Пристрій для розчинення полімерів, придатний для крупномасштабних операцій по гідророзриву пласта

Реферат: Компактний і транспортабельний пристрій, який може бути використаний для операцій гідророзриву пласта на газових або нафтових промислах, причому вказаний пристрій, згідно з винаходом, послідовно включає бункер для зберігання полімеру в порошкоподібній формі, завантажувальну лійку пристрою для дозування полімеру, пристрій для дозування порошкоподібного полімеру, пристрій для диспергування і подрібнення полімеру, щонайменше два баки для гідратації і розчинення диспергованого полімеру, щонайменше два об'ємні насоси, що забезпечують нагнітання і дозування розчину полімеру, одержаного в змішувачі, одного високонапірного насоса, що використовується для постачання щонайменше для гідророзриву пласта. UA 110942 C2 (12) UA 110942 C2 UA 110942 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Галуззю винаходу є видобуток газу або нафти і, більш конкретно, гідравлічний розрив пласта газових або нафтових свердловин нагнітанням текучого середовища для гідророзриву пласта, що включає полімер. Патентний документ WO 2010/020698 описує пристрій, що використовується для зберігання, диспергування і розчинення полімерів в порошкоподібній формі, більш конкретно, на основі акриламіду. Потім розчин полімеру дозують і використовують в операціях гідравлічного розриву пласта, призначених для видобування сланцевого газу або нафти в розсіяному краплиннорідкому стані. Цей пристрій має значні експлуатаційні обмеження, оскільки в операціях по гідророзриву пласта зібрані разом численні транспортні засоби (вантажівки, трейлери), іноді числом більше 100, що включають електричні генератори, що здійснюють перевезення насосів, змішувачів, пристроїв для розчинення і додавання допоміжних матеріалів, диспетчерського і, більше того, величезних кількостей піску або керамічних кульок, які застосовуються для підтримування тріщин у відкритому стані. Вартість таких операцій дуже висока, і одним з факторів успіху є загальний час на гідророзрив пласта і на перевезення обладнання, яке забезпечує рентабельність процесу гідророзриву пласта. Тому є істотним, щоб використовуване обладнання забезпечувало кращі рівні продуктивності без ризику затримок. Якщо ж немає, то свердловина, яка піддається гідророзриву пласта, може закупоритися, що може виявитися катастрофічним. Тому все обладнання повинне бути придатне для переміщення на колесах або на вантажівках, або на трейлерах, в той же час, беручи до уваги дорожні обмеження по вазі, які залежать від даної конкретної географічної зони. Звичайно вага, за винятком ходової частини, не повинна перевищувати величини від 20 до 24 тонн, і довжина повинна бути не більше 12-14 метрів. Крім того, необхідно, щоб воно було готове до дії негайно після поїздки без пустої витрати часу на вихідні операції заповнення. Полімери, які нагнітаються, на основі акриламіду являють собою полімери переважно з високою молекулярною масою, більше 10 мільйонів, звичайно більше 15 мільйонів. їх склад залежить від солоності води і головним чином від кількості двовалентних металів (Са++, Mg++). Для прісної води звичайно використовують співполімери акриламіду і акрилової кислоти (в співвідношенні від 60/40 мольних процентів до 90/10 мольних процентів). Для більш солоних вод застосовують слабкоаніонні або неіонні співполімери, що містять від 0 до 10 мольних процентів акрилової кислоти, або що мають низький вміст сульфованого мономеру (ATBS, акриламідо-трет-бутилсульфонату). Для дуже солоних вод можуть бути використані, наприклад, співполімери акриламіду і хлориду триметиламіноетилакрилату (90/10 мольних процентів). В екстремальних випадках можуть бути застосовані полімери DADMAC (хлориду діалілдиметиламонію), NVP (N-вінілпіролідону) і т. д. Хоча обладнання, описане в патентному документі WO 2010/020698, працює добре, однак воно обмежене в плані кількості оброблюваного полімеру і має наступні обмеження: полімер постачається в пакетах вагою по 25 кг щонайбільше у великих мішках місткістю 750 кг, зі швидкістю, яка несумісна з крупномасштабними промисловими операціями; неможливість подачі внавалку під час операції; складність дозування і диспергування полімеру при високій концентрації, щоб обмежити об'єми дисперсії і/або розчину полімеру в обладнанні; складність уникнення утворення агрегатів (відомих як "риб'ячі очі"), які можуть розчинятися тільки протягом дуже тривалого часу і які, крім того, можуть засмічувати насоси; складність розчинення суспензії в межах короткого періоду, оскільки