CN105102758A - 非水力压裂和冷泡沫支撑剂输送系统、方法和过程 - Google Patents

Abstract

本发明提供了压裂地下地层的方法和系统，其包括将异临界相天然气泵入地下地层中，以在地层中形成或延伸一个或多个裂缝。所述方法和系统可进一步包括通过将更多的异临界相天然气泵入裂缝中来维持或增加地层中的异临界相天然气的压力，以使裂缝保持张开。所述方法和系统可进一步包括将支撑剂输送至地下地层中。所公开的方法和系统可被用于从地下地层提取烃，而无需使用液体。输送支撑剂的方法和系统包括提供一种非水液体，将表面活性剂加入该非水液体，将支撑剂加入该非水液体以形成一种非水液体、表面活性剂和支撑剂流，泵送加压该非水液体、表面活性剂和支撑剂流，使用加压后的天然气来激活非水液体、表面活性剂和支撑剂流，以及将被激活的非水液体、表面活性剂和支撑剂流输送至地下地层。本发明还提供了回收支撑剂输送液体的方法。

Description

非水力压裂和冷泡沫支撑剂输送系统、方法和过程

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年4月8日提交的美国申请No.13/858,780的优先权，在此通过引用将其全部并入本文。

技术领域

本公开内容涉及用于增加地下烃地层的渗透性，从而提高了提取这些烃的能力的非水力压裂和冷泡沫支撑剂输送系统和方法。

背景技术

烃资源，如石油和天然气(“NG”)，常常被发现于地下的“致密的”地质地层(例如砂岩或页岩)中。这些都需要“非常规”的钻井和完井技术，包括含烃的地质层的“压裂(fracturing)”，以允许那些烃被释放用于回收、处理、储存和分配。现有的压裂方法是水力的，也就是说，它们使用液体用于压裂以及用于将支撑剂输送至压裂处(fractures)。

然而，水力压裂和支撑剂输送方法受很多显著缺点的影响。目前在标准水力压裂中使用的液体(例如，在环境温度下化学改性的或处理过的水和/或低温液氮)产生被污染的液态水或含氮的气态甲烷的废物流。更具体地，使用水或氮导致了压裂流体与烃二者的污染(或不期望的混合)，并且使用氮或液态二氧化碳需要发泡剂。

所述废物流和被污染的混合物需要被处理，而充分的清洗以及适当地处置“用过的”水力压裂流体的成本在经济方面和环境方面都大大增加了水力压裂的成本。如果清洗没有被合适地完成，则水力压裂对环境的损害可能是不利的，导致管理者和/或政策制定者为回应公众的担忧而限制水力压裂的使用，正像现在一些地区已经出现的情况。水力压裂常常导致显著的甲烷排放(甲烷是一种比CO₂更加破坏环境的温室气体)，并且可能需要用于减轻这些排放的复杂设备。

此外，一些现有的水力压裂技术是能源和资本密集型的。例如，使用液氮需要设置用于空气分离的设施，该设施使用深度制冷以液化环境空气，然后使其分解得到氮。使用氮用于压裂通常需要大量的能量输入以实现氮的液体状态。此外，当氮(或更精确地说，液氮)被泵至高压时，如更深地层的压裂所需的那样，则发生相转变，使N₂从其液体形式转变至其气体状态，而支撑剂在这些条件下的输送将成为问题。

支撑剂通常通过泡沫被输送到断裂的地下地层，因为它们更倾向于具有相较于液体输送更低的“渗漏”比率，即，从压裂降低压裂流体的损失。大多数现有的支撑剂输送使用液态CO₂或液氮。然而，这些技术也有一些缺陷，例如运输成本和将液态CO₂或液氮导入井场的物流复杂性，使用液态CO₂或液氮导致的烃的污染，以及需要水作为形成泡沫的液体基。水作为形成泡沫的液体基的使用，是被泵送加压的气化的CO₂或N₂激活(energize)的，并且这一泡沫输送支撑剂，需要许多与标准水力压裂相同的化合物(交联剂、松弛剂(slickeningagents)、防膨剂……)。

因此，需要一种不使用液体的有效压裂方法。还需要更节能的压裂过程。进一步需要不产生要求艰难的清洗措施的污染废物流的压裂方法。还进一步需要一种压裂方法，该方法通过避免使用水(烃不与其相互作用)来增加对来自地下地层的烃的回收。

还需要一种基于泡沫的支撑剂输送系统和方法，其不需要液态CO₂、液氮、或者大量的水。因此，需要非水力压裂和支撑剂输送系统和方法，其是不那么能源密集的、不需要用于压裂和输送支撑剂的液体、不给压裂过程显著地增加污染物或废弃物，并且具有提高烃回收的潜力。

发明概述

通过提供使用异临界相(metacriticalphase)天然气(其在下文中可以被称为“异NG(meta-NG)”)作为压裂和支撑剂输送介质的非水力压裂和支撑剂输送系统、方法和过程，本公开内容的实施例在很大程度上减轻了已知的压裂和支撑剂输送过程的缺点。气体的异临界相是这样一组条件，其中所述气体位于其临界压力之上并且比其临界温度冷。被泵至高压的异NG用于在地下地层中形成或延伸裂缝并使这些裂缝保持张开以释放包含在这些地层中的烃。异NG可能被泵至高压、被加热并用于将合适的支撑剂输送至地下地层中的裂缝。

本公开内容的实施例提供通过使用泡沫输送支撑剂将受激活气体压裂的系统和方法，其中所述液体是非水液体也可包括表面活性剂和向其中加入支撑剂，该流体被异NG激活成泡沫，并回收形成与塌陷泡沫的所述流体，这一流体同被释放的烃一起返回到表面。公开的支撑剂输送系统和方法可使用异NG在井中泵送加压，其中该异NG在井或其附近生成，并且进料NG是不显著区别于即将被解放的NG的。一种非水液体，例如醇的一种，包括但不限于乙醇、甲醇或乙二醇，是被用作泵送加压液体的，其在一些实施例中同表面活性剂一起被高压异NG或压缩天然气(CNG)所激活或泡沫化。

使用非水液体，例如醇的一种，包括但不限于乙醇、甲醇或乙二醇，作为泵送高压液体，其(同表面活性剂一起)被高压异NG激活(泡沫化)。选择异NG或压缩天然气(“CNG”)用于气泡将取决于对产生的泡沫的需求，即，使用较冷的异NG得到的更粘稠的泡沫或使用CNG则得到低粘性的泡沫。泡沫粘度是完井专家控制的诸多因素之一，以便实现裂缝内的支撑剂深度输送。较高的粘度有助于创造更宽的裂缝，并帮助携带支撑剂进入裂缝的更深处。可能确定一个特定完井效果将使用异NG或CNG的其他因素，可以包括井套管和泡沫输送管道/管线的温度耐受性。

示例性实施例包括压裂地下地层的方法，该方法包括将异NG泵入地下地层中以在地层中形成或延伸一个或多个裂缝。可现场生产所述异NG。方法还可以包括通过将更多异NG泵入裂缝中来维持或增加地层中的异NG的压力，以使所述裂缝保持张开。在示例性实施例中，通过所述异NG将支撑剂输送至地下地层中。所述支撑剂可以是被润滑的并经由高压下的热的压缩天然气(“CNG”)或者由泡沫在各种压力和温度下输送。

在示例性实施例中，通过将所述异NG泵送加压和加热来生产高压的热CNG。示例性方法还可以包括释放所述CNG的压力，使得所述支撑剂独自使裂缝保持张开。在示例性实施例中，所述裂缝在不使用水或其他液体的情况下形成并保持张开，并且所述支撑剂在不使用水或其他液体的情况下输送。此外，压裂步骤和支撑剂输送步骤可在不存在用于减轻液体使用的不利影响的化学添加剂的情况下进行。

非水力压裂方法的示例性实施例包括将异NG泵入地下地层中以在地层中形成或延伸一个或多个裂缝，以及将支撑剂输送至地下地层中。该方法可进一步包括维持或增加异NG的压力以使裂缝保持张开。在示例性实施例中，所述支撑剂是被润滑的，并且所述支撑剂可以经由对异NG进行泵送加压和加热而产生的热CNG输送。通过使用本文所公开的方法的示例性实施例，所述裂缝在不使用水或其他液体的情况下形成并保持张开，并且所述支撑剂在不使用水或其他液体的情况下输送。

