带有马达系统的压力交换系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年7月31日提交的美国临时专利申请第62/031,487号的优先权和权益，该申请的全部内容通过参考纳入本文。

背景技术：

这部分意在为读者介绍可能与以下所描述和/或限定的本发明的各方面相关的技术的各方面。相信此讨论有助于为读者提供背景信息以便于更好理解本发明的各方面。因此，应理解，这些陈述应以此而非作为对现有技术的认可来阅读。

油气工业中的完井作业通常涉及液压压裂(通常称作“fracking”或“fracing”)，以增加岩层中的油气释放。液压压裂涉及将包含水、化学物质和支撑剂(例如，砂、陶瓷)的组合物的流体(例如，压裂流体)以高压泵送入井中。流体的高压增加了通过岩层的裂纹尺寸和裂纹扩展，以释放油气，同时支撑剂阻止一旦流体降压裂纹就闭合。压裂作业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与旋转设备的运行干涉。在某些情形中，固体可减缓或阻止旋转部件转动。

附图说明

当参考附图阅读以下的详细描述时，会更好地理解本发明的各种特征、方面和优点，各附图中相同字符代表相同的部分，其中：

图1是带有马达系统的液压能量传递系统的实施例的原理框图；

图2是旋转ipx的实施例的立体分解图；

图3是在第一作业位置的旋转ipx的实施例的立体分解图；

图4是在第二作业位置的旋转ipx的实施例的立体分解图；

图5是在第三作业位置的旋转ipx的实施例的立体分解图；

图6是在第四作业位置的旋转ipx的实施例的立体分解图；

图7是带有马达系统的旋转ipx的实施例的剖视图；

图8是图7中的线8－8内的旋转ipx和马达系统的实施例的剖视图；

图9是图7中的线8－8内的旋转ipx和马达系统的实施例的剖视图；

图10是图7中的线8－8内的带有马达系统的旋转ipx系统的实施例的一部分的剖视图；

图11是驱动多个旋转ipx的马达系统的实施例的侧视图；以及

图12是联接至旋转ipx的液压马达系统的实施例的剖视侧视图。

具体实施方式

下面将描述本发明的一个或多个具体实施例。所描述的这些实施例仅为本发明的示例。此外，在提供这些示例性实施例的精确描述的努力中，可能不在说明书中描述实际实施方式的所有特征。应理解，就像任何工程或设计项目那样，在任何这样的实际实施方式的开发中，必须制定大量的具体实施决策，以达到开发者的具体目标，诸如符合在不同实施中可能有变化的、相关系统和相关商业的限制。此外，应理解，这种开发工作可能是复杂且耗时的，但对于能从本发明中受益的本领域技术人员却是设计、制作和加工的常规任务。

如以下详细论述的，压裂系统或液压压裂系统包括液压能量传递系统，液压能量传递系统在第一流体(例如，压力交换流体，诸如基本不含支撑剂的流体)与第二流体(例如，压裂流体，诸如载有支撑剂的流体)之间传递功和/或压力。例如，第一流体可处于约5000kpa至25000kpa之间、20000kpa至50000kpa之间、40000kpa至75000kpa之间、75000kpa至100000kpa之间或大于第二流体的第二压力的第一压力下。在运行中，液压能量传递系统可能或可能不完全地均衡第一流体与第二流体之间的压力。由此，液压能量传递系统可能等压地或基本等压地运行(例如，其中，第一流体和第二流体的压力在彼此的约百分之+/-1、2、3、4、5、6、7、8、9或10之内均衡)。

由于液压能量传递系统在阻碍或限制了压裂流体与各种液压压裂设备(例如，高压泵)之间的接触的同时，仍在第一流体与第二流体之间交换功和/或压力，故而液压能量传递系统还可被描述为液压保护系统、液压缓冲系统或液压隔离系统。通过阻碍或限制液压压裂设备的各种部分与第二流体(例如，包含流体的支撑剂)的接触，液压能量传递系统减少了磨蚀和磨损，因而增加了该设备(例如，高压泵)的寿命和性能。此外，液压能量传递系统可使压裂系统能够在压裂系统中使用较廉价的设备，例如，不是为磨蚀性流体(例如，压裂流体和/或腐蚀性流体)所设计的高压泵。在某些实施例中，液压能量传递系统可为旋转等压压力交换器(例如，旋转ipx)。旋转等压压力交换器可被总体限定为这样一种装置，该装置在高压入口流与低压入口流之间以大于约50％、60％、70％、80％或90％的效率传递流体压力而不必使用离心技术。

