能够在水力压裂中直接利用粉末状聚合物的设备和方法与流程

本发明涉及在水力压裂中聚合物的计量和添加。更具体地，本发明目的是提供一种设备，该设备用于计量和添加在水力压裂中用作减阻剂的聚合物。

背景技术：

水力压裂的目的在于创建额外的水平或者渗透性，并且增加井下天然气和石油生产的表面积。实际上，低渗透性、致密层的自然屏障、由于钻井作业导致的不渗透性极大地限制了碳氢化合物的生产。包含在非常规储层中的天然气和石油在没有任何刺激的情况下，无法轻易从岩层迁移到生产井。

水力压裂的发展曾依赖于采用聚合物以降低表面泵送压力，同时维持井下压裂压力。这被称作减阻现象。

井下压裂要求70至200巴的压力，要用到大量的水。表面泵在平均300-600巴下工作。

添加少量的聚合物，特别是聚丙烯酰胺型，通过强烈增加注射流率可以使破裂发生。

这目前需要10或15次、超过2或3天，注射大量聚合物。这样的数量可能达到10吨一个压裂操作。

为了易于处理，乳液形式的聚丙烯酰胺已使用多年，具有以下缺点：

-运输三倍于活性物质的量的乳液量；

-相对于粉末状聚合物，成本实际上加倍；

-注射碳氢化合物和表面活性剂，受到环保团体越来越多的质疑；

-变浓倾向，在冬天非常寒冷的地区，尽管添加了抗凝剂。

近来，由于成本和效率的原因，已开发了在专用卡车上溶解粉末状聚合物的设备(WO2010/020698)。这适用于，特别是，PowderFrac^TM卡车，所述卡车采用分散/研磨材料，改善这类粉末的悬浮性及其溶解性，并且改善了向搅拌机的泵送性能，其中所述搅拌机用于向活塞泵进行供料，以用于压裂。然而，这种设备昂贵并且需要比较专业的员工。

因此，目前需要一种价格低并且使用简便的用于聚合物计量和添加的设备。

技术实现要素：

本发明涉及能够计量粉末状聚合物的设备，该聚合物在为用于水力压裂作业的喷射泵给料的搅拌机里用作减阻剂。

通常，在水力压裂中公知，搅拌器是能够在水或者盐水中混合聚合物和注射组合物的所有其它组分，例如分散剂、防腐剂、杀菌剂、氧化剂、沙子的槽罐。

此外，聚合物通常在搅拌器中存在大约1分钟。

通常，用于水力压裂的标准聚合物粉末，例如聚丙烯酰胺，粒径0-1mm，分子量很高，溶解时间为1-1.5h。

实际上，经常，聚丙烯酰胺是共聚物，其溶解速率与其组成、分子量和制备方法相关。

聚丙烯酰胺以粉末被带到压裂位置，而不是溶液形式，这导致聚丙烯酰胺以较小的体积运输和操作。众所周知，聚合物应该以其“活性”形式即溶液被使用。为了在使用前将聚丙烯酰胺溶解在溶液中，需要一种特定的装置，例如PSU(聚合物切片机)。它会让聚合物粉末溶解，并且经常用于混配槽以便100％溶解聚合物，如US2014/0054042A1和US2013/292122A1中所述。

意外地，申请人发现，在压裂操作中，足以溶解80重量％到90重量％的聚合物，剩余的10到20％通常通过运输、注射、或者通常位于本发明中计量设备2000至5000米外的压裂管中活塞泵的机械作用来溶解。

因此要解决的技术问题是开发一种计量和溶解聚合物的装置，这种装置能够让80重量％到90重量％的聚合物在被投放到搅拌器中不到1分钟即溶解。

换言之，粉末状聚合物的溶解时间应该比在搅拌器里花的时间短，或者，最多比所述时间长30％。

为了解决这个问题，申请人开发了一种设备(installation)，在这种设备中，聚合物直接从上游计量，并且靠近搅拌器，聚合物的溶解在搅拌器中直接完成。为了达到这一结果，聚合物颗粒大小(粒度测定)从100至500微米，较佳地，从150至300微米。