非水力压裂系统的示例性实施例包括异NG供应、用于存储异临界天然气的低温贮槽、至少一个正位移装置(例如，泵或压缩机)和管道网络(该管道系统可包括油井套管和/或接合剂(cement))。所述低温贮槽被流体性的连接至所述异NG供应，并且所述正位移装置被流体性的连接至所述低温贮槽。所述管道网络被流体性的连接至所述至少一个正位移装置和所述低温贮槽，并且至少一根管子延伸到地下地层中。在示例性实施例中，所述异NG由被构造成通过压缩和制冷的适当平衡将天然气转化成异NG的现场天然气设施供应。如本公开内容全文所讨论的那样，所述异NG可以由从地下地层返回至地上NG设施的CNG生产。

示例性的系统被配置为：使得所述异NG流经管道网络进入地下地层，从而使所述异NG在地层中形成或延伸一个或多个裂缝。所述至少一个正位移装置增加了异NG的压力以使裂缝保持张开。该系统可进一步包括容纳在储存容器、料斗和/或允许支撑剂加入异NG的其他设备中的支撑剂，从而所述异NG能够将支撑剂输送至地下地层中的裂缝。在示例性实施例中，热的高压CNG流经管道网络，并且支撑剂经由热的高压CNG被输送到地下地层的裂缝中。

示例性实施例还包括通过冷泡沫输送支撑剂的方法，包括：提供一种非水液体、加入表面活性剂至非水液体、加入支撑剂到非水液体中以形成非水液体、表面活性剂和支撑剂流、泵送加压所述非水液体、表面活性剂和支撑剂流、使用加压天然气以激活所述非水液体、表面活性剂和支撑剂流，和输送被激活的非水液体、表面活性剂和支撑剂流至地下地层中。加压天然气可以是异临界相天然气或异NG。支撑剂在地下地层中保持一个或多个裂缝张开。

在示例性的实施方案中，被激活的非水液体、表面活性剂和支撑剂流是处于环境温度和大约-140°F之间的一个温度。所述非水液体可以是甲醇，并且当所述甲醇、表面活性剂和支撑剂流被高压NG激活时，所述甲醇、表面活性剂和支撑剂流进入一种泡沫状态。在上下文中，术语“激活”指的是将高压气流导入包含(除其他外)表面活性剂的液体流，从而产生泡沫。在示例性实施方案中，在地下地层中的甲醇的泡沫状态破裂，使得甲醇变成液态或气态。然后液态或气态的甲醇可以溶解于从地下地层中释放的烃中从而形成甲醇-烃溶液，随后甲醇-烃溶液流出地下地层。示例性实施方案还包括通过引导异临界相天然气在第一方向上和引导甲醇-烃溶液在与第一方向基本相反的第二方向上，来回收甲醇。在这样的实施方案中，异临界相天然气冷却甲醇-烃溶液，并且甲醇-烃溶液中的甲醇从溶液中冷凝出来。

示例性实施例包括回收支撑剂输送液体的方法。这类方法包括当溶液流出地下地层时，首先回收溶解于从地下地层中释放出来的烃中的支撑剂输送溶液。然后异临界相天然气被引导在第一方向上，和支撑剂输送液体-烃溶液被引导在与第一方向基本相反的第二方向上。在这样的实施方案中，异临界相天然气冷却所述支撑剂输送液体-烃溶液，并且支撑剂输送液体-烃溶液中的支撑剂输送液体从溶液中冷凝出来。所述支撑剂输送液体可以是醇，并且在示例性实施例中可能是甲醇。在示例性实施例中，异临界相天然气是现场产生的。

一个支撑剂输送系统的示例性实施例包括：支撑剂供应、流体性的连接至支撑剂供应的表面活性剂供应、流体性的连接至支撑剂供应和表面活性剂供应的非水液体供应、流体性的连接至所述支撑剂供应、表面活性剂供应和非水液体供应的发泡容器、流体性的连接至所述发泡容器中的天然气供应、流体性的连接至所述发泡容器的至少一个正位移装置，和流体性的连接至所述至少一个正位移装置的管道网络，其中至少一个管道延伸到地下地层中。

在示例性实施例中，将来自支撑剂供应的支撑剂和来自表面活性剂供应的表面活性剂添加到来自非水液体供应系统的非水液体中，以形成一种非水液体、表面活性剂和支撑剂流。至少一个正位移装置可泵送加压所述非水液体和支撑剂流。然后加压天然气使所述非水液体、表面活性剂和支撑剂流起泡。在示例性实施例中，被激活的非水液体、表面活性剂和支撑剂流经管道网络流入地下地层，使得被激活的非水液体、表面活性剂和支撑剂流在地下地层中保持张开的一个或多个裂缝。在示例性实施例中，所述非水液体是甲醇。

因此，看出本发明提供了非水力压裂系统、方法和过程。所公开的非水力压裂系统和方法不需要用于压裂和输送支撑剂的液体，因为它们使用用于压裂地下地层的异临界相天然气以及使用由异临界相天然气生产的CNG作为支撑剂输送介质。所公开的系统和方法不会给压裂过程增加(或造成)污染物或废弃物并且是不那么能源密集的。通过阅读下文详细的描述内容以及附图将会理解这些和其他特征和优点，在所有附图中相似的附图标记表示相似的部件。

附图简述

结合附图一起研究下文的详细描述，本公开内容的上述目的和其他目的将是不言自明的，在所述附图中：

图1是甲烷的相图，其作为天然气的相图的相似物；

图2是根据本公开内容的非水力压裂系统的一个实施例的框图；

图3是根据本公开内容一个支撑剂输送系统的一个实施例的框图；和

图4是根据本公开内容一个支撑剂液体回收系统的一个实施例的框图。

发明详述

在下述段落中，将参照附图以示例的方式详细地描述实施例，所述附图并未按比例绘制，且所示部件也不一定是彼此按比例绘制的。在整个说明书中，给出的实施例和示例应该被视为范例，而不是对本公开内容的限制。如本文所使用的，“本公开内容”是指本文所描述的任一实施例和任何等同物。此外，在整个申请文件中对本公开内容的各个方面的引述并不意味着所有要求保护的实施例或方法必须包括所引述的各个方面。

总的来说，本公开内容的系统和方法的实施例——被称为Vandor冷冻气体提取(“VRGE”)——使用低温非液体的异临界相天然气，用于非水力压裂和/或作为非水力压裂过程中的支撑剂的输送介质。异NG，其有时也被称为“冷压缩天然气”或“泵送的液态天然气”，是处于异临界相的天然气。如图1所示，流体的异临界相在相图上位于流体的临界压力之上，比流体的临界温度更低，但不在固相区域之中。所述异临界相在图1中处于液相上方，在超临界相的左侧以及固相的右侧。正因为如此，异临界相流体不是真正的液体，但其行为和液体非常相似，最重要的是，它们可以被液体泵(包括往复泵)以及其他这样的正位移设备泵至较高压力。处于异临界相的流体的密度可以接近该流体液相的密度(并且有时甚至会更高)。异临界相流体不会“沸腾”，因为它们位于液相之上，并且它们不需“冷凝”便可使用泵送，因为它们密度足够大(即使作为一种非液体)以至被泵“视”为液体。

作为概述，所公开的非水力压裂系统和方法的实施例将泵送加压的低温异NG通过管道网络向下发送至地下地层，以在地层中形成或扩大裂缝。异NG在井场处由临近的管道天然气或由临近的(以前完成的)天然气井产生，而不是作为液化天然气(“LNG”)或液化石油气(“LPG”)被输送到现场。异NG可以通过各种已知的泵送装置被泵至任何必需的压力，将足够高的流体压力和“热冲击(thermalshock)”输送至地下地层，从而压裂地层。

当地层“塌陷”(或压裂)时，如地上压力监测设备所指示的那样，通过地上的泵增加压力，从而使裂缝保持张开，然后通过热的CNG引入和输送支撑剂。所述输送是可能的，因为异NG可以被泵至高压，然后加热以产生高压CNG流，所述高压CNG流将携带支撑剂进入通过之前向下发送的异NG形成或扩大的裂缝中。理想的支撑剂将由熟悉当地情况及可获取支撑剂(包括砂砾或人造支撑剂(如陶瓷球))种类的现场专家进行选择。支撑剂可以是经过润滑的，有利于它在管道中的输送，并避免对管道的冲刷。

