система наземного оборудования на буровой скважине

Формула изобретения

1. Система питания наземного оборудования буровой скважины, содержащая

по меньшей мере один первичный двигатель, сообщенный с источником топлива для питания первичного двигателя и имеющий по меньшей мере один источник тепла, причем первичный двигатель выбран из группы, состоящей из поршневого двигателя с воспламенением от сжатия, поршневого двигателя с искровым зажиганием, топливного элемента;

по меньшей мере один насос, приводимый в действие первичным двигателем и выполненный с возможностью введения по меньшей мере одной текучей среды для использования в по меньшей мере один ствол скважины и подачи по меньшей мере одной текучей среды из по меньшей мере одного ствола скважины; и

по меньшей мере одну вспомогательную систему, сообщенную с источником тепла по меньшей мере от одного первичного двигателя и содержащую теплообменник, выполненный с возможностью передачи тепла от источника тепла к по меньшей мере одной текучей среде из по меньшей мере одного ствола скважины, чтобы отделить выпариванием часть по меньшей мере одной текучей среды из по меньшей мере одного ствола скважины от другой части по меньшей мере одной текучей среды из по меньшей мере одного ствола скважины.

2. Система по п.1, в которой источник топлива является источником горючего газообразного топлива.

3. Система по п.2, в которой источник горючего газообразного топлива выбран из группы, состоящей из природного газа, подаваемого непосредственно из ствола скважины, природного газа, подаваемого из продуктивной скважины, природного газа, подаваемого с производственного объекта, и их комбинации.

4. Система по п.2, в которой источник горючего газообразного топлива выбран из группы, состоящей из сжатого природного газа, сжиженного природного газа, природного газа из трубопровода или промыслового хранилища, сжатого водорода, сжатого пропана, сжиженного бутана и их комбинации.

5. Система по п.1, в которой источник топлива представляет собой жидкое топливо.

6. Система по п.1, в которой по меньшей мере один насос выбран из группы, состоящей из плунжерного насоса прямого вытеснения, центробежного насоса, винтового насоса и их комбинации.

7. Система по п.1, в которой источник тепла выбран из группы, состоящей из выпуска отходящих газов, системы охлаждения первичного двигателя, вспомогательной системы охлаждения и их комбинации.

8. Система по п.1, в которой вспомогательная система содержит вспомогательный теплообменник, сообщающийся с по меньшей мере одним источником тепла.

9. Система по п.8, в которой вспомогательная система выбрана из группы, состоящей из парогенератора, испарителя для рабочей жидкости, источника тепла для нагревания, по меньшей мере одной из текучих сред, использующихся в стволе скважины, источника топлива и текучей среды, добываемой из ствола скважины.

10. Система по п.1, в которой вспомогательная система содержит холодильную установку, работающую на отходящей теплоте.

11. Система по п.1, дополнительно содержащая систему шумоподавления.

12. Система по п.1, дополнительно содержащая воздухоприемник для снабжения первичного двигателя источником воздуха, содержащий воздушный теплообменник для охлаждения или нагревания источника воздуха.

13. Система по п.12, в которой воздушный теплообменник сообщен по текучей среде с вспомогательной системой.

14. Система по п.1, в которой текучая среда, использующаяся в стволе скважины, выбрана из группы, состоящей из текучей среды и проппанта, кислоты, цементного раствора, смесей для гравийной набивки, бурового раствора, смеси для гравийной набивки, бурового раствора, раствора для заканчивания скважины, сжатого газа и их комбинации.

15. Способ питания наземного оборудования буровой скважины, согласно которому

производят систему для питания оборудования буровой скважины, содержащую по меньшей мере один первичный двигатель, сообщенный с источником топлива для питания первичного двигателя и имеющий по меньшей мере один источник тепла, по меньшей мере один насос, выполненный с возможностью подачи по меньшей мере одной текучей среды в по меньшей мере один ствол скважины и подачи по меньшей мере одной текучей среды из по меньшей мере одного ствола скважины, и по меньшей мере одну вспомогательную систему, сообщенную с источником тепла по меньшей мере от одного первичного двигателя;

устанавливают буровое оборудование и систему для питания оборудования вблизи ствола скважины; и

осуществляют по меньшей мере одну операцию обслуживания в стволе скважины с применением бурового оборудования,

при этом по меньшей мере одна вспомогательная система содержит теплообменник, с помощью которого передают тепло от источника тепла к по меньшей мере одной текучей среде из по меньшей мере одного ствола скважины, чтобы отделить выпариванием часть по меньшей мере одной текучей среды из по меньшей мере одного ствола скважины от другой части по меньшей мере одной текучей среды из по меньшей мере, одного ствола скважины.

