JP6267352B2 - 水圧エネルギー伝達システムを備えた破砕システム - Google Patents

Description

［関連技術の相互参照］
本出願は、２０１３年１０月３日出願の「水圧破砕流体ポンプ用の等圧圧力交換装置の保護」と題した米国仮特許出願第６１／８８６６３８号、２０１４年８月４日出願の「水圧エネルギー伝達システムを備えた破砕システム」と題した米国仮特許出願第６２／０３３０８０号、及び２０１４年１０月３日出願の「水圧エネルギー伝達システムを備えた破砕システム」と題した米国非仮特許出願第１４／５０５８８５号の優先権と利益を主張し、それらの全ては、参照により全体として本明細書に組み込まれる。

本セクションは、以下に記載され及び／又は特許請求の範囲に記載される本発明の様々な態様に関連し得る技術の様々な態様について、読者に紹介することを意図するものである。ここでの議論は、本発明の様々な態様のより良い理解を容易にするため、背景情報を読者に提供するのに有用であると考えられる。したがって、これらの説明はこのような観点で読むべきであり、先行技術の自認としてではないことを理解すべきである。

石油及びガス産業における坑井仕上げ作業は、多くの場合、岩石層中の石油及びガスの放出を増加させるための水圧破砕（しばしば、「フラッキング（ｆｒａｃｋｉｎｇ）」又は「フラシング（ｆｒａｃｉｎｇ）」と称される。）を伴う。水圧破砕は、水、化学物質及びプロパント（例えば、砂、セラミックス）の組み合わせを含有する流体（例えば、破砕流体）を高圧で坑井に送り込むことを伴う。高圧の流体が、岩石層の中を通る亀裂のサイズ及び亀裂の伝播を増加させて、より多くの石油及びガスを放出させ、一方で、流体が減圧されると、プロパントによって亀裂の閉塞を防ぐ。破砕作業は、破砕流体の圧力を増加させるために高圧ポンプを使用する。残念なことに、破砕流体中のプロパントは、高圧ポンプの消耗及びメンテナンスを増加させる。

以下の詳細な説明を、添付図面を参照して読むことで、本発明の様々な特徴、態様、及び利点がより良く理解され、添付図面では、全体を通して同様の文字は同様の部材を表している。

水圧エネルギー伝達システムを備えた破砕システムの実施形態の模式図である。 水圧ターボチャージャーの実施形態の模式図である。 往復動等圧圧力交換装置（往復動ＩＰＸ）の実施形態の模式図である。 往復動ＩＰＸの実施形態の模式図である。 回転等圧圧力交換装置（回転ＩＰＸ）の実施形態の分解斜視図である。 第１作動位置の回転ＩＰＸの実施形態の分解斜視図である。 第２作動位置の回転ＩＰＸの実施形態の分解斜視図である。 第３作動位置の回転ＩＰＸの実施形態の分解斜視図である。 第４作動位置の回転ＩＰＸの実施形態の分解斜視図である。 水圧エネルギー伝達システムを備えた破砕システムの実施形態の模式図である。 水圧エネルギー伝達システムを備えた破砕システムの実施形態の模式図である。

本発明の１つ又は複数の具体的な実施形態が以下に記載される。これらの記載された実施形態は、本発明の単なる例示である。加えて、これらの例示的な実施形態の簡潔な説明を提供するために、実際の実施態様の全ての特徴が、本明細書中に記載されていない場合がある。任意のそのような実際の実施態様の開発では、任意のエンジニアリング又はデザインプロジェクトの場合と同様に、実施態様により異なり得る開発者の特定の目的、例えば、システム関連及びビジネス関連の制約の順守を達成するために、数多くの実施態様による特定の決定をしなければならないことが認められるべきである。さらに、そのような開発の努力は、複雑であり時間を要し得るが、本開示の利益を受ける当業者にとっては、デザイン、製作、及び製造の日常の仕事であることが認められるべきである。

以下で詳細に議論されるように、破砕システム又は水圧破砕システムは、第１流体（例えば、プロパントを実質的に含有しない流体のような圧力交換流体）と第２流体（例えば、プロパントを含有する流体のような破砕流体）との間で仕事及び／又は圧力を伝達する水圧エネルギー伝達システムを含む。例えば、第１流体は約５０００〜２５０００ｋＰａ、２００００〜５００００ｋＰａ、４００００〜７５０００ｋＰａ、７５０００〜１０００００ｋＰａの間の、又は第２流体の第２圧力よりも高い第１圧力であることができる。作業において、水圧エネルギー伝達システムは、第１流体と第２流体の間で圧力を完全に等しくしてもよいし、又は完全に等しくしなくてもよい。したがって、水圧エネルギー伝達システムは等圧で又は実質的に等圧（例えば、第１流体と第２流体の圧力を、互いに約±１、２、３、４、５、６、７、８、９、又は１０％以内で等しくする）で作業することができる。

水圧エネルギー伝達システムは、水圧保護システム、水圧緩衝システム、又は水圧隔離システムとして記載されることもある。なぜならば、水圧エネルギー伝達システムは、第１流体と第２流体との間で仕事及び／又は圧力を交換しながら、破砕流体と様々な水圧破砕設備（例えば、高圧ポンプ）との間の接触を防ぐか又は制限するためである。水圧破砕設備の様々な部分と第２流体（例えば、プロパントを含有する流体）との間の接触を防ぐか又は制限することで、水圧エネルギー伝達システムは摩耗／消耗を減らし、したがって、この設備（例えば、高圧ポンプ）の寿命／性能を向上させる。さらに、それは、破砕システムにおいて高価ではない設備、例えば摩耗性の流体（例えば、破砕流体及び／又は腐食性の流体）用に設計されていない高圧ポンプを使用することを可能にし得る。幾つかの実施形態において、水圧エネルギー伝達システムは、水圧ターボチャージャー、回転等圧圧力交換装置（例えば、回転ＩＰＸ）、又は非回転等圧圧力交換装置（例えば、貯気槽、往復動等圧圧力交換装置）であることができる。回転及び非回転等圧圧力交換装置は、一般的に、遠心分離技術を利用せずに、約５０％、６０％、７０％。８０％、又は９０％以上の効率で、高圧流入蒸気と低圧流入蒸気との間の流体圧力を伝達するデバイスとして定義することができる。