换言之，本发明的设备除了槽罐之外，不需要采用特定的聚合物溶解装置，特别是，它不需要US2014/0054042A1和US2013/292122A1中所描述的PSU类型的聚合物溶解装置和其混配槽。

换言之，本发明设备在于直接在搅拌器中计量粉末。在计量螺杆和搅拌器之间采用的方案有利地是气力输送，它能够避免溶解于水中后的任何冰冻问题。

通常用16至20吨散装卡车将聚合物运达现场，通过倾斜容器和排空空气压力卸载。聚合物可以其它包装到达现场，例如在大袋中，将根据物流条件进行调整。

换言之，本发明目的在于提供一种计量和溶解粉末状聚合物的设备，其中聚合物的粒径为100至500微米，旨在为水力压裂操作中的注射泵供料，除了连接软管，还依次包括：

-粉末状聚合物供应源，来自通过气力输送卸载的大袋或者加压倾斜卡车；

-用于输送通过压缩机进料的粉末状聚合物的装置，并且所述装置配有聚合物输送止逆阀；

-用于接收粉末状聚合物的料斗，所述料斗具有高位和低位，并且所述料斗装备有脉冲射流清洗滤尘器，和根据高和低位控制止逆阀和压缩机的装置；

-用于计量粉末状聚合物的螺杆加料器，所述加料器位于在所述料斗的下端，并且所述螺杆装备有能够被远程控制的变速电动机；

-搅拌器，其中所述聚合物在所述搅拌器中溶解，较佳地，至少80％的聚合物被溶解，更佳地，80-90％的聚合物被溶解，并且最好在小于1分钟之内。

根据本发明和如下文所示，计量螺杆或者直接将聚合物加到搅拌器或者通过配备至少一个压缩机的管(软管)。这套设备在计量螺杆和搅拌器之间不包含任何聚合物溶解装置。

在第一实施方式中，料斗位于搅拌器旁侧。在实践中，它接近卡车或者大袋。在这种情况下，该设备进一步包括将粉末状聚合物从计量螺杆运输到搅拌器的装置。这种运输装置较佳地包括喷射嘴、进料的压缩机、和运输软管组成。从而，粉末状聚合物通过运输软管被送入20-50米外的搅拌器。

根据这个第一实施方式，有落灰尘的风险，特别是在有风的情况下。为避免这一点，设备可以进一步地包括在运输软管自由端的布置：

-或者用于润湿粉末状聚合物的系统，包括管和喷雾嘴；

-或者带有粉出口供料机的接收料斗，以避免由于输送用空气导致的粉末分散；

-或者是旋风过滤器。

因此，当到达搅拌器上方时，粉末可能是：

-或者直接喷射进搅拌器；

-或者被喷雾嘴润湿；

-或者当其通过配有供料机或者旋风过滤器的接收料斗时被处理以避免由于输送用空气导致的粉末分散。

在第二实施方式中，料斗位于搅拌器上方。在这种情况下，螺杆和搅拌器之间的运输装置是不需要的。在实践中，通过气力输送从卡车连续地向料斗进料，并且粉末从料斗计量，例如，采用旋转加料器。可选地，料斗配有过滤器以避免粉末聚合物颗粒与大气接触。

