使用天然氣和惰性凈化流體的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：在混合器中制備包括混合的氣態(tài)天然氣和壓裂基礎流體的增能壓裂流體；將增能壓裂流體注入通過井口并進入井中；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流體源的壓裂基礎流體并將天然氣和壓裂基礎流體混合以產(chǎn)生增能壓裂流體。
【專利說明】使用天然氣和惰性凈化流體的用于地下地層的壓裂系統(tǒng)和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求在2011年I月17日提交的美國臨時申請N0.61/433，441的權益，并且該申請的全部內(nèi)容通過參引合并到本文中。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及一種用于地下地層的壓裂系統(tǒng)和方法，尤其涉及使用天然氣進行壓裂以及使用惰性流體進行凈化。
【背景技術】
[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。壓裂流體與壓裂支撐材料在專用設備中混合，隨后被泵送通過井孔并進入包含待生產(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開始或恢復井中的生產(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油巖、對于儲層流體是無作用的、能夠在不污染儲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，但是其是潛在危險的，并且尚未提供利用天然氣進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)明的一個方面，提供了一種對使用包括天然氣的壓裂流體的地層壓裂系統(tǒng)進行操作的方法。該方法包括如下步驟:(a)提供地層壓裂系統(tǒng)，所述地層壓裂系統(tǒng)包括天然氣供給裝置，天然氣供給裝置包括天然氣源、泵組件以及流體供給管道，泵組件用于對來自天然氣源的天然氣進行加壓，流體供給管道用于將來自天然氣源的天然氣輸送至泵組件并輸送至與待壓裂的地下地層連通的井的井口 ；(b)通過提供來自天然氣源的天然氣并且使用泵組件將天然氣加壓至地層的壓裂壓力而形成壓裂流體；(C)將壓裂流體注入通過井口并注入到地層中，直到地層被壓裂；以及(d)在將壓裂流體注入通過井口之前或之后，將惰性流體注入通過地層壓裂系統(tǒng)的至少一部分，直到地層壓裂系統(tǒng)的至少一部分被凈化至非可燃狀態(tài)。惰性流體能夠選自氮、氦、氖、氬、氪和二氧化碳或這些氣體的混合物。
[0010]在將惰性流體注入通過地層壓裂系統(tǒng)的至少一部分之后，將注入的惰性流體引導至井中。能夠將注入的惰性流體注入至井中，直到惰性流體有助于壓裂地層。在將注入的惰性流體引導至井中之后，能夠將天然氣注入通過系統(tǒng)，使得系統(tǒng)中的惰性流體被轉移至井中。代替注入到井中，注入的惰性流體能夠在其注入通過地層壓裂系統(tǒng)的至少一部分之后排出。
[0011]天然氣源能夠是液化天然氣，在該情形下天然氣供給裝置包括用于將液化天然氣加熱至應用溫度的加熱器，并且方法還包括在將壓裂流體注入到地層壓裂系統(tǒng)的至少一部分中之前注入諸如液化氮之類的低溫惰性流體，以在注入天然氣之前預冷卻地層壓裂系統(tǒng)的至少一部分。
[0012]地層壓裂系統(tǒng)能夠還包括聯(lián)接至流體供給管道的閥，在該情形下方法還包括關閉閥中的至少一些以流體地隔離地層壓裂系統(tǒng)的至少一部分，隨后將惰性流體注入到系統(tǒng)的被隔離部分中并且對系統(tǒng)的被隔離部分進行壓力測試。
[0013]地層壓裂系統(tǒng)能夠還包括聯(lián)接至流體供給管道以及排放管道的閥，排放管道流體地聯(lián)接至天然氣供給裝置的至少一部分，在該情形下方法還包括在將天然氣注入到井口中之后:關閉閥中的至少一些以將天然氣供給裝置的至少一部分與地層壓裂系統(tǒng)的其余部分隔離，打開閥中的至少一些以將天然氣從天然氣供給裝置的被隔離部分排出并經(jīng)由排放管道排出系統(tǒng)，隨后將惰性流體注入至天然氣供給裝置的被隔離部分中以便對天然氣供給裝置的被隔離部分進行凈化。
[0014]系統(tǒng)能夠包括:基礎流體供給裝置以及混合器，所述混合器流體地聯(lián)接至基礎流體供給裝置和天然氣供給裝置并且流體地聯(lián)接至井口。在該情形下方法還包括在混合器中形成包括天然氣和來自基礎流體供給裝置的基礎流體的壓裂流體混合物，隨后將壓裂流體混合物注入到井口中直到地層被壓裂。在將天然氣注入到井口中之前，將惰性流體注入通過天然氣供給裝置和混合器，直到天然氣供給裝置和混合器被凈化至非可燃狀態(tài)。排放管道還能夠聯(lián)接至基礎流體供給裝置的至少一部分和混合器，在該情形下方法還包括在將天然氣注入到井口中之后:隔離基礎流體供給裝置的至少一部分或混合器、或隔離基礎流體供給裝置的至少一部分和混合器二者，隨后將惰性流體注入通過其中并且經(jīng)由排放管道排出系統(tǒng)。[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系統(tǒng)，包括:天然氣供給裝置，天然氣供給裝置包括天然氣源、泵組件、以及天然氣流體供給管道，泵組件用于將來自天然氣源的天然氣加壓至井下地層的壓裂壓力，天然氣流體供給管道用于將天然氣源流體地聯(lián)接至泵組件并聯(lián)接至與井下地層連通的井的井口 ；惰性流體供給裝置，惰性流體供給裝置包括惰性流體源以及惰性流體供給管道，惰性流體供給管道將惰性流體源流體地聯(lián)接至天然氣供給裝置的至少一部分；排放管道，排放管道流體地聯(lián)接至天然氣供給裝置的至少一部分使得天然氣和惰性流體能夠從系統(tǒng)排出；以及閥，閥聯(lián)接至至少天然氣流體供給管道和惰性流體供給管道，所述閥能夠選擇性地打開和關閉以將天然氣注入通過井口直到地層被壓裂、以及將惰性流體注入通過天然氣供給裝置的至少一部分，以便在將天然氣注入到井口中之前或之后對天然氣供給裝置的至少一部分進行凈化。
[0016]惰性流體供給裝置能夠還包括泵，泵用于使惰性流體移動通過天然氣供給裝置的至少一部分以及從天然氣供給裝置的至少一部分移出。惰性流體供給裝置能夠還包括氮源或二氧化碳源。
[0017]系統(tǒng)能夠還包括基礎流體供給裝置以及混合器，所述混合器流體地聯(lián)接至基礎流體供給裝置、天然氣供給裝置并且流體地聯(lián)接至井口?；A流體供給裝置包括基礎流體源、基礎流體泵、以及基礎流體供給管道，基礎流體供給管道用于將基礎流體源流體地聯(lián)接至基礎流體泵以及流體地聯(lián)接至混合器。基礎流體供給裝置能夠還包括:支撐劑供給裝置以及攪拌器，攪拌器流體地聯(lián)接至支撐劑供給裝置、基礎流體源和基礎流體泵；或者化學制劑源以及攪拌器，攪拌器流體地聯(lián)接至化學制劑源、基礎流體源和基礎流體泵；或者化學制劑源、支撐劑供給裝置以及攪拌器，攪拌器流體地聯(lián)接至支撐劑供給裝置、化學制劑源、基礎流體源和基礎流體泵。在任何所述情形下，化學制劑源是增粘劑源。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]現(xiàn)在將參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行描述，其中:
[0019]圖1是根據(jù)至少一部分實施方式中的用于將天然氣和基礎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)第一實施方式的壓縮天然氣存儲和供給設備。
[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)第二實施方式的液化天然氣(LNG)存儲和供給設備。
[0022]圖4是示出了使用在第二實施方式中的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)第五實施方式的用于將包括天然氣和基礎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，其中系統(tǒng)包括排出、凈化和隔離設備。
[0028]圖10是示出了使用在第二實施方式中的LNG存儲和蒸氣處理設備的示意圖。
[0029]圖11是示出了一部分實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)的至少一部分實施方式的示例性表面設備布局的示意圖。
[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是示出了液化天然氣壓裂泵組件的另一實施方式的催化蒸發(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。
