устройство и способ для гидратации геля, предназначенного для использования в подземной скважине

Формула изобретения

1. Устройство для гидратации гелевых частиц для использования в подземной скважине, содержащее смеситель, имеющий корпус, образующий внутреннюю камеру, подвод для основной текучей среды, соединенный с корпусом и способный направлять основную текучую среду во внутреннюю камеру корпуса, подвод для гелевых частиц, соединенный с корпусом и способный направлять гелевые частицы во внутреннюю камеру, отвод, соединенный с корпусом и способный направлять гидратированный гель из корпуса, при этом подвод основной текучей среды расположен по меньшей мере частично внутри отвода, рабочее колесо, расположенное в корпусе и имеющее множество лопаток, проходящих радиально наружу от ступицы и предназначеных для вращения вокруг ступицы с созданием центробежного потока.

2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее питатель для подачи гелевых частиц, соединенный с подводом для гелевых частиц для подачи гелевых частиц в устройство.

3. Устройство по п.2, в котором питатель для подачи гелевых частиц дополнительно содержит систему дозирования подачи.

4. Устройство по п.1, в котором смеситель содержит центробежный насос.

5. Устройство по п.1, в котором смеситель способен использовать силу тяжести для втягивания гелевых частиц в смеситель.

6. Устройство по п.1, дополнительно содержащее средство для предварительного увлажнения, соединенное с подводом для гелевых частиц.

7. Устройство по п.1, в котором подвод для гелевых частиц расположен над корпусом в процессе работы устройства.

8. Устройство по п.6, в котором подвод для гелевых частиц расположен соосно со ступицей рабочего колеса.

9. Устройство по п.1, в котором подвод для основной текучей среды тангенциально подсоединен к корпусу.

10. Устройство по п.1, в котором подвод для основной текучей среды соединен с боковой стороной корпуса.

11. Устройство по п.1, дополнительно содержащее другой подвод для основной текучей среды, соединенный с корпусом.

12. Способ гидратации гелевых частиц для обработки подземной скважины, содержащий следующие стадии:

направление основной текучей среды через подвод во внутреннюю камеру смесителя, имеющего расположенное в нем рабочее колесо с множеством лопаток, отходящих от ступицы в радиальном направлении;

вращение лопаток рабочего колеса вокруг ступицы с созданием при этом центробежного потока основной текучей среды;

подачу гелевых частиц в смеситель;

перемешивание гелевых частиц с основной текучей средой с образованием гидратированного геля;

выпуск гидратированного геля через отвод из смесителя, при этом подвод основной текучей среды расположен по меньшей мере частично внутри отвода.

13. Способ по п.12, дополнительно содержащий стадию подачи гелевых частиц в смеситель в осевом направлении.

14. Способ по п.12, дополнительно содержащий стадию расположения смесителя таким образом, что рабочее колесо располагается по существу горизонтально и лопатки рабочего колеса вращаются вокруг по существу вертикальной оси.

15. Способ по п.14, дополнительно содержащий стадию использования силы тяжести для втягивания гелевых частиц в смеситель.

16. Способ по п.12, дополнительно содержащий дозирование подачи гелевых частиц в смеситель.

17. Способ по п.12, дополнительно содержащий предварительное увлажнение гелевых частиц.

18. Способ по п.12, дополнительно содержащий примешивание к основной текучей среде, по меньшей мере, одного агента для обработки геля.

19. Способ по п.12, дополнительно содержащий примешивание к гидратированному гелю, по меньшей мере, одного агента для обработки геля.

20. Способ по п.12, дополнительно содержащий направление гидратированного геля в сборный резервуар.

21. Способ по п.12, в котором основная текучая среда представляет собой текучую среду на основе воды.

22. Способ по п.12, дополнительно содержащий стадию обработки скважины с использованием гидратированного геля.

23. Способ по п.12, дополнительно содержащий стадию гидравлического разрыва скважины с использованием гидратированного геля.

24. Способ по п.12, в котором основную текучую среду направляют в смеситель тангенциально.

25. Способ по п.12, в котором основную текучую среду направляют в смеситель от нескольких источников.

26. Способ по п.12, в котором выполняют покрытие гелевых частиц.

27. Способ по п.12, в котором на частицы геля наносят покрытие, задерживающее гидратацию.

28. Способ по п.12, дополнительно содержащий добавление агента для обеспечения взвешенного состояния.

29. Способ по п.19, в котором обрабатывающий агент содержит поперечные связи.

30. Способ по п.19, в котором обрабатывающий агент содержит разрушитель.

31. Способ по п.12, в котором смеситель представляет собой центробежный насос.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к перемешиванию гелевого агента и гидратационного агента для формирования гидратированного геля, например гидратированного геля, предназначенного для гидравлического разрыва, или другого подобного геля, а точнее к способу и системе для более эффективной гидратации таких гелей без формирования при этом нежелательных гелевых комков.

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для достижения некоторых целей многие виды обработок и процессов в нефтяной промышленности осуществляют посредством использования текучих сред, обладающих высокой вязкостью. Например, в нефтяной промышленности обладающие высокой вязкостью текучие среды или гели на водной основе, предназначенные для обработки скважин, используют для проведения обработки, позволяющей увеличить добычу углеводородов из подземных формаций, например, посредством создания разрывов в формации. Обладающие высокой вязкостью текучие среды на водной основе обычно также используют в процессе завершения скважин. Например, в течение завершения скважины обладающую высокой вязкостью текучую среду на водной основе, которая имеет высокую плотность, вводят в скважину для сохранения гидростатического давления на формацию, которое выше давления, оказываемого текучими средами, находящимися в формации, предотвращая таким образом прохождение текучих сред формации в буровую скважину. Обладающие высокой вязкостью обрабатывающие текучие среды, например разрывающие гели, обычно изготавливают посредством использования сухих гелевых добавок или агентов, которые смешивают с водой или с другими текучими средами на основе воды в месте ведения работ. Таким процессам перемешивания свойственны некоторые проблемы, в частности в удаленных местах либо когда требуются большие объемы. Например, необходимо специальное оборудование для перемешивания сухих добавок с водой, поэтому возникают такие проблемы как химическое пыление, неравномерное перемешивание и образование комков. Образование комков гелей, происходящее вследствие начального контакта геля с водой, приводит к весьма быстрой гидратации наружного слоя частиц, создающей липкий, резинообразный наружный слой, который препятствует контакту с водой внутренних частиц. Результирующий эффект заключается в формировании того, что называют «гелевыми шариками» или «рыбьими глазами». Это ухудшает эффективность вследствие понижения вязкости, достигаемой на фунт гелеобразующего агента, а также вследствие создания нерастворимых частиц, которые могут ограничить поток как в формацию скважины, так и назад из нее. Таким образом, простое перемешивание необработанного геля непосредственно с водой не следует считать весьма эффективным способом приготовления однородного геля, не содержащего комков.

