用于压裂的压力交换器

申请号 CN202180014585.0 申请日 2021-02-12 公开(公告)号 CN115210478B 公开(公告)日 2023-12-22
申请人 等压策略公司; 发明人 雷夫·J·豪格;
摘要
权利要求

1.一种用于压裂的压力交换器,所述压力交换器包括:
转子,所述转子被配置成围绕轴线旋转,所述转子限定平行于所述轴线延伸的多个转子管道,每个转子管道在所述转子的彼此间隔开的第一侧与第二侧之间延伸;
第一端盖,所述第一端盖布置在所述转子的所述第一侧处,所述第一端盖限定第一对孔,所述第一对孔被配置成使包含压裂颗粒的第一流体与所述转子连通并且包括第一入口端口和第一出口端口;以及
第二端盖,所述第二端盖布置在所述转子的所述第二侧处,所述第二端盖限定第二对孔,所述第二对孔被配置成使第二流体与所述转子连通并且包括第二入口端口和第二出口端口,
其特征在于,所述第一端盖还限定冲洗端口,所述冲洗端口被配置成在所述第一入口端口将所述第一流体与所述转子连通之后,将所述第二流体供应到所述转子的所述第一侧。
2.根据权利要求1所述的压力交换器,其特征在于,所述冲洗端口与所述转子的所述第一侧间隔开,并且在所述转子的所述第一侧与所述冲洗端口的面向所述转子的所述第一侧的端部之间限定间隙。
3.根据权利要求2所述的压力交换器,其特征在于,所述间隙的尺寸大于压裂颗粒的最大尺寸。
4.根据权利要求2所述的压力交换器,其特征在于,所述第一端盖包括密封区域,所述密封区域面向所述转子的所述第一侧并且布置在所述第一对孔之间,其中,所述轴线穿过所述密封区域,并且
其中,所述冲洗端口被限定在所述密封区域与所述第一入口端口之间,所述冲洗端口与所述第一入口端口连通。
5.根据权利要求4所述的压力交换器,其特征在于,所述冲洗端口被配置成将所述第二流体供应到所述转子的所述第一侧,使得所述第二流体将所述第一流体与所述密封区域分离开。
6.根据权利要求2所述的压力交换器,其特征在于,所述第一对孔包括:
所述第一入口端口,所述第一入口端口是低压入口,所述低压入口被配置成将具有第一低压的所述第一流体引入所述转子,所述低压入口与所述冲洗端口连通;以及所述第一出口端口,所述第一出口端口是高压出口,所述高压出口被配置成从所述转子排放具有大于所述第一低压的第一高压的所述第一流体,并且
其中,所述第二对孔包括:
所述第二入口端口,所述第二入口端口是高压入口,所述高压入口面向所述高压出口并且被配置成将具有第二高压的所述第二流体引入所述转子,以及
所述第二出口端口,所述第二出口端口是低压出口,所述低压出口面向所述低压入口并且被配置成从所述转子排放具有小于所述第二高压的第二低压的所述第二流体。
7.根据权利要求6所述的压力交换器,其特征在于,所述第一端盖包括:
中心密封区域,所述中心密封区域布置在所述低压入口与所述高压出口之间,并且面向所述转子的所述第一侧的中心部分,所述轴线穿过所述中心密封区域;以及外部密封区域,所述外部密封区域面向所述转子的所述第一侧的外部部分,所述外部密封区域面向所述高压入口和所述低压出口中的每一个,并且
其中,所述冲洗端口被限定在所述中心密封区域与所述低压入口之间,所述冲洗端口被配置成将所述第二流体供应到所述转子的所述第一侧,使得所述第二流体将所述第一流体与所述中心密封区域分离开。
8.根据权利要求7所述的压力交换器,其特征在于,所述高压入口被配置成通过所述转子将所述第二流体的至少一部分供应到所述高压出口,使得所述第二流体将所述第一流体与所述外部密封区域分离开。
9.根据权利要求8所述的压力交换器,其特征在于,所述高压出口被配置成接收来自所述低压入口的第一体积的所述第一流体和来自所述高压入口的第二体积的所述第二流体,所述第二体积小于所述第一体积。
10.根据权利要求7所述的压力交换器,其特征在于,所述转子被配置成在所述冲洗端口将所述第二流体供应到所述转子的所述第一侧的状态下,通过所述多个转子管道的外部部分将附加冲洗体积的所述第二流体从所述高压入口供应到所述高压出口,并且其中,所述附加冲洗体积小于通过所述高压出口排放的所述第一流体的体积。
11.根据权利要求1所述的压力交换器,其特征在于,所述转子具有低压侧和高压侧,所述轴线穿过所述低压侧与所述高压侧之间的区域,
其中,所述第一对孔中的一个孔和所述冲洗端口被限定在所述低压侧处,并且所述第一对孔中的另一个孔被限定在所述高压侧处,
其中,所述第二对孔中的一个孔被限定在所述低压侧处并且面向所述第一对孔中的所述一个孔和所述冲洗端口中的每一个,并且
其中,所述第二对孔中的限定在所述低压侧处的所述一个孔的横截面积大于所述第二对孔中的限定在所述高压侧处的另一个孔的横截面积。

说明书全文

用于压裂的压力交换器

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2020年2月13日提交的美国临时专利申请No.62/976,324和2021年2月8日提交的美国非临时申请No.17/169,840的优先权,以上美国申请的公开内容通过引用结合于此。

