非水力壓裂和冷泡沫支撐劑輸送系統(tǒng)、方法和過程的制作方法
【專利說明】非水力壓裂和冷泡沬支撐劑輸送系統(tǒng)、方法和過程
[0001]相關串請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年4月8日提交的美國申請N0.13/858, 780的優(yōu)先權，在此通過引用將其全部并入本文。
技術領域
[0003]本公開內容涉及用于增加地下烴地層的滲透性，從而提高了提取這些烴的能力的非水力壓裂和冷泡沫支撐劑輸送系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0004]烴資源，如石油和天然氣(“NG”)，常常被發(fā)現(xiàn)于地下的“致密的”地質地層(例如砂巖或頁巖)中。這些都需要“非常規(guī)”的鉆井和完井技術，包括含烴的地質層的“壓裂(fracturing) ”，以允許那些烴被釋放用于回收、處理、儲存和分配?，F(xiàn)有的壓裂方法是水力的，也就是說，它們使用液體用于壓裂以及用于將支撐劑輸送至壓裂處(fractures)。
[0005]然而，水力壓裂和支撐劑輸送方法受很多顯著缺點的影響。目前在標準水力壓裂中使用的液體(例如，在環(huán)境溫度下化學改性的或處理過的水和/或低溫液氮)產生被污染的液態(tài)水或含氮的氣態(tài)甲烷的廢物流。更具體地，使用水或氮導致了壓裂流體與烴二者的污染(或不期望的混合)，并且使用氮或液態(tài)二氧化碳需要發(fā)泡劑。
[0006]所述廢物流和被污染的混合物需要被處理，而充分的清洗以及適當?shù)靥幹谩坝眠^的”水力壓裂流體的成本在經濟方面和環(huán)境方面都大大增加了水力壓裂的成本。如果清洗沒有被合適地完成，則水力壓裂對環(huán)境的損害可能是不利的，導致管理者和/或政策制定者為回應公眾的擔憂而限制水力壓裂的使用，正像現(xiàn)在一些地區(qū)已經出現(xiàn)的情況。水力壓裂常常導致顯著的甲烷排放(甲烷是一種比CO2更加破壞環(huán)境的溫室氣體)，并且可能需要用于減輕這些排放的復雜設備。
[0007]此外，一些現(xiàn)有的水力壓裂技術是能源和資本密集型的。例如，使用液氮需要設置用于空氣分離的設施，該設施使用深度制冷以液化環(huán)境空氣，然后使其分解得到氮。使用氮用于壓裂通常需要大量的能量輸入以實現(xiàn)氮的液體狀態(tài)。此外，當?shù)?或更精確地說，液氮)被栗至高壓時，如更深地層的壓裂所需的那樣，則發(fā)生相轉變，使N2從其液體形式轉變至其氣體狀態(tài)，而支撐劑在這些條件下的輸送將成為問題。
[0008]支撐劑通常通過泡沫被輸送到斷裂的地下地層，因為它們更傾向于具有相較于液體輸送更低的“滲漏”比率，即，從壓裂降低壓裂流體的損失。大多數(shù)現(xiàn)有的支撐劑輸送使用液態(tài)0)2或液氮。然而，這些技術也有一些缺陷，例如運輸成本和將液態(tài)CO 2或液氮導入井場的物流復雜性，使用液態(tài)CO2或液氮導致的烴的污染，以及需要水作為形成泡沫的液體基。水作為形成泡沫的液體基的使用，是被栗送加壓的氣化的CO2Sn2激活(energize)的，并且這一泡沫輸送支撐劑，需要許多與標準水力壓裂相同的化合物(交聯(lián)劑、松弛劑(slickening agents)、防膨劑......)。
[0009]因此，需要一種不使用液體的有效壓裂方法。還需要更節(jié)能的壓裂過程。進一步需要不產生要求艱難的清洗措施的污染廢物流的壓裂方法。還進一步需要一種壓裂方法，該方法通過避免使用水(烴不與其相互作用)來增加對來自地下地層的烴的回收。
