用于水力压裂作业的添加剂的制备中心和使用该制备中心的水力压裂过程的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种紧凑的且可运输的制备中心，能够用于气田或油田的压裂作业，能计量出并溶解两种不同的粉末状聚合物，包括：两个气动装置，分别提供有用于两种独立的聚合物的两个储料斗（1、2）；用于供应和计量的两个装置，用于将分别源自两储料斗的聚合物供应并计量到用于通过研磨而分散的设备（11），也称为PSU；用于聚合物的水化和溶解的两系列罐（12、13），罐连接到分散和研磨设备（11）；两个正位移真空泵（14、15），用于计量各自源自两系列的水化和溶解罐（12、13）的两种溶液且目的是提供混合器（26），混合器本身连接到高压注射泵（20）。提供了使用制备中心的压裂方法。能够计量来自共同中心的多种添加剂。
【专利说明】用于水力压裂作业的添加剂的制备中心和使用该制备中心的水力压裂过程
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于水力压裂作业的添加剂的制备中心和使用该制备中心的水力压裂过程。
【背景技术】
[0002]水力压裂作业首先在美国随后在加拿大有所增加，且将进一步在扩大到其他国家例如中国、波兰、德国和英国。
[0003]多年以来，这些作业已经变得越来越复杂，被应用到越来越冗长的水平钻孔，以提
高单井产量。
[0004]原则上，水力压裂作业包括通过以非常高的压力(200-600bar)注射水的方式现场压裂岩石，通过注射支撑剂(propping agent)例如砂或陶瓷堵塞裂缝并从裂缝中提取气体或油。
[0005]添加剂的开发使这些压裂作业处于一种安全和有效的方式成为可能。
[0006]在这些添加剂中，可提及的是:
[0007]-减磨剂，使以较低的注射压力和较低的泵送功率获得井底压力成为可能。这些减磨剂为聚丙烯酰胺(PAMs)，在大多数常规形式的情况下为乳液。然而，在今天，需求集中在粉状的聚丙烯酰胺上而且本申请公司已开发出各种材料使它们能有效地用于现场。
[0008]-增粘剂，用于保存砂处于悬浮状态，在大多数情况下为瓜尔胶。然而，面对瓜尔胶的短缺，其他产品已经被使用或在研发的过程中:黄原胶、聚丙烯酰胺等。天然瓜尔胶在水中溶解非常困难并非常耗时从而有团聚的趋势，因此在很难现场利用。通常，瓜尔胶悬浮在烃中并随后运送到现场，在现场溶解于注射的水中。
[0009]-交联剂，例如硼酸盐、锆酸盐或钛酸盐用来交联瓜尔胶以使粘度增加并防止砂在低泵送率和停工期间的沉降。
[0010]按容积计，最重要的成分为瓜尔胶和聚丙烯酰胺，两者都溶解困难。
[0011]上述问题可通过使用专利US8 168 871中所描述的称为“PSU”(聚合物切片单元(Polymer Slicing Unit))的溶解单元解决。
[0012]随后，本申请公司在申请W02010/010698中描述了一种溶解大量聚丙烯酰胺的移动系统，并考虑了该移动系统能够在两个压裂作业间的尺寸和重量。
[0013]尽管上述设备是有效的，但都没有考虑到气体和油作业者遇到的越来越多的以下问题。
[0014]如今，在水力压裂作业中遇到的问题之一是注射的不同产品的数据流管理的复杂性和这样操作的相关盈利能力的结果。各种设备用来运输、溶解、计量、注射这些产品进入提供有非常高的压力喷射泵的混合器。各种设备经常是不同的且必须分别连接到控制中心，该控制中心决定剂量作为测量的压裂参数的函数。因此，本发明的目的之一是尽可能减少和集中必要的设备。[0015]如今，另一问题是瓜尔胶悬浮在使用表面活性剂的烃中以使瓜尔胶以液体形态被现场运输并且通过剧烈搅拌与水混合而溶解。这种操作导致了配料的使用，这些配料随后在水处理中成为附加的污染物。因此在压裂作业中现场分散和溶解是主要的进步。
