Система и способ использования интегрированного коллектора обмена давления при гидравлическом разрыве пласта

Система и способ использования интегрированного коллектора обмена давления при гидравлическом разрыве пласта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области нефтегазовой промышленности, в частности, к оборудованию и технологиям для осуществления гидравлического разрыва пласта.

Уровень техники

Данный раздел предназначен для ознакомления с различными аспектами уровня техники, которые могут относиться к различным аспектам настоящего изобретения, описанным и/или заявленным ниже. Данное описание предоставляет информацию о предшествующем уровне техники для облегчения понимания различных аспектов настоящего изобретения. Таким образом, следует понимать, что следующие утверждения приведены для достижения указанной цели, а не для признания предшествующего уровня техники.

Изобретение, раскрытое в данном описании, относится к воздействию на текучие среды и, более конкретно, к системам и способам воздействия на текучие среды с использованием изобарического обменника давления (IPX).

При добыче углеводородов из земли могут быть использованы различные флюиды. Например, гидравлический разрыв может относиться к разрыву горной породы жидкостью под давлением, которая может быть указана как «жидкость разрыва». Использование жидкостей разрыва для осуществления гидравлического разрыва пласта может увеличить добычу углеводородов из определенных месторождений. Как правило, жидкость разрыва может быть введена в скважину месторождения углеводородов под очень высоким давлением с использованием насосов высокого давления с большой производительностью. К сожалению, эти насосы могут ускоренно изнашиваться и подвергаться эрозии из-за свойств жидкости разрыва и/или определенных компонентов жидкости разрыва, что может увеличить эксплуатационные расходы при использовании насосов и/или понизить эффективность работ по гидравлическому разрыву пластов.

Раскрытие изобретения

Предложена система обработки или подготовки флюида для гидравлического разрыва пласта, которая включает в себя интегрированную коллекторную систему, содержащую:

несколько изобарических обменников давления (IPX), каждый из которых имеет входное отверстие для первого флюида под низким давлением, выполненное с возможностью поступления в него первого флюида под низким давлением; входное отверстие для второго флюида под высоким давлением, выполненное с возможностью поступления в него второго флюида под высоким давлением; выходное отверстие для первого флюида под высоким давлением, выполненное с возможностью сброса первого флюида под высоким давлением; и выходное отверстие для второго флюида под низким давлением, выполненное с возможностью сброса второго флюида под низким давлением;

коллектор для первого флюида под низким давлением, соединенный с каждым из входных отверстий для первого флюида под низким давлением в нескольких IPX и выполненный с возможностью подачи первого флюида под низким давлением в каждое из входных отверстий для первого флюида под низким давлением в указанных IPX;

коллектор для второго флюида под высоким давлением, соединенный с каждым из входных отверстий для второго флюида под высоким давлением в нескольких IPX и выполненный с возможностью подачи второго флюида под высоким давлением в каждое из входных отверстий для второго флюида под высоким давлением в указанных IPX;

коллектор для первого флюида под высоким давлением, соединенный с каждым из выходных отверстий для первого флюида под высоким давлением в нескольких IPX и выполненный с возможностью сброса первого флюида под высоким давлением из интегрированной коллекторной системы; и

коллектор для второго флюида под низким давлением, соединенный с каждым из выходных отверстий для второго флюида под низким давлением в нескольких IPX и выполненный с возможностью сброса второго флюида под низким давлением из интегрированной коллекторной системы.

Первый флюид может иметь по меньшей мере две фазы, а второй флюид - только одну фазу. При этом первый флюид может содержать жидкую фазу и твердую фазу, а второй флюид может содержать только жидкую фазу. В частности, первый флюид может содержать жидкость разрыва, имеющую проплаты, а второй флюид может содержать одно или несколько из следующих веществ: вода, масло, кислота и гелеобразующий агент, причем во втором флюиде отсутствуют проппанты.

Несколько IPX в системе могут быть приспособлены для того, чтобы использовать второй флюид под высоким давлением для увеличения давления первого флюида низкого давления.

