用于地下地層的壓裂系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種用于壓裂井下地層的方法，包括：制備增能壓裂流體，包括在混合器中混合氣態(tài)天然氣和壓裂基礎(chǔ)流體；將增能壓裂流體注入通過井口并進(jìn)入井中；以及繼續(xù)注入增能壓裂流體直到地層被壓裂。一種用于產(chǎn)生用于壓裂井下地層的增能壓裂流體的裝置，所述裝置包括：壓裂基礎(chǔ)流體源；天然氣源；以及混合器，所述混合器用于接收來自天然氣源的天然氣和來自壓裂基礎(chǔ)流體源的壓裂基礎(chǔ)流體，并將天然氣和壓裂基礎(chǔ)流體混合以產(chǎn)生增能壓裂流體。
【專利說明】用于地下地層的壓裂系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求在2011年I月17日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/433，441的的權(quán)益，并且該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過參引合并到本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及一種用于地下地層的壓裂系統(tǒng)和方法，尤其涉及液壓壓裂。
【背景技術(shù)】
[0004]液壓壓裂是用來提升現(xiàn)有井、低效率井、新井和不再生產(chǎn)的井的生產(chǎn)的通用技術(shù)。壓裂流體與壓裂支撐材料在專用設(shè)備中混合，隨后被泵送通過井孔并進(jìn)入包含待生產(chǎn)的烴材料的地下地層中。在足以壓裂地下地層的高壓下完成攜帶支撐材料的壓裂流體的注入。壓裂流體將支撐材料攜帶到裂縫中。在完成流體和支撐劑注入后，降低壓力，支撐劑使裂縫保持打開。隨后使井排出以移除裂縫和地層中的壓裂流體。在移除足夠的壓裂流體之后，利用通過所形成的裂縫體系的提高的流動(dòng)開始或恢復(fù)井中的生產(chǎn)。在例如從煤層甲烷沉積物中回收天然氣之類的某些情形下，不使用支撐劑并且壓裂地層的簡(jiǎn)單作用足以提供期望的生產(chǎn)提升。不能從地層中移除足夠的壓裂流體可阻斷烴的流動(dòng)并且顯著降低所放置裂縫以及從井中生產(chǎn)的有效性。為了提升壓裂流體回收，在液壓壓裂操作中使用氣體、主要為氮和二氧化碳。
[0005]在壓裂過程中使用氣體特別是二氧化碳和氮在工業(yè)中是常見的。通過使用這些氣體能夠減少或排除壓裂流體中的液體成分。由于在壓裂處理中更少地使用液體并且氣體成分的較高移動(dòng)性和膨脹性，所以更容易移除壓裂流體。此外，用氣體代替液體能夠通過減少完成壓裂處理所需的液體體積而提供經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。使用氣體的總體壓裂組成物能夠分為純氣體壓裂(包括幾乎100%的氣體(包含二氧化碳或氮)的流體)、霧狀物(包括攜帶液相的大約95%的氣體(二氧化碳或氮)的混合物)、泡沫或乳濁液(包括形成在連續(xù)液相中的大約50%至95%的氣體的混合物)、或增能的流體(在液相中包括大約5%至50%的氣體的混合物)。
[0006]將氮或二氧化碳與油基或水基壓裂流體一起使用已經(jīng)在現(xiàn)有技術(shù)中描述，并且能夠提供一系列益處。然而，盡管具有這些所有的益處，在壓裂處理中使用氮或二氧化碳仍對(duì)液壓壓裂過程具有某些不利影響，在壓裂流體回收期間產(chǎn)生增加成本和對(duì)環(huán)境消極影響的問題。
[0007]已經(jīng)提出了其他氣體以獲得將氣體添加至壓裂流體的益處，同時(shí)避免氮和二氧化碳帶來的內(nèi)在困難。具體地，提出了在液壓壓裂中使用天然氣。天然氣能夠不破壞儲(chǔ)油巖、對(duì)于儲(chǔ)層流體是無作用的、能夠在不污染儲(chǔ)層氣體的情況下回收、并且通常容易獲得。
[0008]然而，盡管建議天然氣用于液壓壓裂處理，但是其是潛在危險(xiǎn)的，并且尚未提供利用天然氣進(jìn)行液壓壓裂的合適和安全的裝置和方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于產(chǎn)生增能壓裂流體混合物的系統(tǒng)，所述增能壓裂流體混合物用于壓裂井下地層，系統(tǒng)包括:壓裂基礎(chǔ)流體源；基礎(chǔ)流體泵，基礎(chǔ)流體泵流體地聯(lián)接至壓裂基礎(chǔ)流體源并且能夠構(gòu)造成將基礎(chǔ)流體加壓至至少地層的壓裂壓力；液化天然氣(“LNG”)源；LNG泵組件，LNG泵組件流體地聯(lián)接至LNG源，并且LNG泵組件包括泵部件和加熱器部件，泵部件能夠構(gòu)造成將LNG加壓至至少壓裂壓力，加熱器部件能夠構(gòu)造成將已加壓的LNG加熱至所需的應(yīng)用溫度；以及壓裂流體混合器，壓裂流體混合器具有流體地聯(lián)接至基礎(chǔ)流體泵的第一入口、流體地聯(lián)接至LNG泵組件的第二入口、以及用于聯(lián)接至井口的出口 ；該混合器用于將基礎(chǔ)流體與加熱并加壓的天然氣混合以形成用于注入到井口中的壓裂流體混合物。
[0010]泵部件能夠還包括至少一個(gè)低溫離心泵、LNG泵,該LNG泵流體地聯(lián)接至該至少一個(gè)低溫泵，該LNG泵調(diào)定為至少地層的壓裂壓力。加熱器部件能夠包括至少一個(gè)熱交換器，該至少一個(gè)熱交換器流體地聯(lián)接至泵部件以接收已加壓的LNG。該熱交換器還熱聯(lián)接至熱源并且能夠?qū)⒁鸭訅旱腖NG加熱至至少所需的應(yīng)用溫度。加熱器部件能夠是無焰催化加熱器。無焰催化加熱器能夠包括至少一個(gè)催化元件和LNG管道，至少一個(gè)催化元件能夠與燃料氣體流體地連通并且能夠氧化燃料氣體以生成熱，LNG管道與催化元件熱聯(lián)接但與催化元件流體地分離，，并且LNG管道用于使LNG從其中流過。無焰催化加熱器能夠還包括多個(gè)催化元件，多個(gè)催化元件圍繞LNG管道同心地布置，形成用于LNG通過無焰催化加熱器的單個(gè)通道的催化束。
[0011]混合器能夠包括主流動(dòng)管線和彎曲管道，主流動(dòng)管線包括入口端和出口端，彎曲管道在入口端和出口端之間連接至主流動(dòng)管線并且與主流動(dòng)管線流體連通。彎曲管道從入口端以銳角延伸，以及，存在大致線性流動(dòng)路徑通過主流動(dòng)管線。入口端被連接用以接收來自基礎(chǔ)流體泵的基礎(chǔ)流體的流動(dòng)，并且，彎曲管道被連接用以接收來自LNG泵組件的天然氣的流動(dòng)。
[0012]LNG源能夠包括至少一個(gè)LNG罐，并且系統(tǒng)能夠還包括氣態(tài)天然氣回流管道，氣態(tài)天然氣回流管道流體地聯(lián)接至蒸發(fā)器部件和罐，用于將已加壓的氣態(tài)天然氣供給至罐以對(duì)罐進(jìn)行加壓。
[0013]該系統(tǒng)還能夠包括點(diǎn)燃器、點(diǎn)燃管線管道、以及減壓閥，點(diǎn)燃管線管道流體地聯(lián)接至點(diǎn)燃器，減壓閥將點(diǎn)燃管線管道流體地聯(lián)接至罐使得能夠?qū)⒐拗械臍鈶B(tài)天然氣排放至點(diǎn)燃器。該系統(tǒng)還能夠包括低溫惰性氣體源和惰性氣體膨脹液化單元，惰性氣體膨脹液化單元流體地聯(lián)接至低溫惰性氣體源、并且具有流體地聯(lián)接至罐以接收來自罐的氣態(tài)天然氣的入口閥以及聯(lián)接至罐以將LNG傳送至罐的出口閥。惰性氣體液化單元構(gòu)造成允許低溫惰性氣體在其中蒸發(fā)并使氣態(tài)天然氣在其中進(jìn)行充分地冷卻以將其液化成LNG。LNG源包括多個(gè)LNG罐、流體地聯(lián)接至每個(gè)罐的罐間蒸氣管線管道、以及流體地聯(lián)接至每個(gè)罐的罐間液體管線管道。
[0014]壓裂基礎(chǔ)流體源能夠包括壓裂液體的供給，以及任選地包括支撐劑和壓裂改性化學(xué)制劑中的至少一者。壓裂基礎(chǔ)流體源能夠包括支撐劑和壓裂改性化學(xué)制劑中的至少一者，并且系統(tǒng)能夠還包括攪拌器，攪拌器在混合器上游對(duì)基礎(chǔ)流體與支撐劑和壓裂改性化學(xué)制劑中的至少一者進(jìn)行攪拌。[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于壓裂井下地層的方法，該方法包括以下步驟:提供基礎(chǔ)流體并且將基礎(chǔ)流體加壓至至少地層的壓裂壓力；提供液化天然氣(LNG)并且將LNG加壓至至少壓裂壓力，隨后將LNG加熱至所需的應(yīng)用溫度；將已加壓的基礎(chǔ)流體與已加壓的天然氣混合以形成增能壓裂流體混合物；將增能壓裂流體混合物注入通過井口并且注入到與地層連通的井中；以及繼續(xù)注入增能壓裂流體混合物直到地層被壓裂。
[0016]壓裂基礎(chǔ)流體能夠包括壓裂液體，以及任選地包括支撐劑和壓裂改性化學(xué)制劑中的至少一者。壓裂基礎(chǔ)流體能夠包括支撐劑和壓裂改性化學(xué)制劑中的至少一者，并且該方法還包括在將基礎(chǔ)流體與天然氣混合之前對(duì)壓裂液體與支撐劑和壓裂改性化學(xué)制劑中的至少一者進(jìn)行攪拌。增能壓裂流體能夠是泡沫。
[0017]能夠從至少一個(gè)LNG罐提供LNG，并且該方法還包括將LNG罐中的氣態(tài)天然氣排放至點(diǎn)燃器。能夠從至少一個(gè)LNG罐提供LNG，并且該方法還包括接收來自LNG罐中的氣態(tài)天然氣，并且通過使低溫惰性氣體蒸發(fā)并使蒸發(fā)的惰性氣體與氣態(tài)的天然氣接觸而將氣態(tài)天然氣冷卻成LNG。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]現(xiàn)在將參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行描述，其中:
[0019]圖1是根據(jù)至少一部分實(shí)施方式中的用于將天然氣和基礎(chǔ)流體的壓裂流體混合物注入到地下地層中的壓裂系統(tǒng)的總體示意圖。
[0020]圖2是示出了如圖1所示的壓裂系統(tǒng)的主要部件的示意圖，其中包括根據(jù)第一實(shí)施方式的壓縮天然氣存儲(chǔ)和供給設(shè)備。
