专利名称：用于压裂作业的将聚丙烯酰胺粉末快速分散的设备的制作方法
用于压裂作业的将聚丙烯酰胺粉末快速分散的设备从粘土质页岩贮储集层(片岩)生产天然气是一种多年来一直在发展的方法，并且要求将这些储集层进行压裂以确保有成本效益的天然气生产。在这个区域中的储集层是巨大的并且以前在极大的面积上是不可采出的，如煤层、细沙、或者片岩。在美国，这些非常规的资源从1998年美国所生产的总天然气的28%增长到了 46%。主要的大的盆地已知为巴涅特页岩(Barnett Shale)、费耶特威乐页岩(Fayette Ville Shale)、莫伍瑞页岩(Mowry Shale)、马塞勒斯页岩(Marcellus Shale)等
坐寸ο 这些生产技术经常从竖直井发展到水平井，从而减少了生产井的数量。然而，在所有的情况下，渗透性不足以自然地生产大量的气体，从而使得这些作业变得划算。因此这种渗透性和生产区域需要通过增产作业并且具体地是压裂的方式来提高。水力压裂
水力压裂被设计用来产生一个附加水平的渗透性以及一个增加的气体产生表面区域。的确，致密层的低渗透性、天然屏障以及由于钻探作业的不渗透性大大限制了生产。这些压裂操作于1960年于阿巴拉契亚山中开始进行，并且今天在美国已经进行了超过一百万个的作业。工程、设计以及实施技术已经变得日益尖端并且要求设备能够在更短的时间内进行这些作业，同时详细分析结果。特定的模拟设备能够预测非常准确的结果。压裂作业
这些作业涉及以非常高的流动速率注入高压水以便在这些生产井内产生裂缝。当这些裂缝被打开时，注入具有一个特定尺寸的砂子或珠粒以便防止这些裂缝关闭并且以便保持这样产生的生产表面面积。该注入水通常包含多种大量的添加剂，每一种都具有一个限定的功能。总体上说，该注入的组合物包括
粘土膨胀抑制剂，如，氯化钾
抗微生物剂，用于防止细菌的生长，特别是硫酸盐还原细菌(ulphate-reducingbacteria)的生长，并且能够形成使这些注入区域减小的粘性物质。醛类是最常见地使用的抗微生物剂，如戊二醛、丙烯醛，等等…
氧清除剂，如亚硫酸氢铵，以防止其他组分由于氧化的破坏和注入生产线的腐蚀， 腐蚀抑制剂，以防止生产线被残余量的氧所氧化。优选的是给予N，N 二甲基甲酰胺， 润滑剂，如，石油馏出物 胶凝剂，如瓜尔胶以及羟乙基纤维素，
铁螯合剂，如柠檬酸、EDTA、膦酸酯，
结垢控制产品，如磷酸盐、膦酸盐、或者乙二醇，
摩阻擦减低剂，以减小紊流介质中的压降并且显著增加对于同一功率和管直径的流动速率。
酸处理经常在注入之前或者之中进行，以便处理胶结的残余物或者在适当的位置将部分岩石溶解以便提供进入该矿田的更好的入口。所注入的砂子具有一个特定的尺寸，通常在40与100目之间。
摩阻擦减低剂
尽管先前的说明探知了某些添加剂似乎加强了高速流动，但是B. A汤姆斯(Toms)于1946年发现了湍流内阻力减低(摩擦减低)的现象(“汤姆斯效应”)。这些产品因此被用于减少生产线上的压降。当该介质是由烃类制成的时候，使用了油溶性的聚合物，特别是聚甲基丙烯酸甲酯或者碳水化合物聚合物。 当该介质是水的时，可以使用非常大的分子量的聚合物，如，聚丙烯酰胺以及环氧乙烷聚合物。出于成本以及采购来源的原因总体上优选的是聚给予丙烯酰胺。聚丙烯酰胺
最初针对絮凝应用(水处理、矿物处理、造纸厂，等等)而开发的聚丙烯酰胺正逐渐被用于其他应用中，并且尤其是应用于它们对基于水的系统的增稠作用是所希望的地方。这种发展对于提高的原油开采、化妆品以及用于织物印染的增稠剂等等是特别有意义的。在下文的说明中以及随后的权利要求书中，聚丙烯酰胺的通用术语覆盖了丙烯酰胺均聚物以及包含了诸如以下的丙烯酰胺和其他单体的共聚物
