使用壓裂流體混合物來(lái)壓裂地層的方法
【專利摘要】一種使用包含天然氣和基礎(chǔ)流體的壓裂流體混合物來(lái)壓裂儲(chǔ)層中的地層的方法，包括如下步驟：確定包含地層的儲(chǔ)層的某些儲(chǔ)層條件；選擇在經(jīng)確定的儲(chǔ)層條件下在地層的壓裂操作期間壓裂流體混合物的至少一種期望行為；確定為實(shí)現(xiàn)經(jīng)選擇的至少一種行為所需的壓裂流體混合物的性質(zhì)，其中經(jīng)確定的性質(zhì)包括混合物中天然氣的摩爾分?jǐn)?shù)；制備具有經(jīng)確定的性質(zhì)的壓裂流體混合物；以及在確定的儲(chǔ)層條件下將壓裂流體混合物注入儲(chǔ)層中，使得混合物在壓裂操作期間表現(xiàn)出期望行為。
【專利說(shuō)明】使用壓裂流體混合物來(lái)壓裂地層的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)要求于2011年I月17日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/433,441的利益，并且該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過(guò)參弓I并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總體上涉及使用壓裂流體混合物來(lái)壓裂地層的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]水力壓裂是用于改善現(xiàn)有井、低效率井、新井和不再生產(chǎn)的井的生產(chǎn)的常用技術(shù)。在專用設(shè)備中將壓裂流體與壓裂支撐材料混合，然后將其泵送通過(guò)井筒并泵送到包含待生產(chǎn)烴類材料的地下地層中。在足以壓裂地下地層的高壓下完成攜帶支撐材料的壓裂流體的注入。壓裂流體將支撐材料攜帶到裂縫中。在完成流體和支撐劑注入后，降低壓力，支撐劑使裂縫保持打開(kāi)。然后使井涌出以移除裂縫和地層中的壓裂流體。在移除足夠的壓裂流體之后，利用通過(guò)所建立裂縫體系的改善的流動(dòng)開(kāi)始或恢復(fù)井中的生產(chǎn)。在一些情況(例如從煤層甲烷沉積物中回收天然氣)下，不使用支撐劑并且壓裂地層的簡(jiǎn)單作用足以提供期望的生產(chǎn)改善。不能從地層中移除足夠的壓裂流體會(huì)阻斷烴的流動(dòng)并且顯著降低所放置的裂縫的有效性。
[0005]壓裂流體的選擇非常重要并且取決于處理的目標(biāo)和期望。適當(dāng)選擇的流體會(huì)是成本有效的、能夠在表面處混合并加壓、可靠地將支撐劑攜帶到裂縫中、使地層孔隙中的損害和阻斷最小化、在回收期間在地面容易操作、并且使總體操作的環(huán)境影響最小化。選擇最佳地滿足這些有時(shí)相矛盾的需求的壓裂流體是困難的，所以必須小心。為了在廣泛的情況和需求下最佳地滿足這些要求，公開(kāi)了主要在添加和不添加氣相(例如氮?dú)饣蚨趸?的情況下以水和烴類流體為基礎(chǔ)的多種壓裂流體和壓裂流體混合物來(lái)完成水力壓裂。
[0006]將氮?dú)饣蚨趸寂c油基壓裂流體或水基壓裂流體一起使用可提供一系列益處。這些氣體的存在改善或加快了地層中壓裂流體的移除，從而實(shí)現(xiàn)了壓裂處理更好的有效性。另外，這些氣體降低了基礎(chǔ)壓裂流體的密度，從而允許沿井筒的改善的流動(dòng)，再次改善或加快了壓裂流體的移除。氮?dú)饣蚨趸寂c基礎(chǔ)壓裂流體之間的相互作用可改變基礎(chǔ)流體的物理性質(zhì)，這包括降低混合物粘度、使相對(duì)滲透作用最小化和降低表面張力。這些作用導(dǎo)致了地層孔隙內(nèi)壓裂流體改善的流動(dòng)性，壓裂流體改善的回收和更優(yōu)的生產(chǎn)。在烴基流體的情況下，氮?dú)饣蚨趸伎梢员容^便宜并且提供了成本有效的體積替換，從而降低了處理成本。雖然水的獲得是廉價(jià)的，但是它需要非常大的成本來(lái)處置回收流體并且可具有與其消耗、操作、再循環(huán)或回收后處置有關(guān)的負(fù)面環(huán)境影響。另外，氮?dú)饣蚨趸伎赏ㄟ^(guò)降低所使用、回收和需要處置的流體的體積而提供益處。
[0007]然而，使用基于氮?dú)饣蚧诙趸嫉膲毫蚜黧w可對(duì)水力壓裂工藝具有有害作用。在壓裂流體回收期間，氮?dú)饣蚨趸嘉廴舅a(chǎn)生的天然氣，并且在不加工以移除污染物的情況下，需要燃燒或排放氮?dú)饣蚨趸贾敝辆a(chǎn)流體流中壓裂氣體的濃度足夠降低使得所產(chǎn)生的井液流可商業(yè)化為止。在該時(shí)期內(nèi)天然氣組分的燃燒和排放消耗了該液流同時(shí)還對(duì)環(huán)境造成破壞。