[0034]圖16是示出了根據(jù)另一實施方式的用于將壓裂流體混合物注入地下地層中的壓裂系統(tǒng)的示意圖，其中系統(tǒng)包括排放、凈化和隔離設備。
【具體實施方式】
[0035]兎直
[0036]下面的說明書和在此描述的實施方式通過舉例本發(fā)明的各個方面的原理的特定實施方式的示例來提供。本發(fā)明的各個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的附圖標記標注。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。
[0037]在此描述的實施方式提供了一種用于通過包括天然氣和基礎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地下儲層的地層進行壓裂的裝置、系統(tǒng)以及方法。在第一實施方式中，提供了一種注入包括天然氣和基礎流體的壓裂流體混合物的壓裂系統(tǒng)，其中天然氣存儲為壓縮天然氣(CNG)，并且其中基礎流體能夠包括壓裂流體、支撐劑和增粘劑。在第二實施方式中，提供了一種注入包括天然氣和基礎流體的壓裂流體混合物的壓裂系統(tǒng)，其中天然氣存儲為LNG，并且其中基礎流體能夠包括壓裂流體、支撐劑和增粘劑。在第三實施方式中，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)。在第五實施方式中，提供了一種注入包括天然氣和基礎流體的壓裂流體混合物的壓裂系統(tǒng)，其中基礎流體不包含支撐劑。在第六實施方式中，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備。下面將對這些實施方式中的每個實施方式進行更加詳細地描述。
[0038]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。
[0039]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層的液壓壓裂的壓力和速率。天然氣流能夠與基礎流體攪拌以形成壓裂流體混合物，或者作為純流(即不包含基礎流體)注入，或僅與支撐劑攪拌。基礎流體能夠包括諸如傳統(tǒng)的烴類井維護流體之類的壓裂液體、含有一個或更多個支撐劑和/或一個或更多個增粘劑或諸如減阻劑之類的流變改性劑的壓裂液體。在地下儲層產(chǎn)生壓裂的液壓能由在表面處以足以在地下儲層處產(chǎn)生所需能量的結合速率對氣態(tài)天然氣和基礎流體的混合物進行增壓而獲得。壓裂處理后，能夠將天然氣和隨附的壓裂液體回收，并且使用的天然氣增能劑能夠針對用于回收和銷售的現(xiàn)有設施。
[0040]提供了以下的壓裂系統(tǒng):所述壓裂系統(tǒng)包括用于儲存壓裂流體混合物的成分的設備、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備、以及用于將壓裂流體從井中回收和分離的設備。在一部分實施方式中，天然氣源是保持在具有將天然氣進一步壓縮至適當壓裂壓力的壓裂泵的加壓容器中的壓縮氣體(CNG)。在其他實施方式中，壓縮氣體保持在高于壓裂壓力的加壓容器中并且簡單地釋放至壓裂流中。在一部分實施方式中，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。
[0041]氣相天然氣的有效儲存在通常小于30MPa(4，400psi)的最高可能壓力下實現(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行給送來完成。已經(jīng)將氣相壓縮機使用于接近IOOMPa (15，OOOpsi )的壓力，因此氣相壓縮機適于將天然氣壓縮至適當?shù)膲毫褖毫Α?br> [0042]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，天然氣成分與壓裂流體和儲層油和/或儲層氣一起回收。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。這可能消除為了實現(xiàn)用于銷售的氣體的適當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聯(lián)的大規(guī)模物流。
[0043]圖1是根據(jù)這些實施方式的壓裂系統(tǒng)的主要部件的總體描述，其中所述實施方式利用包括天然氣和基礎流體一一基礎流體能夠包括支撐劑和/或化學添加劑——的壓裂流體混合物。壓裂液體存儲在壓裂液體罐(13)中，支撐劑存儲在支撐劑容器(12)中，以及，諸如增粘劑之類的化學添加劑存儲在化學添加劑容器(22)中。天然氣存儲在天然氣容器
(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)進入壓裂流體混合器(18)。存儲在容器(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；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)。
[0044]在混合器(18)內(nèi)，來自管道(24)的天然氣流與來自管道(42)的液相基礎流體流結合；該基礎流體能夠包括與支撐劑和化學添加劑任選地結合的壓裂流體。隨后，結合的壓裂混合物經(jīng)由管道(25)進入井(19)，結合的壓裂混合物在井(19)處從井孔(wellbore)向下行進至儲層，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，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為適于對井進行壓裂的時間，為使引導至管道(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，井(19)打開。來自井的初始流動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)并且初始地引向點燃器(20)直到流量適當?shù)胤€(wěn)定，隨后引向用于處理和銷售的管路(21)。
[0045]在另一實施方式中，提供了一種使用天然氣或天然氣和基礎流體的混合物來壓裂井的方法。多個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。使用用于現(xiàn)場存儲的LNG的方法能夠允許有效地并且在低至大氣壓的壓力下儲存相當大的體積。作為低溫液體，一個單位體積的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，需要更少的存儲容器以及具有減少的流量體積的更低的存儲和供給壓力。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地不可壓縮，消除了壓縮加熱并且大幅度地減少了設備尺寸和數(shù)量。這顯著地降低了操作的復雜性，從而降低了在已知技術中存在的成本和危險因素。此外，由于在較低壓力下操作的設備更少并且在設備之間的連接部更少，所以使用LNG有助于設備在井之間的頻繁運動所需要的簡化性。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、且安全地預冷卻至操作溫度。這消除和最小化了利用LNG進行冷卻，由此在用可燃液化氣冷卻系統(tǒng)時避免了不必要的點燃和潛在的安全問題。通過將泵和加熱系統(tǒng)結合在永久結合的單個單元上，使低溫的液化天然氣泵和加熱系統(tǒng)的現(xiàn)場壓力整體性(integrity)最大化。LNG儲罐設計成在高壓下操作以在存儲期間排除或最小化排出氣體。高壓能力還允許在LNG從儲罐排出期間以壓裂速率推進增壓，由此有助于供給至LNG泵。來自LNG壓裂泵的蒸氣作為側流按需導引至LNG儲罐以維持容器壓力并且形成所述推進。用于加熱LNG的能量能夠以多種方式獲得，其中優(yōu)選實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、催化點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離由安全要求規(guī)定的處理的焰底熱源生成。
[0046]在此描述的實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)的時間以及允許從井及時回收氣體。此外，該技術能夠使用于傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)的油井和氣井，并且適于通過烴基礎流體、水基礎流體和酸來壓裂。
[0047]第一實施方式:使用包括基礎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)
[0048]根據(jù)第一實施方式并參照圖2，示出了一種用于使用壓裂流體混合物對由井貫穿的地下儲層進行壓裂的系統(tǒng)。壓裂流體混合物通過對天然氣流與基礎流體進行攪拌而形成，其中天然氣來自壓縮天然氣源?；A流體包括壓裂流體并且還能夠包括增粘的化學制劑和支撐劑。更特別地，壓裂流體按照要求能夠是油、水、甲醇、酸中的任一個或其結合。支撐劑能夠是天然壓裂砂或人造顆粒?；瘜W添加劑將會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。
