CN105683489B - 用于无水压裂流体的输送的控制系统和设备 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用喷射器（104）将支撑剂混合到液化气流体流（101）中的系统，以产生通过控制阀系统（105）及相关的PLC控制器的使用而被有效地控制的支撑剂浆（107）。该系统确保了系统在各种静态压力下的操作，并且在整个压裂操作期间保持支撑剂完全流体化。

Description

用于无水压裂流体的输送的控制系统和设备

技术领域

描述了用于喷射器（eductor）-混合器技术的实施的控制系统及相关方法和设备，以用于提供将支撑剂材料注射到在液压压裂（fracturing）操作中使用的无水压裂流体流中的功能。所述系统和设备包括喷射器、提供支撑剂贮存器的封闭容器、设置在喷射器与封闭容器之间的阀、以及用于在压裂操作期间改变封闭的支撑剂容器中的压力的压力控制系统。该控制系统使用控制阀位置与支撑剂贮存器压力的组合来调节和设定支撑剂向喷射器中供给以与无水流体混合的供给速率，并控制压裂流体流中的支撑剂浓度。

背景技术

使用二氧化碳以增加储层的石油和天然气产量是公知的。与常规的流体例如水相比，基于液化气的压裂是独特的，并且在水敏和低压地层中具有某些优点，包括促进流体回流（即，回收在压裂处理中使用的水/流体），这使得由水导致的地层破坏减至最小。参见美国德克萨斯州休斯敦的Energy Tribune Publishing公司的Michael J. Economides在T.M. (2007)的《当代压裂（Modern Fracturing）》中著有的《提高天然气产量》（S. Weiss,Ed.）一文。在压裂处理中使用的LCO₂一般在井口（well head）处被添加到水与支撑剂（一般为各种尺寸和密度的固体，例如沙、聚合物颗粒、示踪剂、砂砾等）的高压流。将水与支撑剂组合并添加单独的加压LCO₂流是形成CO₂增能压裂流体的最常规的方法。这在很大程度上是适当的，因为在大气压下将支撑剂与水混合并且然后在高于二氧化碳的三相点的压力下（即，高于75.1psia）将支撑剂添加至液态的二氧化碳要简单得多。

具有如下设备可用：所述设备能够用于小压裂处理（例如，布置高达大约20吨支撑剂）以将支撑剂直接与基于液态二氧化碳的压裂流体混合）。该设备包括加压容器和集管系统，该集管系统在高压泵之前将支撑剂混合到液态CO₂流中。支撑剂被加载到CO₂混合器中。混合器被密封，然后被填充CO₂。在压裂过程期间，支撑剂通过液压驱动的螺旋钻（auger）被混合到压裂流体中，或者通过重力被供给通过控制阀。参见美国德克萨斯州休斯敦的Energy Tribune Publishing公司的Michael J. Economides在T.M. (2007)的《当代压裂（Modern Fracturing）》中著有的《提高天然气产量》（S. Weiss, Ed.）一文。一旦一批LCO₂和支撑剂被消耗完，压裂处理必须结束或暂停，以便用另外的支撑剂重新填充混合器。

如在美国专利No. 4,374,545中所描述的，先前的努力提供了产生支撑剂和LCO₂压裂浆的批处理。每个单元都能够计量供给高达20吨的单个类型的支撑剂并且通过使用计量式螺旋钻而解决支撑剂供给控制问题。对容器的底部进行的LCO₂添加使得可流动且无蒸气的支撑剂浆离开系统并且能够维持容器中的压力。

在美国专利No. 8,408,289和美国专利No. 8,689,876中描述了另一种系统，其描绘了直立式容器，其中支撑剂被计量供给至作为基压裂流体的LPG（液化石油气）中。通过使用重力（通过控制阀）或者通过一个或多个螺旋钻，支撑剂在LPG压裂流体流中的加载发生变化，其中所述一个或多个螺旋钻设置在支撑剂供给源内并且沿着支撑剂供给源的底部设置，或者布置在支撑剂供给源的外部。（氮气形式的）惰性气体在操作期间被泵送至容器中以维持容器压力，从而确保LPG混合物维持液相，以防止回流到容器中。

诸如喷射器之类的非机械泵能够用来将支撑剂混合到压裂流体流中。非机械泵具有不含运动部件的优点，通常是低成本的，为简单的设备元件，并且已经在相关的材料引入中普遍地使用。例如，国际公布No. WO2012087388描述了用于将聚合物添加剂引入并混合在压裂流体流中的喷射器系统。