[0008]二氧化碳在水基流體和烴基流體中具有化學(xué)活性。二氧化碳在水中的溶液形成碳酸，其需要經(jīng)常添加粘度形成化學(xué)品的替代品。此外，增加的水酸度可與地層中的礦物相互作用而導(dǎo)致壓裂處理的破壞和有效性降低。在回收時(shí)，所形成的碳酸還促進(jìn)地面設(shè)備和管線的腐蝕。在烴基流體中，二氧化碳的添加削弱了粘度形成化學(xué)品的有效性，并且可能導(dǎo)致用于建立裂縫并將支撐劑攜帶到裂縫中的流體的不良性能。氮?dú)庠谒后w和烴基液體中的惰性比二氧化碳大得多，但是其在注入之前就氣化并且經(jīng)常導(dǎo)致流體靜水壓力減小、地面設(shè)備和輔助設(shè)備的注入壓力增加或井筒設(shè)計(jì)改變以接受更高的注入壓力。此外，氮?dú)饣蚨趸嫉膩?lái)源經(jīng)常遠(yuǎn)離井并且合適地供應(yīng)這些氣體可使其應(yīng)用對(duì)于優(yōu)良的井經(jīng)濟(jì)效益而言太過(guò)昂貴。在必須對(duì)有效促進(jìn)較不高產(chǎn)儲(chǔ)層(例如致密氣和頁(yè)巖氣)所需的許多大裂縫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性地生產(chǎn)的情況下尤其是這樣。對(duì)于這些挑戰(zhàn)，工業(yè)需要更好的解決方案以使從油和氣層中的生產(chǎn)最大化、減少或消除水使用并且消除排放和燃燒。解決方案必須是成本有效的并且最小程度干擾的，從而允許快速且有效地實(shí)施和利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種使用包含天然氣和基礎(chǔ)流體的壓裂流體混合物來(lái)壓裂儲(chǔ)層中的地層的方法。所述方法包括如下步驟:確定包含地層的儲(chǔ)層的某些儲(chǔ)層條件；選擇在經(jīng)確定的儲(chǔ)層條件下在地層的壓裂操作期間壓裂流體混合物的至少一種期望行為；確定為實(shí)現(xiàn)經(jīng)選擇的至少一種行為所需的壓裂流體混合物的性質(zhì)，其中經(jīng)確定的性質(zhì)包括混合物中基礎(chǔ)流體的組成和混合物中天然氣的摩爾分?jǐn)?shù)；制備具有經(jīng)確定的性質(zhì)的壓裂流體混合物；以及在經(jīng)確定的儲(chǔ)層條件下將壓裂流體混合物注入到儲(chǔ)層中，使得所述混合物在壓裂操作期間表現(xiàn)出期望行為。所述儲(chǔ)層條件可包括:儲(chǔ)層壓力、儲(chǔ)層溫度、壓裂壓力和回收壓力。壓裂流體混合物的經(jīng)選擇的期望行為可選自:相行為、界面張力、粘度和溶解的天然氣含量。壓裂流體混合物的經(jīng)確定的性質(zhì)可還包括注入壓力和注入溫度。
[0010]所述基礎(chǔ)流體可包含烴類井維修流體。在這種情況下，烴類井維修流體可包含烷烴基烴類液體和芳族基烴類液體中的一者或兩者?；A(chǔ)流體還可包含支撐劑和增粘劑中的一者或兩者。另外，天然氣可包含甲烷、或者甲烷與一種或多種氣態(tài)烴(選自乙烷、丙烷、丁烷和戊烷)的混合物或者甲烷與一種或多種惰性氣體(選自二氧化碳和氮?dú)?的混合物?；旌衔镏刑烊粴獾哪柗?jǐn)?shù)可介于4mol%至90mol%之間。
[0011]當(dāng)經(jīng)選擇的期望行為是相行為時(shí)，所述方法在一方面還可包括:確定壓裂流體混合物的相包線，所述混合物中具有經(jīng)選擇的摩爾分?jǐn)?shù)的天然氣；以及在經(jīng)選擇的注入壓力和注入溫度下將壓裂流體混合物注入到儲(chǔ)層中，使得所述混合物包含液相基礎(chǔ)流體和氣相天然氣，所述氣相天然氣在經(jīng)注入的混合物進(jìn)入地層時(shí)完全溶解于基礎(chǔ)流體中，并且其中，至少一些所述氣相天然氣在回收期間不溶解于基礎(chǔ)流體中。在該方面中，注入壓力和注入溫度可選擇為使得混合物在注入到井中時(shí)低于混合物的泡點(diǎn)并且高于混合物的露點(diǎn)。替代性地，注入壓力和注入溫度可選擇為使得混合物在注入井中時(shí)高于混合物的泡點(diǎn)和露點(diǎn)。
[0012]當(dāng)經(jīng)選擇的期望行為是相行為時(shí)，所述方法在另一方面還可包括:確定壓裂流體混合物的相包線，所述混合物中具有經(jīng)選擇的摩爾分?jǐn)?shù)的天然氣；以及在經(jīng)選擇的注入壓力和注入溫度下將壓裂流體混合物注入到儲(chǔ)層中，使得所述混合物包含液相基礎(chǔ)流體和氣相天然氣，至少一些所述氣相天然氣在經(jīng)注入的混合物進(jìn)入地層時(shí)和回收期間不溶解于基礎(chǔ)流體中。在該方面中，注入壓力和注入溫度可選擇為使得混合物在注入井中時(shí)低于混合物的泡點(diǎn)并且高于混合物的露點(diǎn)。
[0013]當(dāng)經(jīng)選擇的期望行為是相行為時(shí)，所述方法在又一方面還可包括:確定壓裂流體混合物的相包線，所述混合物中具有經(jīng)選擇的摩爾分?jǐn)?shù)的天然氣；以及在經(jīng)選擇的注入壓力和注入溫度下將壓裂流體混合物注入到儲(chǔ)層中，使得所述混合物包含氣相天然氣和液相基礎(chǔ)流體，所述液相基礎(chǔ)流體在經(jīng)注入的混合物進(jìn)入地層時(shí)和回收期間完全溶解于天然氣中。