上記で説明したように、水圧エネルギー伝達システムは、第１流体と第２流体との間で仕事及び／又は圧力を伝達する。これらの流体は、気／液流、気／固微粒子流、液／固微粒子流、気／液／固微粒子流、又は他の任意の多相流のような多相流体であってよい。さらに、これらの流体は、非ニュートン流体（例えば、剪断減粘性流体）、高粘性流体、プロパントを含有する非ニュートン流体、又はプロパントを含有する高粘性流体であってよい。プロパントは、砂、固形粒子、粉末、破片、セラミックス、又はそれらの任意の組み合わせを含んでよい。

図１は、水圧エネルギー伝達システム１２を備えた破砕システム１０（例えば、流体取扱システム）の実施形態の模式図である。作業において、破砕システム１０により、坑井仕上げ作業において岩石層中の石油及びガスの放出を増加させることが可能となる。破砕システム１０は、水圧エネルギー伝達システム１２に接続された、１つ又は複数の第１流体ポンプ１８と１つ又は複数の第２流体ポンプ２０を含むことができる。例えば、水圧エネルギー伝達システム１２は、水圧ターボチャージャー、回転ＩＰＸ、往復動ＩＰＸ、又はそれらの任意の組み合わせを含むことができる。加えて、水圧エネルギー伝達システム１２は、破砕システム１０の他の構成物と分離しているスキッド上に設置されてもよく、それは、水圧エネルギー伝達システム１２が既存の破砕システム１０に追加される状況において望ましいことがある。作業において、水圧エネルギー伝達システム１２は、第１流体ポンプ１８により送り出される第１流体（例えば、プロパントを含有しない流体）と第２流体ポンプ２０により送り出される第２流体（例えば、プロパントを含有する流体又は破砕流体）との間で何ら実質的な混合なしに圧力を伝達する。このようにして、水圧エネルギー伝達システム１２は、第１流体ポンプ１８（例えば、高圧ポンプ）の消耗を防ぐか又は制限し、一方で、破砕システム１０が高圧破砕流体を坑井１４に送り込んで石油及びガスを放出させることを可能にする。加えて、水圧エネルギー伝達システム１２は、第１流体及び第２流体にさらされるように構成されるため、水圧エネルギー伝達システム１２は、第１流体及び第２流体のいずれかの腐食性かつ摩耗性の物質に耐性のある材料から作ることができる。例えば、水圧エネルギー伝達システム１２は、金属マトリックス（例えば、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、又はそれらの任意の組み合わせ）内のセラミックス（例えば、アルミナ、炭化物、酸化物、窒化物、又はホウ化物の硬質相のようなサーメット）、例えば、ＣｏＣｒ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ、又はＣｏマトリックス中の炭化タングステンから作ることができる。

図２は、水圧ターボチャージャー４０の実施形態の模式図である。上記で説明したように、破砕システム１０は、水圧エネルギー伝達システム１２として水圧ターボチャージャー４０を使用することができる。作業において、水圧ターボチャージャー４０は、第１流体（例えば、高圧のプロパントを含有しない流体、プロパントを実質的に含有しない流体）と第２流体（例えば、プロパントを含有する流体）との間で仕事及び／又は圧力を伝達することを可能とし、一方で、第１流体と第２流体との間の接触（及びしたがって混合）を防ぐか又は制限する。図示されるように、第１流体は第１流入路４４を通じて水圧ターボチャージャー４０の第１の側４２に入り、第２流体（例えば、低圧破砕流体）は第２流入路４８を通じて第２の側４６の水圧ターボチャージャー４０に入ることができる。第１流体が水圧ターボチャージャー４０に入ると、その第１流体は、第１流体から第１羽根車までエネルギーを伝達する第１羽根車５０に接触し、これが第１羽根車５０を軸５２回りに回転駆動させる。次いで、第１羽根車５０の回転エネルギーは、シャフト５４を通じて第２羽根車５６まで伝達される。第１羽根車５０にエネルギーを伝達した後、第１流体は、第１流出路５８を通じて低圧流体として水圧ターボチャージャー４０から出る。次いで、第２羽根車５６の回転は、流入路４８を通じて水圧ターボチャージャー４０に入る第２流体の圧力を増加させる。第２流体は、いったん加圧されると、坑井１４を水圧で破砕できる高圧破砕流体として水圧ターボチャージャー４０から出る。

第１流体と第２流体との間の接触を防ぐために、水圧ターボチャージャー４０は第１の側４２と第２の側４６との間に壁６２を含む。その壁６２は、シャフト５８（例えば、円筒シャフト）が第１羽根車５０と第２羽根車５６との間で延びることを可能とするが、流体の流れを防ぐ開口６４を含む。幾つかの実施形態において、水圧ターボチャージャー４０は、第１流体と第２流体との間の流体交換をさらに低減又は阻止できるガスケット／シール６６（例えば、環状シール）を含むことができる。