受过润滑的支撑剂通过热的高压CNG而不是异NG进行输送。在输送支撑剂之后，压力得以释放，略微使地层松弛，但支撑剂使裂缝保持张开，从而使之前向下发送的天然气和地层中的天然气混合，并形成一股气流上升至地面。在压裂过程的早期阶段中，包括输送支撑剂之前，那些返回的NG将被重新压缩和重新冷却以形成更多的异NG，然后被重新循环以推进所述压裂过程。因此，用于产生所述异NG的NG是由起先向下发送的异NG及任何通过被压裂的地层释放的NG的混合物。

公开的实施例中的NG流，其相态、温度、压力和功能各不相同，现列举如下。在本文中用数字50a表示异NG，用数字50b表示热的高压CNG，用数字50c表示CNG支撑剂流。这三种流体，在不同的时间且出于本文中所详细描述的不同目的，被向下发送至地下地层中。在本文中用数字52表示从地下地层返回至地面的回流CNG流。

转至图2，将描述非水力压裂系统的一个示例性实施例。非水力压裂系统10包括供应异NG的子系统12、用于存储所述异NG的低温贮槽14以及将地上设备连接到地下地层18的管道网络20a-20g。异NG供应设备12包括一系列生产设备，其可以包括部件的不同组合，所述部件例如原动机22(它可以是任何合适的发动机)、压缩机24、冷却器26、气体干燥器28、一个或多个异NG热交换器30，以及低温泵32，以及任何其他部件，包括但不限于阀、传感器和膨胀机，它们一起组成了能够生产稠密相异NG的天然气设施34。所述设备中至少也包含一个正位移装置，即，压缩机24和低温泵32用作正位移装置，以将所述异NG通过管道20b-20c输送至地下地层18中。然而，应当注意，所述正位移装置可以是引起流体移动的任何装置，捕获固定量的流体，然后迫使(即挪移)被捕获体积的流体进入排放管，所述正位移装置包括但不限于正位移泵，如往复泵，或被构造成执行“泵”工作的压缩机(例如螺杆式压缩机)。

低温贮槽14经由一个或多个管道或其他导管流体性的连接到异NG供应设备12，从而可以将产生的异NG存储备用。一个或多个正位移装置(即，压缩机24和低温泵32)依次流体性的连接到低温贮槽14和异NG供应设备12。最后，管道网络20a-20f与所述正位移装置(即，压缩机24和低温泵32)流体性的连接，使它们可以有效地将异NG“泵”入管道中。虽然有多种配置可能，但在一个示例性实施例中，正位移装置(压缩机24和低温泵32)被连接到管道20b和/或管道20c。

异NG供应设备12可以部署成位于含有天然气(和/或油或冷凝物)的地下地层之上的单个单元，并使其井紧邻输送异NG的天然气设施34，和/或使另一井离开一定距离，充当“甲烷提取气孔”，其中任何热的NG将返回到地面。所述第二井将通过地面(或近地面)NG管道连接回至第一井及异NG供应设备12，完成“环路”。所述环路，包括多个压力释放阀，能使压力在地下地层中积聚，并且能通过集成阀实现压力快速下降。这种快速压力下降将导致甲烷在“环路”范围内的地下裂缝中冷却，且由于系统内NG的压力波动和快速冷却起到形成地层的动态应力的作用，这有可能从地层中释放出更多的烃。

一种变通可以含有两个(或更多个)相隔一段距离的异NG供应设备12部署，通过各异NG供应设备12部署之间的一个或多个在地面安装的管道连接联通到宽阔的地下管道网络，以形成一个可以从多个方向以能增强地下地层的热冲击的方式注入异NG和热CNG的弹性区域，并为释放出的甲烷上升到地面提供多个“阻力最小的路径”。

所述地下管道至少一部分会在水平管子上设有穿孔21，所述穿孔允许异NG50a进入地下地层18中的裂缝19。如下面更详细讨论的那样，可以提供双管设计，所述设计包括第一管和其周围的环带以及相隔一定距离的一对管。所述的一对管可以在地面处彼此相连，并在该连接点处与异NG供应设备12相连。

地面之下的以及含烃地层中的管道已呈示，其中管子20c是输送用于压裂的异NG50a以及后来的CNG支撑剂流50c的竖直管道。在地面之下的一定深度处显示了穿孔的水平管道系统20d(未按比例)。所述竖直的异NG管道可加以竖直立管20e辅助，如在本文中更详细讨论的那样，这将允许所述异NG50a(及之后的，释放出的气体、被蒸发的甲烷和/或回收的烃)在不加热低温管道且允许低温甲烷向下流动，而更热的蒸发甲烷向上流动的情况下返回至地面。为清楚起见，在管子20d的远端处示出了自管子20b的一段距离。如果是这样的配置构造，则管子20e的地上部分将返回至异NG供应设备12。

示例性实施例可以采用图2中所示的双管设计。在此构造中，在被加热的CNG52回流的同时可发生异NG50a的向下流动，使得正被压裂的地下地层18快速冷却。双管设计的示例性实施例包括第一段地面之上的管道长度(这里是管子20a和20b)，以及相隔一定距离的一对地下竖直管子20c、20e，其中管子20c和穿孔的管子20d中充当异NG50a和支撑剂42输送系统，并且管子20e(位于例如约200-500英尺远的距离)与相同的地层形成“连通”，并充当允许返回的异NG(作为热的回流CNG52)加上任何从地层中释放出的NG上升至地面的“上升器”。管子20e和20a可以在地面处彼此相连，并在该连接点处与异NG供应设备12相连，从而允许来自管子20e的回流被重新冷却并被加压用于重新向下发送。在示例性实施例中，管子20e被流体性的连接至异NG供应设备12，异NG供应设备12被流体性的连接至管子20b。

然而，管子20e可能正好位于与管子20c相同的井孔中。更可能的是，为了避免过高的成本，管子20e可以是围绕管子20c的环管。换句话说，可以采用同心管的布置，其中本文所述的不同形式的NG可以通过不同的同心管向下发送以及/或回流到地面的NG和向下发送到地下地层的NG的同心管不同。那些具有天然气回收系统的专业知识的人员可以对如何组织连接至水平管道的竖直管道做出不同的决定。

示例性实施例还包括用于支撑剂输送过程的CNG系统36。CNG系统36包括部件的不同组合，所述部件例如用于高度加压的异NG50a加热成高压CNG50b的CNG热交换器38，以及阀和程序逻辑控制器。如本文中更详细讨论的那样，用于将被泵送加压的异NG加热成CNG的热源可以是来自原动机22的废热23。如果需要的热量多于能够从原动机的废物流中回收的热量，则可以采用燃气点火的加热器(未示出)以补充现有的废热。还可以设置支撑剂料斗40，其被流体性的连接到CNG系统36用来将支撑剂42分发至离开CNG系统3的高压CNG流50b中。虽然为清晰起见在图2中都被描绘为独立的方块，但所有的地上设备，包括异NG供应设备12和CNG系统36，都可以作为单一的过程安装，而不区分异NG生产和CNG生产之间的差别。应当注意，图2示出一组可能的地上设备和地下的竖直管道和水平管道之间的关系。本领域的技术人员将可能会发现其他布置方式，这是为本公开内容所预期的。

在操作中，产生所述异NG的初步步骤由异NG供应设备12执行，并且可以通过任何已知的用于压缩和冷却NG的方法或系统来实现，从而将NG转化为异NG50a。制造异NG的过程包括对NG施加适当的温度和压力，并且在本文中对那些压力和温度参数进行了更详细的描述。公开的实施例的一个显著优点是，压裂介质可以在被开发的地下地层就地生产。更具体地，所述异NG50a可以在井场处由附近的管道天然气或由附近的天然气井(其可以被“滞留”或者可以被连接至管道)生产，而不是以LNG或LPG的形式被输送到现场。用于为原动机22提供燃料的进料气体和用于压缩冷却至异NG的进料气体都将通过附近的NG井、附近生产“伴生气体”的完成的油井、附近的管道、被输送至现场的单个批次的LNG，或NG源的某些组合得到。然而，在初始启动后，向下发送至地下地层18中的异NG50a中的大部分将从目标地下地层中产生或从经由管子20e返回至地面的CNG中回收，不需要进一步从异地输送NG或LNG，并避免了对大型的现场储存容器的需求。对于许多部署而言，就近可获得的NG源将避免任何“输入”LPG的需求。