【发明内容】
[0016]本申请公司研发了一种新的设备，更具体地，是一种用于水力压裂作业的添加剂的制备中心，这可能解决上述问题。
[0017]更具体地，本发明使兼容了地方运输规则的制备中心中的压裂组合物的一些添加剂结合起来成为可能。
[0018]本发明的目的是使计量来自共同中心的多种添加剂成为可能，该共同中心具有共同的运输系统以观察道路转移条件。
[0019]因此,本发明的主题是一种紧凑的可运输的汽车拖车(lorry trailer)或集装箱型的制备中心，该中心可用于气田或油田的压裂作业，能够计量和溶解两种不同的粉末状的聚合物，所述的制备中心包括:
[0020]-两个气动装置，该两个气动装置分别提供有用于两种独立的聚合物的两个储料斗(storage hopper),每个气动装置用于连接到独立的油罐车(road tanker),
[0021]-用于供应和计量的两个装置，该两个装置用于将分别源自两个储料斗的聚合物供应并计量到用于通过研磨而分散的设备；
[0022]-用于分散并研磨聚合物的设备，该设备也称为PSU(聚合物切片单元)，其包括:
[0023].圆锥体，该圆锥体用于润湿粉状聚合物，该圆锥体连接到主进水线路，
[0024].在圆锥体的下端:`[0025]?分散的聚合物研磨和排水室，包括:
[0026]-电机驱动转子，该电机驱动转子装有刀片，
[0027]-固定的定子(stator),该固定的定子由装有薄插槽(slots)的圆筒构成，
[0028].排水室外围的全部或部分，由二次水路提供的环，所述环与排水室相连以确保加压的水喷溅到定子的外面从而能够使场地释放并在所述定子的表面上溶胀聚合物，
[0029]-用于聚合物的水化和溶解的两系列的罐，该罐通过独立的管道连接到分散和研磨的设备，所述罐装有搅拌系统；
[0030]-两个正位移真空泵，该两个正位移真空泵用于计量各自源于两系列的水化和溶解罐的两种溶液且目的是通过独立的管道或通过单一的管道提供本身连接到高压喷射泵的混合器。
【具体实施方式】
[0031 ] 在【具体实施方式】中，每个储料斗提供有用于聚合物的气动运输(pneumatictransportation)的气动清游过滤器(pneumatic declogging filters)。
[0032]根据本发明的另一特征，中心也包括控制室和辅助设备，控制室包括用于管理设备数据流的各种装置和电力发电机，辅`助设备用于处理实用程序(utilities)(电、水，等)。
[0033]粉末状的聚合物是用于水力压裂作业的聚合物。例如，有增稠剂和/或减磨剂，增稠剂是用于保持支撑剂处于悬浮状态。可以提及的是，所述聚合物可来自以下非限制性的名单:丙烯酰胺类聚合物如弱阴离子型或非离子型的共聚物(含有0-10摩尔％的丙烯酸或具有低含量的磺化单体(ATBS,丙烯酰胺叔丁基磺酸盐(acrylamido tertiary butylsulphonate)))、丙烯酰胺/三甲基氨乙基氯化丙烯酸(acrylamide/dimethylaminoethylacrylate chloride) (90/10摩尔％)共聚物、DADMAC (二甲基二烯丙基氯化铵(diallyldimethylammonium chloride))聚合物、NVP (N-乙烯卩比咯烧酮)聚合物、瓜尔胶、黄原胶或改性纤维素。