在运行中，液压能量传递系统在第一流体与第二流体之间传递功和/或压力。这些流体可为多相流体，诸如气体/液体流、气体/固体微粒流、液体/固体微粒流、气体/液体/固体颗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、陶瓷或其组合。这些流体还可为非牛顿流体(例如，剪切稀化流体)、高黏性流体、包含支撑剂的非牛顿流体或包含支撑剂的高黏性流体。为了便于旋转，液压能量传递系统可联接至马达系统(例如，电动马达、内燃机、液压马达、气动马达和/或其它旋转驱动装置)。在运行中，马达系统使得液压能量传递系统能够带动高黏性和/或具有固体颗粒、粉末、碎屑等的流体一起旋转。例如，马达系统可便于带动高黏性流体或载有微粒的流体启动，这使得液压能量传动系统能够快速启动。马达系统还可提供附加力，附加力使得液压能量传递系统能够磨碎微粒，以保持带动高黏性/载有微粒的流体的合适的运行转速(例如，转每分(rpm))。在某实施例中，马达系统还可通过控制运行转速来便于液压能量传递系统中的各流体之间更精确的混合。

图1是压裂系统8(例如，流体处理系统)的实施例的原理框图，其中，液压能量传递系统10联接至马达系统12。如上所述，当使用高黏性和/或载有微粒的流体时，马达系统12便于液压能量传递系统10的旋转。例如，在完井作业期间，压裂系统8泵送载有受压微粒的流体，该流体通过扩展并增大裂纹16的尺寸来增加岩层14中油气的释放量。为了阻碍一旦压裂系统8降压裂纹16就闭合，压裂系统8使用具有固体颗粒、粉末、碎屑等的流体，这些成分进入裂纹16中并保持裂纹16敞开。

为了将该载有微粒的流体泵送到井中，压裂系统8可包括联接至液压能量传递系统10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，液压能量传递系统10可为旋转ipx。在运行中，液压能量传递系统10在由第一流体泵18泵送的第一流体(例如，不含支撑剂的流体)与由第二流体泵20泵送的第二流体(例如，包含支撑剂的流体或压裂流体)之间传递压力而基本不发生两者的混合。以此方式，液压能量传递系统10阻碍了或限制了对第一流体泵18(例如，高压泵)的磨损，同时使得压裂系统8能够将高压压裂流体泵送入井14以释放油气。为了在腐蚀性和磨蚀性环境中运行，液压能量传递系统10可由抵抗第一流体和第二流体中的腐蚀性和磨蚀性物质的材料制成。例如，液压能量传递系统10可由金属基体(例如，co、cr或ni或其任何组合)中的陶瓷(例如，氧化铝、诸如碳化物、氧化物、氮化物或硼化物硬质相之类的金属陶瓷)制成，诸如是cocr、ni、nicr或co基体中的碳化钨。

图2是旋转等压压力交换器40(旋转ipx)的实施例的立体分解图，该旋转ipx能够在第一流体与第二流体(例如，不含支撑剂的流体与载有支撑剂的流体)之间传递压力和/或功，且流体之间仅有最小化的混合。旋转ipx40可包括大致圆柱形的主体部42，主体部42包括套管44(例如，转子套管)和转子46。旋转ipx40还可包括两个端盖48和50，端盖48和50分别包括歧管52和54。歧管52包括相应的入口端口56和出口端口58，而歧管54包括相应的入口端口60和出口端口62。在运行中，这些入口端口56、60使得第一流体(例如，不含支撑剂的流体)和第二流体能够进入旋转ipx40以交换压力，而出口端口58、62使得第一流体和第二流体接着离开旋转ipx40。在运行中，入口端口56可接收高压的第一流体，且在交换压力后，出口端口58可用于引导低压第一流体离开旋转ipx40。类似地，入口端口60可接收低压的第二流体(例如，含有支撑剂的流体、压裂流体)，出口端口62可用于引导高压的第二流体离开ipx40。端盖48和50包括各自的端覆盖件64和66，端覆盖件64和66设置在各自的歧管52和54内且能够与转子46液密接触。转子46可为圆柱形的且可设置在套管44内，这使转子46能够绕轴线68旋转。转子46可具有基本纵向地延伸通过转子46的多个通道70，通道70在各端具有围绕纵轴线68对称布置的开口72和74。转子46的开口72和74布置成与端覆盖件52和54中的入口孔76、80和出口孔78、82液压连通，使得在旋转期间，通道70被暴露至高压流体和低压流体。如所示的，入口孔76、80以及出口孔78、82可设计为圆弧或圆段的形式(例如，c形)。

