按需高压碳氢化合物压裂方法和相关工艺与流程

对于液压压裂操作，需要大量的水。出于该目的，在接近和使用含不可饮用水的蓄水层地层的许多领域中存在潜力。实例是成功测试的Debolt含水层等等。

背景技术：
受让人尼克森公司(“Nexen”)在不列颠哥伦比亚东北部拥有天然气页岩矿床。高效和成本有效地开采该区域中天然气页岩矿床取决于用于压裂操作的水的可利用性。该区域中的预期日常天然气开采将需要至少1.3MMm3的估计年用水量，这些水通常来自地面上的天然水源和/或预处理的地下水源。为了最大化该天然气储备量值，需要供应可靠的充足水量用于压裂增产程序，以使得能够交付计划的开采水平。一种实现该值的机会在于改进(streamline)该工艺，以通过创新性地使用不可饮用水来提供压裂程序的水。因此，本发明的目标在于，提供一种利用来自与碳氢化合物储集层相邻的含水层的水压裂所述储集层的方法或工艺。合适的含水层也可以在附近，并且比所述储集层更浅或更深。本发明的另一目标在于，当压裂天然气储集层时使用该方法或工艺。本发明的仍另一目标在于，避免在使用含水层的水进行碳氢化合物压裂之前，处理该含水层的水。本发明的又一目标在于，使用Debolt含水层作为压裂天然气储集层的水源。本发明的另一目标在于，考虑所泵送流体的腐蚀性本质，向所述压裂泵提供构造材料，该构造材料符合针对材料性能标准公布的众所周知的规则(recommendation)，例如来自用于装饰包装(trimpackaging)的NACE、ASTME或ANSI等等。当考虑下面的本发明的

技术实现要素：
以及本文中描述和示出的优选实施例的更详细描述以及权利要求时，本领域技术人员将明白本发明的进一步和其他目标。发明内容Debolt地下地层或地带是含水层，其水中含有约22,000ppm的总溶解固体(“TDS”)和少量的硫化氢H2S。仍然在调查Debolt地层的范围和体积，但是其潜力巨大。该含水层具有高渗透性或多孔性。在2010年5月，以10.25″900HP向下打眼电潜泵(“ESP”)测试了处于b-H18-I/94-O-8的Debolt井。该井显示每1kPa水位降低量的107m3/d开采指数，指示该储集层具有足够高的流速，以支撑支持井压裂操作所需的体积和速度要求。Debolt地层水在溶液中含有酸性气体。当降压至大气条件时，Debolt水以1.35标准m3气体/1m3水的气水比喷出酸性气体。喷出气体含有0.5％H2S、42％CO2和57％CH4(甲烷)。这些气体与正执行页岩气开采中出现的气体相同，页岩气中通常为0.0005％H2S、9％CO2和91％CH4(甲烷)，因而可忽略使用未加工的Debolt水对页岩气组分的当前百分比产生的影响。挑战在于，如何使用酸性水，例如Debolt水，从而以成本有效的方式进行压裂，这是因为当前的水压裂设备不符合针对材料性能标准公布的众所周知的规则，例如来自装饰包装的NACE、ASTME或ANSI标准等等。当前的水压裂承包人不愿意使用Debolt水进行压裂操作。部分是因为当前设备不符合NACE。但是主要原因涉及对Debolt水H2S含量的安全性的担心。存在两种不同的使用Debolt地层水进行压裂操作的方式。第一种是建造和运行水处理厂，以从Debolt水中清除H2S。已经建造H2S汽提(strip)工厂以从Debolt水中清除H2S的其他行业参与者已经采取了该方法。加拿大非传统能源学会最近公布的、题目为“HornRiverFracWater：Past，Present，Future”的论文讨论了出于上述目的建造和运行的Debolt水处理厂的技术和运行方面。