[0049]系統(tǒng)的主要部件包括壓裂流體供給罐、用于輸送和預備與天然氣流結合的基礎流體的設備、天然氣容器、用于輸送與基礎流體結合的天然氣流的設備、用于將基礎流體和天然氣流結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)由管道從化學添加劑容器(22)添加的增粘化學制劑。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的罐或其他合適的裝置存儲足夠的液體體積。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、接收來自化學添加劑容器(22)的化學制劑、以及通常在離心泵內(nèi)將它們與壓裂流體混合。
[0050]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備中結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。
[0051]隨后，生成的漿料基礎流體從攪拌器(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1，500kff或2，000ΗΗΡ的柴油動力型Quintuplex容積式泵。一個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合。
[0052]在該實施方式中，天然氣源是容納壓縮天然氣(CNG)的一個或更多個容器(15)。用于壓縮天然氣輸送和存儲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 2，500scm(89, OOOscf)的處于達到25MPa (3，600psi)的CNG。CNG存儲容器(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；例如能夠使用往復式壓縮機來實現(xiàn)例如液壓壓裂所需的高壓。通常，壓縮機達到固定的壓縮因數(shù)，使得可能需要多級壓縮以獲得壓裂壓力。類似地，為了實現(xiàn)理想的速率，多個壓縮機壓級能夠并聯(lián)使用。盡管會需要更多或更少的壓縮機壓級以實現(xiàn)理想的出口壓力，但是示出的壓縮機壓級具有三個壓級。通過閥(V4)來控制從存儲容器(15)流至高壓天然氣壓縮機泵(127a、127b、127c)的壓縮天然氣流量。壓縮機泵(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泵(127a、127b、127c)。[0053]第二實施方式:使用包括基礎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)
[0054]參照圖3、圖10至14并且根據(jù)第二實施方式，提供了一種使用包括基礎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存儲和蒸氣處理子系統(tǒng)，用于存儲LNG、并將LNG加壓和加熱至應用溫度、隨后供給要與基礎流體混合的天然氣。在該實施方式中，將LNG加熱至使天然氣處于蒸汽相的溫度；然而，能夠設想的是，在其他實施方式中，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存儲和蒸氣處理子系統(tǒng)的圖1的壓裂系統(tǒng)。
[0055]在該實施方式中，天然氣源(215)是容納液化天然氣(LNG)的一個或更多個容器。用于存儲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21，OOOscm(750, OOOscf)的處于0.6MPa(90psi)壓力下的滑動裝置安裝的EKIP研究和生產(chǎn)公司的 LNG 輸送器(EKIP Research and Production Company LNG Transporter)。LNG通常存儲在大氣壓下并且處于大約_162°C (-260 T )的溫度下。LNG存儲容器(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4014SS Cryogenic50Series的LNG管道:由JGB Enterprises股份有限公司制造的低溫軟管。
[0056]對從LNG存儲容器(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?shù)膲毫?。返回管?232)中的返回蒸氣流有助于將LNG從存儲容器(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。在一個構型中，天然氣壓裂泵組件(229)在單個單元內(nèi)(例如在一個殼體中，在自身包含的滑行裝置上、經(jīng)由一個主動裝置等等)結合LNG的加壓和加熱。然而，這些步驟能夠在單獨的單元上完成。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 )。
[0057]參照圖10和13，LNG存儲和蒸氣處理子系統(tǒng)用于對由壓裂系統(tǒng)使用的LNG進行存儲和處理。對LNG存儲的處理和控制需要維持非危險的工作區(qū)域，同時LNG進行存儲而備用。在存儲處于_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。
[0058]LNG存儲和蒸氣處理子系統(tǒng)包括能夠是單個或多個LNG罐(715)的LNG源(215)。對這些罐(715)中的每個罐中的壓力的控制通過具有基于罐的操作設計的泄放設定的減壓閥(V18)來完成。減壓閥(V18)經(jīng)由蒸氣收集管道(62)以及又聯(lián)接至每個罐中的蒸氣管線
(63)的罐間蒸氣管線管道(61)與每個罐(715)連通。在一個構型中，減壓閥(V18)連接至點燃管線管道(720a)并且隨后連接至能夠對釋放的蒸氣進行安全地點燃的點燃器(20)(在圖中未示出管道(720a)至點燃器(20)的連接)。
[0059]替代性地，收集的蒸氣能夠再次液化并且泵送返回到LNG儲罐(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。
[0060]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。
[0061 ] 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 );來自每個罐的流量通過控制閥(V42)控制。
[0062]在替代實施方式中，能夠將LNG罐(715)設計成在需要減壓前允許壓力高至2MPa(300psi)。當用_162°C (-260 0F )的正常條件下的LNG加載這些罐(715)時，提升的泄放壓力會使排出延遲，直到達到接近-110°C (-166 T )的溫度水平。由于LNG罐的絕緣性質給予的最小的增熱，排出實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，并且不會導致在壓裂處理期間打開減壓閥。
[0063]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。能夠按需使用單個或多個低溫離心泵(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)中的推進泵2X3 X 6，其提供達到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現(xiàn)這些壓力。這種泵的示例是額定達到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。能夠采用單個或多個高壓LNG泵(235)來滿足壓裂供給速率的要求。驅動泵(233)和(235)所需的動力能夠從內(nèi)燃機按需通過直接驅動、發(fā)電或液壓技術獲得。
[0064]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)以加熱天然氣至應用溫度，所述應用溫度在本特定實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變成馬氏體晶體的溫度，其中發(fā)生相應的金相改變。在一個實施方式中，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)。
[0065]在該實施方式中，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機(未示出)驅動穿過第一熱交換器(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，從而減輕加熱負載。從第一熱交換器(237)的排出隨后通過供給管道(238)引導至第二熱交換器(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、催化點燃器或電子元件產(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)。