在示例性实施例中，用于压裂的异NG50a通过异NG供应设备12生产并储存在低温中等压力(例如，约700-800psia)的贮槽14中。所存储的异NG经低温液体泵32或等效的正位移装置泵送加压。对于许多地下地层而言，该压力处于大约4,000-12,000psia的范围内，但是如果地层非常深，则可以大于此范围。如所理解的那样，在压裂领域中，较深的地层需要较高的压力。当向下发送高压CNG时，出于热冲击和/或输送支撑剂的目的，高压(被泵送的热量稍微加热)异NG50a与环境温度进行热交换，低压的进料气体与异NG供应设备12热交换，冷却所述进料气体，并将流出的高压异NG加热为例如30的CNG。将所述进料气体冷却为异NG供应源有助于减少为产生更多的异NG50a所需的工作。应当注意的是，所述异NG供应设备12为在任何温度(例如，比约-150℉更冷)、在700psia(或更大)的压力下生产异NG提供了灵活性，允许通过低温液体泵或等效的正位移装置将所述非液体、异临界相的天然气泵送至任何期望的压力(例如，高达约12,000psia)。该方法避免了对使用压缩机以使冷甲烷达到高压的需要。

所述异NG50a离开异NG供应设备12并通过一个或多个正位移装置泵送加压。例如，低温泵32能将异NG50a加压至足以被向下发送至管子20b-20d中的压力，该压力通常大于约2,000psia。更具体地，压裂气体在管子20a-20f中的“环路”可以随向下流动的异NG50a的温度和压力以及该流动的持续时间而变化。通过异NG供应设备12和正位移装置产生合适的流动速率，异NG50a向下流入地面中，并经由竖直管20c流向地下地层18。

在一个示例性实施例中，在2,800psia或更大的压力下、在约-170℉至-220℉之间的温度范围内，泵送加压的异NG将被向下发送至地质地层，并且可能在地质地层中失去大量的压力，降至约500psia，但是在地层中的裂缝内、在-158℉下约500psia和-197℉下285psia之间的条件下所述异NG形成部分LNG。在另一个示例性实施例中，在2,800psia或更大的压力下以及约-160至-200℉之间的范围内，将泵送加压的异NG向下发送至地质地层，并且可能在地质地层中仅失去其一部分的压力，降至700psia或更大的压力并略有升温，已将其一部分的冷量释放至地质地层的“热冲击”。

当异NG50a经由阀58进入管子20c并从地上流至地下时，其会导致围绕一根或多根竖直管的地质以径向方式冻结，从而提供隔离的冷冻区。出于这个原因，无需隔离竖直管。一旦在地下地层18中，异NG50a便通过如21所大致示出的穿孔离开管子20d并将高压和热冲击输送至地层18。当地层18由于压力和冲击而压裂以形成或扩大裂缝时，地上的正位移装置便使所述异NG流上的压力增至使地层的裂缝保持张开(准备接收支撑剂)所需的压力。如上文所提到的，在约4,000-12,000psia范围内的压力是典型的，但该压力将根据地层与含烃岩石的深度变化，非常深的地层需要更高的压力。为了维持在压裂过程中所积聚的高压，包括在管子20e上的控制阀将被设置为“插入”该管子中，并且不允许以逸出NG的方式引起压降。如压裂技术方面的专家所清楚的那样，压力积聚可以分阶段来实现，包括通过将部分井孔隔离。

在这一点上，支撑剂42被输送至地下地层18中的裂缝19。可以使用任何合适的支撑剂，包括但不限于砂砾、陶瓷、飞灰或者其他可能在将来被选择的这样的硬且光滑的材料。各种小尺寸的人造陶瓷球提供了均匀的、相对硬且光滑的支撑剂。此外，陶瓷球往往不会聚集在一起并堵塞裂缝，而且不会吸附添加到支撑剂流中的润滑剂。

虽然砂砾是在水基(或基于N₂的)的水力压裂中使用的用于防止被扩大的裂缝再塌陷和闭合的标准支撑剂材料，但是其他颗粒状材料，如飞灰可能不适合于水输送(即，标准水力压裂)，因为飞灰和水的组合会形成一种会限制NG流速的水泥样化合物。然而，应当注意的是，所公开的不使用水的实施例没有这样的限制。因此，示例性实施例可以使用砂砾和其他当以被润滑的方式输送时会“流动”的小尺寸的、形状一致的硬颗粒作为支撑剂，它们基本上是非水性的，通过被集成在CNG设备36下游的适当设计的鼓风机输送。在示例性实施例中，所述支撑剂42由任何合适的无毒的和低成本的天然或合成的流体润滑，所述流体包括但不限于植物油或生物柴油。所述润滑剂用来使支撑剂42平顺地移动，通过管道以及进入地下地层时的摩擦低。

被润滑的支撑剂42由热的高压CNG50b输送。所述高压是由异NG的泵送实现。更具体地，CNG将通过如下方式生产：将所述异NG50a泵至高压、通过管子20f将其发送至CNG系统36中的热交换器38，用于经由与NG流的热交换升温，从而冷却进料气体，其中来自原动机22的废热23将大致加热NG，使其从异临界相转变为超临界状态，最终将异NG加热至CNG。高压CNG流50b离开CNG系统36，并且支撑剂料斗40通过阀55和56以受控的方式将支撑剂42分发至高压CNG流50b中。支撑剂42迎接管子20a中的高压CNG流50b。所述热的高压CNG50b将携带被润滑的支撑剂42，很像空气在砂风暴中携带砂砾，但没有“喷砂”的研磨效果。

然后CNG-支撑剂流50c向下穿过管子20b和20c流动并且流过管子20d，通过穿孔21离开以深入地流入每一个因压裂过程产生的每个最小裂缝中。应当注意的是，因为通过热的高压CNG输送，润滑剂(与支撑剂)不需要忍受深度冷却的输送条件，因此，润滑剂和支撑剂不需要完全为非水性的。此外，有利的是，将热支撑剂输送(由CNG)至地下地层的裂缝不会导致冰晶或被润滑的支撑剂的冻结“团块”的形成。然而，高压CNG50b可以足以冷至还提供乙炔冷冻粒子，所述粒子一旦加热便将在地下含烃地层中产生局部爆炸。这样的步骤可以用于在向下输送支撑剂之前改善压裂过程。

在输送支撑剂42之后，CNG-支撑剂流50c上的压力能够得以释放，稍稍使地下地层18松弛。然而，通过支撑剂42使地层18中的裂缝19保持张开，允许先前向下发送的天然气和在地层内的天然气混合，并经由管子20e作为一个流上升至地面。应当注意的是，对于最佳的压裂、输送支撑剂和NG回收步骤的方案可以根据应用而变化，而且所述应用包括这样的因素例如地层的深度、在地层中的水平管道的长度、一种或多种目标烃，以及该地层的地质。

在压裂过程中，所述异NG50a是由地下地层18的环境热量加热，然后向上流过管子20e或管子周围的环形空间，作为仍略被加压的升温的回流CNG52返回至地面。返回(向上流动)的升温的回流CNG流52(其将最终几乎完全由从地质地层释放出的NG构成)在其到达地面时最初将是热的，但是随着时间的推移将由于异NG供应设备12的缘故变得越来越冷。因此，当压裂持续时，地面的天然气设施34所需的能量输入会越来越少。在地面产生并作为越来越冷的回流CNG52返回的深度冷却的异NG50a的循环重复发生，直到所述压裂产生自由流动的NG，这是在不需要将大规模的LNG输入现场，并且确实不需要任何用于压裂、输送支撑剂的液体或者用于减轻这样的压裂液体的影响的液体下完成的。在输送支撑剂之后，返回的CNG流52可能携带一定量的未被捕获在裂缝中的支撑剂。在输送至异地客户之前，这些颗粒会被从返回的气流中过滤掉。这种输送至异地客户可以通过管线或LNG或CCNG油罐。(“CCNG”是异NG的等同物，高于其临界压力并比其临界温度冷。)如果异地输送是低温的形式(LNG或CCNG)，则现场的CCNG设备34将持续运作，甚至超出了压裂过程。

如上所讨论的那样，当所述异NG在-170℉至-220℉的温度范围被泵至2,800psia或更大的压力时，所述压力随后降至约500psia，但是在地层中的裂缝内，在-158℉下约500psia和-197℉下285psia之间的条件下，所述异NG形成部分LNG。向下发送的异NG中没有一经压降便立即形成LNG的那部分会返回至地面，以再循环为异NG，随后是形成LNG的那部分异NG(在所述LNG通过地层中的热量蒸发之后)。