Система может дополнительно содержать несколько насосов, соединенных с коллектором для второго флюида под высоким давлением, причем эти насосы выполнены с возможностью принимать второй флюид под низким давлением, увеличивать его давление до высокого давления, а затем подавать второй флюид под высоким давлением в соответствующий коллектор. При этом насосы могут быть изолированными от первого флюида.

Интегрированная коллекторная система может содержать входной коллектор для второго флюида, соединенный с насосом для второго флюида и выполненный с возможностью подачи второго флюида под низким давлением в указанные насосы.

Система также может включать в себя передвижное транспортное средство, на котором может быть расположена интегрированная коллекторная система, чтобы обеспечить возможность транспортировки интегрированной коллекторной системы в различные места размещения.

Первый флюид может содержать жидкость разрыва с проппантами. Система может дополнительно включать в себя смеситель, соединенный с коллектором для первого флюида под низким давлением и выполненный с возможностью производить жидкость разрыва. При этом смеситель может быть соединен с гидролинией, перенаправляющей в смеситель по меньшей мере часть второго флюида под низким давлением, сбрасываемого из соответствующего коллектора.

Система может также включать в себя гидролинию, соединенную с коллектором для второго флюида под низким давлением и выполненную с возможностью перенаправлять в по меньшей мере один насос по меньшей мере часть второго флюида под низким давлением, сбрасываемого из соответствующего коллектора. При этом этот насос может быть выполнен с возможностью повышать давление второго флюида низкого давления до повторно повышенного давления второго флюида и подавать второй флюид под повторно повышенным высоким давлением в первый флюид под высоким давлением, сбрасываемый из соответствующего коллектора.

В альтернативном варианте осуществления изобретения предложена система обработки флюида для гидравлического разрыва пласта, которая содержит смонтированную интегрированную коллекторную систему, включающую в себя:

несколько изобарических обменников давления (IPX), каждый из которых имеет входное отверстие для первого флюида под низким давлением, выполненное с возможностью поступления в него первого флюида под низким давлением; входное отверстие для второго флюида под высоким давлением, выполненное с возможностью поступления в него второго флюида под высоким давлением; выходное отверстие для первого флюида под высоким давлением, выполненное с возможностью сброса первого флюида под высоким давлением; и выходное отверстие для второго флюида под низким давлением, выполненное с возможностью сброса второго флюида под низким давлением;

коллектор для второго флюида под высоким давлением, соединенный с каждым из входных отверстий для второго флюида под высоким давлением в нескольких IPX и выполненный с возможностью подачи второго флюида под высоким давлением в каждое из входных отверстий для второго флюида под высоким давлением в указанных IPX;

коллектор для второго флюида под низким давлением, соединенный с каждым из выходных отверстий для второго флюида под низким давлением в нескольких IPX и выполненный с возможностью сброса второго флюида под низким давлением из интегрированной коллекторной системы;

а также система может включать в себя дополнительную коллекторную систему, отдельную от интегрированной коллекторной системы, и содержащую:

коллектор для первого флюида под низким давлением, соединенный с каждым из входных отверстий для первого флюида под низким давлением в нескольких IPX и выполненный с возможностью подачи первого флюида под низким давлением в каждое из входных отверстий для первого флюида под низким давлением в указанных IPX; и

коллектор для первого флюида под высоким давлением, соединенный с каждым из выходных отверстий для первого флюида под высоким давлением в нескольких IPX и выполненный с возможностью сброса первого флюида под высоким давлением из интегрированной коллекторной системы.

Такая система может дополнительно включать в себя первый прицеп и второй прицеп, причем интегрированная коллекторная система расположена на первом прицепе, а дополнительная коллекторная система расположена на втором прицепе.

Первый флюид может содержать жидкость разрыва с проппантами. Дополнительная коллекторная система может содержать коллекторную систему для жидкости разрыва, выполненную с возможностью поступления в нее жидкости разрыва под низким давлением от насоса для жидкости разрыва.

Коллекторная система для жидкости разрыва может быть выполнена с возможностью подавать жидкость разрыва под низким давлением в несколько IPX интегрированной коллекторной системы через коллектор для первого флюида под низким давлением, принимать жидкость разрыва под высоким давлением из интегрированного коллектора нескольких IPX интегрированной коллекторной системы и сбрасывать жидкость разрыва под высоким давлением через коллектор для первого флюида под высоким давлением.