[0066]一旦天然氣已充分地加熱(在這個特定的實施方式中是指蒸發(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)中對來自管道(342)的基礎流體流與來自供給管道(324)的氣態(tài)天然氣流進行結合和混合。實現(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構和特性。例如，適當?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，促進了良好的混合。能夠采用包括內(nèi)部分流器、湍流增強器和各種靜態(tài)或動態(tài)混合裝置的其他機構以促進混合。為了安全地處理包含天然氣的壓裂流，應認識到，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。
[0067]將基礎流體漿料流與天然氣流結合以及隨后進一步經(jīng)由管道和井孔輸送結合的混合物通過認識到顆粒(支撐劑)對流動路徑改變的影響能夠快速導致組件故障和有害地釋放可燃性氣體來完成。同樣地，設置了允許包含液體/支撐劑的基礎流體以大致平直的路徑通過混合器的基礎流體混合器(18)。例如，基礎流體管道(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。例如，在一個實施方式中，混合器(18)包括主流管線、彎曲管道和大致線性流動路徑，主流管線包括進入端和排出端，彎曲管道連接至在進入端與排出端之間的主流管線并與主流管線連通，該彎曲管道相對于進入端以銳角延伸，大致直線流動路徑經(jīng)由主流管線、連接成接納來自壓裂基礎流體源的流的進入端、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，壓裂流體混合物隨后經(jīng)管道325引導至井口并向下引導至井孔，以在地下儲層中產(chǎn)生液壓壓裂。
[0068]參照圖11，壓裂系統(tǒng)能夠通過控制器(58)遙控；控制器(58)的構造和操作將在下面的第六實施方式中進一步描述。在該第二實施方式中，控制器(58)的控制功能通過對圖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合的控制。在該實施方式中，假定控制器(58)是安裝在卡車底盤上的座艙內(nèi)的計算機控制臺。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)漿料的任何所需結合。在某些應用中，將僅泵送天然氣用于處理的一部分、比如預填塞(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，在預填塞、填塞或沖洗時泵送液體以及在處理中的階段時僅泵送液體漿料。處理后，設備停止工作，井口閥(V7)關閉和準備遷離站點或準備完成另一壓裂處理。LNG儲存容器通過閥(V4)的關閉和閥(V18)的打開而保護。將閥(V5)關閉并且將閥(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)。當高壓系統(tǒng)已經(jīng)排出至標稱壓力時，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)排放并且進入點燃系統(tǒng)、分離器(60)和點燃器(20)。替代性地，能夠打開閥(V13 )以對高壓系統(tǒng)進行排出。閥(V8 )或閥(V13 )能夠呈阻流器(choke )形式，以控制進入分離器和點燃系統(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)排放至點燃器(20)。在從低壓管道(23)排放所有的天然氣液體時，閥(V14)被打開以排放和徹底地凈化低壓系統(tǒng)。相應地，閥(V15)被打開并且氣態(tài)氮通過天然氣處理管線(24)引導以完成高壓系統(tǒng)的凈化。在所有情況下，氣流引導到點燃器，直到天然氣含量遠低于易燃極限。天然氣含量能夠通過烴類含量氣體流監(jiān)測器進行評估。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，并且開始對壓裂處理的回流以及評估。回流通過打開井口閥(V7)開始，其中點燃管線閥(V8)和(V20)打開并且管線閥(V9)關閉。氣流通過點燃管線(20a)和分離器(60)引導到點燃器(20)。分離器(60)在將氣體釋放至點燃器中時捕獲液體和固體。液體在分離器(60)內(nèi)累積并排到未示出的存儲容器中。產(chǎn)生的固體可能包括地層細料和壓裂支撐劑，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。在實現(xiàn)穩(wěn)定流動和足夠的氣相壓力以允許流進管線中時，點燃器通過閥(V21)關閉并且通過打開閥(V9)引向銷售管線(21)流動。來自井(19)的流與氣體被繼續(xù)引導通過分離器(60)進入管線(21)，直到壓裂處理被充分凈化以及井被很好的評價。井隨后能夠投入生產(chǎn)。
[0069]參照圖14，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、丙烷或其他適當燃料之類的燃料氣體通過氧氣氧化而生成的熱進行輻射。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用溫度所需的充分的熱量。在圖14中，八個催化元件(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)的單個通道的催化束(68)。每個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至管道。四個束示出為四個組，其中每個束中八個催化元件加熱LNG交換器管(67)。在該構型中，來自通過周圍預加熱器的管道(238)的LNG進入流被分流至催化束中的兩個催化束。該示意圖還示出了從一個催化束(68)排出的LNG被引導至另一催化束(68)以進行附加地加熱。催化束的構型和布置以及通過催化束的流動路徑能夠按需改變以實現(xiàn)加熱目標。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)長度的元件的八個元件束將產(chǎn)生超過870，000Btu/hr(255kW)的能量。對于示出的四個束系統(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。
[0070]第三實施方式:用于注入包括純天然氣流的壓裂流體的壓裂系統(tǒng)
[0071]根據(jù)第三實施方式并且參照圖6，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巖地層的通常的情況。在本實施方式中，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或多個容器。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源的情況下是對氣體施加壓縮的壓縮機，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)進入井口(19)。隨后，純天然氣流沿井孔向下行進以在地下儲層中形成液壓壓
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[0072]第四實施方式: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)
[0073]根據(jù)第四實施方式并且參照圖7，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型。用僅包含支撐劑的天然氣流進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巖地層的通常的情況。在本實施方式中，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或多個容器。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源的情況下是對氣體施加壓縮的壓縮機，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)并進入井口(19)。氣流和支撐劑隨后沿井孔向下行進以在地下儲層中形成液壓壓裂。
[0074]第五實施方式:用于注入包括天然氣和基礎流體但不包括支撐劑的壓裂流體混合物的壓裂系統(tǒng)
[0075]根據(jù)第五實施方式并參照圖8，提供了一種使用包括天然氣和基礎流體但不具有任何支撐劑的壓裂流體混合物的壓裂裝置。
