專利名稱：用于壓裂作業(yè)的將聚丙烯酰胺粉末快速分散的設(shè)備的制作方法
用于壓裂作業(yè)的將聚丙烯酰胺粉末快速分散的設(shè)備從粘土質(zhì)頁(yè)巖貯儲(chǔ)集層(片巖)生產(chǎn)天然氣是一種多年來一直在發(fā)展的方法，并且要求將這些儲(chǔ)集層進(jìn)行壓裂以確保有成本效益的天然氣生產(chǎn)。在這個(gè)區(qū)域中的儲(chǔ)集層是巨大的并且以前在極大的面積上是不可采出的，如煤層、細(xì)沙、或者片巖。在美國(guó)，這些非常規(guī)的資源從1998年美國(guó)所生產(chǎn)的總天然氣的28%增長(zhǎng)到了 46%。主要的大的盆地已知為巴涅特頁(yè)巖(Barnett Shale)、費(fèi)耶特威樂頁(yè)巖(Fayette Ville Shale)、莫伍瑞頁(yè)巖(Mowry Shale)、馬塞勒斯頁(yè)巖(Marcellus Shale)等
坐寸ο 這些生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)常從豎直井發(fā)展到水平井，從而減少了生產(chǎn)井的數(shù)量。然而，在所有的情況下，滲透性不足以自然地生產(chǎn)大量的氣體，從而使得這些作業(yè)變得劃算。因此這種滲透性和生產(chǎn)區(qū)域需要通過增產(chǎn)作業(yè)并且具體地是壓裂的方式來提高。水力壓裂
水力壓裂被設(shè)計(jì)用來產(chǎn)生一個(gè)附加水平的滲透性以及一個(gè)增加的氣體產(chǎn)生表面區(qū)域。的確，致密層的低滲透性、天然屏障以及由于鉆探作業(yè)的不滲透性大大限制了生產(chǎn)。這些壓裂操作于1960年于阿巴拉契亞山中開始進(jìn)行，并且今天在美國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了超過一百萬個(gè)的作業(yè)。工程、設(shè)計(jì)以及實(shí)施技術(shù)已經(jīng)變得日益尖端并且要求設(shè)備能夠在更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行這些作業(yè)，同時(shí)詳細(xì)分析結(jié)果。特定的模擬設(shè)備能夠預(yù)測(cè)非常準(zhǔn)確的結(jié)果。壓裂作業(yè)
這些作業(yè)涉及以非常高的流動(dòng)速率注入高壓水以便在這些生產(chǎn)井內(nèi)產(chǎn)生裂縫。當(dāng)這些裂縫被打開時(shí)，注入具有一個(gè)特定尺寸的砂子或珠粒以便防止這些裂縫關(guān)閉并且以便保持這樣產(chǎn)生的生產(chǎn)表面面積。該注入水通常包含多種大量的添加劑，每一種都具有一個(gè)限定的功能。總體上說，該注入的組合物包括
粘土膨脹抑制劑，如，氯化鉀
抗微生物劑，用于防止細(xì)菌的生長(zhǎng)，特別是硫酸鹽還原細(xì)菌(ulphate-reducingbacteria)的生長(zhǎng)，并且能夠形成使這些注入?yún)^(qū)域減小的粘性物質(zhì)。醛類是最常見地使用的抗微生物劑，如戊二醛、丙烯醛，等等…
氧清除劑，如亞硫酸氫銨，以防止其他組分由于氧化的破壞和注入生產(chǎn)線的腐蝕， 腐蝕抑制劑，以防止生產(chǎn)線被殘余量的氧所氧化。優(yōu)選的是給予N，N 二甲基甲酰胺， 潤(rùn)滑劑，如，石油餾出物 膠凝劑，如瓜爾膠以及羥乙基纖維素，
鐵螯合劑，如檸檬酸、EDTA、膦酸酯，
結(jié)垢控制產(chǎn)品，如磷酸鹽、膦酸鹽、或者乙二醇，
摩阻擦減低劑，以減小紊流介質(zhì)中的壓降并且顯著增加對(duì)于同一功率和管直徑的流動(dòng)速率。
酸處理經(jīng)常在注入之前或者之中進(jìn)行，以便處理膠結(jié)的殘余物或者在適當(dāng)?shù)奈恢脤⒉糠謳r石溶解以便提供進(jìn)入該礦田的更好的入口。所注入的砂子具有一個(gè)特定的尺寸，通常在40與100目之間。
