Устройство для гидратации сухого полимера и способы его применения

007508 Область изобретения Настоящее изобретение относится к приготовлению жидкостей для обработки подземного пласта и,более конкретно, но без ограничения, к устройству и способам приготовления вязких обрабатывающих гелей из сухого полимера и воды. Описание предшествующего уровня техники В отрасли бурения скважин и нефтедобычи для обработки подземных скважин в качестве жидкостей-носителей широко используются вязкие жидкости на водной основе. Такие жидкости могут использоваться как жидкость для гидроразрыва пласта, жидкости для кислотной обработки пласта и как обладающие высокой плотностью растворы для вскрытия пласта. В операциях, известных как гидравлический разрыв пласта, такие жидкости используются для образования и распространения подземных трещин для повышения продуктивности скважины. Вязкие жидкости, такие как гели, обычно являются водными растворами полимерных материалов. Обычные непрерывные способы, применяемые для приготовления вязких жидкостей на буровой площадке,предполагают использование исходной суспензии полимерного материала в углеводородном носителе (в дизельном топливе), который облегчает дисперсию полимера и перемешивание суспензии. Хотя этот процесс позволяет получить требуемое качество геля, наличие жидких углеводородов часто нежелательно в конкретных областях, несмотря на то, что углеводороды представляют относительно небольшую долю в геле для гидроразрыва, смешанном с водой. Кроме того, возникают экологические проблемы, связанные как с очисткой и утилизацией концентратов на основе углеводородов и гелей для обработки, содержащих углеводороды, так и с очисткой баков, труб и другого оборудования, загрязненного гелями на основе углеводородов. Непрерывное смешивание вязких гелей для обработки также применяется при гелировании полимера в углеводородном носителе, смешанном с водой для создания геля для гидроразрыва, который затем пропускают через резервуары с перегородками, создавая поток типа первый на входе/первый на выходе, с обеспечением времени на гидратацию геля. Другие способы непосредственного смешивания сухих полимеров для получения вязких гелей для обработки описаны в патентах США 5426137 (Allen), 5382411(Allen) и 5190374 (Harms et al.). Эти способы, являясь потенциально эффективными, требуют нескольких сложных этапов приготовления геля, что является недостатком при бурении скважины. Далее в заявке на патент США 2004/0256106 А 1 раскрывается устройство без эдуктора, по существу, для гидратации частиц геля с использованием миксера в сочетании с крыльчаткой, расположенной внутри миксера, что позволяет предотвратить образование комков геля. Таким образом, существует потребность в устройстве и способах непосредственной гидратации сухих полимерных составляющих для приготовления вязких гелей для обработки в непрерывном режиме без применения углеводородного носителя, и настоящее изобретение, по меньшей мере, частично удовлетворяет эту потребность. Краткое описание изобретения Приготовление вязкого геля для обработки из сухого полимера осуществляется, во-первых, диспергированием полимера в воде с использованием коммерческого эдуктора постоянного объема. Параллельно с эдуктором может быть также установлено устройство для предварительного перемешивания, обеспечивающее диспергирование и снижающее попадание воздуха в смесь. Эдуктор работает с постоянным расходом и давлением воды, тем самым создавая концентрированную суспензию полимера. Полученная концентрированная суспензия полимера разгружается в камеру разбавления и повторного смешивания особой конструкции, которая ниже названа смесительной колонной. На впускном участке смесительной колонны во входящий поток концентрированной полимерной суспензии подается дозированная струя разбавляющей воды под высоким давлением для формирования разбавленной суспензии полимера. Разбавляющий поток ускоряет движение концентрированной суспензии полимера по кругу и, предпочтительно,вверх, где он сдвигается под воздействием высокого гидродинамического сопротивления стенки колонны,за счет чего оба потока полностью перемешиваются и образуется гомогенный разбавленный гель. Разбавленная полимерная суспензия дополнительно сдвигается при выходе из смесительной колонны через расположенные по окружности отверстия или щели, которые расположены на выходном участке смесительной колонны. Выходящий вязкий гель для обработки может быть огорожен внешними брызгозащитными щитками или помещаться