用于固体处理和混合的液体喷射器的一般使用严重依赖于引射流（motive flow）（即，进入喷射器的流体流（在没有添加支撑剂的情况下））与固体夹带物的速率之间的关系来控制固体浓度。当液体经过喷射器的会聚喷嘴时，势能被转换为动能，从而产生高速射流。这种能量变化导致静态压力的局部减小，从而产生了喷射器的本体内的抽吸。该抽吸使得材料能够被吸入到喷射器中并且被流体（LCO₂等）夹带。喷射器用于双重目的：进行喷嘴内的混合以及将材料吸入到流体中以确保紧密的混合。通过更多常规的方法，例如使用沙或类似材料的支撑剂以提供水基浆，水的粘性有助于将固体材料吸入到发生抽吸的喷射器本体中。当必须建立相对低粘度的流体（与水相比）例如液态二氧化碳（LCO₂）中的颗粒悬浮时，出现了困难。本发明通过在井口注射之前将均质的压裂流体输送到高压泵送器中而以更完全地受控的方式解决了将支撑剂添加到这种流体中的需求。

在美国专利No. 7,735,551中描述的系统和方法用来使氮气与支撑剂混合以压裂地下石油和天然气地层或煤层。支撑剂与天然气的混合在足以压裂地层的压力下发生。在一个实施方式中，使用喷射器将支撑剂引入到蒸气流中，并且喷射器与井口连通。支撑剂材料通过使用控制阀而在重力作用下从支撑剂贮存器被供给到喷射器中，或者通过使用螺旋钻而被调节。所描述的系统提供了使用阀位置或螺旋钻速度来调节支撑剂进入蒸气流中，从而实现指定的支撑剂加载。支撑剂贮存器的顶部空间中的压力在整个增产措施（stimulation）过程中保持在恒定值。

为了克服现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种控制机构，其用于操作将支撑剂输送到液化气例如LCO₂中的系统，以用于压裂地下地层。尽管本文论述的液化气是以LCO₂作为示例的，但液化气也可以是不混溶流体与非不混溶流体的组合，例如CO₂与甲醇的组合，CO₂与生物柴油的组合或CO₂与水的组合。具体地，所研制的控制机构使用喷射器连同支撑剂控制阀以及支撑剂贮存器中的充填压力（pad pressure）（后文论述）以基本均匀的方式将支撑剂加载控制在指定的浓度。

本发明的另一个目的是提供一种设计成在显著地低于表面处理压力（例如，400PSI或低于400PSI）的压力下使支撑剂与压裂流体混合的系统。

本发明的又一个目的是提供如下一种系统，其中：喷射器能够与液体一起使用，并且其中，所述系统不使用螺旋钻来对进入压裂流体的支撑剂进行计量。

在研究了说明书、附图以及所附权利要求后，本发明的其他目的和方面将对本领域技术人员显而易见。

发明内容

本发明描述了一种系统及相关设备，用于通过使用喷射器来修正支撑剂随液化气或相对低粘度（即在1厘泊（cP）下小于水的粘度）液体（例如二氧化碳）的夹带率。更具体地，该系统使用支撑剂贮存器、阀、喷射器以及压力源来提供压裂流体的流动流中的支撑剂的适当的浓度，用于使地下地层例如新的油气井和已经存在的油气井增产。在本发明中，不使用螺旋钻对支撑剂流进行计量。容器与大气密封开，以实现适当的压力修正。包括支撑剂贮存器和喷射器在内的本发明中的设备的工作压力在大约100至400PSI的范围内。

固体输送液体式喷射器被用来使支撑剂在主液体流中混合并加速。喷射器的尺寸可以变化（具有不同的喷嘴和尾部）以适应特定的井所需的流率。一旦引射流的流量需求已经确定，便执行控制系统。该控制系统使用至少一个阀来控制支撑剂从一个或多个加压支撑剂贮存器到喷射器中的流动，从而使材料与引射流混合。气体和/或液体被供给至支撑剂贮存器的顶部，以控制支撑剂贮存器内的静态压力（后文论述）。修正支撑剂贮存器内的静态压力扩展到从贮存器到喷射器中的可实现支撑剂流率的范围。