酸，如(甲基)丙烯酸，AMPS (2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸)等等 阳离子单体，诸如三甲基乙基甲基丙烯酸酯的铵盐、二烯丙基二甲基氯化铵，等等 这些聚合物可以通过以下方式进行改性
使用足够低的以保持其溶解度的量值的支化剂进行支化，
给出缔合聚合物的疏水单体，
带阴离子和阳离子电荷的单体(两性离子单体)，
阴离子的和阳离子的单体(两性的)的缔合作用，等，
给出的梳形聚合物的单体。本领域的普通技术人员会充分地认识到这些组的产品在众多申请中被描述。为了减小摩擦，所使用的聚合物必须具有最高的分子量，可能的话同时保持非常良好的溶解度。选择的聚合物是一种分子量接近2千万的丙烯酰胺钠丙烯酸酯共聚物(70% 30%摩尔比)。为了便于处理它们，使用这些具有在20%与50%之间的活性物质浓度的聚合物的反相乳液(W/0)。这些乳液储存约6个月是稳定的，并且在搅拌下非常快速地溶解在水中(几分钟)。它们允许在高压泵之前在线上注入该压裂水中并且实际上立即地且在注入线上在几分钟之内完全溶解。所注入的聚合物的量值可以是在250与2，000 ppm之间的活性物质，并且压裂时间是几个注入阶段(2到20个)在2与15小时之间。现在乳液的使用遍及了美国-加拿大-墨西哥的整个范围并且根据有待开采的新的存储正扩展到其他国家。
粉末聚丙烯酰胺
就用于这个作业的水和所产生的水两个方面而言，环境压力已经日益变大。一直有的要求是仅消耗来自矿田的水并且对所产生的水进行处理，所产生的水组成了所注入的水的60%到80%。粉末聚合物的使用避免了在所产生的水中注入有待进行处理的烃类和表面活性剂。然后有待解决的问题是如何在短的时间段内来溶解大量的聚合物，即，在4到10小时内使用快速启动(10到30分钟)来溶 解O. 5至5公吨的聚合物。使用标准的具有分散作用的分散设备，具有一个在气压运输系统周围的排出器、润湿铲或者喷雾器，其母液的浓度达到最大5 g/升。此外，不可能来设计多个要求用于不连续分散的作业，它们往往涉及了有待储存的几百个Hi3的体积，其中操作时间为3到4小时。因此必要的是发现允许以非常高的浓度来非常快速地在线地分散大量的聚合物同时尽可能多得减少设备的尺寸的方法，这个设备必须是可运输的，即，足够小以便装在一个卡车的平台上。为此，申请人已经设计了一种紧凑的并且可运输的装备，这种装备启动快速并且是独立式的，从而允许以高的浓度在非常短的时间内溶解大量的的聚丙烯酰胺粉末，并且被设计为用于气田或者油田上的压裂作业中，其中该装备顺序地包括
一个聚合物储存区，
一个竖直的聚合物传送料斗，
一个用于进料的供料溢流管，
一个通过上述管进料的聚合物配剂量系统，
一个聚合物分散装置，该聚合物分散装置包括
连接到一个初级进水回路上的一个聚合物润湿锥形件 在该锥形件的下端
一种分散的聚合物切片和排放腔室，该腔室包括
由一个发动机驱动且装备有多个叶片的转子，
由均匀间隔的板组成的一个固定的定子，
该腔室的整个外围或者部分外围上是一个环，该环由一个二次水回路供应，该环与该腔室连通这样确保加压的水的喷洒在该定子的板上，由此允许在所述这些板的表面上释放被切片的并且溶胀的聚合物，
一个用于储存并且对溶液中的聚合物进行脱气的罐，
一个容积泵，该容积泵用于注入聚合物的溶液并且对其进行配剂量，该聚合物的溶液是在能够进行该压裂工作的高压泵抽吸时获得的。这样一个装备是足够紧凑的以便安装在卡车平台上的一个容器中。明显地，有待溶解的聚合物的量值将会根据有待压裂的井的容量而改变。充足的粉末被储存在该平台的后方。实际上，这对于低容量而言是25 kg的袋子而对于更高容量而言是750 kg的袋子。当该粉末被储存在750 kg的袋子中时，该装备在这种情况下装备有一个袋提升系统以及一个料斗以及一个额外的水平传送螺杆，使该竖直的料斗行进并且向其中倾倒这些袋子中的内含物。