во внешней камере, которая гасит радиальную скорость выходящего геля, одновременно сохраняя вращательное движение жидкости в тот отсек бака для гидратации, в котором она будет храниться. Вышеописанное устройство позволяет использовать простой в эксплуатации и надежный способ для непрерывного получения в полевых условиях качественного геля для обработки с любой производительностью, требуемой в любых применениях конкретной скважины. Настоящее изобретение может использоваться для непрерывного смешивания и диспергирования качественного геля из полимерного порошка без необходимости в предварительной обработке полимера или распылении химикатов, которые работают, например, как рН-буфер и даже замедлители гидратации. Поэтому настоящее изобретение позволяет эффективно использовать необработанные полимеры и для приготовления вязкого геля для обработки на буровой площадке. Краткое описание чертежей Фиг. 1 - общий вид варианта смесительной колонны согласно настоящему изобретению.-1 007508 Фиг. 2 А - вид сверху в поперечном сечении впускного участка варианта смесительной колонны согласно настоящему изобретению. Фиг. 2 В - первый вид сбоку впускного участка варианта смесительной колонны согласно настоящему изобретению. Фиг. 2 С - второй вид сбоку впускного участка варианта смесительной колонны согласно настоящему изобретению. Фиг. 3 - изометрический вид средней части смесительной колонны по варианту настоящего изобретения. Фиг. 4 - схема технологического процесса и устройства, которое обеспечивает средство непрерывного смешивания и гидратации вязких гелей для обработки пласта из сухого полимера. Подробное описание предпочтительных вариантов Ниже следует описание иллюстративных вариантов настоящего изобретения. Для упрощения в настоящем описании приведены не все признаки варианта осуществления изобретения. Следует, однако,понимать, что для достижения конкретного варианта при разработке любой подобной реальной установки необходимо принимать многочисленные решения, специфичные для конкретного варианта, например о соблюдении ограничений, налагаемых системой и бизнесом, которые меняются в зависимости от варианта реализации. Более того, следует понимать, что хотя такие конструкторские работы могут быть сложны и могут требовать много времени, но, тем не менее, они являются рутинной работой для специалиста, обладающего обычными навыками в этой области и ознакомившегося с настоящим описанием. Ниже следует описание предпочтительных вариантов настоящего изобретения со ссылками на чертежи, где одинаковыми позициями обозначены одинаковые или подобные детали. Настоящее изобретение относится к приготовлению жидкостей для обработки подземных пластов, и более конкретно, но без ограничения, к устройству и способам для приготовления вязкого геля для обработки из сухих полимерных составляющих и воды в непрерывном режиме. Устройство и способы особенно полезны для приготовления вязкого геля из сухого полимера на буровой площадке для гидроразрыва подземного пласта. В настоящем описании термин гель означает любой жидкий материал в вязком состоянии, пригодный для обработки скважины; сухой полимер означает любую коммерчески доступную форму полимера, которая подается или переносится в твердой форме (кристаллической, аморфной или иной) и не имеет форму водного или не водного раствора, суспензии или взвеси, и может быть полимером любого типа, пригодного для обработки скважины, включая, помимо прочего, биополимеры, такие как ксантан и диутан, целлюлозу и ее производные (т.е. карбоксиметилгидроксиэтилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу и пр.), гуар и его производные (т.е. карбоксиметилгидроксипропиловый гуар, гидроксипропиловый гуар, карбоксиметиловый гуар, карбоксиметилгидроксиэтиловый гуар и т.п.), полимолочную кислоту, полигликолевую кислоту, поливиниловый спирт, полиакриламид, другие синтетические полимеры и т.