在本发明的一个方面，提供了一种控制在地下地层的增产措施中使用的压裂流体中的支撑剂浓度的方法。该方法包括：

以大约150至400psig的压力将液化气的引射流体流供给至喷射器，其中液化气与支撑剂或支撑剂浆在喷射器中混合以形成压裂流体，其中加压支撑剂贮存器设置在将支撑剂浆供给至至少一个喷射器的位置；

A. 将加压支撑剂贮存器中的充填压力从大约-30psi改变至大约40psi；以及

B. 进一步改变设置在喷射器与加压支撑剂贮存器之间的支撑剂控制阀，以将压裂流体中的支撑剂的支撑剂浓度控制在从大约0.1 lbs/gal到大约10 lbs/gal的范围内。

在本发明的另一个方面，提供了一种控制在地下的增产措施中使用的压裂流体中的支撑剂浓度的系统。该系统包括：

A. 提供支撑剂贮存器，该支撑剂贮存器中具有支撑剂或支撑剂浆并且设置在将支撑剂或支撑剂浆供给至喷射器的位置；

B. 提供喷射器，用以接收处于150 psig至450 psig之间的压力下的液化气的引射流体流，其中喷射器设置在支撑剂贮存器下方，并且在从支撑剂贮存器接收到支撑剂或支撑剂浆之后形成喷射器的出口处的含有支撑剂的流体；以及

C. 提供设置在支撑剂贮存器与喷射器之间的支撑剂控制阀，其中支撑剂贮存器中的充填压力从大约-30 psi变化至大约40 psi，从而获得压裂流体中的支撑剂从大约0.1lbs/gal到大约10 lbs/gal的浓度范围。

附图说明

本发明的上述及其他方面、特征和优点将从下面的附图中更加显而易见，在附图中：

图1是图表，示出了将水和液化二氧化碳的使用进行比较时，引射流流率和沙/支撑剂质量流的影响之间的差别。

图2是图表，示出了充填压力对通过计算机控制阀的多个位置的压裂流体流中的支撑剂的浓度的影响。

图3是描绘了混合器/贮存器系统的实施方式的示意图，该系统提供支撑剂的受控注射以及支撑剂与液化气流体的受控混合，其中液化气流体用于使用喷射器对地质地层进行压裂。

图4是总体系统的另一个实施方式的进一步视图，示出了某些过程控制方面。

图5是在23 gal/min的引射流率和低充填压力下的各种支撑剂控制阀位置的图形表示。

图6是在23 gal/min的引射流率和高充填压力下的各种支撑剂控制阀位置的图形表示。

具体实施方式

本发明涉及用于提供压裂液的连续或半连续供给的系统和设备，其中流率和控制流率的方法使用喷射器，使得支撑剂能够在压裂流体流的产生期间与流体彻底地混合，并且通过控制阀的使用和支撑剂贮存器压力而被控制。如本文使用的，“压裂流体”或“压裂液”被互换地使用，并且指的是向下游输送到压裂泵的产品。喷射器和相关的阀必须适当地设定尺寸以提供支撑剂和产生的组合流体支撑剂浆的以期望浓度的高效加速——这取决于所需的压裂液流率。可以使用的喷射器例如包括喷射泵、抽吸泵、文丘里泵、虹吸泵、吸出器、混合三通管、注射泵等。喷射器可以包括可变尺寸的喷嘴或孔，其可以通过可编程逻辑控制器等被控制，以维持支撑剂贮存器下游的净正吸入压头（NPSH）压力，如后文论述的。这使得能够在不改变喷嘴或喷射器自身的情况下使用大范围的流率。在喷射器的吸入侧，设置有大的贮存器（称为支撑剂贮存器）以用于保持干的支撑剂或支撑剂浆（支撑剂与液化气、可能还有其他添加剂的混合物）。支撑剂或支撑剂浆从贮存器到流体流的流动由设置在喷射器与贮存器之间的阀控制。为了本公开的目的，该阀将称为“支撑剂控制阀”。该支撑剂控制阀可以是包括滑动闸、刀阀、夹管阀和节流阀在内的多种类型中的一种。支撑剂通过升降口或通过气压填充被加载到贮存器中，然后容器被密封。一种或多种干气体或液化气然后可以被添加到系统中。干气体通常被添加到贮存器的顶部以防止支撑剂雾化。