[0014]在該方面中，混合物中天然氣的摩爾分?jǐn)?shù)可介于80mol%至99mol%之間，并且注入壓力和注入溫度可選擇為使得混合物在其注入井中時(shí)并且在儲(chǔ)層溫度和儲(chǔ)層壓力下高于臨界溫度。
[0015]當(dāng)經(jīng)選擇的期望行為是相行為時(shí)，所述方法在又一方面還可包括:確定壓裂流體混合物的相包線，所述混合物中具有經(jīng)選擇的摩爾分?jǐn)?shù)的天然氣；以及在經(jīng)選擇的注入壓力和注入溫度下將壓裂流體混合物注入到儲(chǔ)層中，使得所述混合物包含液相基礎(chǔ)流體和氣相天然氣，所述氣相天然氣在經(jīng)注入的混合物進(jìn)入地層、與儲(chǔ)層條件平衡時(shí)并且直至回收前完全溶解于基礎(chǔ)流體中。注入之后和回收之前，所述井可關(guān)閉經(jīng)選擇的時(shí)間段。
[0016]當(dāng)經(jīng)選擇的期望行為是粘度時(shí)，所述方法還可包括確定對(duì)于壓裂操作期間混合物的期望粘度需要的混合物中天然氣的摩爾分?jǐn)?shù)。
[0017]當(dāng)經(jīng)選擇的期望行為是表面張力時(shí)，所述方法還可包括確定對(duì)于壓裂操作期間混合物的期望表面張力需要的混合物中天然氣的摩爾分?jǐn)?shù)。
[0018]當(dāng)經(jīng)選擇的期望行為是溶解氣體含量時(shí)，所述方法還可包括確定對(duì)于壓裂操作期間混合物的期望溶解氣體含量需要的混合物中天然氣的摩爾分?jǐn)?shù)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的用于將壓裂流體混合物注入到井筒地層中的設(shè)備的示意性平面視圖。
[0020]圖2是圖示使用壓裂流體混合物和圖1所示的設(shè)備來(lái)壓裂地層的方法的步驟的流程圖。
[0021]圖3是對(duì)于壓裂流體混合物不同組成的泡點(diǎn)壓力的圖。
[0022]圖4是根據(jù)第一實(shí)施方式的包含42API烴類井維修流體與80mol%甲烷的壓裂流體混合物的相包線以及在地層壓裂方法期間該壓裂流體的壓力與溫度的圖。
[0023]圖5是根據(jù)第一實(shí)施方式的包含59API烴類井維修流體與80mol%甲烷的壓裂流體混合物的相包線以及在地層壓裂方法期間該壓裂流體的壓力與溫度的圖。
[0024]圖6是根據(jù)第一實(shí)施方式的包含59API烴類井維修流體與60mol%甲烷的壓裂流體混合物的相包線以及在地層壓裂方法期間該壓裂流體的壓力與溫度的圖。
[0025]圖7是示出對(duì)于壓裂流體混合物不同組成的59API烴類井維修流體的天然氣飽和粘度的圖。
[0026]圖8是圖示對(duì)于壓裂流體不同組成的甲烷飽和正癸烷的界面張力的圖。[0027]圖9是根據(jù)第二實(shí)施方式的包含59API烴類井維修流體與80mol%甲烷的壓裂流體混合物的相包線以及在地層壓裂方法期間該壓裂流體的壓力與溫度的圖。
[0028]圖10是根據(jù)第三實(shí)施方式的包含烴類井維修流體與95+mol%甲烷的壓裂流體混合物的相包線以及在地層壓裂方法期間該壓裂流體的壓力與溫度的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]本文所述的實(shí)施方式涉及操縱地層壓裂操作期間所使用的壓裂流體混合物的某些性質(zhì)以在水力壓裂操作期間實(shí)現(xiàn)所述混合物的某些行為。
[0030]壓裂流體混合物用于水力壓裂儲(chǔ)層中的地下地層，并且涉及將至少一種天然氣與基礎(chǔ)流體混合以形成壓裂流體混合物、然后將壓裂流體混合物注入到延伸穿過(guò)儲(chǔ)層的井中并注入到待壓裂的地層。所述基礎(chǔ)流體可包含烴類井維修流體以及支撐劑和賦予混合物以粘性的一種或多種增粘劑?；旌衔镏刑烊粴獾哪柋纫约白⑷雺毫蜏囟瓤刹倏v為使得所述混合物在壓裂操作期間具有某些行為。這些行為包括特別的相包線、攜帶支撐劑和一種或多種增粘劑的某些能力、混合物中溶解氣體的分?jǐn)?shù)、以及混合物的粘度和表面張力。
[0031]所述基礎(chǔ)流體可包含由烷烴基烴類液體和芳族烴類液體構(gòu)成的常規(guī)烴類井維修流體，并且含有或不含有膠凝劑和支撐劑。該基礎(chǔ)流體與氣相天然氣流組合以形成壓裂流體混合物?；旌衔镏械奶烊粴饨M分在烴類井維修流體中是高度易混溶的。在經(jīng)選擇的壓力和溫度下將所得壓裂流體混合物注入地下地層中以建立裂縫或增大現(xiàn)有的裂縫。如以下將更詳細(xì)討論的，出于改善壓裂操作性能的目標(biāo)，操縱常規(guī)烴類井維修流體的組成和量、連同天然氣的組成和量以及混合物的地面注入壓力和溫度以在壓裂操作期間建立烴壓裂流體的期望行為。
[0032]如本公開(kāi)內(nèi)容所使用的，天然氣意指單獨(dú)的甲烷(CH4)或甲烷與其他氣體(例如可在天然氣商業(yè)供應(yīng)中存在的其他氣態(tài)烴)的混合物。天然氣經(jīng)常是約85%至99%甲烷(CH4)和1%至15%乙烷(C2H6)的可變混合物，并且還含有降低組分的丙烷(C3H8XTg(C4Hici)和戊烷(C5H12)以及痕量的較長(zhǎng)鏈烴。本文使用的天然氣還可包含不同程度上的惰性氣體，例如二氧化碳和氮?dú)狻Ｌ烊粴庠?0 T和I大氣壓的標(biāo)準(zhǔn)條件下處于氣態(tài)，其臨界溫度接近-82°C。如以下將更詳細(xì)描述的，所述天然氣在整個(gè)壓裂地層操作中將高于其臨界溫度，從而在整個(gè)操作中處于氣相。