п. Любой сухой полимер может иметь коммерчески допустимые уровни влажности. Как показано на фиг. 1, в одном варианте настоящего изобретения устройство, по существу, является смесительной колонной (корпусом) 100, не требующей крыльчатки внутри колонны, которая служит для разбавления и перемешивания концентрированной суспензии полимера. Смесительная колонна 100 также обеспечивает удаление воздуха из смеси. Смесительная колонна 100 содержит нижний впускной участок 110, в который по давлением раздельно подается концентрированная суспензия полимера и вода, центральный участок 120, в котором суспензия и вода перемешиваются и сдвигаются, и верхний участок 130,в котором смесь дополнительно сдвигается и выпускается. Для обеспечения адекватного перемешивания и сдвигания вдоль внутренней стенки смесительной колонны 100 могут быть расположены механические средства 140 для создания перемешивающего трения и увеличения площади перемешивания. Подходящими примерами таких механических средств являются, помимо прочего, металлические выступы, расширенная металлическая сетка и пр. Как показано на фиг. 2 А-2 С, где представлены виды сверху и сбоку нижнего впускного участка 110 смесительной колонны 100 согласно настоящему изобретению, нижний впускной участок 110 имеет смесительную и разбавляющую камеру 210 и снабжен впускными патрубками таким образом, что они соединяются с подающими трубами 220, 230. Подающие трубы 220, 230 осуществляют транспортировку разбавляющей воды и концентрированной полимерной суспензии в смесительную колонну 100. Подающая труба 230 содержит дроссельный клапан 240, расположенный непосредственно на входе в смесительную и разбавляющую камеру для управления скоростью разбавления и создания имеющей высокую скорость водяной струи в требуемом диапазоне величин расхода. Концентрированная полимерная суспензия первоначально готовится путем формирования дисперсии сухого полимера в воде в эдукторе. Концентрированная полимерная суспензия подается из эдуктора по подающей трубе 220. В варианте настоящего изобретения подающая труба 230 используется для нагнетания разбавляющей воды для смешивания с концентрированной полимерной суспензией. Поток воды нагнетается тангенциально под давлением вдоль внутренней стенки нижнего впускного участка 110 смесительной колонны 100. Вдоль внутренней стенки впускного участка 110 вода закручивается и ускоряет концентрированную полимерную суспензию, придавая ей круговое направление движения, когда суспензия подается по подающей трубе 220. Неограниченная траектория потока, проходящая вертикально вверх в смесительной колонне 100, позволяет подаваемым суспензии и разбавляющей воде двигаться вверх с результирующим пото-2 007508 ком разбавленной смеси, который перемещается по спирали вверх вдоль внутренней стенки колонны 100. Вращательное движение и направленный вверх поток, созданные движущей силой потока разбавляющей воды от подающей трубы 230, а не просто пассивная энергия потока суспензии из подающей трубы 220,обеспечивают удаление воздуха из смеси. Фиг. 3 является изометрическим видом центрального участка 120 смесительной колонны согласно варианту настоящего изобретения. Центральный участок 120 смесительной колонны, показанной на фиг. 1,примыкает к впускному участку 10. Как описано выше, для обеспечения адекватного смешивания и сдвига вокруг внутренней стенки центрального участка 110 могут быть размещены механические средства 140,создающие большую энергию сдвига. Внутренняя стенка также может быть гладкой. Скорость смеси жидкостей, создаваемая потоками концентрированной полимерной суспензии и воды, а также большая центробежная сила, возникающая при вращении, создают высокий уровень сдвига относительно стенки центрального участка для эффективной гомогенизации смеси и дополнительного диспергирования полимера. Это, по существу, предотвращает образование нежелательных комков в геле (обычно именуемых рыбьи глаза). Возвращаясь к фиг. 1, в этом варианте разбавленная полимерная суспензия затем проходит из центрального участка 120 вверх в верхний участок 130. Верхний участок 130 имеет пустотелую цилиндрическую внешнюю камеру 150, которая окружает верхнюю камеру 160, по меньшей мере, частично. Верхняя камера 160 верхнего участка 130, куда из центрального участка 120 переходит разбавленная полимерная суспензия, может иметь механические средства 140, размещенные вокруг внутренней стенки. Затем разбавленная полимерная суспензия проходит из верхней камеры 160 во внешнюю камеру 150. Когда разбавленная полимерная суспензия проходит из верхней камеры 160 в пространство внутри внешней камеры 150, она проходит через множество отверстий или щелей 170, расположенных по окружности камеры 160,которые могут дополнительно обеспечивать сдвиг разбавленной полимерной суспензии, когда она выходит из камеры 160. Когда разбавленная полимерная суспензия выходит из смесительной колонны 100, она считается сформировавшейся в гель, который, по существу, полностью перемешан, и из которого удален воздух, и который, по меньшей мере, частично гидратирован. После выхода из смесительной колонны 100 гель может