CN105916959A - 使用液氨的压裂方法 - Google Patents

Abstract

包含液氨和支撑剂的组合的压裂流体，以及用于通过将该压裂流体泵送到延伸到地下地层的井眼中从而压裂地层的方法。所述方法包括在井眼中产生压力，使用液氨或胶凝氨和支撑剂浆料产生裂隙，并从井眼释放压力。从液氨或胶凝氨释放的氨帮助稳定地层中的粘土且所述支撑剂帮助保持地层中的裂隙。

Description

使用液氨的压裂方法

发明领域

本发明涉及用于在石油勘探或开发井中压裂(或“液压破碎”)目标地层的方法，并特别地涉及使用包含液氨和支撑剂的压裂流体制剂压裂井的方法和组合物。更特别地，本发明涉及包含胶凝或交联的氨液体的压裂流体制剂以及可能适合于特定地层条件的添加剂，所述氨液体允许较高的粘度并因此允许流体中提高的支撑剂量。

发明背景

水力压裂是使用加压流体(通常是与砂和化学品混合的水)压裂地表下岩层，从而抽取地层中所含的油和天然气的技术。压裂流体在压力下注入井眼中以在目标地层中产生裂隙。水是基本上不可压缩的，因此其在压裂地层中的岩石时是有效的。当井眼中压力降低时，砂支撑裂隙开口，从而允许包含在地层中的油和气体更容易地流说到井中用于抽取。该技术是革命性油和气开发技术，尤其在页岩地层中以及在砂和在其它致密地层中，因为其允许抽取之前不可达到的烃类。因此，其已经帮助将美国油产量推升到新的高度并为矿产所有人和石油公司以及联邦政府、州政府和地方政府产生数十亿美元的收入。

水通常用作压裂流体的另一个原因是因为水是廉价的且通常容易获得。但是，需要大量的水并常常必须运输远的距离。在井被压裂之后，在压力下返回到地表的水含有压裂化学物质和被携带离开地层的其它物质，例如盐和金属。因此，在流体可重新使用或返回自然水体中之前，流体需要进行处置或处理并除去污染物和非水成分。在某些粘土类型例如蒙脱石中，水也可引起溶胀、从而阻塞孔隙并降低烃的生产率。水还可与矿物质、盐和原生水以及井下烃类反应，从而导致储层污染。而且，在存在干旱情况、低的水供应或限制水使用的地区或时间，水可能是稀缺的，使其成为较不理想的来源。因此，要求较少水或不需要水或者更少处理的压裂流体将是有益的。

此外，在粘土含量高的地层中，压裂流体中的水可导致粘土/砂界面滑动以及粘土溶胀，其可破坏地层而导致返排和潜在的地层坍塌。例如，沿South Texas海岸的某些砂地层具有地层返排和在当液压破碎时导致坍塌的历史。在液压破碎过程中注入的水可导致粘土从基质基体释放，以及释放的粘土颗粒通过范德华力粘附，从而导致粘土片的粘结或絮凝。当发生这种絮凝时，孔喉可部分或完全被堵塞，从而降低产量而不是促进它。在较低渗透性砂和具有高粘土含量的页岩中，这种堵塞作用更显著。

粘土颗粒在2∶1的层中通常分别是二氧化硅四面体(SiO₄)和铝八面体(Al(OH)₆)。粘土颗粒的表面由于同晶取代而带负电荷，例如在四面体中Al⁺³取代Si⁺⁴和在八面体中Mg⁺²取代Al⁺³。围绕各粘土的是一大群阳离子。这是扩散双层(DDL)，也称作电双层(EDL)或Gouy-Chapman层。DDL的半径由颗粒周围溶液的盐度控制。该半径在低盐度水中较大，因为阳离子扩散到低盐度环境中。在较高盐度下，DDL将具有较小的半径。同样，在更酸性的环境中，水性环境中的质子导致粘土颗粒周围的阳离子云收缩。