図３は、往復動等圧圧力交換装置９０（往復動ＩＰＸ）の模式図である。往復動ＩＰＸ９０は、弁９６を使って第１流体（例えば、高圧のプロパントを含有しない流体）から第２流体（例えば、プロパントを含有する流体、破砕流体）まで圧力を交互に伝達する第１圧力容器９２及び第２圧力容器９４を含むことができる。他の実施形態においては、追加の圧力容器（例えば、２、４、６、８、１０、２０、３０、４０、５０以上）があってよい。図示されるように、弁９６は、第１ピストン９８、第２ピストン１００、及び第１ピストン９８を第２ピストン１００及び駆動装置１０４（例えば、電動モーター、水圧モーター、燃焼モーターなど）に連結するシャフト１０２を含む。駆動装置１０４は、弁９６を軸方向１０６及び軸方向１０８に交互に駆動し、高圧流入路１１０を通じて入る第１流体の流れを制御する。例えば、第１位置において、弁９６は、第１ピストン９８及び第２ピストン１００を用い、高圧第１流体を第１圧力容器９２に導き、一方で、高圧第１流体の流れが第２圧力容器９４に入ること又は低圧流出路１１２及び１１４を通じて弁９６の外に出ることを防ぐ。高圧第１流体が第１圧力容器９２に入ると、第１流体は、圧力容器ピストン１１６を軸方向１１８に駆動し、それにより第１圧力容器９２内の第２流体の圧力が増加する。いったん第２流体が適切な圧力に到達すると、高圧逆止弁１２０が開いて、高圧第２流体が、破砕作業において使用するために高圧流出路１２２を通じて往復動ＩＰＸ９０を出ることが可能となる。第１圧力容器９２が放出されると、往復動ＩＰＸ９０は、第２圧力容器９４を準備し第２流体を加圧する。図示されるように、低圧第２流体は、低圧第２流体流入路１２６と連結された低圧逆止弁１２４を通じて、第２圧力容器９４に入る。第２流体が第２圧力容器９４を満たすと、第２流体は軸方向１３０に圧力容器ピストン１２８を駆動して、低圧第１流体を低圧流出路１１４を通じて第２圧力容器９４及び弁９６の外に出し、第２圧力容器９４を、高圧第１流体を受けるために準備する。

図４は、高圧第２流体を放出している第２圧力容器９４、及び低圧第２流体で満たされている第１圧力容器９２を備えた往復動ＩＰＸ９０の模式図である。図示されるように、弁９６は第２位置にある。第２位置においては、弁９６は高圧第１流体を第２圧力容器９４に導き、一方で、高圧第１流体の流れが第１圧力容器９２に入ること又は低圧流出路１１２及び１１４を通じて弁９６の外に出ることを防ぐ。高圧第１流体が第２圧力容器９４に入ると、第１流体は圧力容器ピストン１２８を軸方向１１８に駆動し、第２圧力容器９４内の第２流体の圧力を増加させる。いったん第２流体が適切な圧力に到達すると、高圧逆止弁１３２が開いて高圧第２流体が、破砕作業において使用するために高圧流出路１３４を通じて往復動ＩＰＸ９０を出ることが可能となる。第２圧力容器９４が放出されると、第１圧力容器９２は、低圧第２流体流入路１３８に連結された低圧逆止弁１３６を通過してくる第２流体で満たされる。第２流体が第１圧力容器９２を満たすと、第２流体は軸方向１３０に圧力容器ピストン１１６を駆動して、低圧第１流体を第１圧力容器９２の外に、そして低圧流出路１１２を通じて外に出す。このようにして、往復動ＩＰＸ９０は、第１圧力容器９０及び第２圧力容器９２を使って、第１流体（例えば、高圧のプロパントを含有しない流体）から第２流体（例えば、プロパントを含有する流体、破砕流体）まで圧力を交互に伝達する。さらに、圧力容器ピストン１１６及び１２８が、第１流体及び第２流体を分離しているため、往復動ＩＰＸ９０は、破砕システムの設備（例えば、高圧流入路１１０と流体連結された高圧流体ポンプ）を第２流体（例えば、腐食性の及び／又はプロパントを含有する流体）との接触から保護することができる。

図５は、流体の最小限の混合で以て、第１流体と第２流体（例えば、プロパントを含有しない流体とプロパントを含有する流体）との間で圧力及び／又は仕事を伝達できる、回転等圧圧力交換装置１６０（回転ＩＰＸ）の実施形態の分解斜視図である。回転ＩＰＸ１６０は、スリーブ１６４及びロータ１６６を含むほぼ円筒形の本体部１６２を含むことができる。回転ＩＰＸ１６０はまた、マニホールド１７２及び１７４をそれぞれ含む２つのエンドキャップ１６８及び１７０を含むことができる。マニホールド１７２は、流入ポート１７６及び流出ポート１７８をそれぞれ含み、一方で、マニホールド１７４は流入ポート１８０及び流出ポート１８２をそれぞれ含む。作業において、これらの流入ポート１７６、１８０は、圧力を交換するために第１流体（例えば、プロパントを含有しない流体）が回転ＩＰＸ１６０に入ることを可能にし、そして流出ポート１８０、１８２は、第１流体が回転ＩＰＸ１６０から出ることを可能にする。作業において、流入ポート１７６は、高圧第１流体を受け入れることができ、圧力を交換した後、流出ポート１７８を用いて、低圧第１流体を回転ＩＰＸ１６０の外に導くことができる。同様に、流入ポート１８０は低圧第２流体（例えば、プロパントを含有する流体、破砕流体）を受けることができ、流出ポート１８２を用いて高圧第２流体を回転ＩＰＸ１６０の外に導くことができる。エンドキャップ１６８及び１７０は、流体のロータ１６６との接触を封止できるそれぞれのマニホールド１７２及び１７４内に配置されるそれぞれのエンドカバー１８４及び１８６を含む。ロータ１６６は円筒形であり、スリーブ１６４の中に配置することができ、それにより、ロータ１６６が軸１８８回りに回転することを可能にする。ロータ１６６は、長手軸１８８について対称に配置された各端部の穴１９２及び１９４を有するロータ１６６を通じて、おおむね長手方向に延長した複数の流路１９０を有することができる。ロータ１６６の穴１９２及び１９４は、回転中、流路１９０が高圧の流体及び低圧の流体にさらされるような方法で、エンドカバー１７２及び１７４の入口開口１９６及び１９８並びに出口開口２００及び２０２と水圧連通するように配置される。図示されるように、入口開口１９６及び１９８並びに出口開口７８及び８０は、円弧の形状又は弓形状（例えば、Ｃ形状）で設計することができる。