[0021]圖3是示出了如圖1所示的壓裂系統(tǒng)的主要部件的示意圖，其中包括根據(jù)第二實(shí)施方式的液化天然氣(LNG)存儲(chǔ)和供給設(shè)備。
[0022]圖4是示出了使用在第二實(shí)施方式中的LNG壓裂泵組件的主要部件的示意圖。
[0023]圖5是示出了用于至少一部分實(shí)施方式中的天然氣和壓裂漿料流混合器的示意圖。
[0024]圖6是示出了根據(jù)第三實(shí)施方式的用于將包括天然氣凈流的壓裂流體注入到地下地層中的壓裂系統(tǒng)的示意圖。
[0025]圖7是示出了根據(jù)第四實(shí)施方式的用于將包括天然氣和支撐劑的壓裂流體混合物注入到地下地層中的壓裂系統(tǒng)的示意圖。
[0026]圖8是示出了根據(jù)第五實(shí)施方式的用于將包括天然氣和基礎(chǔ)流體而不包括支撐劑的壓裂流體混合物注入到地下地層中的壓裂系統(tǒng)的示意圖。
[0027]圖9是示出了根據(jù)第六實(shí)施方式的用于將壓裂流體混合物注入到地下地層中的壓裂系統(tǒng)的示意圖，其中該系統(tǒng)包括天然氣排出和凈化設(shè)備。
[0028]圖10是示出了使用在第二實(shí)施方式中的LNG存儲(chǔ)和蒸氣處理設(shè)備的示意圖。
[0029]圖11是示出了一部分實(shí)施方式中的用于控制壓裂系統(tǒng)的控制器的示意圖。
[0030]圖12是示出了壓裂系統(tǒng)的至少一部分實(shí)施方式的示例性表面設(shè)備布局的示意圖。
[0031]圖13是示出了大致沿圖10的線1-1的截面的示意圖。
[0032]圖14 (a)和圖14 (b)是示出了液化天然氣壓裂泵組件的另一實(shí)施方式的催化蒸發(fā)器的示意圖。
[0033]圖15是示出了根據(jù)至少一部分實(shí)施方式的利用壓裂系統(tǒng)通過壓裂流體混合物壓裂地下地層的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】[0034]兎直
[0035]下面的說明書和在此描述的實(shí)施方式通過舉例本發(fā)明的各個(gè)方面的原理的特定實(shí)施方式的示例來提供。本發(fā)明的各個(gè)方面的原理的這些示例被提供用于說明的目的而不是用于限制的目的。在說明書中，相似的部件在全部說明書和附圖中用相應(yīng)的附圖標(biāo)記標(biāo)注。附圖不必按照比例繪制并且在某些示例中能夠放大比例以更清楚地示出某些特征。
[0036]在此描述的實(shí)施方式提供了一種用于通過包括天然氣和基礎(chǔ)流體的壓裂流體混合物或通過僅包括天然氣的壓裂流體對(duì)地下儲(chǔ)層的地層進(jìn)行壓裂的裝置、系統(tǒng)以及方法。在第一實(shí)施方式中，提供了一種注入包括天然氣和基礎(chǔ)流體的壓裂流體混合物的壓裂系統(tǒng)，其中天然氣存儲(chǔ)為壓縮天然氣(CNG)，并且其中基礎(chǔ)流體能夠包括壓裂流體、支撐劑和增粘劑。在第二實(shí)施方式中，提供了一種注入包括天然氣和基礎(chǔ)流體的壓裂流體混合物的壓裂系統(tǒng)，其中天然氣存儲(chǔ)為L(zhǎng)NG，并且其中基礎(chǔ)流體能夠包括壓裂流體、支撐劑和增粘劑。在第三實(shí)施方式中，提供了一種注入僅由天然氣流組成的壓裂流體的壓裂系統(tǒng)。在第四實(shí)施方式中，提供了一種注入僅由天然氣流和支撐劑組成的壓裂流體混合物的壓裂系統(tǒng)。在第五實(shí)施方式中，提供了一種注入包括天然氣和基礎(chǔ)流體的壓裂流體混合物的壓裂系統(tǒng)，其中基礎(chǔ)流體不包含支撐劑。在第六實(shí)施方式中，提供了一種壓裂系統(tǒng)，該壓裂系統(tǒng)注入包括天然氣和基礎(chǔ)流體的壓裂流體混合物，并且所述壓裂系統(tǒng)包括天然氣排放裝置和凈化設(shè)備。下面將對(duì)這些實(shí)施方式中的每個(gè)實(shí)施方式進(jìn)行更加詳細(xì)地描述。
[0037]如在本公開中所使用的，天然氣僅是指甲烷(CH4)或甲烷與諸如其他氣態(tài)烴之類的其他氣體的混合物。天然氣通常是包含大約85%至99%的甲烷(CH4)、5%至15%的乙烷(C2H6)、以及具有微量長(zhǎng)鏈烴的含量更少的丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)和戊烷(C5H12)的可變混合物。如在此使用的，盡管大于近似30%的體積會(huì)降低從本加工中收獲的效益，但是天然氣還能夠包含可變程度的諸如二氧化碳和氮之類的惰性氣體。CNG是指壓縮天然氣。LNG是指液化天然氣。
[0038]用于液壓壓裂的天然氣流能夠作為氣體提供并且處于足以支持地下儲(chǔ)層的液壓壓裂的壓力和速率。天然氣流能夠與基礎(chǔ)流體攪拌以形成壓裂流體混合物，或者作為純流(即不包含基礎(chǔ)流體)注入，或僅與支撐劑攪拌?；A(chǔ)流體能夠包括諸如傳統(tǒng)的烴類井維護(hù)流體之類的壓裂液體、含有一個(gè)或更多個(gè)支撐劑和/或一個(gè)或更多個(gè)增粘劑或諸如減阻劑之類的流變改性劑的壓裂液體。在地下儲(chǔ)層產(chǎn)生壓裂的液壓能由在表面處以足以在地下儲(chǔ)層處產(chǎn)生所需能量的結(jié)合速率對(duì)氣態(tài)天然氣和基礎(chǔ)流體的混合物進(jìn)行增壓而獲得。壓裂處理后，能夠?qū)⑻烊粴夂碗S附的壓裂液體回收，并且使用的天然氣增能劑能夠針對(duì)用于回收和銷售的現(xiàn)有設(shè)施。
[0039]提供了以下的壓裂系統(tǒng):所述壓裂系統(tǒng)包括用于儲(chǔ)存壓裂流體混合物的成分的設(shè)備、用于將含有壓裂流體的天然氣混合物注入到諸如油井或氣井之類的地下地層中的設(shè)備、以及用于將壓裂流體從井中回收和分離的設(shè)備。在一部分實(shí)施方式中，天然氣源是保持在具有將天然氣進(jìn)一步壓縮至適當(dāng)壓裂壓力的壓裂泵的加壓容器中的壓縮氣體(CNG)。在其他實(shí)施方式中，壓縮氣體保持在高于壓裂壓力的加壓容器中并且簡(jiǎn)單地釋放至壓裂流中。在一部分實(shí)施方式中，氣體源是具有將LNG加壓至壓裂壓力并加熱加壓LNG流的壓裂泵的容納液化天然氣(LNG)的容器。
[0040]氣相天然氣的有效儲(chǔ)存在通常小于30MPa(4，400psi)的最高可能壓力下實(shí)現(xiàn)。將天然氣的壓力增大至液壓壓裂通常所需的極限能夠通過以氣相進(jìn)行給送來完成。已經(jīng)將氣相壓縮機(jī)使用于接近IOOMPa (15，OOOpsi )的壓力，因此氣相壓縮機(jī)適于將天然氣壓縮至適當(dāng)?shù)膲毫褖毫Α?br> [0041]包含天然氣的壓裂流體流改善了從井中移除壓裂流體以及因此改善了壓裂后的生產(chǎn)性能。使用天然氣避免了通常在使用二氧化碳或氮作為增能流體的情況下出現(xiàn)的流體不相容性。在完成壓裂處理時(shí)，天然氣成分與壓裂流體和儲(chǔ)層油和/或儲(chǔ)層氣一起回收。注入的天然氣在現(xiàn)有的油和/或氣處理系統(tǒng)內(nèi)以對(duì)正常操作很少造成或不造成干擾的方式回收。這可能消除為了實(shí)現(xiàn)用于銷售的氣體的適當(dāng)氣體成分所需的在增能壓裂處理中典型的排放和燃燒。此外，在壓裂流體流中使用天然氣能夠使得能夠施加局部可用氣體，以獲得氣化壓裂流體流的益處，而不需要通常與氮或二氧化碳關(guān)聯(lián)的大規(guī)模物流。
[0042]圖1是根據(jù)這些實(shí)施方式的壓裂系統(tǒng)的主要部件的總體描述，其中所述實(shí)施方式利用包括天然氣和基礎(chǔ)流體一一基礎(chǔ)流體能夠包括支撐劑和/或化學(xué)添加劑——的壓裂流體混合物。壓裂液體存儲(chǔ)在壓裂液體罐(13)中，支撐劑存儲(chǔ)在支撐劑容器(12)中，以及，諸如增粘劑之類的化學(xué)添加劑存儲(chǔ)在化學(xué)添加劑容器(22)中。天然氣存儲(chǔ)在天然氣容器
(15)中，并且天然氣流通過高壓天然氣泵(17)加壓和供給，并且經(jīng)由管道(24)進(jìn)入壓裂流體混合器(18)。存儲(chǔ)在容器(15)中的天然氣能夠是壓縮天然氣或液化天然氣。在壓縮天然氣作為源的情形下，高壓天然氣泵(17)是壓縮機(jī)；或者，在液化天然氣作為源的情形下，高壓天然氣泵(17)是專用的液化天然氣壓裂泵。不管源氣體的狀態(tài)如何，從高壓天然氣泵
(17)的輸出都處于氣態(tài)。
[0043]在混合器(18)內(nèi)，來自管道(24)的天然氣流與來自管道(42)的液相基礎(chǔ)流體流結(jié)合；該基礎(chǔ)流體能夠包括與支撐劑和化學(xué)添加劑任選地結(jié)合的壓裂流體。隨后，結(jié)合的壓裂混合物經(jīng)由管道(25)進(jìn)入井(19)，結(jié)合的壓裂混合物在井(19)處從井孔(wellbore)向下行進(jìn)至儲(chǔ)層，從而利用壓裂流體混合物的速率和壓力形成液壓壓裂。在井(19)內(nèi)施加所需的壓裂材料時(shí)，停止注入并且完成壓裂處理的布置。壓裂處理后以及在被認(rèn)為適于對(duì)井進(jìn)行壓裂的時(shí)間，為使引導(dǎo)至管道(20a)并且隨后通過將氣體與液體分離的分離器容器(60)的流的流動(dòng)，井(19)打開。來自井的初始流動(dòng)主要將包括注入的壓裂材料，并且分離器容器(60)用于將注入的天然氣從通過管道(20a)的回收的流中分離。從分離器容器(60)中回收的液體和固體被引向罐或保持站(holding pits)(未示出)。來自回收流的天然氣排出分離器(60)并且初始地引向點(diǎn)燃器(20)直到流量適當(dāng)?shù)胤€(wěn)定，隨后引向用于處理和銷售的管路(21)。