高盐度和/或低pH环境还由于粘土颗粒吸引至迁移的粘土颗粒和聚集体而导致其从基体释放。典型的压裂流体是高盐度的以阻止溶胀，这部分是因为Na⁺和其它阳离子将不会扩散到高盐度水中。实验室测试已经显示高盐度流体的较低渗透性损失，且实验室测试也已经显示当低盐度流体溢流过孔隙时渗透性的损失。但是，与使用高盐度流体相关的孔喉中阳离子的增加可导致絮凝。另一方面，不推荐使用低盐度流体，因为溶胀部分地由于粘土颗粒从孔隙壁脱离而发生。粘土颗粒的长径比使得它们太大而不能适合通过紧密砂和页岩孔喉，从而导致流动损失。

粘土地层的进一步考虑在于，瓜尔胶和黄原胶是压裂流体添加剂，其具有极性并因此可通过收缩与带负电荷粘土相关的阳离子云而导致粘土絮凝。为了降低所产生的粘土絮凝，通常添加粘土稳定剂到增产液(stimulation fluid)中。但是，所有接触的粘土颗粒的表面积可能大到使得粘土稳定剂添加剂不能阻止絮凝。因此，在某些粘土/砂地层中，用于支撑剂的替代液体载体是期望的，其为与粘土具有较低反应性的一种。

已提议并测试了替代的载体流体，例如液化石油气(LPG)(通常为丙烷和丁烷的混合物)或二氧化碳。但是，使用LPG作为压裂流体由于其相对高的成本而是不利的。LPG的进一步的缺点在于其改变了回收的产物气体的热值以及其它重要的质量规格。当二氧化碳作为低温液体或超临界流体引入时，其也需要显著更高的代价，这部分是由于需要额外的和昂贵的操作。而且，当二氧化碳与地层中原位存在的水混合时可产生水垢(scale)，并且这可能导致粘土颗粒絮凝、返排或可能的地层坍塌及对井眼或套管的损害。

因此，需要用于液压破碎井眼地层的改进的水力压裂流体制剂和方法。

发明内容

本发明提供了包含液氨和支撑剂的压裂流体，所述液氨可以是胶凝或交联的。支撑剂的存在量和尺寸足以在地下地层的压裂处理过程中或之后帮助维持或保持诱导的水力压裂开口。支撑剂还起到转移压裂流体到其它方向上以增加裂隙网络的复杂性的作用。当液氨或胶凝氨与储层中的水反应时，形成氢氧化铵，其有助于稳定粘土并除去地下地层中的水。

液氨和/或胶凝氨优选是无水的，并优选以压裂流体的至少25重量％的量存在。通常，支撑剂为无机颗粒状材料，其以压裂流体的至少3重量％的量存在。优选地，胶凝氨可以压裂流体的25重量％至96重量％的量存在，而支撑剂可以压裂流体的至少3重量％至70重量％的量存在。

在一些实施方式中，压裂流体制剂包含聚合物、表面活性剂或粘土作为胶凝剂。此外，压裂流体可进一步包含选择用于帮助使用压裂流体对特定制剂或井眼条件进行液压破碎的一种或多种添加剂。

本发明还涉及用于压裂地下地层的方法，其包括将压裂流体泵送至延伸到地层的井眼中，所述压裂流体包含胶凝氨和支撑剂。在井眼中压裂流体压力的产生在地层中形成了裂隙，且当压力释放时，导致渗透性和来自井眼的增加的烃流。

附图说明

为了说明本发明的目的，附图显示了当前优选的系统的示意形式，但是，应该理解，本发明不限于附图显示的精确形式，其中：

图1示出了一种示意性图，其显示了使用根据本发明的液氨制剂液压破碎井的氨、支撑剂、添加剂、泵和混合器的一般设置。

具体实施方式

本文阐述的发明是通过使用液氨和支撑剂作为压裂流体增产(压裂)被井眼穿透的地层的组合物和过程。该过程的目的是提高原位烃流体，通常是油、凝析物(condensate)和天然气的产量，而在地层渗透性方面具有最小的降低。

