带有润滑系统的旋转式等压压力交换器系统的制作方法

本申请要求以下申请的优先权和权益：2013年12月31日提交的名称为“Rotary Isobaric Pressure Exchanger System with Flush System(带有冲洗系统的旋转式等压压力交换器系统)”的美国临时专利申请第61/922,598号；2013年12月31日提交的名称为“Rotary Isobaric Pressure Exchanger System with Lubrication(带有润滑的旋转式等压压力交换器系统)”的美国临时专利申请第61/922,442号；以及2014年12月30日提交的名称为“Rotary Isobaric Pressure Exchanger System with Lubrication System(带有润滑系统的旋转式等压压力交换器系统)”的美国非临时性专利申请第14/586,545号，这些申请以引用方式全文并入本文中以用于所有目的。

背景技术：

本节旨在向读者介绍可能与在下文中描述和/或要求保护的本发明的各个方面有关的技术的各个方面。本讨论被认为有助于向读者提供背景技术信息，以有利于更好地理解本发明的各个方面。因此，应当理解，这些陈述是要基于此来阅读的，而不是作为现有技术的陈述。

在石油和天然气行业中的完井操作常常涉及液力压裂(常称为水力压裂或压裂)以增加岩层中的石油和天然气的释放。液力压裂涉及将包含水、化学物质和支撑剂(如砂、陶瓷)的流体(如压裂流体)的组合在高压下泵入井中。流体的高压增加了裂缝尺寸和裂缝扩展通过岩层，以释放更多石油和天然气，同时支撑剂在流体被减压时防止裂缝闭合。压裂操作使用高压泵来增加压裂流体的压力。遗憾的是，压裂流体中的支撑剂可能妨碍旋转设备的操作。在某些情况下，固体可以阻止旋转部件旋转和/或当它们进入旋转和非旋转设备之间的间隙时造成磨损。

附图说明

当参考附图阅读下面的具体实施方式时，本发明的各种特征、方面和优点将变得更好理解，在所有图中类似的标记表示类似的部件，在附图中：

图1是带有液压能量传递系统的压裂系统的实施例的示意图；

图2是旋转式等压压力交换器(旋转式IPX)的实施例的分解立体图；

图3是处于第一操作位置的旋转式IPX的实施例的分解立体图；

图4是处于第二操作位置的旋转式IPX的实施例的分解立体图；

图5是处于第三操作位置的旋转式IPX的实施例的分解立体图；

图6是处于第四操作位置的旋转式IPX的实施例的分解立体图；

图7是带有润滑系统的旋转式IPX的实施例的剖视图；

图8是带有冲洗系统的旋转式IPX的实施例的剖视图；以及

图9是在图8的线9-9内的旋转式IPX的实施例的局部剖视图。

具体实施方式

下面将描述本发明的一个或多个特定实施例。这些描述的实施例仅是本发明的示例。另外，为了提供这些示例性实施例的简要说明，可能无法在本说明书中描述实际实施方案的所有特征。应当理解，任意工程或设计项目中的任何这种实际实施方案的改进、大量的针对实施方案的决定都应实现改进者的具体目标，例如遵守在各个实施方案中均不同的与系统相关和与商业有关的限制。此外，应当理解，这样的改进可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开的有益效果的本领域普通技术人员来说，这些都是设计、制造和生产中的常规任务。

如下文详细讨论的，压裂系统或液力压裂系统包括液压能量转移系统，该系统在第一流体(如压力交换流体，例如基本上不含支撑剂的流体)和第二流体(如压裂流体，例如携带支撑剂的流体)之间转移功和/或压力。例如，第一流体可以在第一压力下，该第一压力在大约5,000kPa至25,000kPa、20,000kPa至50,000kPa、40,000kPa至75,000kPa、75,000kPa至100,000kPa之间或大于第二流体的第二压力。在操作中，液压能量转移系统可能或可能不完全平衡在第一和第二流体之间的压力。因此，液压能量转移系统可以等压地或基本上等压地操作(如，其中第一和第二流体的压力在彼此的大约+/-1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或10％内平衡)。