[0033]如本公開(kāi)內(nèi)容使用的,充當(dāng)壓裂流體混合物中的基礎(chǔ)流體的烴類井維修流體意指用于井維修、促進(jìn)或水力壓裂的包含烷烴和/或芳族化合物的任何液態(tài)烴類液體。組合物可包含碳鏈長(zhǎng)度主要由5個(gè)碳(C5)開(kāi)始直到30個(gè)碳(C3tl)的烴或烴混合物。優(yōu)選地，所述烴類液體是使得揮發(fā)性適合于完成安全壓裂操作的組合物，例如揮發(fā)性低于2psi瑞德蒸氣壓的那些液體?；蛘?，可以使用瑞德蒸氣壓較高的液體；但是為了安全應(yīng)用可能需要專用設(shè)備或步驟。
[0034]本文所描述的實(shí)施方式利用如圖1所示的地層壓裂設(shè)備2來(lái)進(jìn)行如圖2所描述的地層壓裂方法。
[0035]更具體地，圖1圖示了用于在封閉體系壓裂操作中使用和回收天然氣和烴類井維修流體混合物的地層壓裂設(shè)備2的一種構(gòu)造。所述地層壓裂設(shè)備2包括如下的井維修制備和加壓設(shè)備4:壓裂液罐12容納烴類井維修流體(基礎(chǔ)流體)，化學(xué)品添加單元14容納并使用增粘化學(xué)品、同時(shí)支撐劑儲(chǔ)存單元16容納并使用操作所需的支撐劑。井維修流體、增粘化學(xué)品與支撐劑在壓裂混合器18中組合以形成制備的井維修流體、之后進(jìn)給到井維修流體被加壓至壓裂條件的壓裂泵16。
[0036]所述地層壓裂設(shè)備還包括如下的天然氣制備設(shè)備22:移動(dòng)儲(chǔ)存容器24儲(chǔ)存作為液化天然氣(LNG)的天然氣。LNG壓裂泵26將LNG加壓至壓裂條件、然后將LNG加熱至期望的應(yīng)用溫度。所述地層壓裂設(shè)備2還包括組件30，其用于將制備的井維修流體與氣態(tài)天然氣流組合以形成壓裂流體混合物，并隨后將該混合物導(dǎo)向井口 32。組合的流體然后沿井筒向下行進(jìn)并進(jìn)入地層以壓裂間隔。在完成壓裂處理并開(kāi)始回收壓裂流體后，使井口液流從井口引導(dǎo)到液流分離器36。氣液分離器36使經(jīng)回收的氣流與液流分開(kāi)。包含烴類井維修流體和所產(chǎn)生的天然儲(chǔ)層液體的回收液體被引導(dǎo)到液體回收罐38中。液體回收可涉及或可不涉及罐；更確切地，它們可被引導(dǎo)到適合液體的管線(未示出)中以用于加工，如果設(shè)施存在的話。包含所使用的天然氣和所產(chǎn)生的天然儲(chǔ)層氣體的回收氣體被引導(dǎo)到氣體管線40中，在氣體管線40處它們被引導(dǎo)到設(shè)施(未示出)中以用于加工和出售。以這種方式或類似的方式，可建立并使用環(huán)境密閉壓裂體系42以允許沒(méi)有水的水力壓裂、排放或燃燒。
[0037]圖2示出對(duì)于每個(gè)實(shí)施方式共有的通過(guò)地層壓裂操作進(jìn)行的一系列步驟。在步驟50中，確定儲(chǔ)層條件一即確定包含地層的儲(chǔ)層的溫度和壓力(“儲(chǔ)層溫度”和“儲(chǔ)層壓力”)一以及壓裂地層所需的壓裂壓力(“壓裂壓力”)和從地層中回收流體所需的回收壓力(“回收壓力”)。在步驟51中，選擇壓裂操作期間壓裂流體混合物的期望行為，然后確定在壓裂操作期間實(shí)現(xiàn)這些所選擇行為所需的壓裂流體混合物的某些性質(zhì)。經(jīng)選擇的行為包括:相行為、溶解氣體的量、儲(chǔ)層相分?jǐn)?shù)、粘度和表面張力。實(shí)現(xiàn)這些經(jīng)選擇的行為所需的經(jīng)確定的性質(zhì)包括:壓裂流體混合物的組成、注入壓力和注入溫度。
[0038]在步驟52中，選擇基礎(chǔ)流體的組成，并且在步驟53中，選擇混合物中天然氣的摩爾分?jǐn)?shù)。在步驟54中，制備具有經(jīng)選擇的基礎(chǔ)流體和混合物中天然氣的經(jīng)選擇摩爾分?jǐn)?shù)的壓裂流體混合物。在步驟55中，在經(jīng)選擇的溫度和經(jīng)選擇的壓力下將所制備的壓裂流體混合物注入儲(chǔ)層的井中，使得混合物在壓裂操作的壓裂(注入)和回收步驟期間具有經(jīng)選擇的行為。
[0039]如以下將討論的，該方法有至少四個(gè)不同的實(shí)施方式，其中經(jīng)選擇的行為是混合物在壓裂工藝的壓裂和回收階段時(shí)的相行為。第一實(shí)施方式涉及選擇壓裂流體混合物的組成以及注入壓力和溫度使得混合物在操作的壓裂步驟期間處于類液相而在操作的回收步驟期間處于兩相。第二實(shí)施方式涉及選擇壓裂流體混合物的組成以及注入壓力和溫度使得混合物在整個(gè)壓裂操作中處于兩相。第三實(shí)施方式涉及選擇壓裂流體混合物的組成以及注入壓力和溫度使得混合物在整個(gè)操作中處于氣相，并且第四實(shí)施方式涉及選擇壓裂流體混合物的組成以及注入壓力和溫度使得混合物在整個(gè)操作中直至回收前處于液相。第一實(shí)施方式是所述方法的一般應(yīng)用，而第二和第三實(shí)施方式對(duì)于壓裂淺的地層、具有導(dǎo)致液塊的高毛細(xì)管壓的地層、趨于捕集液體的不飽和地層以及需要高壓降來(lái)移動(dòng)儲(chǔ)層內(nèi)的水的低滲透率地層是尤其有用的。第四實(shí)施方式在期望回收前將井封閉一段時(shí)間時(shí)是尤其有用的。