Способ, служащий для решения этой проблемы, состоит в контроле за размером частиц и в выполнении поверхностной обработки геля для его модификации. Желательно обеспечить достаточно продолжительную задержку гидратации отдельных частиц геля для их диспергирования и окружения водой, так чтобы внутри загущенного покрытия не были захвачены сухие частицы. Это может быть достигнуто посредством покрытия геля такими материалами, как борнокислые соли, глиоксаль, не образующая комков гидроксиэтиленцеллюлоза, сульфосукцинат, металлические мыла, поверхностно-активные вещества, и другими материалами с противоположным поверхностным зарядом по отношению к гелю. Использование стабилизированной гелевой суспензии, также называемой жидким гелевым концентратом, представляет собой самый обычный способ повышения эффективности добавления геля к воде и получения максимальной отдачи от геля. Жидкий гелевый концентрат предварительно перемешивают и затем добавляют к воде. В патенте США №4336145, принадлежащем правопреемнику настоящего изобретения и введенном сюда для достижения всех предполагаемых целей, раскрыт жидкий гелевый концентрат, содержащий воду, гель и ингибитор, обладающий свойством обратимого вступления в реакцию с гидратируемым гелем способом, при котором скорость гидратации геля будет замедлена. При изменении параметра рН концентрата, например посредством разжижения концентрата или добавления к нему буферного агента, при увеличении температуры концентрата или при изменении других выбираемых параметров концентрата реакция замедления будет обратной, и гель или гели будут подвергнуты гидратации для получения желаемой текучей среды с повышенной вязкостью. Это обращение торможения гидратации гелеобразующего агента в концентрате может быть осуществлено непосредственно в концентрате или позднее, когда концентрат будет объединен с добавляемой водой. Жидкий гелевый концентрат Briscoe на основе воды обеспечивает удовлетворительную работу с исключением при этом гелевых шариков, и его согласно установившейся практике все еще используют в промышленности. Однако в водных концентратах во взвешенном состоянии может находиться только ограниченное количество геля вследствие физического разбухания и повышения вязкости, которые происходят в среде на основе воды. Обычно в галлоне (3,78 л) концентрата во взвешенном состоянии может находиться примерно 0,8 фунта (0,36 кг) геля.

Для решения этой проблемы используют углеводородную несущую текучую среду, а не воду, поскольку при этом может быть обеспечено большее количество твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии. Например, когда носителем является дизельное топливо, во взвешенном состоянии может находиться примерно до пяти фунтов (2,25 кг) на галлон (3,78 л). Такой жидкий гелевый концентрат раскрыт в патенте США №4722646 на имя Harms и Norman, принадлежащем правопреемнику настоящего изобретения и включенном сюда для достижения всех поставленных целей. Такие жидкие гелевые концентраты на основе углеводорода действуют вполне удовлетворительно, но требуют наличия агента для обеспечения взвешенного состояния, например органофильной глины или определенных полиакрилатных агентов. Жидкие гелевые концентраты на основе углеводорода далее перемешивают с водой способом, подобным способу для жидких гелевых концентратов на водной основе, для получения текучей среды с повышенной вязкостью, однако концентраты на основе углеводорода обладают преимуществом, заключающимся в удерживании большего количества геля.

Проблема, касающаяся известных способов использования жидких гелевых концентратов, возникает в местах бурения морских скважин. Обслуживающие суда, используемые для поставок к местам нахождения морских скважин, имеют ограниченную вместимость и поэтому должны часто возвращаться в порт за добавочным количеством концентрата, перед тем как они смогут выполнить дополнительные работы, даже если жидкий гелевый концентрат представляет собой концентрат на основе углеводорода. Поэтому было бы желательно обеспечить возможность смешивания состоящего из сухих ингредиентов геля, требуемого для обработки скважины, в течение обработки подземной формации. Такая система с оперативным доступом может, например, удовлетворять требованиям обеспечения потока текучей среды для значительных работ по выполнению гидравлического разрыва в течение разрыва подземной формации посредством перемешивания геля, требуемого для осуществления разрыва.