[0044]在另一實(shí)施方式中，提供了一種使用天然氣或天然氣和基礎(chǔ)流體的混合物來壓裂井的方法。多個(gè)特定的方法與安全地且可靠地使用呈液化天然氣形式的天然氣有關(guān)。使用用于現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)的LNG的方法能夠允許有效地并且在低至大氣壓的壓力下儲(chǔ)存相當(dāng)大的體積。作為低溫液體，一個(gè)單位體積的LNG包含大約六百體積的大氣壓下的氣體。因此，相比于壓縮氣體，需要更少的存儲(chǔ)容器以及具有減少的流量體積的更低的存儲(chǔ)和供給壓力。類似地，將天然氣加壓至在呈如LNG的液體形式的液壓壓裂中所遇到的極限壓力是格外有效的。此外，作為液體，與壓縮天然氣相比，顯著減少了容積比并且相對(duì)地不可壓縮，消除了壓縮加熱并且大幅度地減少了設(shè)備尺寸和數(shù)量。這顯著地降低了操作的復(fù)雜性，從而降低了在已知技術(shù)中存在的成本和危險(xiǎn)因素。此外，由于在較低壓力下操作的設(shè)備更少并且在設(shè)備之間的連接部更少，所以使用LNG有助于設(shè)備在井之間的頻繁運(yùn)動(dòng)所需要的簡(jiǎn)化性。在接近或低于液化天然氣的溫度的溫度下的惰性低溫氣體用于在引入低溫LNG之前將天然氣泵和加熱器快速地、高效地、且安全地預(yù)冷卻至操作溫度。這消除和最小化了利用LNG進(jìn)行冷卻，由此在用可燃液化氣冷卻系統(tǒng)時(shí)避免了不必要的點(diǎn)燃和潛在的安全問題。通過將泵和加熱系統(tǒng)結(jié)合在永久結(jié)合的單個(gè)單元上，使低溫的液化天然氣泵和加熱系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)壓力整體性(integrity)最大化。LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)成在高壓下操作以在存儲(chǔ)期間排除或最小化排出氣體。高壓能力還允許在LNG從儲(chǔ)罐排出期間以壓裂速率推進(jìn)增壓，由此有助于供給至LNG泵。來自LNG壓裂泵的蒸氣作為側(cè)流按需導(dǎo)引至LNG儲(chǔ)罐以維持容器壓力并且形成所述推進(jìn)。用于加熱LNG的能量能夠以多種方式獲得，其中優(yōu)選實(shí)施方式使用不形成火焰的熱。用于便攜單元的這種熱能夠從環(huán)境、來自內(nèi)燃機(jī)、催化點(diǎn)燃器或電熱元件的廢熱或產(chǎn)生的熱中獲得。替代性地，熱量能夠使用靠近加熱器或遠(yuǎn)離由安全要求規(guī)定的處理的焰底熱源生成。
[0045]在此描述的實(shí)施方式因此提供壓裂系統(tǒng)以及利用該壓裂系統(tǒng)和壓裂流體混合物壓裂地下地層的方法。在壓裂流體混合物中使用的天然氣能夠容易地以合理的成本獲得，并且是環(huán)境友好型的和在商業(yè)上是可回收的。盡管其還適于代替壓裂流體體積，但其作為氣相使用對(duì)于提高后壓裂油和壓裂氣的產(chǎn)量是有益的，由此減小了環(huán)境影響和壓裂成本。通過現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)施回收氣體的能力隨后能夠減小火焰、節(jié)省將井投入生產(chǎn)的時(shí)間以及允許從井及時(shí)回收氣體。此外，該技術(shù)能夠使用于傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)的油井和氣井，并且適于通過烴基礎(chǔ)流體、水基礎(chǔ)流體和酸來壓裂。
[0046]第一實(shí)施方式:使用包括基礎(chǔ)流體和來自壓縮天然氣源的天然氣的壓裂流體混合物的壓裂系統(tǒng)
[0047]根據(jù)第一實(shí)施方式并參照?qǐng)D2，示出了一種用于使用壓裂流體混合物對(duì)由井貫穿的地下儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂的系統(tǒng)。壓裂流體混合物通過對(duì)天然氣流與基礎(chǔ)流體進(jìn)行攪拌而形成，其中天然氣來自壓縮天然氣源。基礎(chǔ)流體包括壓裂流體并且還能夠包括增粘的化學(xué)制劑和支撐劑。更特別地，壓裂流體按照要求能夠是油、水、甲醇、酸中的任一個(gè)或其結(jié)合。支撐劑能夠是天然壓裂砂或人造顆粒?；瘜W(xué)添加劑將會(huì)是通常適于在液體中生成粘度、減少摩擦或生成所需有益特性的產(chǎn)品。
[0048]系統(tǒng)的主要部件包括壓裂流體供給罐、用于輸送和預(yù)備與天然氣流結(jié)合的基礎(chǔ)流體的設(shè)備、天然氣容器、用于輸送與基礎(chǔ)流體結(jié)合的天然氣流的設(shè)備、用于將基礎(chǔ)流體和天然氣流結(jié)合以形成壓裂流體混合物的混合器、以及用于將壓裂流體混合物輸送到井口的設(shè)備?，F(xiàn)在將描述壓裂系統(tǒng)的專用部件。適用于水或烴基礎(chǔ)流體的壓裂液體罐(13)經(jīng)由管道
(26)連接至壓裂攪拌器(14)，其中壓裂攪拌器(14)具有經(jīng)由管道從化學(xué)添加劑容器(22)添加的增粘化學(xué)制劑。壓裂液體罐(13)能夠是通常用于液壓壓裂工業(yè)中的罐中的任意一種，并且能夠使用多于一個(gè)的罐或其他合適的裝置存儲(chǔ)足夠的液體體積。與在圖2中示出的所有其他管道類似，管道(26)是符合所述用途和條件的管或軟管。攪拌器(14)接納增粘的壓裂流體并且將來自支撐劑供給容器(12)的支撐劑與壓裂流體攪拌以形成現(xiàn)在處于漿料形式的基礎(chǔ)流體。攪拌器(14)是多功能單元，其通過離心泵(未示出)抽取來自壓裂流體罐的液體、接收來自化學(xué)添加劑容器(22)的化學(xué)制劑、以及通常在離心泵內(nèi)將它們與壓裂流體混合。
[0049]壓裂流體與來自支撐劑供給容器(12)的支撐劑在攪拌器(14)的混合槽或其他混合設(shè)備中結(jié)合并且隨后抽入安裝在攪拌器(14)上的另一離心泵中。典型攪拌單元的示例是其上安裝有壓裂攪拌器的由National Oilwell Varco供給至工業(yè)的MT-1060拖車。支撐劑供給容器(12)的示例是被稱作“sand kings (砂王)”的每分鐘能夠傳送9噸(20，OOOlbs)支撐劑的 IlOm3 (4，OOOcu.ft.)容器。
[0050]隨后，生成的漿料基礎(chǔ)流體從攪拌器(14)經(jīng)由管道泵送至高壓漿料泵(16)。高壓漿料泵(16)將基礎(chǔ)流體流加壓至合適的壓裂壓力并且經(jīng)由管道(25)連接至壓裂流體混合器(18)。高壓壓裂泵的示例是安裝在拖車上的生成最高達(dá)1，500kff或2，000ΗΗΡ的柴油動(dòng)力型Quintuplex容積式泵。一個(gè)以上的泵能夠用作泵(16)。前述部件中的諸如攪拌器
(14)和高壓漿料泵(16)之類的某些部件能夠結(jié)合。
[0051]在該實(shí)施方式中，天然氣源是容納壓縮天然氣(CNG)的一個(gè)或更多個(gè)容器(15)。用于壓縮天然氣輸送和存儲(chǔ)的容器的示例是安裝有Lincoln Composites' TITAN Tank的拖車，其中 Lincoln Composites’TITAN Tank 保持最高達(dá) 2，500scm(89, OOOscf)的處于達(dá)到25MPa (3，600psi)的CNG。CNG存儲(chǔ)容器(15)經(jīng)由具有閥(V4)的管道(123)連接至在此作為泵(127a、127b、127c)示出的高壓天然氣壓縮泵，并且高壓天然氣壓縮泵用于將氣體壓縮至壓裂壓力。能夠通過能使氣體流中的壓力增大的任意泵來完成壓縮；例如能夠使用往復(fù)式壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)例如液壓壓裂所需的高壓。通常，壓縮機(jī)達(dá)到固定的壓縮因數(shù)，使得可能需要多級(jí)壓縮以獲得壓裂壓力。類似地，為了實(shí)現(xiàn)理想的速率，多個(gè)壓縮機(jī)壓級(jí)能夠并聯(lián)使用。盡管會(huì)需要更多或更少的壓縮機(jī)壓級(jí)以實(shí)現(xiàn)理想的出口壓力，但是示出的壓縮機(jī)壓級(jí)具有三個(gè)壓級(jí)。通過閥(V4)來控制從存儲(chǔ)容器(15)流至高壓天然氣壓縮機(jī)泵(127a、127b、127c)的壓縮天然氣流量。壓縮機(jī)泵(127a、127b、127c)經(jīng)由具有氣體控制閥(V61)的管道
(24)連接至壓裂流體混合器(18)。從高壓天然氣壓縮機(jī)泵(127a、127b、127c)流至壓裂流體混合器(18)的壓縮天然氣的流量通過閥(V61)控制。如果容器中的壓縮天然氣的壓力充分地高于壓裂壓力，則氣體能夠通過閥(V4)和(V61)控制，并且經(jīng)由管道(128)直接地流至天然氣漿料流混合器，并且使用閥(V4)繞過高壓天然氣壓縮機(jī)泵(127a、127b、127c)。
[0052]第二實(shí)施方式:使用包括基礎(chǔ)流體和來自液化天然氣源的天然氣的壓裂流體混合物的壓裂系統(tǒng)
[0053]參照?qǐng)D3、圖10至14并且根據(jù)第二實(shí)施方式，提供了一種使用包括基礎(chǔ)流體和來自液化天然氣源的天然氣的壓裂流體混合物的地層壓裂系統(tǒng)。特別地，壓裂系統(tǒng)包括LNG存儲(chǔ)和蒸氣處理子系統(tǒng)，用于存儲(chǔ)LNG、并將LNG加壓和加熱至應(yīng)用溫度、隨后供給要與基礎(chǔ)流體混合的天然氣。在該實(shí)施方式中，將LNG加熱至使天然氣處于蒸汽相的溫度；然而，能夠設(shè)想的是，在其他實(shí)施方式中，天然氣能夠加熱至使天然氣保持液相的溫度。圖3示出了具有該LNG存儲(chǔ)和蒸氣處理子系統(tǒng)的圖1的壓裂系統(tǒng)。
[0054]在該實(shí)施方式中，天然氣源(215)是容納液化天然氣(LNG)的一個(gè)或更多個(gè)容器。用于存儲(chǔ)天然氣的容器的示例是具有容積為35.36m3(9，336gal)的保持最高達(dá)21，OOOscm(750, OOOscf)的處于0.6MPa(90psi)壓力下的滑動(dòng)裝置安裝的EKIP研究和生產(chǎn)公司的 LNG 輸送器(EKIP Research and Production Company LNG Transporter)。LNG 通常存儲(chǔ)在大氣壓下并且處于大約_162°C (-260 T )的溫度下。LNG存儲(chǔ)容器(215)經(jīng)由具有供給閥(V42 )的LNG供給管道(223 )連接至高壓天然氣壓裂泵組件(229 )。高壓天然氣壓裂泵組件(229 )設(shè)置成通過泵部件(230 )將LNG加壓至壓裂壓力并且隨后通過泵組件(229 )的加熱器部件(231)將壓縮的LNG加熱成壓縮氣體。供給管道(223)是適于比如4014SSCryogenic50Series的LNG管道:由JGBEnterprises股份有限公司制造的低溫軟管。
