根据液力压裂操作回收产品的减排方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及用于利用压裂流体混合物对地下储集层中的地层进行液力压 裂并且从储集层回收产品的减排方法。
【背景技术】
[0002] 当采用液力压裂以对地下储集层中的油气地层进行压裂时，大量的液体和支撑剂 材料被注射至储集层中。在压裂处理结束时，压裂系统和储集层被压裂流体完全地充满。为 了生产，油和气体必须在压裂流体饱和岩和压裂系统周围流动或者流动通过压裂流体饱和 岩和压裂系统，使得压裂流体必须充分地从路径移除以便不削弱流动。为了将压裂流体从 储集层和压裂岩移除，在钻井孔内引入压差以将压裂流体吸出储集层和压裂岩。压裂流体 以这种方式被移除，或往回流动直到获得了持续的、稳定的、充足的油气产品为止。
[0003] -旦井处于产生状态，原始储集层流体的流动从井被引导至加工设施，在加工设 施处，产生的流体被加工至在一定程度上符合销售或重新使用的合适的规格。在加工设施 处加工天然气可以包括液体分离、脱水、天然气液体捕获、压缩以及对成分一一比如二氧化 碳、氮、硫、硫化氢和氧一一移除污染物。加工设施可以位于钻井孔的附近或远处并且通过 管线流体地联接至钻井孔。此外，加工设施可以适于加工来自单个井或多个井的原始储集 层流体。
[0004] 加工设施通常构造成具有在规定的入口压力下加工原始的原始储集层流体的流 体组分的容量和能力，但这种构型通常不适合加工包括井的废料（比如压裂流体）或在压 裂流体回收期间可获得的入口压力的组合物。更常见地，由于加工设施的在容量和能力方 面的限制，注射的压裂流体的回收通过简单地使井朝向大气敞开来实现。对于后压裂回收 而言共同的是，水和排出物的支撑剂成分通过临时压裂回流设备而与气体成分分离，临时 压裂回流设备主要包括控制压力的扼流器、用于固体、液体和气体的相分离、用于液体的存 储或处理，以及通向大气作为用于气流的出口的通气孔或扩口。回流设备通常包括端部敞 开的导管，该导管将流引导至凹坑处；在凹坑处，液体与固体被分离并且被捕获在凹坑内， 而气体被排放或燃烧至大气。这种技术使得引入钻井孔内的压差最大化以将压裂流体吸出 储集层，并且消除了在试图将后压裂井内液气流引导至生产设施时可能遇到的复杂性、成 本、混乱和损坏。
[0005] 例如，考虑到如下井：该井至少生产天然气并且完成了基于氮激发的水的压裂处 理。加工设施已经构造成处理原始井内液气流，原始井内液气流通常至少包括天然气，天 然气具有251b/MMscf (每百万英尺立方的量）的水、7vol% (体积百分比）的二氧化碳、 Ivol %的氮、Ovol %的硫、硫化氢和氧并且具有l，025Btu/ft3的热含量，所有这些成分以 75psig (镑/平方英寸）的最小压力进入加工设施。加工设施构造成然后将原始天然气处理 至具有不超过下述范围的目标成分和状态的销售规格：该范围为71b/MMscf的水、2vol% 至3vol %的二氧化碳、3vol %的氮、50mg/m3的硫、15mg/m 3硫化氢和0· 4vol %的氧，以及在 600psi的出口压力下在950-1150Btu/ft3的范围内的热值。同样地，加工设施构造成具有 通过脱水过程从原始天然气移除至少201b/MMsCf的水、通过胺二氧化碳捕获系统从原始 天然气移除5vol%的二氧化碳、并且随后将天然气压缩至所需的出口压力600psig的能 力。该设施将不构造成从原始天然气移除氮、硫、二氧化硫或氧，或修改热含量，因为原始天 然气的这些成分在销售规格内。在压裂处理之后并且在回流阶段期间，井被流动以使压裂 流体从储集层移除。这是这样完成的：使用临时压裂回流设备直到当足够的原始储集层流 体被包括在井内液气流内以使得井内液气流在加工设施的能力范围内被加工至销售规格 时。这通常被称为已知的"净化"，其中，足够的压裂负载流体已经被回收并且井处于"生产" 状态。这种后压裂净化过程或回流阶段可能耗时两周或更多周完成，这在井的寿命期间是 相对短的时间并且不会保证加工设施的变化以允许加工后压裂井内液气流。初始地，在压 裂流体的回流期间，井内液气流将包括几乎100%的注射的压裂材料，比如水、支撑剂以及 氮气。这种原始井内液气流（"气流"）的气体成分一一包含超过加工设施的能力的氮含 量一一不能被引导至设施并且被必要地排放或燃烧至含量为3%或低于3%。作为将高的 氮含量的气流排放或燃烧的替代方案，回收的气流可以在进入加工设施入口之前被处理以 通过增设例如临时氮捕获膜系统使氮移除。这种膜系统可以必要地包括脱水以使气体中的 过量水蒸气移除，压缩以将气体驱动穿过膜，将分离出的氮排放至大气并且最后对分离出 的天然气进行附加的压缩以满足加工设施的最小入口压力。
