具有抑制由变频驱动器引起的谐波的电路的液力压裂系统的制作方法

具有抑制由变频驱动器引起的谐波的电路的液力压裂系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年4月26日提交的美国临时申请62/839,104的权益，该美国临时申请通过参引并入本文。


背景技术：
1.技术领域
3.所公开的实施方式总体上涉及液力压裂领域，比如与石油和天然气应用结合使用的液力压裂领域，并且更特别地涉及液力压裂系统，以及甚至更特别地涉及包括用以抑制由变频驱动引起的谐波失真的电路的系统。
4.2.相关技术的描述
5.液力压裂是用于促进油气井的生产的过程。液力压裂通常涉及将高压流体混合物在高压下泵送穿过井筒从而进入地质层组，高压流体混合物可以包括颗粒物/支撑剂和可选的化学品。在高压流体混合物进入层组时，该流体使层组破裂并产生裂缝。在流体压力从井筒和层组中释放时，裂纹或裂缝下陷，但通过流体混合物中携带的颗粒物/支撑剂至少部分地保持打开。使裂纹保持打开允许从层组中提取石油和天然气。
6.某些已知的液力压裂系统可以使用大型柴油发动机驱动式泵以对正被注入到井筒和层组中的流体混合物加压。这些大型柴油发动机驱动式泵由于其尺寸和重量可能难以从一个地点运输至另一地点，而且在可能不容易获得铺面道路和机动空间的偏远且未开发的井场，至少同样难以移动或定位。此外，这些大型柴油发动机驱动的泵需要大型燃料储存罐，所述燃料储存罐也必须运输至井场。涉及柴油发动机驱动式泵的系统的另一缺点是柴油发动机的繁琐的维护要求，这些维护要求通常涉及大约每300至400小时就进行重大维护操作，由此导致发动机大约每2至3周定期停机。此外，涉及柴油发动机驱动式泵的现有技术移动式系统的功率与重量比往往相对较低。
7.为了尝试减少柴油发动机驱动的压裂泵系统所涉及的一些困难，已经提出了某些电驱动的液力压裂系统。对于涉及电动液力系统的方法的示例，请参阅国际公开wo 2018/071738 a1。


技术实现要素：

8.一个公开的实施方式涉及一种用于液力压裂的系统，该系统可以包含移动式液力压裂子系统，该移动式液力压裂子系统包括可以电联接成接收来自发电机的交流电的变频驱动器(vfd)。电动马达由vfd电驱动。谐波抑制电路配置为抑制由vfd引起的谐波失真。液力泵由电动马达驱动以输送加压压裂流体。vfd、谐波抑制电路、电动马达和液力泵可以布置在移动式平台上，使得这样布置的子系统可以从一个物理位置运输至另一物理位置。
附图说明
9.图1图示了所公开的系统的一种非限制性实施方式的框图，该系统可以包含移动式液力压裂子系统，该移动式液力压裂子系统包括用以抑制比如可能由vfd产生的谐波失真的电路，并且该系统还可以包含动力产生子系统、移动式子系统或者其他子系统。
10.图2图示了可以在所公开的移动式液力压裂子系统中使用的电路的一种非限制性示例的框图，并且非限制性地，该电路可以包含联接至呈线路电抗器以及其他滤波机制形式的谐波抑制电路的六脉冲vfd。
11.图3图示了可以可选地在所公开的移动式液力压裂子系统中使用的其他电路的另一非限制性示例的框图，并且该电路可以包含联接至呈稳压接地基准(vsgr)电路形式的谐波抑制电路的vfd。
12.图4图示了所公开的系统的一个非限制性实施方式的框图，该系统可以包含可扩展的移动式液力压裂子系统，并且该系统还可以包含可扩展的动力产生子系统、移动式子系统或者其他子系统。
13.图5图示了所公开的移动式液力压裂子系统的一个非限制性实施方式的框图，所述移动式液力压裂子系统配备有相应的六脉冲vfd和相应的线路电抗器，其中，所述移动式液力压裂子系统可以以并联的形式连接至单个动力产生子系统、移动式子系统或者其他子系统。
14.图6图示了可以可选地在所公开的移动式液力压裂子系统中使用的另一电路的另一非限制性示例的框图。
具体实施方式