在某些实施例中，使用传感器反馈的控制器可控制旋转ipx40中第一流体与第二流体之间的混合程度，这可用于改善流体处理系统的可操作性。例如，对进入ipx40的第一流体和第二流体的比例加以改变就可允许设备操作者控制在液压能量传递系统10中混合的流体量。影响混合的ipx40的三个特征是：(1)转子通道70的纵横比、(2)第一流体与第二流体之间暴露的短持续时间、以及(3)转子通道70中第一流体与第二流体之间的液体屏障(例如，交界面)的产生。其一，转子通道70是大致长且窄的，这稳定了旋转ipx40内的流动。此外，第一流体和第二流体能以塞状流态(plugflow)运动通过通道70而具有最少的轴向混合。其二，在某些实施例中，转子46的速度减少了第一流体与第二流体之间的接触。例如，转子46的速度可将第一流体与第二流体之间的接触时间减少到少于约0.15秒、0.10秒或0.05秒。其三，转子通道70的一小部分用于第一流体与第二流体之间压力的交换。因而，一定容积的流体保持在通道70中作为第一流体与第二流体之间的屏障。所有这些机制均可限制旋转ipx40内的混合。此外，在某些实施例中，旋转ipx40可设计成以内活塞运行，内活塞在将第一流体与第二流体隔离的同时能够传递压力。

图3－6是旋转ipx40的实施例的分解图，示出了随着通道70旋转过一完整循环，转子46中单个通道70的位置顺序。注意到，图3－6是旋转ipx40的简化，示出了一个通道70，且通道70被示出具有圆形截面形状。在其它实施例中，旋转ipx40可包括具有相同或不同截面形状的多个通道70(例如，圆形、椭圆形、正方形、矩形、多边形等)。因而，图3－6是用于示意目的的简化，且旋转ipx40的其它实施例可具有与图3－6中所示不同的构造。如以下详细描述的，旋转ipx40通过使第一流体与第二流体能够在转子46内短暂地接触而便于第一流体与第二流体(例如，不含支撑剂的流体与载有支撑剂的流体)之间的压力交换。在某些实施例中，该交换在一定转速下发生，该转速导致第一流体与第二流体的受限的混合。

在图3中，通道开口72位于第一位置。在第一位置中，通道开口72与端板64中的孔78流体连通，并因而与歧管52流体连通，而相对的通道开口74与端覆盖件66中的孔82液压连通，并通过延伸而与歧管54液压连通。如以下将论述的，转子46可沿由箭头84所标示的顺时针方向旋转。在运行中，低压的第二流体86穿过端覆盖件66并进入通道70，在通道70中，低压的第二流体86以动态流体交界面90与第一流体88接触。接着，第二流体86驱动第一流体88离开通道70，通过端覆盖件64并离开旋转ipx40.然而，由于接触的短持续时间，在第二流体86与第一流体88之间存在最小的混合。

在图4中，通道70已顺时针旋转过约90度的弧度。在该位置中，出口74不再与端覆盖件66的孔80和82流体连通，且开口72不再与端覆盖件64的孔76和78流体连通。由此，低压的第二流体86被暂时包含在通道70内。

在图5中，通道70已从图6中所示的位置旋转过约60度的弧度。开口74现与端覆盖件66的孔80流体连通，且通道70的开口72现与端覆盖件64的孔76流体连通。在该位置中，高压的第一流体88进入并对低压的第二流体86加压，从而驱动第二流体86离开流体通道70并通过孔80而用于压裂系统8中。