技术领域

[0003] 本公开涉及一种压力交换器,并且更具体地,涉及一种可以减少端盖和转子的磨损的用于水力压裂的压力交换器。

背景技术

[0004] 压力交换器是一种可以在高压流体流与低压流体流之间交换压力能的设备。压力交换器的常见用途是在海水反渗透(SWRO)淡化设备中。压力交换器可以在高压流体流与低压流体流之间交换压力能,同时通过形成在压力交换器的转子中的液体屏障或界面将两种流体流分离。例如,液体屏障或界面可以由一种或两种流在转子的管道中剩余的流体体积(即,死体积)限定。压力交换器可以使用转子中剩余的死体积作为分离界面或屏障,以避免转子中的两种流体流的过度混合。
[0005] 水力致裂或压裂是通过将包括固体颗粒的压裂流体注入基岩来修建用于气体或油提取的井的过程。例如,压裂过程可能涉及向岩石注入高压流体(例如,水)以在岩石和支撑剂(诸如沙子或陶瓷材料)中形成和增加裂缝,以防止在去除压力时裂缝塌陷。通常,压裂过程可以使用具有止回的正排量来生成和供应高压压裂流体。然而,包含在高压流体中的压裂颗粒可能会加速泵和阀的磨损,并且因此可能会增加压裂过程的成本以及缩短此类部件的使用寿命。
[0006] 在一些情况下,压力交换器可以在压裂过程中使用。例如,压裂过程可以包括仅在没有压裂颗粒的清洁流体上操作并且将清洁流体提供给压力交换器的泵。然后,压力交换器可以将清洁流体的压力能传递至包括支撑剂(即,压裂颗粒)的压裂流体。在一些情况下,压力交换器可以用作成本远低于泵的牺牲品。用于压裂过程的压力交换器可能容易出现与压力交换器和支撑剂之间的干扰相关的磨损问题,这限制了其操作周期和商业适用性。
[0007] 在一些情况下,用于压裂操作的压力交换器可以由具有高强度的材料(诸如化钨)制成。然而,压力交换器的端盖仍可能干扰压裂流体中的支撑剂。例如,支撑剂可能在端盖的密封区域与压力交换器的转子管道的边缘之间被压碎。因此,端盖和转子的磨损问题仍可能限制用于压裂操作的压力交换器的商业适用性。发明内容
[0008] 本公开描述了一种用于水力致裂或压裂的压力交换器,其可以帮助防止压力交换器的过早磨损。例如,本公开描述了改进的结构和流动管理技术,以向压力交换器的具有压裂流体的一侧供应冲洗体积的清洁流体,以将压裂流体与压力交换器的端盖和转子分离。
[0009] 在一些示例中,根据本公开的压力交换器可以帮助防止或减少转子和连通压裂流体的“脏”端盖上的磨损。例如,端盖可以包括连接到低压端口以提供清洁流体(例如,水)的冲洗端口,从而冲洗或置换转子中的压裂流体,使得压裂流体可以移动远离端盖的密封区域。冲洗端口可以具有大于支撑剂颗粒尺寸的间隙以避免压裂颗粒被限定冲洗端口或转子的壁压碎。
[0010] 根据本申请中描述的主题的一个方面,一种用于水力压裂的压力交换器包括转子,该转子被配置成围绕轴线旋转并且包括平行于轴线延伸的多个转子管道,其中,每个转子管道在转子的彼此间隔开的第一侧与第二侧之间延伸。压力交换器进一步包括:第一端盖,该第一端盖布置在转子的第一侧处并且限定第一对孔,该第一对孔被配置成连通包含压裂颗粒的第一流体;以及第二端盖,该第二端盖布置在转子的第二侧处并且限定第二对孔,该第二对孔被配置成连通第二流体。第一端盖进一步限定冲洗端口,该冲洗端口被配置成在第一对孔将第一流体与转子的第一侧连通的状态下将第二流体供应到转子的第一侧。
[0011] 根据该方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。例如,冲洗端口可以与转子的第一侧间隔开并且在转子的第一侧与冲洗端口的面向转子的第一侧的端部之间限定间隙。在一些示例中,间隙的尺寸大于压裂颗粒的最大尺寸。在一些示例中,第一端盖可以包括密封区域,该密封区域面向转子的第一侧并且布置在第一对孔之间,其中,轴线穿过该密封区域。冲洗端口可以被限定在密封区域与第一对孔中的一个之间,其中,冲洗端口与第一对孔中的一个连通。在一些实施方式中,冲洗端口可以被配置成将第二流体供应到转子的第一侧,使得第二流体将第一流体与密封区域分离。
[0012] 在一些实施方式中,第一对孔可以包括:(i)低压入口,该低压入口被配置成将具有第一低压的第一流体引入转子,其中,低压入口与冲洗端口连通;以及(ii)高压出口,该高压出口被配置成从转子排放具有大于第一低压的第一高压的第一流体。第二对孔可以包括:(i)高压入口,该高压入口面向高压出口并且被配置成将具有第二高压的第二流体引入转子;以及(ii)低压出口,该低压出口面向低压入口并且被配置成从转子排放具有小于第二高压的第二低压的第二流体。
[0013] 在一些实施方式中,第一端盖可以包括:中心密封区域,该中心密封区域布置在低压入口与高压出口之间并且面向转子的第一侧的中心部分,其中,轴线穿过中心密封区域;以及外部密封区域,该外部密封区域面向转子的第一侧的外部部分,该外部密封区域面向高压入口和低压出口中的每一个。冲洗端口可以被限定在中心密封区域与低压入口之间,并且冲洗端口可以被配置成将第二流体供应到转子的第一侧,使得第二流体将第一流体与中心密封区域分离。