15.本发明人已经认识到，可能涉及使用变频驱动器(vfd)的用于液力压裂的某些现有技术系统可能有各种各样的缺点，比如可能涉及由于在具有挑战的环境条件(例如，在运输至规定地点等时的极端温度、高振动、崎岖或不平坦的地形)下的操作而导致的可靠性问题，但是可靠的操作对于液力压裂过程仍然是关键的。
16.其他缺点可能是由于用于在vfd中执行功率信号调制的功率电子设备中的转换信号所导致的谐波失真而产生。例如，比如可能涉及谐波电流和/或谐波电压的谐波波形可以从vfd向回传播至连接成为vfd供电的动力产生源。这些谐波波形可能导致例如动力产生源中的绕组部件的低效和过热。另外的其他缺点可能是由于在用于液力压裂的某些现有技术系统中所涉及的典型的尺寸过大和过重的电路而产生，这进而可能涉及尺寸过大和过重的车辆用来运输此类系统，并且因此，可能会遇到允许尺寸过大和过重的车辆所涉及的繁琐的物流问题。
17.至少鉴于这种认识，所公开的实施方式构想了一种与用于液力压裂的系统相关的创新方法，该方法可以涉及使用vfd以及被设计为至少克服上述缺点的配套电路。所公开的实施方式被认为成本有效且可靠地提供了在压裂过程中使用的电驱动液力泵可能需要的必要的vfd功能。这可以通过成本有效地利用相对紧凑和轻量的电路来实现，该电路可以配装在尺寸和重量不受要求有许可证和/或由押运车辆陪同以在公共高速公路、比如在美国和/或加拿大的公共高速公路上行驶的法律或法规约束的车辆中。
18.所公开的实施方式还可以提供紧凑且独立的移动式动力产生子系统，该移动式动
力产生子系统可以配置有智能算法来对动力源分配按优先级进行管理并确定，从而用于对在满足液力压裂过程中可能涉及的负载的可变动力要求的同时使所涉及的动力源的可靠性和耐用性最大化有利的优化。
19.在以下详细描述中，阐述了各种具体细节以提供对这些实施方式的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解的是：可以在没有这些具体细节的情况下实践所公开的实施方式；本发明的各个方面不限于所公开的实施方式；并且本发明的各个方面可以以各种替代性实施方式实践。在其他情况下，为了避免不必要和繁琐的解释，没有详细描述本领域技术人员容易理解的方法、程序和部件。
20.此外，可以将各种操作描述为以有助于理解本发明的实施方式的方式执行的多个离散步骤。然而，除非另有说明，否则描述的顺序不应被解释为暗示这些操作需要按照其所呈现的顺序来执行，也不应被解释为这些操作甚至依赖于此顺序。此外，短语“在一个实施方式中”的重复使用不一定指代相同的实施方式，尽管这是可以的。需要注意的是，所公开的实施方式不必解释为相互排斥的实施方式，因为本领域技术人员可以根据给定应用的需求适当地对这些公开的实施方式的各方面进行组合。
21.图1图示了所公开的用于液力压裂的系统10的一个非限制性实施方式的框图，该系统10比如可以涉及移动式液力压裂子系统26和动力产生子系统54。将理解的是，尽管某些实施方式中的动力产生子系统54可以是移动式动力产生子系统，但是这种子系统不必是移动式动力产生子系统。在一种非限制性实施方式中，移动式液力压裂子系统26中的变频驱动器(vfd)12可以电联接成从移动式动力产生子系统54中的发电机50接收交流电。
22.电动马达14、比如非限制性地感应马达可以由vfd 12电驱动。正如本领域技术人员将理解的那样，除了术语vfd之外，涉及电动马达的变速操作的技术在本领域中也可以被称为变速驱动器(vsd)，或变压变频(vvvf)。因此，非限制性地，在本公开的上下文中可以互换地应用这些首字母缩写词或短语中的任何一个来指代可以在所公开的实施方式中用于电动马达的变速操作的驱动电路。