`[0076]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)，其中來自化學制劑源(22)的壓裂化學制劑還引導并與液體混合。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或多個容器。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源的情況下是對氣體施加壓縮的壓縮機，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)的液體壓裂流相結合?；旌系奶烊粴夂鸵后w沿管道(625)離開混合器(618)并進入井口(19)。混合的天然氣和液體隨后沿井孔向下行進以在地下儲層中形成液壓壓裂。
[0077]第六實施方式:具有天然氣排放和凈化設備的壓裂系統(tǒng)
[0078]根據(jù)第六實施方式，地層壓裂系統(tǒng)還能夠包括用于排放、凈化和/或隔離天然氣以及來自系統(tǒng)的各部分的氣的設備(“排放、凈化和隔離設備”)。這種設備對于控制與作為可燃高壓氣體源的天然氣關聯(lián)的風險是有益的。該設備能夠包括利用諸如氮之類的低溫惰性流體，該低溫惰性流體被冷卻以便在引入天然氣之前對高壓天然氣泵或其他設備進行預冷卻。這排除了使用可燃天然氣預冷卻系統(tǒng)的需要并且排除了以其他所需的方式點燃的天然氣。惰性流體還能夠用于對壓裂系統(tǒng)進行壓力測試以識別任何泄漏或故障，或允許對系統(tǒng)做出任何構型或功能測試。
[0079]同樣，惰性流體能夠用于代替任何天然氣源，以在壓裂處理之前、期間或之后對任何殘余的天然氣、氧氣、或空氣進行快速地凈化。在該凈化操作期間，在壓裂流體經(jīng)由井口注入之前或之后，惰性流體經(jīng)由系統(tǒng)的至少一部分注入，并且直到系統(tǒng)的至少一部分處于非可燃狀態(tài)。凈化操作的意圖是凈化系統(tǒng)部件到諸如“爆炸下限”(LEL)之類的可燃極限之下，其中爆炸下限是空氣中的氣體或蒸氣在存在有點燃源(電弧、火焰、熱量)時能夠產(chǎn)生火花的最低濃度(百分比)。在壓裂處理期間的泄漏或部件故障的情形下，排放、凈化和隔離設備允許將該部件隔離使得系統(tǒng)的其余部分不受影響。
[0080]圖9示出了具有如圖1所示的壓裂流體存儲和供給設備、帶有天然氣排放、凈化和隔離設備的壓裂系統(tǒng)的實施方式。該排放、凈化和隔離設備包括:流體地聯(lián)接至系統(tǒng)中的天然氣和基礎流體供給管道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 ;基礎流體供給管道23、24 ;以及用于對來自供給管道23、24、42、50的氣體進行排放的排放管道(48)、(49)、(51)。還能夠設置控制器(58)(見圖11)以控制排放、凈化和隔離操作。
[0081]凈化在將天然氣從閥(V4)經(jīng)由通向井口閥(V7)的設備和管道(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移的設備之前，在凈化之前對所有天然氣、以及管道和設備進行排放。排放和凈化能夠從(V5)和遠至上游的閥(V3)(其中排放經(jīng)由通過管道(51)至點燃器(20)來完成)、以及從天然氣源出口閥(V4)經(jīng)由設備和管道至井口閥(V7)潛在地圍繞系統(tǒng)以解決過壓回移。
[0082]代替排放，惰性凈化流體和凈化的部分可以引至井中。在替代實施方式中，氮氣或任何適當?shù)亩栊詺怏w可以用于凈化系統(tǒng)設備并且隨后用于引至井中，以單獨地或與天然氣一起壓裂地層。[0083]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將惰性流體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)接至點燃管道(20a)。這樣的布置使惰性流體和天然氣能夠從天然氣供給管道(23)并經(jīng)由點燃器(20)排放。
[0084]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)由惰性流體供給管道
(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)由點燃器(20)排出該管道(24)。
[0085]為了凈化和排放系統(tǒng)和井的高壓壓裂流體部分，點燃管線管道(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)并且進入管道(25)的凈化流體進行凈化；閥(V13)、(V5)、(V7)是關閉的。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)和點燃管線管道(20a)通過點燃器(20)排放。
[0086]同樣，基礎流體供給管道(50)經(jīng)由排放閥(V16)和排放管道(51)聯(lián)接至點燃器
(20);例如在內(nèi)部泄露發(fā)生并且天然氣進入系統(tǒng)的基礎流體存儲和供給部的情形下，這樣的布置使流體能夠從基礎流體管道排放至點燃器(20)。
[0087]排放、凈化和隔離設備允許系統(tǒng)按需隔離、排放和凈化以在一切合理條件下的使系統(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)能夠立即關閉以隔離從系統(tǒng)的其他部分的釋放。隨后關閉源閥(V3)和(V4)并且將閥(VS)O開以將出故障的系統(tǒng)的隔離部內(nèi)的所有和任何氣體引導至點燃器(20)并且由此控制和排除從天然氣源漿料混合器(18)的釋放。作為另一個示例，閥(V14)能夠打開，以經(jīng)由排出管道(48)、(49)和點燃管線管道(20a)排出封閉在位于閥(V4)與高壓天然氣泵(17)之間的管道和設備中的容納物。類似地，能夠將閥(13)打開以允許經(jīng)由排出管道(49)和點燃管線管道(20a)排放封閉在高壓天然氣泵(17)與閥(V6)之間的管道和設備中的容納物。
[0088]在充分排出時，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)中的各種路徑引導至點燃管線管道(20a)，以排出和凈化完整的系統(tǒng)。
[0089]惰性凈化源(45)包括用于惰性流體的存儲設備，其中惰性流體適于通過適于使凈化流體移動通過系統(tǒng)的設備進行凈化。在一個實施方式中，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。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)對惰性流體和其相的選擇，使凈化流體移動通過系統(tǒng)將會通過控制閥、泵、或泵和加熱器中的任一者完成，這些部件在一個實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施方式中能夠是已有設備。
[0090]上述的排放、凈化和隔離設備的構型以及使用該設備的排放、凈化和隔離方法特別涉及在圖1中描述的壓裂系統(tǒng)。然而，該設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)。當如在圖3的實施方式中示出地使用LNG作為天然氣源時，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、進行凈化、以及進行壓力測試。在該實施方式中，與使用LNG完成這些步驟相關的危險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)氮在與溫熱部件接觸時蒸發(fā)。產(chǎn)生的蒸氣經(jīng)由點燃管線管道(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)。
[0091]參照圖11，包括凈化、排放和隔離設備的壓裂系統(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器。控制器(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，能夠遠程控制壓裂攪拌器(814)、高壓天然氣泵(817)和高壓漿料泵(816)。閥(Vl)至(V16)也能夠進行遠程控制。遠程控制能力允許從中央點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系統(tǒng)的控制，而不將人員暴露于危險中。部件的控制通過系統(tǒng)的操作員經(jīng)由用戶界面(59)或通過包含存儲在控制器的存儲器上的算法并開發(fā)成引導部件的軟件來引導，以通過適當方式完成任務?？刂破魇侨魏芜m當?shù)倪^程控制系統(tǒng)并且能夠包括從操作員面板或計算機的控制輸入裝置。類似的控制能力按需適用于其他描述的構型和其他部件。