氨是丰富的、相对低成本的化学品，其是由氮和氢合成的天然氮循环的部分。其当量为17且在标准大气压和温度下是稳定和无色的气体。当压缩时，氨形成具有大约60％的水密度的无色液体。氨通常在114psig的压力和70°F的温度下以5.08磅/加仑的浓度储存在容器中。液氨具有28°F的沸点，-107°F的凝固点，和132°F的临界温度。其是在大多数水中作为含氮有机物质的通常降解组分存在的生物活性化合物。因此，氨是在压裂流体组合物中用于承载支撑剂的载体的可靠和经济的来源。本发明提供了液态氨作为支撑剂载体，从而提供了相对于使用水或其它流体的显著优点。

使用液氨替代其它通常的支撑剂承载流体是理想的，因为氨对于地下岩石组分不具有不利的反应，且能够提高渗透性或至少不会导致有害的渗透性降低。氨是极性的，从而允许其替代水。此外，在粘土地层中，使用液氨降低或消除了导致滑移、絮凝和地层坍塌的一些原因。在储层中，氨与水反应并形成氢氧化铵。该氢氧化物与扩散离开裂隙面的阳离子组合，从而阻止或降低了絮凝并避免在增产完成后降低渗透性。氢氧化物还与释放的Ca++阳离子组合以形成氢氧化钙，其有助于稳定粘土。铵还有助于稳定粘土，并通过引起碳酸盐、磷酸盐和硫化物的溶解而降低孔喉中的结垢潜能。

液氨混合物能够承载用作支撑剂和导引剂的固体颗粒。支撑剂加入液氨混合物中以阻止裂隙在增产过程完成后完全封闭。本发明可包括如下所讨论的胶凝或交联剂，其使液氨胶凝化并提高流体的支撑剂承载能力。

液氨可通过多种技术制备。一种方式是在合适压力下压缩气态氨以引起液化。这可通过使氨在合适容器中在60-70°F的温度下经受至少150psi的压力来完成。还可能通过将压缩的混合物传送通过其中具有导致液体混合到凝胶中的合适静态元件的管而获得液态或胶凝态。待使用的压力是基于地层强度、裂隙的期望几何形状和摩擦压力。对于深的井，氨压裂流体可以高达20,000psi的压力泵送，较高的压力通常要求较低的处理温度。优选地，液氨是无水的或至少不包含任何显著量的水，最优选小于1％。在这种泵送设备和管线中应该避免某些铜合金或黄铜部件，因为它们与氨反应，但钢与不锈钢部件是完全合适的。

胶凝氨还可通过将胶凝剂添加到液氨中来制备。胶凝剂可以是当与液氨混合时水化或溶胀以形成粘稠凝胶的许多不同的聚合物，或一种或多种表面活性剂，例如提高流变性和粘弹性质的各种树胶。优选的胶凝剂可包括如典型的瓜尔胶及其衍生物(羟丙基瓜尔胶、羧甲基羟丙基瓜尔胶等)和非基于瓜尔胶的胶凝剂(羟乙基纤维素)、黄原胶和多糖等的组分。胶凝剂的量可从几磅每千加仑至约50磅每千加仑，取决于使用的具体试剂。胶凝氨混合物可具有5至300cps之间的粘度，这使得其适合通过常规泵和流体处理设备进行泵送，但足够粘稠以保留充足的支撑剂。

适宜地，支撑剂可以在胶凝过程中加入液氨中。氨和支撑剂以重量计的相对量可在宽范围内变化。通常，氨的量为用于液压破碎的总混合物的至少25重量％，但其可高达96％。混合物的其余部分主要为支撑剂，虽然可存在少量的其它添加剂。在最一般的意义上，支撑剂在液压破碎混合物中的存在量为约3％至多达70％，剩余百分比中约1-10％为其它添加剂。

