裂隙水处理方法和系统的制作方法
【专利摘要】提供了一种用于从来自压裂的烃井提取的泥浆形成某特定粒度的支撑剂的方法，包括以下步骤：将水与泥浆分离，得到固体流和液体流；搅拌具有颗粒的泥浆流，得到供给材料；将供给材料中的支撑剂材料熔化；急冷被熔化的支撑剂材料；破碎被熔化的支撑剂材料；将被破碎的材料粒度分选为某特定粒度；和将不具有该特定粒度的被破碎的材料与供给材料混合。还描述了一种用于执行所述方法的系统。
【专利说明】裂隙水处理方法和系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于处理回流和采出水以及用于液压地引起在烃井(例如，深油页岩矿床)中形成通道或裂隙或裂缝的其他成分的设备和处理步骤。
【背景技术】
[0002]几个世纪以来，人们已经尝试不同方法来利用和使用自然烃化合物的固有性质来提升他的生活方式并且应付许多已有挑战。伊拉克的Kirkuk的“燃烧的沙漠(BurningSands) ”为库尔德部落提供热量持续了两千多年，所述热量来自甲烷气体，该甲烷气体从深地层向上渗漏至地球表面，不料被点燃且持续燃烧至今。同样在宾夕法尼亚和加利福尼亚的原油表面渗漏被美国印第安人用于对他们在北美的航道上行进所使用的木舟进行防水。这些仅是人类利用天然气和原油来改善他们的生活方式的两个早期示例。
[0003]在十九世纪晚期，德雷克(Drake)在宾夕法尼亚的浅层原油井的成功钻出标志了人类最伟大的经济增长时期的开始，该经济增长在很大程度上由在天然气态和液态烃化合物的勘探、开采、精炼中获得的快速进展驱动。它们如今用于运输燃料、发电、润滑剂、石油化学产品、和我们今天在我们的日常生活中使用的大量其他产品和应用。我们现在所谓的“石油行业”的诞生和发展是促成世界经济的建立和显著成长的主要因素和可能驱动力之一。该经济发展时期被称为“工业革命”。
[0004]在该时期期间，许多新的油田在世界的许多地方被发现，且对原油和石油产品的需求的增长以显著的速度增加，这是由于直至进入二十一世纪持续被发现的石油衍生产品的许多新用途。在该时期期间，石油行业找到了许多新油田或大型矿床或储层，它们通常具有液态和气态化合物的不同烃混合物(在遍及世界的多个水域中的近海或陆地两者上)。同时，该行业还发现了大量的重质和轻质烃混合物的存在，它们在结构上是非常规的，且因此陷入复合材料基质中，以至于包含在其中的烃分子化合物不能被经济地提取。
[0005]这些非常规烃化合物源落入两个明显不同的类别中。首先，存在“重质”或长链烃分子化合物，诸如加拿大的油砂矿床，和加利福尼亚的科恩河(Kern River)或Bellridge地区中的重质油矿床，或委内瑞拉的奥里诺科河(Orinoco river)三角地区的重质油带中，或墨西哥的Mayan油，它们是重质油，采出的重质油极粘且在环境温度下为半固态。在这些情况下，流点或粘性降低是最重要的。其次，存在“轻质”或“短链”烃分子化合物，它们困在遍布美国以及世界上许多其他地区中的各种页岩矿床中。
[0006]在世界上的一些国家中，即西班牙、爱沙尼亚和巴西，存在大型但是浅层油页岩矿床，在那里，那些国家不具有大型常规原油的储层或矿床。这里，用于提取页岩油或油母岩的“暴力”方法通过在高温加压干馏釜中加热页岩进行。该实践开始于早至十九世纪。被提取的油母岩或页岩油燃料随后在炉子中燃烧用于加热目的，并且运输燃料被用于柴油或其他内燃发动机。被提取的油母岩燃料具有与如从常规原油精炼设置生产的普通等级汽油或挥发油大约相同的b.t.u.燃料值和燃烧特性。虽然这些国家也不具有所需量的硬通货或美国美元来在国际商品市场上购买常规原油，但是它们确实具有大储量的页岩(尽管从这些页岩矿床提取的页岩油或油母岩的量小于以重量计页岩本身的百分之四，页岩的大约百分之九十五保留为废弃物)。热的可冷凝烃化合物在常规冷凝热交换器中被液化，且变为油页岩燃料。不可冷凝的烃，主要是甲烷，被燃烧或只是释放到大气中。所有这些短链或轻质烃化合物被捕获或密封在油页岩材料基质结构中，且当被加热时，在压力下，它们从该基质以气相被释放或解放。
[0007]在美国，有许多地区，在那里找到了油页岩矿床，但它们中的大多数是位于地球表面下五至十千英尺的深矿床。早在在十九世纪，进行了许多尝试来从分层的页岩地层挖掘或提取油母岩油。尽管证明页岩油是非常合适的烃产物，但其开采成本远超过类似产物的市场价格；由此证明该情况是不经济的。那时还没有合理的其他开发和投资。