При этом указанные IPX могут быть выполнены с возможностью использовать второй флюид под высоким давлением для увеличения давления первого флюида под низким давлением.

Система также может содержать несколько насосов, соединенных с коллектором для второго флюида под высоким давлением и выполненных с возможностью поступления в них второго флюида под низким давлением для увеличения давления второго флюида до высокого давления, а также подачи второго флюида под высоким давлением в соответствующий коллектор. При этом указанные насосы могут быть изолированными от первого флюида.

Интегрированная коллекторная система также может содержать входной коллектор для второго флюида, соединенный с насосом для второго флюида и выполненный с возможностью подачи второго флюида под низким давлением в указанные насосы.

В другом аспекте изобретения предложен также способ обработки флюида для гидравлического разрыва пласта, в котором:

пропускают первый флюид под низким давлением через коллектор для первого флюида под низким давлением в соответствующие входные отверстия для первого флюида под низким давлением в нескольких изобарических обменниках давления (IPX);

пропускают второй флюид под высоким давлением через коллектор для второго флюида под высоким давлением в соответствующие входные отверстия для второго флюида под высоким давлением в указанных IPX;

в указанных IPX повышают давление первого флюида низкого давления до высокого давления с помощью второго флюида под высоким давлением;

выпускают первый флюид под высоким давлением из соответствующих выходных отверстий для первого флюида под высоким давлением в указанных IPX; и

выпускают второй флюид под низким давлением из соответствующих выходных отверстий для второго флюида под низким давлением в указанных IPX;

причем коллектор первого флюида под низким давлением, коллектор первого флюида под высоким давлением, коллектор второго флюида под низким давлением, коллектор второго флюида под высоким давлением и указанные IPX располагают таким образом, чтобы сформировать интегрированный модуль обмена давления.

При этом второй флюид под низким давлением пропускают через несколько насосов для повышения его давления до высокого давления перед пропусканием второго флюида под высоким давлением через коллектор для второго флюида под высоким давлением в соответствующие входные отверстия для второго флюида под высоким давлением в указанных IPX.

В предложенном способе первый флюид может содержать жидкость разрыва, включающую в себя проппанты, а второй флюид может содержать одно или несколько из следующих веществ: вода, масло, кислота и гелеобразующее вещество, и во втором флюиде отсутствуют проппанты.

Техническим эффектом изобретения является, в том числе, облегчение процесса гидравлического разрыва пласта и увеличение уровня добычи углеводородов при выполнении гидроразрыва пластов при одновременном снижении расходов, связанных с такими работами.

Кроме того, изобретение обеспечивает увеличение срока службы и/или снижение эксплуатационных расходов насосов высокого давления с большой производительностью. Таким образом, общий уровень добычи углеводородов может быть увеличен за счет увеличения срока эксплуатации насосов высокого давления.

Также изобретение позволяет уменьшить пространство, занимаемое оборудованием для гидроразрыва.

Предложенные системы позволяют уменьшить сложность работы и подключения интегрированной коллекторной системы к другим компонентам, используемым при выполнении гидроразрыва.

Краткое описание чертежей

Различные признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятными после ознакомления со следующим подробным описанием, приведенным со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены аналогичные детали.

На Фиг. 1 представлен разобранный общий вид одного варианта выполнения ротационного изобарического обменника давления (IPX);

На Фиг. 2 представлен разобранный общий вид варианта выполнения ротационного IPX в первом рабочем положении;

На Фиг. 3 представлен разобранный общий вид варианта выполнения ротационного IPX во втором рабочем положении;

На Фиг. 4 представлен разобранный общий вид варианта выполнения ротационного IPX в третьем рабочем положении;

На Фиг. 5 представлен разобранный общий вид варианта выполнения ротационного IPX в четвертом рабочем положении;

На Фиг. 6 представлено схематическое изображение варианта выполнения интегрированной коллекторной системы, имеющей несколько ротационных IPX, которая может быть использована в работах по гидравлическому разрыву пластов;