доступні на вантажівці об'єми обмежені; складність перекачування розчину полімеру в контрольованому режимі в змішувач, який розміщений перед нагнітальним насосом дуже високого тиску і який гомогенізує всі інгредієнти. Деякі фахівці використовують металеві контейнери, з якими ускладнено поводитися на ґрунті, який часто є брудним. Сучасна розробка родовищ, зі збільшенням довжини горизонтальних бурових свердловин, виявляє тенденцію до більш крупномасштабних операцій гідророзриву пласта. Декілька місяців тому в операціях було потрібно від 4 до 8 тонн полімеру на операцію, і обладнання, описане в патентному документі WO 2010/020698, придатне для операцій цього типу. Тепер же кількості, що нагнітаються, варіюють від 9 до 15 тонн і, ймовірно, в майбутньому близько 20 тонн на операцію, і описане в патентному документі WO 2010/020698 обладнання вже більше не годиться. 1 UA 110942 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Тим самим необхідно розробити вдосконалений пристрій, який пристосований до цієї розробки без ризику перебою в роботі під час операції. Проблема, яка вирішується винаходом, полягає в розчиненні більшої кількості полімеру за коротший час в меншому об'ємі простору, в той же час, з урахуванням вагових обмежень і повністю без залучення подачі вручну під час операції. Одне з обмежень зводиться до того факту, що на місці проведення операції немає пристрою, який робить можливим викачування розчинів полімерів з баків для розчинення. Отже, обладнання повинно переміщуватися із заповненими баками, однак це було б можливим для кількості порошку, регульованої в кінці операції. Це також має перевагу в тому, що дозволяє негайно запустити обладнання в робочий режим після переїзду. Заявник розробив вдосконалений пристрій, який робить можливим вирішення цієї проблеми і істотно поліпшує технічні характеристики існуючих виробничих установок. Винахід стосується вдосконаленого компактного і транспортабельного пристрою, який може бути використаний для операцій по гідророзриву пласта на газових і нафтових промислах, причому вказаний пристрій відрізняється тим, що він послідовно включає: пневматичний пристрій для подачі в бункер порошкоподібного полімеру; бункер для зберігання полімеру в порошкоподібній формі; пристрій для транспортування полімеру з бункера в завантажувальну лійку; завантажувальну лійку пристрою для дозування полімеру, причому вказана лійка має верхній рівень і нижній рівень; пристрій для дозування порошкоподібного полімеру; пристрій для диспергування і подрібнення полімеру, який також називається PSU (блок розшарування полімеру), що включає: конус для змочування порошкоподібного полімеру, з'єднаний з впускним каналом первинного водного контуру, на нижньому кінці конуса: камеру для подрібнення і дренування диспергованого полімеру, що включає: забезпечений лопатями ротор з приводом від двигуна, фіксований статор, що складається з циліндра, забезпеченого вузькими пазами, зверху всієї периферії камери або її частини кільце, що забезпечується з повторного водного контуру, причому кільце сполучається з камерою так, щоб забезпечувати розпилення води під тиском більше зовнішньої сторони статора, тим самим забезпечуючи можливість вивільнення подрібненого і набухлого полімеру на поверхні вказаного статора; щонайменше два баки для гідратації і розчинення диспергованого полімеру, що надходить з пристрою для диспергування і подрібнення; щонайменше два об'ємних насоси, що забезпечують нагнітання і дозування розчину полімеру, одержаного в змішувачі, що використовується для постачання високонапірного насоса для гідророзриву пласта. В одному переважному варіанті виконання пристрій розміщений в контейнері або на трейлері і має вагу менше 24 тонн, переважно менше 22 тонн, з урахуванням кількостей розчинів полімеру, що містяться в баках і кількості порошку, що міститься в бункері, забезпечуючи можливість негайного пуску в експлуатацію. Крім того, довжина пристрою не буде перевищувати 14 метрів, переважно 12 метрів. В одному переважному варіанті виконання бункер-сховище є горизонтальним, в формі паралелепіпеда, і забезпечений основою в формі двогранного кута. 3 Бункер-сховище переважно має об'єм, що більший або дорівнює 5 м , і переважно більший 3 або дорівнює 10 м . Пневматичний пристрій для постачання бункера або має форму автоцистерни, забезпеченої конусоподібними насадками для вивантаження полімеру, або являє собою самоскид з перекидним кузовом. Пристрій для транспортування полімеру в завантажувальну лійку пристрою для розчинення складений нижнім