[0040]另一些實(shí)施方式涉及使用壓裂流體混合物進(jìn)行壓裂，其中在壓裂操作期間選擇混合物的一種或多種其他行為。在第五實(shí)施方式中，可制備壓裂流體混合物以在壓裂操作期間實(shí)現(xiàn)某一粘度。在第六實(shí)施方式中，可制備壓裂流體混合物以在壓裂操作期間實(shí)現(xiàn)某一表面張力。以下將更詳細(xì)地描述這些實(shí)施方式。
[0041]為了實(shí)現(xiàn)壓裂流體混合物在壓裂操作的壓裂和回收步驟期間的期望相和其他行為，操作者必須知道在經(jīng)選擇的溫度和壓力下期望行為與混合物中天然氣的摩爾分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系；例如，當(dāng)期望控制混合物在壓裂操作期間的相行為時(shí)，操作者必須知道混合物的相包線，并且尤其是必須知道該混合物的泡壓曲線。對(duì)于壓裂流體混合物的每種可能組成都存在一組唯一的泡點(diǎn)壓力曲線。因此可通過(guò)選擇混合物中天然氣的摩爾比來(lái)選擇壓裂流體混合物的泡點(diǎn)壓力。圖3是圖示已知59API井維修流體在常用溫度范圍中對(duì)于一系列甲烷含量的泡點(diǎn)壓力的圖表。例如，基于已知的儲(chǔ)層溫度和壓力、以及已知的壓裂壓力，可確定用特定井維修流體得到單相流體的最大氣體含量。然后，根據(jù)已知的注入溫度、摩擦壓力以及在所選擇氣體的含量下組合的天然氣和井維修流體的確定性質(zhì)，可確定地面處的注入壓力以及沿井管件向下和進(jìn)入儲(chǔ)層中的相應(yīng)的相狀態(tài)。
[0042]如果在混合物最初選擇的天然氣含量下、壓力通過(guò)注入條件保持高于泡點(diǎn)，則所產(chǎn)生的流體將提供單相注入行為。假若在任何點(diǎn)處測(cè)定注入壓力或管狀壓力降到低于泡點(diǎn)，那么如果期望單相混合物則需要改變經(jīng)選擇的氣體含量并且保持調(diào)整直至所得泡點(diǎn)曲線保持低于期望條件的時(shí)間為止。以這種方式可選擇經(jīng)選擇的天然氣含量以對(duì)于任何烴類井維修流體實(shí)現(xiàn)僅液相的注入條件，如果期望得到這樣的結(jié)果的話。
[0043]第一實(shí)施方式:在壓裂期間處于液相并且在回收期間處于兩相的壓裂流體混合物
[0044]根據(jù)地層壓裂方法的第一實(shí)施方式并且參照?qǐng)D4至圖6，壓裂流體混合物的某些性質(zhì)操縱為使得混合物在進(jìn)入壓裂地層時(shí)并且在操作的壓裂步驟期間處于液相，并且在操作的回收步驟期間(即，在注入停止后和壓降期間)處于兩相。
[0045]在該實(shí)施方式中，在常用的壓裂壓力下，控制天然氣以確保其完全溶解在常規(guī)烴類井維修流體中，從而在注入期間產(chǎn)生高氣體含量的單相類液態(tài)流體混合物?；旌衔镏械奶烊粴夂靠梢栽?mol%至90mol%的范圍內(nèi)。常規(guī)烴類井維修流體可以是或可以不是增粘的并且可包含或可不包含支撐劑。表面注入壓力和溫度選擇為使得在將天然氣與井維修流體混合時(shí)存在單相液體混合物；這種狀態(tài)在沿井筒往下、進(jìn)入地層、誘發(fā)的或現(xiàn)有的裂縫體系中并最終進(jìn)入地下儲(chǔ)層中得以維持，并且在壓裂操作的壓裂步驟期間得以維持。
[0046]期望使壓裂流體在壓裂步驟期間維持這種單一的類液相狀態(tài)(下文中簡(jiǎn)稱為“液相”)，因?yàn)檫@種致密相支持注入期間增加的靜水壓力，并且維持均勻流體以用于形成持續(xù)粘度、降低摩擦壓力、進(jìn)行有效的支撐劑運(yùn)輸并產(chǎn)生復(fù)雜裂縫。操縱放置在壓裂油內(nèi)的天然氣含量、天然氣的組成、壓裂油的組成或其組合以維持注入期間的單相狀態(tài)。當(dāng)在壓裂期間將常規(guī)烴類井維修流體與天然氣一起注入地下儲(chǔ)層中時(shí)，天然氣體積足以允許組合流體在注入期間以單相存在；但是當(dāng)結(jié)束注入并將混合物的壓力降低至儲(chǔ)層或回收條件時(shí)，溶解的氣體將從混合物中逸出，從而在接觸的儲(chǔ)層內(nèi)產(chǎn)生氣相分?jǐn)?shù)，同時(shí)在烴類維修流體中保持足夠的溶解氣體以維持降低的液體粘度和表面張力。氣相分?jǐn)?shù)與降低的液體粘度和降低的表面張力的組合在儲(chǔ)層內(nèi)產(chǎn)生了高移動(dòng)性體系，并且產(chǎn)生了確保壓裂流體快速且高的回收系數(shù)(井投產(chǎn)之前的期望狀態(tài))的裂縫體系。另外，因?yàn)樘烊粴夥祷乇砻?