На Фиг. 7 представлено схематическое изображение варианта выполнения интегрированной коллекторной системы, имеющей несколько ротационных IPX и коллекторы как для воды, так и для жидкости разрыва, которая может быть использована в работах по гидравлическому разрыву пластов;

На Фиг. 8 представлено схематическое изображение варианта выполнения интегрированной коллекторной системы, имеющей несколько ротационных IPX и коллекторы для воды, которая может быть использована в работах по гидравлическому разрыву пластов;

На Фиг. 9 представлен вид сбоку варианта выполнения интегрированной коллекторной системы, имеющей несколько ротационных IPX, установленных на прицепе;

На Фиг. 10 представлено схематическое изображение варианта выполнения интегрированной коллекторной системы, имеющей несколько ротационных IPX, которая может быть использована в работах по гидравлическому разрыву пластов (например, для возврата по меньшей мере части отработанной воды с низким давлением в смеситель); и

На Фиг. 11 представлено схематическое изображение варианта выполнения интегрированной коллекторной системы, имеющей несколько ротационных IPX, которая может быть использована в работах по гидравлическому разрыву пластов (например, для повторного нагнетания давления для части отработанной воды с низким давлением для использования в скважине).

Осуществление изобретения

Ниже приведено описание одного или нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения. Рассмотренные варианты осуществления настоящего изобретения приведены исключительно в качестве примера. Кроме того, для краткости описания данных иллюстративных вариантов осуществления в данном документе не приводятся все признаки вариантов применения. Следует понимать, что при разработке любого такого варианта применения, например, в инженерном проекте или технологической схеме, необходимо будет принять несколько индивидуальных решений, направленных на достижение конкретных целей разработчиков, таких как соблюдение ограничений, связанных с системными или коммерческими аспектами, которые могут варьироваться в каждом конкретном варианте применения. Более того, следует понимать, что подобные опытно-конструкторские работы могут быть сложными и требовать больших временных затрат, однако, тем не менее, для специалиста в данной области техники они являются стандартными процедурами по проектированию, изготовлению и производству с использованием преимуществ данного изобретения.

При первом упоминании элементов различных вариантов осуществления настоящего изобретения подразумевается, что предусмотрен один или несколько таких элементов. Подразумевается, что термины «содержащий», «включающий в себя» и «имеющий» не являются исключающими и означают, что кроме перечисленных элементов могут существовать дополнительные другие элементы.

Как более подробно будет описано ниже, раскрытые варианты относятся, в целом, к вращающемуся оборудованию и, в частности, к изобарическому обменнику давления (IPX). Например, IPX может иметь дело с различными типами флюидов, некоторые из которых могут быть более вязкими и/или абразивными, чем другие. Например, IPX может работать с многофазными (например, имеющими по меньшей мере две фазы, где фаза представляет собой область пространства, на протяжении которой все физические свойства материала являются по существу однородными) потоки флюидов, например, жидкостные потоки, насыщенные частицами. Пример такого флюида включает в себя, без ограничения, жидкость разрыва, используемую при гидравлическом разрыве пласта. Жидкость разрыва может содержать воду, смешанную с химикатами и мелкими частицами проппантов для гидроразрыва, например, песком или оксидом алюминия. IPX может иметь камеры, в которых может выравниваться давление двух объемов жидкости, как подробно описано ниже. В некоторых вариантах осуществления изобретения давление двух объемов жидкости может быть выровнено не полностью. Таким образом, IPX может функционировать не только в изобарическом режиме, но также в практически изобарическом режиме (например, когда давление выравнивается в пределах приблизительно +/- 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, или 10 процентов друг от друга). В некоторых вариантах осуществления изобретения первое давление первого флюида может быть выше, чем второе давление второго флюида. Например, первое давление может быть больше второго давления примерно на 130-160 МПа, 115-180 МПа или 100-200 МПа. Таким образом, IPX можно использовать для передачи давления от первого флюида ко второму флюиду.