Один из вариантов способа и системы для требуемого перемешивания геля, служащего для выполнения гидравлического разрыва, раскрыт в патенте США №4828034 на имя Constien и др., введенном сюда посредством ссылки на него, согласно которому концентрат суспензии разрывающей текучей среды перемешивают посредством статического перемешивающего устройства на основе реального времени для создания полностью гидратированной разрывающей текучей среды в течение выполнения операции гидравлического разрыва. В этом процессе используют гидрофобный растворитель, который отличается углеводородом, например дизельным топливом, как и в описанном выше жидком гелевом концентрате на основе углеводорода. Такой концентрат суспензии обычно предполагает гелевую суспензию, в которой гидратируемый гель рассеивается в гидрофобном растворителе в сочетании с агентом для обеспечения взвешенного состояния и с поверхностно-активным веществом при наличии других произвольных добавок, обычно используемых в случае обработки скважин, либо без таких добавок. Вследствие свойственной гидратируемому гелю дисперсии в текучих средах на основе нефти (то есть из-за недостаточного сродства друг с другом), для таких концентратов суспензии разрывной текучей среды характерны исключение комкообразования и проблем преждевременного гелеобразования, а также оптимизация начальной дисперсии при добавлении к воде. Однако главным образом в последнее время возникли некоторые проблемы, касающиеся жидких гелевых концентратов на основе углеводородов, поскольку некоторые операторы скважин возражают против наличия этих текучих сред, например дизельного топлива, даже если углеводород составляет относительно небольшое количество от общего количества разрывающего геля, когда гель перемешан с водой. Также имеются проблемы, касающиеся окружающей среды и связанные с очисткой от гелей для обработки скважин, содержащих углеводороды, и с удалением таких гелей. Кроме того, дизельное топливо, поверхностно-активные вещества, агенты для обеспечения взвешенного состояния и другие добавки повышают стоимость текучей среды, предназначенной для обработки скважин, не говоря о стоимости транспортирования этих материалов к месту нахождения скважины и от него. Эти проблемы, касающиеся углеводородов, также применимы к процессу Constien.

Другая проблема, связанная с некоторыми известными способами гидратирования гелей, заключается в том, что гелеобразующий агент должен быть последовательно перемешан в сборных резервуарах за значительный промежуток времени, чтобы произошла гидратация гелеобразующего агента, особенно в случае использования разрывающих текучих сред на основе воды, включающих в себя студенистый и полисахаридный гелеобразующий агент с поперечными связями.

Соответственно, имеется необходимость в создании процесса, требуемого для исключения проблем, касающихся окружающей среды, и возражений, связанных с концентратами на основе углеводородов, и в создании более эффективных способов, в случае которых при приготовлении обрабатывающих текучих сред в этих средах не должны быть применены концентраты на основе углеводородов, такие как жидкие гелевые концентраты. В патенте 5190374 на имя Harms и др., который в целях этого описания введен сюда посредством ссылки на него и который принадлежит правопреемнику настоящего изобретения, раскрыты способ и устройство для непрерывного производства разрывающего геля, но без использования углеводородов или агентов для обеспечения взвешенного состояния, посредством подачи сухого полимера в смеситель с осевым потоком, в котором используют высокую энергию перемешивания для увлажнения полимера в течение его первоначального контакта с водой. После первоначального перемешивания в смеситель добавляют дополнительное количество воды для увеличения объема производимой таким образом суспензии из воды и полимера. Согласно Harms на входе для полимера или твердых частиц в смесителе, распыляющем воду, обеспечивают заданное количество гидратируемого полимера фактически в виде частиц. К подводу смесителя, предназначенному для воды, подают поток воды, при этом в смесителе перемешивают воду и полимер, для формирования смеси из воды и полимера перед ее выпуском из смесителя. Предпочтительно, чтобы смеситель был установлен вблизи верхней части смесительного или первичного резервуара, причем в смесительном резервуаре может быть установлена мешалка для дополнительного перемешивания и взбалтывания суспензии. Суспензия может быть перемещена из смесительного резервуара в сборный резервуар или вспомогательный резервуар, из которого ее выпускают для выполнения процесса гидравлического разрыва. В сборном резервуаре может быть расположено интенсивно действующее сдвиговое устройство. Может быть использован насос для перемещения суспензии из смесительного резервуара к сборному резервуару.

Хотя указанный патент раскрывает работающую в оперативном режиме смесительную систему, которая может быть использована с необработанными и непокрытыми полимерами, на практике в отношении смесительной системы, предложенной Harms, возникают проблемы. Например, брызги порошка внутри смесителя прилипают к стенкам смесителя и скапливаются, в итоге уменьшая просвет для прохождения потока через смеситель. Последующее открывание отверстий для воды в группе из шести отверстий не обеспечивает удовлетворительное увлажнение порошка при низких скоростях потока и делает возможным прохождение неувлажненного порошка. Другую проблему создает вовлечение воздуха в текучую среду, перемешиваемую в смесителе, который ухудшает способность насоса удовлетворительным образом нагнетать смесь из смесителя. Еще одна проблема заключается в создании дополнительного выхода насоса в сборный резервуар. Вовлекаемый воздух вынуждает использовать совместно с системой деаэрационные химикаты. Еще одна проблема заключается в недостаточности контролируемого пути прохождения потока и, следовательно, в недостаточном времени гидратации, происходящей в сборном резервуаре, то есть, гидратирующая суспензия может создавать непредсказуемые каналы для прохождения потока через резервуар, что приводит к неравномерному времени нахождения частей суспензии в резервуаре. Еще одна проблема заключается в значительном времени запаздывания (5-10 минут), связанном с изменением вязкости геля, выпускаемого из сборного резервуара, то есть способом изменения вязкости геля является только изменение отношения порошка к воде в смесителе, и, следовательно, текучая среда с «измененной» вязкостью должна вытеснить текучую среду и гель между смесителем и отводом из сборного резервуара перед изменением вязкости у отвода из этого резервуара.

Устройство и способ для непрерывного гидратирования сыпучего полимера и создания геля для обработки скважин раскрыты в патенте США №5382411 на имя Allen, который введен сюда посредством ссылки на него для достижения всех предполагаемых целей. Согласно этому патенту смеситель применяют для распыления полимера совместно с водой фактически при постоянной скорости воды и постоянной форме распыления для различных расходов воды. Центробежный диффузорный аппарат получает смесь и осуществляет пассивное преобразование движения смеси, отделяя при этом воздух от смеси.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для эффективной гидратации гелевых частиц, свободных от вышеописанных недостатков известных решений.