液压能量转移系统也可以被描述为液压保护系统、液压缓冲系统或液压隔离系统，因为它阻挡或限制在压裂流体和各种液力压裂设备(如高压泵)之间的接触，同时仍在第一和第二流体之间交换功和/或压力。通过阻挡或限制在液力压裂设备的各个部件和第二流体(如包含支撑剂的流体)之间的接触，液压能量转移系统减少磨蚀和磨损，由此增加该设备(如高压泵)的寿命和性能。此外，它可以允许压裂系统在压裂系统中使用较不昂贵的设备，例如，高压泵，其不设计用于研磨性流体(如压裂流体和/或腐蚀性流体)。在一些实施例中，液压能量转移系统可以是旋转的等压压力交换器(如旋转式IPX)。旋转的等压压力交换器可以大体上限定为以超过大约50％、60％、70％、80％或90％的效率转移在高压进入流和低压进入流之间的流体压力的装置而不使用离心技术。

在操作中，液压能量转移系统在第一和第二流体之间转移功和/或压力。这些流体可以是多相流体，例如，气体/液体流、气体/固体微粒流、液体/固体微粒流、气体/液体/固体微粒流、或任何其它多相流。例如，多相流体可包括砂、固体颗粒、粉末、碎屑、陶瓷、或它们的任何组合。这些流体也可以是非牛顿流体(如剪切致稀流体)、高度粘性流体、包含非牛顿流体的支撑剂、或包含高度粘性流体的支撑剂。为了有利于旋转，液压能量转移系统可包括润滑系统和/或冲洗系统。例如，液压能量转移系统可包括润滑系统，其在旋转部件和静止部件之间提供流体流，以形成流体轴承和/或辅助流体轴承，从而有利于液压能量转移系统的操作。在一些实施例中，液压能量转移系统可包括冲洗系统，其移除和/或阻挡微粒(如支撑剂)的流进入旋转部件和非旋转部件之间的间隙中(如在流体轴承处)。例如，冲洗系统可以在液压能量转移系统的操作之前、操作之后或在操作期间移除微粒以增加液压能量转移系统的效率并阻止液压能量转移系统失速。流体轴承是在流体的层(如薄层)上支撑负荷的轴承。

图1是带有液压能量转移系统12的压裂系统10(如流体处理系统)的实施例的示意图。在操作中，压裂系统10使得完井操作能够增加岩层中的石油和天然气的释放。压裂系统10可包括联接到液压能量转移系统12的一个或多个第一流体泵18和一个或多个第二流体泵20。例如，液压能量系统12可以是旋转式IPX。此外，液压能量转移系统12可以设置在与压裂系统10的其它部件分离的滑撬上，这在其中液压能量转移系统12被添加到现有压裂系统10的情况中可能是有利的。在操作中，液压能量转移系统12转移压力且在由第一流体泵18泵送的第一流体(如不含支撑剂的流体)和由第二流体泵20泵送的第二流体(如含有支撑剂的流体或压裂流体)之间没有任何显著的混合。以这种方式，液压能量转移系统12阻止或限制第一流体泵18(如高压泵)上的磨损，同时使得压裂系统10能够将高压压裂流体泵入井14中以释放石油和天然气。此外，由于液压能量转移系统12被构造成暴露于第一和第二流体，液压能量转移系统12可以由耐受第一和第二流体中任一者中的腐蚀和磨蚀物质的材料制成。例如，液压能量转移系统12可以由在金属基质(如Co、Cr或Ni或它们的任何组合)内的陶瓷(如氧化铝、金属陶瓷，例如碳化物、氧化物、氮化物或硼化物硬质相)制成，例如在CoCr、Ni、NiCr或Co基质中的碳化钨。