[0008]所有这些因素和条件随着过去这些年已经显著地改变，这主要是由于两个专门技术的快速开发和开拓。这两个技术中的第一个是可周密控制并且可转向的定向钻探技术，其允许钻机能够初始地垂直地钻探，随后被控制或操纵以旋转到水平位置，同时钻探至预定深度。钻探可随后继续在页岩地层中水平地钻出持续相当大的距离的井筒。第二个最重要的技术开发是以前工序的应用，即，液压压裂以前的垂直油井的实践，以提高流动速率以及促进以前的油井的进一步刺激，且由此延长枯竭油田的经济寿命。
[0009]这些年来，在延长以前的油田和更成熟油田的开采寿命的尝试中开发和实施了许多不同技术。注水法是实践中的一种，其被用来保持枯竭油田中的地层油藏压力以及加压甲烷气体的喷射(当可获得且没有燃烧)，以获得相同结果。另一被尝试的技术是使用炸药的“聚能射孔弹”，其被策略性地布置在井筒套管中，因此它们可在井筒中的产油层区域中被引爆，且这些爆炸的力穿透套管的壁并导致裂隙或裂缝打开。
[0010]用于EOR(提高采收率)的这样的方法持续许多年是石油行业的惯例。但是，这些石油公司担心将炸药用作延长枯竭油田的开采寿命的手段中出现的危险；且，在十九世纪四十年代晚期，使用高压水和沙混合物来在产油层区域中制造裂缝或裂隙的实践开始。该技术开发用于试图提高油井中的流动速率，同时在不使用炸药的情况下延长成熟和枯竭油田的开采寿命。在以前的产油层液压地打开新的通道使得液态和气态烃更易于在井底压力下自由地向上流动到达地面，以作为原油气产物进行收集。
[0011]在该时期还广泛流行的是使用修井机来将以前的由于浙青或石蜡化合物的积聚而使烃流受限制的油井套管清洁干净。
[0012]所有这些类型的油井刺激实践的使用以及其他的提高采收率技术的使用持续了很长时间，且这些年来开发了许多改进技术。这些改进技术中的一个是更大容量且更有力的重晶石泥浆泵的开发，需要所述泵来在陆上以及在近海辅助越来越深的油井的钻探。这些油井中的一些在超过八千英尺的水深中被钻探；钻探深度的进一步增加超过两万英尺，且因此需要扩大液压压裂泵的容量以及提高压力能力水平。
[0013]许多大型油页岩地层矿床的发现，加上新开发的可转向定向钻探能力的技术，连同使用高压液压压裂设备的能力，允许石油行业使用这些新的压裂技术前进。它们能够在深层页岩地层中垂直地和水平地定向钻探，且随后液压压裂地层，以释放包含在页岩基质材料地层中的气态和液态烃。这些新技术在现在世界如何评价全球能源商品市场中的液态和气态烃方面已经引起经济的“突变”。
[0014]但是，在液压压裂的应用变得更广泛流行的时期，其技术上和操作上的成长以非常随意、得失各占一半、临时的方式实施。进行的许多改进是对提高油井的生产率以及试图延长已建立的油田的经济寿命的非科学开发和错误尝试的结果。这全是在没有完全考察或理解对这些改进的需求背后的合理科学原因的情况下做出的。在尝试解决具体工艺问题中的非科学方法的最好的示例是在液压压裂过程中各种类型的支撑剂的正确选择和使用中发生的情况。
[0015]在获得初始加压水压裂之后，如果要实现采出的烃的流动速率的期望提高，则强支撑剂材料需要保留在通过加压水技术产生的裂缝或裂隙中。支撑剂是“支撑”岩层中的新开口或裂口的所选择的手段，使得它们将继续保持该新的裂隙或裂缝打开，以及允许烃化合物自由地流动至井筒中，以使它们可通过井口的控制设备排放。
[0016]没有足够强且正确分选的粒度以使裂缝保持持续打开的适当支撑剂，井的产率将随着支撑剂细粒和更软的材料颗粒填充裂缝而快速下降。这将降低流动速率，且最终阻挡烃流动到井筒中。具有不同成分、形状和粒度的许多类型的砂以及许多其他类型的支撑剂材料，诸如氧化铝等被测试。
[0017]在此，关键问题是，应当用在液压压裂过程中的恰当支撑剂是在实现和维持恰当的“空穴比”中所需的一个最重要因素，所述恰当的空穴比在加压水压裂的通道中是必须的，以能够实现液压压裂过程的全部效益。
[0018]尽管这些考虑对于具有经选择的产油层的垂直钻探的油井中的液压压裂是重要的，但当在水平分层的油页岩岩层中应用液压压裂过程时，它们更加关键和重要。由于“页岩气革命”的重大，我们现在只是开始了解和理解更多各类型页岩岩层的性质和特性。