[0055]對(duì)從LNG存儲(chǔ)容器(215)移除的液體體積的置換通過將產(chǎn)生的壓縮氣體流從加熱部件(231)引導(dǎo)通過具有控制流量的回流閥(Vll)的返回管道(232)來完成。置換蒸氣被控制成在LNG容器(215)中保持適當(dāng)?shù)膲毫Α７祷毓艿?232)中的返回蒸氣流有助于將LNG從存儲(chǔ)容器(215)輸送至天然氣壓裂泵組件(229)，這在天然氣源(215)中提供了足夠的壓力以將LNG的流供給至高壓天然氣壓裂泵組件(229)的入口。在一個(gè)構(gòu)型中，天然氣壓裂泵組件(229)在單個(gè)單元內(nèi)(例如在一個(gè)殼體中，在自身包含的滑行裝置上、經(jīng)由一個(gè)主動(dòng)裝置等等)結(jié)合LNG的加壓和加熱。然而，這些步驟能夠在單獨(dú)的單元上完成。所有與LNG接觸的部件必須適用于低溫工作。從天然氣壓裂泵組件(229)至天然氣漿料流混合器(18)的壓縮天然氣的流量通過閥(V6 )控制并且通過天然氣供給管道(24)。
[0056]參照?qǐng)D10和13，LNG存儲(chǔ)和蒸氣處理子系統(tǒng)用于對(duì)由壓裂系統(tǒng)使用的LNG進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。對(duì)LNG存儲(chǔ)的處理和控制需要維持非危險(xiǎn)的工作區(qū)域，同時(shí)LNG進(jìn)行存儲(chǔ)而備用。在存儲(chǔ)處于_162°C (-260 T)的溫度下和大氣壓下，LNG將緩慢地加熱并且液體進(jìn)行蒸發(fā)以維持其平衡態(tài)。隨后，必須從罐中排出產(chǎn)生的氣體以避免過壓。
[0057]LNG存儲(chǔ)和蒸氣處理子系統(tǒng)包括能夠是單個(gè)或多個(gè)LNG罐(715)的LNG源(215)。對(duì)這些罐(715)中的每個(gè)罐中的壓力的控制通過具有基于罐的操作設(shè)計(jì)的泄放設(shè)定的減壓閥(V18)來完成。減壓閥(V18)經(jīng)由蒸氣收集管道(62)以及又聯(lián)接至每個(gè)罐中的蒸氣管線
(63)的罐間蒸氣管線管道(61)與每個(gè)罐(715)連通。在一個(gè)構(gòu)型中，減壓閥(V18)連接至點(diǎn)燃管線管道(720a)并且隨后連接至能夠?qū)︶尫诺恼魵膺M(jìn)行安全地燃燒的點(diǎn)燃器(20)(在圖中未示出管道(720a)至點(diǎn)燃器(20)的連接)。
[0058]替代性地，收集的蒸氣能夠再次液化并且泵送返回到LNG儲(chǔ)罐(715)中，從而形成安全、高效和環(huán)境友好型的閉合蒸氣系統(tǒng):收集蒸氣管道(62)經(jīng)由閥(V17)引向管道(53)而通向氮膨脹器液化單元(55 )。液化氮源(57 )將低溫氮通過氮供給管道(52 )供給至氮膨脹器液化單元(55)，在氮膨脹器液化單元(55)處，氮的蒸發(fā)進(jìn)行充分冷卻以將天然氣蒸氣再液化成LNG。成品LNG隨后經(jīng)由返回管道(54)泵送至LNG源容器(715)的液體加載管線中；返回管道(54)還用作按需填充罐(715)。LNG罐(715)經(jīng)由它們的液體加載管線(54)和管道(56)流體地互連以確保LNG在所有罐之間均勻的分布。此外，LNG罐(715)通過管道(61)經(jīng)由它們的蒸氣管線(63)流體地互連。
[0059]從天然氣壓裂泵組件(229)出來的返回管道(232)在圖10和圖13中作為管道(732)示出，并且用于使加壓的氣態(tài)天然氣返回到罐(715)以按需加壓罐(715)。使用又聯(lián)接至管道(61)的閥(V22)來控制來自返回管道(732)的流量。
[0060]液化天然氣從罐經(jīng)由管道(223 )供給至天然氣壓裂泵組件(229 );來自每個(gè)罐的流量通過控制閥(V42)控制。
[0061]在替代實(shí)施方式中，能夠?qū)NG罐(715)設(shè)計(jì)成在需要減壓前允許壓力高至2MPa(300psi)。當(dāng)用_162°C (-260 0F )的正常條件下的LNG加載這些罐(715)時(shí)，提升的泄放壓力會(huì)使排出延遲，直到達(dá)到接近-110°C (-166 T )的溫度水平。由于LNG罐的絕緣性質(zhì)給予的最小的增熱，排出實(shí)際上能夠通過正常使用循環(huán)消除。此外，在LNG源(55)中提供提升的泄放壓力在泵送期間的壓力維持中確保較小的誤差、來自LNG壓裂泵加熱器(31)的蒸氣、以及為了確保到天然氣壓裂泵組件(229)的可靠供給而提高罐的內(nèi)部壓力的需要，并且不會(huì)導(dǎo)致在壓裂處理期間打開減壓閥。
[0062]圖4是示出了天然氣壓裂泵組件(229)的主要部件的示意圖。LNG從供給管道(223)供給至泵部件(230)。泵部件包括低溫離心泵(233)、高壓LNG泵(235)、以及將低溫離心泵(233)與高壓LNG泵(235)互連的管道(23)4。需要供給至高壓LNG泵(235)的足夠的供給壓力，以確保不在泵送循環(huán)中出現(xiàn)氣封或氣穴現(xiàn)象。能夠按需使用單個(gè)或多個(gè)低溫離心泵(233)以滿足支持高壓LNG泵(235)的供給壓力和速率的要求。提供供給壓力和速率的低溫離心泵(233)的示例為A⑶工業(yè)中的推進(jìn)泵2X3 X 6，其提供達(dá)到1.5m3/min (2400gpm)LNG的速率和95kPa(15psi)的壓頭。高壓LNG泵(235)額定為將LNG加壓至至少35MPa和高至100MPa(15，OOOpsi)以提供足夠的壓力來壓裂地層。盡管還能夠采用能產(chǎn)生足夠的速率和壓力的其他類型的泵，但是能夠使用諸如活塞泵之類的容積式泵來實(shí)現(xiàn)這些壓力。這種泵的示例是額定達(dá)到124MPa (18, OOOpsi)的壓力且LNG速率為0.5m3/min (132gpm)的A⑶工業(yè)的5-SLS系列的低溫泵。能夠采用單個(gè)或多個(gè)高壓LNG泵(235)來滿足壓裂供給速率的要求。驅(qū)動(dòng)泵(233)和(235)所需的動(dòng)力能夠從內(nèi)燃機(jī)按需通過直接驅(qū)動(dòng)、發(fā)電或液壓技術(shù)獲得。
[0063]使用管道(236 )將從高壓LNG泵(235 )排出的壓縮LNG弓丨向加熱組件(231)以加熱天然氣至應(yīng)用溫度，所述應(yīng)用溫度在本特定實(shí)施方式中將天然氣的狀態(tài)從液態(tài)變成氣態(tài)。通常，加熱LNG的最低溫度大約是-77V (-107 °F)，并且該溫度是許多碳鋼從奧氏體晶體轉(zhuǎn)變成馬氏體晶體的溫度，其中發(fā)生相應(yīng)的金相改變。在一個(gè)實(shí)施方式中，到管道(24)和(232)的天然氣出口溫度處于0°C (32°F)至20°C (68 °F)的范圍中以避免接觸的液體凍結(jié)問題并且維持密封件彈性。按需將熱量傳遞至LNG的熱交換系統(tǒng)處于加熱器組件(231)內(nèi)，并且在該實(shí)施方式中包括第一熱交換器(237)、處于第一熱交換器下游的第二熱交換器(239),以及天然氣供給管道(238)，其中所述天然氣供給管道(238)從供給管道(236)延伸穿過這兩個(gè)熱交換器(237)、(239)并且聯(lián)接至供給管道(24)以及回流閥(VII)?；亓鏖y(Vll)又聯(lián)接至回流管道(232)。
[0064]在該實(shí)施方式中，LNG首先通過作為來源于空氣的熱提供的熱源(240)加熱，所述空氣通常通過鼓風(fēng)機(jī)(未示出)驅(qū)動(dòng)穿過第一熱交換器(237)內(nèi)的熱交換器線圈。在接近-162°C (-260 T)溫度下的LNG能夠從空氣中得到顯著的能量，從而減輕加熱負(fù)載。從第一熱交換器(237)的排出隨后通過供給管道(238)引導(dǎo)至第二熱交換器(239)內(nèi)的熱交換器線圈。在第二熱交換器(239)內(nèi)，LNG通過另一熱源(241)加熱到目標(biāo)出口溫度。從該另外熱源(241)獲得的能量必須是顯著的以支持LNG的快速加熱。熱源(241)能夠在無火焰的情形下產(chǎn)生并且可能是廢熱，或者從內(nèi)燃機(jī)、催化點(diǎn)燃器或電子元件產(chǎn)生熱。替代性地，能夠使用接近加熱器或遠(yuǎn)離安全要求所決定的過程的焰底產(chǎn)生熱。加壓的氣態(tài)天然氣的出口經(jīng)由具有氣體控制閥(V6)的供給管道(24)通向天然氣漿料流混合器(18)。
[0065]—旦天然氣已充分地加熱(在這個(gè)特定的實(shí)施方式中是指蒸發(fā)成氣態(tài)),其流過供給管道(24)并在壓裂流體混合器(18)中的基礎(chǔ)流體混合?；旌掀?18)中操控的流體壓力能夠是顯著的，流體的磨損可能是一個(gè)重要的因素并且泄漏是要避免的。至于吞吐量(throughput)，有效成分的混合是重要的。盡管各種類型的混合器能夠是有用的，但是在圖5中示出了用于壓縮天然氣和壓裂漿料流的一個(gè)合適的混合器(318)。天然氣漿料流混合器(318)用于在混合器體(343)中對(duì)來自管道(342)的基礎(chǔ)流體流與來自供給管道(324)的氣態(tài)天然氣流進(jìn)行結(jié)合和混合。實(shí)現(xiàn)壓裂流體流支撐劑和氣態(tài)的天然氣流的良好混合能夠有助于用于增能的流體、泡沫或霧的壓裂流體混合物的所需的結(jié)構(gòu)和特性。例如，適當(dāng)?shù)呐菽陌l(fā)展要求氣相以盡可能小的氣泡尺寸完全地分散于液相中。充分的分散能夠多種方式實(shí)現(xiàn)，其中之一由天然氣流的管道中的扼流裝置(344)呈現(xiàn)，憑借減少流動(dòng)面積增加天然氣流的速率。天然氣流與壓裂流體流以較高的速率接觸，促進(jìn)了良好的混合。能夠采用包括內(nèi)部分流器、湍流增強(qiáng)器和各種靜態(tài)或動(dòng)態(tài)混合裝置的其他機(jī)構(gòu)以促進(jìn)混合。為了安全地處理包含天然氣的壓裂流，應(yīng)認(rèn)識(shí)到，包含氣體的漿料能夠具有能夠迅速侵蝕包含壓力的部件的非常高的速率。