液化气可以通过使用附接至容器的底部的单独的液体线路（表示为液体添加线路）被添加通过贮存器的底部，或者可替代地，被添加至喷射器的吸入侧。液化气最初被添加至贮存器的底部，以防止形成气穴。在压裂处理期间，液化气也可以被添加至贮存器的底部，以促进固体-液化气悬浮物的形成。

所述系统的制备和用来执行处理方法的设备的使用一般被描述如下：支撑剂被加载到支撑剂贮存器中，用气体将贮存器加压到高于液化气的三相点压力（triple pointpressure）以上的压力，以确保当添加液化气时液体保留在贮存器中。

一旦引射流已经建立，支撑剂控制阀便打开以开始支撑剂材料与压裂流体流的混合。压裂流体中的支撑剂加载和/或组合流的流率通常使用核密度计、磁流量计、科里奥利流量计或其他合适的测量装置来测量。在本发明中，支撑剂控制阀位置的开度（即，在多个大小的开度之间）的调节基于测得的固体浓度通过手动方法或者通过使用自动的计算机控制的控制环来确定。阀的打开和关闭的控制使得能够对进入喷射器的支撑剂进行适当的计量。压裂流体中的固体的浓度与支撑剂加载同步。支撑剂贮存器中的静态压力的调节用来提供阀的更大范围的可操作性（后文将详细描述）。通过调节支撑剂控制阀以及调节支撑剂贮存器中的静态压力来对支撑剂进行计量提供了对每加仑（或其他液体测量单位）的压裂流体的期望的支撑剂加载。该加载或浓度通常在每加仑至少0.1 lbs至10 lbs的范围内。对于特定的压裂操作，更优选的范围为0.1 lbs/gallon至4 bls/gallon之间。

充填压力（在本发明中定义为支撑剂贮存器的顶部空间与喷射器的出口之间的压力差）的使用提供了扩展实现期望的支撑剂加载的总体能力的必要静态压力。在本发明中，贮存器中的静态压力被测量为在贮存器的底部处与在喷射器泵的排出口处测量的压力相比的压力差。

静态压力的变化通常通过控制供给至支撑剂贮存器的顶部的加压气体（例如气态二氧化碳或氮气）或液体（例如液化二氧化碳）的流量来实现。此外，可以使用泄压控制阀来泄放贮存器的顶部空间中的过压力。理想地，充填压力在压裂操作的过程中变化，并且操作范围维持在-20 psi至30 psi之间。过度的充填压力能够导致压裂流体流中比期望的支撑剂加载高的支撑剂加载。太高的充填压力能够导致支撑剂控制阀的灵敏度提高，并且期望的支撑剂浓度的精确控制将会更难实现。在这种情况下，充填压力应当减小。可替代地，太低的充填压力能够导致对来自支撑剂贮存器的支撑剂流的限制，使得压裂流体中的支撑剂浓度低于设定值。在这种情况下，充填压力应当增大。

工作静态压力和喷射器排放压力必须维持为超过在工作温度下的压裂流体的蒸气压力和/或超过所需的NPSH。例如，维持适当的压力以确保液态二氧化碳（LCO₂）在高压压裂泵中保持为单相流体（液体）需要大约50 psi NPSH，或者至少需要充分地高于用于高压泵的正常、安全且可靠的操作的饱和条件的压力。大量的蒸气或较低NPSH流体的设置具有气阻或蒸气空化的风险。这些条件将不利地影响性能，并且会损坏高压泵。由于气阻或蒸气空化的风险，操作人员必须认识到确保适当的喷射器泵操作所需的压降。

喷射器泵的推荐操作压力范围通常在15 psi至60 psi之间，这取决于可用的“可处置”NPSH（或操作人员可用的、在维持上述饱和条件以上的充足压力的同时确保适当的喷射器性能的压力）。不能够产生喷射器中至少10 psi或更大的压降的引射流率将导致下游管道中的被不适当地消除的支撑剂或支撑剂溢流。

用于压裂流体的旁通线路围绕喷射器连接，并且也可以用来增大压裂流体的流率能力而不发生喷射器泵两端的较高压降或者进一步稀释离开喷射器的压裂流体中的支撑剂浓度。这在需要高于预期的压裂流体流率以使得能够维持适当水平的净正吸入压头（NPSH）时特别有利。例如，如果压裂处理需要40 BBLS/分钟的泵送速率而在排放压力处于维持必要的NPSH的危险之前，所安装的喷射器仅仅能够运行至30 BBLS/分钟，那么10BBLS/分钟的流量能够在喷射器周围旁绕，从而导致40 BBLS/分钟的总流量，其代价是减小了压裂流体流中能够通过混合单元产生的最大支撑剂浓度。

