适合于大型压裂操作的改进的聚合物溶解设备

摘要

本发明公开了一种可以用于气体或油田的压裂操作的、改进的、紧凑的并且可运输的设备，所述设备的特征在于它依次包括：一个用于储存粉末形态的聚合物的贮仓，一个聚合物计量装置的进料斗，一个用于将该粉末聚合物计量排出的装置，一个用于分散并且研磨该聚合物的装置，至少两个用于将分散的聚合物进行水解并且溶解的箱体，至少两个容积式泵，该两个容积式泵使在该混合器中得到的该聚合物溶液能够注入并且计量以用于供应给该高压压裂泵。

说明书

技术领域

本发明涉及气体或油的采收领域，特别涉及通过注入含有聚合物的一种压 裂流体来对天然气井或油井进行液压压裂。

背景技术

文献WO2010/020698中描述了用于储存、分散以及溶解粉末形态的聚合物 的设备，更具体地，其基于丙烯酰胺。该聚合物溶液然后被计量调节并且应用 在用于生产页岩气或分散的石油的液压压裂操作中。

这种设备具有明显的操作局限，因为压裂操作要组装许多车辆（卡车、拖 车），有时多于100辆，车辆上包含有发动机、泵的传输设备、混合器、用于 溶解以及添加配料的装置、控制室以及尤其是用于保持压裂打开的大量的沙或 瓷珠。

这样的操作的成本非常高，而成功因素中的一个就是用于压裂以及用于设 备传输的总时间，其保证了压裂操作的收益性。因此必不可少的是所使用的设 备要提供没有中断风险的最好性能。否则，待压裂的井可能会堵塞，这可能是 灾难性的。

因此所有的设备必须能够在轮子上移动，或者是通过卡车或者是在拖车 上，并且考虑到取决于要讨论的地理区域的路面载重限制。通常，将底盘排除 在外的重量不应当超过20至24吨并且长度不超过12至14米。另外还必要的是在 其完成行程后立即可以使用，而没有浪费时间在初始填充操作中。

注入的丙烯酰胺基聚合物优选是高于1000万，通常是高于1500万的高分子 量的聚合物。它们的组成取决于水的盐度并且尤其是二价金属（Ca2+、Mg2+） 的量。

对于淡水，通常使用的是丙烯酰胺/丙烯酸共聚物（60/40摩尔百分比至90/10 摩尔百分比）。

对于更咸的水，使用包含0至10摩尔百分比的丙烯酸或具有低含量的磺化 单体（ATBS，丙烯酰胺叔丁基磺酸盐）的弱阴离子或非离子共聚物；

对于非常咸的水，使用的聚合物例如可以是由丙烯酰胺/三甲基氨基乙基丙 烯酸酯氯化物的共聚物（90/10摩尔百分比）制成。

在极端的情形中，使用的聚合物是由DADMAC（二烯丙基二甲基氯化铵）、 NVP（N-乙烯基吡咯烷酮）等的聚合物制成。

尽管记载在文献WO2010/020698中的该设备性能良好，然而从处理的聚合 物的量来说，其是受到限制的，并且具有如下的局限性：

聚合物以25千克的袋子来供应，最大是750千克的大袋子，供应速度与大 型采收操作不匹配。

在操作中不能够大量地供应。

难以计量排出并且以高浓度分散该聚合物从而限制在该设备中的聚合物 分散体和/或溶液的容积。

难以避免成团聚集物的形成（称为鱼眼），其只能在很长的时间段后才能 溶解，另外可能会堵塞泵。

难以在一个较短时间段内溶解悬浮物，因为卡车上的容积受到限制。

难以在该混合器中以受控的方式来泵入该聚合物溶液，其在非常高压力的 注入泵送之前执行并且使所有的原料变均匀。

一些人使用金属容器，而金属容器难以在通常是泥泞的地面上操作。

现在的改进，通过在水平井孔的长度方向上的增加，旨在用于更大型的压 裂操作。几个月前，这些操作需要每个操作4至8吨的聚合物，并且文献WO 2010/020698中记载的设备适合这种类型的操作。

现在，注入量的范围是9至15吨并且有可能在将来达到大约每个操作是20 吨，而记载在文献WO2010/020698中的该设备不再是合适的。

因此有必要开发改进的设备，该设备适合这种开发并且在操作过程中没有 中断的风险。

发明内容

本发明要解决的问题是在较短的时间较小的空间内溶解更多的聚合物，同 时考虑到重量的限制，并且在操作中没有手动的加料操作。

限制因素之一是在操作的位置没有能够将这些聚合物溶液从这些溶解箱 中倒空的装置。因此，该设备必须与满载的箱体一起移动，然而在操作结束时 对于待调节的粉末的量是可能的。这样做的优势是在完成行程之后使得该设备 能够立即启动。