该论文指出，需要非常昂贵的处理厂，以从Debolt水中清除H2S和其他溶解气体。第二种方法是在地层水被开采至地面和在管道中传输以使其能够用于压裂的同时，在连续基础上保持该地层水处于高于其饱和压力(也称为“泡点压力”或“BPP”)的某一压力。针对Debolt水特性进行的测试指示，只要保持Debolt水处于足够高的压力下从而保持溶解的气体被约束在水中，水就稳定而不会出现沉淀并且颜色仍为完全透明。此外，该水处于腐蚀性最小的状态。这些发现揭示了，Debolt含水层流体能够以其天然状态使用，而不需要处理。这是专利按需要加压压裂(“PFOD”)工艺的基础。因此，本发明的主要方面在于提供一种按需要压裂碳氢化合物矿床的方法或工艺，其包括下列步骤：使用含水的地下含水层作为水源，水在该含水层中稳定和清澈，但是可能包括溶液中的经历地表条件时不良的成分，诸如硫化氢和其他成分，利用来自含水层的水作为水源，从而在碳氢化合物压裂工艺中使用，并且在含水层水的预定速度下在压力下泵送水，该压力高于具体含水层中所含水的泡点压力(BPP)以保持水的稳定。我们已经发现，当压力降低时，水变得不稳定并允许气体从水中析出。该减压和气体清除使水中的溶解固体开始发生化学反应而导致形成沉淀。为了防止这些化学反应发生和导致所述水的不良成分脱离溶液，在压裂工艺期间，始终保持所述水压力处于每种含水层所需的最小值，将源井钻入含水层，将处理井钻至含水层，提供泵，其能够仅通过保持最小压力，保持防止含水层的成分脱离溶液需要的所需压力，通过歧管、或歧管和泵建立封闭回路，以保持含水层水始终循环，直到当从该歧管供应水时压裂操作开始，向压裂操作提供来自歧管的水，以便压裂碳氢化合物储集层，其中在压裂工艺中使用来自含水层的水时，通过保持所述水始终处于最小压力，所述水保持稳定并且不良成分保留在溶液中，并且水保持清晰，因此避免了在压裂工艺中使用水之前需要处理来自含水层的水。根据本发明的另一方面，提供一种按需要高压压裂碳氢化合物矿床，例如页岩气矿床的方法或工艺，其包括下列步骤：使用来自地下含水层，诸如Debolt含水层的水作为水源，其含有包括H2S和其他成分的酸性水，利用来自含水层的酸性水作为水源，从而优选至少在气体压裂工艺的净侧上使用，并且在约38摄氏度(其随着每个含水层水源的实际温度，以及该水可能发生的任何表面冷却而变化)下，以Debolt水的最小压力，例如以2310kPa泵送所述酸性水，该压力高于具体含水层中所含的酸性水的BPP，以防止所述酸性水的H2S和其他成分脱离溶液，在压裂工艺期间，始终保持所述酸性水压力处于每个含水层所需的最小压力，例如对于Debolt水为2310kPa，将源井钻入含水层，将处理井钻入含水层，提供泵，其能够仅通过保持所需的最小压力，保持防止酸性水的成分脱离溶液需要的所需压力，例如对于Debolt水，38摄氏度时，该最小压力为2310kPa，通过歧管或歧管和泵建立封闭回路，以保持酸性水始终循环，直到当从该歧管或歧管和泵供应水时，压裂操作开始，向井压裂操作的净侧提供来自歧管的酸性水，以便压裂井储集层(通常是油或气层储集层)，其中在压裂工艺中使用来自含水层，诸如Debolt层的酸性水时，保持所述酸性水始终处于最小压力，例如对于Debolt水在38摄氏度下为2310kPa，所述水保持稳定并且不良成分保留在溶液中，并且水保持清晰，因此避免了其他井压裂工艺需要的剔除硫化氢和其他成分的必要步骤。