[0014] 在一些示例中,高压入口可以被配置成通过转子将第二流体的至少一部分供应到高压出口,使得第二流体将第一流体与外部密封区域分离。在一些示例中,高压出口可以被配置成接收(i)来自低压入口的第一体积的第一流体,和(ii)来自高压入口的第二体积的第二流体,第二体积小于第一体积。
[0015] 在一些实施方式中,转子可以被配置成在冲洗端口将第二流体供应到转子的第一侧的状态下,通过多个转子管道的外部部分将附加冲洗体积的第二流体从高压入口供应到高压出口。附加冲洗体积可以小于通过高压出口排放的第一流体的体积。
[0016] 在一些实施方式中,转子具有低压侧和高压侧,其中,轴线穿过低压侧与高压侧之间的区域。第一对孔中的一个和冲洗端口可以被限定在低压侧处,并且第一对孔中的另一个可以被限定在高压侧处。此外,第二对孔中的一个可以被限定在低压侧处,并且面向第一对孔中的一个和冲洗端口中的每一个,其中,限定在低压侧处的第二对孔中的一个的横截面积大于限定在高压侧处的第二对孔中的另一个的横截面积。
[0017] 根据另一方面,一种用于水力压裂的系统包括压力交换器,该压力交换器包括转子,该转子被配置成围绕轴线旋转并且限定平行于轴线延伸的多个转子管道,其中,每个转子管道在转子的彼此间隔开的第一侧与第二侧之间延伸。该系统进一步包括:搅拌器,该搅拌器被配置成生成包含压裂颗粒的第一流体,并且将第一流体供应到转子的第一侧;以及箱,该箱被配置成接收第二流体,并且将第二流体的第一部分供应到转子的第一侧并且将第二流体的第二部分供应到转子的第二侧。第二流体的第一部分的第一流速小于第二流体的第二部分的第二流速。
[0018] 根据该方面的实施方式可以包括以下特征或上文描述的压力交换器的特征中的一个或多个。例如,压力交换器可以进一步包括第一端盖,该第一端盖布置在转子的第一侧处,其中,第一端盖限定第一对孔,该第一对孔被配置成连通包含压裂颗粒的第一流体,并且限定冲洗端口,该冲洗端口被配置成在第一对孔将第一流体与转子的第一侧连通的状态下接收第二流体的第一部分。压力交换器可以进一步包括第二端盖,该第二端盖布置在转子的第二侧处,其中,第二端盖限定第二对孔,该第二对孔被配置成连通第二流体。
[0019] 在一些实施方式中,该系统可以进一步包括:(i)供给泵,该供给泵布置在箱与压力交换器之间并且被配置成从箱接收第二流体并且增加第二流体的压力;以及(ii)支管,该支管连接到供给泵和压力交换器并且被配置成将从供给泵接收的第二流体分成第二流体的第一部分和第二部分。在一些示例中,该系统可以进一步包括高压泵,该高压泵布置在供给泵与压力交换器之间并且被配置成从供给泵接收第二流体的第二部分。高压泵可以被配置成增加第二流体的第二部分的压力,并且将第二流体的第二部分供应到压力交换器的第二侧,其中,支管布置在供给泵与高压泵之间。
[0020] 在一些实施方式中,第一对孔可以包括:(i)低压入口,该低压入口被配置成将具有第一低压的第一流体从搅拌器引入转子,其中,低压入口与冲洗端口连通;以及(ii)高压出口,该高压出口被配置成从转子排放具有大于第一低压的第一高压的第一流体。第二对孔可以包括:(i)高压入口,该高压入口面向高压出口并且被配置成将具有第二高压的第二流体从高压泵引入转子;以及(ii)低压出口,该低压出口面向低压入口并且被配置成将具有小于第二高压的第二低压的第二流体从转子排放到箱。
[0021] 在一些实施方式中,该系统可以进一步包括连接器,该连接器布置在低压出口与箱之间并且被配置成接收来自低压出口的第二流体。连接器可以被配置成将来自低压出口的第二流体分成第三部分和第四部分,并且将第二流体的第三部分和第四部分分别供应到箱和搅拌器,其中,第二流体的第三部分的第三流速小于第二流体的第四部分的第四流速。
[0022] 在一些示例中,供应到箱的第二流体的第三流速大于供应到转子的第一侧的第二流体的第一流速,并且供应到搅拌器的第二流体的第四流速小于供应到转子的第二侧的第二流体的第二流速。
[0023] 在一些实施方式中,冲洗端口可以被配置成将第二流体供应到转子的第一侧,使得第二流体将第一流体与第一端盖的中心部分分离,其中,高压入口被配置成通过转子将第二流体的第二部分的至少一部分供应到高压出口,使得第二流体将第一流体与第一端盖的外部部分分离。在一些示例中,转子可以被配置成在冲洗端口将第二流体供应到转子的第一侧的状态下,通过多个转子管道的外部部分将附加冲洗体积的第二流体从高压入口供应到高压出口。附加冲洗体积可以小于通过高压出口排放的第一流体的体积。附图说明
[0024] 图1是示出了现有技术中的用于压裂过程的压力交换器的一个示例的圆形剖视图。
[0025] 图2是示出了现有技术中的使用压力交换器的用于水力压裂的一个示例系统的框图
[0026] 图3A是示出了根据本公开的用于水力压裂的压力交换器的一个示例的圆形剖视图。