поступать в первый отсек бака гидратации. В одном способе гель, выходящий из колонны, подается по траектории первый на входе/первый на выходе в баке гидратации. Такой способ известен и/или, по существу, раскрыт в патенте США 4828034(Constien et al.) и в патенте США 5046865 (McIntire). В одном варианте смесительная колонна 100 содержит нижний впускной участок 110, центральный участок 120 и верхний участок 120, где каждый участок соединен для формирования смесительной камеры. Участки могут соединяться любым известным способом, таким как, в качестве неограничивающего примера, сваркой или соединительными фланцами. В других вариантах настоящего изобретения эта камера может быть образована одним или двумя цилиндрами. Некоторые смесительные колонны согласно настоящему изобретению могут иметь впускной участок, размещенный не в нижней части. Например, впускной участок может быть размещен сверху над колонной, а участок, через который разбавленная полимерная суспензия выходит, может быть расположен в нижней части колонны. Поэтому колонна может содержать верхний впускной участок, содержащий камеру смешивания и разбавления, и впускные патрубки, соединенные с подающими колоннами; центральный участок, в котором полимерная суспензия и вода смешиваются и сдвигаются, и нижний участок, содержащий множество отверстий, расположенных по его окружности, через которые гель выходит из колонны. В другом варианте настоящего изобретения предлагается способ гидратации сухого полимера для приготовления вязкого геля для обработки. Способ, по существу, включает этапы, при которых диспергируют сухой полимер в воде в эдукторе для формирования концентрированной полимерной суспензии, одновременно нагнетают концентрированную полимерную суспензию с водой во впускной участок смесительной колонны. Концентрированную полимерную суспензию и разбавляющую воду смешивают внутри смесительной колонны для получения разбавленной полимерной суспензии. Разбавленную полимерную суспензию выпускают через множество отверстий или щелей, расположенных на выпускном участке смесительной колонны для получения вязкого геля для обработки. Вязкий гель для обработки затем хранят в баке для гидратации и забирают из него. В других вариантах настоящего изобретения вязкий гель для обработки может также храниться и пропускаться через отсеки с вертикальными перегородками бака гидратации, выполненного по принципу первый на входе/первый на выходе, который обеспечивает время выдержки, необходимое для полной гидратации геля. В каждом отсеке можно дополнительно использовать турбинные мешалки для сдвига геля, и усиления процесса гидратации, и улучшения схемы первый на входе/первый на выходе. Жидкость стекает под воздействием силы тяжести из последнего отсека бака гидратации. Процесс с обратной связью от датчиков уровня в каждом отсеке или в последнем отсеке управляет скоростью смешивания посредством изменения проходного сечения клапана разбавления. На фиг. 4 показан другой вариант настоящего изобретения, который относится к способу и устройству, обеспечивающим средство для непрерывного смешивания и гидратации вязких гелей для обработки пласта из сухого полимера на буровой площадке. Этот способ и устройство, однако, могут также исполь-3 007508 зоваться для смешивания других типов порошкового материала с жидкостями. На фиг. 4 показана общая схема способа, которая содержит центробежный насос 416, который создает энергию движения, смесительный эдуктор 406, который диспергирует сухой полимер, образуя концентрированную полимерную суспензию, питатель 404 для диспергирования сухого полимера из хранилища/бункера 402 в смесительном эдукторе 406, камеру (колонну) 410 для разбавления и смешивания, в которую подается концентрированная полимерная суспензия, смешивается в ней с разбавляющей водой и выпускается из нее разбавленная полимерная суспензия с требуемой концентрацией полимера в бак 418. Бак 418 содержит множество отсеков 1, 2, 3, 4, 5, является баком гидратации, выполненным по принципу первый на входе/первый на выходе, и снабжен сдвигающими мешалками 420. В баке 418 хранится разбавленная полимерная суспензия и осуществляется дальнейшая ее гидратация для получения вязкого геля для обработки. В варианте, представленном на фиг. 4, сухой полимер хранится в бункере 402, соединенном с волюметрическим питателем 404. Питатель 404 обеспечивает подачу сухого полимера в смесительный эдуктор 406, где он диспергируется в воде, образуя суспензию. Подача воды может осуществляться в системе