系统的实际操作利用两个单独的阶段来描述。

A. 启动前阶段：

在启动前阶段，步骤如下：

（1）将支撑剂贮存器与喷射器隔离，并且将支撑剂/沙通过位于贮存器的顶部的开口或者通过气动填充线路加载到支撑剂贮存器中。

（2）然后利用贮存器的上部的蒸气添加线路对支撑剂贮存器进行加压。

（3）然后通过位于贮存器的下部的液体线路对支撑剂贮存器容器填充液体。

a. 同时，可以将液体添加物提供至支撑剂贮存器的顶部，用于对贮存器填充液体或者维持贮存器中的液体水平。

b. 使用泄压控制阀在填充期间维持支撑剂贮存器中的规定压力。

（4）一旦完成填充，便可以开始操作阶段。

B. 操作阶段：

（1）将流体或引射沿着主流体线路泵送通过喷射器。

a. 可以使用旁绕喷射器的旁通线路将压裂流体流率扩展超过由经过喷射器的压降导致的极限，并且可能地防止下游泵的空化。

（2）然后打开支撑剂控制阀，并且允许支撑剂在喷射器内混合到主流体线路中。

a. 可以将隔离阀设置在支撑剂控制阀附近以在支撑剂控制阀不用作防泄漏阀的情况下用作密封件。

（3）将充填压力调节为设定值。通过使加压气体（或液体）流动至支撑剂贮存器而增加充填压力。通过打开泄压控制阀而减小充填压力。

（4）调节支撑剂控制阀的开度以实现压裂流体中的期望支撑剂浓度。

（5）能够将充填压力调节至新的值以扩展能够实现的浓度范围。

图1示出了使用由Schutte & Koerting制造的模型264喷射器，支撑剂夹带率与引射流率（即，流入喷射器的水或液态CO₂的流率）的关系。在图1中，标为“[1]”的线描绘的是使用水作为引射流体时泵送支撑剂和水的浆的喷射器的性能（作为用于比较的“基线”）。标为“[2]”的区域和点指示类似的情况，但不同的是，LCO₂已经代替水作为引射和悬浮流体。液态二氧化碳的低粘度（还是与水的粘度相比）被认为造成了引射流与夹带率之间在趋势方面的差异，因而需要本发明中提供的控制策略。

图2示出了使用液态二氧化碳作为压裂流体时，作为充填压力和支撑剂控制阀（例如，等线性式阀）位置的函数的支撑剂浓度。图2示出了作为充填压力和支撑剂控制阀开度的函数的可获得的支撑剂浓度。如本文示出的，控制系统在从-25 psi到+30 psi的充填压力范围内发挥作用，并且在从-30 psi到+40 psi的范围内仍可以发挥作用。在本发明中，充填压力用作支撑剂加载的粗调控制方式，而支撑剂控制阀开度用作支撑剂加载的细调方式。

图3使用流程图描绘了过程的概况，示出了本发明的基本要素。液态二氧化碳（LCO2）流体被供给作为流101。一般地，流101就将从液化气增压泵供给。流101的压力一般在200 psig至400 psig之间。LCO₂被输送通过喷射器104并且与来自支撑剂贮存器102的支撑剂混合，其中支撑剂贮存器102定向在足以将支撑剂提供至喷射器的位置，并且优选地定向在竖直或几乎竖直的位置。另外，支撑剂贮存器102中的流体可以被过冷却，以向下游提供必需的NPSH。例如，减小贮存器中的压力和/或使贮存器中的液体过冷却，因而实现必需的NPSH。喷射器104用于导致处理管内的混合以及提供将支撑剂从贮存器102中吸出的吸力的双重作用，从而产生产品流107中的一定程度的均匀性。对于该系统，流101中的一般LCO₂流率将在10 BBLS/分钟至80 BBLS/分钟之间。喷射器104中的适当的会聚喷嘴尺寸被选择为对于选定的液体/引射流101产生30 PSI至50 PSI之间的压降。喷射器104的操作中推荐的压降在15 PSI至60 PSI之间，这取决于流107的可用“可处置”NPSH。在压裂操作期间，支撑剂控制阀105调节支撑剂或支撑剂浆从支撑剂贮存器102到喷射器104中的流量。这些喷射器中的一个或多个可以被并联地布置和连接并且用作单个装置。例如，可以使用两个7英寸的喷射器来代替单个9英寸的喷射器，这取决于必要的流率。喷射器和系统的其他部件可以被模块化、可变化以及切换到系统之外。计量仪器106可以是核密度计、科里奥利流量计或其他合适的测量装置的组合中的任一种，其中所述核密度计、科里奥利流量计或其他合适的测量装置提供关于压裂流体加载浓度、密度或其他能够确定井口喷射之前的支撑剂浓度的参数的反馈。可以基于计量仪器106提供的读数调节支撑剂控制阀105的开度。供给至支撑剂贮存器102的顶部的加压液体或气体103的量使得能够对支撑剂贮存器102内的大约80 psi至大约400 psi范围内的静态压力进行修正。系统的静态压力的调节改变了支撑剂控制阀105的总流量。产生的LCO₂和支撑剂压裂流体通过流107被供给至高压泵送器。对于给定的或预定的引射流率，通过对进入引射流的支撑剂溶液进行计量而使用支撑剂控制阀105或充填压力或使用二者实现期望的浓度。在替代性实施方式中，能够使用相分离器（未示出）或制冷系统（未示出）来消除蒸气，并且将喷射器之后的冷凝的压裂流体提供至高压泵送器。