幾つかの実施形態では、センサフィードバックを用いたコントローラーにより、回転ＩＰＸ１６０において第１流体と第２流体との間の混合の程度を制御することができ、それは流体取扱システムの操作性を向上させるために使用することができる。例えば、回転ＩＰＸ１６０に入る第１流体及び第２流体の割合を変化させることで、プラントの作業者が、水圧エネルギー伝達システム１２内の流体混合の量を制御することを可能にする。混合に影響する回転ＩＰＸ１６０の３つの特性は、（１）ロータの流路１９０のアスペクト比、（２）第１流体と第２流体との間の短時間の曝露、及び（３）ロータの流路１９０内の第１流体と第２流体の間の流体バリア（例えば、インターフェイス）の形成である。第一に、ロータの水路１９０は、一般的に長くかつ細く、それが回転ＩＰＸ１６０内の流れを安定させる。加えて、第１流体及び第２流体は、極めて少ない軸方向混合を伴うプラグ流動様式で流路１９０を通じて動くことができる。第二に、幾つかの実施形態では、ロータ１６６の速度によって第１流体と第２流体との間の接触が低減される。例えば、ロータ１６６の速度によって、第１流体と第２流体との間の接触時間を、約０．１５秒、０．１０秒、又は０．０５秒以下に低減することができる。第三に、ロータの流路１９０のわずかな部分が、第１流体と第２流体との間の圧力の交換用に使用される。それゆえ、大量の流体が第１流体と第２流体との間のバリアとして流路１９０に留まる。これら全ての機構により回転ＩＰＸ１６０内の混合を制限することができる。さらに、幾つかの実施形態では、回転ＩＰＸ１６０は、圧力の伝達を可能にしつつ、第１流体と第２流体を分離する内部ピストンで操作するように設計することができる。

図６〜９は、流路１９０が全サイクルを通じて回転するため、ロータ１６６における１つの流路１９０の位置の順序を図示した、回転ＩＰＸ１６０の実施形態の分解斜視図である。図６〜９は、１つの流路１９０を示す回転ＩＰＸ１６０の簡易図であり、流路１９０は円形の断面形状を有するように示される。他の実施形態においては、回転ＩＰＸ１６０は、同じか又は異なる断面形状（例えば、円形、楕円形、正方形、長方形、多角形など）を持つ複数の流路１９０を含むことができる。このように、図６〜９は例示を目的とした簡易図であり、回転ＩＰＸ１６０の他の実施形態は、図６〜９に示されるものと異なる構成を有し得る。以下に詳細に記載されるように、回転ＩＰＸ１６０は、第１流体及び第２流体をロータ１６６内で互いに瞬間的に接触させることを可能とすることで、第１流体と第２流体（例えば、プロパントを含有しない流体とプロパントを含有する流体）との間の圧力交換を容易にする。幾つかの実施形態において、この交換は、第１流体及び第２流体の限定的な混合をもたらす速度で起こる。

図６では、流路の穴１９２が第１位置にある。第１位置において、流路の穴１９２は、エンドプレート１８４の開口１９８と、それゆえマニホールド１７２と流体連通しており、一方で、反対の流路の穴１９４は、エンドカバー１８６の開口２０２と、さらにマニホールド１７４と水圧連通している。以下に記載されるように、ロータ１６６は、矢印２０４によって示される時計回り方向に回転することができる。作業において、低圧第２流体２０６はエンドカバー１８６を通り過ぎ、流路１９０に入り、それが動圧流体のインターフェイス２１０で第１流体２０８と接触する。次いで、第２流体２０６は、第１流体２０８を流路１９０の外に駆動し、エンドカバー１８４を通じて回転ＩＰＸ１６０の外に駆動する。しかしながら、接触は短時間であるため、第２流体２０６と第１流体２０８との間では最小限の混合しかない。

図７では、流路１９０が約９０度の円弧を通じて時計回りに回転している。この位置では、流出路１９４は、エンドカバー１８６の開口２００及び２０２と流体連通しておらず、穴１９２は、エンドカバー１８４の開口１９６及び１９８と流体連通していない。したがって、低圧第２流体２０６は、一時的に流路１９０内に含まれる。

図８では、流路１９０が、図６に示される位置から約１８０度の円弧を通じて回転している。穴１９４は、今はエンドカバー１８６の開口２００と流体連通していて、流路１９０の穴１９２は、今はエンドカバー１８４の開口１９６と流体連通している。この位置において、高圧第１流体２０８が入って低圧第２流体を加圧し、第２流体２０６を破砕システム１０において使用するために流体流路１９０の外に、そして開口２００を通じて駆動する。

図９では、流路１９０が、図６に示される位置から約２７０度の円弧を通じて回転している。この位置において、流出路１９４は、エンドカバー１８６の開口２００及び２０２と流体連通しておらず、穴１９２はエンドカバー１８４の開口１９６及び１９８と流体連通していない。したがって、第１流体２０８は加圧されず、ロータ１６６がもう９０度回転してサイクルが再度始まるまで、流路１９０内に一時的に含まれる。

