根據(jù)液力壓裂操作回收產(chǎn)品的減排方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體上涉及用于利用壓裂流體混合物對地下儲集層中的地層進(jìn)行液力壓 裂并且從儲集層回收產(chǎn)品的減排方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)采用液力壓裂以對地下儲集層中的油氣地層進(jìn)行壓裂時，大量的液體和支撐劑 材料被注射至儲集層中。在壓裂處理結(jié)束時，壓裂系統(tǒng)和儲集層被壓裂流體完全地充滿。為 了生產(chǎn)，油和氣體必須在壓裂流體飽和巖和壓裂系統(tǒng)周圍流動或者流動通過壓裂流體飽和 巖和壓裂系統(tǒng)，使得壓裂流體必須充分地從路徑移除以便不削弱流動。為了將壓裂流體從 儲集層和壓裂巖移除，在鉆井孔內(nèi)引入壓差以將壓裂流體吸出儲集層和壓裂巖。壓裂流體 以這種方式被移除，或往回流動直到獲得了持續(xù)的、穩(wěn)定的、充足的油氣產(chǎn)品為止。
[0003] -旦井處于產(chǎn)生狀態(tài)，原始儲集層流體的流動從井被引導(dǎo)至加工設(shè)施，在加工設(shè) 施處，產(chǎn)生的流體被加工至在一定程度上符合銷售或重新使用的合適的規(guī)格。在加工設(shè)施 處加工天然氣可以包括液體分離、脫水、天然氣液體捕獲、壓縮以及對成分一一比如二氧化 碳、氮、硫、硫化氫和氧一一移除污染物。加工設(shè)施可以位于鉆井孔的附近或遠(yuǎn)處并且通過 管線流體地聯(lián)接至鉆井孔。此外，加工設(shè)施可以適于加工來自單個井或多個井的原始儲集 層流體。
[0004] 加工設(shè)施通常構(gòu)造成具有在規(guī)定的入口壓力下加工原始的原始儲集層流體的流 體組分的容量和能力，但這種構(gòu)型通常不適合加工包括井的廢料（比如壓裂流體）或在壓 裂流體回收期間可獲得的入口壓力的組合物。更常見地，由于加工設(shè)施的在容量和能力方 面的限制，注射的壓裂流體的回收通過簡單地使井朝向大氣敞開來實(shí)現(xiàn)。對于后壓裂回收 而言共同的是，水和排出物的支撐劑成分通過臨時壓裂回流設(shè)備而與氣體成分分離，臨時 壓裂回流設(shè)備主要包括控制壓力的扼流器、用于固體、液體和氣體的相分離、用于液體的存 儲或處理，以及通向大氣作為用于氣流的出口的通氣孔或擴(kuò)口?；亓髟O(shè)備通常包括端部敞 開的導(dǎo)管，該導(dǎo)管將流引導(dǎo)至凹坑處；在凹坑處，液體與固體被分離并且被捕獲在凹坑內(nèi)， 而氣體被排放或燃燒至大氣。這種技術(shù)使得引入鉆井孔內(nèi)的壓差最大化以將壓裂流體吸出 儲集層，并且消除了在試圖將后壓裂井內(nèi)液氣流引導(dǎo)至生產(chǎn)設(shè)施時可能遇到的復(fù)雜性、成 本、混亂和損壞。
[0005] 例如，考慮到如下井：該井至少生產(chǎn)天然氣并且完成了基于氮激發(fā)的水的壓裂處 理。加工設(shè)施已經(jīng)構(gòu)造成處理原始井內(nèi)液氣流，原始井內(nèi)液氣流通常至少包括天然氣，天 然氣具有251b/MMscf (每百萬英尺立方的量）的水、7vol% (體積百分比）的二氧化碳、 Ivol %的氮、Ovol %的硫、硫化氫和氧并且具有l(wèi)，025Btu/ft3的熱含量，所有這些成分以 75psig (鎊/平方英寸）的最小壓力進(jìn)入加工設(shè)施。加工設(shè)施構(gòu)造成然后將原始天然氣處理 至具有不超過下述范圍的目標(biāo)成分和狀態(tài)的銷售規(guī)格：該范圍為71b/MMscf的水、2vol% 至3vol %的二氧化碳、3vol %的氮、50mg/m3的硫、15mg/m 3硫化氫和0· 4vol %的氧，以及在 600psi的出口壓力下在950-1150Btu/ft3的范圍內(nèi)的熱值。