当压力被稍微释放并降至天然气的临界压力(约700psia)以下时，被液化成LNG的异NG将作为LNG的稍微更冷的液相渗入裂缝中，一经加热(通过周围的地层)或由于来自地上泵送设备的压力增加，LNG将重新形成为高压(异临界)蒸气，进一步扩大裂缝。就任何裂缝中的LNG形成来说，该裂缝会传播，因为液体将填充最小的裂纹，然后增加在那些点的压力，这是由于天然气的相态因来自相邻地质的热增益而从液态转变为气态。这种现象允许跨NG的临界压力对地层中的压力进行调节，从而“弯曲”所述地层并将NG的相转变(从异临界流体至液体并且返回)用作另一种用于延伸或加宽地层中的裂缝的另一“工具”。换句话说，VRGE能够对地层造成热冲击，并通过允许NG在地层中跨相态地来回移动而引起疲劳裂纹。

当在2,800psia或更大的压力下以及约-160℉至-200℉之间的范围内将泵送加压的异NG向下发送至地质地层时，其可能在地质地层中仅失去其一部分的压力，降至700psia或更大的压力并略有升温，已将其一部分的冷量释放至地质地层的“热冲击”。返回的700psia的CNG将不再是异NG(因为它会比甲烷的临界温度热)，但在700psia其将非常适合于再冷却成异NG，而不需要压缩返回的流。在NG被用作制冷剂的实施例中，异NG设施34中的压缩机24将只需要压缩作为制冷的异NG供应过程的甲烷，而无需压缩成为异NG的“进料气体”，从而进一步减少了保持VRGE运作所需的能量输入。

如上所提到的那样，可以在存在或不存在支撑剂时将热的高压CNG50b经由管子20a-20c向下发送至地下地层18中。在这种情况下，地面安装的异NG供应的制冷功能将被重新引导以生产高压CNG50b，(不产生伴随普通压缩的过度运行成本)并允许设备向下发送热的高压CNG50b，对先前冷冻的地层产生冲击，将所述地层加热，然后当异NG50a(由相同的现在被重新引导的制冷设备产生)被向下发送时允许再次对所述地层产生冲击。更具体地，如果地下地层18的热冲击被认为是有效的，则热的高压CNG流50b会迅速遵循一个时段的异NG50a循环，并且这些步骤可以重复任意数目的次数。

热的高压CNG50b将在地质地层中循环，将地层的温度升向600(及以上)，然后下迅速引入约-200℉的异NG，这将在地层中的条件和所述异NG之间产生约800℉的温度变化。这些步骤可以重复任意数目的次数。一旦地下地层18通过异NG是足够冷的(冻结的)，可以再次将热的高压CNG流50b向下发送至20c和20d，对地层产生显著的热冲击，这将形成压裂，引起新的裂缝19的传播。在所述压裂被视为完成之后，管子20a将在适于驱使支撑剂42进入先前形成的裂缝19中的压力下输送装载了支撑剂的CNG50c。当压力被释放时，支撑剂42将保持在裂缝中，使所述裂缝保持张开并允许先前捕获的NG和其他烃(以及任何被VRGE使用的热的高压CNG50b)在管子20e中返回至地面。

可以通过天然气设施34对升温的回流CNG52再利用，用于重新制冷和压缩，如果需要的话，则再次成为异NG50a。更具体地，接近环境的高压气体，现在为CNG50b，其通过回收的压缩热被进一步加热，所述压缩热导致进料气体在异NG供应设备12中的压缩，使热的高压CNG50b的温度升至高于150℉。热的高压CNG50b的进一步加热可以通过从异NG供应设备12的原动机22(发动机或燃气轮机)回收的废热或通过使用NG点火的加热器或其他热源来实现。在低温缓冲容器中产生并暂时储存的异NG50a可以被泵送加压，进行“冷回收”(在被加热前从异NG中回收)，进一步加热到高于约600℉，并在压力下向下发送至地下地层，以在通过高压、冷的(约-200)异NG对地层产生热冲击之前提高地层的温度。

地下地层18中的冷的加压的异NG50a可以被允许“压降”(通过地面的阀释放)，这可能会导致LNG地层的凹陷(pockets)。在压降过程中将不会发生甲烷排放，因为低压NG将被返回至异NG供应设备12中的压缩机用于再压缩和制冷，得到异NG。异NG50a的冷量可被回收，以使得所述制冷产生更多的异NG。然后将新的异NG50a再次通过地下地层18向下发送至管子20b和20c，以重复循环，这可以进一步重复任意数目的次数。通过每个这样的循环中，对地下地层18产生热冲击，并且所述异NG50a将进一步行进到扩大的裂缝中。

冷发送和热返回的循环可以被重复多次，唯一的运行成本是由所述异NG供应设备12产生的制冷。这些运行成本基本上将低于从异地(通常远距离的)的源购买LNG和将所述LNG输送到井场的成本。更具体地，所产生的异NG的绝大部分都能够用于压裂过程中，其中很小的百分比被用作燃料来运行异NG供应设备12。例如，每百个单位的通过异NG供应设备12处理的天然气中，约80至95个单位将是为持续的压裂所生产的异NG，只有约5至20个单位将被用作燃料来运行异NG供应设备12。当压裂持续时，返回的NG会随着每次循环越来越冷，从而使对于作为运行设施的燃料消耗掉的每5个单位的NG而言，异NG供应设备12产生多达95个单位的异NG。

重要的是要注意到所公开的系统和过程中没有液体、甚至没有LNG被直接送入井中或送入地下地层中。任何可能在水平管20d附近的地层深处中找到的水分将在向下发送异NG的过程中冻结，作为冰膨胀并帮助压裂地层。地层中任何这样的水分或任何甲烷水合物将在支撑剂输送过程中蒸发并且将在管子20e中上升至地面，作为到达异NG供应设备12的回流NG52中的一小部分。在示例性实施例中，该设备可包括干燥器和CO₂去除系统，如分子筛。较重的烃，如丙烷、乙烷、丁烷等可以在异NG供应设备12中分离(通过制冷)，并以液体形式独立于NG被输送至市场。还应当注意的是，只有用于压裂(以及用于支撑剂输送)的初始NG以及被释放的烃(无论NG、油或冷凝物)返回至地面。

被回收的/释放的NG流57(和/或油或冷凝物流)是从本文所述的压裂过程和系统的实施例中回收的有价值的产品，并且，因此是VRGE的主要目标。NG的温度和压力可以被校准至这样的模式，通过该模式将其从VRGE部署带到市场。例如，如果现场并不邻近NG管线，那么NG流57可以是LNG(或异NG)，适于在低温容器中输送并经由管子20g输送至这样的容器。但是，如果井邻近管线，那么NG流57可以是在任意合适的压力和温度下的NG，并会经由管子20g输送。NG越冷，则在任意给定压力下其将更加稠密，并且该密度对气体的温度比对气体的压力更为敏感。

一旦地下地层18开始释放先前捕获的NG，则现场的异NG供应设备12能够继续提供有用的功能。它可以从回收的NG产生LNG(或异NG)，允许将被回收的NG输送至市场(在油罐卡车、拖车、有轨车或船舶中)，甚至在没有管线的情况下。如果井位于或靠近天然气管线，则可以使用异NG供应设备12超出其压裂和输送支撑剂的功能，以通过压缩和冷却被回收的NG来增加被回收的NG流的密度，从而允许任意给定尺寸的管线带走更多的天然气。换句话说，用于压裂和输送支撑剂的设备可以被移动到新的井场以持续其压裂功能，或者它能够保持在其原来的位置，提高被回收的甲烷的密度，以便它能够更有效地被送至市场，同时增加带其走向市场的管线的容量，并且还提供可以被用来从NG流分离出较重的烃(丙烷、乙烷、丁烷等)的制冷。

现在转向图3，对支撑剂输送系统和方法的示例性的实施例进行说明。图3概括说明了冷压裂，其中高压的冷泡沫被用于压裂烃地层，并将支撑剂输送到裂缝。在冷压裂中，异NG可以在井场处或靠近井场处产生并被用于发泡被泵送加压的非水液体混合物，所述非水液体混合物包括但不限于甲醇、乙醇、丙二醇，或其它非水液体(含水量为零或含有少量的水)，加上表面活性剂，再加上支撑剂，以产生一种粘稠的高压、低温的、携带支撑剂的泡沫。泡沫经井孔被输送到进行压裂的地层，产生比热水力压裂或热泡沫压裂更长和更深的裂缝，并将支撑剂送入比其他方案更深的裂缝中。经过一些短暂阶段，泡沫破裂，裂缝向输入的支撑剂方向部分闭合，从而使支撑剂允许以往被捕获在地层中的受地层加热而具有热的温度的烃流向地面。