[0066]將基礎(chǔ)流體漿料流與天然氣流結(jié)合以及隨后進(jìn)一步經(jīng)由管道和井孔輸送結(jié)合的混合物通過認(rèn)識(shí)到顆粒(支撐劑)對(duì)流動(dòng)路徑改變的影響能夠快速導(dǎo)致組件故障和有害地釋放可燃性氣體來完成。同樣地，設(shè)置了允許包含液體/支撐劑的基礎(chǔ)流體以大致平直的路徑通過混合器的基礎(chǔ)流體混合器(18)。例如，基礎(chǔ)流體管道(342)能夠限定大致線性的內(nèi)徑，并且管道(324)能夠與管道(342)以一定的角度連結(jié)。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，混合器(18)包括主流管線、彎曲管道和大致線性流動(dòng)路徑，主流管線包括進(jìn)入端和排出端，彎曲管道連接至在進(jìn)入端與排出端之間的主流管線并與主流管線連通，該彎曲管道相對(duì)于進(jìn)入端以銳角延伸，大致直線流動(dòng)路徑經(jīng)由主流管線、連接成接納來自壓裂基礎(chǔ)流體源的流的進(jìn)入端、和連接成接納來自天然氣源的流的彎曲管道。在離開混合體(343)時(shí)，壓裂流體混合物隨后經(jīng)管道325引導(dǎo)至井口并向下引導(dǎo)至井孔，以在地下儲(chǔ)層中產(chǎn)生液壓壓裂。
[0067]參照?qǐng)D11，壓裂系統(tǒng)能夠通過控制器(58)遙控；控制器(58)的構(gòu)造和操作將在下面的第六實(shí)施方式中進(jìn)一步描述。在該第二實(shí)施方式中，控制器(58)的控制功能通過對(duì)圖11中示出的受控制部件的無線通信來完成。使用能夠涉及經(jīng)由電線的控制或通過電線和無線通信的結(jié)合的控制。在該實(shí)施方式中，假定控制器(58)是安裝在卡車底盤上的座艙內(nèi)的計(jì)算機(jī)控制臺(tái)。系統(tǒng)能夠操作為僅允許泵送天然氣或液體、僅液體漿料、或天然氣、液體和液態(tài)漿料的任何所需結(jié)合。在某些應(yīng)用中，將僅泵送天然氣用于處理的一部分、比如預(yù)填塞(pre-pad)或處理沖洗。替代性地，將僅泵送液體或液體漿料，同樣地，在預(yù)填塞、填塞或沖洗時(shí)泵送液體以及在處理中的階段時(shí)僅泵送液體漿料。處理后，設(shè)備停止工作，井口閥(V7)關(guān)閉和準(zhǔn)備遷離站點(diǎn)或準(zhǔn)備完成另一壓裂處理。LNG儲(chǔ)存容器通過閥(V4)的關(guān)閉和閥(V18)的打開而保護(hù)。將閥(V5)關(guān)閉并且將閥(V8)打開以允許高壓天然氣排出天然氣處理管線(24)、處理管線(25)和LNG壓裂泵(229)。當(dāng)高壓系統(tǒng)已經(jīng)排出至標(biāo)稱壓力時(shí)，LNG壓裂泵(229)以低容量操作以將LNG從低壓管道(23)移除至泵并通過加熱器，通過處理管線管道(24)、(25)、通過閥(V8)排放并且進(jìn)入點(diǎn)燃系統(tǒng)、分離器(60)和點(diǎn)燃器(20)。替代性地，能夠打開閥(V13 )以對(duì)高壓系統(tǒng)進(jìn)行排出。閥(V8 )或閥(V13 )能夠呈阻流器(choke )形式，以控制進(jìn)入分離器和點(diǎn)燃系統(tǒng)的壓力和速率。氣態(tài)氮從惰性氣體源(45)通過管道(46)同時(shí)引入到管道(23)，以協(xié)助低壓LNG經(jīng)由LNG壓裂泵(229)排放至點(diǎn)燃器(20)。在從低壓管道(23)排放所有的天然氣液體時(shí)，閥(V14)被打開以排放和徹底地凈化低壓系統(tǒng)。相應(yīng)地，閥(V15)被打開并且氣態(tài)氮通過天然氣處理管線(24)引導(dǎo)以完成高壓系統(tǒng)的凈化。在所有情況下，氣流引導(dǎo)到點(diǎn)燃器，直到天然氣含量遠(yuǎn)低于易燃極限。天然氣含量能夠通過烴類含量氣體流監(jiān)測(cè)器進(jìn)行評(píng)估。隨著系統(tǒng)的天然氣凈化的完成，處理管線能夠從井(19)中裝配，并且開始對(duì)壓裂處理的回流以及評(píng)估?；亓魍ㄟ^打開井口閥(V7)開始，其中點(diǎn)燃管線閥(V8)和(V20)打開并且管線閥(V9)關(guān)閉。氣流通過點(diǎn)燃管線(20a)和分離器(60)引導(dǎo)到點(diǎn)燃器(20)。分離器(60)在將氣體釋放至點(diǎn)燃器中時(shí)捕獲液體和固體。液體在分離器(60)內(nèi)累積并排到未示出的存儲(chǔ)容器中。產(chǎn)生的固體可能包括地層細(xì)料和壓裂支撐劑，并且在分離器容器(60)中累積并且按需被移除以便分離器的繼續(xù)操作。在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流動(dòng)和足夠的氣相壓力以允許流進(jìn)管線中時(shí)，點(diǎn)燃器通過閥(V21)關(guān)閉并且通過打開閥(V9)引向銷售管線(21)流動(dòng)。來自井(19)的流與氣體被繼續(xù)引導(dǎo)通過分離器(60)進(jìn)入管線(21)，直到壓裂處理被充分凈化以及井被很好的評(píng)價(jià)。井隨后能夠投入生產(chǎn)。
[0068]參照?qǐng)D14，用于加熱液化天然氣的替代裝置包括用于使用在LNG壓裂泵內(nèi)的催化加熱器。在諸如鉬之類的催化劑存在的情形下，催化元件(66)由諸如天然氣、丙烷或其他適當(dāng)燃料之類的燃料氣體通過氧氣氧化而生成的熱進(jìn)行輻射。帶有空氣的燃料氣體被注入到催化元件中一未示出該注入，其中產(chǎn)生的熱被輻射至LNG交換器管(67)。這提供了將液化天然氣加熱至應(yīng)用溫度所需的充分的熱量。在圖14中，八個(gè)催化元件(66)繞液化天然氣交換管(67)同心地布置成束，形成用于通過催化加熱系統(tǒng)的單個(gè)通道的催化束(68)。每個(gè)LNG交換器管(69)均有天然氣流過，并且包括位于其外表面上的散熱片以增加表面積，其加熱用于加熱LNG的交換器管(69)的壁并且用于將熱量引導(dǎo)至管道。四個(gè)束示出為四個(gè)組，其中每個(gè)束中八個(gè)催化元件加熱LNG交換器管(67)。在該構(gòu)型中，來自通過周圍預(yù)加熱器的管道(238)的LNG進(jìn)入流被分流至催化束中的兩個(gè)催化束。該示意圖還示出了從一個(gè)催化束(68)排出的LNG被引導(dǎo)至另一催化束(68)以進(jìn)行附加地加熱。催化束的構(gòu)型和布置以及通過催化束的流動(dòng)路徑能夠按需改變以實(shí)現(xiàn)加熱目標(biāo)。催化元件通常為表面積的每平方英寸(15kW/m2)產(chǎn)生358加/111'，使得具有26〃(0.67111)寬度和120〃 (3m)長(zhǎng)度的元件的八個(gè)元件束將產(chǎn)生超過870，000Btu/hr(255kW)的能量。對(duì)于示出的四個(gè)束系統(tǒng)，可獲得接近3，500, 000Btu/hr(1025kff)的能量的產(chǎn)生率。該能量水平足以滿足5，600scf/min (160sm3/min)的還是安全和緊湊布置的LNG壓裂泵所需的熱容。作為催化過程，催化加熱元件的操作表面溫度處于700 0F (3700C )至1，000 0F (540°C )的范圍內(nèi)，遠(yuǎn)低于天然氣在空氣中的自燃溫度1076 °F(580°C)。催化加熱器由此提供了用于加熱潛在可燃的LNG的本身安全的無焰熱源。
_9] 第三實(shí)施方式:用于注入包括純天然氣流的壓裂流體的壓裂系統(tǒng)
[0070]根據(jù)第三實(shí)施方式并且參照?qǐng)D6，提供了一種使用包括純天然氣流的壓裂流體的壓裂裝置，其中“純”是指不包含基礎(chǔ)流體或支撐劑成分。用純天然氣流的壓裂在以下情形下是有益的:在生產(chǎn)過程中不需要任何液體并且不需要支撐劑來維持形成的壓裂系統(tǒng)。這是用于壓裂難于移除液體的煤層甲烷井或低壓頁(yè)巖地層的通常的情況。在本實(shí)施方式中，天然氣源(415)是包含壓縮天然氣或液化天然氣中任一者的一個(gè)或多個(gè)容器。天然氣源(415)通過具有用于控制天然氣供給的閥(V44)的管道(423)連接到高壓天然氣泵(417)。高壓天然氣泵在CNG源的情況下是對(duì)氣體施加壓縮的壓縮機(jī)，并且在LNG源的情形下是低溫泵和加熱器。制備的天然氣流經(jīng)由管道(24)離開高壓天然氣泵(417)、通過閥(V74)和管道(425)進(jìn)入井口(19)。隨后，純天然氣流沿井孔向下行進(jìn)以在地下儲(chǔ)層中形成液壓壓
? ο
[0071]第四實(shí)施方式:用于注入包括天然氣和支撐劑但不包括壓裂流體的壓裂流體混合物的壓裂系統(tǒng)
[0072]根據(jù)第四實(shí)施方式并且參照?qǐng)D7，提供了一種使用天然氣和支撐劑但沒有壓裂流體的壓裂流體流的壓裂裝置和構(gòu)型。用僅包含支撐劑的天然氣流進(jìn)行壓裂在以下情形下是有益的:在生產(chǎn)過程中不需要任何液體并且不需要支撐劑來維持形成的壓裂系統(tǒng)。這是用于壓裂難于移除液體的煤層甲烷井或低壓頁(yè)巖地層的通常的情況。在本實(shí)施方式中，天然氣源(515)是包含壓縮天然氣或液化天然氣中任一者的一個(gè)或多個(gè)容器。天然氣源(515)通過具有用于控制天然氣供給的閥(V45)的管道(523)連接到高壓天然氣泵(517)。高壓天然氣泵在CNG源的情況下是對(duì)氣體施加壓縮的壓縮機(jī)，并且在LNG源的情形下是低溫泵和加熱器。氣態(tài)天然氣流經(jīng)由管道(524)離開高壓天然氣泵(517)。具有控制閥(V25)的支撐劑供給裝置(512)與管道(524)相交。支撐劑供給裝置(512)被加壓以與來自高壓天然氣泵(517)的排放壓力匹配。來自供給裝置(512)的支撐劑流重力供給至管道(524)，支撐劑的添加由閥(V25)控制。形成的天然氣漿料沿管道(524)繼續(xù)通過閥(V75)、管道(525)并進(jìn)入井口(19)。氣流和支撐劑隨后沿井孔向下行進(jìn)以在地下儲(chǔ)層中形成液壓壓裂。
[0073]第五實(shí)施方式:用于注入包括天然氣和基礎(chǔ)流體但不包括支撐劑的壓裂流體混合物的壓裂系統(tǒng)
[0074]根據(jù)第五實(shí)施方式并參照?qǐng)D8，提供了一種使用包括天然氣和基礎(chǔ)流體但不具有任何支撐劑的壓裂流體混合物的壓裂裝置。