申请人已经开发出改进的设备，能够使得解决这个问题以及显著地改进现 存的安装配置的性能。

本发明涉及可以用于气体或油领域的压裂操作的、改进的、紧凑的并且可 运输的设备，所述设备的特征在于它依次包括：

一个用于将粉末聚合物供应给一个贮仓的气动装置，

一个用于储存粉末形态的聚合物的贮仓，

一个用于将该聚合物从该贮仓传送进入一个进料斗的装置，

一个聚合物计量装置的进料斗，所述料斗设有一个顶部计量线以及一个底 部计量线，

一个用于将该粉末聚合物计量排出的装置，

一个用于分散并且研磨该聚合物的装置，也被称为一个PSU（聚合物削切 单元），该装置包括：

一个用于润湿粉末聚合物的锥体，该锥体连接到一个初级进水回路上，

在该锥形件的下端：

一个研磨并且排出分散的聚合物的腔室，该腔室包括：

一个配备有叶片的电动机驱动的转子，

一个由配备有细缝的一个汽缸组成的固定的定子，

沿着该腔室的全部或部分的边界，具有一个通过一个次级水回路供应的 环，该环与该腔室连通，从而保证受压下的水喷撒在该定子的外部，从而在所 述定子的表面能够释放研磨过的并且溶胀的聚合物，

至少两个用于将来源于该分散和研磨装置的分散后的聚合物进行水解并 且溶解的箱体，

至少两个容积式泵，该两个容积式泵使得能够将在该混合器中得到的该聚 合物溶液进行注入并且计量以用于供应给该高压压裂泵。

在一个优选的实施例中，该设备被设置在一个容器内或者一个拖车上并且 具有少于24吨的重量，优选少于22吨，并且考虑到包含在这些箱体中的聚合物 溶液的量，以及包含在该贮仓中的粉末的量，并且允许立即启动。另外，该设 备不会超过14米的长度，优选12米。

在一个优选的实施例中，该储存贮仓是水平方向的，呈平行六面体形状并 且配备有一个二面体形状的基座。

有利地，该储存贮仓具有大于或等于5立方米的容积，优选大于或等于10 立方米。

用于供应该贮仓的该气动装置是一个配备有锥体以用于排放该聚合物的 罐车，或者是一个具有倾翻式底盘的卡车。

用于将该聚合物传送给该溶解装置的该进料斗的装置由一个位于该贮仓 的基座上的一个下侧排放螺杆构成，所述螺杆连接到一个用于对该料斗加料的 竖直螺杆，或者是连接到一个将该贮仓的底部连接到该进料斗的气动传送装 置。

该分散和研磨装置提供该聚合物的液压研磨。它具有的极大的优势在于分 散大量的聚合物，同时大大地提高了该设备的尺寸并且通过湿润研磨加速了该 聚合物的溶解。这样做使得从有限容积的设备中提供大的聚合物注入量成为可 能。

位于这些溶解箱体以及该注入泵之间的这些容积式泵可以例如被选择为、 而不限制于凸轮泵，例如Waukesha型泵，特别是提供在3巴的压强有30立方米 每小时的流速的凸轮6泵，或者是可以提供同样流速的Myono型偏心转子泵。

本发明的该设备的这些部件被安排在一个较小的空间内，例如在一个容器 或一个卡车拖车内。

这些不同部件的选择具体取决于可用的容积、最大的倒空重量、待注入的 该聚合物溶液的总量以及其流速。

与在本发明中使用的类似，一个用于提高油采收（EOR）的应用中的分散 和研磨装置在文献WO2008/107492中由该申请人描述过。该溶解装置，也被称 为PSU（聚合物削切单元），有利地是以PSU300Plus的名称出售的装置，其使 得以每小时100至600千克聚合物调计量速排出成为可能。这些量与那些在当前 的压裂操作中所需的量一致。该聚合物溶解装置的该转子-定子的直径优选大于 200毫米。在大多数情况下，该聚合物削切单元间歇地操作，其取决于在300千 克每小时的标准流速下这些溶解箱体的液位。然而，它也适合于聚合物的更高 的需求。水被供应给PSU，一般在初级回路以10立方米每小时的速度，而在次 级回路中是0至20立方米每小时，这取决于所需要的浓度以及粘度。该聚合物 的浓度优选是20克每升。另外一方面，在使用浓缩的盐水时，盐对粘度的影响 使得能够将该浓度提高至30克每升，同时保持该聚合物的粘度在10000cps以下， 以容易泵送。