，所以其通過(guò)膨脹提供了能量，這通過(guò)降低井筒內(nèi)的靜水壓力進(jìn)一步增強(qiáng)了壓裂流體中液體部分的移除。與液體混合的天然氣的降低的靜水壓將允許在地層處施加另外的壓降，從而釋放更大部分的毛細(xì)管捕集液體，并且提供更大的壓力勢(shì)以增加流速。[0047]圖4和圖5是與80mol%甲烷組合的42API和59API井維修流體的相包線的圖，其圖示混合物在壓裂操作期間的壓力和溫度。每幅圖中的?表示流體混合物的臨界點(diǎn)，從而表示臨界溫度。雖然如果需要可采用寬范圍的注入溫度，但是在工業(yè)實(shí)踐中注入天然氣和烴類維修流體是在10°C至20°C范圍的注入溫度下進(jìn)行。在壓裂壓力下在經(jīng)選擇的溫度約10°C下將組合的天然氣和烴類井維修流體注入井筒中。在給定的速率、管狀構(gòu)造、井深和井底壓裂壓力下，對(duì)于每種流體需要特定的注入壓力，在該示例中對(duì)于42API和59API分別為約34MPa和36MPa。如從圖4上由菱形I所表示的可以看出的，42API天然氣和烴混合物的地面注入壓力低于泡點(diǎn)曲線。相應(yīng)地，存在有按體積計(jì)接近10%的未溶解天然氣，這會(huì)產(chǎn)生兩相流條件并有助于使摩擦壓力更高、密度更低且注入壓力增加。此外，游離氣體促進(jìn)了較高的速度，這可加速支撐劑對(duì)處理鐵和井筒的侵蝕。圖5在具有不同烴類維修流體組成的類似條件下，示出了 59API天然氣和烴混合物的注入壓力(菱形I)高于泡點(diǎn)曲線，從而產(chǎn)生有可靠粘度形成和支撐劑運(yùn)輸?shù)母纳谱⑷霔l件所需的致密單相類液流體。對(duì)于兩種情況，隨著注入的天然氣和烴類維修流體混合物沿井筒而下并進(jìn)入裂縫體系，壓力因靜水壓力而增加但因摩擦而降低。此外，流體溫度因?yàn)閬?lái)自井筒管件和地下地層的熱轉(zhuǎn)移而增加并且期望穩(wěn)定在接近或等于儲(chǔ)層溫度的最大值。
[0048]在假定地層壓裂壓力為40MPa并且流體在儲(chǔ)層溫度60°C下的情況下，所得條件在圖4和5兩幅圖上表示為菱形2。圖4圖示了在井底壓裂條件下42API烴-氣體混合物剛剛高于泡點(diǎn)，使得預(yù)計(jì)在流體進(jìn)入裂縫之前存在單一液相混合物。圖5圖示了混合物在井底壓裂條件下也高于泡點(diǎn)并且從在地面注入且經(jīng)由井筒進(jìn)入地下地層都保持該狀態(tài)。另外，停止注射后，壓力會(huì)降低，并且注入的流體會(huì)與儲(chǔ)層壓力(本實(shí)施例中假定為20MPa)平衡并且在圖4和5上表示為菱形3。流體溫度將保持在或接近于60°C的儲(chǔ)層溫度。在這些條件下，流體遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于泡點(diǎn)并且進(jìn)入相包線的兩相區(qū)。42API和59API天然氣混合物中的逸出氣體組分分別確定為構(gòu)成注入流體混合物的約56%和62%體積，從而提供了即時(shí)氣相(減少相當(dāng)多的液體體積)并且顯著降低潛在的液體阻斷。在降低儲(chǔ)層內(nèi)的壓力以回收注入流體并使井生產(chǎn)時(shí)，將壓力降低至8Mpa的假定壓力，同時(shí)再次使流體維持在或接近儲(chǔ)層溫度。這種壓降的相在圖4和5上表示為菱形4。在這種情況下，降低的壓力使條件更低于泡點(diǎn)，此時(shí)另外的氣體從烴類維修流體中逸出。所得氣相體積現(xiàn)在確定成對(duì)于42API天然氣烴類井維修流體混合物為82% ，而對(duì)于59API天然氣烴類井維修流體混合物為87%。通過(guò)顯著降低液體阻斷的潛在性實(shí)現(xiàn)了液體體積的極大減少。
[0049]圖6是示出包含60mol%甲烷和59API烴類井維修流體的壓裂流體混合物的相包線的圖，并且圖示壓裂操作期間混合物的壓力和溫度。與所圖示的壓裂工藝對(duì)應(yīng)的是表I所示的一組示例性井壓裂條件。與表I所示井壓裂條件對(duì)應(yīng)的是表2所示的所得示例性流體性質(zhì)。
[0050]在井口注入條件(圖6中的菱形I和表2中的點(diǎn)I)下，壓裂流體混合物遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于泡點(diǎn)壓力，并且以密度為635kg/m3的液相存在。考慮到基礎(chǔ)烴類井維修流體密度為742kg/m3、59API和添加比率為225sm3/m3液體的天然氣(0.6mol分?jǐn)?shù)甲烷)，如果相不能混溶則會(huì)產(chǎn)生535kg/m3的密度；靜水壓提高了接近20%。這相應(yīng)地應(yīng)降低井口注入壓力。類似地，相比于兩相流體，經(jīng)單相流體實(shí)現(xiàn)的摩擦壓力降低還應(yīng)提高井口注入壓力。在這種情況下，加熱該注入混合物，由于在壓裂操作(圖6的參照菱形2和表2的點(diǎn)2)期間來(lái)自管件和相接觸的地層的熱傳遞，因而所產(chǎn)生的密度略微降低。然而，流體混合物仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于泡點(diǎn)并且繼續(xù)作為液體存在。密度的這種提高在理論上有助于成功壓裂深層地層、壓裂壓力天然高的地層和期望高注入速率的地層。使流體混合物維持處于液體狀態(tài)在理論上還有助于確保有效的增粘劑功能和用于運(yùn)輸支撐劑和建立裂縫的適合密度。