根据本发明，该配剂量系统是一个螺杆进料器，该螺杆进料器根据所使用的设备允许的流量实际为100或者300 kg/h。为了将该聚合物从料斗输送到该配剂量装置中，根据所使用的设备将该装备配备一个直径为100到200 mm的溢流管。通过引用结合已经由本申请人在WO 2008/107492文件中说明的类似于在本发明中使用的一个分散装置，来提高的原油开采(EOR)或者絮凝应用。本申请人发现了通过极少的改变连同上述信息，这种所谓的PSU (聚合物切片单元)的装置可以与压裂相适配。 因此实际上有可能使用不同粒径的用于压裂作业的粉末聚丙烯酰胺。该聚丙烯酰胺具有至少1000万、优选多于1500万的分子量。可以用于本发明的这些PSU的规格被概述在以下表格中
权利要求
1.一种紧凑的并且可运输的装备，这种装备启动快速并且是独立式的，从而允许以高的浓度在非常短的时间内溶解大量的聚丙烯酰胺粉末，并且被设计为用于气田或者油田上的压裂作业中，其中该装备顺序地包括 一个聚合物储存区，一个竖直的聚合物传送料斗，一个用于进料的供料溢流管，一个由上述管进行进料的聚合物配剂量系统，一个PSU型的聚合物分散装置，一个用于储存并且对溶液中的聚合物进行脱气的罐，一个容积泵，该容积泵用于注入聚合物的溶液并且对其进行配剂量，该聚合物的溶液是在使能够进行该压裂工作的高压泵的抽吸时获得的。
2.根据权利要求I所述的装备，其特征在于，该聚合物配料装置是一种螺杆配料器，其流速为100 kg/ho
3.根据权利要求I所述的装备，其特征在于，该聚合物配料装置是一种螺杆配料器，其流速为300 kg/h。
4.一种实施权利要求I到3中的任意一项所述的装备的方法，通过注入压裂水/聚丙烯酰胺在溶液中的一种混合物的水压气井或油井的压裂方法实施了所述的装备。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该聚丙烯酰胺的分子量为至少1000万，优选大于1500万。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在小于10分钟内以至少10g/Ι的浓度以100 kg/h的聚丙烯酰胺流速来完成该聚合物的分散。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在小于10分钟内以至少10g/Ι的浓度以300 kg/h的聚丙烯酰胺流速来完成该聚合物的分散。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，该聚合物的储存时间是在10与20分钟之间、优选为大约15分钟。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，处于溶液混合物中的压裂水/聚丙烯酰胺的注入是在50与600巴之间、优选是400巴的压力下进行的。
全文摘要
在此披露了紧凑的并且可运输的装备，这种装备启动快速并且是独立式的，从而允许以高的浓度在非常短的时间内溶解大量的聚丙烯酰胺粉末，并且被设计为用于气田或者油田上的压裂作业中，其中该装备顺序地包括一个聚合物储存区，一个竖直的聚合物传送料斗，一个供应进料的溢流管，一个通过上述的管进行进料的聚合物配剂量系统，一个PSU型聚合物分散装置，一个用于对溶液中的聚合物进行存储并且脱气的罐，一个容积泵，该溶剂泵用于注入聚合物的溶液并且对其进行配剂量，该聚合物的溶液是在能够进行该压裂工作的高压泵抽吸时获得的。
文档编号C08J3/05GK102713131SQ200980161957
公开日2012年10月3日 申请日期2009年10月23日 优先权日2009年10月19日
发明者彼得·尼克尔斯 申请人:S.P.C.M.股份有限公司