16. Способ по п.15, согласно которому операцию обслуживания скважины выбирают из группы, состоящей из операции гидроразрыва, операции кислотной обработки, цементировочной операции, операции по заканчиванию скважины, операции по защите от поступления песка в скважину, операции с использованием гибких труб и их комбинаций.

17. Способ по п.15, согласно которому источник топлива представляет собой источник горючего газообразного топлива.

18. Способ по п.17, согласно которому источник горючего газообразного топлива выбирают из группы, состоящей из природного газа, подаваемого непосредственно из ствола скважины, природного газа, подаваемого из продуктивной скважины, природного газа, подаваемого с производственного объекта, и их комбинаций.

19. Способ по п.17, согласно которому источник горючего газообразного топлива выбирают из группы, состоящей из сжатого природного газа, сжиженного природного газа, природного газа из трубопровода или промыслового хранилища, сжатого горючего газа, сжиженных углеводородных газов и их комбинаций.

20. Способ по п.15, согласно которому источник тепла выбирают из группы, состоящей из выпуска отходящих газов, системы охлаждения первичного двигателя, вспомогательной системы охлаждения и их комбинаций.

Описание изобретения к патенту

Предпосылки создания изобретения

Изложенное в данном разделе всего лишь предоставляет вводную информацию, относящуюся к настоящему изобретению, и не может представлять собой уровень техники. Изобретение относится в целом к наземному оборудованию на буровой скважине, такому как оборудование для гидроразрыва и подобное.

Типичные системы обслуживания скважины включают в себя первичный двигатель с приводом от такого источника энергии, как дизельный двигатель или подобное, который приводит в действие по меньшей мере один исполнительный компонент, такой как насос, сообщенный со стволом скважины для введения в ствол скважины текучих сред. Текучие среды могут включать в себя жидкости для гидроразрыва, проппант(ы), кислоту(ы), цементные растворы, смеси для гравийной набивки, буровые растворы, растворы для заканчивания скважины, сжатые газы и их комбинации.

Остается желательным улучшить наземное оборудования буровой скважины в отношении его эффективности, гибкости и производительности.

Сущность изобретения

Система питания наземного оборудования буровой скважины содержит по меньшей мере один первичный двигатель, сообщенный с источником топлива для питания первичного двигателя и имеющий по меньшей мере один источник тепла, по меньшей мере один насос, приведенный в действие первичным двигателем и сообщенный с по меньшей мере одним стволом скважины и по меньшей мере одной текучей средой, использующейся в стволе скважины, и по меньшей мере одну вспомогательную систему, сообщенную с источником тепла от по меньшей мере одного первичного двигателя. Источник топлива может содержать источник горючего газообразного топлива. Источник горючего газообразного топлива может содержать одно из природного газа, подаваемого непосредственно из ствола скважины, природного газа, подаваемого из продуктивной скважины, природного газа, подаваемого с производственного объекта, и их комбинации. Источник горючего газообразного топлива может содержать одно из сжатого природного газа, сжиженного природного газа, природного газа из трубопровода или промыслового хранилища, сжатого горючего газа, такого как водород или пропан, сжиженных углеводородных газов, таких как бутан, и их комбинации.

Источник топлива может содержать жидкое топливо. Первичный двигатель может содержать по меньшей мере одно из поршневого двигателя с воспламенением от сжатия, поршневого двигателя с искровым зажиганием, топливного элемента и газотурбинного двигателя. По меньшей мере один насос может содержать одно из плунжерного насоса прямого вытеснения, центробежного насоса, эксцентрикового винтового насоса и их комбинации. Источник тепла может содержать по меньшей мере один выпуск отходящих газов, систему охлаждения первичного двигателя, вспомогательную систему охлаждения и их комбинации.