在本发明的一个实施例中，增加了高压搅拌机，所述水源和方法或工艺和井压裂操作脏侧上的砂子一起使用，这是因为必须始终保持酸性水高于其BPP，例如对于38摄氏度的Debolt水为2310kPa，由此避免包括H2S的成分脱离溶液。在本方法或工艺的进一步实施例中，为本方法或工艺提供必需数目的泵和源井以及处理井，从而对于作为程序的一部分增产的每个井或许多井的目标压裂数(取决于对储集层增产选择的具体井设计，或者为了其他目的)，能够进行按需要的高压压裂操作。优选，在该方法或工艺中，来自源含水层的所述水处于较高温度，例如正常环境下的Debolt水为38摄氏度，因此，其不需要另外的加热或隔热管道，甚至在例如加拿大西部或类似地区经历的较冷冬天月份时，也可将该水用作按需加压压裂的酸性水源，与利用地表水相比，能够有助于相当大地节省成本。在仍另一实施例中，该方法或工艺在高于BPP的压力下利用来自Debolt含水层的酸性水并且在地下管道系统中将所述水连续地从源井循环至处理井，该地下管道系统通过位于靠近Debolt水循环管到的将被压裂井的下游但是处于处理井的上游的回压控制阀实现，其中当需要水用于压裂操作时，将从策略上位于该循环管道上的歧管抽出水，由此在高于DeboltBPP的压力下将Debolt水进给至压裂操作。根据本方法或工艺的仍另一实施例，保持Debolt水处于高于其饱和压力的压力下，并且连续用于压裂，以便只要保持Debolt水处于足够高的压力下从而保持溶液气体被约束在水中，水就保持稳定，无沉淀并且处于最小的腐蚀状态，因而要求全部压裂操作(至少在净侧上)在高于Debolt水BPP的压力下构建，这是成功的PFOD工艺的基础。在仍另一实施例中，本方法或工艺还包括NACE装备，优选能够提供约69MPa排放压力的高压水平泵送系统(“HPHPS”)压裂泵。考虑所泵送流体的腐蚀性，泵构造使用符合美国腐蚀工程师协会(“NACE”)装饰包装公布的规则中的材料。替代地，可从HPHPS压裂泵的材料性能标准或例如ASTME、ANSI等等公布的等效标准选择材料。为了执行本发明的工艺，构造了能够产生排出压力或在泵内部和外部压力之间产生高达10,000psi的压力差的多级离心泵。压力套管或泵壳被涉及成主耐压安全壳(containment)。泵基座和泵头之间的密封接口是金属，其为通过使用专用螺纹实现的金属类型。扩散器设计有开口，以允许横跨扩散器的外部边缘快速地压力均衡，以避免将导致扩散器故障的高压差导致的故障。在扩散器的外部上使用密封件，以防止被封入外壳中的单独扩散器外部之间存在压力连通和流体流动。泵吸入部和排出部的泵连接则被升级成环状或衬垫式密封。本发明也涉及一种多级离心泵设计，其具有插入高压壳或筒内的轴、扩散器和叶轮，其中该组装件被完全封入泵壳中，泵壳强度足够大以适合作为被泵送流体的安全耐压安全壳。本发明的该方面描述了用于重构已知的多级离心泵设计的技术细节，以使得能够将排出压力能力提高至高于当前设计的6,000psi。已经在10,000psi排出压力下成功测试了本文讨论的设计变型。该10,000psi压力能力提供了适合压裂被井孔穿透地层的压力。这种泵非常适合碳氢化合物压裂工业，从而用于以足够的压力泵送流体，从而增产油和气储集层。本发明是离心泵的泵壳类型，其设计为用于以30-90hz(1800-5400rpm)的速度运行，排出压力可为10,000psi，吸入压力可为15-600psi。对于10,000psi的排出压力能力，诸如该封闭在泵壳内的多级离心泵设计，与现有结构诸如剖分式多级离心泵相比，其是更经济成本有效的选择。优选，所述泵利用处于扩散器(22)顶部上的压力套管(21)，以和处于压力套管(21)和扩散器(22)壁体外部直径之间的压缩装备相比，壁体强度更高。