这些溶解箱体因为设备的规模而具有受限的容积。一般地，该设备可以包 括两个4至5立方米的箱体。这些箱体一般是被用力搅拌以加速该聚合物的溶 解。另外，这两个箱体可以串联地、连续地、并联地、或以从一个至另一个传 递（翻转（flip-flop））的方式工作。这些容积式泵可以一起或单独地工作，以 供应该混合器，该混合器用于供应该高压压裂泵。

因为这些压裂操作涉及到20至30立方米每小时的正常工作状态的水流速， 该溶解时间一般应该少于30分钟。

一个解决方案在于根据给定的时间调整该溶解速率。商业上可得到的丙烯 酰胺基聚合物一般具有0至1000微米的颗粒尺寸并且对于平均是阴性（20至50 摩尔百分比）的聚合物的溶解时间正常是1小时的量级并且对于非离子聚合物 是两小时。因此，该粉末的颗粒尺寸应该根据想要的溶解时间进行调整。根据 经验，确定下述的这些溶解时间：

穿过PSU后使得能够对于最大的颗粒尺寸以20%至30%地减少溶解时间并 且对于较小颗粒尺寸稍微减少。

工业上可行的是以额外的成本将这些聚合物研磨至这些颗粒尺寸。然而， 充满这些过滤器并且非常易湿的细粒（<50微米）的含量应该受到限制。

还根据本发明，保护控制、仪表以及安保电气设备被安排在一个电气室中 并且通过一个可编程的控制器得以控制，该控制器使得通过整个该压裂操作的 主控制室该设备能够完全自动化。

本发明的另外一个主题是提供一种使用前述装备通过注入包含有一种聚 合物溶液的流体来对天然气井或油井进行液压压裂的工艺。

根据本发明的该设备在根据本发明的该工艺中的应用使得能够减小压裂 注入压力同时限制注入管中的流体的摩擦。

在一个有利的实施例中，根据本发明的该工艺的特征在于所使用的这些处 于粉末形态的聚合物具有0至500微米的颗粒尺寸，优选0至400微米，不考虑这 些聚合物的电离度，并且对于非离子聚合物优选0至300微米。

根据一个有利的实施例，根据本发明的该工艺的特征在于该聚合物在这些 水解箱体中的总停留时间在20至30分钟之间。

因为根据本发明的该设备，各种类型的合成的或天然的聚合物将能够溶 解。所要提到的是，但非限制性地，通常用在压裂工艺中的丙烯酰胺基聚合物 以及瓜尔胶。

在聚合物在PSU中的分散过程中，该压裂流体的其他化学化合物可以被添 加入PSU中。

如果这些化学原料呈粉末形态，它们可以与这些聚合物以粉末形态预先混 合，所述混合物然后被添加入PSU中，或者它们可以与这些聚合物同时添加入 PSU中。

如果这些化学原料呈液体形态，它们可以通过一个泵添加入PSU中，例如 进入该初级或者该次级进水回路中，或者是分别从这两个进口。

在压裂中使用的化学化合物选自下面的非限制性的清单中：硼酸盐交联 剂、粘土稳定剂、表面活性剂、pH缓冲剂、瓜尔胶水解辅助剂、过硫酸铵、水 垢抑制剂、氯化胆碱、杀菌剂、酶破胶剂、温度稳定剂、降阻剂（阳离子聚丙 烯酰胺）、碱、酸、铁还原剂、腐蚀抑制剂。

本发明以及这些优点从附图支持的下述示范实施例中会变得更清楚明显。

附图说明

图1是根据本发明一个有利的实施例的在该设备中的流动的示意侧视图。

图2是根据本发明一个有利的实施例的该设备的示意侧视图。

具体实施方式

如前面已述，本发明的主题的该设备的可用空间一般受到限制，因而不可 能安装一个圆筒锥形贮仓。图2所示的该储存贮仓（4）是水平的，呈平行六面 体形状并且具有一个二面体形状的基座。位于这个二面体中的是一个排放螺杆 （5），该排放螺杆（5）向一个抬升螺杆（6）进料，以通过重力向PSU供应粉 末聚合物。该抬升螺杆也可选择由一个气动传送装置取代。

这个贮仓通过运输该聚合物的一个罐车气动地进料，该罐车通过锥体（16） 或一个倾翻式底盘（17）倒空。该贮仓粉末聚合物的进料可以在操作之前或在 操作中进行，这取决于所需要的体积。但是该装置运输足够的处于粉末形态的 聚合物（例如2至3吨），以用于立即启动。