摩阻擦減低劑
盡管先前的說明探知了某些添加劑似乎加強(qiáng)了高速流動(dòng)，但是B. A湯姆斯(Toms)于1946年發(fā)現(xiàn)了湍流內(nèi)阻力減低(摩擦減低)的現(xiàn)象(“湯姆斯效應(yīng)”)。這些產(chǎn)品因此被用于減少生產(chǎn)線上的壓降。當(dāng)該介質(zhì)是由烴類制成的時(shí)候，使用了油溶性的聚合物，特別是聚甲基丙烯酸甲酯或者碳水化合物聚合物。 當(dāng)該介質(zhì)是水的時(shí)，可以使用非常大的分子量的聚合物，如，聚丙烯酰胺以及環(huán)氧乙烷聚合物。出于成本以及采購(gòu)來源的原因總體上優(yōu)選的是聚給予丙烯酰胺。聚丙烯酰胺
最初針對(duì)絮凝應(yīng)用(水處理、礦物處理、造紙廠，等等)而開發(fā)的聚丙烯酰胺正逐漸被用于其他應(yīng)用中，并且尤其是應(yīng)用于它們對(duì)基于水的系統(tǒng)的增稠作用是所希望的地方。這種發(fā)展對(duì)于提高的原油開采、化妝品以及用于織物印染的增稠劑等等是特別有意義的。在下文的說明中以及隨后的權(quán)利要求書中，聚丙烯酰胺的通用術(shù)語覆蓋了丙烯酰胺均聚物以及包含了諸如以下的丙烯酰胺和其他單體的共聚物
酸，如(甲基)丙烯酸，AMPS (2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸)等等 陽(yáng)離子單體，諸如三甲基乙基甲基丙烯酸酯的銨鹽、二烯丙基二甲基氯化銨，等等 這些聚合物可以通過以下方式進(jìn)行改性
使用足夠低的以保持其溶解度的量值的支化劑進(jìn)行支化，
給出締合聚合物的疏水單體，
帶陰離子和陽(yáng)離子電荷的單體(兩性離子單體)，
陰離子的和陽(yáng)離子的單體(兩性的)的締合作用，等，
給出的梳形聚合物的單體。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)充分地認(rèn)識(shí)到這些組的產(chǎn)品在眾多申請(qǐng)中被描述。為了減小摩擦，所使用的聚合物必須具有最高的分子量，可能的話同時(shí)保持非常良好的溶解度。選擇的聚合物是一種分子量接近2千萬的丙烯酰胺鈉丙烯酸酯共聚物(70% 30%摩爾比)。為了便于處理它們，使用這些具有在20%與50%之間的活性物質(zhì)濃度的聚合物的反相乳液(W/0)。這些乳液儲(chǔ)存約6個(gè)月是穩(wěn)定的，并且在攪拌下非?？焖俚厝芙庠谒?幾分鐘)。它們?cè)试S在高壓泵之前在線上注入該壓裂水中并且實(shí)際上立即地且在注入線上在幾分鐘之內(nèi)完全溶解。所注入的聚合物的量值可以是在250與2，000 ppm之間的活性物質(zhì)，并且壓裂時(shí)間是幾個(gè)注入階段(2到20個(gè))在2與15小時(shí)之間?，F(xiàn)在乳液的使用遍及了美國(guó)-加拿大-墨西哥的整個(gè)范圍并且根據(jù)有待開采的新的存儲(chǔ)正擴(kuò)展到其他國(guó)家。
粉末聚丙烯酰胺
就用于這個(gè)作業(yè)的水和所產(chǎn)生的水兩個(gè)方面而言，環(huán)境壓力已經(jīng)日益變大。一直有的要求是僅消耗來自礦田的水并且對(duì)所產(chǎn)生的水進(jìn)行處理，所產(chǎn)生的水組成了所注入的水的60%到80%。粉末聚合物的使用避免了在所產(chǎn)生的水中注入有待進(jìn)行處理的烴類和表面活性劑。然后有待解決的問題是如何在短的時(shí)間段內(nèi)來溶解大量的聚合物，即，在4到10小時(shí)內(nèi)使用快速啟動(dòng)(10到30分鐘)來溶 解O. 5至5公噸的聚合物。使用標(biāo)準(zhǔn)的具有分散作用的分散設(shè)備，具有一個(gè)在氣壓運(yùn)輸系統(tǒng)周圍的排出器、潤(rùn)濕鏟或者噴霧器，其母液的濃度達(dá)到最大5 g/升。