合适的支撑剂是任何固体材料，通常是无机和非油溶性的，其可由胶凝氨承载并可在压裂处理过程中或之后帮助维持或保持诱导的水力压裂开口。使用的支撑剂在颗粒之间应该具有足够大的孔隙空间以及具有足够大的机械强度以在撤销压裂压力后抵抗封闭应力而保持裂隙开口。支撑剂可选自砂、陶瓷、铝土矿、玻璃、浸渍砂或足以在地层中支撑打开裂隙的许多其它非油溶性材料。通常，优选的是经处理的砂或陶瓷材料。为了减少处理过程中的细粉，这些无机材料可涂布聚合物树脂。此外，可包含支撑剂返排控制剂。支撑剂可以高达约15磅/加仑或更大的浓度存在。每加仑的磅数可在整个增产程序中变化，一些阶段包含更少的量或甚至没有支撑剂，即预前置液(pre-pad)、前置液(pad)和冲洗液(flush)。

或者，液氨可通过初始形成胶质粘土的氨化分散体，并向所述分散体中加入一定量的足以稠化所述分散体的至少一种二价或三价离子的可溶性源而被胶凝化，所述二价或三价离子优选选自Mg++、Ca++、Ba++和A1+++。用于产生胶凝氨的胶质粘土的优选量基于凝胶组合物的重量为约1％至约20％。

如图1的示意图所示，液化氨可位于井场或靠近井场在足以使气态氨保持液态的压力和温度下的地表容器10内。胶凝剂可加入具有各种混合温度水平的液氨中，并在制备容器中通过在容器10、掺混器20或其它合适的装置中的旋转搅拌器以合适的掺混速度进行混合。泵15输送液氨，保持对掺混器的合适压力。混合物可被加压以帮助制备胶凝混合物。胶凝氨被获得并在通常20-40分钟之间变化的合适的混合时间之后从容器移出。支撑剂30也储存在井场附近，并可通过螺旋钻35或其它传送器输送到掺混器20或其它混合设置，并与胶凝或交联剂一起或在添加胶凝或交联剂之前加入液氨中。支撑剂30可以对于工艺的每一阶段所需要的浓度加入通向掺混器20的“混合桶”中。或者，支撑剂可在泵送混合物之前添加到胶凝氨。液氨或胶凝氨与支撑剂的混合物或浆料使用转移泵转移到高压三缸泵50。三缸泵50通过处理管线将高压流体泵送到井头60，并且流体在套管或管道中从井头60向下泵送到井中，并进入地层中用于压裂地下地层。流体、起泡剂和其它添加剂70也可在地表流动路径的任何点处加入制剂中并在将流体泵送到井底或在压裂程序的过程中进行混合。分散混合物中的氨、添加剂和支撑剂并维持该分散体需要的剪切、混合和搅动通过井管件中的湍流在泵送到地层中的同时产生。

胶凝的液体混合物基本上是无水的以保持水流出地下地层，并防止水敏感的粘土和可被混合物接触的其它疏水性颗粒的溶胀。氨混合物维持碱性pH(＞7的pH)，这防止在水或二氧化碳被泵送且pH为酸性的其它情况中发生的粘土颗粒的絮凝。在溶液中的氢氧化物OH^-阴离子将导致更高的pH，这使得粘土颗粒周围的阳离子DDL膨胀并防止粘土絮凝。氨混合物不会形成结垢(如在二氧化碳与地层中存在的原位水混合时可发生的)。氨使粘土颗粒保持稳定并附着于岩石基体，其降低了粘土颗粒絮凝和返排且随后可能的地层坍塌以及对井眼或套管造成破坏的可能性。

胶凝氨以有效地在岩石中产生具有一定大小的裂隙的压力下泵送入地层中，所述大小是基于泵送速率和流体特征。稳定的泡沫流变性维持大于或等于裂隙处理所需要的时间的半衰期。该过程在套管中通过多个射孔段产生多个裂隙，并可将导引剂加入流体中以产生到多个完井段中的分流。在地层中，胶凝氨通过环境岩石温度加热至高于氨的临界温度的温度，这可导致形成维持足够粘度以承载支撑剂的稳定泡沫。当在地表停止泵送并释放压力时，所有液氨的主要部分气化并通常被地层吸收或吸附。如果氨气返回地表，其可被收集并燃烧。