В некоторых ситуациях может быть желательно использовать IPX с вязкими и/или абразивными флюидами, например, жидкостями разрыва. В частности, один или несколько IPX могут быть использованы для воздействия на эти флюиды вместо другого оборудования, такого как насосы высокого давления с большой производительностью, используемые для нагнетания жидкостей разрыва в месторождения углеводородов при других операциях гидроразрыва. При использовании для перекачки жидкостей разрыва эти насосы высокого давления с большой производительностью, которыми могут быть поршневые насосы прямого вытеснения, могут подвергаться большому износу и эрозии, что приводит к уменьшению срока эксплуатации и повышению эксплуатационных расходов. И наоборот, компоненты IPX могут быть более устойчивыми к воздействию жидкостей разрыва. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления изобретения могут быть использованы насосы высокого давления с большой производительностью для создания давления на менее вязком и/или менее абразивном флюиде, таком как вода (например, имеющем одну фазу), которая затем используется в IPX для переноса давления на жидкость разрыва. Иначе говоря, насосы высокого давления с большой производительностью по изобретению не осуществляют перекачку жидкостей разрыва. Использование таких вариантов изобретения может предоставлять ряд преимуществ по сравнению с другими способами работы с жидкостями разрыва. Например, такие варианты изобретения могут обеспечить продление срока службы и/или снижение эксплуатационных расходов насосов высокого давления с большой производительностью. За счет сокращения простоев, связанных с насосами высокого давления с большой производительностью, что может быть очень затратно, общий уровень добычи углеводородов может быть увеличен за счет увеличения срока эксплуатации насосов высокого давления. В некоторых вариантах осуществления изобретения интегрированная коллекторная система (например, интегрированный коллектор обмена давления) может включать в себя несколько IPX и один или несколько трубопроводных коллекторов для обращения с жидкостью разрыва и/или воды, которые могут быть легко интегрированы с насосами высокого давления с большой производительностью и иным оборудованием, связанным с операциями гидроразрыва. В частности, такие варианты интегрированной коллекторной системы могут включать в себя несколько соединений для стыковки с существующими трубопроводами, шлангами и/или иным оборудованием. Эти варианты интегрированной коллекторной системы могут иметь относительно небольшую площадь основания, таким образом снижая дополнительное загромождение пространства, которое уже может быть загружено оборудованием для выполнения гидроразрыва. Кроме того, интегрированная коллекторная система может помочь упростить работу по операциям гидроразрыва. В частности, за счет размещения многочисленных компонентов, например, нескольких IPX и коллекторов, на одном прицепе, можно уменьшить сложность работы и подключения интегрированной коллекторной системы к другим компонентам, используемым при выполнении гидроразрыва. Иными словами, количество трейлеров или платформ, связанных с компонентами интегрированной коллекторной системы, можно свести к одному прицепу. Таким образом, использование изобретения может увеличить уровни добычи углеводородов при выполнении гидроразрыва пластов при одновременном снижении расходов, связанных с такими работами.