图2是旋转式等压压力交换器40(旋转式IPX)的实施例的分解立体图，该交换器能够在第一和第二流体(如不含支撑剂的流体和携带支撑剂的流体)之间转移压力和/或功且具有流体的极小混合。旋转式IPX 40可包括大体上圆柱形的主体部分42，主体部分42包括套管44和转子46。旋转式IPX 40也可包括两个端帽48和50，端帽48和50分别包括岐管52和54。岐管52包括相应的入口端口56和出口端口58，而岐管54包括相应的入口端口60和出口端口62。在操作中，这些入口端口56、60允许第一流体(如不含支撑剂的流体)进入旋转式IPX 40以交换压力，而出口端口60、62允许第一流体接着离开旋转式IPX 40。在操作中，入口端口56可以接纳高压的第一流体，并且在交换压力之后，出口端口58可以用来将低压的第一流体导引出旋转式IPX 40。类似地，入口端口60可以接纳低压的第二流体(如含有支撑剂的流体、压裂流体)，并且出口端口62可以用来将高压的第二流体导引出旋转式IPX 40。端帽48和50包括设置在相应的岐管52和54内的对应的端盖64和66，岐管允许流体与转子46密封接触。转子46可以是圆柱形的并且设置在套管44中，这允许转子46围绕轴线68旋转。转子46可具有多个通道70，通道70基本上纵向地延伸穿过转子46，转子46在每个端部处具有围绕纵向轴线68对称地布置的开口72和74。转子46的开口72和74布置用于与在端盖52和54中的入口孔口76和78以及出口孔口80和82液压连通，使得在旋转期间通道70暴露于高压流体和低压流体。如图所示，入口孔口76和78以及出口孔口78和80可以设计成弧线或圆形的区段(如C形)的形式。

在一些实施例中，使用传感器反馈的控制器可以控制在旋转式IPX 40中的第一和第二流体之间的混合的程度，这可以用来改善流体处理系统的可操作性。例如，改变进入旋转式IPX 40的第一和第二流体的比例允许设备操作者控制在液压能量转移系统12内混合的流体的量。影响混合的旋转式IPX 40的三个特性为：(1)转子通道70的纵横比；(2)在第一和第二流体之间的暴露的短的持续时间；以及(3)在转子通道70内的第一和第二流体之间形成流体屏障(如界面)。首先，转子通道70为大体上狭长的，这使旋转式IPX 40内的流稳定。此外，第一和第二流体可以在柱塞流流态中以最小的轴向混合移动通过通道70。其次，在某些实施例中，转子46的速度减少在第一和第二流体之间的接触。例如，转子46的速度可以将第一和第二流体之间的接触时间减少至小于大约0.15秒、0.10秒或0.05秒。第三，转子通道70的一小部分用于交换第一和第二流体之间的压力。因此，一定体积的流体作为在第一和第二流体之间的屏障保留在通道70中。所有这些机构可以限制旋转式IPX 40内的混合。此外，在一些实施例中，旋转式IPX 40可以设计成用内部活塞操作，内部活塞将第一和第二流体隔离，同时允许压力转移。

图3-6是旋转式IPX 40的实施例的分解图，示出了当通道70旋转通过整个循环时转子46中的单个通道70的位置的顺序。应当指出，图3-6是示出一个通道70的旋转式IPX 40的简化形式，并且通道70示出为具有圆形横截面形状。在其它实施例中，旋转式IPX 40可包括具有相同或不同横截面形状(如圆形、椭圆形、正方形、矩形、多边形等)的多个通道70。因此，图3-6是用于图示目的的简化形式，并且旋转式IPX 40的其它实施例可具有与图3-6中所示不同的构型。如下文详细描述的，通过使第一和第二流体能够在转子46内瞬间彼此接触，旋转式IPX 40有利于在第一和第二流体(如不含支撑剂的流体和携带支撑剂的流体)之间的压力交换。在某些实施例中，这种交换以导致第一和第二流体的有限混合的速度发生。

在图3中，通道开口72处于第一位置。在第一位置，通道开口72与端板64中的孔口78且因此与岐管52流体连通，而相对的通道开口74与端盖66中的孔口82并且通过延伸部与岐管54液压连通。如下文将讨论的，转子46可以在由箭头84指示的顺时针方向上旋转。在操作中，低压的第二流体86穿过端盖66并进入通道70，在这里，第二流体在动态流体界面90处接触第一流体88。第二流体86接着将第一流体88驱动离开通道70、通过端盖64并离开旋转式IPX 40。然而，由于短的接触持续时间，在第二流体86和第一流体88之间存在极少的混合。