через всасывающие соединения, присоединенные к любому имеющемуся подходящему источнику воды. Бункер 402 и питатель 404 смонтированы на датчике нагрузки, который непрерывно регистрирует вес бункера 402. Измерение расхода полимера может производиться по исходному приблизительному волюметрическому расходу, полученному путем измерения частоты вращения шнека волюметрического питателя 404. Точное гравиметрическое пропорционирование достигается путем непрерывного мониторинга снижения веса бункера 402. Любой из этих двух способов измерения может использоваться индивидуально или в комбинации с другим. Факультативно между питателем 404 и смесительным эдуктором 406 может быть установлено устройство 408 радиального предварительного смешивания для предварительного смешивания сухого полимера с водной средой. Возвращаясь к фиг. 4 и представленному на ней варианту, смесителем является эдуктор 406 с соплом фиксированного размера, который при работе с постоянным давлением пропускает фиксированный объем жидкости. В эдукторе 406 диспергируется сухой полимер в воде и производится концентрированная полимерная суспензия с постоянным расходом. Полученная концентрированная полимерная суспензия направляется в смесительную колонну 410, где струя разбавляющей воды закручивает концентрированный поток и ускоряет его по направленной вверх спирали. Полученная разбавленная полимерная суспензия сдвигается во взаимодействии с внутренней стенкой центрального участка смесительной колонны 410, а также при выходе из верхней части смесительной колонны 410 через расположенные по окружности отверстия или щели для завершения смешивания и предотвращения образования комков геля. Разбавляющий поток управляется дроссельным клапаном, снабженным автоматическим контроллером 412, который определяет положение клапана для достижения требуемой скорости смешивания. Дроссельный клапан расположен непосредственно на входе в колонну и ориентирован так, чтобы создавать струю с тангенциальным потоком внутри колонны. Расходомер 414, установленный выше по потоку и от эдуктора, и от разбавляющего потока, измеряет общий расход и посылает сигнал на контроллер для установки положения управляющего клапана. Скорость питателя 404 задается контроллером для поддержания требуемого отношения между объемом подмешиваемой воды, измеренным расходомером 414, и количеством сухого полимера, диспергируемого из бункера 402. По мере того как подмешиваемая вода перемещается из расходомера 414 в эдуктор 406, она может факультативно пропускаться через фильтр 422 для улавливания нежелательных частиц. Количество сухого полимера, отобранного из бункера 402, можно определить любыми подходящими средствами, включая гравиметрические средства, путем измерения потери массы в бункере 402, или волюметрические средства, управляя скоростью дозирующего шнека 404. Для дальнейшего формирования вязкого геля для обработки разбавленная полимерная суспензия выпускается из смесительной колонны 410 в первый отсек бака гидратации 418. Затем она может быть направлена из одного отсека в следующий,протекая вниз из первого отсека 1 во второй отсек 2, вверх из второго отсека 2 в третий отсек 3, вниз из третьего отсека 3 в четвертый отсек 4 и вверх из четвертого отсека 4 в пятый отсек 5. Это преимущественно создает схему первый на входе/первый на выходе и обеспечивает, по меньшей мере, необходимое время выдержки для геля при максимальном расходе для завершения его гидратации. Мешалки 420 (обозначена лишь одна) в каждом из отсеков можно использовать для добавления энергии и улучшения гидратации, а также для поддержания схемы первый на входе/первый на выходе за счет минимизации образования каналов. В конечном итоге вязкий гель для обработки подается из бака гидратации в скважину через выпускные соединения. Нижеследующий пример иллюстрирует работу варианта настоящего изобретения. Целевой расход вязкого геля для обработки пласта для буровой площадки составляет 20 баррелей/мин (3180 л/мин), а требуемая концентрация сухого полимера в геле для обработки составляет 4,8 кг на 1000 л. Как показано на фиг. 4, для достижения такого расхода колонна 410 должна подавать 20 баррелей/мин (3180 л/мин) разбавленной полимерной суспензии в бак гидратации 418. Если эдуктор 406 имеет фиксированную производительность в 606 л/мин для подачи потока концентрированной полимерной суспензии в колонну 410, то поток разбавляющей воды должен подаваться в колонну 410 с расходом 2574 л/мин. Для поддержания-4 007508 концентрации сухого