23.在一个非限制性实施方式中，谐波抑制电路16可以连接在vfd 12的输入侧18与发电机50的输出侧52之间以抑制可能由vfd引起的谐波失真。非限制性地，谐波抑制电路16可以有效减少来自发电机50的比如谐波电压和/或谐波电压之类的谐波波形。一个或更多个液力泵20可以由电动马达14驱动以输送加压压裂流体(由箭头22示意性地表示)，该加压压裂流体比如可以输送至井口以穿过井的井筒输送到给定的地质层组中。正如本领域技术人员将理解的，电动马达14与液力泵20之间的接口可以以比如直接机械联接、比如通过液力装置的间接联接等的多种方式中的任何方式来实现。
24.在一个非限制性实施方式中，vfd 12、电动马达14、谐波抑制电路16和液力泵20可以布置到相应的移动式平台24(例如，单个移动式平台)上，该移动式平台24可以自身推进(例如，自行推进的移动式平台)；或者可以通过自行推进的车辆牵引或以其他方式运输。即，这些子系统部件中的每个部件可以分别安装到移动式平台24上，使得移动式液力压裂子系统26可以从一个物理位置运输至另一物理位置。例如，移动式平台24可以单独地或与非机动化载货车(例如，半挂车、全挂车、小车、滑撬、驳船等)组合地表示自行推进的车辆，其中，子系统部件设置在自行推进的车辆和/或非机动化载货车上。如上所述，移动式平台24不必局限于基于陆地的运输，并且可以包括如铁路运输、海上运输等的其他运输方式。
25.非限制性地，动力产生子系统54还可以包括燃气涡轮发动机58，并且在动力产生子系统54是移动式系统的情况下，燃气涡轮发动机58可以安装在动力产生移动式平台56上以驱动发电机50，发电机50也可以安装在动力产生移动式平台56上，并且有效地组合形成独立的移动式动力产生子系统。将理解的是，该独立的移动式动力产生子系统可以配置为独立于公用动力源或任何外部动力源而操作。动力产生移动式平台56的结构和/或操作特征可以如上文在移动式平台24的上下文中所描述的那样。因此，移动式动力产生子系统54可以从一个物理位置运输至另一物理位置。
26.在一个非限制性实施方式中，燃气涡轮发动机58可以是(但不必是)航改式燃气涡轮发动机，比如是可以从西门子获得的sgt
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a05型航改式燃气涡轮发动机。航改式燃气涡轮机有若干优点，这些优点在移动式压裂应用中可能特别有益。非限制性地，航改式燃气涡轮机与等效的工业燃气涡轮机相比重量相对更轻且相对更紧凑，这是移动式压裂应用中的有利属性。根据给定应用的需求，燃气涡轮发动机58的另一非限制性实施方式可以是可从西门子获得的sgt
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300型工业燃气涡轮发动机。将理解的是，所公开的实施方式不限于任何特定型号或类型的燃气涡轮发动机。
27.在一个非限制性实施方式中，如在图2中所示，在移动式液力压裂系统26(图1)中使用的vfd可以包括六脉冲vfd 12’。即，vfd 12’可以构造有布置成形成六脉冲正弦波形的功率开关电路。正如本领域技术人员将理解的那样，这种vfd拓扑结构相比于涉及更多数目的脉冲的vfd拓扑结构、比如12脉冲vfd、18脉冲vfd等以更低的成本提供了相对更紧凑和更轻的拓扑结构。根据给定应用的需求，可以在所公开的实施方式中使用这些vhd拓扑结构中的任何拓扑结构。
28.可以在所公开的实施方式中使用的vfd的一个非限制性示例可以是根据给定的液力压裂应用的需求适当地选自可从西门子获得的vfd的低压变频器(sinamics)组合中的驱动器。例如，非限制性地，人们可以使用坚固且耐用的vfd，所述vfd已被证明例如在采矿应用或类似应用的具有挑战性的环境中是高度可靠的，并且因此，预计所述vfd在液力压裂应用的具有挑战性的环境中同样有效。在一个非限制性实施方式中，如在图2中进一步所示，谐波抑制电路可以包括比如可能包含线路电抗器16’的无源滤波器。