[0027] 图3B是示出了包括冲洗端口的端盖的一个示例的剖视图。
[0028] 图4是示出了根据本公开的使用压力交换器的用于水力压裂的一个示例系统的框图。
[0029] 各个附图中相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

[0030] 下面将描述本公开的一种或多种实施方式。这些描述的实施方式仅是本公开的示例。如下文详细讨论的,所描述的实施方式总体上涉及水力处理,并且具体地涉及使用压力交换器以增加包括固体颗粒的压裂流体的压力的压裂设备。在一些实施方式中,压力交换器可以适用于输送浆料、矿石腐蚀性或侵蚀性流体的过程。
[0031] 图1是示出了现有技术中的在压裂操作中使用的压力交换器的一个示例的圆形剖视图。
[0032] 压力交换器接收和排放压裂流体,该压裂流体在图1中被描绘为黑色。压裂流体包括支撑剂颗粒,该支撑剂颗粒在压裂流体中描绘为白点。压力交换器包括:转子14;第一端盖20,该第一端盖位于转子14的第一侧(例如,图1中的左侧)处;以及第二端盖22,该第二端盖位于转子14的第二侧(例如,图1中的右侧)处。
[0033] 转子14可以围绕延伸穿过转子14的轴线32旋转。端盖20和22可以包括分别布置在端盖的中心区域处的中心密封区域17和18。此外,端盖20和22的外部部分可以称为外部密封区域,其面向并且接触转子14的外部部分的侧面。例如,外部部分相对于端盖20和22的中心区域径向向外布置。转子14可以包括多个转子管道16,该多个转子管道沿轴线32延伸穿过转子14的内部,该轴线延伸穿过密封区域17和18。转子14可以具有相对于轴线32的高压侧(例如,图1中的下侧)和低压侧(例如,图1中的上侧)并且被配置成围绕轴线32旋转。
[0034] 转子14的面向第一端盖20的第一侧可以接收和排放压裂流体。转子14的面向第二端盖22的第二侧可以接收和排放没有支撑剂的清洁流体(例如,水)。转子管道16可以限定死体积15,该死体积用作压裂流体与清洁流体之间的分离屏障。对于转子14的每次转动,死体积15可以沿转子管道16来回移动。死体积15或屏障可以具有逐渐浓缩的支撑剂。例如,死体积15可以限定在面向第一端盖20的一侧处的第一浓度与在面向第二端盖22的另一侧处的第二浓度之间的浓度梯度。第一浓度可以等于压裂流体的浓度,并且第二浓度在面向清洁水侧时可能几乎为零。
[0035] 压力交换器可以通过低压入口端口19接收低压压裂流体流13,该低压入口端口连接到第一端盖20并且被配置成接收压裂流体。压力交换器可以通过连接到第一端盖20的高压出口端口21排放高压压裂流体流11。高压出口端口21可以被配置成排放已经穿过至少一部分转子管道16的压裂流体。
[0036] 压力交换器还可以包括:高压入口端口23,该高压入口端口连接到第二端盖22并且被配置成接收高压清洁水流10;以及低压出口端口24,该低压出口端口连接到第二端盖22并且被配置成排放低压清洁水流12。高压入口端口23和高压出口端口21相对于轴线32布置在压力交换器的高压侧处,并且低压入口端口19和低压出口端口24相对于轴线32布置在压力交换器的低压侧处。
[0037] 在压力交换器的高压侧上,高压清洁水流10进入高压入口端口23,并且推到死体积15上,从而通过高压出口端口21逐渐置换压裂流体流11。高压清洁水流10可以通过一些转子管道16从端盖22移动到端盖20的外部密封区域,其中,由于端盖20与转子14之间的间隙过紧,压裂流体或死体积15中的支撑剂颗粒可能被随机压碎。因此,高压侧处的端盖20和转子14可能由于支撑剂颗粒的压碎而加速气蚀损坏或冲击损坏。
[0038] 在压力交换器的低压侧上,低压压裂流体流13进入低压入口端口19,并推到死体积15上,从而通过低压出口端口24逐渐置换低压清洁水流12。低压压裂流体流13可以通过一些转子管道16从端盖20移动到端盖22的中心密封区域18。
[0039] 当清洁水和转子管道16中的死体积15在穿过端盖20的外部密封区域之后减压时,压力交换器的低压侧也可能遭受磨损问题。例如,通过低压入口端口19引入的低压压裂流体流13可以基于转子14的旋转而穿过密封区域17。为了将压裂流体从低压侧(例如,低压压裂流体流13)转移到高压侧(例如,高压压裂流体流11),转子管道16的一部分可以穿过密封区域17。在这种情况下,压裂流体中的支撑剂颗粒的一部分可以由于端盖20与转子管道16的面向密封区域17的端部之间的间隙或缝隙狭窄,而在密封区域17的边缘上被随机压碎。另一方面,端盖22可能不会有类似的磨损问题,因为死体积15防止压裂颗粒转移到低压清洁水流12。即,清洁水可以穿过端盖22的中心密封区域18和外部密封区域两者,而不会由于压裂颗粒造成任何压碎损坏。