所述破裂的泡沫的主要成分(NG和甲醇)可随地层中释放的热的NG返回地面，在某些情况下，还会携带水蒸汽。返回的热NG，与其包含的甲醇和水蒸气，被输送通过冷凝系统，由现场异NG提供所需的制冷，从而将甲醇(和水)从NG中除去，使那些回收液体可以被重新用于随后的各压裂阶段或随后的完井。可以通过适当放置能够承受低温泡沫并能保护井套管的临时衬里或管道以方便向地层输送低温泡沫。所述衬套/管道可于完井后取出，并可在下一个井中重复使用。

应当指出的是，上述所有步骤不需要在深冷冻条件下进行。相反地，本公开内容确定了一系列的与标准水力压裂、或使用温水基泡沫或使用温甲醇的压裂相比可以获得极大的好处的条件。例如，甲醇泡沫可以在任意温度下生成，且不仅可以使用异NG(用于生成冷泡沫)，还可以使用CNG用于产生环境温度泡沫。当使用异NG生产冷泡沫时，制冷程度可以控制。例如，一个实施例产生泡沫的温度不低于无内衬井套管的承受能力，例如，约20°F，或者可能向零下温度(F)降低。另一个泡沫温度的决定因素将是在地层生成高粘度泡沫以及在沿井套管下降过程中摩擦损失更少的自由流动的泡沫之间所寻求的平衡。

参考图3，支撑剂输送系统110包括支撑剂供给或料斗40，非水液体供应41，发泡容器49，以及天然气供应12，所述支撑剂输送系统可以是如上面更详细描述的异NG生产设备。也可以提供表面活性剂供应51，并且，所述支撑剂输送供给系统110的各个组成通过管道及阀门彼此流体连通。NG供给12的进料气被示为流37，由附近的天然气源39衍生，所述天然气源39例如但不限于天然气管道，或以前完成的生产天然气的井。

在示例性的实施例中，非水液体43为一种醇，特别是甲醇。选择甲醇(或任何其它等同的醇，包括但不限于乙醇或乙二醇)作为生产所述泡沫的液体提供了几个优点。首先，与水不同，甲醇不会润胀地层粘土或产生其他损害，并且不需要化学添加剂以减轻由水引起的危害。通过使用甲醇，除了大约1％(体积)的表面活性剂外，可以不用化学添加剂对泡沫的粘度进行调节。甲醇很容易大量购买，其成本虽然比水高，但相对于其好处并不过分。

完井后，可以很容易地从被释放的流动到地面的烃类中回收甲醇，这使得在一个压裂阶段发泡过程中使用的大多数甲醇可以在下一个阶段或下一井中重新使用。最多约有90％用于生产泡沫的甲醇的可循环利用，这大大减少了需要“引进”到井中的甲醇量。仅需要定期向井内输送少量甲醇，极大地减少了用于产生泡沫的液体的成本。可以通过向含有甲醇的NG流(它返回到表面暖)施加中等强度的制冷从地层释放的NG中除去/回收并循环利用甲醇，其中气化的甲醇将以液体形式离开。所述制冷能力是在井头产生/使用的异NG本身所具有的，且可以经济高效地获得。

在输往市场的烃中的任何剩余甲醇都不是重要的污染。甲醇将不会像其它某些基于水的液体一样在压裂地层中留下残留物，所述残留物会堵塞地层，并限制烃类流动。甲醇还可以防止金属管道腐蚀，减少流体摩擦，从而降低所需的压裂流体泵送压力，并且通过降低阻碍水流入井套管的毛细管力改进地层水的去除过程。

返回到图3，甲醇流43自非水液体供应41流出，然后被加入了支撑剂42，从而形成了非水液体、表面活性剂和支撑剂流45(不含或至多含大约25％的水)。所述进入流45的支撑剂流由料斗40控制，所其周期性地被运送到所述料斗的支撑剂补充。表面活性剂流44从表面活性剂供应51提供，所述表面活性剂供给可以是表面活性剂容器(阀和补点未示出)。在示例性实施例中，表面活性剂流44是一个非常小的部分，例如，小于其它流的液体体积的2％左右，虽然也可以根据需要使用不同比例的表面活性剂。

NG供应12输出的是异NG流50a，所述NG流50a可以如上文描述制造。在示范性实施例中，异NG流50a中的目的是为了给发泡容器49中的液体“充能”(以产生泡沫47)，其中异NG流50a被引入到高压的甲醇-表面活性剂-支撑剂流46中。所述高压流由泵35获得压力，所述泵将甲醇支撑剂流45泵送加压。应当指出的是，所述支撑剂、液体和添加剂可以先在“混合器”(未示出)中混合，随后传送至泵35。高压甲醇-表面活性剂-支撑剂流46及异NG流50a在发泡容器49相遇，其中异NG50a激活所述高压甲醇-表面活性剂-支撑剂流46，从而产生被激活的甲醇-表面活性剂-支撑剂，或泡沫47。

所述泡沫47其后流经管20c，被传递到横向穿孔管20d以及在地下地层18中缝隙/压裂缝19中，从而扩展和强化压裂缝并在那些压裂缝中积蓄支撑剂。所述甲醇泡沫47经过一段时间(例如，大约一小时)后将会在压裂地层中破裂，将其中甲醇由泡沫状态释放到液态或气态，这取决于井下的温度和压力，而井下的温度和压力相应地取决于地层的深度。甲醇是可溶于烃类的，因此，其将溶解在回收烃中以形成支撑剂输送液体-烃溶液3中，这将在下面参考图4进行讨论。

因为异NG流器50a经受了深度冷冻(如冷到约-150°F)，所以即便高压甲醇-表面活性剂-支撑剂流46具有环境温度，泡沫47也将是冰冷的(例如，冷到约-100°F)，但不会冷到约-144°F的甲醇冰点温度。泡沫47的最终温度将取决于异NG流50a与高压甲醇-表面活性剂-支撑剂流46的比例，以及异NG流50a全部是异NG或者是混入了较高温度的CNG。因此，压裂领域技术人员可以很容易地在从环境温度到低至约-144°F的大温度范围内进行选择。

配置本公开系统和方法的熟练的完井实体可能会调整甲醇-表面活性剂-支撑剂流45相对于异NG流50a的比率。所述比率可能分布于从60/40至25/75(高压甲醇-表面活性剂-支撑剂流46相对于异NG流50a)的范围内，这取决于所需的泡沫质量。所述质量可能会扩大到90％。本领域技术人员会理解，所述泡沫的“质量”是气体对液体的比率的关系。

在示例性的实施例中，被激活的甲醇-表面活性剂-支撑剂或泡沫47进入管子20c时所需的温度处于0°F左右到约-100°F的范围之内，但由于从地面设备及将被压裂的地下裂隙周围的地质中获得热量的缘故，当到达裂缝19时，其温度有些升高。除其他用于选择泡沫47的温度的准则外，一个准则考虑了以水平穿孔管20d的方式将泡沫47输送到地下地层18的垂直管道20c和/或20c内的衬里或管道(未示出)中使用的配置和材料。另一个示范性实施例中管20c垂直延伸到地层中，而不是沿水平方向，同时管20d位于管20c的“下方”。第二个准则可以是甲醇中的水含量。含水量越少，高压甲醇-表面活性剂-支撑剂流46的温度可以越低而不会被冷冻起来。

所述泡沫47的总体积可以小到每压裂段50，000加仑当量到高出多倍的体积，这取决于当地地层的特性以及地面设备产生稳定的高容积流的泡沫47的能力，所述地面设备包括泵35(作为单个单元或几个泵分组)和用以异NG生产设备12。所述体积可以是设备可以处理并被认为是适合于压裂作业的任意大小。

所述非水液体供给或缓冲罐41中的甲醇或其他非水液体43可以接收再生甲醇48，如下面将要讨论和经由图4所示的。所述再循环甲醇流48也接收补充甲醇(未示出)以抵消在甲醇输送和循环回路中任何损失。

图4回收支撑剂输送液的方法的示范性实施例的示意图。点A表示一个地下地层的出口，通过这一出口被释放的NG，支撑剂输送液溶于被释放的烃类流3从完井中上升，携带着甲醇蒸气和一定量的水蒸气处于一个取决于井下地层温度的温度下，该温度范围可以从约100°F到约350°F。被释放的支撑剂输送溶液3进入换热器33，其目的是让其冷凝并在重力作用下形成滴，到达在换热器33底部的集合点(S)。

