裂隙水的处理方法和系统的制作方法
【专利说明】裂隙水的处理方法和系统
[0001]本申请是于2013年3月15日申请的美国申请13/832,759号的PCT，美国申请13/832，759号是于2012年8月24日申请的美国申请13/594，497号的部分的延续，美国申请13/594，497号请求于2012年7月27日申请的美国临时申请61/676，628号的优先权。本申请也请求于2013年I月29日申请的美国临时申请13/753，310号的优先权。
技术领域
[0002]本发明涉及处理用于液压地导致径井(hydrocarbon well)(例如，深油页岩沉积层)中通道或裂隙(fracture)或裂纹(fissure)的产生的回流和采出水和其他成分的工艺步骤和设备。
【背景技术】
[0003]在过去的几个世纪中，人们已经尝试了不同的方法以利用和使用天然产生的烃化合物(compound)的内在属性以提升人们的生活方式并且应付许多生存的挑战。在超过两千年的时间里，伊拉克的基尔库克的“燃烧的沙(Burning Sands) ”向库尔德人部落提供热量，热量来自于从深层的地质地层向上渗出到地球表面的甲烷气体，这些甲烷气体将被点燃并且连续地燃烧到今天。同样，在宾夕法尼亚州和加利福利亚州的原油的表面渗出物被美籍印度人用于他们在北美的水路上旅游所用的划艇的防水。这仅是人们利用天然气和原油改善他们生活方式的两个早期的示例。
[0004]Drake于19世纪末在宾夕法尼亚州对浅层原油的成功钻取标示着人们在很大程度上由在发掘、制造和精炼天然产生的气态和液态烃化合物中取得的快速前进所驱动的经济发展的最好时期的开始。它们现在被用于运输燃料、电力生产、润滑剂、石化用品和我们现在每天生活中使用的数以千计的其他产物和应用中。我们现在所称的“石油工业”的起源和发展是有助于世界经济的建立和惊人增长的主要因素和使之成为可能的驱动力。这个经济发展时期被称为“工业革命”。
[0005]在这个时期，很多新的油田在世界的很多地方被发现，并且由于持续地被发现到21世纪的石油衍生品的很多新的用途，对原油和石油产物的需求的增长以极大地速度增长。整个这个阶段，石油工业找到了许多新的油田或大的沉积层(deposits)或储集层(reservoir)，它们传统地变化了液气化合物的径的混合物(两者均在全球各个水体的近海和陆地上)。同时，石油工业还发现了大量重烃化合物和轻烃化合物的混合物的存在，它们结构上是非传统的并且材料基质(matrix)非常缠绕以至于包含在其中的烃分子化合物不能够被经济地提取。
[0006]这些非传统的烃化合物源被落入两个完全不同的类别。第一类是“重”或长链烃分子化合物，比如加拿大的油沙沉积层和加州Bellridge区域、或者Kern河中的重油沉积层、或者委内瑞拉的Orinoco河三角区域的重油带、或者墨西哥的Mayan油，在墨西哥，采出的重油极度粘稠并且在环境温度下处于半固体状态。在这些情况中，倾点或粘度降低是非常重要的。第二类是“轻”或“短链”烃分子化合物，它们被捕获在整个美国和世界上许多其他地区的多个页岩沉积层中。