[0075]用這種壓裂流體混合物的壓裂在以下情形下能夠是有益的:在形成的壓裂系統(tǒng)中需要液體部分并且在生產(chǎn)期間不需要支撐劑來維持形成的壓裂系統(tǒng)。對(duì)于使用增能或泡沫化的酸的天然氣以形成和腐蝕壓裂系統(tǒng)的酸壓裂碳酸鹽地層，這是通常的情況。在本實(shí)施方式中，壓裂液體罐(13)容納所需的液體。管道(26)用于將液體傳送至壓裂攪拌器(614)，其中來自化學(xué)制劑源(22)的壓裂化學(xué)制劑還引導(dǎo)并與液體混合。從壓裂攪拌器(614)的排放如閥(V36 )所控制地通過管道(650 )并且由高壓液體泵(616 )接收。來自于高壓液體泵(616)的排放沿著能夠由上游閥(V56)控制的管道(642)引導(dǎo)至壓裂流體混合器(618)。天然氣源(15)是容納壓縮天然氣或液化天然氣的一個(gè)或多個(gè)容器。天然氣源(15)通過具有用于控制天然氣供給的閥(V4)的管道(23)連接到高壓天然氣泵(17)。高壓天然氣泵在CNG源的情況下是對(duì)氣體施加壓縮的壓縮機(jī)，并且在LNG源的情形下是低溫泵和加熱器。氣態(tài)天然氣流經(jīng)由管道(24)離開高壓天然氣泵(17)、通過閥(V6)并進(jìn)入天然氣流漿料混合器(618)，在該天然氣流漿料混合器(618)處，氣態(tài)天然氣流與來自管道(42)的液體壓裂流相結(jié)合?；旌系奶烊粴夂鸵后w沿管道(625)離開混合器(618)并進(jìn)入井口(19)?；旌系奶烊粴夂鸵后w隨后沿井孔向下行進(jìn)以在地下儲(chǔ)層中形成液壓壓裂。
[0076]第六實(shí)施方式:具有天然氣排放和凈化設(shè)備的壓裂系統(tǒng)
[0077]根據(jù)第六實(shí)施方式，天然氣壓裂系統(tǒng)還能夠包括用于排放、凈化和/或隔離天然氣的設(shè)備(“排放、凈化和隔離設(shè)備”)。這種設(shè)備對(duì)于控制與作為可燃高壓氣體源的天然氣關(guān)聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)是有益的。該設(shè)備能夠包括利用低溫惰性氣體，該低溫惰性氣體被冷卻以便在引入天然氣之前對(duì)高壓天然氣泵或其他設(shè)備進(jìn)行預(yù)冷卻。這排除了使用可燃天然氣預(yù)冷卻系統(tǒng)的需要并且排除了以其他所需的方式點(diǎn)燃的天然氣。惰性氣體還能夠用于對(duì)壓裂系統(tǒng)進(jìn)行壓力測(cè)試以識(shí)別任何泄漏或故障，或允許對(duì)系統(tǒng)做出任何構(gòu)型或功能測(cè)試。同樣，惰性氣體能夠用于代替任何天然氣源，以在壓裂處理之前、期間或之后對(duì)任何殘余的天然氣、氧氣、或空氣進(jìn)行快速地凈化。在壓裂處理期間的泄漏或部件故障的情形下，排放、凈化和隔離設(shè)備允許將該部件隔離使得系統(tǒng)的其余部分不受影響。
[0078]圖9示出了具有如圖1所示的壓裂流體存儲(chǔ)和供給設(shè)備、帶有天然氣排放、凈化和隔離設(shè)備的壓裂系統(tǒng)的實(shí)施方式。該排放、凈化和隔離設(shè)備包括:流體地聯(lián)接至系統(tǒng)中的天然氣和基礎(chǔ)流體供給管道23、24、42、50的一系列閥(V12)至V16 ;用于凈化系統(tǒng)的部件(并且任選地低溫地冷卻這些部件)的惰性凈化源45 ;—系列用于將惰性氣體傳送至天然氣的惰性氣體供給管道46、47 ;基礎(chǔ)流體供給管道23、24 ;以及用于對(duì)來自供給管道23、24、42、50的氣體進(jìn)行排放的排放管道(48)、(49)、(51)。還能夠設(shè)置控制器(58)(見圖11)以控制排放、凈化和隔離操作。
[0079]凈化在將天然氣從閥(V4)經(jīng)由通向井口閥(V7)的設(shè)備和管道(即，供給管道(23)、NG泵(17)、管道(24)、混合器(18)和管道(25))引入到系統(tǒng)中之前執(zhí)行。在本系統(tǒng)中，在壓裂處理之后和在遷離用于轉(zhuǎn)移的設(shè)備之前，在凈化之前對(duì)所有天然氣、以及管道和設(shè)備進(jìn)行排放。排放和凈化能夠從(V5)和遠(yuǎn)至上游的閥(V3)(其中排放經(jīng)由通過管道(51)至點(diǎn)燃器(20)來完成)、以及從天然氣源出口閥(V4)經(jīng)由設(shè)備和管道至井口閥(V7)潛在地圍繞系統(tǒng)以解決過壓回移。
[0080]此外，在由于部件故障而引起天然氣意外釋放的情況下，發(fā)生故障的部件可能在內(nèi)部隔離，在隔離的系統(tǒng)部件中剩余的天然氣能夠被排放和凈化。為了排放和凈化天然氣系統(tǒng)的低壓部分，惰性凈化源(45 )經(jīng)由惰性氣體供給管道(46 )和惰性氣體供給閥(V12 )在天然氣源出口閥(V4)之后和高壓泵(17)之前連接到天然氣供給管道(23)。這樣的布置使得能夠?qū)⒍栊詺怏w傳遞到天然氣供給管道(23 )低壓部段。此外，帶有排放管道(49 )的排放管道(48)通過位于天然氣源出口閥(V4)的下游和高壓泵(17)的上游的排放閥(14)附接至天然氣供給管道(23 );該排放管道(48 )聯(lián)接到排放管道(49 )，排放管道(49 )又聯(lián)接至點(diǎn)燃管道(20a)。這樣的布置使惰性氣體和天然氣能夠從天然氣供給管道(23)并經(jīng)由點(diǎn)燃器
(20)排放。
[0081]為了凈化和排放天然氣系統(tǒng)的高壓部分，惰性凈化源(45)經(jīng)由惰性氣體供給管道
(47)和惰性氣體供給閥(V15)連接至天然氣供給管道(24)的高壓部段(位于高壓天然氣泵
(17)的下游)。此外，具有點(diǎn)燃管線管道(20a)的排放管道(49)經(jīng)由排放閥(V13)附接至高壓天然氣泵(17)下游的天然氣供給管道(24)。這種布置使惰性氣體能夠凈化天然氣供給管道(24)并且用于氣體經(jīng)由點(diǎn)燃器(20)排出該管道(24)。
[0082]為了凈化和排放系統(tǒng)和井的高壓壓裂流體部分，點(diǎn)燃管線管道(20a)通過閥(V8)連接至位于閥(V7)上游以及混合器(18)、基礎(chǔ)流體供給管道(42)和隔離閥(V5)和(V6)下游的壓裂流體供給管道(25)。這樣的布置使管道(25)能夠通過來自源(45)、通過管道(47)、經(jīng)由打開閥(V15)、經(jīng)由混合器(18)并且進(jìn)入管道(25)的凈化流體進(jìn)行凈化；閥(V13)、(V5)、(V7)是關(guān)閉的。同樣，這樣的布置使壓裂流體供給管道(25)中的流體經(jīng)由閥(V8)和點(diǎn)燃管線管道(20a)通過點(diǎn)燃器(20)排放。
[0083]同樣，基礎(chǔ)流體供給管道(50)經(jīng)由排放閥(V16)和排放管道(51)聯(lián)接至點(diǎn)燃器
(20);例如在內(nèi)部泄露發(fā)生并且天然氣進(jìn)入系統(tǒng)的基礎(chǔ)流體存儲(chǔ)和供給部的情形下，這樣的布置使流體能夠從基礎(chǔ)流體管道排放至點(diǎn)燃器(20)。
[0084]排放和凈化設(shè)備允許系統(tǒng)按需隔離、排放和凈化以在一切合理?xiàng)l件下的使系統(tǒng)安全。例如，如果壓裂流體混合器(18)發(fā)生意外的釋放，隔離閥(V5)、(V6)和(V7)能夠立即關(guān)閉以隔離從系統(tǒng)的其他部分的釋放。隨后關(guān)閉源閥(V3)和(V4)并且將閥(V8)打開以將出故障的系統(tǒng)的隔離部?jī)?nèi)的所有和任何氣體引導(dǎo)至點(diǎn)燃器(20)并且由此控制和排除從天然氣源漿料混合器(18)的釋放。作為另一個(gè)示例，閥(V14)能夠打開，以經(jīng)由排出管道
(48)、(49)和點(diǎn)燃管線管道(20a)排出封閉在位于閥(V4)與高壓天然氣泵(17)之間的管道和設(shè)備中的容納物。類似地，能夠?qū)㈤y(13)打開以允許經(jīng)由排出管道(49)和點(diǎn)燃管線管道(20a)排放封閉在高壓天然氣泵(17)與閥(V6)之間的管道和設(shè)備中的容納物。
[0085]在充分排出時(shí)，能夠通過打開閥(V12)和(V15)并且將凈化流體從惰性凈化源(45 )經(jīng)由惰性氣體供給管道(46 )和(47 )引導(dǎo)而開始凈化。通過按需操作閥(V12 )、( V15 )、(V13)、(V14)、(V6)、(V5)、(V8)和(V16)，凈化流能夠按需通過天然氣和壓裂流體管道
(23)、(24)和(25)以及排放管道(48)和(49)中的各種路徑引導(dǎo)至點(diǎn)燃管線管道(20a)，以排出和凈化完整的系統(tǒng)。
[0086]惰性凈化源(45)包括用于惰性流體的存儲(chǔ)設(shè)備，其中惰性流體適于通過適于使凈化流體移動(dòng)通過系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行凈化。在一個(gè)實(shí)施方式中，凈化流體是諸如二氧化碳或氮之類的惰性氣體，并且能夠作為低溫流體或加壓氣相而存儲(chǔ)。能夠通過處于氣態(tài)相的惰性流體完成凈化，但是在某些情形下和/或在諸如系統(tǒng)冷卻之類的接下來的工藝中，能夠使用處于液體相的惰性流體。根據(jù)對(duì)惰性流體和其相的選擇，使凈化流體移動(dòng)通過系統(tǒng)將會(huì)通過控制閥、泵、或泵和加熱器中的任一者完成，這些部件在一個(gè)實(shí)施方式中沒有示出并且包含在惰性凈化源(45 )中，并且這些部件在另一實(shí)施方式中能夠是已有設(shè)備。
[0087]上述的排放和凈化設(shè)備的構(gòu)型以及使用該設(shè)備的排放和凈化方法特別涉及在圖1中描述的壓裂系統(tǒng)。然而，該排放和凈化設(shè)備能夠容易地適于諸如在圖2、圖3、圖6、圖7和圖8中示出的其他壓裂系統(tǒng)。當(dāng)如在圖3的實(shí)施方式中示出地使用LNG作為天然氣源時(shí)，惰性凈化源(45)能夠是液態(tài)氮并且天然氣壓裂泵(229)利用氮冷卻至低溫溫度、進(jìn)行凈化、以及進(jìn)行壓力測(cè)試。在該實(shí)施方式中，與使用LNG完成這些步驟相關(guān)的危險(xiǎn)能夠一并減少或排除。液態(tài)氮從源(45)經(jīng)由管線(46)抽取至天然氣壓裂泵(229)。天然氣壓裂泵的低溫內(nèi)部部件由液態(tài)氮填充，液態(tài)氮在與溫?zé)岵考佑|時(shí)蒸發(fā)。產(chǎn)生的蒸氣經(jīng)由點(diǎn)燃管線管道(20 )排至大氣，直到內(nèi)部被充分地冷卻使得液態(tài)氮不再蒸發(fā)。