[0034]根据本发明的必要特征，本发明的制备中心能仅在一种且相同的作业期间计量并溶解两种聚合物。
[0035]优选地，两种聚合物为丙烯酰胺类聚合物和瓜尔胶。
[0036]更具体地，所述拖车或集装箱为标准尺寸且运载能力(净重)为20-24吨。拖车或集装箱排除底盘的尺寸优选为2米40X 12米X 2.7米高，移动重量为20-22吨，以满足当地需求。
[0037]根据本发明的另一特征，供应并计量聚合物至分散和研磨设备的两个装置，每个都连续包括:
[0038]-卧式螺杆，该卧式螺杆位于构成储料斗底部的二面体的底部并可允许聚合物移动；
[0039]-立式螺杆，该立式螺杆提供有中间料斗；
[0040]-料斗，该料斗提供有计量螺杆；
[0041]-计量螺杆。
[0042]计量螺杆的流速为120_2000kg/h，为满足压裂公司的需求可调整到必要的流速。
[0043]控制室可包括电气安全措施(electrical safeguards)、可编程控制器(programmable controller)和各种使系统的持续作业成为可能的仪器。而且,具有电源供应器、压缩机、水泵和遥测或远程监控设备的中心能自主运行。
[0044]用于水力压裂作业的液体组分包括:除了作为减磨剂和增粘剂的聚合物，其他添加剂包括交联剂、延迟效应交联剂、表面活性剂、破乳剂、阻垢剂、阻蚀剂、杀菌剂或延迟效应氧化剂。
[0045]在这些条件下和一种具体的实施方式中，根据本发明的制备中心还包括:
[0046]-用于添加剂的至少一个附加的储罐；
[0047]-用于泵送和计量这些添加剂的至少一个附加的装置，该装置通过主要或二次水供给系统泵送和计量这些添加剂到用于分散和研磨聚合物的设备，或无论是直接或以一种和/或其他的独立管道或单管泵送和计量这些添加剂到混合器，独立管道或单管来源于正位移真空泵，该正位移真空泵用于计量源自两系列水化和溶解罐的溶液。
[0048]这使得将压裂组合物的一种或多种的其他添加剂放置于制备中心且在相容的情况下计量这些添加剂成为可能。
[0049]优选地，交联剂特别是硼酸盐在制备中心被储存和计量。
[0050]PSU将是系统的核心，用于溶解、计量和注射各种成分到位于高压泵之前的混合器。
[0051]在本 申请人:的上述文件中，关于聚丙烯酰胺的溶解，PSU300在30m3的水中的分散能力300kg/h能满足几乎所有的压裂作业。[0052]然而，将被注射的瓜尔胶的量通常能达到500_800kg/h，有必要使用PSU600进行分散，PSU600在流速为50-60m3/h的水中分散聚合物的平均能力为600kg/h，最大分散能力为800-1000kg/h。通过对速率和形状的改变，粉末的流速可达到2000kg/h。
[0053]根据本发明，中心包括两系列的水化和溶解罐，每系列有利地包括两个连续罐。
[0054]本发明的另一主题是用于气井或油井的水力压裂的方法，该方法通过注射压裂液到所述井中，包括以下阶段:
[0055]-在上述的制备中心中溶解和计量出两种独立的聚合物，
[0056]-将得到的两种聚合物的溶液引入到混合器中，
[0057]-将压裂液的一种或多种组成成分引入到混合器中，
[0058]-通过高压注射泵将压裂液注射到井中。
[0059]两种聚合物溶液可分开地依次或同时引入到混合器中，也可将两者混合后引入到混合器中。
[0060]聚合物有利地选自上述的名单。优选为丙烯酰胺类聚合物和瓜尔胶。