根据所利用的井处理流体的类型，还可将各种添加剂添加到压裂流体以改变流体的物理性质或用于某种有益的功能。可将漏失添加剂加入混合物中以防止流体流失到地层和筛选出具有支撑剂的裂隙。而且，可加入降滤失剂以部分地密封地层的更多孔的区段，使得压裂发生在较低多孔的地层中。也可加入压裂流体中的其它油田添加剂包括破乳剂、消泡剂、抑垢剂、硫化氢或氧清除剂、交联剂、表面张力降低剂、破胶剂(breaker)、缓冲剂、降滤失添加剂、温度稳定剂、导引剂、石蜡/沥青质抑制剂、腐蚀抑制剂和杀生物剂。在某些实施方式中，可与液氨或胶凝氨合并的其它具体添加剂包括：

1.天然或合成的可水化聚合物，烷基类(二乙醇胺、胺氧化物、季胺等)，硫酸酯类(硫酸化烷氧基化物)，乙氧基化的直链醇类，甜菜碱类。这些可以高达约5％的量加入。

2.烃组分，其包括但不限于轻质原油或凝析物、喷气燃料或柴油燃料、煤油、气油、天然气液体(乙烷、丙烷、丁烷类、戊烷类和己烷类(C2-C6化合物))。这些可以高达约85％(烃-氨(铵))的量加入，从而用氨作为粘土添加剂压裂。

3.为了稳定性可存在乙二醇。这可以高达约10％的量加入。

4.混合物中可存在抑制剂，其起到延缓水合速率并由此导致流体粘度的提高被延迟。这有助于降低粘度并从而降低将流体泵送入地层中所需要的马力/压力。这些可以高达约20加仑/1000的量加入。

5.交联流体或络合剂例如多价金属可加入混合物中以提高混合物的支撑剂承载能力。当使用时，这些通常以高达约10％的量存在。

6.可包含气体或液化气例如氮和二氧化碳。二氧化碳通常作为液体加入而氮通常作为气体加入。这些组分的量可高达液氨或胶凝氨混合物的约30体积％。这些组分有助于使混合物更容易泵送并帮助负荷恢复。

而且，虽然氨压裂制剂混合物通常是无水的，但如果需要，其可包含盐水(不包括KC1，CaCl，NaCl)，其量足以帮助运输混合物且高达不超过45重量％的量。

虽然本公开已经结合具体实施方式提供并说明，但可进行许多变型和改变而不背离本文公开的本发明的精神和范围。本公开和发明因此不限于上述方法或构造的精确部件或细节。除了该方法本身需要或固有的程度，在该公开(包括附图)中所述的方法的步骤或阶段不意指或暗示特定的顺序。在许多情况下，方法步骤的顺序可以改变而不改变所述方法的目的、作用或输入。权利要求的范围仅通过所附权利要求书限定，其适当考虑到等同的项目和相关的项目。

Claims (31)

1.包含低于氨的临界温度的液氨和支撑剂的压裂流体。

2.根据权利要求1所述的压裂流体，其中所述液氨占所述压裂流体的至少约25重量％。

3.根据权利要求2所述的压裂流体，其进一步包含胶凝剂，其与所述液氨混合以形成胶凝氨。

4.根据权利要求3所述的压裂流体，其进一步包含表面活性剂。

5.根据权利要求1所述的压裂流体，其中所述支撑剂的存在量和尺寸足以在地下地层的压裂处理过程中或之后帮助维持或保持诱导的水力压裂开口，且其中从所述液氨释放的氢氧化铵帮助稳定地下地层中的粘土。

6.根据权利要求3所述的压裂流体，其中所述胶凝氨是无水的且所述支撑剂为无机颗粒状材料，其以所述压裂流体的至少3重量％的量存在。

7.根据权利要求6所述的压裂流体，其中所述无机颗粒状材料是砂。

8.根据权利要求6所述的压裂流体，其中所述无机颗粒状材料是陶瓷。

9.根据权利要求2所述的压裂流体，其中所述胶凝氨以所述压裂流体的约25重量％至96重量％的量存在，且所述支撑剂以所述压裂流体的约3重量％至70重量％的量存在。

10.根据权利要求3所述的压裂流体，其中所述胶凝剂包含粘土，其量为最高约500磅/1000加仑所述压裂流体。

11.根据权利要求1所述的压裂流体，其进一步包含一种或多种选自以下的添加剂：破乳剂、消泡剂、抑垢剂、硫化氢或氧清除剂、交联剂、表面张力降低剂、破胶剂、缓冲剂、降滤失剂、温度稳定剂、导引剂、石蜡/沥青质抑制剂、腐蚀抑制剂或杀生物剂。