Согласно изобретению создано устройство для гидратации гелевых частиц для использования в подземной скважине, содержащее смеситель, имеющий корпус, образующий внутреннюю камеру, подвод для основной текучей среды, соединенный с корпусом и способный направлять основную текучую среду во внутреннюю камеру корпуса, подвод для гелевых частиц, соединенный с корпусом и способный направлять гелевые частицы во внутреннюю камеру, отвод, соединенный с корпусом и способный направлять гидратированный гель из корпуса, при этом подвод основной текучей среды расположен по меньшей мере частично внутри отвода, рабочее колесо, расположенное в корпусе и имеющее множество лопаток, проходящих радиально наружу от ступицы и предназначеных для вращения вокруг ступицы, создавая таким образом центробежный поток.

Устройство может дополнительно содержать питатель для подачи гелевых частиц, соединенный с подводом для гелевых частиц для подачи гелевых частиц в устройство. Питатель для подачи гелевых частиц может дополнительно содержать систему дозирования подачи.

Смеситель может содержать центробежный насос.

Смеситель может использовать силу тяжести для втягивания гелевых частиц в смеситель.

Устройство может дополнительно содержать средство для предварительного увлажнения, соединенное с подводом для гелевых частиц.

Подвод для гелевых частиц может быть расположен над корпусом в процессе работы устройства. Подвод для гелевых частиц может совпадать по оси со ступицей рабочего колеса.

Подвод для основной текучей среды может быть тангенциально подсоединен к корпусу или соединен с боковой стороной корпуса.

Устройство может дополнительно содержать другой подвод для основной текучей среды, соединенный с корпусом.

Согласно изобретению создан способ гидратации гелевых частиц для обработки подземной скважины, содержащий следующие стадии:

направление основной текучей среды через подвод во внутреннюю камеру смесителя, имеющего расположенное в нем рабочее колесо с множеством лопаток, отходящих от ступицы в радиальном направлении;

вращение лопаток рабочего колеса вокруг ступицы с созданием при этом центробежного потока основной текучей среды;

подачу гелевых частиц в смеситель;

перемешивание гелевых частиц с основной текучей средой, создавая при этом гидратированный гель;

выпуск гидратированного геля через отвод из смесителя, при этом подвод основной текучей среды расположен по меньшей мере частично внутри отвода.

Способ может дополнительно содержать стадию подачи гелевых частиц в смеситель в осевом направлении, стадию расположения смесителя таким образом, что рабочее колесо располагается по существу горизонтально, и лопатки рабочего колеса вращаются вокруг по существу вертикальной оси, стадию использования силы тяжести для втягивания гелевых частиц в смеситель, дозирование подачи гелевых частиц в смеситель, предварительное увлажнение гелевых частиц, примешивание к основной текучей среде, по меньшей мере, одного агента для обработки геля, примешивание к гидратированному гелю, по меньшей мере, одного агента для обработки геля, направление гидратированного геля в сборный резервуар.

Основная текучая среда может представлять собой текучую среду на основе воды.

Способ может дополнительно содержать стадию обработки скважины, используя гидратированный гель, или стадию гидравлического разрыва скважины, используя гидратированный гель.

Основную текучую среду можно направлять в смеситель тангенциально.

Основную текучую среду можно направлять в смеситель от нескольких источников.

В способе можно выполнять покрытие гелевых частиц.

На частицы геля можно наносить покрытие, задерживающее гидратацию.

Способ может дополнительно содержать добавление агента для обеспечения взвешенного состояния.

Смеситель может представлять собой центробежный насос.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Прилагаемые чертежи введены в описание и формируют его часть для иллюстрации некоторых примеров согласно настоящему изобретению. Эти чертежи совместно с описанием служат для разъяснения принципов изобретения. Чертежи приведены только в целях иллюстрации предпочтительных и альтернативных примеров того, как может быть осуществлено и использовано изобретение, при этом не следует считать, что изобретение ограничено только представленными и описанными примерами. Различные преимущества и отличительные признаки настоящего изобретения будут очевидны при рассмотрении чертежей, на которых изображено следующее:

фигура 1 представляет боковой вид в поперечном сечении известного эдуктора, используемого для перемешивания и гидратирования геля вне места нахождения буровой скважины;

фигура 2А представляет перспективный вид варианта осуществления конструкции устройства согласно изобретению;

фигура 2В представляет вертикальную проекцию одного из вариантов осуществления устройства с вырезом;

фигура 3 представляет увеличенный схематический боковой вид варианта осуществления конструкции частично завершенного устройства согласно настоящему изобретению, содержащей центробежный насос;

фигура 4 представляет график зависимости от времени, измеряемого в минутах, гидратации в процентах для одного типа геля, гидратируемого с использованием разных смесителей;

фигура 5 представляет график зависимости от времени, измеряемого в минутах, гидратации в процентах большого количества гелей;

фигура 6 представляет схему последовательности выполнения одного из вариантов способа гидравлического разрыва подземной формации согласно принципам настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение пригодно для получения гелевой текучей смеси, используемой для гидравлического разрыва подземной формации, и позволяет избежать формирования гелевых шариков и «рыбьих глаз». В случае известных технических решений вследствие того, что гели имеют фиксированную скорость гидратации при заданной температуре, они не способны повсеместно перемешиваться без использования материалов, предназначенных для замедления скорости гидратации геля, чтобы обеспечить достаточное время для рассеивания гелевых частиц и предотвращения образования гелевых шариков или «рыбьих глаз». Как упомянуто выше, такие материалы включают поверхностно-активные вещества, агенты для обеспечения взвешенного состояния, жидкие гелевые концентраты и покрытия, замедляющие гидратацию. В настоящем изобретении возможно использование не покрытого (не подвергнутого поверхностной обработке) сыпучего гелеобразующего агента для формирования гелевой текучей смеси. При этом обеспечен более простой и менее дорогостоящий процесс, а сами материалы также будут дешевле, поскольку сырьевые гелеобразующие агенты менее дороги, чем покрытые или обработанные материалы.

Настоящее изобретение описано со ссылками на чертежи, демонстрирующие один или несколько примеров осуществления и использования изобретения. На некоторых видах согласно этим чертежам используют номера позиций для указания подобных или соответствующих друг другу деталей.