[0040] 图2是示出了现有技术中的使用压力交换器的用于水力压裂的一个示例系统的框图。压力交换器4可以具有与以上结合图1描述的压力交换器相同的结构。例如,压力交换器4可以接收高压清洁水流10和低压压裂流体流13,并且排放低压清洁水流12和高压压裂流体流11。在一些情况下,在图2所示的示例系统中,压力交换器4可以操作以输出280加仑每分钟(“gpm”)的高压压裂流体流11。从压力交换器4输出的压裂流体可以由管5引导并且用于修建油井或气井。图2中的压力交换器4的输出流速(例如,280gpm和300gpm)只是用于解释系统的示例,并且在其它示例中,输出流速可能会变化。
[0041] 该系统可以进一步包括:水箱1,该水箱被配置成接收水;供给泵2,该供给泵连接到水箱1;高压泵3,该高压泵连接到供给泵2并且被配置成将水供应到压力交换器4;以及搅拌器6,该搅拌器被配置成将压裂流体流13供应到压力交换器4。
[0042] 参考图2所示的示例,水箱1可以(i)通过供给管线9接收来自外部水源的270gpm的水并且(ii)通过另一供给管线8接收来自压力交换器4的30gpm的水。水箱1可以将流出的水以300gpm经由供给泵2输送到高压泵3。高压泵3可以在相对较高的压力(例如,15,000磅每平方英寸(“psi”))下操作,并且由于高压下的体积压缩而以较小的流速(例如,290gpm)排放水。高压泵3可以将高压清洁水流10供应到压力交换器4。
[0043] 搅拌器6可以接收来自压力交换器4的一些低压清洁水流12和通过供给管线7的支撑剂颗粒或压裂化学品以生成压裂流体。例如,搅拌器6可以接收250gpm的水和30gpm的支撑剂,并且将约280gpm的低压压裂流体流13排放到压力交换器4。供应到搅拌器6中的30gpm的支撑剂或压裂化学品的流速可以等于供给回到水箱1的水的流速。
[0044] 在一些情况下,由于压力交换器4中的流体的压缩或水的整体泄漏,压力交换器4的输入流速和输出流速可能彼此不完全匹配。例如,考虑到由于内部泄漏造成的水损失,压力交换器4可能需要接收比目标输出流速(例如,280gpm)更多的压裂流体或水。在一些情况下,泄漏的水可以与低压清洁水流12一起排放。例如,图2示出了高压清洁水流10的输出流速从输入流速290gpm增加到低压清洁水流12的输出流速300gpm。
[0045] 图3A是示出了根据本公开的用于水力压裂的压力交换器的一个示例的圆形剖视图。
[0046] 例如,压力交换器100被配置成接收和排放压裂流体,该压裂流体在图3A中描绘为灰色。压裂流体包括支撑剂颗粒,该支撑剂颗粒在图3A中描绘为压裂流体中的黑点。压力交换器100包括:转子114;第一端盖120,该第一端盖位于转子114的第一侧(例如,图3A中的左侧)处;以及第二端盖122,该第二端盖位于转子114的第二侧(例如,图3A中的右侧)处。
[0047] 转子114可以围绕延伸穿过转子114的轴线132旋转。例如,转子114可以围绕沿轴线132延伸的轴机械地旋转。在一些情况下,该轴可以通过驱动装置(诸如电机)旋转。在一些实施方式中,转子114(或转子114的轴)可以被配置成通过进入转子114的流而旋转。例如,压力交换器100可以进一步包括斜坡结构,该斜坡结构包括相对于轴线132的倾斜表面。斜坡结构的倾斜表面可以被配置成面向并且接触进入的流动流(例如,流体流110(例如,高压清洁水流110)或流体流113(例如,低压压裂流体流113))。基于施加到斜坡结构的倾斜表面的进入流动流的压力,转子114可以相对于端盖120和122围绕轴旋转。
[0048] 在一些实施方式中,转子114的旋转速度可以基于斜坡结构的倾斜表面的布置来确定。例如,转子114的旋转速度可以基于增加或减小倾斜表面相对于轴线132的倾斜度来确定。在一些示例中,转子114的旋转速度可以基于增加或减小布置在斜坡结构中的倾斜表面的面积或数量来确定。在一些示例中,转子114的旋转速度可以基于斜坡结构的倾斜表面的图案而变化。
[0049] 可替代地或附加地,转子114的旋转速度可以通过调节进入流的流速或压力来控制。例如,转子114的旋转速度可以基于进入流体流110的流速的增加而增加。转子114的旋转速度可以基于进入流体流110的流速的降低而降低。在该示例中,转子114的旋转速度可以取决于进入流体流110的流速。
[0050] 在一些实施方式中,转子114的旋转速度可以独立于进入流体流110的流速来控制。例如,转子114可以通过单独的驱动装置(诸如电机)来旋转。在另一示例中,可以更换压力交换器100的一个或多个部件以调节转子114的旋转速度,同时保持进入流体流110的相同流速。特别地,可以更换端盖122、端盖120、转子114或转子114的具有倾斜表面的斜坡结构以调节转子114的旋转速度。在一些示例中,端盖122和端盖120可以包括具有倾斜表面的斜坡结构。
[0051] 端盖120和122可以包括分别布置在端盖的中心区域处的中心密封区域117和118。中心密封区域117可以与转子114的第一侧间隔开最小间隙,以在端盖120与转子管道116的中心部分之间提供紧密密封,从而阻止压裂流体在端盖120与转子管道116的中心部分之间的通过或泄漏。在一些示例中,中心密封区域117可以与转子114的第一侧接触以阻止压裂流体的通过或泄漏。