[0088]參照?qǐng)D11，包括凈化和排放設(shè)備的壓裂系統(tǒng)的操作能夠通過控制器(58)控制。該控制器(58)具有編程為控制系統(tǒng)內(nèi)的至少某些部件的操作的存儲(chǔ)器?？刂破?58)能夠通過連接至各種部件的直接連接部或無線連接部與系統(tǒng)中的部件通信。例如，能夠遠(yuǎn)程控制壓裂攪拌器(814)、高壓天然氣泵(817)和高壓漿料泵(816)。閥(VI)至(V16)也能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制能力允許從中央點(diǎn)的操作的容易且可靠的控制以及允許在正常操作期間、并且特別地是緊急情況下對(duì)系統(tǒng)的控制，而不將人員暴露于危險(xiǎn)中。部件的控制通過系統(tǒng)的操作員經(jīng)由用戶界面(59)或通過包含存儲(chǔ)在控制器的存儲(chǔ)器上的算法并開發(fā)成引導(dǎo)部件的軟件來引導(dǎo)，以通過適當(dāng)方式完成任務(wù)。控制器是任何適當(dāng)?shù)倪^程控制系統(tǒng)并且能夠包括從操作員面板或計(jì)算機(jī)的控制輸入裝置。類似的控制能力按需適用于其他描述的構(gòu)型和其他部件。
[0089]例如，控制器(58)連接至供給閥(V4)和高壓天然氣泵(817)并控制供給閥(V4)和高壓天然氣泵(817)的操作，由此控制加壓天然氣從其源(815)到天然氣流漿料混合器(18 )的供給。同時(shí)，控制器(58 )聯(lián)接至壓裂液體控制閥(Vl)并控制壓裂液體控制閥(Vl)的操作以調(diào)節(jié)來自壓裂液體罐(813 )的流動(dòng)，控制器(58 )聯(lián)接至支撐劑供應(yīng)閥(V2 )并控制支撐劑供應(yīng)閥(V2)的操作以調(diào)節(jié)來自支撐劑供應(yīng)裝置(812)、化學(xué)制劑源(822)和壓裂攪拌器(814)的流動(dòng)，以將合適構(gòu)造的液體漿料供應(yīng)至高壓漿料泵(816)。同時(shí)控制功能與連接至高壓漿料泵(816)并控制高壓漿料泵(816)的控制器(58)連續(xù)?？刂破?58)還確保合適比例的混合天然氣，并且相比通過控制高壓漿料泵(816)和高壓天然氣泵(814)形成的液態(tài)漿料流，液態(tài)漿料流通過控制天然氣壓裂流的相對(duì)供應(yīng)來形成。
[0090]控制器(58)還連接至_(V3)、(V5)、(V6)、(V7)、(V8)、(V10)、(V11)、(V12)、(V13)、(V14)、(V15)和(V16)以及惰性凈化源(845)用以控制排出、凈化和隔離操作并且用以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部件的狀態(tài)。在這點(diǎn)上，控制器存儲(chǔ)器上能夠存儲(chǔ)用以執(zhí)行如上所述的排出、凈化和隔離規(guī)程(protocols)的指令。
[0091]操作的方法
[0092]圖15是示出了形成包含足量氣相天然氣以理想地改變壓裂處理特性的壓裂流體混合物的方法的流程圖。
[0093]在步驟80處，獲得足量的天然氣以完成壓裂處理。壓裂處理能夠消耗相當(dāng)大量的壓裂流體，其中通常的體積超過500m3 (130，OOOgal )，非傳統(tǒng)的壓裂消耗體積處于4，OOOm3(I, 000，OOOgal)的級(jí)。施加任何合理量的天然氣至壓裂處理能夠在4小時(shí)至6小時(shí)泵送期間消耗從50，OOOsm3 (1.5麗8。^至300，00081113 (IOMMscf )的任何量的氣體。為滿足體積和速率要求，天然氣被存儲(chǔ)以為大多數(shù)應(yīng)用進(jìn)行泵送。天然氣的存儲(chǔ)能夠通過將其保持在壓力容器中或通過液化以便存儲(chǔ)在低溫容器中來完成。天然氣在壓力容器中的高效存儲(chǔ)在每個(gè)單元中保持大約10，OOOsm3 (0.4MMscf)的通常小于30MPa (4，400psi)的最高可能壓力下實(shí)現(xiàn)。甚至在最大壓力下的這些量的有效存儲(chǔ)將需要具有在升高的存儲(chǔ)壓力下的罐與泵送設(shè)備之間的許多連接部的若干加壓容器。替代性地，LNG能夠在現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)在允許高效地存儲(chǔ)相當(dāng)大的體積并處于低至大氣壓的壓力下的LNG罐中。作為低溫液體，一單位體積的LNG包含處于大氣壓條件下的大約六百體積的氣體。在包含60m3 (16，OOOgal)的LNG的單個(gè)LNG存儲(chǔ)容器中，存儲(chǔ)有36，OOOsm3 (1.2MMscf)的當(dāng)量。相比超過30個(gè)加壓天然氣罐，大的處理將需要大約10個(gè)LNG儲(chǔ)罐。LNG的使用排除了在氣相存儲(chǔ)中存在的問題；多個(gè)高壓容器和將天然氣從壓力容器引出所需要的管導(dǎo)致非常復(fù)雜和潛在危險(xiǎn)的系統(tǒng)。
[0094]圖15的步驟81涉及將天然氣處理至足量的壓裂壓力。壓裂壓力通常處于35MPa (5，000psi)至70MPa (10, OOOpsi)的范圍內(nèi)，而天然氣速率通常處于從400sm3/min (15，000scf/min)至 1，200sm3/min (40，000scf/min)的范圍內(nèi)。將壓縮天然氣加壓至壓裂壓力需要某種形式的氣相壓縮機(jī)。替代性地，將天然氣加壓至在呈液態(tài)形式如LNG的液壓壓裂中所遇到的極限壓力是極其高效的。作為液體，相比于氣態(tài)天然氣，容積流率(volumetric rates)顯著減小并且是不可壓縮的，壓縮加熱得以排除并且設(shè)備尺寸和數(shù)量顯著下降。低溫天然氣液體通過單個(gè)泵直接加壓至壓裂壓力，并且隨后簡(jiǎn)單地加熱至應(yīng)用溫度。對(duì)于壓力下的上端壓裂氣體速率，LNG以大約2m3/min(500gal/min)的液體通過每個(gè)速率均達(dá)到160sm3/min的8個(gè)單元產(chǎn)生超過1，500, 000sm3/day (60MMscf/day)的氣體速率。該較小和較簡(jiǎn)單的設(shè)備構(gòu)型顯著地降低了操作的復(fù)雜性，移除了可能與壓縮氣體技術(shù)一起出現(xiàn)的成本和危險(xiǎn)。
[0095]在步驟82中，天然氣流結(jié)合基礎(chǔ)流體流。如前所述，混合器(18)能夠用于在井口前或井口處在高壓處理管線中合并這兩股流；這種方法允許方便地處理單獨(dú)的流而不干擾通常的壓裂操作，完成任務(wù)而不改變井，并且是完成天然氣和液體漿料流的混合的簡(jiǎn)單和有效的方式。這將導(dǎo)致用于混合這些成分的簡(jiǎn)單、有效和可靠的方法。
[0096]替代性地，基礎(chǔ)流體流能夠在低壓過程中或在壓裂壓力下的井孔中與天然氣流結(jié)合。天然氣向下注入井孔內(nèi)的一個(gè)管道并且液體漿料向下注入另一管道，其中這兩股流在井孔中的某點(diǎn)處結(jié)合。在這些情形下，在這兩股流會(huì)合的位置設(shè)置有呈附加管和共用空間形式的某種類型的專用井口或井孔構(gòu)型。
[0097]在一個(gè)實(shí)施方式中，步驟80包括提供存儲(chǔ)在低溫容器中的液化天然氣的供給，步驟81包括使用低溫泵將液化天然氣處理至壓裂壓力，并且以合適的速率供給液化天然氣，并且使用熱交換器加熱液化天然氣至應(yīng)用溫度，步驟82包括通過混合器(18)結(jié)合天然氣和基礎(chǔ)流體，以在使合成的壓裂流體通過井口之前獲得合成的壓裂流體。
[0098]示例
[0099]提供下列示例僅用于示例并且意圖不是在于限制本公開或權(quán)利要求的范圍。
[0100]示例 I
[0101]圖12是示出了將天然氣壓裂系統(tǒng)部件安裝在一系列移動(dòng)卡車上的構(gòu)型的實(shí)施方式的示意圖。移動(dòng)卡車輸送用于形成和加壓基于液體的壓裂漿料的設(shè)備；壓裂攪拌器
(14)、化學(xué)制劑源(22)、高壓泵(16)進(jìn)一步輸送用于存儲(chǔ)、加壓和加熱液化天然氣的設(shè)備；LNG儲(chǔ)罐(215 )和LNG壓裂泵(229 )和輔助設(shè)備；惰性凈化源(45 )和控制器(58 )。
[0102]任何一個(gè)單元上的配置和裝置都能夠改變或設(shè)備可能按需進(jìn)行暫時(shí)或永久地安裝。該實(shí)施方式中顯示了連接到多個(gè)LNG壓裂泵(229)的多個(gè)LNG儲(chǔ)罐(215)。液體和支撐劑的泵送系統(tǒng)、部件(14)、(16)、(22)和管道(26)、(50)、(42)、(25)的預(yù)處理壓力測(cè)試通過壓裂流體(13)或其他適當(dāng)?shù)囊后w按需完成。液體供給(13)、支撐劑添加(12)、化學(xué)制劑添加(22)、支撐劑攪拌(14)和液體漿料加壓(16)用示出的設(shè)備部件完成并且傳輸至液體漿料管道處理管線(42)。LNG儲(chǔ)罐連接到管道(62)，以允許通過點(diǎn)燃管線(20a)排至點(diǎn)燃器(20)，直到在將閥(V18)關(guān)閉時(shí)開始處理。管道(46)將惰性氣體源(45)連接至入口管道(23)，以將低溫氮供給至用于LNG供給管道(23)的低溫冷卻、預(yù)處理凈化和壓力測(cè)試的LNG壓裂泵、泵送和加熱設(shè)備(229)和天然氣管道處理管線(24)。惰性氣體源(45)也連接到天然氣處理管線管道(24)，以允許在必要時(shí)與高壓系統(tǒng)的氣態(tài)氮一起排出或凈化。