розвантажувальним шнеком, розміщеним на основібункера, причому вказаний шнек з'єднаний або з вертикальним шнеком для подачі в бункер, або з пневматичним конвеєром, що з'єднує дно бункера із завантажувальною лійкою. Пристрій для диспергування і подрібнення проводить гідравлічне подрібнення полімеру. Він забезпечує величезну перевагу в диспергуванні дуже великих кількостей полімерів, в той же час різко скорочуючи габарити обладнання і прискорюючи розчинення полімеру в результаті мокрого помелу. Це дозволяє проводити нагнітання дуже великих кількостей полімеру з обладнання з обмеженим об'ємом. 2 UA 110942 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Об'ємні насоси, розміщені між баками для розчинення і нагнітальним насосом, будуть вибрані, наприклад, без будь-якого обмеження з коловоротних насосів, наприклад, таких як роторно-поршневий насоси типу Waukesha і, зокрема, коловоротні насоси моделі 60, що дають 3 величину витрати потоку 30 м /годину при тиску 3 бар (0,3 МПа), або ще ексцентрикові роторні насоси типу Муопо, які можуть давати таку ж витрату потоку. Компоненти пристрою, згідно з винаходом, розміщені в меншому об'ємі простору, такому як контейнер або причеп вантажівки. Вибір різноманітних компонентів залежить, зокрема, від доступного об'єму, від максимальної власної маси, від загальної кількості розчину полімеру, що нагнітається, і від величини витрати його потоку. Пристрій для диспергування і розчинення, подібний до того, який використовується у винаході, був описаний заявником в патентному документі WO 2008/107492 для застосування в третинному методі видобутку нафти (EOR). Цей пристрій для розчинення, позначений як PSU (блок розшарування полімеру), переважно є таким, як такий, що продається на ринку під найменуванням PSU 300 Plus, який може дозувати від 100 до 600 кг полімеру на годину. Ці кількості узгоджуються з тими, які необхідні в сучасних операціях гідророзриву пласта. Діаметр ротора-статора пристрою для розчинення полімеру переважно є більшим, ніж 200 мм. У більшості випадків PSU працює в періодичному режимі, залежно від рівня баків для розчинення, при стандартній витраті потоку 300 кг/годину. Однак він придатний для набагато вищих незапланованих потреб в полімері. Воду подають в PSU через первинний контур, головним 3 чином з витратою потоку 10 м /годину, і через вторинний контур з витратою потоку від 0 до 20 3 м /годину, залежно від необхідних концентрації і в'язкості. Концентрація полімеру переважно становить 20 г/літр. З іншого боку, коли використовують концентровані розсоли, вплив солей на в'язкість робить можливим підвищення концентрації до 30 г/літр, в той же час підтримуючи в'язкість розчину полімеру нижче 10000 сП, що забезпечує легке перекачування. Баки для розчинення мають обмежений об'єм з розрахунку на габарити пристрою. Як 3 правило, пристрій може включати два баки місткістю від 4 до 5 м . Ці баки в основному знаходяться в режимі енергійного перемішування, щоб сприяти розчиненню полімеру. Крім того, ці два баки можуть працювати послідовно, безперервно, паралельно або з перенесенням з одного в інший ("flip-flop", "гойдалки"). Об'ємні насоси можуть працювати спільно або окремо, щоб забезпечувати змішувач, який використовують для постачання високонапірного насоса для гідророзриву пласта. Оскільки операції гідророзриву пласта передбачають величини витрати потоку води близько 3 від 20 до 30 м /годину, тривалість розчинення в основному повинна бути меншою 30 хвилин. Одне рішення полягає в пристосуванні швидкості розчинення до даної тривалості. Полімери, які є в продажі на ринку на основі акриламіду в основному мають частинки з розмірами від 0 до 1000 мікрон (0-1000 мкм) і тривалість розчинення близько однієї години для полімерів з середньою аніонною активністю (від 20 до 50 мольних процентів) і двох годин для неіонних полімерів. Тому розмір частинок порошку повинен бути скоректований залежно від бажаної тривалості розчинення. Експериментальним шляхом була визначена наступна тривалість розчинення: Аніонний полімер 0-1000 мкм 60 хв 0-800 мкм 40 хв 0-600 мкм 20 хв 0-400 мкм 10 хв 45 50 Неіонний полімер 0-1000 мкм 0-800 мкм 0-600 мкм 0-400 мкм 0-300 мкм 120 хв 70 хв 40 хв 20 хв 10 хв Пропускання через PSU забезпечує можливість зниження тривалості розчинення на величину від 20 до 30 % для частинок з найкрупнішими розмірами і трохи менше для частинок з дрібнішими розмірами. Існує можливість промислового розмелювання цих полімерів до частинок з такими розмірами, пов'язаного з додатковими витратами. Однак вміст дрібних фракцій (