也优选，所述泵利用扩散器壁体中的均衡孔(23)，导致贯穿扩散器壁体为零压差，而且允许快速降压。优选，为了防止由于从一个泵级至另一泵级的压力转换导致的泵级失稳(collapse)，所以在每个扩散器(34)和泵壳(33)之间利用O形环(31)式的密封件。在一个实施例中，通过在金属密封上提供金属的专用螺纹而在泵壳(16)和泵基座(12)以及泵头(19)两者之间形成密封，通过使用已经过证明的金属-金属螺纹密封技术，诸如基座-头销-泵壳连接，消除了所有的弹性体和非弹性体密封件。为了压裂该井的目的，多级离心泵设计为向井孔注入流体。根据本发明的该方面，提供一种能够压裂碳氢化合物矿床的多级离心泵，其能够传输超过10,000psi的排出压力或者泵内部和外部压力之间的压力差，并且包括压力套管或泵壳，其被设计成主耐压安全壳，泵基座和泵头之间的密封是金属并且是通过使用专用螺纹实现的金属类型，包括设计有开口的扩散器以允许横跨扩散器外部边缘的压力快速均衡，以避免将导致扩散器故障的高压力差产生的故障，在扩散器的外部上使用密封件，以防止在封入泵壳内的单独扩散器外部之间有压力连通和流体流动，并且泵吸入部和排出部的泵连接被升级成环状或衬垫式密封。附图说明图1是PFOD流程示意图。图2是PFOD垂直剖面图。图3是示出和描述在泵组件中使用的所有关键部件的高压多级离心泵组件图。图4是描述组件内使用的部件的高压多级离心泵组件的横截面图。图5是示出高压多级离心泵壳内的多个叶轮和扩散器级的横截面图。图6是用于高压多级离心泵组件的扩散器和示出扩散器(22)顶部上的压缩套管(21)的扩散器细节的横截面图。具体实施方式在过去两年中，Nexen已经致力于下文略述的PFOD工艺，该工艺使用高于Debolt水BPP的Debolt水进行压裂，因而消除了对昂贵H2S清除工艺的需要。为了保证用于其压裂操作的可靠水源，必需确定使用Debolt水作为部分压裂水源的方式。通过回顾得知的一种选项是仅在压裂程序的净侧上使用Debolt水。按照其需求，Nexen设计和建造了用于测试的小流量HPHPS压裂泵。在2010年6月，在不列颠哥伦比亚东北部的b-18-I平台上测试了能够提供69MPa排出压力的0.25m3/minNACE装备HPHPS测试压裂泵。技术人员在现场操作Debolt水源井(“WSW”)ESP和HPHPS测试压裂泵。将包括两个豆状体类型的两个水嘴和一个可调水嘴的三个水嘴串联地管道连接，以提供回压来测试压裂压力下的HPHPS压裂泵。在初始测试中，HPHPS测试压裂泵使用来自水罐车的新鲜水。设置所有的泵控制参数。在随后的测试中，使用Debolt水，并通过DeboltWSW在b-H18-I/94-O-8由ESP将Debolt水进给至HPHPS测试压裂泵的吸入部。测试压裂泵的排出流体在不同回压下流经三个水嘴。然后，Debolt水流出水嘴并流入处理水管道，到达处于b-16-I的水处理井(“WDW”)。回压以7000kPa的间隔逐渐升高，并以排放压力运行约30-60分钟。当泵的运行保持稳定时，调节水嘴以提高泵的排出压力。在2010年7月7日和8日成功测试了HPHPS压裂测试泵。该泵以71MPa的排出压力运行。该泵使用Debolt水以62MPa运行约6小时，以增产全部压裂操作。应理解，对于其他含水层，将具有不同的物理参数。例如，泵的规格将反映替换水源的不同泡点压力。对于Debolt水源，含水层的水的BPP在38摄氏度时为2310kPag。在2010年8月，在b-18-I平台的8个井完井期间，将HPHPS测试压裂泵整合至六个压裂操作中。