[0051]終止注入時(shí)，壓力應(yīng)降低，并且注入流體應(yīng)該與儲(chǔ)層壓力(在該示例中為20MPa)平衡，并且在圖6上表示為菱形3，在表2中表示為點(diǎn)3。在這些條件下，流體現(xiàn)在低于泡點(diǎn)并且在相包線的兩相區(qū)內(nèi)。逸出氣體組分為注入流體按體積計(jì)的約15%，這提供了即時(shí)氣相。
[0052]在降低儲(chǔ)層內(nèi)的壓力以回收注入流體并使井生產(chǎn)(例如降低至SMPa的壓力)時(shí)，預(yù)計(jì)流體保持在或接近儲(chǔ)層溫度(圖6中的菱形4和表2中的點(diǎn)4)。降低的壓力導(dǎo)致更低于泡點(diǎn)的條件，在該條件下另外的氣體從烴類維修流體中逸出?，F(xiàn)在所得氣相確定為超過(guò)66%。液體內(nèi)天然氣飽和的喪失導(dǎo)致粘度和界面張力適度地增加，然而，預(yù)計(jì)氣體膨脹提供了非常大的驅(qū)動(dòng)以移動(dòng)減少體積的剩余液體通過(guò)地層、裂縫并進(jìn)入井筒。經(jīng)組合的氣相和液相的密度非常低，為約260kg/m3，這確保高移動(dòng)性并且容易從井筒向上流動(dòng)至地面。
[0053]表1-井和注入?yún)?shù)
[0054]
【權(quán)利要求】
1.一種使用壓裂流體混合物來(lái)壓裂儲(chǔ)層中的地層的方法，所述壓裂流體混合物包含天然氣和基礎(chǔ)流體，所述方法包括如下步驟: (a)確定包含所述地層的所述儲(chǔ)層的某些儲(chǔ)層條件； (b)選擇在經(jīng)確定的所述儲(chǔ)層條件下在所述地層中的壓裂操作期間所述壓裂流體混合物的至少一種期望行為； (c)確定為實(shí)現(xiàn)經(jīng)選擇的所述至少一種行為所需的所述壓裂流體混合物的性質(zhì)，經(jīng)確定的所述性質(zhì)包括所述混合物中基礎(chǔ)流體的組成和所述混合物中天然氣的摩爾分?jǐn)?shù)； (d)制備具有經(jīng)確定的所述性質(zhì)的所述壓裂流體混合物；以及 (e)在經(jīng)確定的所述儲(chǔ)層條件下將所述壓裂流體混合物注入所述儲(chǔ)層中，使得所述混合物在所述壓裂操作期間表現(xiàn)出所述期望行為。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述儲(chǔ)層條件包括:儲(chǔ)層壓力、儲(chǔ)層溫度、壓裂壓力以及回收壓力。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述壓裂流體混合物的經(jīng)選擇的所述期望行為選自:相行為、界面張力、粘度以及溶解的天然氣含量。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其中，所述壓裂流體混合物的經(jīng)確定的所述性質(zhì)還包括注入壓力和注入溫度。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，經(jīng)選擇的所述期望行為是相行為，并且所述方法還包括確定所述壓裂流體混合物的相包線，所述壓裂流體混合物在所述混合物中具有經(jīng)選擇的摩爾分?jǐn)?shù)的天然氣；以及在經(jīng)選擇的`注入壓力和注入溫度下將所述壓裂流體混合物注入所述儲(chǔ)層中，使得所述混合物包含液相基礎(chǔ)流體和氣相天然氣，所述氣相天然氣在經(jīng)注入的所述混合物進(jìn)入所述地層時(shí)完全溶解于所述基礎(chǔ)流體中，并且其中，至少一些所述氣相天然氣在回收期間不溶解于所述基礎(chǔ)流體中。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述基礎(chǔ)流體包含烴類井維修流體。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述烴類井維修流體包含烷烴基烴類液體和芳族基烴類液體中的一者或兩者。
8.如權(quán)利要求5和6中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述基礎(chǔ)流體還包含支撐劑和增粘劑中的一者或兩者。
9.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述天然氣包括甲烷、或甲烷與選自乙烷、丙烷、丁烷和戊烷中的一種或多種氣態(tài)烴的混合物、或甲烷與選自二氧化碳和氮?dú)庵械囊环N或多種惰性氣體的混合物。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述混合物中天然氣的所述摩爾分?jǐn)?shù)介于4mol%至90mol%之間。