图4是示出了本发明的另一个实施方式的示意图。在该实施方式中，能够提供绕过喷射器305的LCO₂的并行的滑流（slipstream）302。这例如在不需要支撑剂的压裂操作阶段（通常称为充填阶段或充填加载阶段）可以是有用的。该旁通流302也可以用来辅助最终支撑剂加载的控制。进入流302和引射流301的流量由流量控制阀304和303分别控制。引射流301的流动被引导至喷射器305中，在喷射器305中，支撑剂控制阀306调节从支撑剂贮存器315到喷射器305中的支撑剂流量。位于控制阀306与支撑剂贮存器之间的隔离阀307用来使支撑剂贮存器315与喷射器305隔离。LCO₂液体通过线路308被注射到贮存器315的底部以促进液体-固体悬浮。线路308中的流量由流量控制阀309控制，并且有效地提供了操作期间贮存器315内的支撑剂搅动。这产生了有助于支撑剂从贮存器315中移除的动态扩散，并且促进了浆在进入喷射器305之前的均匀性和同质度。由另一个流量控制阀311调节的类似的LCO₂线路310将流体提供至贮存器315的顶部。该流体用来维持贮存器315中的支撑剂水平以上的液态C O₂水平，以确保来自贮存器315的顶部空间的气体不进入喷射器305，并且防止蒸气通过线路317到达高压泵送器。另外，维持该液体帽（liquid cap）还通过减小凝集并提高支撑剂的流动性能而促进了支撑剂从贮存器315的流动。加压气体线路312能够用于将蒸气注射到贮存器315的顶部，用于贮存器315的静态压力的修正和控制。可以用来调节压力的气体的示例包括但不限于二氧化碳和氮气。加压气体到支撑剂贮存器315中的流量通过使用压力控制阀313来控制。与压力控制阀313一起工作的是泄压控制阀314。该阀用来释放储存在支撑剂贮存器315的顶部空间中的过度压力。支撑剂贮存器315的顶部空间中的压力在操作期间可以通过控制阀313和314被升高和降低。贮存器315中的顶部空间压力变化导致支撑剂加载控制阀306的总流量的变化。密度计316用来确定操作期间的支撑剂加载。密度读数数据被用来修正支撑剂控制阀306的开度，以实现期望的浓度。压裂流体流317然后被输送至高压泵送器。高压泵送器将支撑剂和液化气流的压力进一步增大至表面处理压力并且与井口连通。