所述热交换器有时也被称为回流冷凝器(refluxcondensers),特别是在其流动方向，密度和热交换器内表面设计的其他方面被优化设计以提高其冷凝效率时，包括通过调节冷凝发生处流出气流的流动率。熟悉热交换器的技术人员将可以优化所述热交换器33的设计，以获得最优的冷凝效果。在这种换热器中，两股流体在通过换热器33时从不混合，而是总在各自的路径流动，被薄而导热的面隔开。

此处，支撑剂输送液-烃的溶液3以一个流向通过热交换器33，同时，反向流动的异NG流5从B点流入，以相反的方向流过热交换器33以制冷，从而使支撑剂输送液-烃的流3冷凝。异NG流5的目的是输送制冷给热交换器33，从而使支撑剂输送液-烃的流3中蕴含的甲醇和水冷凝。电动低温泵31将异NG流5泵为高压(在此过程中将导致1-2度的升温)，但保持其异临界状态，即高于临界压强，并低于临界温度，如上面所定义的。值得注意的是，也可以使用其他的将甲醇从甲醇和NG中分离的方法。这样的方法可包括多种相分离器。但是，在一定程度上，这样的分离方法需要在过程中的任何一个点进行制冷以冷凝甲醇，异NG流中可用的冷量始终可以被使用。换而言之，VRGE的一个重要的方面是，现场生产的冷的、并且可以在泵送加压后升温的异NG，在甲醇回收系统中是一个具有广泛的益处的步骤。

还应该注意到，甲醇装载的NG返回时携带的任何水分(包括被称为“地层水”的水)可随甲醇流经如前所述的回流冷凝器(或类似设备)，并冷凝。在此情况下，潮湿的甲醇可通过二次分离，通过加热使甲醇从水中分离出来，例如使用蒸馏器，并且异NG的制冷量可以冷凝气化的甲醇。而使甲醇气化的热源可以是用以驱动现场的VX循环(或其他等效循环)异NG生产设备的原动机(燃气轮机或燃气轮机)的废热。

甲醇中一定数量的水分是可以容忍的，这样的湿甲醇仍然适合作为液体(同表面活性剂一起)在制造用于输送支撑剂的泡沫中使用。例如，湿甲醇(甲醇与水混合)制成的泡沫，像是含有约75％甲醇和约25％水，在某些地层，其性能类似于用100％甲醇所制成的泡沫，而无需任何化学缓和剂。NG激活的泡沫的精确湿度，或者将被高压NG激活的液体中甲醇相对与水的比例，可以根据井的地质情况而改变。这一甲醛相对与水的比例根据当地的地层情况和地层样品的实验室测试，可以是75/25、或80/20、或90/10。本领域内的技术人员应当可以设定液化甲醇的湿度极限，从而平衡高成本的甲醇相较于低成本的水(特别是地层水对比输入的水)针对微湿的甲醇来生产用作支撑剂输送媒介的泡沫的能力，该支撑剂输送媒介既不损害地层，也无需使用化学制剂以缓解水的影响。

回到图4，流出NG流4是一种放弃了其冷凝量的NG，其中支撑剂输送液-烃流3中携带的大部分甲醇和任何水都已经作为流出甲醇流7离开了冷凝器33，并且经过阀29进入一个液体储存箱2，从该处所述流出甲醇流7可以经另一个阀门1释放，并被用来制备更多泡沫，或者被运往下一个井。

在支撑剂输送液-烃流3和流出甲醇流7中水含量高于用于产生泡沫的甲醇中所需的水含量的情况下，例如，因为地层中自然形成的水(“地层水”)以液相或气相与NG一同返回，液体储存箱2中的液体可以被进一步的分离。将甲醇从水中分离可以使用加热蒸发出水中的甲醇，接着使用反流制冷源来冷凝甲醇。

回到图4，流4是含有极少量甲醇或水含量的NG流，其能够流入非水液体供应或缓冲罐41。另外，也可直接导入NG管线，以将回收的NG输送至市场，或者，可以直接导入生产异NG的VX循环(或其他等效循环)设备，该异NG被用于VRGE中或者用来生产运往市场的液化天然气(LNG)。

制冷流出流6是被一定程度加温的流出流(前身是异NG流5)从热交换器33的C点流出。取决于支撑剂输送液-烃流3和异NG流5所设置的流速，它们各自的温度和压力，制冷流出流6的流出温度将保持低温，例如，约-100°F，但是在NG的临界温度以下，因而不再是异临界。所述冷的、高压制冷流出流6，从C点流出，现在能够被用来激活所述甲醇+表面活性剂+支撑剂混合物，从而形成图3中所描述的“压裂泡沫”，该压裂泡沫能被用来完成下一个压裂阶段。

在井已经完成并且支撑剂输送液回收系统和方法在运行中，且无需进一步压裂的情况下，制冷流出流6(C点之后)可成为产品流，例如，进一步加热制冷流出流6(比如，利用驱动VX循环系统的原动机的废热)，在达到环境温度后，并且调节该流的压力,存储NG流并使之进入附近的NG管道。另外，冷的高压制冷流出流6可在C点离开系统，并返回VX循环(或其他等效循环)设备，以液化为LNG，从而可以被运输至NG管道外的市场。

换言之，从C点流出的流出流是“管线质量”，因为该流出流来源于所述VX循环(或其他等效循环)设备，并已去除了任何水分和CO₂含量。如果支撑剂输送液-烃流3源自的地层正生产管线质量气，那么已基本除去支撑剂输送液-烃流3的水分和甲醇含量的流出NG流4可以是管线质量。但是，在某些实例中，离开系统的流出NG流4需要进一步处理，例如，需要去除由支撑剂输送液-烃的溶液流3携带的并残留在流出NG流4中的重质烃液体。可以通过调整热交换器33工作的温度和压力条件以去除甲醇和水，依然残留在流出NG流4中的重质烃液体可以通过数种公知的不包括在本发明中的方式中的一种除去。

在发泡时对在异-NG与CNG中的选择取决于所需生产的泡沫，即冷的异-NG生成的泡沫更粘稠而CNG生成的泡沫粘度较低。泡沫粘度是完井专家控制的诸多因素之一，以便实现裂缝内的支撑剂深度输送。泡沫的粘度，包括将异NG作为起源生产的甲醇泡沫的使用，大体上比环境温度的泡沫更高。具体的，较高的粘度有助于创造更宽的裂缝，并帮助携带支撑剂进入裂缝的更深处。因此，在一个实施例中，将泡沫温度校准为低于环境温度，优选为低于32°F，最优选地，低于-20°F，以达到标准液体在环境温度下难以达到的粘度(除非加入特别的添加剂)，但是所选择的温度范围应当在用于输送泡沫到达将被压裂的地层的管道(和套管)的承受范围内。

如果泡沫以例如-20°F的温度被送到井下，该泡沫将会在将被压裂的地层中达到温热，由于管道和周围地质由于摩擦会使泡沫升温。同样，取决于含烃地层的深度，以及这些深度下的温度，所述冷泡沫将会在地层中达到明显更冷，相对的如果泡沫在往下送时的初始温度是环境温度，则在地层中达到更热。换言之，所述冷冻的泡沫将会在地层中相比于产生于环境温度下的液体或泡沫达到更冷(并且更粘稠)。

在示例性实施例中，只要泡沫未接近使用的液体的冰点(约-140°F)，只要泡沫没有过粘，并且只要承载泡沫进入地层的管道能承受这一温度而不至于裂开或者收缩以至于管道之间形成缝隙，异-NG生成的泡沫能够几乎与异NG一样冷(例如，约-150°F)。这样深度冷冻的泡沫可以具有多个积极效果。首先它可以给地层施加热冲击，从而以较低的压力实现压裂。其次，它可能会导致一些地层水冻结，膨胀，从而提高压裂效果。第三，井周围的地质结构发生冻结，这将给套管周围增加额外的稳定性。

由于以上原因和其他原因，在一个示例性实施例中，可行的在管道和套管系统容忍范围内，以及所需的粘度限制内的可能最冷的泡沫被下送至井下。在此情况下，有几种可选的方式，包括(但不限于)以下方式。在一个标准套管内，将低温泡沫体输送到悬浮管中，其中间隔件将耐低温管从井筒套管中隔开，从而允许管与套管之间的环形空间形成两者之间的隔热屏障。这种管可由9％镍钢或其它合适的材料(包括高密度聚乙烯[HDPE]管)制成，采用膨胀(收缩)连接，类似于“风箱”，这将使管在膨胀和收缩时无泄漏。所述管将是临时性的，只在进行压裂的数个阶段时使用，且将在井完成之后并在烃流达到生产水平之前拆除。在这种方式中，这些管可以在下一个井重复使用。