[0061]本发明的过程中根据本发明的设备的使用使得以通过限制注射管道中的液体和/或注射液中悬浮砂的摩擦降低压裂注射为目的，容易且有效地利用两种粉末状的聚合物成为可能。
[0062]根据本发明的过程进一步可以包括补充阶段，该阶段是对进入混合器的至少一种添加剂进行计量，该添加剂源于为本发明的主题的制备中心。
[0063]根据本发明的过程，压裂液的至少一种成分支撑剂直接引入到混合器中。
[0064]通常使用的支撑剂是，例如，砂或陶瓷。支撑剂不在根据本发明的制备中心制备而是直接注射到混合器中。
[0065]在一种有利的实施方式中，根据本发明的过程的特征在于，所使用的粉末状的丙烯酰胺类聚合物无论其离子性，其颗粒尺寸为0-500 μ m，优选为0-400 μ m，非离子型聚合物的颗粒尺寸优选为0-300 μ m。这使PSU的研磨流速以不变的功率增加成为可能。
[0066]根据一种有利的实施方式，根据本发明的过程的特征在于，丙烯酰胺类聚合物于水化罐中的总体停留时间为20-30分钟，瓜尔胶于水化罐中的总体停留时间为1-10分钟。但是，通过提供聚丙烯酰胺为细粉末，降低必需的功率，能够大大缩短溶解时间。
[0067]在根据本发明的过程的另一种实施方式中，制备的聚合物溶液同时计量进入到混合器中，特别是对于一些中间作业。这种作业使利用瓜尔胶与聚丙烯酰胺关于粘度的协同作用成为可能。更具体地，使用部分的聚丙烯酰胺溶液与瓜尔胶溶液混合以利用增加粘度的协同作用并降低瓜尔胶的消耗。
[0068]任选地，压裂液组合物添加剂，例如，交联剂、延迟效应交联剂、表面活性剂、破乳齐?、阻垢剂、阻蚀剂、杀菌剂或延迟效应氧化剂能通过主要或二次进水系统被计量进入用于分散和研磨聚合物的设备，或无论是直接或经一种和/或其他的独立管道或共同管道被计量进入混合器，独立管道或共同管道来源于正位移真空泵，该正位移真空泵用于计量来源于两系列水化和溶解罐的溶液。
[0069]可设想几种技术方案，计量泵可通过两条独立的管道连接到混合器。在另一种实施方式中，中心通过连接源于计量泵的每个管道的单管提供混合器。这种情况下，可用两种聚合物溶液的混合物或以交替模式用一种或其他的聚合物溶液提供单管。[0070]本发明和由本发明得到的益处将通过以下以附图为支持的实施例得到更清楚的体现。
[0071]图1是根据本发明的一种有利的实施方式的制备中心中的数据流的图解侧示图。
[0072]图2是根据本发明的一种有利的实施方式的制备中心的另一个图解视图。
[0073]该中心的基础由以下组成:
[0074]-标准尺寸的拖车(19)，以净重计，该拖车的运载能力为20-24吨。
[0075]-具有二面脚底的两个平行六面体料斗(1、2)，该料斗包括向前推进产物的螺杆(3、4)。这些料斗由用于具有自动喂料的气动运输提供的约20吨的粉状产物的两个油罐车(17、18)提供。
[0076]-油罐车都装有气动清淤过滤器。每个油罐车和每个料斗特定用于丙烯酰胺类聚合物或瓜尔胶。
[0077]-每个料斗(1、2)通过立式螺杆(5、6)或气动输送提供专属于丙烯酰胺类聚合物和瓜尔胶的两个料斗(7、8)。
[0078]-在每个料斗下，计量螺杆(9、10)，具有用于丙烯酰胺类聚合物的流速为600kg/h，用于瓜尔胶的流速为2000kg/h，计量出这些成分。
[0079]-这些计量螺杆交替地供应有第一聚合物或第二聚合物，润湿的圆锥体位于PSU600 (11)上。通过流量调节器供应水，该流量调节器能控制多达20m3的供应。润湿的圆锥体将涂覆有聚四氟乙烯(Tef1n )以防止拖车在不平稳的地面上时产物粘到壁上。