29.在一个非限制性实施方式中，布置有六脉冲vfd 12’、电动马达14、线路电抗器16’和液力泵20的移动式平台24的尺寸和重量可以不受要求有许可证以在公共高速公路、比如在美国和/或加拿大和其他国家的公共高速公路上行驶的法律或法规的约束。此外，布置有六脉冲vfd 12’、电动马达14、线路电抗器16’和液力泵20的移动式平台24的尺寸和重量可以不受要求由押运车陪同以在这些公共高速公路上行驶的法律和法规的约束。
30.对于期望了解与美国各州尺寸过大/过重许可系统可能涉及的一些繁琐的物流问题相关的背景信息的读者，例如，请参阅由美国交通部、联邦公共高速公路管理局于2018年2月提出的题为“best practices in permitting oversize and overweight vehicles
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final report(许可尺寸过大和过重车辆的最佳实践——最终报告)”的报道no.fhwa
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061。关键在于至少某些公开的实施方式相比于现有技术的用于液力压裂应用的移动式系统可以提供显著优势，现有技术的用于液力压裂应用的移动式系统的尺寸过大且过重，并且因此受到涉及允许尺寸过大和过重车辆的繁琐的物流问题的影响。
31.在一个非限制性实施方式中，vfd 12’和线路电抗器16’可以被容纳(例如，一体
化)在比如可能涉及公共柜的公共封装件30中。在一个非限制性实施方式中，发电机50的阻抗(例如，电抗阻抗)可以与线路电抗器16’的电感相组合地设置为进一步减少可能来自发电机50的谐波波形。
32.在一个非限制性实施方式中，如图3所示，在移动式液力压裂子系统26(图1)中使用的谐波抑制电路可以涉及比如可从应用能源有限责任公司(applied energy llc)获得的稳压接地基准(vsgr)电路16”。在不限于任何具体的操作理论的情况下，vsgr电路16”被描述为在所有相都平衡时像三相变压器一样起作用。当(例如，由于存在谐波)存在相电压不平衡时，vsgr电路16”(基于其绕组之间的电磁相互作用)相对于经历电压上升的一个或多个相从概念上表现为类似于下拉电阻。相反，vsgr电路16”相对于经历电压下降的一个或多个相从概念上表现为类似于上拉电阻。
33.在操作中，相电压和/或相电流可以通过vsgr电路16”来稳定并达到平衡，并且因此，谐波大幅减少，这可以实现所公开的系统的某些实施方式中的可靠且有效的谐波抑制。对于期望了解与vsgr电路16”相关的背景信息的读者，请参阅题为“electromagnetic transient voltage surge suppression system(电磁瞬态电压浪涌抑制系统)”的美国专利6,888,709，也可以参阅题为“electromagnetic noise suppression system for wye power distribution(用于y形功率分配的电磁噪声抑制系统)”的国际公开wo2007143605a2。
34.本领域技术人员将理解的是，可以使用其他替代的非限制性方法来实现谐波衰减电路，比如通过适当配置成以数字方式产生并控制无功功率以消除谐波的有源滤波器或通过移相变压器来实现谐波衰减电路。例如，假设三相线路，移相变压器方法的基本原理是获取给定线路中可能存在的谐波，将给定线路中的谐波相对于可能存在于另一线路中的谐波移位180
°
，并且然后将这些谐波组合在一起，并且因此实现实质性的谐波消除。
