[发明专利]双功能支撑剂

说明书

相关申请的交叉引用

本发明要求于2011年9月2日提交的序列号为13/224,726的美国专利申请的优先权，将其全部内容引入本文作为参考。

发明领域

本发明涉及用于除去压裂的油井或气井产生的水和烃中的溶解的污染物，尤其是重金属和天然存在的放射性材料（NORM）的方法，以及组成、生产方法和在井压裂和生产中使用支撑剂组分的方法。

发明背景

水力压裂是提高油井和气井效率和生产力的常用的技术。过度简化地讲，该工艺涉及将水基、油基或乳状压裂液引入井中，和使用流体压力压裂和破裂井地层。裂缝允许油和气更自由地从地层流动，从而以有效的方式增加产量。

井压裂中涉及许多详细的技术，但是最重要的一种是当井中发现的油、气、水和其它流体流过地层裂缝时，使用固体“支撑剂”来保持那些地层裂缝开放。支撑剂与压裂液一起被运入井中，所述压裂液本身可以含有各种粘度增强剂、胶凝剂、表面活性剂等。这些添加剂也提高压裂液将支撑剂运送到希望的地层深度和位置的能力。用于特定井的压裂液可以针对地层中的每个深度使用或不使用相同的配方。

在油和气作业工艺中产生的水构成工业的最丰富的副产物。产水量按体积计代表约98%的由油和气作业产生的非能量相关流体，每年产生约140亿桶水。

根据美国石油协会（American Petroleum Institute，API），每年在美国产生超过180亿桶的油和气生产废液。这些废料通常溶解在地下水中，其产生的水与油的比率为每桶油约10桶产生的水。该污染的水可以包括各种离子污染物，其包括盐、烃、重金属（例如，锌、铅、锰、硼，铜、汞、铬、砷、锶和铝）、来自溶剂的硫化物和硫酸盐的腐蚀性酸或碱、水垢（例如，不溶性钡、钙和锶化合物）、通常被称为天然存在的放射性材料（NORMS）的天然存在的放射性核素（例如，铀、钍、镉、镭、铅-210和其衰变产物）、淤泥（通常含有二氧化硅和钡化合物的油性松散材料）和溶解的氡气。一般地，所产生的水被重新注入到深井中或排放到非饮用水的沿海水域。除了货车运输成本，废水处理成本可高达2美元每桶。这样的成本必须是气田的整体经济考虑的因素。

NORMS污染物是特别感兴趣的问题。油和气NORM是在生产工艺中，当来自储层的采出液携带硫酸盐向上到达地壳的表面上时产生的。钡、钙和锶硫酸盐是较大的化合物，并且较小的原子，如镭226和镭228可以刚好进入该化合物的空的空间，并通过采出液运送。当流体接近表面时，温度和压力的变化会导致钡、钙、锶及镭硫酸盐从溶液中沉淀出来并在内部形成水垢，或有时在完井管柱和/或套管的外部形成水垢。如果水垢在管状管柱内并且管状管柱保持在井下，那么在NORM污染的生产工艺中使用管状管材的完井管柱不会引起健康危险。提高浓度的镭226和镭228以及降解产物（如铅210）也可能发生在油田矿井、油罐和泻湖中积聚的淤泥中。当NORM在气体处理活动中时，在天然气流中的氡气也发生浓缩。氡衰变到铅210，再到铋210、钋210并稳定在铅206。氡衰变元素在与丙烯、乙烷和丙烷处理系统相关的入口管线、处理单元、泵和阀的内表面上作为有光泽的膜出现。

从井中产生的被污染的水应该被重复使用或处理以除去污染物，特别是重金属。然而，油井通常不位于大量污水处理设备附近。被污染的水必须被捕集并运到处理设备，或必须将便携式设备带到井处。示例性的系统已经包括用于除去有机化合物的活性炭填充床、固定式或便携式离子交换柱、电渗析和类似形式的膜分离、冷冻/解冻分离和喷雾蒸发及其组合。对于生产井所产生的水量，所有这些选择都相对昂贵。

某些类型的原位处理可以潜在地非常有助于补充基于表面的纯化处理，或在某些情况下替代基于表面的纯化处理。有针对性地，如果被送入压裂的井地层的支撑剂组合物可同时提供裂缝支撑功能以及在离子和溶解的污染物在表面产生之前将其至少一部分去除的能力，那么这将是可取的。

建议使用双功能支撑剂的一个出版物是Tanguay等人的WO2010/049467。在此公布的申请中描述的支撑剂具有聚碳化二亚胺或聚氨酯涂层，其任选地含有有机化合物、微生物和石油加工催化剂。当涂层溶解4小时以上时，化合物、微生物或催化剂被缓慢释放到原油中。