[0007]在世界上的一些国家，即西班牙、爱沙尼亚和巴西，有大量的但浅的油页岩沉积层，在那里，这些国家不具有传统原油的大的沉积层或储集层。因此，用于提取页岩油或油母岩质的“强力”方法通过在高温加压蒸馏罐中加热页岩石来实现。这种实践早在19世纪20年代就开始了。提取的油母岩质或页岩油燃料然后在火炉中被燃烧，以起到加热的目的，以及用于柴油或其他内燃机的运输燃料。提取的油母岩质与从传统的原油精炼厂生产的常规等级的汽油或石油具有大致相同的b.t.u.燃料值和燃烧特性。这些国家还不具有所需量的硬通货币或美元以购买国际商品市场上的传统的原油，但它们的确具有大量的页岩石(虽然从这些页岩沉积层提取的页岩油或油母岩质的量少于页岩石自身的重量的百分之四，留下约百分之九十五的页岩石为废料)。热的可凝缩烃化合物在传统的凝缩热交换器单元中被液化，并且变成油母岩质燃料。不能凝缩的烃(主要是甲烷)则被燃烧并且仅被释放到大气中。所有的这些短链或轻的烃化合物被捕获或被密封在油页岩材料基质结构中，并且当被加热时，在压力下，它们从该基质以气相的形式被释放或放出。
[0008]在美国，在许多地区找到了油页岩石沉积层，并且它们中的大部分都位于地面以下五千至一万英尺的深层沉积层中。早至1920年以前，就有许多尝试以从分层的页岩地层(format1n)中开采或提取油母岩质油。虽然页岩油被证明是非常合适的烃产物，但其生产成本远超出了类似产物的市场价格，因此这种情形被证明是不经济的。在那时，额外的发展和投入也没有被论证。
[0009]所有的这些因素和状况在过去的几年中得到了显著地改变，主要是由于两个具体技术的快速开发和发展。这些具体的技术的第一个是谨慎可控制和可操纵的定向钻探技术，这种技术允许钻机能够在开始竖直地钻探，然后在钻探到预定深度时被控制或操纵以旋转到水平位置。这种钻探可然后在页岩地层中继续水平地钻探井孔一段相当的距离。第二个最重要的技术发展是对旧的工艺的应用，即液压地压裂旧的竖直油井的实践，以增加流动率以及促进对旧的油井的进一步刺激并由此延长正在枯竭的油田的经济寿命。
[0010]在过去的几年，很多不同的技术被开发并实施，以尝试去延长旧油田和更多的成熟的油田的生产寿命。注水是用于保持正在枯竭的油田中的储集层水池压力的实践，以及注入加压的甲烷气体(当可用并且没有被燃烧)以得到相同的结果。另一种被尝试的技术是使用爆炸物的“成形装药(Shaped charges)”，该爆炸物策略性地置于井筒(wellcasing)中，从而它们能够在井孔中的产油层(pay zone)区域中爆炸，并且这些爆炸的力穿过筒壁并且导致裂隙和裂纹被打开。
[0011]用于EOR(提高的石油采收率)的这些方法在很多年来都是石油工业的规范。然而，一些石油公司担心使用爆炸物作为延长正在枯竭的油田的生产寿命的方法中的危险，并且，在1940年代后期，开始实践使用高压水和沙的混合物以在产油层区域产生裂隙和裂纹。这种技术被发展以增加油井中的流动率，并且还用于在不使用爆炸物的情况下延长正在枯竭的油井和成熟的油井的生产寿命。在旧的产油层中液压地打开新的通道使得液态和气态的烃在井底压力下自由地向上流动至地面以被收集为原油和汽油产物更容易。
[0012]也在这个时期，通过使用修井钻机以清理由于沥青或石蜡化合物的堆积而导致的具有限制烃的流动的旧的油井筒的实践被广泛地应用。
[0013]所有这些类型的激励油井的实践的使用，以及其他提高石油采收率的技术的使用，延续了很长一段时间并且在这段时间中做出了很多改进。这些改进之一是协助海岸和近海的越来越深的油井的钻探所需的更强的和更大容量的重晶石泥浆泵。这些油井中的一些在水中钻探超过八千英尺深，进一步的钻探深度增加了超过两万英尺的深度，并且因此还需要扩大液压压裂泵的容量并且增加液压压裂泵的压力能力水平。