[0052] 此外,端盖120和122的外部部分可以称为面向转子14的外部部分的侧表面的外部密封区域。外部密封区域布置在端盖120和122的中心区域的径向外侧。在一些示例中,端盖120的外部密封区域可以与转子114的第一侧间隔开最小间隙,以在端盖120与转子管道116的外部部分之间提供紧密密封。即,在一些情况下,端盖120的外部密封区域可以在端盖120与转子管道116的外部部分之间提供紧密的密封间隙,以阻止压裂流体在端盖120与转子管道116的外部部分之间的通过或泄漏。在一些情况下,端盖120的外部密封区域可以与转子
114的第一侧接触以阻止压裂流体的通过或泄漏。
[0053] 转子114可以包括多个转子管道116,该多个转子管道116沿轴线132延伸穿过转子114的内部,该轴线132延伸穿过密封区域117和118。转子114可以具有相对于轴线132的高压侧(例如,图3A中的下侧)和低压侧(例如,图3A中的上侧),并且转子114被配置成围绕轴线132旋转。
[0054] 转子114的第一侧可以面向第一端盖120,该第一端盖120包括一对孔,该对孔被配置成连通包含压裂颗粒的第一流体或压裂流体。例如,第一流体可以包括用于压裂操作的支撑剂,该支撑剂包括固体颗粒,诸如沙子、化学品等。转子114的第二侧可以面向第二端盖122,该第二端盖包括第二对孔,该第二对孔被配置成连通没有支撑剂的第二流体或清洁流体(例如,水)。
[0055] 在一些实施方式中,第一端盖120还可以限定冲洗端口(例如,孔口或孔),该冲洗端口被配置成在第一端盖120的第一对孔将第一流体与转子114的第一侧连通的状态下,将第二流体供应到转子114的第一侧。在一些情况下,冲洗端口可以称为管127。在一些情况下,冲洗端口可以连接到冲洗入口管道或管127,该冲洗入口管道或管被配置成将冲洗体积的清洁水供应到转子114的第一侧,同时第一端盖120的第一对孔将第一流体与转子114的第一侧连通。
[0056] 在一些示例中,冲洗端口或冲洗入口管道127与转子114的第一侧间隔开并且限定冲洗入口管道127的第一端(例如,径向外端)与转子114的第一侧之间的间隙126。例如,冲洗入口管道127的第一端可以通过间隙126与端盖120的第一对孔中的一个连通。在一些情况下,间隙126的尺寸可以大于压裂颗粒的尺寸,使得压裂颗粒可以穿过冲洗端口而不被压碎。例如,间隙126的尺寸可以大于压裂颗粒的最大尺寸(即,最大尺寸)。
[0057] 冲洗端口或冲洗入口管道127的第二端(例如,径向内端)可以与转子114的第一侧限定紧密间隙129。例如,紧密间隙129可以比间隙126更狭窄。在一些示例中,冲洗入口管道127的第二端可以连接到中心密封区域117的外侧并且与其接触,并且中心密封区域117的内侧与转子114的第一侧限定紧密间隙129。冲洗入口管道127可以被配置成将第二流体供应到转子114的第一侧,以将第一流体推向转子114的第二侧,使得第一流体移动到与中心密封区域117分离。因此,通过冲洗入口管道127供应的冲洗体积可以通过消除或减少压裂颗粒与中心密封区域117之间的接触的发生来减少端盖120的磨损。
[0058] 转子管道116可以限定死体积115,该死体积115用作压裂流体与清洁流体之间的分离屏障。对于转子114的每次转动,死体积115可以沿转子管道116来回移动。死体积115或屏障可以具有逐渐浓缩的支撑剂。例如,死体积115可以限定浓度梯度,该浓度梯度在面向第一端盖120的一侧处的第一浓度与在面向第二端盖122的另一侧处的第二浓度之间。第一浓度可以等于压裂流体的浓度,并且第二浓度在面向清洁水侧时可能几乎为零。
[0059] 在一些实施方式中,在冲洗入口管道127连接到端盖120的第一对孔中的一个以供应冲洗体积的情况下,转子114可以限定死体积115,该死体积具有相对于轴线132不对称的浓度梯度。例如,死体积115的面向进入压裂流体的第一横截面积可以大于死体积115的面向流出压裂流体的第二横截面积。死体积115的不对称性可能取决于冲洗体积。
[0060] 压力交换器100可以包括:低压入口端口或管道119,该低压入口端口或管道连接到第一端盖120并且被配置成接收压裂流体流113;以及高压出口端口或管道121,该高压出口端口或管道连接到第一端盖120并且被配置成排放已经穿过转子管道116的至少一部分的压裂流体流111。例如,低压入口端口119和高压出口端口121中的每一个可以包括管、管子、连接器等。低压入口端口119可以通过如上文讨论的间隙126与冲洗端口127连通。