図１０は、水圧エネルギー伝達システム１２が、水圧ターボチャージャー４０、往復動ＩＰＸ９０、又はそれらの組み合わせであることができる、破砕システム１０の実施形態の模式図である。上記で説明したように、水圧ターボチャージャー４０又は往復動ＩＰＸ９０は水圧破砕設備（例えば、高圧ポンプ）を保護し、一方で、高圧破砕流体を破砕作業中に坑井１４内に送り込むことを可能にする。図示されるように、破砕システム１０は、１つ又は複数の第１流体ポンプ１８及び１つ又は複数の第２流体ポンプ２０を含む。第１流体ポンプ１８は、低圧ポンプ２３４及び高圧ポンプ２３６を含んでよく、第２流体ポンプ２０は低圧ポンプ２３８を含んでよい。幾つかの実施形態において、破砕システム１０は、追加の第１流体ポンプ１８（例えば、追加の低圧、中圧、及び／又は高圧ポンプ）及び第２流体ポンプ２０（例えば、低圧ポンプ）を含むことができる。作業において、第１流体ポンプ１８及び第２流体ポンプ２０は、それぞれ第１流体及び第２流体（例えば、プロパントを含有しない流体及びプロパントを含有する流体）を、流体が仕事及び圧力を交換する水圧エネルギー伝達システム１２に送り込む。上で説明したように、水圧ターボチャージャー４０及び往復動ＩＰＸ９０は、第１流体及び第２流体を混合せずに仕事と圧力を交換する。その結果として、水圧ターボチャージャー４０及び往復動ＩＰＸ９０の高圧ポンプ２３６は、第１流体ポンプ１８を第２流体（例えば、プロパントを含有する流体）への曝露から保護する。言い換えると、第２流体ポンプ１８は、プロパント（例えば、固体微粒子）により引き起こされる摩耗及び／又は消耗が増加することがない。

図示されるように、第１流体低圧ポンプ２３４は、第１流体高圧ポンプ２３６と流体連結している。作業において、第１流体低圧ポンプ２３４は、第１流体（例えば、プロパントを含有しない流体、プロパントを実質的に含有しない流体）を受け入れ、第１流体高圧ポンプ２３６により使用する第１流体の圧力を増加させる。第１流体は、ウォータータンク２４４からの水と化学物質タンク２４６からの化学物質の組み合わせであることができる。しかしながら、幾つかの実施形態において、第１流体は水のみであるか又は実質的に水のみ（例えば、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、又はそれ以上の割合の水）であることができる。次いで、第１流体高圧ポンプ２３６は、高圧流入路２４０を通じて、水圧エネルギー伝達システム１２に第１流体を送り込む。次いで、第１流体の圧力は、第２流体（例えば、プロパントを含有する流体、破砕流体）に伝達し、それが第２流体低圧流入路２４２を通じて水圧エネルギー伝達システム１２に入る。第２流体は、プロパントタンク２４８からのプロパント（例えば、砂、セラミックスなど）を含有する破砕流体である。圧力を交換した後、第２流体は、高圧流出路２５０を通じて水圧エネルギー伝達システム１２を出て、坑井１４に入り、一方で、第１流体は低圧流出路２５２を通じて低減された圧力で出る。幾つかの実施形態において、破砕システム１０は、坑井１４に入る前に第２流体の圧力をさらに昇圧するブーストポンプ２５４を含むことができる。

低圧で流出路２５２を出た後、第１流体は、第１流体ポンプ１８を通じて再循環することができるか及び／又は混合タンク２５６を通過することができる。例えば、３方向弁２５８は、第１流体の全て又は一部が第１流体ポンプ１８を通じて再循環されるか、又は第１流体の全て又は一部が混合タンク２５６を通じて導かれ、第２流体を形成するかどうかを制御することができる。もし、第１流体が混合タンク２５６に導かれた場合、混合タンク２５６は、第１流体とプロパントタンク２４８からのプロパントを組み合わせて、第２流体（例えば、破砕流体）を形成する。幾つかの実施形態では、混合タンク２５６は、ウォータータンク２４４及び化学物質タンク２４６から直接、水及び化学物質を受け入れて、水圧エネルギー伝達システム１２を通過した第１流体を補うか又は置き換えることができる。次いで、混合タンク２５６は、これらの流体とプロパントタンク２４８からのプロパントを組み合わせて、第２流体（例えば、破砕流体）を作り出すことができる。

組成（例えば、化学物質、水及びプロパントの割合）並びに第１流体及び第２流体の流れを制御するために、破砕システム１０はコントローラー２６０を含むことができる。例えば、コントローラー２６０は、第１流体及び第２流体の流れ、組成、及び圧力を、閾値範囲内、閾値レベル以上、及び／又は閾値レベル以下に維持することができる。コントローラー２６０は、センサ２６６及び２６８からのフィードバックを受け取る１つ又は複数のプロセッサ２６２、及びメモリー２６４、並びに、水圧エネルギー伝達システム１２への第１流体及び第２流体の組成及び流れを制御するための流量計２７０及び２７２を含むことができる。例えば、コントローラー２６０は、第２流体の化学組成が正しくないことを示すセンサ２６６からフィードバックを受信する場合がある。それに応答して、コントローラー２６０は、弁２７４又は２７６を開閉して、第１流体に入る化学物質又は混合タンク２５６に直接入る化学物質の量を変更することができる。別の状況では、コントローラー２６０は、第１流体の流量を増加させる必要性を示す第１流体の流路にある流量計２７２からの信号を受信する場合がある。それに応じて、コントローラー２６０は、弁２７８及び弁２７４を開けて、破砕システム１０を通じて水及び化学物質の流れを増加させることができる。コントローラー２６０はまた、レベルセンサ２６８（例えば、レベルコントロール）を備えた混合タンク２５６の第２流体の組成（例えば、プロパント、水などの割合）を監視することもできる。もし組成が正しくない場合、コントローラー２６０は、弁２５８、２７４、２７６、２７８、２８０、及び２８２を開閉して、混合タンク２５６の水、化学物質、及び／又はプロパントの流れを増減することができる。幾つかの実施形態において、破砕システム１０は、第２流体の流体流路と連結した流量計２７０を含むことができる。作業において、コントローラー２６０は、流量計２７０を用いて水圧エネルギー伝達システム１２への第２流体の流量を監視する。もし第２流体の流量が高すぎるか又は低すぎる場合、コントローラー２６０は、弁２５８、２７４、２７６、２７８、２８０、及び２８２を開閉するか、及び／又は第２流体ポンプ２０を制御して、第２流体の流量を増減することができる。