在图6中，通道70已从图6中所示的位置旋转过约270度的弧度。在该位置中，出口74不再与端覆盖件66的孔80和82流体连通，且开口72不再与端覆盖件64的孔76和78流体连通。由此，第一流体88不再受压且被暂时地包含在通道70内，直至转子46又旋转90度，从而再次开始该循环。

图7是联接至旋转ipx40的马达系统12(例如，外马达系统)的实施例的剖视图。如所示的，马达系统12包括轴98，轴98经过壳体100联接至转子46。具体地，轴98延伸通过壳体100中的孔102、端覆盖件64中的孔104并进入转子中的孔106。为了便于轴98的旋转，马达系统12还可包括支承轴98的一个或多个轴承108。轴承108可在壳体100内或外。在某些实施例中，轴98可完全延伸通过转子46和端覆盖件66，从而使得轴98能够被转子46的相对侧上的轴承108支承。

在运行中，马达系统12通过提供用于磨碎微粒、保持转子46的运行转速、控制旋转ipx40中的流体的混合(例如，改变转子46的转速)或带动高黏性或载有微粒的流体与旋转ipx40一起启动的转矩而便于旋转ipx40的运行。如所示的，控制器110联接至马达系统12和一个或多个传感器112(例如，流量、压力、转矩、转速、声音、磁、光等传感器)。在运行中，控制器使用来自传感器112的反馈来控制马达系统12。控制器110可包括处理器114和存储器116，存储器116存储可由处理器114执行的非暂时性计算机指令。例如，当控制器110接收来自一个或多个传感器112的反馈时，处理器114执行存储在存储器116中的指令，以控制来自马达系统12的动力输出。

存储在存储器116中的指令可包括用于马达系统12的各种运行模式(例如，启动模式、转速控制模式、连续动力模式、周期性动力模式等)。例如，在启动模式中，控制器110可执行存储器116中的指令，该指令发信号通知马达系统12开始旋转轴98。当马达系统12运行时，传感器112可向控制器110提供反馈，该反馈表明轴98是否以合适的转速(例如，转每分)或在阈值范围内旋转。当轴98到达期望的转速或转速范围时，控制器110可发信号通知马达系统12停止旋转轴98，从而使得流过旋转ipx40的第一流体和第二流体能够接收旋转动力并将旋转动力提供给转子46。然而，在某些实施例中，旋转ipx40可使用马达系统12来周期性地补充转子46的旋转(动力)(例如，周期性动力模式)。例如，在旋转ipx40的稳态运行期间，当微粒进入转子46与套管44之间的间隙120、转子46与第一端覆盖件64之间的间隙122和/或转子46与第二端覆盖件66之间的间隙124时，转子46可能减速。如果转子46不能够足够快地研磨微粒或使微粒分裂而使旋转ipx40回到稳态转速，逐渐地，微粒可能使转子46减速。在这些情况下，控制器110可接收来自传感器112的反馈，该反馈表明转子46正在减速或在阈值范围之外。于是控制器110可发信号通知马达系统12向轴98提供动力，该动力使转子46返回至稳态转速或阈值范围。在使转子46返回至合适的转速之后，控制器110可再次关闭马达系统12。在某些实施例中，马达系统12可提供连续的输入/对转子46转速的控制(例如，连续的动力模式和/或转速控制模式)。例如，在某些实施例中，旋转ipx40可借助具有混合需求(例如，暴露需求)的流体运行。换言之，旋转ipx40可限制第一流体与第二流体之间的暴露，以阻碍或限制随第二流体通过孔78离开旋转ipx40的第一流体量。

图8是图7中的线8－8内的旋转ipx40和马达系统12的实施例的剖视图。在图8的实施例中，马达系统12是电动马达，其中，永磁铁160围绕转子46周向间设，转子46与套管44(例如，定子)中的电磁铁162(例如，定子绕组)相互作用。在某些实施例中，套管44可包括永磁铁160，而转子46包括电磁铁162，或转子46和套管44两者可都包括电磁铁162。此外，在某些实施例中，套管44或转子46可完全地或部分地由与电磁铁162相互作用的磁性材料(例如，永磁材料)制成。如所示的，电磁铁162(例如，定子绕组)和永磁铁160分别搁置在套管44和转子46内，以保护电磁铁162和永磁铁160不与流过旋转ipx的流体接触。然而，在某些实施例中，电磁铁162(例如，定子绕组)和/或永磁铁160可放置在套管44和转子46的外表面上。