Вспомогательная система может содержать вспомогательный теплообменник, сообщенный с по меньшей мере одним источником тепла. Вспомогательная система может содержать одно из парогенератора, испарителя для рабочей жидкости, источника тепла для нагревания по меньшей мере одной из текучих сред, использующихся в стволе скважины, источника топлива и текучей среды, добытой из ствола скважины. Вспомогательная система может содержать холодильную установку, работающую на отходящей теплоте.

Система может дополнительно содержать систему шумоподавления. Система может также содержать воздухоприемник для снабжения первичного двигателя источником воздуха, содержащим воздушный теплообменник для охлаждения или нагревания источника воздуха. Воздушный теплообменник может сообщаться с вспомогательной системой. Текучая среда, использующаяся в стволе скважины, может содержать по меньшей мере одно из жидкости для гидроразрыва, содержащей по меньшей мере одно из текучей среды и проппанта, кислоты, цементного раствора, смесей для гравийной набивки, бурового раствора, раствора для заканчивания скважины, сжатого газа и их комбинаций. Вспомогательная система может содержать теплообменник, сообщающийся с источником топлива на базе природного газа для извлечения тепла из источника топлива, когда он расширяется.

В одном варианте осуществления способ включает в себя использование системы для питания оборудования буровой, содержащей по меньшей мере один первичный двигатель, сообщающийся с источником топлива для питания первичного двигателя и имеющий по меньшей мере один источник тепла, по меньшей мере один насос, приводимый в действие первичным двигателем и сообщенный с по меньшей мере одним стволом скважины и по меньшей мере одной текучей среды, использующейся в стволе скважины, и по меньшей мере одну вспомогательную систему, сообщающуюся с источником тепла от по меньшей мере одного первичного двигателя, размещение оборудования буровой и системы рядом со стволом скважины и проведение по меньшей мере одной операции обслуживания скважины в стволе с применением оборудования буровой скважины.

Операция обслуживания скважины может содержать одну из операций гидроразрыва, операций кислотной обработки, цементировочных операций, операций по заканчиванию скважины, операций по защите от поступления песка в скважину, операций с использованием колтюбинга и их комбинаций. Источник топлива может содержать источник горючего газообразного топлива. Источник горючего газообразного топлива может содержать одно из природного газа, подаваемого непосредственно из ствола скважины, природного газа, подаваемого из продуктивной скважины, природного газа, подаваемого с производственного объекта и их комбинации. Источник горючего газообразного топлива может содержать одно из сжатого природного газа, сжиженного природного газа, природного газа из трубопровода или промыслового хранилища, сжатого горючего газа, сжиженных углеводородных газов и их комбинации. Источник тепла может содержать по меньшей мере одно из выпуска отходящих газов, системы охлаждения первичного двигателя, вспомогательной системы охлаждения и их комбинации.

Краткое описание чертежей

Эти и другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятны при обращении к следующему подробному описанию, рассматривая его в сочетании с приложенными чертежами, на которых изображено следующее:

Фиг. 1 является блок-схемой одного варианта осуществления системы наземного оборудования буровой скважины.

Фиг. 2 является блок-схемой одного варианта осуществления системы наземного оборудования буровой скважины.

Фиг. 3 является блок-схемой одного варианта осуществления системы наземного оборудования буровой скважины.

Фиг. 4 является блок-схемой одного варианта осуществления источника топлива для системы наземного оборудования буровой скважины.

Фиг. 5 является блок-схемой одного варианта осуществления источника топлива для системы наземного оборудования буровой скважины.