11.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述注入壓力和所述注入溫度選擇為使得所述混合物在注入所述井中時(shí)低于所述混合物的泡點(diǎn)并且高于所述混合物的露點(diǎn)。
12.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述注入壓力和所述注入溫度選擇為使得所述混合物在注入所述井中時(shí)高于所述混合物的泡點(diǎn)和露點(diǎn)。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，經(jīng)選擇的所述期望行為是相行為，并且所述方法還包括確定所述壓裂流體混合物的相包線，所述壓裂流體混合物在所述混合物中具有經(jīng)選擇的摩爾分?jǐn)?shù)的天然氣；以及在經(jīng)選擇的注入壓力和注入溫度下將所述壓裂流體混合物注入所述儲(chǔ)層中，使得所述混合物包含液相基礎(chǔ)流體和氣相天然氣，至少一些所述氣相天然氣在經(jīng)注入的所述混合物進(jìn)入所述地層時(shí)和回收期間不溶解于所述基礎(chǔ)流體中。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述注入壓力和所述注入溫度選擇為使得所述混合物在注入所述井中時(shí)低于所述混合物的泡點(diǎn)并且高于所述混合物的露點(diǎn)。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，經(jīng)選擇的所述期望行為是相行為，并且所述方法還包括確定所述壓裂流體混合物的相包線，所述壓裂流體混合物在所述混合物中具有經(jīng)選擇的摩爾分?jǐn)?shù)的天然氣；以及在經(jīng)選擇的所述混合物中基礎(chǔ)流體的組成和所述混合物中天然氣的摩爾分?jǐn)?shù)下將所述壓裂流體混合物注入所述儲(chǔ)層中，使得所述混合物包含氣相天然氣和液相基礎(chǔ)流體，所述液相基礎(chǔ)流體在經(jīng)注入的所述混合物進(jìn)入所述地層時(shí)和回收期間完全溶解于所述天然氣中。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述混合物中天然氣的所述摩爾分?jǐn)?shù)介于8 Omo I % 至 99mol% 之間。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述混合物中所述基礎(chǔ)流體的組成和所述混合物中天然氣的所述摩爾分?jǐn)?shù)選擇為使得所述混合物在所述混合物時(shí)高于臨界溫度。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，經(jīng)選擇的所述期望行為是相行為，并且所述方法還包括確定所述壓裂流體混合物的相包線，所述壓裂流體混合物在所述混合物中具有經(jīng)選擇的摩爾分?jǐn)?shù)的天然氣；以及在經(jīng)選擇的注入壓力和注入溫度下將所述壓裂流體混合物注入所述儲(chǔ)層中，使得所述混合物包含液相基礎(chǔ)流體和氣相天然氣，所述氣相天然氣在經(jīng)注入的所述混合物進(jìn)入所述地層、與儲(chǔ)層條件平衡時(shí)并直至回收前完全溶解于所述基礎(chǔ)流體中。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括在注入后和回收前將所述井關(guān)閉經(jīng)選擇的時(shí)間段。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，經(jīng)選擇的所述期望行為是粘度，并且所述方法還包括確定對(duì)于所述壓裂操作期間所述混合物的期望粘度需要的所述混合物中天然氣的所述摩爾分?jǐn)?shù)。
21.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，經(jīng)選擇的所述期望行為是表面張力，并且所述方法還包括確定對(duì)于所述壓裂操作期間所述混合物的期望表面張力需要的所述混合物中天然氣的所述摩爾分?jǐn)?shù)。
22.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，經(jīng)選擇的所述期望行為是溶解氣體含量，并且所述方法還包括確定對(duì)于所述壓裂操作期間所述混合物的期望溶解氣體含量需要的所述混合物中天然氣的所述摩爾分?jǐn)?shù)。
【文檔編號(hào)】E21B43/267GK103429845SQ201180069366
【公開(kāi)日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2011年10月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月17日
【發(fā)明者】格朗特·W·內(nèi)維森 申請(qǐng)人:恩弗拉卡公司