在图4中，通道70已顺时针旋转通过大约90度的弧度。在该位置，出口74不再与端盖66的孔口80和82流体连通，并且开口72不再与端盖64的孔口76和78流体连通。因此，低压的第二流体86被临时地包含在通道70内。

在图5中，通道70已从图6中所示位置旋转通过大约60度的弧度。开口74此时与端盖66中的孔口80流体连通，并且通道70的开口72此时与端盖64的孔口76流体连通。在该位置，高压的第一流体88进入并加压低压的第二流体86，从而将第二流体86驱动离开流体通道70并通过孔口80，以在压裂系统10中使用。

在图6中，通道70已从图6中所示位置旋转通过大约270度的弧度。在该位置，出口74不再与端盖66的孔口80和82流体连通，并且开口72不再与端盖64的孔口76和78流体连通。因此，第一流体88不再被加压并且被临时地包含在通道70内，直到转子46旋转另一个90度，从而再次开始循环。

图7是带有润滑系统110的压裂系统10的实施例的剖视图。如上文所解释的，压裂系统10可包括旋转式IPX 40，当转子46在套管44内旋转时，旋转式IPX 40在第一流体88和第二流体86之间转移压力。为了有利于转子46的旋转，旋转式IPX 40用第一流体88和/或第二流体86在端帽64和转子46之间的第一间隙112内、在端帽66和转子46之间的第二间隙114(如在径向平面中的轴向间隙)内和在转子46和套管44之间的第三间隙116(如径向间隙或环形空间)内形成流体轴承。遗憾的是，旋转式IPX 40可能不能够导向/提供足够的流体以维持间隙112、114和116中的流体轴承。因此，旋转式IPX 40包括润滑系统110，该系统可以将润滑流体118连续地泵送通过旋转式IPX 40的外部壳体120(如外壳)且进入间隙112、114和116中。

如图所示，润滑系统110可包括一个或多个高压泵18、122，其将润滑流体118泵入旋转式IPX 40中。润滑流体118可以是来自流体源124的流体123和/或来自第一流体源126的第一流体88的组合。例如，第一流体88的一部分可以从第一流体源126被转向并进入流体处理系统128中，并且与流体123结合以形成润滑流体118。实际上，流体123(如低摩擦流体等)可以改变第一流体88的粘度，调整其化学组成等，以形成合适的润滑流体88。在一些实施例中，流体处理系统128可以处理第一流体88，将第一流体88转化为润滑流体118。例如，通过过滤微粒(如利用一个或多个过滤器129过滤)、改变粘度、调整化学组成等，流体处理系统128可以处理或改变第一流体88。在另一些实施例中，第二流体86可以从第二流体源130被转向到流体处理系统128中，以将第二流体86转化为润滑流体118。一旦形成，润滑流体118就可以接着被泵入旋转式IPX 40中，以形成或补充间隙112、114和116中的液体轴承。

为了控制润滑系统110的操作，压裂系统10可包括带有处理器132和存储器134(其存储可由处理器132执行的指令)的控制器130，以用于控制各种阀门(如打开和关闭阀门的电子致动器)、泵18、20和122、以及流体处理系统128。实际上，控制器130与阀门136、138和140通信并控制这些阀门，从而允许选择性地使用不同的流体作为润滑流体。例如，控制器130可由打开阀门136并关闭阀门138和140，以便仅使用第一流体88作为润滑流体118。在另一个实施例中，控制器130可以打开阀门138和140，以将第一流体88与流体源124中的流体123结合(如混合流体88和123)。例如，通过过滤第一流体88，然后改变具有来自流体源124的流体123的第一流体88的化学组成(如改变粘度等)，润滑系统128可以形成润滑流体118。在另一个实施例中，控制器130可以打开所有阀门136、138和140以形成润滑流体118。