该储存贮仓具有一个大于或等于5立方米的容积，优选大于或等于10立方 米。

图2示出一个使得能够对大型压裂操作进行供应的拖车。

这个实例的该设备使得能够保证用于多于12吨的聚合物量的聚合物溶液 的平均10个次连续注入并且最大的聚合物粉末流速是300千克每小时。

用于美国的操作条件下的该设备的尺寸的限制是w=2.4米，H=3米不包含该 底盘，L=13.4米。

在传递过程中不包括该底盘的最大重量是最大22吨。在传递过程中意味着 在一个压裂操作结束时，这些箱体满载并且使该贮仓可以包含2至3吨的聚合 物，该拖车应该与满载箱体一起移动，而没有可能的倒空。

这个组件由以下各项组成（图2）：

一个发电机（1），该发电机提供该车载设备上的自主的电源供应，该发 电机是150千瓦，并具有提供全部操作的一个燃料箱。

一个水泵（2），该水泵能够在操作过程中避免供应线的大的压力变化。 流速在3巴的压强下是30立方米每小时并且NPSH是3米。

一个具有200微米小袋的双重过滤器（3），以去除水中的悬浮物中可能会 阻塞或侵蚀PSU的物质。

一个10立方米的平行六面体的水平贮仓（4），其具有一个二面体基座， 在该基座内设有一个用于将该粉末传送至出口管的200毫米的螺杆（5）。这个 螺杆由一个转矩限幅器保护。

一个直径120毫米的竖直螺杆（6），其用于将该粉末以600千克每小时的 流速提升到PSU料斗之上。这个竖直螺杆可以由一个气动传送装置取代。

一个锥形料斗（7）（PSU进料），以及顶部和底部检测器，以用于开启或 停止上述的两个螺杆。在这个料斗的底部是一个用于通过速度变化来计量排出 每小时100至500千克粉末的计量螺杆（8）。通常，该流速会是固定的并且会 是300千克每小时。

一个PSU（9），其通过提高其转子-定子直径至210毫米而得到改进。这个 PSU以10立方米每小时的粉末聚合物在上侧部分进料并且下侧部分是0至20立 方米每小时的水。水和粉末的流速可以根据想要的条件的调整。

水和粉末在一个润湿锥体（10）中混合，该锥体（10）可以是涂覆有特氟 龙，以使用在未准备好的土地上平坦性较差时，防止粉末贴在该锥体上。事实 上，这些压裂操作通常发生在粗糙地整平的农业用地上。

由此得到的悬浮物被送进两个用力搅拌的串联的4.5立方米的箱体（11） 中。该第二箱体配备有一个顶部以及底部计量措施，以提供PSU的启动或停止。

在这些箱体的出口处，该溶液通过两个并联的变速容积式泵计量排出。

有利的是这两个泵是Waukesha凸轮泵（12）型号60，流速30立方米每小时。 该流速可以作为所观察到的注入压力的函数从该主控制室进行修改。两个泵被 安装以作为一个安保措施，但在非常高的需求（意外事故）时，也可以一起使 用。在这种情形下，这些储存箱体作为缓冲使用。

功用设备被进一步地安装在这个设备上，其具有一个1千瓦的空气压缩机 （13），以用于尘土过滤器的气动排阻以及用于自动地打开和关闭气动阀。

所有的控制、保护、仪表以及安保电气设备位于一个电气室（14）内，并 且通过一个可编程的控制器得以控制，该控制器使得该设备通过整个该压裂操 作的主控制室全部自动化地受控制地运行。

一个倾翻式大型罐车（17）通过受压的气动传送在操作开始时或者操作过 程中给该贮仓供应粉末聚合物（15）。

该粉末的颗粒尺寸被调整以适合通常的20至30分钟的溶解时间。对于30% 阴性的阴离子聚合物，所选择的颗粒尺寸将会是0至500微米。

在这些操作过程中，这个设备已经能够达到至今为止从来没有达到过的性 能水平。所得到的结果是极好的，因为该设备从此以后能够以高流速溶解大量 聚合物（大于12吨），同时与空间以及重量限制一致。

在工业上，相比于那些习惯使用乳液的人，粉末聚合物的使用者会更少一 些。然而，因为粉末的成本比乳液的要低，可以注意到的是即使考虑到该设备 的折旧，还是有显著的经济优势。

本领域的技术人员可以根据要求用类似的设备来替代，同时顾及到该气体 或油采收操作的容积、重量以及最终进料的需要。