同樣地，加工設(shè)施構(gòu)造成具有 通過脫水過程從原始天然氣移除至少201b/MMsCf的水、通過胺二氧化碳捕獲系統(tǒng)從原始 天然氣移除5vol%的二氧化碳、并且隨后將天然氣壓縮至所需的出口壓力600psig的能 力。該設(shè)施將不構(gòu)造成從原始天然氣移除氮、硫、二氧化硫或氧，或修改熱含量，因?yàn)樵继?然氣的這些成分在銷售規(guī)格內(nèi)。在壓裂處理之后并且在回流階段期間，井被流動以使壓裂 流體從儲集層移除。這是這樣完成的：使用臨時壓裂回流設(shè)備直到當(dāng)足夠的原始儲集層流 體被包括在井內(nèi)液氣流內(nèi)以使得井內(nèi)液氣流在加工設(shè)施的能力范圍內(nèi)被加工至銷售規(guī)格 時。這通常被稱為已知的"凈化"，其中，足夠的壓裂負(fù)載流體已經(jīng)被回收并且井處于"生產(chǎn)" 狀態(tài)。這種后壓裂凈化過程或回流階段可能耗時兩周或更多周完成，這在井的壽命期間是 相對短的時間并且不會保證加工設(shè)施的變化以允許加工后壓裂井內(nèi)液氣流。初始地，在壓 裂流體的回流期間，井內(nèi)液氣流將包括幾乎100%的注射的壓裂材料，比如水、支撐劑以及 氮?dú)?。這種原始井內(nèi)液氣流（"氣流"）的氣體成分一一包含超過加工設(shè)施的能力的氮含 量一一不能被引導(dǎo)至設(shè)施并且被必要地排放或燃燒至含量為3%或低于3%。作為將高的 氮含量的氣流排放或燃燒的替代方案，回收的氣流可以在進(jìn)入加工設(shè)施入口之前被處理以 通過增設(shè)例如臨時氮捕獲膜系統(tǒng)使氮移除。這種膜系統(tǒng)可以必要地包括脫水以使氣體中的 過量水蒸氣移除，壓縮以將氣體驅(qū)動穿過膜，將分離出的氮排放至大氣并且最后對分離出 的天然氣進(jìn)行附加的壓縮以滿足加工設(shè)施的最小入口壓力。
[0006] 由于通常在后壓裂井內(nèi)液氣流中存在的大量的液體，氣流的壓力可能不足以滿足 加工設(shè)施的入口壓力需求，即使氣體流的含量可以在組分規(guī)格內(nèi)亦是如此。包含在回流井 內(nèi)液氣流內(nèi)的過量的液體，當(dāng)從儲集層沿鉆井孔向上流動并且到達(dá)地面時，呈現(xiàn)了更高的 流動壓力損失。這使得到地面的流動壓力減小，該壓力通常低于加工設(shè)施的入口壓力需求。 而且，這要求在水分減少之前對氣流進(jìn)行排放或燃燒以使得來自井的流的壓力足以克服加 工設(shè)施的最小入口壓力。作為替代方案，如果氣體組分在加工設(shè)施入口規(guī)格內(nèi)，同時壓力太 低而不能滿足入口壓力需求，則可以應(yīng)用臨時的氣體壓縮機(jī)以充分地增大壓力以滿足入口 壓力需求，從而避免排放或燃燒。很可能需要在壓縮之前至少脫水以使水蒸氣移除，以便使 井內(nèi)液氣流的氣體成分滿足壓縮機(jī)的入口需要。
[0007] 而且，如果流動壓力損失使得流體將不能夠在沒有輔助的情況下容易地流動至地 面，則可以實(shí)施載荷流體回收技術(shù)以使流體在回流階段移動至地面。這種技術(shù)的兩種示例 是抽吸作用和氣流提升。這兩種技術(shù)都傾向于高成本、復(fù)雜并且耗時，并且將在壓裂處理之 后是回流操作的附加處理。抽吸作用涉及將機(jī)械裝置沿鉆井孔向上移動以使得鉆井孔中的 液體被提升至地面。氣流提升涉及將井內(nèi)的油管柱或盤管插入至特定的深度，隨后將比如 氮或天然氣之類的氣體注射至管或管與鉆井孔之間的環(huán)形空間以使得液體移動至地面。氣 體提升可以涉及大量的地面設(shè)備，比如對氣體進(jìn)行加壓的壓縮機(jī)，以及在壓縮之前對氣體 進(jìn)行處理的脫水和冷卻設(shè)備。
[0008] 雖然存在可用于在地面處理井內(nèi)液氣流并且使井內(nèi)液氣流加壓至足夠的加工設(shè) 施入口壓力的已知的技術(shù)，但這些技術(shù)是對環(huán)境有害的，并且包括類似向大氣排放或燃燒 氣體并且將液體存儲至敞開的凹坑中的技術(shù)。這些臨時的技術(shù)還傾向于需要復(fù)雜且昂貴的 地面設(shè)備，這還可以造成顯著的壓力損失，從而使在鉆井孔內(nèi)引入以將壓裂流體吸出儲集 層的壓差受損。