На фигуре 1, относящейся к известному уровню техники, представлен боковой вид в поперечном сечении обычного эдуктора, используемого для перемешивания гелевых порошков с основной текучей средой и их гидратирования вне места нахождения буровой скважины. В известных эдукторах, предназначенных для перемешивания и гидратирования гелей, устанавливают струйный насос без подвижных частей и используют движение текучей среды для создания низкого давления. Четырьмя основными деталями эдуктора, используемыми для обычного перемешивания геля, являются струйное сопло 110, диффузор 120, всасывающее отверстие 130 и смесительная камера 140. Происходит преобразование энергии давления потока текучей среды в высокую скорость, когда поток входит в сопло. Испускаемый с высокой скоростью струйный поток создает сильное всасывание внутрь смесительной камеры 140 эдуктора 100, вызывая втягивание сыпучего гелевого порошка 170 через всасывающее отверстие 130 в смесительную камеру 140. Средство 190 подачи гелевого порошка устанавливают для подачи гелевого порошка 170 к эдуктору 100. Обмен количеством движения происходит тогда, когда порошок пересекается с движущейся базовой текучей средой 160. Динамическая турбулентность между двумя компонентами создает равномерно перемешанный поток базовой текучей среды, перемещающийся со скоростью, промежуточной между высокой скоростью базовой текучей среды и скоростями всасывания через горловину с постоянным диаметром, где заканчивается перемешивание, при этом перемешанная смесь будет выпущена через выпускной канал 180. Диффузор 120 формируют таким образом, чтобы постепенно уменьшить скорость текучей среды и осуществить обратное преобразование скоростной энергии в давление, когда происходит выпуск текучей среды через канал 180.

Эффективность перемешивания в эдукторе 100 зависит от скорости потока текучей среды 160 на водной основе и от количества гелевого порошка, обеспечиваемого во всасывающем отверстии 130. Таким образом, известный эдуктор 100 должен сохранять постоянную скорость потока для поддерживания оптимальной эффективности перемешивания. Если скорость потока основной текучей среды или гелевого порошка изменяется, это приводит к снижению эффективности перемешивания. Квалифицированным специалистам в этой отрасли будет понятно, что сопло, сконструированное для оптимального расхода порядка 200 галлонов в минуту (750 л/мин), не будет выполнять эффективное перемешивание при расходе 300 галлонов в минуту (1125 л/мин) или 100 галлонов в минуту (375 л/мин). Такое снижение эффективности перемешивания происходит потому, что энергия сдвига, используемая для перемешивания гелевого порошка и основной текучей среды, изменяется как функция расхода основной текучей среды и входной скорости гелевого порошка. Поэтому такие эдукторы, как эдуктор 100, не могут быть использованы для перемешивания и гидратации гелей, требуемых по месту нахождения буровой скважины. Вместо этого разработаны другие способы перемешивания и гидратации гелевых текучих сред, обеспечивающие возможность таких изменений по ходу движения. Такие способы предполагают использование жидких гелевых концентратов для рассеивания частиц геля в смесительном резервуаре.

На фигурах 2А и В представлен вариант осуществления устройства 200 согласно принципам настоящего изобретения. Устройство 200 включает средство 240 для подачи гелевого порошка, подсоединенное к смесителю 250. Базовую текучую среду 235, например воду, подают к смесителю 250 посредством подвода 230, а перемешанный гель 265 направляют через отвод 270.

Смеситель 250 включает корпус 210, имеющий внутреннюю камеру 220. Смеситель 250 снабжают энергией от источника 255, например от двигателя. Подачу порошкообразного геля 245 в смеситель 250 осуществляют средством подачи 240 через подвод 242 для порошка. Смеситель 250 при его использовании обеспечивает всасывание и тянет порошкообразный гель 245 через подвод 242 в смесительную камеру 220. Основную текучую среду 235 подают к смесителю 250 через подвод 230. Основная текучая среда может состоять из различных текучих сред, но предпочтительно представляет собой текучую среду на основе воды. В смесителе применено рабочее колесо 215, вращающееся на ступице 260, которая вращается на оси, как, например, в центробежном насосе, создавая центробежное движение гелевого порошка и базовой текучей среды. Смеситель 250 эффективно перемешивает порошкообразный гель 245 и основную текучую среду 235 для создания гидратированной гелевой текучей среды 265, которую направляют из смесителя через отвод 270. Полученная гелевая текучая смесь 265 при желании может быть подвергнута дополнительной обработке, например, посредством использования диффузоров, сепараторов, гидратационных резервуаров и тому подобного.

Энергию для перемешивания порошкового геля и основной текучей среды обеспечивают посредством силы перемещения подвижных частей смесителя, которые входят в контакт с гелевым порошком и с основной текучей средой, приводя их в движение и создавая вихрь. В отличие от известных эдукторов подвод энергии для перемешивания не происходит посредством изменения скорости и давления текучей среды. Таким образом, представленная система предпочтительно обеспечивает большее количество изменений расхода основной текучей среды и порошкового геля по ходу выполнения работ или при возникновении таких требований. Очевидно, что существуют пределы диапазона скоростей, при которых может эффективно действовать смеситель с рабочим колесом. При некотором расходе центробежная энергия смесителя будет непомерной. Когда осуществляют обслуживание скважины с применением геля, гидратированный гель обычно подают в скважину при широком изменении скоростей. Например, вначале может быть необходим высокий расход, скажем 50 баррелей в минуту (8000 л/мин). Как только операция вышла на полный ход или почти завершена, необходимый расход может быть сокращен, причем часто фактически примерно до 2 баррелей в минуту (320 л/мин). В настоящем изобретении при необходимости будет обеспечено производство гидратированного геля в широком диапазоне скоростей. Это позволит уменьшить или исключить необходимость заполнения больших, предназначенных для хранения резервуаров гидратированным гелем до начала обслуживания скважины.