35.图4图示了所公开的系统的一个非限制性实施方式的框图，该系统可以涉及使用两个或更多个移动式液力压裂子系统26(图1)作为构建块的可扩展的移动式液力压裂系统60。举例来说，移动式液力压裂子系统26可以布置成与至少一个其他移动式液力压裂子系统261组合。即，移动式液力压裂子系统布置有上面在前述图的上下文中描述的部件。更具体的，包括其他vfd、其他电动马达、其他谐波抑制电路和其他一个或多个液力泵的其他移动式液力压裂子系统布置在其他移动式平台241上。在该示例中，两个移动式液力压裂子系统26和261形成可扩展的移动式液力压裂系统60。然而，可以被布置为形成移动式液力压裂系统60的移动式液力压裂子系统的总数可以基于给定应用的需求进行定制。
36.如在图4中进一步所示，该非限制性实施方式还可以涉及使用两个或更多个移动式动力产生子系统54作为构建块的可扩展的微电网动力产生系统80。举例来说，移动式动力产生子系统54(图1)可以与至少一个其他动力产生子系统比如移动式动力产生子系统541(包括相应的其他部件，比如其他发电机、其他燃气涡轮发动机)布置在一起，该移动式动力产生子系统541布置在其他动力产生移动式平台561上并且可以通过动力总线55电连接从而形成连接至动力可扩展的移动式液力压裂系统60的可扩展的微电网动力产生系统80。在该示例中，两个移动式动力产生子系统54、541形成可扩展的微电网动力产生系统80。然而，可以被布置为形成可扩展的微电网动力产生系统80的移动式动力产生子系统的总数可以根据给定应用的需求适当地进行定制。
37.比如可以布置在另一移动式平台562上的能量管理子系统59可以配置为执行动力控制策略，该动力控制策略被配置为使由移动式动力产生子系统54、541产生的动力的利用最优化，以满足连接至动力总线55的移动式液力压裂子系统的可变动力需求。
38.如图5中图示，在一个非限制性实施方式中，单个移动式动力产生子系统54可以布置为电力驱动比如可以由多个移动式液力压裂子系统组成的可扩展的移动式液力压裂系统60。在该非限制性示例中，总计三个移动式液力压裂子系统26、261和262，每个移动式液力压裂子系统都配备有相应的线路电抗器和相应的六脉冲vfd并且以并联的形式连接至动力产生子系统54的发电机50(图1)的输出侧52。该公开的涉及六脉冲vfd的实施方式提供了与总谐波失真(thd)的可接受水平内的可扩展性、成本、尺寸、重量和可靠性有关的平衡且有效的方法。
39.图6图示了可以可选地在所公开的移动式液力压裂子系统中使用的其他电路的另一非限制性示例的框图。例如，根据可以在发电机50(图1)的输出侧52处提供的电压水平，在某些实施方式中，可以使用电压变压器90(例如，降压变压器)来使该电压降低至可以适于vfd 16的电压水平，比如非限制性地从发电机50的输出侧52处的13.8kv降低至vfd 12的输入侧处的2.6kv。在一个非限制性实施方式中，电压变压器90的相应的高压侧可以电联接至动力总线55(图4)。替代性地，电压变压器90的相应的高压侧可以通过开关设备、断路器、熔断器或任何这种电路断开装置电联接至发电机50的输出侧52。在某些实施方式中，电压变压器90可以与vfd 12、电动马达14、谐波抑制电路16以及液力泵20组合地布置在相应的移动式平台24上。
40.在操作中，所公开的实施方式被认为成本有效且可靠地提供了在压裂过程中使用的电驱动液力泵所需的必要的vfd功能。非限制性地，这可以通过成本有效地利用相对紧凑且轻量的电路来实现，该电路非限制性地可以配装在尺寸和重量不受需要许可证和/或由押运车陪同以在公共高速公路、比如在美国和/或加拿大的公共高速公路上行驶的法律和法规约束的车辆中。
41.在操作中，所公开的实施方式还可以提供紧凑且独立的移动式动力产生系统，该移动式动力产生系统可以配置有智能算法来对动力源分配按优先级进行管理并确定，以用于对在满足液力压裂过程中可能涉及的负载的可变动力要求的同时使所涉及的动力源的可靠性和耐用性最大化有利的优化。
42.尽管以示例性形式公开了本公开的实施方式，但是对于本领域技术人员来说明显的是，在不脱离如在所附权利要求中所阐述的本发明及其等同物的范围的情况下，可以在本公开的实施方式中进行许多修改、添加和删除。