除了控制润滑流体的组成之外，控制器130与泵18、20和122通信，以确保润滑流体118在足以形成或维持间隙112、114和116中的流体轴承的压力下泵入旋转式IPX 140中。例如，控制器130可以与壳体120内的压力传感器142通信。控制器130可以使用来自压力传感器142的压力信号接着控制泵18、20和122，从而确保进入旋转式IPX 40的润滑流体118以等于或大于第一流体88的压力进入。当润滑流体118的压力等于或大于第一流体88的压力时，润滑流体118能够形成或补充间隙112、114和116中的液体轴承，且同时阻止未处理的第一流体88和第二流体86进入间隙112、114和116或将其驱出(如正向流离开间隙)。例如，润滑系统110可以将润滑流体118泵送通过壳体120中的孔口144和套管44。如图所示，孔口144允许润滑流体118进入间隙116并接触转子46的外表面146。当润滑流体118接触转子46时，润滑流体118在外表面146上散布开，在轴向方向148、150和周向方向152上流动，形成流体轴承，转子46在该流体轴承上旋转。虽然示出了一个孔口144，但其它实施例可包括附加的孔口144(如1个、2个、3个、4个、5个或更多个)，这些孔口使得润滑流体118能够被泵入旋转式IPX 40中。这些孔口144也可以在壳体120上的不同位置处(如径向位置、轴向位置、周向位置或它们的组合)。

图8是带有冲洗系统178的压裂系统10的实施例的剖视图。如上文所解释的，压裂系统10可包括旋转式IPX 40，当转子46在套管44内旋转时，旋转式IPX 40在第一流体88和第二流体86之间转移压力。为了有利于转子46的旋转，旋转式IPX 40用第一流体88和/或第二流体86在端帽64和转子46之间的第一间隙112(如轴向间隙)内、在端帽66和转子46之间的第二间隙114(如轴向间隙)内和在转子46和套管44之间的第三间隙116(如径向间隙)内形成流体轴承。遗憾的是，高粘性和/或携带微粒的流体可潜在地妨碍旋转式IPX 40中的转子46的操作。例如，粘性或携带微粒的流体可以进入间隙112、114和116中，这可能使旋转式IPX 40减速或失速。因此，旋转式IPX 40包括冲洗系统110，该系统可以将冲洗流体180泵送通过旋转式IPX 40的外部壳体120(如外壳)并进入间隙112、114和116以移除微粒、沉淀物等。应当理解，一些实施例可以将图8中的冲洗系统178与图7中的润滑系统110结合，使得压裂系统10能够既润滑又冲洗旋转式IPX 40。在一个实施例中结合冲洗系统178与润滑系统110的控制器130可包括各种模式以控制这两个系统(如润滑模式、冲洗模式、清洁模式等)。不同的模式可以响应于编程的计划表、传感器反馈等而被触发。

如图所示，冲洗系统178可包括一个或多个高压泵18、122，其将冲洗流体180泵入旋转式IPX 40中。冲洗流体180可以是来自流体源124(如基本上不含微粒的流体)的流体123(如洗涤剂、溶剂、低摩擦流体等)和/或来自第一流体源126的第一流体88的组合。例如，第一流体88的一部分可以从第一流体源126被转向并进入流体处理系统128中，并且与流体123结合以形成冲洗流体180。实际上，流体123可以改变第一流体88的粘度，调整其化学组成等，以形成合适的冲洗流体180。在一些实施例中，流体处理系统128可以处理第一流体88，将第一流体88转化为冲洗流体180。例如，通过过滤微粒(如利用一个或多个过滤器129过滤)、改变粘度、调整化学组成等，流体处理系统128可以处理或改变第一流体88。在另一些实施例中，第二流体86可以从第二流体源130被转向到流体处理系统128中，以将第二流体86转化为冲洗流体180。一旦形成，冲洗流体180就可以接着被泵入旋转式IPX 40中以移除间隙112、114和116中的微粒或高粘性流体。