図１１は、水圧エネルギー伝達システム１２が、回転ＩＰＸ１６０であることができる、破砕システム１０の実施形態の模式図である。図示されるように、破砕システム１０は、１つ又は複数の第１流体ポンプ１８及び１つ又は複数の第２流体ポンプ２０を含む。第１流体ポンプ１８は、１つ又は複数の低圧ポンプ２３４及び１つ又は複数の高圧ポンプ２３６を含んでよく、第２流体ポンプ２０は１つ又は複数の低圧ポンプ２３８を含んでよい。例えば、幾つかの実施形態において、流体線（例えば、パイプ、ホース）の中での圧力損失を補うために複数の低圧ポンプ２３４及び２３８を含むことができる。作業において、回転ＩＰＸ１６０は、第１流体及び第２流体（例えば、プロパントを含有しない流体及びプロパントを含有する流体）が、第２流体（例えば、プロパントを含有する流体、破砕流体）と第１流体ポンプ１８との間の接触を減らすか又は防ぎながら、仕事及び圧力を交換することを可能にする。したがって、破砕システム１０は、第１流体ポンプ１８（例えば、高圧ポンプ２３６）上でプロパント（例えば、固体微粒子）により引き起こされる消耗を減らしながら、第２流体を高圧で坑井１４内に送り込むことができる。

作業において、第１流体低圧ポンプ２３４は第１流体（例えば、プロパントを含有しない流体、プロパントを実質的に含有しない流体）を受け入れ、第１流体高圧ポンプ２３６により使用する第１流体の圧力を増加させる。第１流体はウォータータンク２４４からの水であるか、又はウォータータンク２４４からの水と化学物質タンク２４６からの化学物質の組み合わせであることができる。次いで、第１流体高圧ポンプ２３６は、高圧流入路２４０を通じて及び回転ＩＰＸ１６０に第１流体を送り込む。次いで、第１流体の圧力は、第２流体低圧流入路２４２を通じて回転ＩＰＸ１６０に入った第２流体（例えば、破砕流体のようなプロパントを含有する流体）に伝達される。圧力を交換した後、第２流体は、高圧流出路２５０を通じて回転ＩＰＸ１６０を出て、坑井１４に入り、一方で、第１流体は低圧流出路２５２を通じて低減された圧力で出る。幾つかの実施形態において、破砕システム１０は、第２流体の圧力をさらに昇圧するブーストポンプ２５４を含むことができる。

第１流体及び第２流体が回転ＩＰＸ１６０内で圧力を交換すると、第２流体（例えば、漏洩流体）の一部は第１流体と一緒になって、回転ＩＰＸ１６０の低圧流出路２５２を通じて回転ＩＰＸ１６０を出る場合がある。言い換えると、低圧流出路２５２を出た流体は、第１流体と、高圧流出路２５０を通じて回転ＩＰＸ１６０を出ない第２流体の一部の組み合わせとなり得る。第１流体ポンプ１８を保護するために、破砕システム１０は複合流体（すなわち、第１流体と第２流体の混合物）の大部分を混合タンク２５６に導くことができ、そこで複合流体は、より多くのプロパント及び化学物質を加えることにより第２流体に変換される。混合タンク２５６に必要でない任意の過剰な複合流体は、セパレータ３００（例えば、セパレータタンク、ハイドロサイクロン）に送ることができ、そこでプロパントは除去され、複合流体を第１流体に変換する。次いで、プロパントを実質的に含有しない第１流体は、第１流体ポンプ１８を通じて再循環するために、セパレータ３００を出ることができる。次いで、残った複合流体は、混合タンク２５６において使用するためにセパレータタンク３００から出すことができる。回転ＩＰＸ１６０を出る複合流体の大部分を混合タンク２５６に導くことができることで、破砕システム１０において、より小さいセパレータ３００の使用を可能にすると同時に、破砕システム１０における熱応力を低減することができる。例えば、高圧ポンプ２３６が第１流体を加圧すると、その加圧により第１流体が昇温する。混合タンク２５６を通じて、そして坑井１４内に、先に加圧した第１流体の大部分を送ることで、破砕システム１０は、第１流体ポンプ１８、回転ＩＰＸ１６０、及びその他の破砕システム１０の構成要素の熱応力を低減する。さらに、より小さいセパレータは、破砕システム１０のコスト、メンテナンス、及び負荷を減らすことができる。

混合タンク２５６で、水、化学物質、及びプロパントは、適切な割合／比率で組み合わされ、第２流体（例えば、破砕流体）を形成する。図示されるように、混合タンク２５６は、プロパントタンク２４８、化学物質タンク２４６、低圧流出路２５２を通る回転ＩＰＸ１６０、セパレータ３００、及びウォータータンク２４４と連結している。したがって、混合タンク２５６は、混合タンク２５６が第２流体を作り出すことができるように、様々な供給源からの流体及びプロパントを受け入れることができる。例えば、低圧流出路２５２を通じて回転ＩＰＸ１６０を出る複合流体が、第２流体の適切な混合物を形成するのに不十分である場合、破砕システム１０は弁３０２を開けて、ウォータータンク２４４からの水が回転ＩＰＸ１６０を出た複合流体を補うことを可能とする。ウォータータンク２４４からセパレータ３００への流体の流れを防ぐために、破砕システム１０は、逆止弁３０３を含むことができる。第２流体（例えば、破砕流体）を形成するための適切な割合／比率を得た後、第２流体は混合タンク２５６を出て、第２流体ポンプ２０に入る。次いで、第２流体ポンプ２０は第２流体（例えば、プロパントを含有する流体、破砕流体）を回転ＩＰＸ１６０に送り込む。回転ＩＰＸ１６０で、第１流体は、第２流体と接触してその圧力を上昇させ、第２流体を回転ＩＰＸ１６０の外へそして坑井１４に駆動する。