[0014]多个大的油页岩地层的沉积层的发现加上新发现的可操纵的定向钻探能力的技术，与使用高压液压压裂设备的能力相耦合，允许业界使用这些新的压裂技术继续下去。它们能够在深的页岩地层中定向(竖直地和水平地两者)钻探，并且然后液压地压裂该地层以释放包含在页岩基质材料地层中的气态和液态的烃。这些新的技术导致了世界现在如何在全球能源商品市场中估价液态和气态的烃的经济“突变”。
[0015]然而，在当液压压裂应用变得越来越广泛的时间段期间，从技术和操作的角度来说，它的增长是以非常偶然地、碰巧地、特设地方式进行的。许多做出的改进是不科学地开发的试验和错误地尝试改善油井的生产率以及试图延长已有的油田的经济寿命的结果。所有这些都是在没有完全检查或理解对这些改进的需求背后合理的科学理由的情况下完成的。这种在视图解决特定的工艺问题的不科学的方法的最好的示例，就是在液压压裂工艺中不同类型的支撑剂的使用和适当的选择中发生了什么。
[0016]在完成了最初的加压水压裂后，如果要实现产出的烃的流动率的期望的增加，则需要强大的支撑剂材料保持在由加压水技术所产生的裂纹和裂隙中。支撑剂是“向上支撑”地层中新的开口或裂缝(crack)所选择的方式，从而它们将继续保持新的裂隙和裂纹打开，并且允许烃化合物自由地流动进入井孔中，从而它们能够通过井口的控制设备排出。
[0017]在没有足够强并且具有正确的尺寸以保持裂纹持续地打开的合适的支撑剂的情况下，井的生产率将快速降低，因为支撑剂变细并且更软的材料颗粒填满了裂纹。这将降低烃的流动率并且最终阻碍烃流动进入井孔。具有不同成分、形状和尺寸的许多类型的沙和诸如氧化铝等的其他类型的支撑剂材料被测试。
[0018]这里关键的问题在于应该用于液压压裂工艺的合适的支撑剂是实现并保持在能够实现液压压裂工艺的全部优点的加压水压裂的通道中所需的合适的“空隙比(voidsrat1) ”的单个最重要的因素。
[0019]虽然这些考虑在具有选择好的产油层的竖直钻探的油井中的液压压裂中是重要的，但当在水平地成层的油页岩地层中应用液压压裂工艺时，这些考虑更为关键和重要。作为“页岩气革命”的重要性的结果，我们现在刚开始学习更多并理解更多关于各种类型的页岩地层的本质和特征。
[0020]油页岩是很长时期以前主要以碳酸钙、碳酸钠、碳酸氢钙、石英以及土壤材料和其他化合物的形式沉积的沉淀形式的沉积层，当这些油页岩形成时，这些化合物变得被捕获在材料的基质中，并且最终沉积在我们今天所知的页岩地层中。许多油页岩地层跨过地球中的构造断层线，并且由此它们的构造是不连续的。一些油页岩地层在竖直和水平平面上稍微倾斜。结果，线缆跟踪(wire line tracking)和三维地震分析变成页岩气探索和发展过程的重要部分。
[0021]回顾过去，意识到并重视具有合适的构造和尺寸的支撑剂在最优地提取和生产气态和液态的烃化合物中实现的关键功能是重要的，其中气态和液态的烃化合物是对油页岩沉积层进行液压压裂的产物。这个事实在石油工业中并没有被完全地理解到或意识到，直到二十一世纪的开始。到二十世纪的末期，石油工业已经在正在生产的油井上使用液压压裂技术用于提高石油采收率和油井激励超过五十年。在进入二十一世纪以前所实施的所有这些液压压裂操作都是设计用于延长已有的竖直钻探的油井的生产寿命或者对于已经完成的油井实现更大的烃的流动率。所有的这些液压压裂操作都在竖直钻探的油井中实施，并且压裂成分主要是沙的产油层，并且在井底温度和压力的条件下产生流动的液态和气态的烃。所有的都是具有相对高的渗透性和多孔性值或良好的空隙率的特征的沙的形式。