在一些实施例中，压裂系统10可包括带有处理器132和存储器134(其存储可由处理器132执行的指令)的控制器130，以用于控制阀门136、138和140(如打开和关闭阀门的电子致动器)、泵18、20和122、以及流体处理系统128。在操作中，控制器130与阀门136、138和140通信，从而允许选择性地使用第一流体88和/或流体123，以用于冲洗旋转式IPX 40。例如，在启动期间，控制器130可以打开阀门140，从而允许高压泵122仅用流体123冲洗旋转式IPX 40。在冲洗旋转式IPX 40之后，控制器130可以开始关闭阀门140并开始旋转式IPX 40的正常操作(如在第一流体88和第二流体86之间的压力交换)。换句话讲，控制器130可以利用冲洗流体180开始旋转式IPX 40的操作，然后从冲洗旋转式IPX 40逐渐地转变到利用第一流体88和第二流体86的稳态操作。在一些实施例中，控制器130可以在开始利用第一流体88和第二流体86的稳态操作之前停止所有冲洗。

在稳态操作期间，控制器130可以接收来自监测旋转式IPX 40的操作的传感器190、192和194的输入。这些传感器190、192和194可包括旋转速度传感器、压力传感器、流量传感器、声传感器等。例如，传感器192可以是旋转速度传感器(如可视或光学、磁性、声学等)，其检测转子46的旋转速度，使得控制器130能够监测旋转式IPX 40是否正减速或失速。在一些实施例中，传感器192可以是声传感器，其检测与正确操作(如转子46的正确的旋转速度)相关联的振动或噪声，使得控制器130能够监测旋转式IPX 40是否正减速或失速。传感器190和194同样可以是流量传感器、声传感器或流成分传感器，其使得控制器130能够监测旋转式IPX 40的操作。例如，通过检测流过出口78的增加的微粒或不存在流过出口80的微粒(这表明转子46已失速并且第一流体88和第二流体86正流过转子46而不交换压力)，流成分传感器190、194可以检测失速的转子46。类似地，声传感器190、194可以检测来自流过出口78的微粒的额外的噪音或通过出口80的减少的噪音，这表明转子46已失速。如果控制器130检测到失速或减速的转子46，控制器130可以打开或部分地打开阀门136、138和/或140以冲洗旋转式IPX 40。例如，在旋转式IPX 40操作(如在第一流体88和第二流体86之间交换压力)的同时，控制器130可以将冲洗流体180泵入旋转式IPX 40中。当冲洗流体180流过旋转式IPX 40时，冲洗流体180从间隙112、114和116移除微粒、沉淀物等，并且控制器130可以利用传感器190、192和/或194继续监测旋转式IPX 40的操作。如果控制器130确定转子46仍然不正确旋转或恢复至正确操作状态，控制器130可以使阀门136、138和/或140保持打开，同时停止泵20(如泵送高粘性或携带微粒的流体的泵)的操作，以便彻底地冲洗旋转式IPX 40。在冲洗旋转式IPX 40之后，控制器130可以再次开启泵20，使旋转式IPX 40恢复至稳态操作状态。在压裂系统10停机之前，压裂系统10也可以使用冲洗系统178来冲洗旋转式IPX40以准备将来的操作。因此，冲洗系统178可以在压裂系统10的操作之前、期间和之后使用，以改善旋转式IPX 40的效率和操作。

如图所示，冲洗系统178可以将冲洗流体180泵送通过壳体120中的一个或多个孔口144(如1个、2个、3个、4个、5个或更多个)。这些孔口144可以沿着旋转式IPX 40的轴线和圆周被定位在不同位置处。例如，壳体120可具有轴向地定位在第一端盖64和转子46之间的孔口144、穿过壳体120和转子套管44的另一个孔口144、和/或轴向地定位在转子46和第二端盖66之间的孔口144。以这种方式，冲洗系统178能够将冲洗流体180集中在间隙112、114和116中以移除微粒和/或高粘性流体。

图9是沿着图8中的旋转式IPX的线9-9的剖视图。如图所示，孔口144允许冲洗流体180穿过壳体120并进入旋转式IPX 40中。当冲洗流体180进入旋转式IPX 40时，冲洗流体180流过间隙112、114和116，驱出微粒200，破碎沉积的沉淀物200等，从而能够实现旋转式IPX的高效操作。

虽然已经以举例方式在附图中示出并在本文中详细描述了具体实施例，并且本发明可能容易出现各种修改和替代形式。然而，应当理解，本发明并非意图局限于本文所公开的特定形式。相反，本发明将涵盖落在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代形式。