[0061] 压力交换器100还可以包括:高压入口端口或管道123,该高压入口端口或管道连接到第二端盖122并且被配置成接收高压清洁水流110;以及低压出口端口或管道124,该低压出口端口或管道连接到第二端盖122并且被配置成排放清洁水流112。例如,高压入口端口123和低压出口端口124中的每一个可以包括管、管子、连接器等。压力交换器100可以被配置成将通过高压入口端口123接收的高压清洁水流110的压力能传递到通过低压入口端口119接收的压裂流体流113。例如,流出压裂流体流111的压力可以大于压裂流体流113的压力,并且流出清洁水流112的压力可以小于高压清洁水流110的压力。
[0062] 高压入口端口123和高压出口端口121可以相对于轴线132布置在压力交换器100的高压侧处,并且低压入口端口119和低压出口端口124可以相对于轴线132布置在压力交换器的低压侧处。转子114可以在从高压侧到低压侧的方向(如图3A中的黑色向下箭头所示)上围绕轴线132旋转。
[0063] 在压力交换器100的高压侧上,高压清洁水流110可以通过高压入口端口123引入并且推到转子管道116中的死体积115上,从而通过高压出口端口121逐渐转置压裂流体流111。转子114可以被配置成,基于转子114的旋转,使高压清洁水流110在从端盖122朝向端盖120的外部密封区域的方向上移动通过一些转子管道116。
[0064] 在一些实施方式中,高压清洁水流110可以包括附加冲洗体积125,以防止流出压裂流体中的支撑剂颗粒在端盖120与转子114之间被压碎。例如,冲洗体积125可以与端盖120的外部密封区域的边缘区域重叠或将其覆盖以将压裂流体与端盖120的外部密封区域的边缘区域分离。因此,附加冲洗体积125可以帮助减少端盖120的磨损。在一些示例中,冲洗体积125可以小于通过高压出口端口121排放的压裂水的体积。例如,高压出口端口121可以被配置成接收(i)来自低压入口端口119的第一体积的压裂流体和(ii)来自高压入口端口123的第二体积(即,冲洗体积125)的清洁流体,其中,第二体积小于第一体积。
[0065] 冲洗体积125还可以归因于死体积115相对于轴线132的不对称性。例如,死体积115可以在转子114的径向方向上在面向低压入口端口119和第一端盖120的低压侧处到达最外面的转子管道16。另一方面,死体积115可以在转子114的径向方向上在面向高压出口端口121和第一端盖120的高压侧处与最外面的转子管道16间隔开。
[0066] 在压力交换器100的低压侧上,低压压裂流体流113可以通过低压入口端口119进入转子管道116并且推到死体积115上,从而通过低压出口端口124逐渐转置清洁水流112。低压压裂流体流113可以通过一些转子管道116从端盖120朝向端盖122的中心密封区域118移动。
[0067] 在一些示例中,基于转子114的旋转和上文描述的流动管理技术,压力交换器100可以被配置成控制低压压裂流体流113不接触端盖122的中心密封区域118。此外,端盖122不会遭受磨损问题,因为死体积115阻止压裂颗粒转移到清洁水流112。即,清洁水可以穿过中心密封区域118和端盖122的外部密封区域两者,而不会因压裂颗粒而造成任何压碎损坏。
[0068] 图3B是示出了包括冲洗端口的端盖的一个示例的剖视图。转子114(参见图3A)可以在以第一端盖120的压裂流体流(即,低压端口)113处的箭头所示的方向上旋转。图3B中的虚线圆圈表示图3A中的圆柱形截面。
[0069] 在一些实施方式中,如图3B所示,第一端盖120可以具有高压端口111、低压端口113和冲洗端口127,它们围绕第一端盖120的中心在周向方向上延伸,并且还相对于第一端盖120的中心在径向方向上延伸。低压端口113可以与冲洗端口127间隔开,从而限定间隙
126,同时冲洗端口127与密封区域117接触或限定紧密间隙129。高压端口111可以承载附加冲洗体积125。
[0070] 图4示出了根据本公开的使用压力交换器的用于水力压裂的一个示例系统的框图。例如,系统200包括上文描述的压力交换器100(参见图3A),该压力交换器包括转子114。压力交换器100被配置成供应高压清洁水流110、低压压裂流体流113以及通过冲洗端口127的冲洗体积的清洁水。此外,压力交换器100被配置成排放高压压裂流体111和低压清洁水流112。
[0071] 具体地,如以上关于图3A所描述的,压力交换器100包括第一端盖120,该第一端盖120布置在转子114的第一侧处,其中,第一端盖120限定第一对孔,该第一对孔被配置成连通包含压裂颗粒的第一流体,并且限定冲洗端口127,该冲洗端口被配置成在第一对孔将第一流体与转子114的第一侧连通的状态下,接收第二流体的第一部分。通过冲洗端口127供应的冲洗体积的第二流体可以通过将压裂流体与端盖120的密封区域分离来帮助防止端盖
120的过早磨损问题。
[0072] 压力交换器100可以进一步包括布置在转子114的第二侧处的第二端盖122,其中,第二端盖122限定第二对孔。第二端盖122的第二对孔连接到高压入口端口123和低压出口端口124并且被配置成连通第二流体(例如,水)。在一些实施方式中,压力交换器100可以被配置成在冲洗端口127将第二流体供应到转子114的第一侧的状态下,通过多个转子管道116的外部部分将附加冲洗体积125的第二流体从高压入口端口123供应到高压出口端口