組成（例えば、化学物質、水及びプロパントの割合）並びに第１流体及び第２流体の流れを制御するために、破砕システム１０はコントローラー２６０を含むことができる。例えば、コントローラー２６０は、第１流体及び第２流体の流れ、組成、及び圧力を、閾値範囲内、閾値レベル以上、及び／又は閾値レベル以下に維持することができる。コントローラー２６０は、センサ２６６及び２６８からのフィードバックを受け取る１つ又は複数のプロセッサ２６２及びメモリー２６４、並びに、回転ＩＰＸ１６０への第１流体及び第２流体の組成及び流れを制御するための流量計２７０及び２７２を含むことができる。例えば、コントローラー２６０は、第２流体の化学組成が正しくないことを示すセンサ２６６からフィードバックを受信する場合がある。それに応答して、コントローラー２６０は、弁２７４を開閉して、混合タンク２５６に入る化学物質の量を変更することができる。幾つかの実施形態では、コントローラー２６０はまた、レベルセンサ２６８（例えば、レベル制御）を備えた混合タンク２５６における第２流体のプロパント、水などの割合を監視することもできる。もし組成が正しくない場合、コントローラー２６０は、弁２７４、２８２、及び３０２を開閉して、混合タンク２５６の水、化学物質、及び／又はプロパントの流れを増減することができる。別の状況では、コントローラー２６０は、第１流体の流量が高すぎるか又は低すぎることを示す流量計２７２からの信号を受信する場合がある。この場合、コントローラー２６０は低圧ポンプ２３４の速度を増減して、第１流体の流量を変更することができる。破砕システム１０はまた、流量計２７０により第２流体の流量を監視することもできる。もし第２流体の流量が高すぎるか又は低すぎる場合、コントローラー２６０は、弁３０２及び３０４を操作できるか、及び／又は第２ポンプ２０の速度を増減することができる。幾つかの実施形態において、コントローラー２６０はまた、回転ＩＰＸ１６０が回転していない（例えば、停止している）かどうかを検出するセンサ３０６（例えば、振動、光学、磁気など）を監視することもできる。もし、回転ＩＰＸ１６０が停止している場合、コントローラー１６０はバイパス弁３０８を開き、弁３０４、３１０及び３１２を閉めて、低圧流出路２５２から混合タンク２５６への流体の流れを防ぐことができ、並びに第１流体ポンプ１８を通じて第１流体の流れを防ぐことができる。次いで、コントローラー２６０は、弁３０２を開けて水を混合タンク２５６に直接送り込み、第２流体を作り出すことができる。次いで、第２流体低圧ポンプ２３８は、回転ＩＰＸ１６０及びバイパス弁３０８を通じて、第２流体を第１流体ポンプ１８に送り込む。次いで、第１流体ポンプ１８は、第２流体の圧力を上昇させ、第２流体を破砕のために回転ＩＰＸ１６０を通じてそして坑井１４の中に駆動する。このようにして、図８の破砕システム１０は、回転ＩＰＸ１６０が停止している場合も、連続した破砕作業を可能とする。

本発明は、様々な修正及び代替形態が可能であり、具体的な実施形態が図面において例として示され、本明細書において詳しく記載されている。しかしながら、本発明は開示される特定の形態に限定されることを意図するものでないことが理解されるべきである。むしろ、本発明は特許請求の範囲により規定される本発明の趣旨及び範囲内にある、全ての修正物、等価物、及び代替物を包含することを意図するものである。
本発明の実施形態としては、以下の実施形態を挙げることができる。
（付記１）第１流体と第２流体との間で圧力を交換する水圧エネルギー伝達システムを含む、破砕システム。
（付記２）前記第１流体がプロパントを実質的に含有しない流体であり、前記第２流体がプロパントを含有する流体である、付記１に記載のシステム。
（付記３）前記水圧エネルギー伝達システムが、前記第１流体と前記第２流体との間の混合を最小限に抑えるか又は防止する、付記１に記載のシステム。
（付記４）前記水圧エネルギー伝達システムが水圧ターボチャージャーを含む、付記１に記載のシステム。
（付記５）前記水圧エネルギー伝達システムが回転等圧圧力交換装置を含む、付記１に記載のシステム。
（付記６）前記水圧エネルギー伝達システムが往復動等圧圧力交換装置を含む、付記１に記載のシステム。
（付記７）前記水圧エネルギー伝達システムへの前記第１流体及び前記第２流体の流れを制御するコントローラーを含む、付記１に記載のシステム。
（付記８）前記コントローラーが、前記水圧エネルギー伝達システムへの前記第１流体及び前記第２流体の流れを制御するための第１流量計と連通している、付記７に記載のシステム。
（付記９）第１ポンプ及び第２ポンプを含み、前記第１ポンプが前記第１流体を送り出し、前記第２ポンプが前記第２流体を送り出す、付記１に記載のシステム。
（付記１０）前記第１ポンプが高圧ポンプであり、前記第２ポンプが低圧ポンプである、付記９に記載のシステム。
（付記１１）プロパントを実質的に含有しない第１流体を送り出す高圧ポンプと、
プロパントを含有する第２流体を送り出す低圧ポンプと、
前記高圧ポンプを通じた前記第２流体の流れを防ぎ、一方で、前記第１流体と前記第２流体の間で圧力を交換する水圧エネルギー伝達システムと、
を含む、破砕システム。
（付記１２）前記水圧エネルギー伝達システムが水圧ターボチャージャーを含む、付記１１に記載のシステム。
（付記１３）前記水圧エネルギー伝達システムが回転等圧圧力交換装置を含む、付記１１に記載のシステム。
（付記１４）前記水圧エネルギー伝達システムが往復動等圧圧力交換装置を含む、付記１１に記載のシステム。
（付記１５）前記水圧エネルギー伝達システムへの前記第１流体及び前記第２流体の流れを制御するコントローラーを含む、付記１１に記載のシステム。
（付記１６）前記高圧ポンプを通じて前記第２流体の方向を変えるバイパス弁を含む、付記１１に記載のシステム。
（付記１７）水圧エネルギー伝達システムと、
第１流体の第１流量を測定する第１流量計と、
第２流体の第２流量を測定する第２流量計と、
前記第１流量計及び前記第２流量計に連結され、かつ前記第１流量計及び前記第２流量計からのフィードバックを用いて、前記水圧エネルギー伝達システムへの前記第１流体の第１流量及び前記第２流体の第２流量を制御するコントローラーと
を含む、破砕システム。
（付記１８）前記水圧エネルギー伝達システムに前記第１流体を送り込む高圧ポンプを含む、付記１７に記載のシステム。
（付記１９）前記水圧エネルギー伝達システムに前記第２流体を送り込む低圧ポンプを含む、付記１７に記載のシステム。
（付記２０）前記水圧エネルギー伝達システムが回転等圧圧力交換装置である、付記１７に記載のシステム。