在下面的工作示例中进一步阐述用于实现期望的支撑剂浓度的控制系统和方法。然而，这些示例不应被理解为限制本发明。

工作示例1: 20 BBLS/分钟的引射流率

表1中的下列数据提供了模拟示例，其中（对于具有200的流动系数（CV）的支撑剂控制阀）贮存器充填压力（PP）和阀开度（VP）百分数要求以获得由压裂处理计划所规定的压裂流体浆中的每加仑LCO₂中含有0.25 lbs至4 lbs的支撑剂的期望支撑剂浓度。处理计划用来提供“预编程”的指令集（即，PLC控制器方案被加载到系统中，并且与支撑剂控制阀通信并通过控制环调节贮存器中的充填压力）。当然，如果需要修正浆中的支撑剂浓度的话，操作人员可以手动地超驰控制所述方案。确定控制阀位置和支撑剂贮存器中的顶部操作压力首先是通过现场执行的迭代过程确定的。在压裂操作期间，贮存器中的压力被基于选择的引射流率和支撑剂控制阀的流动系数调节以提供指定的充填压力（PP）和必要的阀位置（VP），从而实现期望的浓度。处理计划不能够在没有适当地确定充填压力和支撑剂控制阀位置的情况下设立。为了具备提供从低端支撑剂加载到高端支撑剂加载的范围的能力，必须改变充填压力以实现预定范围内的支撑剂加载。通过确定压裂处理所需的具体泵送率来设定引射流率。

系统（例如在上述示例性实施方式中的任一个中描述的系统）最初被设定在低充填压力下；在该给定示例中，使用-15 PSI的低充填压力。将系统设定在该低压下使得能够利用支撑剂控制阀实现低支撑剂加载（例如，0.25 lbs/gal、0.50 lbs/gal）的更好控制。支撑剂控制阀初始被调节为增加压裂流体流中的支撑剂浓度，该支撑剂浓度由加载在PLC控制器中的处理计划规定。在给定的示例中，阀从10%的开度被调节至40%的开度，以实现从0.25 lbs/gal到1.5 lbs/gal的支撑剂加载。在达到1.5 lbs/gal之后，充填压力升高以更好地实现更高的支撑剂加载（例如，3.5 lbs/gal、4.0 lbs/gal、4+ lbs/gal）。在该示例中，充填压力从-15 PSI被调节至15 PSI。压力增加以对支撑剂控制阀位置具有最小影响的方式完成（在给定的示例中，这在1.5 lbs/gal至2.0 lbs/gal下完成），因此是在指定加载下完成的。一旦新的充填压力已经建立，便通过利用支撑剂控制阀进行的调节完成该过程。

进行下面的工作以使操作复杂性最小化：通过上述过程改变顶部压力仅一次；一次仅用一个参数来调节系统（改变顶部压力或改变支撑剂控制阀位置，不是两者都改变），或者，如果调节两个参数的话，则一个参数被最低程度地改变；支撑剂控制阀和充填压力在一个方向上被调节（顶部压力始终增大并且支撑剂控制阀仅仅打开）。

表1：在对井口的20 BBLS/分钟的引射流输送下对于各种支撑剂浓度的操作条件

工作示例2： 在引射流的23 GPM下进行的试行测试

在该工作示例2中给出了与前面描述并且在图3中示出的系统类似的试验工厂系统的操作结果。在该系统中，通过在“低（即，在-5 psi至-27 psi之间）”充填压力条件和“高（即，在11 psi至27 psi之间）”充填压力条件下操作支撑剂贮存器的同时改变支撑剂控制阀的开度来控制压裂流体的浓度。对于这两个充填压力条件，引射流都是每分钟23加仑。

图5示出了对于“低”充填压力范围，从试验工厂操作产生的浓度。观察到8%开度位置变化到70%开度位置的支撑剂控制阀以及从0.25 lbs/gal到3.27 lbs/gal的支撑剂浓度。当支撑剂控制阀开度位置增加到70%以上时，支撑剂浓度不增加到3.27 lbs/gal以上。图6示出了对于“高”充填压力范围，改变支撑剂控制阀位置的结果。观察到10%开度变化到23%开度的控制阀位置以及从0.75 lbs/gal到4.04 lbs/gal的浓度。对于“高”充填压力条件，最低的能够实现的浓度是0.75 lbs/gal。

在本示例中描述的“低”和“高”充填压力试行测试的结果示出了必须改变充填压力和支撑剂控制阀位置两者以实现压裂处理所需的全部范围的支撑剂加载（例如，0.25lbs/gal至4.0+ lbs/gal）。

尽管参照本发明的示例性实施方式描述了详细地描述了本发明，但对本领域技术人员显而易见的是，可以对本发明进行各种变化和修改并且可以使用等同方案，并不偏离所附权利要求的范围。

Claims (26)