[0019]油页岩为沉积矿床的形式，其在千万年前主要以碳酸钙、碳酸钠、碳酸氢钙、石英以及土壤材料和随着这些油页岩正在形成且最终沉积在我们今天知道的页岩地层中时陷入在材料基质中的其他化合物的形式被贮藏。许多油页岩地层跨过地球地壳中的构造断层线，且因此在它们的构形中可能是不连续。一些油页岩地层在垂直和水平平面两者中略微倾斜。由此，绳索式跟踪以及三维地震分析变为页岩气勘探和开发过程的重要部分。
[0020]追溯既往，重要的是认识和重视具有恰当结构和粒度的支撑剂对于作为油页岩矿床的液压压裂结果的产物的气态和液态烃化合物的最优提取和采出所起的重要作用。该事实在石油行业中没有被充分理解或意识到，直到二十一世纪早期。在二十世纪尾声，石油行业已经将用于提高采收率和油井刺激的液压压裂技术用在开采井上五十多年。在二十一世纪的交替之前进行的所有液压压裂操作均设计为延长已有垂直钻出油井的开采寿命或对于完井实现更大的烃流动速率。所有这些液压压裂操作在垂直钻出的油井中进行，且该压裂操作为压裂成分基本为砂的产油层以及在井底温度和压力下采出流动的液态或气态烃。所有操作均在砂地层中，砂地层具有相对较高的渗透率和孔隙率数值或良好的空穴比特性。
[0021]通过一起引入可转向垂直和水平钻机与非常高压的压裂泵(一些人称为“增压器”)，石油行业于是将已成功开发并在垂直油井中使用的相同液压压裂技术，以及这些相同的过程应用于在深层页岩地层中水平钻探的井筒，但得到了不太令人满意的结果。一些油页岩地层比另一些多产，且为了试图增加被液压压裂释放的封入内部的烃的量，尝试了大量方法。添加化学试剂以试图控制阻碍烃流动的水生微生物的生长，还添加了为了控制腐蚀和结壳的化学试剂。还添加了表面张力减少化学试剂，以试图使压裂水更能够渗透通过高压水产生的裂缝。一些步骤组合在油页岩的一个区域中比相同步骤在另一油页岩地层中采用和应用更加成功，特别是在最终从给定油页岩矿床中的特定量的烃含量提取的烃产物的量或百分比的差异方面。
[0022]直到该行业开始意识到石油技术的传统原理不完全适用于新开发的尝试来从矿物岩地层提取被陷入的液态和气态烃，才使得它们甚至在深的高温和高压位置自由地流动。石油工程师由此转到将矿物地质条件的硬岩力学勘测应用于寻求对这些问题的可理解答案和综合分析中的原则。近来，研究成果证明，所有页岩地层可被归类，且可被大致分为两个不同的可测量且可识别的类，即“软页岩”或“硬页岩”。参见例如Denney，Dennis (2012年三月)的Fracturing-Fluid Effects on Shale and Proppant Embedment, JPT.第 59-61页。测试标准基于测量压裂之前和之后给定材料的应力/应变或杨氏模量值的原理。该测试测量在施加特定应力水平之后矿物的纳米凹痕。硬页岩记录低纳米凹痕值，而被测试的软页岩测的较高的凹痕值。硬页岩在它们的成分中主要具有二氧化硅、碳酸钙、方解石、和石英，连同胶质粘土 ；而软页岩具有碳酸氢盐、重碳酸钠盐(nacolites)和胶质粘土组分。
[0023]准确地确定油页岩的真实矿物特性的能力在选择最佳操作技术中非常重要，需要所述最佳操作技术以优化和最大化烃组分从特定页岩地层或矿床的最终采收。在软油页岩岩层和硬油页岩地层两者均已经经受相同水平的液压水压持续相同浸泡时间段之后，软油页岩地层的响应不同于硬油页岩地层。硬油页岩在高液压压力下产生裂缝或通道，所述裂缝或通道的穿透长度较短且它们的裂缝或流动通道的横截面直径相当小。另一方面，软油页岩在相同高液压压力和浸水期间产生与硬油页岩地层中的材料的液压压裂实现的相比具有更大长度且具有相对较大的横截面直径的裂缝。
[0024]除了控制微生物的生长以及防止水垢结壳和“滑溜”水的提供之外，从给定页岩地层抽取最大或最优量的烃的操作能力中最重要的因素是通过压裂水运送到裂隙带中的支撑剂的适当粒度和类型的选择。如果要被压裂的页岩是硬页岩，则支撑剂必须具有足够小的粒度，使得其可被运送到硬页岩压裂操作导致的小直径的裂缝中，且支撑剂必须足够强，以能够使通道或裂缝保持敞开足够长，以允许被容纳的液态或气态烃产物在井筒中自由地水平和垂直流动，以在被释放至地面设施之后可采收。如果所使用的支撑剂对于小直径尺寸的裂缝太大，则支撑剂将不穿入裂缝中并留在那里以保持裂缝通道敞开，且可采收的采出烃的量将显著减少。替代地，如果操作是在软页岩地层中的液压压裂，则适当粒度分选的支撑剂应直径比将适于在硬页岩中使用的支撑剂的直径更大。这将允许支撑剂被运送到作为软页岩的液压压裂的结果的较大直径裂缝中。较小粒度的支撑剂不会如此有效，且这会导致可被采出的烃产物的量的显著减少。