[0092]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，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)的操作以調節(jié)來自壓裂液體罐(813 )的流動，控制器(58 )聯(lián)接至支撐劑供應閥(V2 )并控制支撐劑供應閥(V2)的操作以調節(jié)來自支撐劑供應裝置(812)、化學制劑源(822)和壓裂攪拌器(814)的流動，以將合適構造的液體漿料供應至高壓漿料泵(816)。同時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供應來形成。
[0093]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)測系統(tǒng)部件的狀態(tài)。在這點上，控制器存儲器上能夠存儲用以執(zhí)行如上所述的排出、凈化和隔離規(guī)程(protocols)的指令。
[0094]圖16是示出具有排出、凈化和隔離設備的地層壓裂系統(tǒng)的另一實施方式的另一示意圖。天然氣混合壓裂系統(tǒng)包括至少LNG儲罐設施L1、L2、LNG/LN2歧管拖車2、LNG/LN2泵組件3、液態(tài)壓裂系統(tǒng)4、聯(lián)接至井(6)的天然氣漿料流混合器5、以及氣體系統(tǒng)點燃器(SFl)0井口點燃器(SF2)可以任選地添加至來自井(6)中的排放氣體。盡管在此實施方式中，液化氮氣(LN2)用作凈化和冷卻流體，其他實施方式可以酌情包括其他適當?shù)亩栊曰虻蜏貧怏w。
[0095]上述部件都通過多個管道(Gl至G8，NI至N5)、點燃管線(F2至F4)和閥(VI至V50)互連，多個管道(Gl至G8，NI至N5)、點燃管線(F2至F4)和閥(VI至V50)允許遍布系統(tǒng)的LNG和LN2的受控制的行進，以在壓裂處理之前、期間或之后高效地且有效地按需隔離、排出、凈化、冷卻、加壓和/或測試系統(tǒng)。離心泵(P1、P2、P3)按需提供用于給定操作的系統(tǒng)內(nèi)的LNG和/或LN2的流。
[0096]每個LNG儲罐設施(L1、L2)均包括LNG儲罐(Tl、T2)、手控閥(V3、V4)、以及允許LNG流出通過管道(G7、G8)至LNG/LN2歧管拖車(2)的閥(V13、V14)。閥(V18、V19)允許LN2或來自管道(N2)的任何其他適當?shù)亩栊缘蜏貧怏w凈化每個儲罐設施(L1、L2)和聯(lián)接的天然氣管道(G7、G8)。LNG儲罐設施(L1、L2)還能夠具有聯(lián)接至點燃管線(F2)的入口閥以捕獲殘余LNG的任何流入，以在LNG罐(T1、T2)內(nèi)維持壓力，并且防止可燃LNG不必要地排至大氣。
[0097]LNG/LN2歧管拖車(2)處理和協(xié)調遍布天然氣混合壓裂系統(tǒng)的LNG和LN2的流動，并且包括液化氮源(T4)、進入歧管(9)和排出歧管(10)。進入歧管(9)包括多個閥(V24至V28 )。進入歧管閥(V24至V28 )的每個輸入部均聯(lián)接至管道(G7至G8 )，以接收來自每個儲罐設施(L1、L2，用于聯(lián)接至V26至V28的其他罐未示出)的LNG或LN2的單個流。進入歧管閥(V24至V28)的輸出部都連接至管道Gl以為排放歧管(10)提供收集的LNG和LN2的流動輸入。管道Gl還通過閥(V51)聯(lián)接至點燃管線(F2)用以排放任何殘余氣體至系統(tǒng)點燃器SF1。排放歧管(10)包括多個閥(V38至V40)。排放歧管閥(V37至V40)的輸入部都聯(lián)接至管道(G2)以接收來自管道(Gl)的LNG或來自管道(N6)的流入。從排放歧管閥(V37至V40)的每個輸出部均聯(lián)接至單個的LNG/LN2泵組件(3)(其他聯(lián)接至閥V38至V40的泵組件未示出)。
[0098]LNG/LN2泵組件(3 )提供了 LNG/LN2的加壓和加熱流至天然氣漿料混合器(5 )。LNG/LN2泵組件(3 )包括用LNG或LN2供給三缸泵P4的加料泵(P3 )。隨后，三缸泵(P4 )將來自管道(G6 )的LNG或LN2和/或來自管道(N4 )的LN2加壓至目標壓力。隨后，熱交換器(EX5、EX6)操作成在來自三缸泵(P4)的排出到達天然氣漿料流混合器(5)之前將其加熱至目標溫度。
[0099]現(xiàn)在將對具有上述構型的隔離、排放、凈化、冷卻、壓力測試、0003操作測試和排放操作中的每個進行詳細的描述。
[0100]隔離:在意外的天然氣泄漏或部件故障的情形下，系統(tǒng)構造成隔離、排放和凈化所受影響的區(qū)域。LNG儲罐閥(V13、V14)被關閉以防止另外的LNG流進入系統(tǒng)。隨后，任何管道(Gl至G8、NI至N5)或部件可以通過關閉給定管道的鄰近閥來特別地隔離。例如，管道(G7、G8)中的潛在泄漏可以通過關閉閥(V13、V14)和閥(V24至V28)來隔離。泵組件(3)能夠通過關閉閥(V42、V43、V44)來隔離，并且輸出管道(G3 )通過附加地關閉閥(V45、V47 )來隔離。這種構型允許按需對系統(tǒng)內(nèi)的任何管道或部件進行精確的系統(tǒng)隔離。在極端情況下，可以通過關閉系統(tǒng)中的所有閥來完全隔離所有管道和部件。因此，閥、管道和部件的互連協(xié)作以提供可以隔離、排放并凈化任何受影響的區(qū)域的安全的低體積釋放系統(tǒng)。
[0101]排放:排放優(yōu)選在隔離時執(zhí)行以安全地將殘余氣體引至系統(tǒng)點燃器(SF1)。閥操作能夠系統(tǒng)地協(xié)調以便將特定的隔離區(qū)域通過點燃管線(F2、F3、F4)排放至系統(tǒng)點燃器(SFl)0基本上，通過打開和關閉特定閥來形成流動路徑以朝向點燃管線(F2、F3、F4)中的一個引導某些隔離區(qū)域中的氣體。例如，管道(Gl)中的殘余氣體能夠通過關閉閥(V24至V28)和(V34)以及打開閥(V51)來排放通過點燃管線(F2)。管道(G2)能夠通過關閉閥(V34、V37-V40、V49)以及打開閥(V41)來排放通過點燃管線(F3)。管道(G3，G4)能夠通過關閉閥(V44，V47)以及打開閥(45)而排放。因此，此構型允許任何管道或系統(tǒng)部件中的殘余氣體的安全、有效和高效的排放。
[0102]在某些實施方式中，能夠通過操作熱交換器(EX5、EX6)來輔助排放，以協(xié)助膨脹和蒸發(fā)任何殘余流體通過管道(G6和F4)至系統(tǒng)點燃器SFl。
[0103]凈化:凈化能夠在隔離和排放后執(zhí)行以移除系統(tǒng)中的任何殘余的氧氣或污染物。盡管液化氮氣(LN2)在本實施方式中用作凈化流體，但是其他實施方式能夠包括任何適當?shù)钠渌栊詺怏w，比如氦、氖、氬、氪和二氧化碳或這些氣體的混合物。特定管道或部件的凈化能夠通過從液化氮源(T4)朝向通過目標管道或部件、隨后至通向系統(tǒng)點燃器(SFl)的點燃管線(F2、F3、F4)中的一個引導LN2流來實現(xiàn)。例如，LNG儲罐設施出口(L1、L2)通過LN2流流經(jīng)管道(N1、N2和N3)以及閥(V23)來凈化，其中離心泵(Pl)協(xié)助提供所需的流。還能夠通過打開適當?shù)娜肟谄绻荛y(V24、V25)和點燃閥(V51)來任選地排放LNG儲罐設施出口或管道(G7、G8)中的殘余氣體。氮流從N3引至管道(G7、G8)并經(jīng)由閥(V24、V25)進入入口歧管(9)，并且任選地通過閥(V51)排放至排放管道(F2)，或繼續(xù)流動通過閥(V34)、通過管道(GI)、通過管道(G2 )、通過閥(V41)隨后排放通過排放管道(F3 )。
[0104]管道(G2)通過來自管道(N6)或經(jīng)由管道(G1)、閥(V34)和離心泵(P2)的LN2流來凈化，并且經(jīng)由閥(V41)排放至點燃管線(F3)。這樣，LN2或其他惰性氣體流能夠排至特定的目標區(qū)域或部件，并且隨后安全地排至系統(tǒng)點燃器(SF1)。替代性地，整個系統(tǒng)的同時凈化還能夠通過適當?shù)拈y控制來執(zhí)行。
[0105]冷卻:執(zhí)行冷卻以使系統(tǒng)在處理低溫LNG的準備過程中降至操作溫度。如上所述，所使用的LNG具有大約-162°C (- 260° F)的工作溫度。使用LN2或另一惰性低溫流體來冷卻該系統(tǒng)排除了使用可能產(chǎn)生不必要的安全問題的可燃LNG。LN2通過液化氮源(T4)通過閥(V32)和管道(NI)來提供。離心泵(P1、P2、P3)能夠任選地操作成協(xié)助LN2在整個系統(tǒng)中移動。LNG儲罐出口閥(V13、V14)被關閉以防止LNG的任何流出。以與用于凈化的如上所述的相同方式中，通過選定使用閥而朝向目標管道或部件引導來自液化氮源(T4)的LN2流，系統(tǒng)能夠以特定的管道或部件作為冷卻的目標。