在运行中，控制器110(例如，变频驱动装置)通过开启和关断电磁铁162来吸引和/或排斥永磁铁160，从而控制转子46的旋转。相反的磁场将引起转子以正比于所施加的交流电流的频率的转速旋转。随着磁铁160、162彼此吸引和/或排斥，磁铁160、162驱动或减慢转子46的旋转。以此方式，来自马达系统12的动力通过使转子46能够磨碎微粒、保持规定的运行转速、控制旋转ipx40中的流体的混合(例如，控制转子46的转速)、或带动高黏性或载有微粒的流体与旋转ipx40一起启动，从而便于旋转ipx40的运行。在某些实施例中，控制器110可响应于来自一个或多个传感器112(例如，流量、压力、转矩、转速、声音、磁、光等传感器)的反馈而控制马达系统的运行。

在某些实施例中，马达系统12可用于发电。例如，转子46可能以由通过旋转ipx40的流体运动所引起第一转速自旋。于是，控制器110可用于使马达系统12将转子46减慢至小于第一转速的第二转速。由于感应发电的效应，电磁场将发出电，这些电可接着被用于各种目的。例如，所发出的电可用于驱动与旋转ipx40关联的其它电动部件，诸如所载的诊断和/或监测系统。

此外，通过使用所公开的马达系统12的实施例来控制转子46的转速，可直接获知转子46的转速。转子46的转速可接着被控制器110或其它系统用于检测和/或控制旋转ipx40的运行。例如，如果转子46的转速低于第一阈值，这可能表明旋转ipx40的非期望运行，则控制器110可发出合适的信号以使用马达系统12来增加转子46的转速。相似地，如果转子46的转速高于第二阈值，这可能同样表明旋转ipx40的非期望运行，则控制器110可减小转子46的转速。如由传感器或来自电子器件的电信号反馈(例如，通过高动力需求所表明，以引起转子46自转)所表明的旋转ipx40的非期望运行可用于计划旋转ipx40的预防性维护，从而减少了与运行旋转ipx40相关的维护成本。在某些实施例中，控制器110可显示第一指示(例如，绿灯)来表明旋转ipx40在期望的阈值内运行，并可显示第二指示(例如，红灯)来表明在期望的阈值外运行。此外，控制器110可在控制器的显示器上显示转子46的转速。在某些实施例中，如果转子46的转速减至第一阈值以下、需要高等级的动力来保持旋转、超出第二阈值、呈现减慢趋势、呈现加快趋势、呈现转速的快速变化或这些情况的任何组合，控制器110可致动警报器或其它指示器以使操作者能采取合适的动作。在某些实施例中，控制器110可基于转子46的转速接近期望的阈值或在期望的阈值外而自动地采取合适的动作。取决于转速异常的本质，诸如转速变化是缓变的还是突变的，由操作者或控制器110所采取的动作可能不同。在某些实施例中，控制器110可监测表明转子46的转速的各种其它参数，以确定期望的控制动作。

图9是图7中的线8－8内的旋转ipx40和马达系统12的实施例的剖视图。在图9的实施例中，马达系统12是电动马达，其中，永磁铁160围绕转子46周向间设，与壳体100的外表面180上的电磁铁162(例如，定子绕组)相互作用。在某些实施例中，旋转ipx40的外表面180可包括永磁铁160，而转子46包括电磁铁162，或旋转ipx40的外表面180和转子46两者可都包括电磁铁162。在某些实施例中，转子46可由使整个转子46能够与电磁铁162相互作用的磁性材料制成。通过将电磁铁162联接至旋转ipx40的外表面180，马达系统12保护电磁铁162远离流过旋转ipx40的流体。此外，通过将电磁铁162置于旋转ipx40的外表面180上，马达系统12便于维护和检查时对电磁铁162的接近。如上所述，在运行中，控制器110控制至电磁铁162的动力，以驱动转子46转动，这使得转子46能够磨碎微粒、保持规定的运行转速、控制旋转ipx40内的流体混合或带动高黏性或载有微粒的流体与旋转ipx40一起启动。