Средство 240 для подачи порошка может представлять собой средство такого типа, которое обеспечивает выпуск точно дозированного количества геля за определенное время. Может быть установлен дозирующий питатель 247, при этом он может включать в себя большой шнек или мешалку для «доведения до требуемых кондиций» или взбалтывания сухого порошка и разбиения комков гелевого порошка, которые могут прилипать друг к другу. Дозирующий питатель 247 может представлять собой питатель Acrison (зарегистрированный товарный знак), который доступен для приобретения, однако в настоящем изобретении не предполагается ограничение этим конкретным дозирующим питателем, поскольку может быть использован любой питатель, обеспечивающий выход из него точно дозированного количества сухого порошка.

Устройство 200 также может включать средство 280 для предварительного увлажнения, подсоединенное между смесителем 250 и средством 240 подачи порошка для дополнительного препятствования скапливанию гелевого порошка. Средство 280 для предварительного увлажнения включает подвод 282 для введения в него предварительно увлажняющей текучей среды, и для прохождения текучей среды оно соединено с подводом 242 для гелевого порошка и с внутренней камерой 220 смесителя 250. Средство 280 служит для предварительного увлажнения порошка и обеспечивает дополнительный источник текучей среды для увлажнения рабочих колес и других частей смесителя. В одном из вариантов осуществления конструкции средство 280 может включать сопло, которое сконструировано таким образом, чтобы обеспечивать создание вихря и хаотического турбулентного потока предварительно увлажняющей текучей среды, чтобы увлажнять, по меньшей мере, часть одного или нескольких рабочих колес увлажняющей текучей средой. Описание варианта осуществления конструкции средства 280 для предварительного увлажнения представлено в патенте США №5664733, который введен сюда посредством ссылки на него.

Другим примером средства 280, которое может быть использовано для предварительного увлажнения, по меньшей мере, части одного или нескольких рабочих колес, является радиальный предварительный смеситель или «кольцевой струйный насос». При использовании радиального предварительного смесителя в качестве средства 280 для предварительного увлажнения текучая среда под давлением создает завихрение. Материал в виде порошка вводят в центр вихря предварительно увлажняющей текучей среды. Когда происходит поглощение частиц геля предварительно увлажняющей текучей средой, центробежная сила перемещает смесь наружу от оси вихря, обеспечивая расстояние между частицами геля при развитии процесса увлажнения. Рассеивание частиц геля, вызываемое центробежным действием радиального предварительного смесителя, обеспечивает уменьшение прилипания частиц и образования комков. Таким образом, радиальный предварительный смеситель 280 действует не только для предварительного увлажнения, по меньшей мере, части одного или нескольких рабочих колес предварительно увлажняющей текучей средой, но и для увлажнения частиц геля, перед тем как частицы геля войдут в контакт с основной текучей средой и с одним или несколькими рабочими колесами смесителя 250. Квалифицированным специалистам в этой области будет понятно, что могут быть эффективно использованы различные устройства для предварительного увлажнения.

Как упомянуто выше, текучая среда для предварительного увлажнения и основная текучая среда могут быть выбраны из определенного количества текучих сред для перемешивания с гелевым порошком, таких как конденсат, дизельное топливо или вода, например, свежая вода, ненасыщенная соленая вода, рассолы, морская вода или насыщенная морская вода. К средству 280 для предварительного увлажнения может быть функционально подсоединено клапанное средство (не показано) для управления предварительно увлажняющей текучей средой, которая поступает в устройство для предварительного увлажнения. Подобным же образом, клапанное средство (не показано) может быть функционально подсоединено к подводу 230 для управления потоком базовой текучей среды, поступающей во внутреннюю камеру 220. Кроме того, могут быть использованы датчик обратной связи и компьютер для управления клапанным средством, предназначенным для средства 280, служащего для предварительного увлажнения, и для подвода 230. Подобным же образом, для управления средством 240 подачи гелевого порошка может быть использован механизм обратной связи и управления.

На фигурах 3А и 3В представлены подробные виды типичного центробежного насоса, используемого в качестве смесителя 250 совместно с подводом 230 для основной текучей среды, ведущим во внутреннюю камеру 220. Рабочее колесо 215 имеет ступицу 260, вокруг которой вращается множество лопаток 218 рабочего колеса, направляя таким образом поток текучей среды. Гелевый порошок 245 вводят во внутреннюю камеру 220 через подвод 242. Гель может находиться в виде сухого порошка или предварительно увлажненного порошка. Хотя вращение рабочего колеса создает у подвода 242 для порошка слабое всасывание, порошок подают к смесителю 250 главным образом под действием силы тяжести. Рабочее колесо 215 смешивает гелевый порошок 245 и основную текучую среду 235 для формирования гелевой текучей смеси 265 или гидратированного геля без образования при этом нежелательных шариков или комков. Центробежный насос 250 при его использовании создает поток текучей среды через подвод 230 для базовой текучей среды к рабочему колесу 215 и затем наружу через отвод 270 для гелевой текучей смеси. В предпочтительном варианте осуществления конструкции диаметр подвода 242 для порошка фактически составляет 6 (152,4 мм), ширина лопаток рабочего колеса фактически составляет 11 (279,4 мм), диаметр подвода 230 для основной текучей среды фактически составляет 2 (50,8 мм), а отвод 270 для гелевой текучей смеси имеет выходной диаметр, фактически составляющий 5 (127 мм), и кольцевое пространство с размером, фактически составляющим 1,5 (38,1 мм).

На фигуре 3В представлен другой вариант осуществления конструкции смесителя. На фигуре 3А подвод 230 для базовой текучей среды, по меньшей мере, частично заключен в отводе 270 для гидратированного геля и проходит через него. Согласно фигуре 3В подвод 230 для базовой текучей среды крепят к смесителю 250 в месте, отделенном от места крепления отвода 270 для гидратированного геля к смесителю 250, обеспечивая большую пропускную способность основной текучей среды и смеси. В предпочтительном варианте осуществления конструкции диаметр подвода 230 для основной текучей среды фактически составляет 6 (152,4 мм), выпускной диаметр отвода 270 для гидратированного геля фактически составляет 12 (304,8 мм), ширина лопаток 218 рабочего колеса фактически составляет 22 (558,8 мм), а подвод для порошка имеет диаметр, фактически составляющий 12 (304,8 мм), и диаметр всасывания, фактически составляющий 14 (355,6 мм). На фигурах 3А и В представлены две возможных компоновки подвода 230 и отвода 270, однако могут быть использованы и другие конфигурации. Размеры смесителя, подвода и отвода могут быть выбраны таким образом, чтобы они отвечали требованиям, предъявляемым к выполнению конкретной работы.