Подробное описание

Наземная скважинная система 100, показанная на чертежах, может применяться для питания наземного оборудования буровой скважины и содержит первичный двигатель 102, который сообщен с источником 104 топлива и приводит в действие или питает исполнительное оборудование или компоненты 106, такие как по меньшей мере один насос или подобное. По меньшей мере один насос 106 может сообщаться со стволом 108 скважины через подходящий трубопровод и/или сантехнические линии 110, включая, но без ограничений, линии, известные в данной области как временная технологическая арматура. Насос 106 может, кроме того, сообщаться с несколькими стволами 108 скважины и по меньшей мере одной текучей средой 112, использующейся в по меньшей мере одном стволе 108 скважины. Насос 106 может сообщаться более чем с одной текучей средой 112. Система 100 может быть установлена на рельсы или прицеп (не показано) для перемещения системы 100 к разным стволам, таким как ствол 108 скважины. Первичный двигатель 102 может содержать источник тепла, такой как выпуск 116 отходящих газов или другой подходящий источник тепла, сообщающийся с по меньшей мере одной вспомогательной системой 118, которая может, кроме того, содержать теплообменник или подобное, что более подробно обсуждается ниже.

Насос 106 может подавать текучую среду 112 в ствол 108 скважины, текучая среда 114 может также подаваться из ствола 108 скважины при работе системы 100, например, но без ограничений, пластовая вода и/или попутно добываемая жидкость или подобное. Как должно быть понятно специалистам в данной области, попутно добываемая жидкость, вода или текучая среда 114 могут далее подаваться на насос 106.

Как должно быть понятно специалистам в данной области, первичный двигатель 102 может быть двигателем внутреннего сгорания, таким как поршневой двигатель с воспламенением от сжатия или дизельный поршневой двигатель, поршневой двигатель с искровым зажиганием, газотурбинным двигателем, таким как газотурбинный двигатель на базе авиационного двигателя, промышленный газотурбинный двигатель, воздушно-реактивным двигателем со сверхзвуковой скоростью сгорания, топливным элементом или подобным.

На фигурах 4 и 5 показаны варианты осуществления источников 400 и 500 топлива. Источник 104 топлива может быть источником горючего газа, таким как сжатый природный газ 502, сжиженный природный газ 504 и/или природный газ из трубопровода 506 или промыслового хранилища 508. Источник 104 топлива может содержать горючий газ, такой как природный газ или подобное, подаваемый непосредственно из ствола 108 скважины, ствола 402 продуктивной скважины, например ствола соседней продуктивной скважины, с производственного объекта 404, или из любой комбинации источников 108, 402, 404, 502, 504, 506, и 508 природного газа, показанных на фиг. 4 и 5. Источник 104 топлива может содержать сжатый горючий и/или легковоспламеняющийся газ, такой как водород или пропан, или сжиженный горючий и/или легковоспламеняющийся газообразный углеводород, такой как бутан, из ствола 108 скважины, ствола 402 продуктивной скважины или производственного объекта 404. Источник 104 топлива может содержать источник жидкого топлива 510, такого как дизельное топливо, керосин или подобное. Как должно быть понятно специалистам в данной области, источник 104 топлива может содержать комбинацию вышеупомянутых источников 108, 402, 404, 502, 504, 506, и 508 природного газа и вышеупомянутых источников 510 жидкого топлива.

Источник 104 топлива может выбираться так, чтобы снижать и/или изменять общий профиль выделения отходящего газа в системе 116 выпуска отходящих газов, например, снижая полное выделение твердых частиц, суммарное выделение NO_x, количество моноксида углерода или диоксида углерода, содержащегося в отходящем газе, или подобное. Когда первичный двигатель 104 работает, образуются отходящие газы, которые направляются через систему 116 выпуска. Тепло отходящих газов в системе 116 выпуска может позднее использоваться в по меньшей мере одной вспомогательной системе 118, подробнее обсуждаемой ниже.

Как должно быть понятно специалистам в данной области, насос 106 может содержать насос прямого вытеснения, такой как плунжерный насос (например, как трехцилиндровый или пятицилиндровый плунжерный насос), центробежный насос, эксцентриковый винтовой насос или любое подходящее оборудование и их комбинации для подачи текучей среды 112 в ствол 108 скважины, например, под давлением или подобным.

