501 может иметь такую же или похожую конфигурацию, как многоступенчатый центробежный насос 501, показанный на фиг.6. Многоступенчатый центробежный насос 501 установлен на стандартном трейлере 102 для простоты перемещения при помощи тягача 104. Многоступенчатый центробежный насос 501 включает первичный двигатель 506, который приводит в действие рабочие колеса насоса через коробку 511 передач. Также к первичному двигателю 506 присоединен радиатор 514, предназначенный для охлаждения первичного двигателя 506. В дополнение, многоступенчатый центробежный насос 501 включает в себя четыре цилиндра 530 центробежного насоса, соединенных последовательно через внутренний коллектор 509 высокого давления. В данном исполнении каждый цилиндр 530 насоса содержит сорок рабочих колес диаметром около 5-11 дюймов (127-279 мм). Вариант цилиндра 530 производится компанией Reda Pump Co., Сингапур (например, цилиндр Reda 675 серии HPS с 40 ступенями).

В одном из выполнений первичный двигатель 506 каждого многоступенчатого центробежного насоса 501 из системы 500 является дизельным двигателем с максимальной эффективной мощностью в 2250 лошадиных сил (1,45 МВт), который, если учесть потери (характерная величина которых составляет 30% для многоступенчатых насосов при операции гидравлического разрыва пласта), позволяет каждому «чистому» насосу 501 системы 500 передать максимально 1575 лошадиных сил (1,01 МВт) закачиваемой жидкости. Таким образом, чтобы подать к жидкости разрыва 10000 лошадиных сил (6,47 МВт) (предполагая, что каждый «грязный» насос 301' передает около 1000 гидравлических лошадиных сил (0,647 МВт) (как предполагается в насосных системах 200 и 300 с фиг.2 и 3), для насосной системы 500 с фиг.5 потребуется шесть многоступенчатых центробежных насосов 501, каждый из которых передает жидкости 1575 лошадиных сил (1,01 МВт), что в сумме дает 11450 лошадиных сил (7,41 МВт).

Дополнительные 1450 лошадиных сил (0,938 МВт) сверх требуемых 10000 лошадиных сил (6,47 МВт) позволяют в случае отказа одного из насосов 501, 301' в системе насосов 500 с фиг.5, остальным насосам 501, 301' компенсировать его простой и/или «чистые» насосы могут работать не в полную мощность. Отметьте, однако, что поскольку многоступенчатые центробежные насосы 501 не включают в себя трансмиссию, они могут работать в полную мощность без опасности отказа. Поэтому, чтобы система 500 перекачивала жидкость с той же концентрацией расклинивающего наполнителя при той же гидравлической мощности в лошадиных силах, что и система 200 с фиг.2, в сумме потребуется на два насоса меньше. К тому же, «чистые» насосы 501 системы 500 будут иметь больший срок службы, чем насосы 201 системы 200.

На фиг.7 показано исполнение, аналогичное показанному на фиг.5, но при другой конфигурации «чистых» насосов 701. Многие секции системы 700 могут, вообще говоря, работать в том же режиме, что и система 300 с фиг.3. Поэтому, операции системы 700, которые аналогичны операциям, описанным выше в отношении системы 300, не изложены здесь, чтобы избежать повторения. Однако, как упомянуто выше, разница между системой 700 и системой 300 заключается в том, что «чистые» насосы 701 системы 700 являются многоступенчатыми центробежными насосами, а не плунжерными насосами. В дополнение, хотя «чистые» насосы 501, 701 в системах 500, 700 являются многоступенчатыми центробежными насосами, многоступенчатые центробежные насосы системы 700 имеют иную конфигурацию, чем многоступенчатые центробежные насосы системы 500.

Например, в соответствии с исполнением с фиг.7, каждый «чистый» насос 701 может иметь ту же или аналогичную конфигурацию, как и многоступенчатый центробежный насос 701, показанный на фиг.8. Как показано на фиг.8, многоступенчатый центробежный насос 701 установлен на стандартном трейлере 102 для простоты транспортировки тягачом 104. Многоступенчатый центробежный насос 701 приводится в действие первичным двигателем 706, который вращает содержащиеся в насосе рабочие колеса через коробку 711 передач и ра