根据该第二实施方式，所述设备可以进一步地包括与前述相同的粉末状聚合物润湿系统。

本发明的另一方面涉及一种采用上述设备计量和溶解粒径为100至500微米的粉末状聚合物的方法，该粉末状聚合物供料给地下岩层水力压裂作业中的注射泵。

根据本发明的地下岩层水力压裂方法，包括步骤：

-将颗粒粒径为100至500微米的粉末状聚合物输送到运输粉末状聚合物的装置，然后输送到本发明设备中用于接收粉末状聚合物的料斗；

-计量以后，将粉末状聚合物供料到搅拌器；

-通过在搅拌器中将粉末聚合物溶解形成混合物，使至少80重量％的粉末状聚合物，较佳地，至少90％，在不到1分钟内溶解，实际上在80到90％之间；

-将获得的混合物注射入地下岩层。

到达搅拌器时，粉末聚合物可能是：

-或者直接喷射进搅拌器；

-或者被用于润湿粉末状聚合物的系统润湿，所述系统包括安装在运输软管自由端的管和喷雾嘴；

-或者当其通过配有供料机或者旋风过滤器的接收料斗时被处理以避免由于输送用空气导致的粉末分散。

正如已经讨论，选择标准是让粉末状聚合物的溶解时间短于在搅拌器中花的时间，或者至多比所述时间多30％。

本发明方法可以进一步包括将水力压裂注射组合物的其它原料，例如分散剂、防腐剂、抗菌剂、氧化剂，沙子加入到搅拌器的步骤。添加通常连续进行以获得均质混合物。

有利地，根据本发明使用的粉末状聚合物包括至少一种非离子单体，其选自下组：丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸羟烷基酯、甲基丙烯酸羟烷基酯、N-乙烯基吡咯烷酮，N-乙烯基甲酰胺和聚甲基丙烯酸乙二醇酯。较佳地，非离子单体是丙烯酰胺。

可选地，根据本发明所使用的粉末状聚合物可以包括阴离子单体，其选自下组：丙烯酸、甲基丙烯酸、烯丙基磺酸、2-丙烯酸胺基-2甲基丙烷磺酸，以游离酸或其盐的形式。

可选地，根据本发明所使用的粉末状聚合物可以包括至少一种阳离子单体，其选自下组：季胺化或成盐形式的丙烯酸二甲胺基乙酯(ADAME)；季胺化或成盐形式的甲基丙烯酸二甲胺基乙酯(MADAME)、二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)、丙烯酰胺丙基三甲基氯化铵(APTAC)和甲基丙烯酰胺丙基三甲基氯化铵(MAPTAC)。

本发明所使用的聚合物分子量在100万至3000万道尔顿，较佳地，500万至2500万道尔顿，更佳地，1500万至2500万道尔顿。

较佳地，所使用的聚合物是丙烯酰胺(共)聚物。

通过为阐述本发明提供的下列非限制性的附图和实施例将更好地体现本发明和所产生的优点。

附图说明

图1显示根据本发明的具体实施方式的水力压裂法中运输、计量、溶解和注射粉末状聚合物的步骤。

图2A显示根据本发明的具体实施方式的水力压裂法中润湿添加进搅拌器的粉末状聚合物。

图2B显示根据本发明的具体实施方式的水力压裂法中将聚合物供料至搅拌器。

图3显示根据本发明的具体实施方式的水力压裂法中运输、计量、溶解和注射粉末状聚合物的步骤。

具体实施方式

根据本发明设备可以描述如下。

图1对应第一实施方式。

通过压缩机3提供的压力卸载带有倾斜式压力容器2的散装运输卡车1，通过由料斗5的高和低位6控制的开关阀4进入到料斗5。计量通过装备有变速电动机8的计量螺杆7完成，变速电动机8通过中央控制室控制。

通过压缩机10进料的喷射嘴9通过运输软管将粉末送至搅拌器11。搅拌器11装配有适于注射泵13的增压泵12。

在搅拌器11中，粉末状聚合物方便地在1分钟内溶解。注射组合物的其它组分可以被加入。

在这种情况下，搅拌器11可以通过下列方式进料：

-或者通过润湿系统，其中粉末在管中14进料，并且通过来自喷雾嘴15的水或者盐水润湿(图2A)；

-或者通过能使空气和通过校准管喷射进搅拌器的粉末分离的旋转过滤器16(图2B)。

图3对应于第二实施方式。

卡车1用压缩机3将容器卸载，通过高和低位6控制的阀4进入到位于搅拌器上方的料斗5。装备有变速电动机8的计量螺杆7通过主控制室控制。

本发明计量设备具有如下优势，它都可以：

-替代乳剂，其中本发明以较低的成本和较高的质量进行替代；

-替代在注入搅拌器之前就置于溶液中的粉末聚合物，其中需要更沉重并且更昂贵的设备。

寻找应用上述方法的类似方式属于本领域技术人员的能力范畴。