На Фиг. 1 представлен разобранный вид варианта выполнения ротационного IPX 20, который может быть модифицирован для использования при работе с вязкими и/или абразивными флюидами, например, жидкостями разрыва. Как используется в данном изобретении, изобарический обменник давления (IPX) можно, в целом, определить как устройство, которое передает давление флюида между входящим потоком с высоким давлением и входящим потоком с низким давлением с эффективностью более примерно 50%, 60%, 70% или 80%, без использования центробежных технологий. В данном контексте высокое давление означает давление, большее, чем низкое давление. Входящий в IPX поток низкого давления может быть подвергнут воздействию давления, и может выходить из IPX под более высоким давлением (например, с давлением выше, чем у входящего потока низкого давления), а давление входящего потока высокого давления может быть снижено, и такой поток высокого давления выходит из IPX под более низким давлением (например, с давлением ниже, чем у входящего потока высокого давления). Кроме того, IPX может работать с флюидом высокого давления, непосредственно прилагая силу для повышения давления для флюида низкого давления, с использованием или без использования сепаратора между флюидами. Примеры сепараторов флюидов, которые могут быть использованы с IPX, включают в себя, помимо прочего, поршни, мембраны, перегородки и тому подобное. В некоторых вариантах осуществления изобретения изобарические обменники давления могут быть ротационными устройствами. Ротационные изобарические обменники давления (IPX) 20, например, изготовленные компанией Energy Recovery, Inc., Сан-Леандро, штат Калифорния, могут не иметь отдельных клапанов, так как эффективное запорно-регулирующее действие осуществляется внутри устройства за счет относительного движения ротора относительно концевых крышек, как более подробно описано ниже со ссылками на Фиг. 1-5. Ротационные IPX могут быть спроектированы для работы с внутренними поршнями для изолирования флюидов и передачи давления с небольшим смешиванием входящих потоков флюидов. Возвратно-поступательные IPX могут иметь поршень, движущийся назад и вперед в цилиндре для передачи давления между потоками флюидов. Любой один или несколько IPX могут быть использованы в изобретении, например, помимо прочего, ротационные IPX, возвратно-поступательные IPX или любые их комбинации. Хотя описание некоторых вариантов интегрированной коллекторной системы может относиться к ротационным IPX, следует понимать, что вместо ротационных IPX в любом из раскрытых вариантов может быть использован любой один или несколько IPX. Кроме того, IPX может быть расположен на платформе отдельно от других компонентов системы обработки флюида, что может быть желательно в ситуациях, когда IPX добавляют к существующей системе обработки флюида.

В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг. 1, ротационный IPX 20 может включать в себя в целом цилиндрическую корпусную часть 40, которая включает в себя кожух 42 и ротор 44. Ротор 44 может быть использован вместе с интегрированной коллекторной системой, как более подробно описано ниже со ссылками на Фиг. 6-9. Ротационный IPX 20 также может включать в себя две концевые структуры 46 и 48, которые включают в себя коллекторы 50 и 52, соответственно. Коллектор 50 имеет входное и выходное отверстия 54 и 56, а коллектор 52 имеет входное и выходное отверстия 60 и 58. Например, во входное отверстие 54 может поступать первый флюид высокого давления, а выходное отверстие 56 может быть использовано для вывода первого флюида низкого давления из IPX 20. Аналогичным образом, во входное отверстие 60 может поступать второй флюид низкого давления, а выходное отверстие 58 может быть использовано для вывода второго флюида высокого давления из IPX 20. Концевые структуры 46 и 48 включают в себя в целом плоские концевые пластины 62 и 64, соответственно, расположенные внутри коллекторов 50 и 52, соответственно, и приспособленные для герметизирующего жидкостного контакта с ротором 44. Ротор 44 может быть цилиндрическим, может быть расположен в кожухе 42 и установлен с возможностью вращения вокруг продольной оси 66 ротора 44. Ротор 44 может иметь несколько каналов 68, проходящих по существу в продольном направлении через ротор 44 с отверстиями 70 и 72 на каждом конце, расположенными симметрично относительно продольной оси 66. Отверстия 70 и 72 ротора 44 выполнены с возможностью гидравлического сообщения с концевыми пластинами 62 и 64 и входным и выходным отверстиями 74 и 76, а также 78 и 80, таким образом, что при вращении они попеременно гидравлически направляют жидкость под высоким давлением и жидкость под низким давлением в соответствующие коллекторы 50 и 52. Входные и выходные отверстия 54, 56, 58 и 60 коллекторов 50 и 52 образуют по меньшей мере одну пару отверстий для жидкости под высоким давлением на одном концевом элементе 46 или 48 и по меньшей мере одну пару отверстий для жидкости под низким давлением в противоположном концевом элементе 48 или 46. Концевые пластины 62 и 64 и входное и выходное отверстия 74 и 76, а также 78 и 80 выполнены с перпендикулярными поперечными сечениями потока в виде дуг или сегментов круга.