[0106]替代性地，整個系統(tǒng)可以通過適當?shù)拈y控制同時冷卻。冷卻和凈化可以同時出現(xiàn)在相同的過程步驟中，其中任何剩余的流體任選地排至點燃管線(F2、F3、F4)中的一個并且排至系統(tǒng)點燃器(SF1)。例如，LNG/LN2泵組件(3)通過打開閥(V43)冷卻以接收來自管道(G6)、通過加料泵(P3)和三缸泵(P4)的LN2流。LN2循環(huán)回路還遍布系統(tǒng)設置以實現(xiàn)或維持冷卻。一旦系統(tǒng)冷卻后，則維持LN2循環(huán)以防止加熱和可能的蒸發(fā)。1-2罐(了4)上的閥(V32)的右側的周圍加熱器和閥系統(tǒng)用于維持LN2罐(了4)中的壓力。使用上述示例，在閥(V44)關閉的情況下，循環(huán)回路通過經(jīng)由管道(N4、N5)和閥(V42、V30、V31)返回液化氮源(T4)的流入LN2形成。此回路是用于使來自罐的LN2通過管道(N3)和完全低溫系統(tǒng)至泵并且隨后返回罐的冷卻回路。LN2的循環(huán)因此能夠以此方式繼續(xù)，直到管道、組件和部件填充有氮并且冷卻至可接受的LNG處理溫度。在一個應用中，在系統(tǒng)中維持LN2，操作測試在壓裂處理開始時維持較短的時間，隨后LNG用排至井中的氮施加進入壓裂地層的非常小的部分中。
[0107]壓力測試:執(zhí)行壓力測試以在LNG操作之前確定系統(tǒng)中的任何潛在的泄漏或故障。能夠針對特定的管道或部件、或針對整個系統(tǒng)按需執(zhí)行壓力測試。目標區(qū)域填充有LN2,隨后被隔離，并且隨后針對可能指示泄漏的任何壓力下降進行監(jiān)測。替代性地，整個系統(tǒng)可以通過關閉閥(V45、V47)以及操作泵(P1、P2、P3)以將LN2加壓和供給至三缸泵P4來進行壓力測試。在完成時，能夠執(zhí)行適當?shù)呐欧胚^程以減小LN2S力并且繼續(xù)進行下一操作。由于系統(tǒng)必須為LN2(-186°C )或LNG(-162°C )被冷卻，壓力測試將通常遵循冷卻。
[0108]排放:完成井壓裂處理后，系統(tǒng)中的LNG能夠用LN2替換以移除并充分地凈化任何LNG或天然氣的系統(tǒng)。LN2還能夠泵送至井孔以排放任何可燃的天然氣從而使井孔處于安全條件下。替代性地，能夠在壓裂處理期間使用LN2以凈化系統(tǒng)的一部分，隨后將LN2泵送至井孔中以與井孔中的天然氣一起協(xié)助壓裂操作。
[0109]LN2排放能夠緊隨如上所述的用于LN2凈化的過程。替代性地，以下可能影響系統(tǒng)排放:首先關閉LNG儲罐設施閥(V13、V14)以防止任何另外的LNG流出，并且將LN2通過管道(G7、G8)而抽入系統(tǒng)中、隨后通過進入歧管(9)、隨后通過排出歧管(10)、隨后通過LNG/LN2泵組件(3)、隨后至天然氣漿料流混合器(5)，最后到達井(6)中。在排放期間或排放之后，來自壓裂過程的殘余天然氣可被回收或任選地通過點燃管線(F2、F3、F4)排出。完整的系統(tǒng)用來自LNG儲罐(Tl)、(T2)直至井口(6)的天然氣以此方式凈化。能夠關閉井孔閥(V50)以將系統(tǒng)與井孔(6)和其他設備隔離，其他設備用于準備接下來的壓裂處理或用于拆卸以便移動至用于在其他井孔上處理的不同地點。諸如重新填充LNG罐、完成設備檢查和維修、或者井孔準備之類的操作可以在此期間進行。
[0110]操作的方法
[0111]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。
[0112]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(1, 000，OOOgal)的級。施加任何合理量的天然氣至壓裂處理能夠在4小時至6小時泵送期間消耗從50，OOOsm3 (1.5MMscf)至至300，0003 (1OMMscf )的任何量的氣體。為滿足體積和速率要求，天然氣被存儲以為大多數(shù)應用進行泵送。天然氣的存儲能夠通過將其保持在壓力容器中或通過液化以便存儲在低溫容器中來完成。天然氣在壓力容器中的高效存儲在每個單元中保持大約10，OOOsm3 (0.4MMscf)的通常小于30MPa (4，400psi)的最高可能壓力下實現(xiàn)。甚至在最大壓力下的這些量的有效存儲將需要具有在升高的存儲壓力下的罐與泵送設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)場存儲在允許高效地存儲相當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LNG存儲容器中，存儲有36，OOOsm3 (1.2MMscf)的當量。相比超過30個加壓天然氣罐，大的處理將需要大約10個LNG儲罐。LNG的使用排除了在氣相存儲中存在的問題；多個高壓容器和將天然氣從壓力容器引出所需要的管導致非常復雜和潛在危險的系統(tǒng)。[0113]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。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備尺寸和數(shù)量顯著下降。低溫天然氣液體通過單個泵直接加壓至壓裂壓力，并且隨后簡單地加熱至應用溫度。對于壓力下的上端壓裂氣體速率，LNG以大約2m3/min(500gal/min)的液體通過每個速率均達到160sm3/min的8個單元產(chǎn)生超過1，500, 000sm3/day (60MMscf/day)的氣體速率。該較小和較簡單的設備構型顯著地降低了操作的復雜性，移除了可能與壓縮氣體技術一起出現(xiàn)的成本和危險。
[0114]在步驟82中，天然氣流結合基礎流體流。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的流而不干擾通常的壓裂操作，完成任務而不改變井，并且是完成天然氣和液體漿料流的混合的簡單和有效的方式。這將導致用于混合這些成分的簡單、有效和可靠的方法。
[0115]替代性地，基礎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合。天然氣向下注入井孔內(nèi)的一個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處結合。在這些情形下，在這兩股流會合的位置設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型。
[0116]在一個實施方式中，步驟80包括提供存儲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用溫度，步驟82包括通過混合器(18)結合天然氣和基礎流體，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。
[0117]
[0118]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利要求的范圍。
[0119]示例 I
[0120]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卡車上的構型的實施方式的示意圖。移動卡車輸送用于形成和加壓基于液體的壓裂漿料的設備；壓裂攪拌器
(14)、化學制劑源(22)、高壓泵(16)進一步輸送用于存儲、加壓和加熱液化天然氣的設備；LNG儲罐(215)和LNG壓裂泵(229)和輔助設備；惰性凈化源(45)和控制器(58)。
[0121]任何一個單元上的配置和裝置都能夠改變或設備可能按需進行暫時或永久地安裝。該實施方式中顯示了連接到多個LNG壓裂泵(229)的多個LNG儲罐(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)的預處理壓力測試通過壓裂流體(13)或其他適當?shù)囊后w按需完成。液體供給(13)、支撐劑添加(12)、化學制劑添加(22)、支撐劑攪拌(14)和液體漿料加壓(16)用示出的設備部件完成并且傳輸至液體漿料管道處理管線(42)。LNG儲罐連接到管道(62)，以允許通過點燃管線(20a)排至點燃器(20)，直到在將閥(V18)關閉時開始處理。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、預處理凈化和壓力測試的LNG壓裂泵、泵送和加熱設備(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)，以允許在必要時與高壓系統(tǒng)的氣態(tài)氮一起排出或凈化。
[0122]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)引導至分離器(60)和點燃器(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)、點燃管道(20a )釋放至點燃器(20 )。在每個LNG壓裂泵(229 )中形成冷卻時，點燃閥(V8 )被關閉并且氮由LNG壓裂單元泵送和加熱以實現(xiàn)具有氮的系統(tǒng)的高壓壓力測試。在此全部過程中，基礎流體供給系統(tǒng)通過關閉的閥(V5)隔離。在完成天然氣泵送系統(tǒng)的壓力測試時，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，以準備開始壓裂處理。從LNG壓裂泵的排出物通過處理管線管道(24)引至點燃管線(20a)，直到在點燃器處觀察到天然氣。閥(V8)隨后關閉，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)。