[0025]既然我们具有关于各种类型的油页岩地层中的差异的更可科学测量的数据，那么该行业现在更清楚地意识到为各种类型的油页岩地层的液压压裂选择适当支撑剂的经济重要性。我们现在已知的用于液压压裂软矿物页岩的最佳支撑剂不同于当液压压裂硬矿物页岩时我们需要使用的最佳支撑剂。因此，需要用于特定油页岩的特定支撑剂。
[0026]因此，本发明的示例的目的是实际上使用被运送至地面且被包含在来自油气地层的液压压裂的回流水中的所有泥浆材料来提供广泛的具有适当粒度和构成的支撑剂。
[0027]由于在美国大量不同地区被开发的油页岩矿床的液压压裂的量和范围的快速增长，已经引起了大量生态和环境担忧，如果该行业要成功地成长，所述担忧必须被解决。例如，有毒化学物质(诸如戊二醛)被用作灭菌剂来杀死、控制或消灭在液压压裂过程中使用的水中存在的水生微生物。存在对这样的含有毒化学物质的压裂水会迁移到饮用水含水层中的担忧。还担忧降低摩擦化学物质(例如聚丙烯酰胺)或防垢剂(例如膦酸盐)存在进入含水层并且污染含水层的可能性。清洁剂肥皂混合物以及化学物质，诸如氯化钾，通常用作表面张力减少表面活性剂，且可导致公共健康问题。将盐水污染的回流水注入到处置井中是公众的另一担忧。
[0028]在传统压裂工作的一些示例中，在水平井套管爆炸打孔之后，水混合物被在高压下注入到多个个自排序的压裂带中，每一个都在两端处被隔离器套筒(packer sleeve)密封住。这允许水混合物在压力下留在页岩地层中几天，形成通道、裂隙或裂缝，当液压压力通过连续油管(coiled)钻探操作被释放时，所述通道、裂隙或裂缝允许烃气体或液体元素具有允许流动至地面的通路。对于每一个单独的压裂带，水混合物中的压力被依序减少，使得减压的水水平地流回到井筒中，且随后在垂直的水泥井段中向上行进至地表高度。许多支撑剂在这些通道中留在后面；但是大量支撑剂出来进入回流水中。
[0029]回流水的体积占用于压裂操作的被注入水的量的小于百分之五十。回流水流还包含从页岩地层渗出的材料，诸如碳酸氢盐(例如重碳酸钠盐)。回流水混合物还随其运送许多挥发性有机化合物以及微生物屑、任何溶解盐或盐水、和大量初始注入的支撑剂和它们产生的细粒。该回流的处理和/或处置对本行业来说是重大的问题。例如，参见 Smyth, Julie Carr.(2012)。Oh1 quakes put pressure on use of fracturing.美联通讯社，第 Dl、D6 版。Lowry, Jeff 等(2011 年十二月)。Haynesville trial wellapplies environmentalIy focused shale technologies.World Oil 的第 39-40>42页。Beckwith, Robin.(2010 年十二月)Hydraulic Fracturing The Fuss, The Facts, TheFuture.JPT.第 34_35、38_41 页。Ditoro, Lori K.(2011).The Haynesville Shale.Upstream Pumping Solut1ns.第31-33 页。Walser, Doug.(2011).Hydraulic Fracturingin the Haynesville Shale:What’s Different ? Upstream Pumping Solut1ns,第 34-36页。Bybee, Karen.(2011 年三月)In-Line-ffater-Separat1n Prototype Developmentand Testing.JPT.第 84-85 页。Bybee, Karen.(2011 年三月)Produced-Water-VolumeEstimates and Management Practices.JPT.第 77-79 页。Katz, Jonathan.(2012 年五月)。Report:Fracking to Grow U.S.Water-Treatment Market Nine-Fold by2020.1ndustryWeek.美国专利申请
【发明者】J.G.穆尼斯特里 申请人:美伴家水伙伴公司