Что касается IPX 20, то оператор установки контролирует степень смешивания между первым и вторым флюидами, что может быть использовано для улучшения работоспособности системы работы с флюидами. Например, варьируя пропорции первого и второго флюидов, входящих в IPX 20, оператор установки может контролировать степень смешивания флюидов внутри системы. Три характеристики IPX 20, влияющие на смешивание: аспектное соотношение каналов 68 ротора, короткая продолжительность воздействия между первым и вторым флюидами, а также создание жидкостного барьера (например, границы раздела) между первым и вторым флюидами в каналах 68 ротора. Во-первых, каналы 68 ротора, как правило, длинные и узкие, что стабилизирует поток в IPX 20. Кроме того, первый и второй флюиды могут перемещаться по каналам 68 в поршневом режиме потока с очень маленьким осевым смешиванием. Во-вторых, в некоторых вариантах выполнения, при скорости вращения ротора около 1200 оборотов в минуту время контакта между первым и вторым флюидами может составлять приблизительно менее 0,15 секунды, 0,10 секунды или 0,05 секунды, что также ограничивает смешивание потоков 18 и 30. В-третьих, небольшая часть канала 68 ротора использована для обмена давления между первым и вторым флюидами. Таким образом, некоторый объем флюида остается в канале 68 в качестве барьера между первым и вторым флюидами. Все эти механизмы могут ограничивать смешивание внутри IPX 20.

Кроме того, поскольку IPX 20 выполнен с возможностью взаимодействия с первым и вторым флюидами, некоторые компоненты IPX 20 могут быть изготовлены из материалов, совместимых с компонентами первого и второго флюидов. Кроме того, некоторые компоненты IPX 20 могут быть выполнены физически совместимыми с другими компонентами системы работы с флюидом. Например, отверстия 54, 56, 58 и 60 могут содержать фланцевые соединители для обеспечения совместимости с другими фланцевыми соединителями, присутствующими в трубопроводах системы. В других вариантах выполнения отверстия 54, 56, 58 и 60 могут содержать резьбовые или другие типы соединителей.

На Фиг. 2-5 представлены разобранные виды варианта выполнения ротационного IPX 20, показывающие последовательность положений единственного канала 68 в роторе 44 при прохождении каналом 68 полного цикла вращения, эти виды помогают понять функционирование ротационного IPX 20. Следует отметить, что Фиг. 2-5 представляют собой упрощенные изображения ротационного IPX 20, показывающие один канал 68, и канал 68 показан имеющим круглую форму поперечного сечения. В других вариантах выполнения ротационный IPX 20 может включать в себя несколько каналов 68 (например, от 2 до 100) с различными формами поперечного сечения. Таким образом, Фиг. 2-5 представляют собой упрощенные изображения в целях иллюстрации, и другие варианты выполнения ротационного IPX 20 могут иметь конфигурации, отличные от представленных на Фиг. 2-5. Как подробно описано ниже, ротационный IPX 20 облегчает гидравлический обмен давления между двумя жидкостями за счет их мгновенного контакта во вращающейся камере. В некоторых вариантах выполнения этот обмен происходит с высокой скоростью, что приводит к очень высокой эффективности с очень небольшим смешиванием жидкостей.

На Фиг. 2 отверстие 70 канала гидравлически сообщается с отверстием 76 в концевой пластине 62 и, следовательно, с коллектором 50 в первом поворотном положении ротора 44, а противоположное отверстие 72 канала гидравлически сообщается с отверстием 80 в концевой пластине 64, и, таким образом, гидравлически сообщается с коллектором 52. Как будет описано ниже, ротор 44 вращается в направлении по часовой стрелке, указанном стрелкой 81. Как показано на Фиг. 2, второй флюид 83 низкого давления проходит через концевую пластину 64 и входит в канал 68, где он выталкивает первый флюид 85 из канала 68 и через концевую пластину 62, таким образом выходя из ротационного IPX 20. Первый и второй флюиды 83 и 85 контактируют друг с другом на границе раздела 87, где из-за короткой продолжительности контакта происходит минимальное смешивание жидкостей. Граница раздела 87 представляет собой поверхность раздела прямого контакта, так как второй флюид 83 напрямую контактирует с первым флюидом 85.

На Фиг. 3 канал 68 повернулся по часовой стрелке по дуге приблизительно на 90 градусов, и выходное отверстие 72 теперь перекрыто между отверстиями 78 и 80 концевой пластины 64, и выходное отверстие 70 канала 68 расположено между отверстиями 74 и 76 концевой пластины 62 и, таким образом, заблокировано от гидравлического сообщения с коллектором 50 концевой структуры 46. Таким образом, второй флюид 83 низкого давления находится в канале 68.