[0010]還需要一種基于泡沫的支撐劑輸送系統(tǒng)和方法，其不需要液態(tài)CO2、液氮、或者大量的水。因此，需要非水力壓裂和支撐劑輸送系統(tǒng)和方法，其是不那么能源密集的、不需要用于壓裂和輸送支撐劑的液體、不給壓裂過程顯著地增加污染物或廢棄物，并且具有提高烴回收的潛力。
[0011]發(fā)曰月概沐
[0012]通過提供使用異臨界相(metacritical phase)天然氣(其在下文中可以被稱為“異NG(meta-NG) ”)作為壓裂和支撐劑輸送介質的非水力壓裂和支撐劑輸送系統(tǒng)、方法和過程，本公開內容的實施例在很大程度上減輕了已知的壓裂和支撐劑輸送過程的缺點。氣體的異臨界相是這樣一組條件，其中所述氣體位于其臨界壓力之上并且比其臨界溫度冷。被栗至高壓的異NG用于在地下地層中形成或延伸裂縫并使這些裂縫保持張開以釋放包含在這些地層中的烴。異NG可能被栗至高壓、被加熱并用于將合適的支撐劑輸送至地下地層中的裂縫。
[0013]本公開內容的實施例提供通過使用泡沫輸送支撐劑將受激活氣體壓裂的系統(tǒng)和方法，其中所述液體是非水液體也可包括表面活性劑和向其中加入支撐劑，該流體被異NG激活成泡沫，并回收形成與塌陷泡沫的所述流體，這一流體同被釋放的烴一起返回到表面。公開的支撐劑輸送系統(tǒng)和方法可使用異NG在井中栗送加壓，其中該異NG在井或其附近生成，并且進料NG是不顯著區(qū)別于即將被解放的NG的。一種非水液體，例如醇的一種，包括但不限于乙醇、甲醇或乙二醇，是被用作栗送加壓液體的，其在一些實施例中同表面活性劑一起被高壓異NG或壓縮天然氣(CNG)所激活或泡沫化。
[0014]使用非水液體，例如醇的一種，包括但不限于乙醇、甲醇或乙二醇，作為栗送高壓液體，其(同表面活性劑一起)被高壓異NG激活(泡沫化)。選擇異NG或壓縮天然氣(“CNG”)用于氣泡將取決于對產生的泡沫的需求，S卩，使用較冷的異NG得到的更粘稠的泡沫或使用CNG則得到低粘性的泡沫。泡沫粘度是完井專家控制的諸多因素之一，以便實現(xiàn)裂縫內的支撐劑深度輸送。較高的粘度有助于創(chuàng)造更寬的裂縫，并幫助攜帶支撐劑進入裂縫的更深處?？赡艽_定一個特定完井效果將使用異NG或CNG的其他因素，可以包括井套管和泡沫輸送管道/管線的溫度耐受性。
[0015]示例性實施例包括壓裂地下地層的方法，該方法包括將異NG栗入地下地層中以在地層中形成或延伸一個或多個裂縫?？涩F(xiàn)場生產所述異NG。方法還可以包括通過將更多異NG栗入裂縫中來維持或增加地層中的異NG的壓力，以使所述裂縫保持張開。在示例性實施例中，通過所述異NG將支撐劑輸送至地下地層中。所述支撐劑可以是被潤滑的并經由高壓下的熱的壓縮天然氣(“CNG”)或者由泡沫在各種壓力和溫度下輸送。
[0016]在示例性實施例中，通過將所述異NG栗送加壓和加熱來生產高壓的熱CNG。示例性方法還可以包括釋放所述CNG的壓力，使得所述支撐劑獨自使裂縫保持張開。在示例性實施例中，所述裂縫在不使用水或其他液體的情況下形成并保持張開，并且所述支撐劑在不使用水或其他液體的情況下輸送。此外，壓裂步驟和支撐劑輸送步驟可在不存在用于減輕液體使用的不利影響的化學添加劑的情況下進行。
[0017]非水力壓裂方法的示例性實施例包括將異NG栗入地下地層中以在地層中形成或延伸一個或多個裂縫，以及將支撐劑輸送至地下地層中。該方法可進一步包括維持或增加異NG的壓力以使裂縫保持張開。在示例性實施例中，所述支撐劑是被潤滑的，并且所述支撐劑可以經由對異NG進行栗送加壓和加熱而產生的熱CNG輸送。通過使用本文所公開的方法的示例性實施例，所述裂縫在不使用水或其他液體的情況下形成并保持張開，并且所述支撐劑在不使用水或其他液體的情況下輸送。