[0123]示例 2
[0124]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的相關裝置和構型。
[0125]表1:天然氣壓裂
【權利要求】
1.一種對使用包括天然氣的壓裂流體的地層壓裂系統(tǒng)進行操作的方法，所述方法包括: (a)提供地層壓裂系統(tǒng)，所述地層壓裂系統(tǒng)包括天然氣供給裝置，所述天然氣供給裝置包括天然氣源、泵組件以及流體供給管道，所述泵組件用于對來自所述天然氣源的天然氣進行加壓，所述流體供給管道用于將來自所述天然氣源的天然氣輸送至所述泵組件并輸送至與待壓裂的地下地層連通的井的井口； (b)通過提供來自所述天然氣源的天然氣并且使用所述泵組件將所述天然氣加壓至所述地層的壓裂壓力而形成壓裂流體； (c)將所述壓裂流體注入通過所述井口并注入到所述地層中，直到所述地層被壓裂；以及 (d)在將所述壓裂流體注入通過所述井口之前或之后，將惰性流體注入通過所述地層壓裂系統(tǒng)的至少一部分，直到所述地層壓裂系統(tǒng)的所述至少一部分被凈化至非可燃狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述惰性流體是在將所述壓裂流體注入到所述井口中之前以及之后被注入的。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述方法還包括: 在將所述惰性流體注入通過所述地層壓裂系統(tǒng)的所述至少一部分之后，將所注入的惰性流體引導至所述井中。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中，所述方法還包括: 將所注入的惰性流體引導至所述井中，直到所述惰性流體有助于壓裂所述地層。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述方法還包括: 在將所述惰性流體注入通過所述地層壓裂系統(tǒng)的至少一部分之后，排放所注入的惰性流體。
6.根據(jù)權利要求4所述的方法，還包括:在將所注入的惰性流體引導至所述井中之后，將天然氣注入通過所述系統(tǒng)，使得所述系統(tǒng)中的惰性流體被轉移至所述井中。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述天然氣源是液化天然氣，所述天然氣供給裝置包括用于將所述液化天然氣加熱至應用溫度的加熱器，并且所述方法還包括: 在將所述壓裂流體注入到所述地層壓裂系統(tǒng)的至少一部分中之前注入低溫惰性流體，以在注入天然氣之前預冷卻所述地層壓裂系統(tǒng)的所述至少一部分。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，所述低溫惰性流體是液化氮。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述地層壓裂系統(tǒng)還包括聯(lián)接至所述流體供給管道的閥，并且所述方法還包括: 關閉所述閥中的至少一些以流體地隔離所述地層壓裂系統(tǒng)的至少一部分，隨后將所述惰性流體注入到所述系統(tǒng)的被隔離部分中并且對所述系統(tǒng)的被隔離部分進行壓力測試。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述地層壓裂系統(tǒng)還包括聯(lián)接至所述流體供給管道以及排放管道的閥，所述排放管道流體地聯(lián)接至所述天然氣供給裝置的至少一部分，并且所述方法還包括: 在將天然氣注入到所述井口中之后:關閉所述閥中的至少一些以將所述天然氣供給裝置的至少一部分與所述地層壓裂系統(tǒng)的其余部分隔離，打開所述閥中的至少一些以將天然氣從所述天然氣供給裝置的被隔離部分排出并經(jīng)由所述排放管道排出所述系統(tǒng)，隨后將所述惰性流體注入至所述天然氣供給裝置的被隔離部分中以便對所述天然氣供給裝置的被隔尚部分進行凈化。
11.根據(jù)權利要求1至10中的任一項所述的方法，其中，所述系統(tǒng)還包括:基礎流體供給裝置以及混合器，所述混合器流體地聯(lián)接至所述基礎流體供給裝置和天然氣供給裝置并且流體地聯(lián)接至井口，并且所述方法還包括: 在所述混合器中形成包括所述天然氣和來自所述基礎流體供給裝置的基礎流體的壓裂流體混合物，隨后將所述壓裂流體混合物注入到所述井口中直到所述地層被壓裂。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中，所述方法還包括: 在將天然氣注入到所述井口中之前，將所述惰性流體注入通過所述天然氣供給裝置和所述混合器，直到所述天然氣供給裝置和所述混合器被凈化至非可燃狀態(tài)。
13.根據(jù)權利要求10和11所述的方法，其中，所述排放管道還聯(lián)接至所述基礎流體供給裝置的至少一部分和所述混合器，并且所述方法還包括: 在將天然氣注入到所述井口中之后:隔離所述基礎流體供給裝置的至少一部分或所述混合器、或所述基礎流體供給裝置的至少一部分和所述混合器二者，隨后將所述惰性流體注入通過其中并且經(jīng)由所述排放管道排出所述系統(tǒng)。
14.根據(jù)權利要求1至13中的任一項所述的方法，其中，所述惰性流體選自氮、氦、氖、氬、氪和二氧化碳或這些氣體的混合物。
15.一種用于壓裂井下地層的系統(tǒng)，包括: (a)天然氣供給裝置，所述天然氣供給裝置包括天然氣源、泵組件、以及天然氣流體供給管道，所述泵組件用于將來自所述天然氣源的天然氣加壓至井下地層的壓裂壓力，所述天然氣流體供給管道用于將所述天然氣源流體地聯(lián)接至所述泵組件并聯(lián)接至與所述井下地層連通的井的井口； (b)惰性流體供給裝置，所述惰性流體供給裝置包括惰性流體源以及惰性流體供給管道，所述惰性流體供給管道將所述惰性流體源流體地聯(lián)接至所述天然氣供給裝置的至少一部分； (C)排放管道，所述排放管道流體地聯(lián)接至所述天然氣供給裝置的至少一部分，使得天然氣和惰性流體能夠從所述系統(tǒng)排出；以及 (d)閥，所述閥聯(lián)接至至少所述天然氣流體供給管道和惰性流體供給管道，所述閥能夠選擇性地打開和關閉以將所述天然氣注入通過所述井口直到地層被壓裂、以及將所述惰性流體注入通過所述天然氣供給裝置的至少一部分，以便在將所述天然氣注入到所述井口中之前或之后對所述天然氣供給裝置的至少一部分進行凈化。
16.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述惰性流體供給裝置還包括泵，所述泵用于使所述惰性流體移動通過所述天然氣供給裝置的所述至少一部分以及從所述天然氣供給裝置的所述至少一部分移出。
17.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述惰性流體供給裝置還包括氮源或二氧化碳源。
18.根據(jù)權利要求15所述的系統(tǒng)，還包括基礎流體供給裝置以及混合器，所述混合器流體地聯(lián)接至所述基礎流體供給裝置、天然氣供給裝置并且流體地聯(lián)接至所述井口。
19.根據(jù)權利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述基礎流體供給裝置包括基礎流體源、基礎流體泵、以及基礎流體供給管道，所述基礎流體供給管道用于將所述基礎流體源流體地聯(lián)接至所述基礎流體泵以及流體地聯(lián)接至所述混合器。
20.根據(jù)權利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述基礎流體供給裝置還包括支撐劑供給裝置以及攪拌器，所述攪拌器流體地聯(lián)接至所述支撐劑供給裝置、所述基礎流體源和所述基礎流體泵。
21.根據(jù)權利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述基礎流體供給裝置還包括化學制劑源以及攪拌器，所述攪拌器流體地聯(lián)接至所述化學制劑源、所述基礎流體源和所述基礎流體泵。
22.根據(jù)權利要求19所述的系統(tǒng)，其中，所述基礎流體供給裝置還包括化學制劑源、支撐劑供給裝置以及攪拌器，所述攪拌器流體地聯(lián)接至所述支撐劑供給裝置、所述化學制劑源、所述基礎流體源和所述基礎流體泵。
23.根據(jù)權利要求21或22所述的系統(tǒng)，其中，所述化學制劑源是增粘劑源。
24.根據(jù)權利要求14至23中的任一項所述的系統(tǒng)，還包括聯(lián)接至所述排放管道的系統(tǒng)點燃器。`
【文檔編號】E21B43/26GK103443397SQ201180069383
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2011年10月3日 優(yōu)先權日:2011年1月17日
【發(fā)明者】格朗特·W·內(nèi)維森 申請人:恩弗拉卡公司