6个压裂操作中的三个使用新鲜水运行，三个使用Debolt水运行。HPHPS测试压裂泵对全部6个压裂操作都运行良好，未遇到操作或安全性问题。为了PFOD系统的初始测试，仅需要一个源水井和一个处理井，根据需要，为了使系统以最大的系统可用性和用途可靠运行，另外的井将提供更大的能力和备用，以确保可获得最小流速和注入能力。Nexen计划在未来根据需要钻出和完井另外的Debolt地层WSW和另外的DeboltWDW，以最优化Debolt水系统以支持压裂操作。与现有的b-H18-IDeboltWSW和现有的DeboltWDWb-16-I一起，这些2个最初井加上任何另外的井将形成针对该井压裂程序确定的PFOD水循环系统的基础。Nexen将基于例如来自用于装饰包装的NACE、ASTME或ANSI等等的众所周知的针对材料性能标准公布的的规则，继续评估获得对源的需要并测试用于脏侧的装备活塞压裂泵的1.25m3/min全尺寸3000kPa吸入压力。这也包括评价对加压搅拌器的需要，或对于在脏侧利用Debolt水的另一方法。基于2010年6月进行的Debolt水井测试、PFOD工艺的可行性研究、2010年7月和8月进行的原型NACE装备HPHPS压裂泵的初始现场测试，结论如下：■在Debolt水的未处理状态下，为了压裂操作使用Debolt水在技术和经济上可行。■可能使用PFOD工艺以保持压力高于2310kPa(Debolt水的BPP)，因而保持包括H2S在内的气体保留在溶液中。■为了压裂或注入到页岩中，使用Debolt水未出现兼容性问题。■能够在压裂操作的净侧上构造和使用利用Debolt水的HPHPSNACE装备压裂泵。■在测试期间和在HPHPS压裂泵现场的最终使用期间，未看到操作或安全性问题。■可能不易于获得用于操作的新鲜水。使用PFOD工艺的来自Debolt含水层的水则可轻易获得，并且其可用性不受春季和夏季降雨或干旱导致的执照吊销的影响。例如，在2010年8月，由于皮斯河流域的干旱，不列颠哥伦比亚的政府监管部门吊销了蒙特尼地区的碳氢化合物压裂操作的新鲜水抽取执照。■在泵行业中，存在建造高吸入压力活塞式泵的经验，其具有NACE装备流体端。在压裂泵行业中，不存在建造高吸入压力(超过330psig(2300kpag))的活塞式压裂泵(其具有NACE装备流体端，能够泵送用于脏侧压裂的美国石油学会(“API”)质量的压裂砂)的经验。■工程上和制造上，没有阻止压力搅拌机一定压力下使用Debolt水的的明显技术限制或约束。PFOD工艺PFOD工艺始终保持Debolt水处于高于其BPP的压力下，以便防止气体(包括H2S、CO2和CH4)逸出溶液。基于Debolt井地层水和压力-体积-温度(“PVT”)测试，Debolt水的BPP在38摄氏度时为2310kPa(335Psi)。当将处于38摄氏度的Debolt水减压至大气压力时，从每m3水中释放约1.35m3气体。该闪蒸气体含有0.5％H2S、42％CO2和57％CH4(甲烷)。这些气体与特定页岩气操作中存在的气体相同(通常为0.0005％H2S、9％CO2和91％CH4(甲烷))。因而可以忽略使用未加工的Debolt水对页岩气组分的当前百分比产生的影响。对于典型的PFOD系统，将需要总共3个DeboltWSW和2个DeboltWDW。这些WSW和WDW将位于为开发选定的两个到三个确定井平台中心。Debolt水将在地下管道系统中以高于BPP的压力从WSW至WDW连续循环。