图10是图7中的线8－8内的旋转ipx40和马达系统12的实施例的剖视图。在所示的实施例中，旋转ipx40可能不包括套管44；替代地，可使用中心支承柱190(例如，轴)而使转子46能够旋转。具体地，中心支承柱180附连至端覆盖件64、66且包括一个或多个永磁铁和/或电磁铁162(例如1、2、3、4、5或更多个)。因而，这减小了永磁铁和/或电磁铁162与转子46中的永磁铁和/或电磁铁160之间的距离，从而增加了永磁铁和/或电磁铁与转子46(例如，如果部分地或全部地由磁性材料制成)或转子46内的永磁铁和/或电磁铁160之间感应耦合的效率。如所示的，通过将永磁铁和/或电磁铁162设置在中心支承柱190中，旋转ipx40阻碍了流体流与永磁铁和/或电磁铁162之间的接触。如上所述，在运行中，控制器110控制传送至电磁铁160和/或162的电力，以驱动转子46转动，这使得转子46能够磨碎微粒、保持规定的运行转速、控制旋转ipx40内的流体混合、或带动高黏性或载有微粒的流体(例如，压裂流体)与旋转ipx系统一起启动。

图11是能够同时驱动多个旋转ipx40的马达系统12的实施例的侧视图。例如，每个旋转ipx40可包括各自的轴198，各轴198联接至转子46。轴198进而使用连接件200(例如，带、链条等)而联接至马达系统12的轴98。在运行期间，马达系统12将旋转动力从轴98传递至每个旋转ipx40，因而借助一个马达系统12驱动了多个旋转ipx40。在本实施例中，有两个旋转ipx40联接至马达系统12。然而，在某些实施例中，可能有1、2、3、5、10、15或更多个旋转ipx40联接至马达系统12。例如，旋转ipx40可围绕马达周向定位，从而使得多个旋转ipx40能够联接至单个马达系统12。

在某些实施例中，旋转ipx40可包括离合器202，离合器202将旋转输入与马达系统12选择性地连接和断开。例如，控制器110可能接收来自传感器112的反馈，该反馈表明一个或多个旋转ipx40正在减慢(例如，不能磨碎微粒)。由此，控制器110可闭合相应的离合器202，从而使得马达系统12能够将旋转能量传递至合适的旋转ipx40。如上所述，控制器110控制马达何时驱动旋转ipx40旋转、马达驱动旋转ipx40旋转多少以及马达驱动旋转ipx40旋转多久。控制器110可基于来自一个旋转ipx或来自多个旋转ipx40的传感器反馈来控制马达。例如，当一个旋转ipx不能够磨碎微粒、保持规定的运行转速或控制旋转ipx40内的流体混合时，控制器110可启动马达系统12。然而，在其它实施例中，控制器110可仅当多于一个旋转ipx40需要附加动力时启动马达系统12。

图12是联接至旋转ipx40的马达系统12(例如，液压马达)的实施例的剖视侧视图。马达系统12通过提供用于磨碎微粒的转矩、保持旋转ipx40的运行转速、控制旋转ipx40中的流体的混合、或带动高黏性或载有微粒的流体与旋转ipx40一起启动，来便于旋转ipx40的运行。例如，液压马达系统12可包括通过轴98联接至旋转ipx40的液压涡轮220。在运行中，马达系统12接收来自流体源222的流体流(例如，高压不含支撑剂的流体)，这些流体流驱动液压涡轮220旋转，并因而驱动轴98旋转。流体源222可与用来使旋转ipx40运行的流体源相同，或是不同的流体源。随着轴98旋转，轴98使转子46旋转。在某些实施例中，控制器110可控制阀224，从而控制通过液压涡轮220的流体流量。例如，当控制器110接收来自传感器112(例如，流量、压力、转矩、转速、声音、磁、光等传感器)的反馈时，处理器114执行存储在存储器116中的非暂时性计算机指令，以控制阀224的打开和关闭，从而启动和停止液压涡轮220。

本文通过附图中的示例示出了具体实施例并对这些具体实施例做了详细描述，而本发明可有各种修改和替代形式。然而，应理解本发明不意在限制于所公开的具体形式。而是，本发明覆盖了落入由以下所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。