[0018]非水力壓裂系統(tǒng)的示例性實施例包括異NG供應、用于存儲異臨界天然氣的低溫貯槽、至少一個正位移裝置(例如，栗或壓縮機)和管道網(wǎng)絡(該管道系統(tǒng)可包括油井套管和/或接合劑(cement))。所述低溫IC槽被流體性的連接至所述異NG供應，并且所述正位移裝置被流體性的連接至所述低溫貯槽。所述管道網(wǎng)絡被流體性的連接至所述至少一個正位移裝置和所述低溫貯槽，并且至少一根管子延伸到地下地層中。在示例性實施例中，所述異NG由被構造成通過壓縮和制冷的適當平衡將天然氣轉化成異NG的現(xiàn)場天然氣設施供應。如本公開內容全文所討論的那樣，所述異NG可以由從地下地層返回至地上NG設施的CNG生產。
[0019]示例性的系統(tǒng)被配置為:使得所述異NG流經管道網(wǎng)絡進入地下地層，從而使所述異NG在地層中形成或延伸一個或多個裂縫。所述至少一個正位移裝置增加了異NG的壓力以使裂縫保持張開。該系統(tǒng)可進一步包括容納在儲存容器、料斗和/或允許支撐劑加入異NG的其他設備中的支撐劑，從而所述異NG能夠將支撐劑輸送至地下地層中的裂縫。在示例性實施例中，熱的高壓CNG流經管道網(wǎng)絡，并且支撐劑經由熱的高壓CNG被輸送到地下地層的裂縫中。
[0020]示例性實施例還包括通過冷泡沫輸送支撐劑的方法，包括:提供一種非水液體、加入表面活性劑至非水液體、加入支撐劑到非水液體中以形成非水液體、表面活性劑和支撐劑流、栗送加壓所述非水液體、表面活性劑和支撐劑流、使用加壓天然氣以激活所述非水液體、表面活性劑和支撐劑流，和輸送被激活的非水液體、表面活性劑和支撐劑流至地下地層中。加壓天然氣可以是異臨界相天然氣或異NG。支撐劑在地下地層中保持一個或多個裂縫張開。
[0021]在示例性的實施方案中，被激活的非水液體、表面活性劑和支撐劑流是處于環(huán)境溫度和大約-140° F之間的一個溫度。所述非水液體可以是甲醇，并且當所述甲醇、表面活性劑和支撐劑流被高壓NG激活時，所述甲醇、表面活性劑和支撐劑流進入一種泡沫狀態(tài)。在上下文中，術語“激活”指的是將高壓氣流導入包含(除其他外)表面活性劑的液體流，從而產生泡沫。在示例性實施方案中，在地下地層中的甲醇的泡沫狀態(tài)破裂，使得甲醇變成液態(tài)或氣態(tài)。然后液態(tài)或氣態(tài)的甲醇可以溶解于從地下地層中釋放的烴中從而形成甲醇-烴溶液，隨后甲醇-烴溶液流出地下地層。示例性實施方案還包括通過引導異臨界相天然氣在第一方向上和引導甲醇-烴溶液在與第一方向基本相反的第二方向上，來回收甲醇。在這樣的實施方案中，異臨界相天然氣冷卻甲醇-烴溶液，并且甲醇-烴溶液中的甲醇從溶液中冷凝出來。
[0022]示例性實施例包括回收支撐劑輸送液體的方法。這類方法包括當溶液流出地下地層時，首先回收溶解于從地下地層中釋放出來的烴中的支撐劑輸送溶液。然后異臨界相天然氣被引導在第一方向上，和支撐劑輸送液體-烴溶液被引導在與第一方向基本相反的第二方向上。在這樣的實施方案中，異臨界相天然氣冷卻所述支撐劑輸送液體-烴溶液，并且支撐劑輸送液體-烴溶液中的支撐劑輸送液體從溶液中冷凝出來。所述支撐劑輸送液體可以是醇，并且在示例性實施例中可能是甲醇。在示例性實施例中，異臨界相天然氣是現(xiàn)場產生的。
[0023]一個支撐劑輸送系統(tǒng)的示例性實施例包括:支撐劑供應、流體性的連接至支撐劑供應的表面活性劑供應、流體性的連接至支撐劑供應和表面活性劑供應的非水液體供應、流體性的連接至所述支撐劑供應、表面活性劑供應和非水液體供應的發(fā)泡容器、流體性的連接至所述發(fā)泡容器中的天然氣供應、流體性的連接至所述發(fā)泡容器的至少一個正位移裝置，和流體性的連接至所述至少一個正位移裝置的管道網(wǎng)絡，其中至少一個管道延伸到地下地層中。
[0024]在示例性實施例中，將來自支撐劑供應的支撐劑和來自表面活性劑供應的表面活性劑添加到來自非水液體供應系統(tǒng)的非水液體中，以形成一種非水液體、表面活