1.一种控制在地下地层的增产措施中使用的压裂流体中的支撑剂浓度的方法，包括：

以150至400 psig之间的压力将液化气的引射流体流供给至至少一个喷射器，其中液化气与支撑剂在所述喷射器中混合以形成压裂流体，其中加压的支撑剂贮存器设置在将支撑剂单独地供给至所述至少一个喷射器的位置；

将加压的支撑剂贮存器中的充填压力从-30 psi改变至40 psi；以及

进一步改变设置在所述喷射器与加压的支撑剂贮存器之间的支撑剂控制阀，以将压裂流体中的支撑剂的支撑剂浓度控制在从0.1 lbs/gal到10 lbs/gal的范围内。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，供给至所述喷射器的液化气的压力在200 psig至300 psig之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，液化气的引射流体流主要是二氧化碳。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括每分钟10桶至80桶范围内的引射流体流率。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括在不使用螺旋钻的情况下对进入引射流体流的支撑剂进行计量。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括设定所述喷射器的尺寸和设定所述引射流体流以获得通过所述喷射器的液化气的15 psi至60 psi的压降。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括通过所述喷射器下游的旁通线路提供引射流体流液化气的一部分。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括将液化气提供至支撑剂贮存器的上部以控制充填压力或者维持高于支撑剂贮存器中的支撑剂介质的液体帽。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括将加压气体提供至支撑剂贮存器的上部以控制充填压力。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述加压气体包括二氧化碳或氮气。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括通过使用泄压控制阀来降低充填压力。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括将液化气提供至支撑剂贮存器的下部以辅助包含在支撑剂贮存器中的液化气与支撑剂的混合。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，通过设置在所述喷射器的下游的浓度计或密度计来测量压裂流体中的支撑剂浓度。

14.根据权利要求1所述的方法，还包括提供并联连接的至少两个喷射器以形成压裂流体。

15.根据权利要求1所述的方法，还包括使加压的支撑剂贮存器中的支撑剂过冷却以提供下游所需的净正吸入压头。

16.根据权利要求1所述的方法，还包括将压裂流体输送至高压泵送器。

17.一种控制在地下的增产措施中使用的压裂流体中的支撑剂浓度的系统，包括：

提供支撑剂贮存器，所述支撑剂贮存器中具有支撑剂并且设置在将支撑剂单独地供给至喷射器的位置；

提供喷射器，用以接收处于150 psig至450 psig之间的压力下的液化气的引射流体流，其中所述喷射器设置在所述支撑剂贮存器下方，并且在从所述支撑剂贮存器接收到支撑剂之后形成所述喷射器的出口处的含有支撑剂的压裂流体；以及

提供设置在所述支撑剂贮存器与所述喷射器之间的支撑剂控制阀，其中所述支撑剂贮存器中的充填压力从-30 psi变化至40 psi，从而获得压裂流体中的支撑剂从0.1 lbs/gal到10 lbs/gal的浓度范围。

18.根据权利要求17所述的系统，还包括位于所述喷射器的下游的浓度计，其中所述浓度计从科里奥利流量计、核密度计和磁流量计中选择。

19.根据权利要求18所述的系统，还包括与所述浓度计通信的计算机，其中所述计算机接收来自所述浓度计的读数，将所述读数与设定值进行比较，并且改变所述支撑剂控制阀的开度以获得期望的浓度。

20.根据权利要求17所述的系统，还包括可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器用于改变所述系统中的充填压力和所述支撑剂控制阀的开度。

21.根据权利要求17所述的系统，其中，所述系统不包括对进入液化气的引射流中的支撑剂进行计量的螺旋钻。

22.根据权利要求17所述的系统，还包括旁通线路，所述旁通线路提供与所述喷射器下游的压裂流体组合的液化气的引射流体流的一部分。

23.根据权利要求17所述的系统，还包括与所述支撑剂贮存器的下部连通的液体添加线路，其中添加的液体促进了支撑剂在浆中的液体-固体悬浮。

24.根据权利要求17所述的系统，还包括与所述支撑剂贮存器的上部连通的液体添加线路，其中液体帽位于所述支撑剂贮存器中的支撑剂介质的上方。

25.根据权利要求17所述的系统，还包括与所述支撑剂贮存器的上部连通的蒸气添加线路，其中蒸气被用来改变所述支撑剂贮存器中的充填压力。

26.根据权利要求17所述的系统，还包括泄压阀控制阀，所述泄压阀控制阀设置在所述支撑剂贮存器的上部，以泄放储存在所述支撑剂贮存器的顶部空间中的过度压力。

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