此外，不可能來設(shè)計(jì)多個(gè)要求用于不連續(xù)分散的作業(yè)，它們往往涉及了有待儲(chǔ)存的幾百個(gè)Hi3的體積，其中操作時(shí)間為3到4小時(shí)。因此必要的是發(fā)現(xiàn)允許以非常高的濃度來非?？焖俚卦诰€地分散大量的聚合物同時(shí)盡可能多得減少設(shè)備的尺寸的方法，這個(gè)設(shè)備必須是可運(yùn)輸?shù)?，即，足夠小以便裝在一個(gè)卡車的平臺(tái)上。為此，申請(qǐng)人已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種緊湊的并且可運(yùn)輸?shù)难b備，這種裝備啟動(dòng)快速并且是獨(dú)立式的，從而允許以高的濃度在非常短的時(shí)間內(nèi)溶解大量的的聚丙烯酰胺粉末，并且被設(shè)計(jì)為用于氣田或者油田上的壓裂作業(yè)中，其中該裝備順序地包括
一個(gè)聚合物儲(chǔ)存區(qū)，
一個(gè)豎直的聚合物傳送料斗，
一個(gè)用于進(jìn)料的供料溢流管，
一個(gè)通過上述管進(jìn)料的聚合物配劑量系統(tǒng)，
一個(gè)聚合物分散裝置，該聚合物分散裝置包括
連接到一個(gè)初級(jí)進(jìn)水回路上的一個(gè)聚合物潤(rùn)濕錐形件 在該錐形件的下端
一種分散的聚合物切片和排放腔室，該腔室包括
由一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)且裝備有多個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子，
由均勻間隔的板組成的一個(gè)固定的定子，
該腔室的整個(gè)外圍或者部分外圍上是一個(gè)環(huán)，該環(huán)由一個(gè)二次水回路供應(yīng)，該環(huán)與該腔室連通這樣確保加壓的水的噴灑在該定子的板上，由此允許在所述這些板的表面上釋放被切片的并且溶脹的聚合物，
一個(gè)用于儲(chǔ)存并且對(duì)溶液中的聚合物進(jìn)行脫氣的罐，
一個(gè)容積泵，該容積泵用于注入聚合物的溶液并且對(duì)其進(jìn)行配劑量，該聚合物的溶液是在能夠進(jìn)行該壓裂工作的高壓泵抽吸時(shí)獲得的。這樣一個(gè)裝備是足夠緊湊的以便安裝在卡車平臺(tái)上的一個(gè)容器中。明顯地，有待溶解的聚合物的量值將會(huì)根據(jù)有待壓裂的井的容量而改變。充足的粉末被儲(chǔ)存在該平臺(tái)的后方。實(shí)際上，這對(duì)于低容量而言是25 kg的袋子而對(duì)于更高容量而言是750 kg的袋子。當(dāng)該粉末被儲(chǔ)存在750 kg的袋子中時(shí)，該裝備在這種情況下裝備有一個(gè)袋提升系統(tǒng)以及一個(gè)料斗以及一個(gè)額外的水平傳送螺桿，使該豎直的料斗行進(jìn)并且向其中傾倒這些袋子中的內(nèi)含物。根據(jù)本發(fā)明，該配劑量系統(tǒng)是一個(gè)螺桿進(jìn)料器，該螺桿進(jìn)料器根據(jù)所使用的設(shè)備允許的流量實(shí)際為100或者300 kg/h。為了將該聚合物從料斗輸送到該配劑量裝置中，根據(jù)所使用的設(shè)備將該裝備配備一個(gè)直徑為100到200 mm的溢流管。通過引用結(jié)合已經(jīng)由本申請(qǐng)人在WO 2008/107492文件中說明的類似于在本發(fā)明中使用的一個(gè)分散裝置，來提高的原油開采(EOR)或者絮凝應(yīng)用。本申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)了通過極少的改變連同上述信息，這種所謂的PSU (聚合物切片單元)的裝置可以與壓裂相適配。 因此實(shí)際上有可能使用不同粒徑的用于壓裂作業(yè)的粉末聚丙烯酰胺。該聚丙烯酰胺具有至少1000萬、優(yōu)選多于1500萬的分子量。可以用于本發(fā)明的這些PSU的規(guī)格被概述在以下表格中