[0080]-PSU600 (11)使一种或其他粉末在水中分散成为可能并提供有主要流速最多为20m3/h。可调节的二次水最大流速为40m3/h。可在逐案的基础上进行适应。
[0081]-两个大力搅拌的溶解罐(12)串联结合，总容积约3m3，将在第二罐上接收具有高和低水平系统的瓜耳胶悬浮液。
[0082]-两个大力搅拌的溶解罐(13)串联结合，总容积约6m3，将接收丙烯酰胺类聚合物悬浮液。丙烯酰胺类聚合物的颗粒尺寸将适应可能的溶解时间并将是300-500 μ m的顺序。
[0083]-具有最大流速为60mVh的两个计量泵(14和15)由中心控制室控制以便以必要的流速注射丙烯酰胺类聚合物和瓜尔胶到提供高压压裂活塞泵(20)的混合器(26)中。
[0084]-具有计量泵的装有1000升硼酸钠的集装箱(16)预先放置在拖车上以便注入必要的交联剂到瓜尔胶溶液中以保持注射的砂(支撑剂)处于悬浮状态。
[0085]-可在该拖车上安装各种其他的泵，这些泵由单独的拖车上的运输的集装箱提供。
[0086]-含有聚丙烯酰胺和瓜尔胶的两辆加压的粉末油罐车(17、18)将放置在接近制备中心的位置，位于受料料斗(24)上的供应阀的开启或关闭使两个料斗通过高和低水平测量的连续供应成为可能。
[0087]-辅助系统:控制箱(22)、发电机(23)、压缩机、水压机等，使系统连续作业成为可倉泛。
[0088]-支撑剂(21)将直接引入到混合器(26)中。
[0089]这种组合大大简化了成分的配置和计量，使无需排空中间物就可移动结合成为可倉泛。
[0090]此外，消除了瓜尔胶的悬浮，这增加了成分用量和作业结束时在水回流中的处理。
[0091]在保留期望的目的时，本领域的技术人员可以改变不同的参数以便使它们适应具体的情况。特别地，可根据现场的需求使用不同尺寸的PSU。
【权利要求】
1.一种紧凑的且可运输的制备中心，所述制备中心为汽车拖车(19)或集装箱型的制备中心，所述制备中心能够用于气田或油田的压裂作业，能够计量出并溶解两种不同的粉末状聚合物，所述制备中心包括: -两个气动装置，所述两个气动装置分别提供有用于两种独立的聚合物的两个储料斗(1、2)，每个气动装置用于连接到独立的油罐车(17、18)， -用于供应和计量的两个装置，所述两个装置用于将分别源自两个储料斗的聚合物供应并计量到用于通过研磨而分散的设备(11); -用于分散和研磨聚合物的设备，所述设备也称为聚合物切片单元，所述设备包括: ?圆锥体，所述圆锥体用于润湿所述粉末状聚合物，所述圆锥体连接到主进水线路， ?在所述圆锥体的下端: ?分散的聚合物研磨和排水室，所述分散的聚合物研磨和排水室 包括: -电机驱动的转子，所述电机驱动的转子装有刀片， -固定的定子，所述固定的定子由装有薄插槽的圆筒构成， ?所述排水室外围的全部或部分，由二次水路提供的环，所述环与所述排水室相连以确保加压的水喷溅到所述定子的外面，从而能够使场地释放并在所述定子的表面上溶胀聚合物， -用于聚合物水化和溶解的两系列的罐(12、13)，所述罐通过独立的管道连接到分散和研磨设备(11)，所述罐装有搅拌系统； -两个正位移真空泵(14、15)，所述两个正位移真空泵(14、15)用于计量各自源自两系列的水化和溶解罐(12、13)的两种溶液且目的是通过独立的管道或通过单一的管道提供本身连接到高压注射泵(20)的混合器(26)。