通过位于靠近Debolt水循环管的将被压裂的井的下游但是处于处理井的上游的回压控制阀实现该循环，其中当需要用于压裂操作的水时，将从策略上位于该循环管上的歧管抽出水并由此在高于DeboltBPP的压力下将Debolt水进给至压裂操作。两幅图示出PFOD流程示意图和地下正视图。这些图揭示了PFOD管道系统将如何工作。PFOD工艺的优点有许多，和包括下列优点：■能够在连续基础上整年进行压裂操作。Debolt水通常处于38摄氏度。这允许在冬季月份使用Debolt水而不需要加热，或者冬季压裂操作通常需要的其他基础设施包括水循环的隔热管道。此外，压裂操作的维修承包人在非高峰的冬季月份趋向于更有时间。■整年压裂能力将允许相对于日用需求和价格的开采灵活性。■PFOD工艺消除了与建造、运行和维持水处理设施相关联的大量资本和运营成本。■PFOD工艺也消除了对次级设施的需求，因为压裂操作的开发发生在离水处理和H2S清除厂更远的距离，所以需要上述次级设施。■PFOD工艺消除了地上处理水存储罐或大型存储池的需求，通常需要地上处理水存储罐或大型存储池以便为上述地面处理工艺加热所述水。因此，Debolt含水层起天然存储罐的作用，不需要地面设施、加热或维护。■也能够使用Debolt含水层作为随后压裂操作期间使用的过量新鲜水的主存储场所。PFOD泵的细节图3示出高压多级离心泵组件，其描述的优选实施例中使用的主要组件如下：15泵支撑件-滑动框架42泵驱动器-电动马达43推力腔，以支撑来自泵的轴负荷44泵吸入段实例45示出低压多级离心泵壳，其包括扩散器、叶轮和轴。示出两个泵段。最大设计是6,000psi排出压力。46示出高压多级离心泵壳，其包括扩散器、叶轮和轴。这是获得6,000psig-10,000psig排出压力的发明方面。47用于10,000psig的高压排出头。这是采用6,000psig-10,000psig排出压力的发明方面。图4是描述了在包括泵基座(12)和螺纹拧入泵壳(16)中的泵头(19)的组件中使用的所有组件的，本发明的高压多级离心泵组件的横截面图。泵级是叶轮(13)和扩散器(14)的组装件。叶轮(13)安装在泵轴(15)上并且是泵的旋转部分。通过被泵壳(16)中的压缩轴承(18)压迫并且被压抵在泵基座(12)上，扩散器(14)被固定在泵组件中。图5是示出高压多级离心泵壳(16)中的许多叶轮和扩散器级的横截面图。本发明包括：均衡孔(23)，以快速减压；和支撑套管(21)，其完全围绕扩散器，扩散器具有凹槽(25)，以容纳O形环(31)，从而防止在被封入泵壳中的单独扩散器的外部之间的压力连通和流体流动。该高压泵壳(33)被设计成安全地容纳高达10,000psig的压力。图6是用于高压多级离心泵组件的扩散器的横截面图并示出扩散器(22)顶部上的压缩套管(21)的扩散器细节。本发明包括：均衡孔(23)，以快速减压；和O形环(31)，从而防止在被封入泵壳中的单独扩散器的外部之间的压力连通和流体流动。结论任何压裂操作都需要大量的水。PFOD工艺提供一种对使用新鲜或经处理的地下水的替换方式。已经证明，不列颠哥伦比亚东北部的Debolt地层含有压裂操作所需体积的不可饮用水。PFOD工艺通过在溶液中保持气体和颗粒因而允许使用天然的未处理酸性含水层水(例如存在于Debolt含水层等等中的水)，而消除了水处理环节。通过将水压保持高于BPP实现该工艺，消除了高成本的水处理和次级设施，以不可饮用的地下酸性水代替使用新鲜水，降低了压裂操作的环境影响。可以不偏离本发明的范围，作出对其优选实施例的许多改变。所以应认为本文所含的所有问题都应被视为例示本发明而非限制意义。