В варианте осуществления, лучше всего показанном на фигуре 2, система 200 содержит первичный двигатель 202, то есть газотурбинный двигатель, содержащий секцию 204 компрессора и секцию 206 турбины или турбодетандера. Воздух вводится в первичный двигатель 202 через приемник 208 и может направляться через воздушный теплообменник 210. Воздушный теплообменник 210 может использоваться для охлаждения воздуха, поступающего в первичный двигатель 202. Из теплообменника воздух направляется в секцию 204 сжатия первичного двигателя или газотурбинного двигателя 202. Секция 204 сжатия может иметь несколько ступеней сжатия, и воздух может проводиться через по меньшей мере один промежуточный холодильник 212 между или после одной или более ступеней сжатия. Сжатый воздух выходит из секции 204 сжатия, смешивается с топливом из источника топлива, запаливается зажигателем (не показан) или подобным в камере 214 сгорания и проводится через секцию 206 турбины или детандера в двигателе 202. Секция 206 турбины или детандера может включать в себя несколько ступеней расширения, и отходящий газ может направляться с конечной ступени или промежуточной ступени через выпуск отходящих газов на вспомогательный теплообменник 216 для использования во вспомогательной системе, такой как вспомогательная система 118. Выход 218, такой как вал первичного двигателя 202, соединен с входом (не показан), таким как вал исполнительного устройства или устройств, такого как насос 106 или подобное, прямым или спаренным соединением, трансмиссией, зубчатым редуктором, спариванием паровой турбины с насосом или любым подходящим соединением.

Как отмечено выше, насос 106 или исполнительное устройство сообщен со стволом 108 скважины и с источником 112 текучей среды, такой как рабочая жидкость или состав для обработки приствольной зоны, включая, без ограничений, жидкости для гидроразрыва, проппант(ы), кислоту(ы), цементные растворы, смеси для гравийной набивки, буровые растворы, растворы для заканчивания скважины и их комбинации.

Вспомогательная система 118 может использовать вспомогательный теплообменник 216 как парогенератор 122 для создания пара и работы системы комбинированного цикла, например, эксплуатируя паровую турбину при подходящей производительности, или подобным, как должно быть понятно специалистам в данной области. Вспомогательная система 118 может использовать вспомогательный теплообменник 216 как испаритель для рабочей жидкости, такой как текучая среда 112, текучая среда 114, источник 104 топлива или подобное.

Вспомогательная система 118 может использовать вспомогательный теплообменник 216 как источник тепла для нагревания текучей среды 112, например, для контроля химических реакций и/или характеристик текучей среды или обрабатывающей текучей среды 112. Нагретая обрабатывающая текучая среда 112 может быть направлена в ствол скважины с помощью подходящих насосных и/или сантехнических установок, таких, как насос 106 и временная технологическая арматура 110.

Вспомогательная система 118 может использовать вспомогательный теплообменник 216 как источник тепла для нагревания текучей среды 114, такой как текучая среда, добытая из ствола 108 скважины или соседнего ствола или соседнего оборудования. Добытая текучая среда 114 может быть очищена или обработана иным образом перед испарением или выкипанием как часть вспомогательной системы 118, или очищенная или обработанная текучая среда 114 может вводиться в секцию 206 турбины или детандера первичного двигателя 202, или вводиться в воздухоприемник 208 первичного двигателя 202 для обеспечения охлаждения.

Вспомогательная система 118 может использовать вспомогательный теплообменник 216 для нагревания переохлажденного газа из источника 504 сжиженного природного газа или источника 502 сжатого природного газа до введения в первичный двигатель 102, как должно быть понятно специалистам в данной области. Вспомогательная система 118 может использовать вспомогательный теплообменник 216 как теплоту, подводимую на холодильную установку 120, работающую на отходящей теплоте, которая может затем использоваться, например, для охлаждения воздуха, поступающего в воздушный теплообменник 210, например, на входе 208 первичного двигателя 202, чтобы приводить в действие систему механического кристаллизатора или подобное для охлаждения различных компонентов системы 100.

В варианте осуществления системы 100', показанной на фигуре 3, вспомогательная система 118 может дополнительно использовать охлаждающую воду из системы 302 водяного охлаждения первичного двигателя 102 или 202 как источник тепла для вспомогательного теплообменника 216, используемого с текучей средой 112, текучей средой 114, источником 104 топлива (таким, как источник 504 сжиженного природного газа или источник 502 сжатого природного газа), с холодильной установкой 120, парогенератором 122 и воздушным теплообменником 210. Система 100' может использовать в качестве источника тепла для вспомогательного теплообменника 216 только охлаждающую воду из системы 302 водяного охлаждения. Как должно быть понятно специалистам в данной области, системы 100 и 100' могут использовать тепло от вспомогательной системы охлаждения, системы 302 водяного охлаждения, системы 116 выпуска отходящих газов и от их комбинаций.