Смеситель 250 предпочтительно представляет собой центробежный насос, установленный по вертикали, при этом подвод насоса обращен вверх. Обычный водяной подвод насоса используют в качестве подвода 242 для порошка. Как вариант, может быть использован второй подвод 232 для основной текучей среды. Предпочтительно, чтобы подводы 230 и 232, а также отвод 270 для смеси были прикреплены к смесителю под углом наклона так, как показано.

Хотя усовершенствованные способ и система согласно этому изобретению могут быть использованы для разнообразных обработок подземных скважин, например для гидравлического разрыва подземных формаций, формирования гравийной набивки в подземных формациях, формирования временного блокирования в скважине и в качестве вскрывающих текучих сред и текучих сред для вхождения в продуктивный пласт, они особенно пригодны для использования разрывающих текучих сред с целью образования одного или нескольких разрывов в подземной формации. При использовании в качестве разрывающей текучей среды агент с поперечными связями и расклинивающий материал обычно перемешивают с гелевой текучей средой для формирования гелевой обрабатывающей текучей среды. Гелевая текучая смесь может, например, вытекать из смесителя 250 к сборному резервуару и к смесителю для обеспечения гидравлического разрыва, который перемешивает песок, расклинивающие материалы и материалы с поперечными связями с гелевой текучей смесью. Если желательно, то для обработки гелевой смеси могут быть использованы и другие агенты, находящиеся в жидком или твердом состоянии. Гелевая текучая смесь может быть выпущена в резервуар и затем перемешана в резервуаре перед или после объединения с указанными обрабатывающими материалами. Такие устанавливаемые по потоку устройства 600 известны в этой отрасли и здесь не будут подробно обсуждены.

Устройство 200 также может включать датчик температуры для контроля температуры базовой текучей среды. Датчиком температуры может управлять механизм обратной связи. Поскольку температура влияет на скорость гидратации, повышение температуры может быть использовано для увеличения скорости гидратации гелевого агента. Более важно то, что датчик температуры может быть использован для регулирования температуры, характерной для буровой скважины. Например, некоторые буровые скважины должны быть обработаны разрывающими текучими средами, которые нагревают до 120°F (49°С), а другие - разрывающими текучими средами, которые доводят до температуры порядка 60°F (16°C). Обычно температуру гелевой текучей среды регулируют позднее в процессе производства текучей среды для обработки скважин в смесительном резервуаре посредством прохождения текучей среды через нагреватель для нагревания этой текучей среды до желаемой температуры в буровой скважине. На скорость гидратации влияет температура основной текучей среды. Более высокие температуры приводят к ускоренной гидратации. Может оказаться желательным использование более нагретой основной текучей среды, причем почти до точки кипения, для увеличения скорости гидратации геля в смесителе. Поскольку основной поток базовой текучей среды обычно не направляют через смеситель, увеличение скорости гидратации у смесителя может увеличить скорость гидратации во всей гидратационной системе, как, например, показано на фиг.6.

На фигуре 4 представлена зависимость от времени, измеренного в минутах, гидратации в процентах гелевого порошка в текучей среде при 60°F (16°C). Эта зависимость позволяет сравнить гидратацию геля в случае стандартного, подвергаемого износу смесителя в лаборатории с гидратацией в системе согласно настоящему изобретению. На фигуре 4 показано, что в лабораторном смесителе гидратация происходит быстрее, чем в смесительном устройстве согласно настоящему изобретению. Эти результаты указывают на то, что устройство согласно настоящему изобретению не повышает скорость гидратации геля. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает эффективное перемешивание геля с базовой текучей средой, позволяя избежать при этом формирования гелевых шариков или «рыбьих глаз», однако система согласно настоящему изобретению не повышает скорость гидратации или скорость, при которой гель становится тесно связанным с водной базовой текучей средой или поглощает ее. Настоящее изобретение, как упомянуто выше, лишь повышает скорость перемешивания или скорость рассеивания частиц геля в основной текучей среде, чтобы избежать формирования гелевых шариков и «рыбьих глаз».

Скорость гидратации геля все же представляет собой критичный фактор, особенно в случаях непрерывного перемешивания, при которых требуемая гидратация и связанное с ней повышение вязкости должны происходить за относительно короткий промежуток времени, соответствующий времени нахождения текучих сред в процессе непрерывного перемешивания. В таких случаях гидратация представляет собой процесс, посредством которого гидратируемый гель поглощает текучую среду или становится тесно связанным с ней. Как только гель рассеян, его способность поглощения текучей среды будет определять скорость гидратации. Несколько факторов будут определять то, как быстро будет происходить гидратация геля и проявляться вязкость, и к ним относятся такие факторы как рН, уровень механического сдвига в начальной фазе перемешивания и концентрация или тип солей в растворе. Наконец, степень задержки скорости гидратации представляет собой функцию концентрации полимера. Эти принципы задержки скорости гидратации могут быть использованы совместно с настоящим изобретением для задержки скорости гидратации быстро гидратируемого геля. Предполагается, что такие материалы могут быть добавлены к гелевой текучей смеси для задержки гидратации, а также для использования принципов настоящего изобретения с целью повсеместного перемешивания геля перед гидратацией. В противоположность этому в настоящем изобретении также созданы система и способ перемешивания или рассеивания частиц геля для повсеместного перемешивания геля без использования регуляторов рН, солей и дополнительного механического сдвига, прилагаемого к системе 200.