[0103]凈化的或排出的天然氣能夠通過具有閥(V13)的排放管道(49)或具有閥(V8)的管道(20a)引導(dǎo)至分離器(60)和點(diǎn)燃器(20)。類似地，低壓管道(23)能夠用氣態(tài)氮凈化或通過管道(46)經(jīng)由排放管道(48)排放至分離器(60)并且經(jīng)由閥(V14)向前排放至點(diǎn)燃器(20 )。通過經(jīng)由管道(46 )和(23 )引至LNG壓裂泵(229 )的出口的低溫氮來完成冷卻和凈化。相反，LNG壓裂泵(229)中的每個(gè)均填充有液體氮直到被充分地冷卻以在沒有蒸發(fā)的情形下獲得LNG。蒸發(fā)的氮從LNG壓裂泵(229)經(jīng)由天然氣處理管線管道(24)、閥(V6)、點(diǎn)燃管道(20a)釋放至點(diǎn)燃器(20)。在每個(gè)LNG壓裂泵(229)中形成冷卻時(shí)，點(diǎn)燃閥(V8)被關(guān)閉并且氮由LNG壓裂單元泵送和加熱以實(shí)現(xiàn)具有氮的系統(tǒng)的高壓壓力測(cè)試。在此全部過程中，基礎(chǔ)流體供給系統(tǒng)通過關(guān)閉的閥(V5)隔離。在完成天然氣泵送系統(tǒng)的壓力測(cè)試時(shí)，閥(V8)是打開的，壓力被釋放，氮源與閥(V12)隔離，并且LNG源閥(V4)是打開的以允許LNG流入系統(tǒng)中。LNG壓裂泵(229)被操作成利用LNG從系統(tǒng)排放氮，以準(zhǔn)備開始?jí)毫烟幚?。從LNG壓裂泵的排出物通過處理管線管道(24)引至點(diǎn)燃管線(20a)，直到在點(diǎn)燃器處觀察到天然氣。閥(V8)隨后關(guān)閉，閥(V5)、(V6)和(V7)打開并且壓裂處理開始。LNG經(jīng)由管道
(23)從罐(215)抽取至LNG壓裂泵(229)，用以加壓和加熱通過天然氣管道處理管線(24)的排出物。來自管道(42)的液態(tài)漿料基礎(chǔ)流體流與來自管道(24)的氣態(tài)天然氣流在壓裂流體混合器(18)中混合并且通過處理管線管道(25)引至井(19)。
[0104]示例 2
[0105]使用諸如圖3、圖9和圖11的裝置之類的裝置，給出了系統(tǒng)的示例、提出的應(yīng)用以示出該方法。目的是用100噸支撐劑使用75%特征值的天然氣泡沫膜水壓裂處理模擬2500m深度處的的含氣儲(chǔ)層。井在2500m的深度處具有穿孔部，穿孔部具有114.3mm的套管、沒有管件、以及井底溫度為90°C。在該示例中，天然氣源選定為液化天然氣(LNG)并且使用圖3的相關(guān)裝置和構(gòu)型。
[0106]表1:天然氣壓裂
[0107]表I
【權(quán)利要求】
1.一種用于產(chǎn)生增能壓裂流體混合物的系統(tǒng)，所述增能壓裂流體混合物用于壓裂井下地層，所述系統(tǒng)包括: (a)壓裂基礎(chǔ)流體源； (b)基礎(chǔ)流體泵，所述基礎(chǔ)流體泵流體地聯(lián)接至所述壓裂基礎(chǔ)流體源并且能夠構(gòu)造成將基礎(chǔ)流體加壓至至少地層的壓裂壓力； (c)液化天然氣(“LNG”)源； (d)LNG泵組件，所述LNG泵組件流體地聯(lián)接至所述LNG源，并且所述LNG泵組件包括泵部件和加熱器部件，所述泵部件能夠構(gòu)造成將LNG加壓至至少所述壓裂壓力，所述加熱器部件能夠構(gòu)造成將已加壓的LNG加熱至所需的應(yīng)用溫度；以及 Ce)壓裂流體混合器，所述壓裂流體混合器具有流體地聯(lián)接至所述基礎(chǔ)流體泵的第一入口、流體地聯(lián)接至所述LNG泵組件的第二入口、以及用于聯(lián)接至井口的出口，并且所述壓裂流體混合器用于將所述基礎(chǔ)流體與天然氣混合以形成用于注入到所述井口中的壓裂流體混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述泵部件包括至少一個(gè)低溫離心泵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述泵部件包括高壓LNG泵，所述高壓LNG泵流體地聯(lián)接至所述至少一個(gè)低溫泵并且被調(diào)定為至少所述地層的壓裂壓力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述加熱器部件包括至少一個(gè)熱交換器，所述至少一個(gè)熱交換器流體地聯(lián)接至所述泵部件以接收已加壓的LNG并且熱聯(lián)接至熱源，所述熱源能夠?qū)⑺鲆鸭訅旱腖NG加熱至至少所需的應(yīng)用溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述加熱器部件是無焰催化加熱器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述無焰催化加熱器包括至少一個(gè)催化元件和LNG管道，所述至少一個(gè)催化元件能夠與燃料氣體流體地連通并且能夠氧化所述燃料氣體以生成熱，LNG管道與所述催化元件熱聯(lián)接但與所述催化元件流體地分離，并且所述LNG管道用于使LNG從其中流過。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述無焰催化加熱器包括多個(gè)催化元件，所述多個(gè)催化元件圍繞LNG管道同心地布置，形成用于LNG通過所述無焰催化加熱器的單個(gè)通道的催化束。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述混合器包括主流動(dòng)管線和彎曲管道，主流動(dòng)管線包括入口端和出口端，所述彎曲管道在所述入口端和所述出口端之間連接至所述主流動(dòng)管線并且與所述主流動(dòng)管線流體連通，所述彎曲管道從所述入口端以銳角延伸，大致線性的流動(dòng)路徑通過所述主流動(dòng)管線，所述入口端被連接用以接收來自所述基礎(chǔ)流體泵的基礎(chǔ)流體的流動(dòng)，并且，所述彎曲管道被連接用以接收來自所述LNG泵組件的天然氣的流動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述LNG源包括至少一個(gè)LNG罐，并且所述系統(tǒng)還包括氣態(tài)天然氣回流管道，所述氣態(tài)天然氣回流管道流體地聯(lián)接至所述加熱器部件和所述罐，用于將已加壓的氣態(tài)天然氣供給至罐以對(duì)所述罐進(jìn)行加壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括點(diǎn)燃器、點(diǎn)燃管線管道、以及減壓閥，所述點(diǎn)燃管線管道流體地聯(lián)接至所述點(diǎn)燃器，所述減壓閥將所述點(diǎn)燃管線管道流體地聯(lián)接至所述罐使得能夠?qū)⑺龉拗械臍鈶B(tài)天然氣排放至所述點(diǎn)燃器。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，還包括低溫惰性氣體源和惰性氣體膨脹液化單元，所述惰性氣體膨脹液化單元流體地聯(lián)接至所述低溫惰性氣體源、并且具有流體地聯(lián)接至所述罐以接收來自所述罐的氣態(tài)天然氣的入口閥以及聯(lián)接至所述罐以將LNG傳送至所述罐的出口閥，所述惰性氣體液化單元構(gòu)造成允許低溫惰性氣體在其中蒸發(fā)并使氣態(tài)天然氣在其中進(jìn)行充分地冷卻以將其液化成LNG。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述LNG源包括多個(gè)LNG罐、流體地聯(lián)接至每個(gè)罐的罐間蒸氣管線管道、以及流體地聯(lián)接至每個(gè)罐的罐間液體管線管道。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述壓裂基礎(chǔ)流體源包括壓裂液體的供給，以及任選地包括支撐劑和壓裂改性化學(xué)制劑中的至少一者。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述壓裂基礎(chǔ)流體源包括所述支撐劑和所述壓裂改性化學(xué)制劑中的至少一者，并且所述系統(tǒng)還包括攪拌器，所述攪拌器在所述混合器上游對(duì)所述基礎(chǔ)流體與所述支撐劑和所述壓裂改性化學(xué)制劑中的至少一者進(jìn)行攪拌。
15.一種用于壓裂井下地層的方法，包括: Ca)提供基礎(chǔ)流體并且將所述基礎(chǔ)流體加壓至至少所述地層的壓裂壓力； (b)提供液化天然氣(LNG)并且將所述LNG加壓至至少所述壓裂壓力，隨后將所述LNG加熱至所需的應(yīng)用溫度； (c)將所述已加壓的基礎(chǔ)流體與已加壓的天然氣混合以形成增能壓裂流體混合物； Cd)將所述增能壓裂流體混合物注入通過井口并且注入到與所述地層連通的井中；以及 (e)繼續(xù)注入所述增能壓裂 流體混合物直到所述地層被壓裂。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述壓裂基礎(chǔ)流體包括壓裂液體，以及任選地包括支撐劑和壓裂改性化學(xué)制劑中的至少一者。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述壓裂基礎(chǔ)流體包括支撐劑和壓裂改性化學(xué)制劑中的至少一者，并且所述方法還包括在將所述基礎(chǔ)流體與所述天然氣混合之前對(duì)所述壓裂液體與支撐劑和壓裂改性化學(xué)制劑中的至少一者進(jìn)行攪拌。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述增能壓裂流體是泡沫。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，從至少一個(gè)LNG罐提供所述LNG，并且所述方法還包括將所述LNG罐中的氣態(tài)天然氣排放至點(diǎn)燃器。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，從至少一個(gè)LNG罐提供所述LNG，并且所述方法還包括接收來自所述LNG罐中的氣態(tài)天然氣，并且通過使低溫惰性氣體蒸發(fā)并使蒸發(fā)的惰性氣體與所述氣態(tài)的天然氣接觸而將所述氣態(tài)天然氣冷卻成LNG。
【文檔編號(hào)】E21B43/24GK103429846SQ201180069373
【公開日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2011年10月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月17日
【發(fā)明者】格朗特·W·內(nèi)維森 申請(qǐng)人:恩弗拉卡公司