[0022]在可操纵的竖直和水平钻探设备以及非常高的压力压裂泵(一些人称为“增强器(intensifiers)，，)的一起引入的情况下，石油工业应用了与在竖直的油井液压压裂操作中已经成功地开发并使用的相同的液压压裂技术，并且将相同的过程应用到在深的页岩地层中水平地钻探的井孔，但结果差强人意。一些油页岩地层比另一些更多产，并且尝试了大量的方法以试着增加被包围的烃的量，所被包围的烃通过液压压裂被释放。化学试剂被添加以试着控制妨碍烃的流动的水生微生物的生长，化学试剂还被添加以控制腐蚀和结壳。还添加了减少表面张力的化学试剂以试着使得压裂水更能够穿透由高压水产生的裂纹。这些步骤的一些组合在油页岩的一个区域比在另一个油页岩地层中应用和采取的相同的步骤更成功，尤其是在于最终从给定的油页岩沉积层中的特定量的烃含量提取的烃产物的量的百分比的差别。
[0023]直到今天，业界才开始意识到石油技术的传统原理不能被完全地应用到对从矿物岩石地层提取捕获的液态和气态的烃的新开发的尝试，这种尝试允许这些烃甚至在深的高温高压位置中自由地流动。石油工程师然后转向应用对矿物地质学的硬岩力学的检查的原理，以寻求对这些问题的全面的分析和可理解的答案。近来，研宄结果证明，所有的页岩地层都可以被分类，并且可以被大致分为两个不同的可测量并且可识别的类别，这些类别是“软页岩”或“硬页岩”。见，例如 Denney, Dennis.(2012 March).Fracturing-Fluid Effectson Shale and Proppant Embedment.JPT.pp.59-61。测试规范是基于测量给定材料在压裂前和压裂后的杨氏模量的值或应力/应变的原理。所述测试测量了在施加了特定的应力水平后矿物的纳米压痕(nano indentat1n)。硬的页岩记录了低的纳米压痕值，而被测试的软的页岩测量出了高的压痕值。硬的页岩的主要具有二氧化硅、碳酸钙、方解石和石英以及胶质粘土的成分；而软的页岩具有碳酸氢钠、苏打石和胶质粘土的成分。
[0024]准确地确定油页岩的真正的矿物特征的能力在选择优化或最大化从特定的页岩地层或沉积层最终采收烃成分所需的最好的操作技术中非常重要。在经历了相同的浸泡时间段的相同水平的液压水压力后，软的油页岩地层的反应与硬的油页岩地层的反应不同。在高的液压压力下，硬的油页岩产生裂纹或通道，这些裂纹或通道的穿透长度相对较短并且这些裂纹或流动通道的剖面直径相当小。另一方面，软的油页岩在相同的高液压压力和浸泡时间下产生相比于从硬的油页岩地层中的材料的液压压裂中所得到的长度更长并且剖面直径相对来说更大的裂纹。
[0025]除了控制微生物的生长和防止水垢(scale)结壳和“光滑(slick) ”的供水，从给定的页岩地层地区提取最多或最佳量的烃的操作能力中最重要的因素是被压裂水带入裂隙区的支撑剂的合适的尺寸和类型的选择。如果将被压裂的页岩是硬的页岩，则支撑剂必须足够小从而使其能够被带入硬的页岩压裂操作导致的小直径的裂纹中，并且支撑剂必须足够强以能够保持通道或裂纹打开足够长的时间，以允许所包含的液态和气态烃产物在井孔中水平地和竖直地自由流动，从而在被释放到地面设施后能够采收。如果所使用的支撑剂对于小直径尺寸的裂纹过大，支撑剂将不能够穿透进入裂纹并且保持在那里，以保持裂纹通道打开，能够被采收的产出的烃的量将显著减少。替代地，如果操作是在软的页岩地层中的液压压裂，具有合适的尺寸的支撑剂的直径应该比适于用在硬的页岩的支撑剂更大。这将允许支撑剂被带入软的页岩的液压压裂产生的更大直径的裂纹中。更小尺寸的支撑剂将没那么有效，并且这将导致可产出的烃产物的量的显著减少。
[0026]现在，我们有关于在各种类型的油页岩地层的区别的更科学地测量数据，业界现在更清楚地