На Фиг. 4 канал 68 повернулся приблизительно на 180 градусов по дуге из положения, показанного на Фиг. 2. Отверстие 72 гидравлически сообщается с отверстием 78 в концевой пластине 64 и гидравлически сообщается с коллектором 52, а отверстие 70 канала 68 гидравлически сообщается с отверстием 74 концевой пластины 62 и с коллектором 50 концевой структуры 46. Жидкость в канале 68, которая была под давлением коллектора 52 концевой структуры 48, передает это давление на концевую структуру 46 через выходное отверстие 70 и отверстие 74, и ее давление сравнивается с давлением коллектора 50 концевой структуры 46. Таким образом, первый флюид 85 высокого давления повышает давление второго флюида 83 и вытесняет его.

На Фиг. 5 канал 68 повернут приблизительно на 270 градусов по дуге из положения, показанного на Фиг. 2, а отверстия 70 и 72 канала 68 находятся между отверстиями 74 и 76 концевой пластины 62 и между отверстиями 78 и 80 концевой пластины 64. Таким образом, первый флюид 85 высокого давления находится в канале 68. Когда канал 68 поворачивается приблизительно на 360 градусов по дуге из положения, показанного на Фиг. 2, второй флюид 83 вытесняет первый флюид 85, перезапуская цикл.

На Фиг. 6 представлено схематическое изображение варианта выполнения интегрированной коллекторной системы 82, имеющей несколько ротационных IPX 20 (например, от 4 до 20), которая может быть использована при операциях гидроразрыва. Интегрированная коллекторная система интегрирована за счет нескольких ротационных IPX 20, соединенных друг с другом через один или несколько коллекторов (например, от 2 до 20 сегментов труб, трубок, трубопроводов и т.д., соединенных друг с другом) в один агрегат, расположенный на платформе или прицепе, которые можно легко транспортировать к месту выполнения гидроразрыва и обратно. В некоторых вариантах выполнения коллекторы также могут включать в себя клапаны и другие компоненты, например, датчики. Каждый коллектор может относиться к отдельному флюиду, например, воде или жидкости разрыва, как подробно описано ниже. Хотя в последующем описании используют термин «вода», в некоторых вариантах выполнения вместо воды может быть использован любой чистый флюид (например, флюид, по существу не содержащий мусора или твердых веществ или по существу содержащий меньшее количество мусора или твердых веществ, чем жидкость разрыва). В некоторых вариантах вода также может быть указана как «реагент на водной основе». Чистый флюид также может представлять собой вещество, именуемое в этой отрасли как линейный, перекрестно-сшитый или гибридный гель, который может быть на водной или масляной основе. В некоторых вариантах осуществления изобретения вода может сочетаться с одним или несколькими из следующих веществ: масло, кислота и гелеобразующее вещество. Кроме того, хотя в последующем описании используют термин «жидкость разрыва», в некоторых вариантах осуществления изобретения вместо жидкости разрыва может быть использована любой флюид, используемый при добыче нефти и газа. Хотя в последующем описании основное внимание уделяется использованию интегрированной коллекторной системы 82 для гидравлического разрыва пластов, некоторые варианты выполнения интегрированной коллекторной системы 82 могут быть использованы для аналогичного применения в других операциях по добыче нефти и газа, горнодобывающей промышленности и т.д. Как показано на Фиг. 6, несколько ротационных IPX 20 (обозначены горизонтальными точками) могут быть размещены в интегрированной коллекторной системе 82, которая может включать в себя один или несколько коллекторов 84 для работы с водой и/или жидкостью разрыва, как подробно описано ниже. В частности, каждый из ротационных IPX 20 может передавать давление от чистого флюида (например, воды) к жидкости разрыва (например, смеси воды, химикатов и проппанта). Интегрированная коллекторная система 82 может быть соединена с различными компонентами оборудования для работ по гидравлическому разрыву пластов. Например, жидкость разрыва 86 (например, первый флюид) и вода 88 (например,