121。附加冲洗体积125可以小于通过高压出口端口121排放的第一流体的体积。
[0073] 系统200进一步包括搅拌器206,该搅拌器206被配置成生成包含压裂颗粒的第一流体(例如,压裂流体)并且将第一流体供应到转子114的第一侧。系统200进一步包括水箱201,该水箱被配置成接收第二流体(例如,水)。水箱201被配置成将第二流体的第一部分供应到转子114的第一侧(例如,高压清洁水流110),并且通过冲洗端口127将第二流体的第二部分供应到转子114的第二侧。第二流体的第一部分的第一流速可以远大于第二流体的第二部分的第二流速。例如,第二流速(例如,20gpm)可以是第一流速(例如,290gpm)的5%至
10%。
[0074] 系统200可以进一步包括:供给泵202,该供给泵连接到水箱201;以及高压泵203,该高压泵连接到供给泵202并且被配置成将水供应到压力交换器100。系统200可以进一步包括多个管,这些管连接系统200的部件并且被配置成承载水或压裂流体。因此,图4中的附图标记可以指代管和端口以及由管或端口承载的流体。
[0075] 在一些实施方式中,如系统200中所示,压力交换器100可以操作以输出280gpm的高压压裂流体流111。高压压裂流体流111可以被引导通过排放管205并且被提供给压裂操作以修建油井或气井,或者用于一些其它操作,诸如泥浆运输。图4中所示的压力交换器100的输出流速(例如,280gpm的压裂流体和300gpm的水)只是用于解释系统200的示例,并且在其它示例中,输出流速可能会变化。
[0076] 水箱201可以(i)通过供给管线或管209接收来自外部水源的270gpm的水并且(ii)通过另一供给管线或管208接收来自压力交换器100的30gpm的水。水箱201可以输出320gpm的水,并且经由供给泵202将300gpm的流出量输送到高压泵203。高压泵203可以在相对高压(例如15,000psi)下操作,并且由于高压下的体积压缩而以较小的流速(例如,290gpm)排放水。高压泵203可以将高压清洁水流110供应到压力交换器100。在一些示例中,供给泵202和高压泵203中的每一个可以包括电机。
[0077] 搅拌器或泵206可以接收并且混合从压力交换器100排放的一些低压水流112和通过供给管线207的支撑剂颗粒或压裂化学品,以生成压裂流体。例如,搅拌器6可以接收并且混合(i)300gpm的低压清洁水流112中的250gpm的水和(ii)30gpm支撑剂。搅拌器6可以将约280gpm的低压压裂流体流113排放到压力交换器100。进入搅拌器206的30gpm的支撑剂或压裂化学品的流速可以等于通过管208从低压清洁水流112供给回到水箱201的水的流速。
[0078] 在一些实施方式中,系统200可以进一步包括支管230,该支管230连接到供给泵202、高压泵203和压力交换器100的冲洗端口127。例如,支管230可以被配置成将从供给泵
202接收的第二流体(例如,320gpm)分成待供应到高压泵203的第一部分(例如,300gpm)和待供应到冲洗端口127的第二流体的第二部分(例如,20gpm)。
[0079] 在一些实施方式中,系统200可以进一步包括连接器232,该连接器232将低压清洁水流112分支以将水供应到水箱201和搅拌器206。例如,连接器232被配置成将来自低压清洁水流112的水(例如,300gpm)分成水的第三部分和第四部分,并且将水的第三部分和第四部分分别供应到水箱201和搅拌器206。在一些示例中,水的第三部分的第三流速(例如,30gpm)可以通过管208供给回到水箱201。此外,水的第四部分的第四流速(例如,250gpm)可以通过管228供应到搅拌器206。即,供应到搅拌器206的水的流速可以远大于供给回到水箱
201的水的流速。例如,第三流速可以约为第四流速的10%至20%。
[0080] 在一些示例中,由于压力交换器100中的流体的压缩或水的整体泄漏,压力交换器100的输入流速和输出流速可能彼此不完全匹配。例如,考虑到由于内部泄漏造成的水损失,压力交换器100可以接收比目标输出流速(例如,280gpm)更多的压裂流体或水。在一些情况下,泄漏的水可以与低压清洁水流112一起排放。例如,图4示出了由于水的泄漏流入,高压清洁水流110的290gpm的输出流速增加到低压清洁水流112的300gpm。
[0081] 本文描述的所有示例仅用于更详细地描述本公开。因此,应当理解的是,除非由所附权利要求限制,否则本公开的范围不限于上文描述的示例实施方式或不限于此类术语的使用。而且,对于本领域技术人员来说应当显而易见的是,在所附权利要求或其等效形式的范围内可以进行各种改变、替换和修改
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