Claims (16)

1. プロパントを含有しない第１流体とプロパントを含有する第２流体とを同時に受け入れ、前記第１流体と前記第２流体の間で圧力を交換する水圧エネルギー伝達システムであって、前記第１流体が、前記水圧エネルギー伝達システム内で、前記第２流体と直接相互作用して圧力を交換する水圧エネルギー伝達システムを含む、破砕システム。
2. 前記水圧エネルギー伝達システムが、前記第１流体と前記第２流体との間の混合を最小限に抑えるか又は防止する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記水圧エネルギー伝達システムが回転等圧圧力交換装置を含み、前記回転等圧圧力交換装置が、ロータと、前記ロータを囲うスリーブと、第１エンドキャップと、第２エンドキャップとを含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記水圧エネルギー伝達システムへの前記第１流体及び前記第２流体の流れを制御するコントローラーを含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記コントローラーが、前記水圧エネルギー伝達システムへの前記第１流体及び前記第２流体の流れを制御するための第１流量計と連通している、請求項４に記載のシステム。
6. 第１ポンプ及び第２ポンプを含み、前記第１ポンプが前記第１流体を送り出し、前記第２ポンプが前記第２流体を送り出す、請求項１に記載のシステム。
7. 前記第１ポンプが高圧ポンプであり、前記第２ポンプが低圧ポンプである、請求項６に記載のシステム。
8. プロパントを含有しない第１流体を送り出す高圧ポンプと、
   プロパントを含有する第２流体を送り出す低圧ポンプと、
   前記高圧ポンプを通じた前記第２流体の流れを防ぎ、一方で、前記第１流体と前記第２流体の間で圧力を交換する水圧エネルギー伝達システムと、
   開位置にある場合は、前記高圧ポンプを通じて前記第２流体の方向を変え、閉位置にある場合は、前記高圧ポンプを通じて前記第２流体が流れることを防ぐバイパス弁と
   を含む、破砕システム。
9. 前記水圧エネルギー伝達システムが水圧ターボチャージャーを含む、請求項８に記載のシステム。
10. 前記水圧エネルギー伝達システムが回転等圧圧力交換装置を含み、前記回転等圧圧力交換装置が、ロータと、前記ロータを囲うスリーブと、第１エンドキャップと、第２エンドキャップとを含む、請求項８に記載のシステム。
11. 前記水圧エネルギー伝達システムが往復動等圧圧力交換装置を含む、請求項８に記載のシステム。
12. 前記水圧エネルギー伝達システムへの前記第１流体及び前記第２流体の流れを制御するコントローラーを含む、請求項８に記載のシステム。
13. プロパントを含有しない第１流体とプロパントを含有する第２流体とを同時に受け入れ、前記第１流体と前記第２流体の間で圧力を交換する水圧エネルギー伝達システムであって、前記第１流体が、前記水圧エネルギー伝達システム内で、前記第２流体と直接相互作用して圧力を交換する、水圧エネルギー伝達システムと、
    前記水圧エネルギー伝達システムへの前記第１流体の第１流量を測定する第１流量計と、
    前記水圧エネルギー伝達システムへの前記第２流体の第２流量を測定する第２流量計と、
    前記第１流量計及び前記第２流量計に連結され、かつ前記第１流量計及び前記第２流量計からのフィードバックを用いて、前記水圧エネルギー伝達システムへの前記第１流体の第１流量及び前記第２流体の第２流量を制御するコントローラーと
    を含む、破砕システム。
14. 前記水圧エネルギー伝達システムに前記第１流体を送り込む高圧ポンプを含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記水圧エネルギー伝達システムに前記第２流体を送り込む低圧ポンプを含む、請求項１３に記載のシステム。
16. 前記水圧エネルギー伝達システムが回転等圧圧力交換装置であり、前記回転等圧圧力交換装置が、ロータと、前記ロータを囲うスリーブと、第１エンドキャップと、第２エンドキャップとを含む、請求項１３に記載のシステム。

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