[0006] 由于通常在后压裂井内液气流中存在的大量的液体，气流的压力可能不足以满足 加工设施的入口压力需求，即使气体流的含量可以在组分规格内亦是如此。包含在回流井 内液气流内的过量的液体，当从储集层沿钻井孔向上流动并且到达地面时，呈现了更高的 流动压力损失。这使得到地面的流动压力减小，该压力通常低于加工设施的入口压力需求。 而且，这要求在水分减少之前对气流进行排放或燃烧以使得来自井的流的压力足以克服加 工设施的最小入口压力。作为替代方案，如果气体组分在加工设施入口规格内，同时压力太 低而不能满足入口压力需求，则可以应用临时的气体压缩机以充分地增大压力以满足入口 压力需求，从而避免排放或燃烧。很可能需要在压缩之前至少脱水以使水蒸气移除，以便使 井内液气流的气体成分满足压缩机的入口需要。
[0007] 而且，如果流动压力损失使得流体将不能够在没有辅助的情况下容易地流动至地 面，则可以实施载荷流体回收技术以使流体在回流阶段移动至地面。这种技术的两种示例 是抽吸作用和气流提升。这两种技术都倾向于高成本、复杂并且耗时，并且将在压裂处理之 后是回流操作的附加处理。抽吸作用涉及将机械装置沿钻井孔向上移动以使得钻井孔中的 液体被提升至地面。气流提升涉及将井内的油管柱或盘管插入至特定的深度，随后将比如 氮或天然气之类的气体注射至管或管与钻井孔之间的环形空间以使得液体移动至地面。气 体提升可以涉及大量的地面设备，比如对气体进行加压的压缩机，以及在压缩之前对气体 进行处理的脱水和冷却设备。
[0008] 虽然存在可用于在地面处理井内液气流并且使井内液气流加压至足够的加工设 施入口压力的已知的技术，但这些技术是对环境有害的，并且包括类似向大气排放或燃烧 气体并且将液体存储至敞开的凹坑中的技术。这些临时的技术还倾向于需要复杂且昂贵的 地面设备，这还可以造成显著的压力损失，从而使在钻井孔内引入以将压裂流体吸出储集 层的压差受损。
[0009] 显著地减小或消除在液力压裂完成操作期间的排放、燃烧和所应用的水通常是困 难的、昂贵的、复杂的且低效的，然而对于环境和现有的完井技术的最终的可持续性而言是 重要的。石油和天然气行业会受益于有效的、成本高效的并且减排的方法以在液力压裂之 后引入回流性能。
【发明内容】
[0010] 压裂流体混合物用于通过下述方法液力地压裂储集层中的地下地层：将至少天然 气和基于水的或碳氢化合物的压裂基础流体混合以形成压裂流体混合物，并且将压裂流体 混合物注射至井中。该井被流体地联接至储集层和地面加工设施。在压裂流体混合物中， 天然气组分和含量被选择为使得井内液气流的回收的气体成分在加工设施的入口规格内， 并且井内液气流具有井口流动压力，该井口流动压力足以使井内液气流流动至地面，或具 有流动压力，该流动压力满足加工设施的捕获系统入口压力需求。井口流动压力或捕获系 统入口处的流动压力可以通过将天然气添加至压裂流体而被增加，这具有减小了钻井孔流 动压力损失的效果。
[0011] 根据本发明的一个方面，提供了用于使用压裂流体混合物液力地压裂储集层中的 地层并且用于从井回收井内液气流的方法，该方法包括下列步骤：
[0012] (a)限定用于使井内液气流从井流动并且流动至加工设施的回流需求；
[0013] (b)根据所确定的回流需求来确定压裂流体混合物的天然气组分，使得井内液气 流的气体成分的组分与加工设施的气体组分需求相兼容；
[0014] (C)根据所确定的回流需求确定压裂流体混合物的天然气含量，使得井口流动压 力足以使井内液气流至少流动至地面，或者使得捕获系统入口处的井内液气流压力至少满 足加工设施的入口压力需求。
[0015] (d)形成具有选择的天然气组成的压裂流体混合物；
[0016] (e)在地层压裂阶段期间，将压裂流体混合物注射至井内以使地层压裂；以及
[0017] (f)在回流阶段期间，使井内液气流的气体成分从井流动至加工设施，其中，井内 液气流中的至少一些井内液气流包括在压裂流体混合物中的注射的天然气。
[0018] 井内液气流还可以包括原始储集层气体，在这种情况下，原始储集层气体和注射 的天然气中的至少一部分被流动至加工设施。井内液气流还可以包括原始储集层液体，在 这种情况下，该方法还可以包括使用流体地联接在井与加工设施之间的回流设备将包含原 始储集层液体的液体成分与井内液气流分离。
[0019] 在回流阶段期间，井内液气流的气体成分可以在没有任何排放或燃烧的情况下从 井流动至加工设施，从而消除或至少减小了释放至环境中的有害排放。
[0020] 加工设施可以构造成加工气体和液体，在这种情况下，方法还包括根据所确定的 回流需求确定压裂流体混合物的天然气组分，使得井内液气流的气体成分和液体成分的组 成与加工设施的气体和液体组成需求相兼容；以及在回流阶段期间，使井内液气流的气体 成分和液体成分从井流动至加工设施中，其中，井内液气流中的至少一些井内液气流包括 在压裂流体混合物中的注射的天然气。
[0021] 回流需求可以包括与流体地联接在井与加工设施之间的回流设备相关联的压力 损失。回流设备可以包括固体分离器，在这种情况下，方法还包括在气体成分和液体成分流 动至加工设施中之前使用固体分离器将固体与井内液气流分