2.根据权利要求1所述的制备中心，其中，用于供应和计量聚合物到分散和研磨设备(11)的每个装置都连续包括: -卧式螺杆(3、4)，所述卧式螺杆(3、4)位于构成储料斗(1、2)的底部的二面体的底部，并且所述卧式螺杆(3、4)允许聚合物移动； -立式螺杆(5、6 )，所述立式螺杆(5、6 )提供有中间料斗； -料斗(7、8 )，所述料斗(7、8 )提供有计量螺杆(9、10 ); -计量螺杆(9、10)。
3.根据权利要求1所述的制备中心，其中，拖车(19)或集装箱排除底盘的尺寸为2米40X12米X2.7米高，拖车(19)的重量为20-22吨。
4.根据权利要求1所述的制备中心，其中，所述制备中心进一步包括: -用于添加剂的至少一个附加的储罐(16)； -用于泵送和计量这些添加剂的至少一个附加的装置，所述装置通过主要或二次水供给系统泵送和计量这些添加剂到用于分散和研磨聚合物的设备(11)，或无论是直接或通过一种和/或其他的独立的管道或共同的管道到混合器(26)，所述独立的管道或共同的管道源于正位移真空泵，所述正位移真空泵用于计量源自两系列水化和溶解罐(12、13)的溶液。
5.根据权利要求1所述的制备中心，其中，每系列的溶解罐(12、13)连续地包括两个罐。
6.一种用于气井或油井的水力压裂的方法，所述方法通过注射压裂液到所述井中，所述方法包括以下阶段: -在制备中心中溶解和计量出两种独立的聚合物，所述制备中心是权利要求1-5中任意一项所述的制备中心， -将得到的两种聚合物的溶液引入到混合器中， -将压裂液的一种或多种组成成分引入到混合器中， -通过高压注射泵将所述压裂液注射到所述井中。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述粉末状的聚合物选自由弱离子或非离子共聚物、90/10摩尔％的丙烯酰胺/三甲基氨乙基氯化丙烯酸共聚物、二甲基二烯丙基氯化铵聚合物、N-乙烯吡咯烷酮聚合物、瓜尔胶、黄原胶和改性纤维素组成的组，所述弱离子或非离子共聚物含有0-10摩尔％丙烯酸或具有低含量的磺化单体，所述磺化单体为丙烯酰胺叔丁基磺酸盐。
8.根据权利要求7所述的水力压裂方法，其中，聚合物为丙烯酰胺类聚合物和瓜尔胶。
9.根据权利要求8所述的水力压裂方法，其中，部分聚丙烯酰胺溶液用于与瓜尔胶溶液混合以利用增加粘度的协同效应并减少瓜尔胶的消耗。
10.根据权利要求6所述的水力压裂方法，其中，通过主要或二次水供给系统将添加剂引入到用于分散和研磨聚合物的设备中，或无论是直接或以一种和/或其他的独立的管道或共同的管道引入到混合器中，所述独立的管道或共同的管道源于正位移真空泵，所述正位移真空泵用于计量源自两系列水化和溶解罐的溶液。
11.根据权利要求6所述的水力压裂方法，其中，所述压裂液的至少一种组分支撑剂直接引入到所述混合器中。
12.根据权利要求6所述的水力压裂方法，其中，聚合物中的一种是粉末状的丙烯酰胺类聚合物，无论所述聚合物的离子性，所述聚合物的颗粒尺寸为0-500 μ m，优选为0-400 μ m,并且对于非离子聚合物,颗粒尺寸优选为0_300 μ m。
13.根据权利要求8所述的水力压裂方法，其中，丙烯酰胺类聚合物在一系列水化罐中的总停留时间为20-30分钟，瓜尔胶在一系列水化罐中的总停留时间为1-10分钟。
【文档编号】E21B43/26GK103628852SQ201310314436
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年7月24日 优先权日:2012年8月27日
【发明者】R·匹驰, P·尼克尔斯 申请人:S.P.C.M. 公司