12.根据权利要求2所述的压裂流体，其进一步包含交联剂。

13.用于压裂地下地层的方法，其包括：

提供液氨源；

提供支撑剂源；

将所述液氨和支撑剂输送到掺混器；

将所述液氨和支撑剂在所述掺混器中混合；

将合并的液氨和支撑剂以足以压裂所述地层的压力和速率泵送到所述地下地层中。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述液氨源是至少一个储罐，其中所述液氨可维持低于氨的临界温度。

15.根据权利要求13所述的方法，其还包括将胶凝剂与所述液氨混合的步骤，以产生具有约5至约300cps的粘度的胶凝的液氨。

16.根据权利要求14所述的方法，其还包括将交联剂与所述胶凝的液氨混合的步骤。

17.根据权利要求13所述的方法，其中一种或多种另外的组分加入所述合并的液氨和支撑剂，所述一种或多种另外的组分选自破乳剂、消泡剂、抑垢剂、硫化氢或氧清除剂、交联剂、表面张力降低剂、破胶剂、缓冲剂、降滤失剂、温度稳定剂、导引剂、石蜡/沥青质抑制剂、腐蚀抑制剂或杀生物剂。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述液氨占总压裂流体的至少25重量％。

19.根据权利要求17所述的方法，其中所述支撑剂占总压裂流体的约3重量％至约70重量％。

20.用于压裂地下地层的方法，其包括：

提供包含液氨、胶凝剂和支撑剂的压裂流体；和

将所述压裂流体泵送到所述地下地层中以压裂所述地层。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述胶凝剂是瓜尔胶。

22.根据权利要求20所述的方法，其中所述压裂流体还包含表面活性剂。

23.根据权利要求20所述的方法，其中所述液氨是无水的且以所述压裂流体的至少25重量％的量存在，且所述支撑剂为无机颗粒状材料，其以所述压裂流体的至少3重量％的量存在。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述液氨以所述压裂流体的25重量％至96重量％的量存在，且所述支撑剂以所述压裂流体的至少3重量％至70重量％的量存在。

25.根据权利要求20所述的方法，其中所述压裂流体包含交联剂。

26.用于压裂地下地层的方法，其包括：

将压裂流体泵送到延伸到所述地层的井眼中，所述压裂流体包含液氨和支撑剂；

在所述井眼中产生压力；

在所述地层中产生裂隙；和

从所述井眼释放压力；

其中从所述液氨释放的氢氧化铵帮助稳定所述地层中的粘土且所述支撑剂帮助维持所述地层中的所述裂隙。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述压裂流体包含胶凝剂。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述胶凝剂包含聚合物。

29.根据权利要求27所述的方法，其中所述胶凝剂包含粘土和表面活性剂，其量小于所述压裂流体的约10重量％。

30.根据权利要求26所述的方法，其中所述压裂流体进一步包含一种或多种选自以下的添加剂：破乳剂、消泡剂、抑垢剂、硫化氢或氧清除剂、表面张力降低剂、破胶剂、缓冲剂、降滤失剂、温度稳定剂、导引剂、石蜡/沥青质抑制剂、腐蚀抑制剂或杀生物剂。

31.用于在井内压裂地层的方法，其包括：

在地表制备液氨组分，所述液氨具有支撑支撑剂的足够粘度；

将所述支撑剂混合入所述液氨组分中；

将所述液氨和支撑剂混合物引入压力泵中并提高泵压力；

将所述混合物以充足的压力和充足的速率向下泵入所述井以压裂所述地层。