На фигуре 5 представлена зависимость от времени, измеренного в минутах, гидратации в процентах для трех гелей в воде при температуре 60°F (16°C). Гелевые агенты, такие как Halliburton Macro Polimer (товарный знак) или иначе НМР, либо гели WG-35 и WG-22, имеют разные скорости гидратации. Гели «WG» классифицируют по вязкости, для обеспечения которой они предназначены. Гель WG-22 обеспечивает вязкость порядка 22 сантипуаз за три минуты при температуре 75°F (24°C). При подобных условиях гель WG-35 обеспечивает вязкость порядка 35 сантипуаз. Оба этих продукта являются гуаровыми продуктами, причем подобные продукты доступны для приобретения у Rhodia, Inc., Economy Polymers (товарный знак) и Benchmark Technologies, Inc. Для сравнения гелевый агент НМР был гидратирован на 80% за полминуты и на 95% за одну минуту. Гель WG-35 и гель WG-22 были гидратированы на 80% за десять минут. В настоящем изобретении предпочтительно созданы способ и система для гидратации гелей, даже гелей, традиционно трудно поддающихся перемешиванию, которые имеют высокую скорость гидратации. Когда частицы геля формируют гелевые шарики или «рыбьи глаза», трудно обеспечить повсеместное перемешивание гелевой текучей смеси. Такие быстро гидратирующиеся гели все еще используют при выполнении процессов гидравлического разрыва пластов, применяя при этом материалы, способствующие задержке гидратации, пока не произойдет рассеивание частиц геля. Упомянутые выше технологии задержки гидратации включают использование таких материалов, как поверхностно-активные вещества, жидкие гелевые концентраты и гели с покрытием (с обработкой поверхности). В настоящем изобретении создан более простой и менее дорогостоящий способ, при этом сами материалы также дешевле, поскольку сырьевые гелеобразующие агенты менее дороги, чем покрытые или обработанные материалы. Устройство согласно изобретению, в котором имеется потребность, может быть использовано в случаях нефтяных месторождений, при этом оно позволяет исключить использование обычных смесительных резервуаров большого объема, удовлетворяя требованиям прохождения потока текучей среды при выполнении процессов обработки скважин, например, при выполнении значительных работ в течение реального гидравлического разрыва подземной формации.

На фигуре 6 представлен вариант осуществления способа гидравлического разрыва подземной формации согласно принципам настоящего изобретения. Базовую текучую среду 610 и порошкообразный гель 630 направляют в устройство 620 согласно настоящему изобретению. Как упомянуто выше, устройство 620 включает внутреннюю камеру корпуса, имеющую множество лопастей, проходящих в радиальном направлении от оси и вращающихся вокруг нее, обеспечивая при этом центробежное движение основной текучей среды и геля, и таким образом перемешивая и гидратируя гель.

При использовании разрывающих текучих сред на основе воды, включающих медленно гидратируемый гель, гелеобразующий агент может быть выпущен из внутренней камеры через отвод корпуса в сборный резервуар 640, где происходит дополнительное перемешивание гелевой текучей смеси для гидратации гелеобразующего агента. В течение процесса гидравлического разрыва, осуществляемого в скважине, гидратированную разрывающую текучую среду последовательно нагнетают из сборного резервуара 640 в смесительный резервуар 650. После этого в резервуар 650 с гелевой текучей смесью могут быть добавлены различные добавки 660 для формирования обрабатывающей текучей среды. Такие добавки включают соединения для регулирования Рн, буферные растворы, диспергирующие агенты, поверхностно-активные вещества для предотвращения формирования эмульсий между обрабатывающей текучей средой, образованной совместно с гелевой текучей смесью, и текучими средами подземной формации, бактерицидами и тому подобным. Как вариант, в случае быстро гидратируемых гелей гелевую текучую смесь нагнетают непосредственно в смесительный резервуар 650, поскольку нет необходимости в дополнительной гидратации быстро гидратируемого геля. После этого обрабатывающую текучую среду нагнетают в буровую скважину 670 к формации, подлежащей разрыву, со скоростью и под давлением, достаточными для создания в формации, по меньшей мере, одного разрыва. Квалифицированным специалистам в этой области будет понятно, что гелевая текучая смесь также может быть перемешана с расклинивающими агентами, материалами с поперечными связями и другими материалами обрабатывающей текучей среды по ходу ее движения, а не в смесительном резервуаре 650, после чего ее нагнетают в буровую скважину 670 к разрываемой формации. В буровой скважине к гелевой обрабатывающей текучей среде может быть примешан активатор разрыва. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения способ отделения углеводородов от подземной формации дополнительно включает стадию вытекания углеводородов из формации для завершения процесса гидравлического разрыва.

В случае замедленной гидратации гелей гель, удерживаемый в сборном резервуаре 640 с целью дополнительной гидратации, должен быть удален, когда происходит быстрая остановка, вызванная повреждением резервуара, либо механической поломкой/поломкой оборудования, что может повлечь за собой удаление тысяч галлонов гелевой текучей смеси, которая не только имеет высокую стоимость, но и оказывает вредное воздействие на окружающую среду. Становится очевидным, почему настоящее изобретение, в случае которого часто не требуются агенты для рассеивания геля, подобные дизельному топливу, следует считать усовершенствованием по сравнению с ранее разработанными системами. Кроме того, в настоящем изобретении создан способ перемешивания гелеобразующего агента, который не зависит от скорости, вследствие чего на месте выполнения работ можно осуществлять необходимые изменения скорости потока.

После внимательного рассмотрения характерных, представленных в качестве примера вариантов осуществления настоящего изобретения, которые здесь описаны, квалифицированным специалистам в этой области будет понятно, что без фактического отклонения от принципов настоящего изобретения могут быть выполнения некоторые модификации, замены и другие изменения. Подробное описание носит иллюстративный характер, поэтому существо и объем изобретения определены только прилагаемыми пунктами формулы изобретения.