полимера в вязком геле для обработки (4,8 кг на 1000 л) из бункера 402 в эдуктор 405 следует подавать 15,3 кг сухого полимера в минуту и смешивать его с водой для получения концентрированной полимерной суспензии с концентрацией сухого полимера приблизительно 25,2 кг на 1000 л. Кроме того, в других вариантах настоящего изобретения способ и устройство, которые обеспечивают средство для непрерывного смешивания и гидратации вязкого геля для обработки пласта из сухого полимера, могут включать использование множества смесительных колонн. Смесительные колонны могут соединяться последовательно, параллельно или в любой комбинации. Хотя выше были описаны предпочтительные варианты настоящего изобретения для целей его раскрытия, для специалистов являются очевидным обеспечивать многочисленные изменения в конструкции и расположении деталей и выполнении этапов, при этом такие изменения не выходят за рамки объема настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для приготовления вязкого геля для обработки, содержащее эдуктор, соединенный с источником воды, множество подающих труб, причем по меньшей мере одна подающая труба соединена с эдуктором, и смесительную колонну, соединенную с подающими трубами, которая содержит нижний впускной участок, содержащий камеру смешивания и разбавления, и впускные патрубки, соединенные с подающими трубами,центральный участок, в котором полимерная суспензия и вода смешиваются и сдвигаются, и верхний участок, содержащий верхнюю камеру и множество отверстий, расположенных по окружности верхней камеры. 2. Устройство по п.1, в котором центральный участок также содержит механические средства, примыкающие к внутренней стенке центрального участка. 3. Устройство по п.1 или 2, в котором верхний участок также содержит цилиндрическую внешнюю камеру, по меньшей мере, частично размещенную вокруг верхней камеры. 4. Устройство по любому из предшествующих пунктов, которое дополнительно содержит бак для хранения и раздачи вязкого геля для обработки. 5. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором первые подающие трубы обеспечивают поток разбавляющей воды в нижнюю часть, причем второй входной поток соединен с эдуктором и обеспечивает подачу концентрированной полимерной суспензии в нижнюю часть и поток воды закручивает и ускоряет поток концентрированной полимерной суспензии по кругу внутри камеры смешивания, по мере того как суспензия входит в нижний участок. 6. Устройство по любому из предшествующих пунктов, которое дополнительно содержит бункер,соединенный с эдуктором, для хранения и подачи сухого полимера в эдуктор, гравиметрический датчик нагрузки, на котором смонтирован бункер, волюметрический питатель, соединенный с бункером, или оба этих устройства. 7. Устройство по любому из предшествующих пунктов, которое дополнительно содержит устройство для предварительного смешивания, расположенное между бункером и эдуктором. 8. Устройство по любому из предшествующих пунктов, которое дополнительно содержит фильтр,расположенный между эдуктором и источником воды. 9. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором вязкий гель для обработки приготовляется из сухого полимера и воды, причем устройство работает в непрерывном режиме. 10. Устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором эдуктор имеет фиксированный размер сопла. 11. Устройство по любому из предшествующих пунктов, которое используется для приготовления вязкого геля для гидроразрыва подземного пласта. 12. Устройство для приготовления вязкого геля для обработки, содержащее эдуктор, соединенный с источником воды, множество подающих труб, причем по меньшей мере одна подающая труба соединена с эдуктором, и смесительную колонну, соединенную с подающими трубами, которая содержит впускной участок, содержащий камеру смешивания и разбавления, и впускные патрубки, соединенные с подающими трубами,центральный участок, в котором полимерная суспензия и вода смешиваются и сдвигаются, и выходной участок, содержащий нижнюю камеру и множество отверстий, расположенных по окружности камеры, через которые гель выходит из колонны. 13. Устройство по п.12, в котором первые подающие трубы создают поток разбавляющей воды на впускной участок, второй входной поток соединен с эдуктором и обеспечивает подачу концентрированной полимерной суспензии во впускной участок и поток воды закручивает и ускоряет поток концентрированной полимерной суспензии по кругу внутри камеры смешивания, по мере того как суспензия входит во впускной участок.