Воздушный теплообменник 210 может использоваться для охлаждения и/или нагревания поступающего воздуха на входе 208 и для нагревания переохлажденного природного газа, например, из источника 502 или источника 504, до ввода в первичный двигатель 102 или 202. Природный газ из воздушного теплообменника 210 может затем быть проведен во вспомогательный теплообменник 216 для нагревания газа на выходе воздушного теплообменника 208 до введения, например, у камеры сгорания 214 в первичный двигатель 202 или 102.

Как должно быть понятно специалистам в данной области, текучие жидкости 114 могут содержать жидкости для гидроразрыва, проппант(ы), кислоту(ы), цементные растворы, смеси для гравийной набивки, буровые растворы, растворы для заканчивания скважины и их комбинации. Текучие среды 114 могут использоваться для любого числа работ по обслуживанию скважины, в том числе, но без ограничений, в операции гидроразрыва, операции кислотной обработки, в цементировочных операциях, операциях по заканчиванию скважины, операциях с использованием колтюбинга, операциях по защите от поступления песка в скважину, и их комбинаций.

Насос или исполнительное оборудование 106 может содержать пару насосов, приводимых в действие одним первичным двигателем 102 или 202, таким как раскрытые в принадлежащей этому же правообладателю заявке, находящейся одновременно на рассмотрении, № 12/203,604, поданной 3 сентября 2008.

Первичный двигатель 102 или 202 может, дополнительно, содержать систему 124 шумоподавления. Система 124 шумоподавления может быть соединена или сообщаться подходящим образом с выпускной системой 116 первичного двигателя 102 или 202 и может содержать обводной канал для отходящего газа ниже вспомогательного теплообменника 216, чтобы направлять отходящий газ вверх. Система 124 шумоподавления может содержать "шумоподавляющую" или противодействующую волну, направленную на источник шума, такой как отходящий газ первичного двигателя 102 или 202, чтобы снизить эффективность шума от первичного двигателя 102 или 202 или других источников шума от наземного оборудования и таким образом, чтобы снизить полный шум от всей системы 100. Вспомогательный теплообменник 216 может сам действовать как глушитель или шумоподавитель, направляя отходящий газ через дефлекторы и подобное.

Описанные здесь частные варианты осуществления являются лишь иллюстративными, так как изобретение может быть модифицировано и реализовываться на практике разными, но эквивалентными способами, очевидными специалистам в данной области, получающим выгоду от раскрытых здесь идей. Кроме того, никаких ограничений не накладывается на показанные здесь детали конструкции или дизайна, кроме описываемых ниже в формуле изобретения. Таким образом, очевидно, что раскрытые выше частные варианты осуществления могут быть изменены или модифицированы, и все такие изменения рассматриваются как охватываемые сущностью и объемом изобретения. В частности, все раскрытые здесь диапазоны величин (в форме "от примерно a до примерно b", или эквивалентно, "приблизительно от a до b," или эквивалентно, "приблизительно a-b") следует понимать как относящиеся к показательному множеству (множеству всех подмножеств) соответствующего диапазона значений. Соответственно, испрашиваемая защита здесь такова, как изложено ниже в формуле.

Предшествующее описание было представлено в отношении предпочтительных в настоящее время вариантов реализации изобретения. Специалисты в данной области и в технологии, к которой относится настоящее изобретение, должны понимать, что изменения в описанных структурах и способах действия могут проводиться, не отклоняясь существенно от принципов и не выходя за объем данного изобретения. Соответственно, предшествующее описание не должно толковаться как относящееся только к точным структурам, описанным и показанным на приложенных чертежах, но, напротив, они должны толковаться как соответствующие следующей формуле и как поддержка формулы, которая должна иметь наиболее полный и наиболее объективный объем.