[0009] 顯著地減小或消除在液力壓裂完成操作期間的排放、燃燒和所應(yīng)用的水通常是困 難的、昂貴的、復(fù)雜的且低效的，然而對于環(huán)境和現(xiàn)有的完井技術(shù)的最終的可持續(xù)性而言是 重要的。石油和天然氣行業(yè)會受益于有效的、成本高效的并且減排的方法以在液力壓裂之 后引入回流性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 壓裂流體混合物用于通過下述方法液力地壓裂儲集層中的地下地層：將至少天然 氣和基于水的或碳?xì)浠衔锏膲毫鸦A(chǔ)流體混合以形成壓裂流體混合物，并且將壓裂流體 混合物注射至井中。該井被流體地聯(lián)接至儲集層和地面加工設(shè)施。在壓裂流體混合物中， 天然氣組分和含量被選擇為使得井內(nèi)液氣流的回收的氣體成分在加工設(shè)施的入口規(guī)格內(nèi)， 并且井內(nèi)液氣流具有井口流動壓力，該井口流動壓力足以使井內(nèi)液氣流流動至地面，或具 有流動壓力，該流動壓力滿足加工設(shè)施的捕獲系統(tǒng)入口壓力需求。井口流動壓力或捕獲系 統(tǒng)入口處的流動壓力可以通過將天然氣添加至壓裂流體而被增加，這具有減小了鉆井孔流 動壓力損失的效果。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了用于使用壓裂流體混合物液力地壓裂儲集層中的 地層并且用于從井回收井內(nèi)液氣流的方法，該方法包括下列步驟：
[0012] (a)限定用于使井內(nèi)液氣流從井流動并且流動至加工設(shè)施的回流需求；
[0013] (b)根據(jù)所確定的回流需求來確定壓裂流體混合物的天然氣組分，使得井內(nèi)液氣 流的氣體成分的組分與加工設(shè)施的氣體組分需求相兼容；
[0014] (C)根據(jù)所確定的回流需求確定壓裂流體混合物的天然氣含量，使得井口流動壓 力足以使井內(nèi)液氣流至少流動至地面，或者使得捕獲系統(tǒng)入口處的井內(nèi)液氣流壓力至少滿 足加工設(shè)施的入口壓力需求。
[0015] (d)形成具有選擇的天然氣組成的壓裂流體混合物；
[0016] (e)在地層壓裂階段期間，將壓裂流體混合物注射至井內(nèi)以使地層壓裂；以及
[0017] (f)在回流階段期間，使井內(nèi)液氣流的氣體成分從井流動至加工設(shè)施，其中，井內(nèi) 液氣流中的至少一些井內(nèi)液氣流包括在壓裂流體混合物中的注射的天然氣。
[0018] 井內(nèi)液氣流還可以包括原始儲集層氣體，在這種情況下，原始儲集層氣體和注射 的天然氣中的至少一部分被流動至加工設(shè)施。井內(nèi)液氣流還可以包括原始儲集層液體，在 這種情況下，該方法還可以包括使用流體地聯(lián)接在井與加工設(shè)施之間的回流設(shè)備將包含原 始儲集層液體的液體成分與井內(nèi)液氣流分離。
[0019] 在回流階段期間，井內(nèi)液氣流的氣體成分可以在沒有任何排放或燃燒的情況下從 井流動至加工設(shè)施，從而消除或至少減小了釋放至環(huán)境中的有害排放。
[0020] 加工設(shè)施可以構(gòu)造成加工氣體和液體，在這種情況下，方法還包括根據(jù)所確定的 回流需求確定壓裂流體混合物的天然氣組分，使得井內(nèi)液氣流的氣體成分和液體成分的組 成與加工設(shè)施的氣體和液體組成需求相兼容；以及在回流階段期間，使井內(nèi)液氣流的氣體 成分和液體成分從井流動至加工設(shè)施中，其中，井內(nèi)液氣流中的至少一些井內(nèi)液氣流包括 在壓裂流體混合物中的注射的天然氣。
[0021] 回流需求可以包括與流體地聯(lián)接在井與加工設(shè)施之間的回流設(shè)備相關(guān)聯(lián)的壓力 損失?；亓髟O(shè)備可以包括固體分離器，在這種情況下，方法還包括在氣體成分和液體成分流 動至加工設(shè)施中之前使用固體分離器將固體與井內(nèi)液氣流分