權(quán)利要求
1.一種緊湊的并且可運(yùn)輸?shù)难b備，這種裝備啟動(dòng)快速并且是獨(dú)立式的，從而允許以高的濃度在非常短的時(shí)間內(nèi)溶解大量的聚丙烯酰胺粉末，并且被設(shè)計(jì)為用于氣田或者油田上的壓裂作業(yè)中，其中該裝備順序地包括 一個(gè)聚合物儲(chǔ)存區(qū)，一個(gè)豎直的聚合物傳送料斗，一個(gè)用于進(jìn)料的供料溢流管，一個(gè)由上述管進(jìn)行進(jìn)料的聚合物配劑量系統(tǒng)，一個(gè)PSU型的聚合物分散裝置，一個(gè)用于儲(chǔ)存并且對(duì)溶液中的聚合物進(jìn)行脫氣的罐，一個(gè)容積泵，該容積泵用于注入聚合物的溶液并且對(duì)其進(jìn)行配劑量，該聚合物的溶液是在使能夠進(jìn)行該壓裂工作的高壓泵的抽吸時(shí)獲得的。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝備，其特征在于，該聚合物配料裝置是一種螺桿配料器，其流速為100 kg/ho
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝備，其特征在于，該聚合物配料裝置是一種螺桿配料器，其流速為300 kg/h。
4.一種實(shí)施權(quán)利要求I到3中的任意一項(xiàng)所述的裝備的方法，通過注入壓裂水/聚丙烯酰胺在溶液中的一種混合物的水壓氣井或油井的壓裂方法實(shí)施了所述的裝備。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，該聚丙烯酰胺的分子量為至少1000萬，優(yōu)選大于1500萬。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在小于10分鐘內(nèi)以至少10g/Ι的濃度以100 kg/h的聚丙烯酰胺流速來完成該聚合物的分散。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在小于10分鐘內(nèi)以至少10g/Ι的濃度以300 kg/h的聚丙烯酰胺流速來完成該聚合物的分散。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，該聚合物的儲(chǔ)存時(shí)間是在10與20分鐘之間、優(yōu)選為大約15分鐘。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，處于溶液混合物中的壓裂水/聚丙烯酰胺的注入是在50與600巴之間、優(yōu)選是400巴的壓力下進(jìn)行的。
全文摘要
在此披露了緊湊的并且可運(yùn)輸?shù)难b備，這種裝備啟動(dòng)快速并且是獨(dú)立式的，從而允許以高的濃度在非常短的時(shí)間內(nèi)溶解大量的聚丙烯酰胺粉末，并且被設(shè)計(jì)為用于氣田或者油田上的壓裂作業(yè)中，其中該裝備順序地包括一個(gè)聚合物儲(chǔ)存區(qū)，一個(gè)豎直的聚合物傳送料斗，一個(gè)供應(yīng)進(jìn)料的溢流管，一個(gè)通過上述的管進(jìn)行進(jìn)料的聚合物配劑量系統(tǒng)，一個(gè)PSU型聚合物分散裝置，一個(gè)用于對(duì)溶液中的聚合物進(jìn)行存儲(chǔ)并且脫氣的罐，一個(gè)容積泵，該溶劑泵用于注入聚合物的溶液并且對(duì)其進(jìn)行配劑量，該聚合物的溶液是在能夠進(jìn)行該壓裂工作的高壓泵抽吸時(shí)獲得的。
文檔編號(hào)C08J3/05GK102713131SQ200980161957
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月19日
發(fā)明者彼得·尼克爾斯 申請(qǐng)人:S.P.C.M.股份有限公司