上述选项的一种变化，但是其中耐低温的衬垫比管直径更大，从而允许在套管内安装衬垫，但在两者之间有一个坚固的泡沫衬垫。如上，该衬垫将在井完成后被拆除，并在下一个井重复使用。另一种上述方式的变化为使用低温的“编织软管”，其插入，例如，50寸的互连部分，从地面到输送低温泡沫的多孔管道低。这种不锈钢编织软管通常用于传输低温液体，如液化天然气和液态氧。这种方式的实质性成本会因为在软管部件间使用“可快速连接”的接头而降低，由于软管的安装和拆卸方便，并且所述软管可重复使用很多很多次的性能。

如上所提到的那样，由于所描述的压裂过程要求在地表设备和地下地层之间的紧密密封以确有效，并且因为本发明不使用水进行压裂从而避免了溶解烃的水返回地表，所以，本文所公开的使用异NG传播新裂缝并扩大现有裂缝的非水力压裂的系统和方法不会导致任何甲烷释放到大气中。即使在含大量的烃(包括甲烷)的深层地下烃地层的背景下也是这样，所述大量的烃通过覆盖层(overburden)已经被包含了数千年。相反的，在受控条件下(其中通过异NG供应设备12将所述甲烷重新冷却和/或引入将甲烷输送至客户的邻近管线(或LNG油罐卡车、船舶或其他LNG容器)中)，压裂含烃地层18的低温甲烷将使被捕获的甲烷(连同在压裂中使用的任何甲烷)通过网络管道20上升至地面安装的设备。

所公开的非水力压裂系统和过程可以通过与其所部署的井场地附近的管线相联接的方式，将待输的NG以标准方式送至市场。或者，如果部署在离管线非常远的位置时，VRGE通过将被释放的甲烷的现场液化(或异NG生产)，从而允许这些位置的井回收的产品在没有管线的情况下通过油罐卡车/拖车或油轮输送至市场。当通过管线输送NG时，VRGE可以支持更大的甲烷输送量，因为异NG(以及甚至适度冷的NG)具有远大于标准NG的密度，这增加了这样的管线的容量。如果该产品是更稠密的，则给定直径的管线将携带更多的产品(以英镑(lbs)和英热单位(BTUs)计)。

所公开的VRGE的实施例也适用于“管线质量(pipingquality)”气田和适用于含有较高浓度的CO₂、水蒸气、N₂或重质烃的气体，因为VRGE所包含的任意程度的净化过程可以从回收的NG去除非甲烷成分。(通过水或液氮的水力压裂不支持这样的净化。)许多用于“剔除”CO₂、水、N₂和重质烃的技术涉及制冷的使用。VRGE(使用地面的异NG生产系统)可以将其制冷容量的一部分(以及低级的“废弃”制冷输出)分配给这些剔除过程。事实上，常常被发现于NG流中的重质烃(通常被称为天然气液体(“NGLs”)，并且包括丙烷、丁烷、异丁烷、戊烷和乙烷)具有实质性的市场价值(有时大于从相同的NG流中获得的甲烷的价值)，而且使用VRGE中所固有的致冷以分离这些待售至市场的重质烃也是VRGE的示例性实施例的一部分。

对位于与现有NG管线的连接的性价比范围(reach)之外的含烃地层，位于邻近的管线具有有限容量的含烃地层，或者位于NG的价格与终端客户处的产品价格相比相对较低的含烃地层而言，用于回收的甲烷的最佳解决方案是将其液化，并在LNG油罐卡车(或船舶)中将其作为“增值”产品输送至管线系统之外的市场。所公开的实施例允许产生压裂流体的相同的异NG设施也是LNG/异NG生产设施，所述LNG/异NG生产设施可以将回收的甲烷转化为LNG或CCNG并被引入天然气管线网络之外的市场(经由油罐卡车或油轮)。

还应当理解，所公开的非水力压裂的系统和方法可以适于在含有油和/或冷凝物的致密的地质地层中使用。关于什么时候使用异NG(用于压裂)，什么时候以及在什么温度下向下发送支撑剂，并且什么时候使用热的CNG以诱导油和/或冷凝物的流动，这样的部署将具有不同系列的方案。到达地面的液态烃将包括悬浮在液体中的“伴生的”NG，这将被允许使液体“沸腾”，从而分离出去。这种部署的输出将包括原油和/或液体形式的冷凝物以及能够被冷却至异NG或LNG的NG。

当被应用于包含比天然气更多的油的地层时，VRGE的实施例将与交替向下的异NG流和热的CNG流一起使用，对地层产生热冲击，并输送压力，但最终步骤是通过与热的CNG流一起使用以诱导先前被捕获在地层中的液态烃(例如，油)的流动。上升的油将含有一定量的CNG，其将通过众所周知的手段(如井场热处理器)分离，其中被回收的甲烷和其他气态烃用于为设备提供燃料，或作为NG/LNG/异NG/LPG/NGLs异地发送至寻求这些产品的市场，例如天然气处理工厂。

因此，可以看出，提供了非水力压裂系统、方法和过程。应当理解的是，任何前述的构造和专门的部件可以与前述实施方案的任何装置或系统互换使用。尽管上文中描述了示意性实施方案，但是可以在不脱离本公开内容的范围进行各种变化和改进，这对于本领域技术人员将是显而易见的。它的目的是所附的权利要求将覆盖所有这些落入本公开内容的真实宗旨和范围内的变化和修改。

Claims (18)

1.一种通过冷泡沫输送支撑剂的方法，其包括：

提供非水液体；

将表面活性剂加至所述非水液体；

将支撑剂加至所述非水液体中以形成一种非水液体、表面活性剂和支撑剂流；

泵送加压所述非水液体、表面活性剂和支撑剂流；

使用加压天然气以激活所述非水液体、表面活性剂和支撑剂流；并

输送所述被激活的非水液体、表面活性剂和支撑剂流至地下地层。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述加压天然气是异临界相天然气。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述支撑剂在所述地下地层中使一个或多个裂缝保持张开。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述被激活的非水液体、表面活性剂和支撑剂流处于环境温度和大约-140°F之间的温度。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述非水液体是甲醇。

6.如权利要求5所述的方法，其中当甲醇、表面活性剂和支撑剂流被高压天然气激活时，所述甲醇、表面活性剂和支撑剂流进入泡沫态。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述甲醇的所述泡沫态在地下地层中破裂，使得所述甲醇变为液态或气态；且

所述液态或气态甲醇溶解在从所述地下地层释放的烃中，形成甲醇-烃溶液，并且所述甲醇-烃溶液流出所述地下地层。

8.如权利要求7所述的方法，其还包括回收所述甲醇,其通过：

引导异临界相天然气至第一方向中；和

引导所述甲醇-烃溶液至基本上与所述第一方向相反的第二方向中，使得所述异临界相天然气冷却所述甲醇-烃溶液，并使所述甲醇-烃溶液中的所述甲醇从溶液中冷凝出来。

9.一种回收支撑剂输送液体的方法，其包括：

当溶液流出地下地层时，回收溶解于释放自所述地下地层的烃中的所述支撑剂输送液体的溶液；

引导异临界相天然气至第一方向中；并

引导所述支撑剂输送液体-烃溶液至基本上与所述第一方向相反的第二方向中，使得所述异临界相天然气冷却所述支撑剂输送液体-烃溶液，并使所述支撑剂输送液体-烃溶液中的所述支撑剂输送液体从溶液中冷凝出来。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述支撑剂输送液体是醇。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述支撑剂输送液体是甲醇。

12.如权利要求9所述的方法，其中所述异临界相天然气是现场生成的。

13.一种支撑剂输送系统，其包括：

支撑剂供应；

流体性地连接至所述支撑剂供应的表面活性剂供应；

流体性地连接至所述支撑剂供应和所述表面活性剂供应的非水液体供应；

流体性地连接至所述支撑剂供应，所述表面活性剂供应和所述非水液体供应的发泡容器；

流体性地连接至所述发泡容器的天然气供应；

流体性地连接至所述发泡容器的至少一个正位移装置；和，

流体性地连接至所述至少一个正位移装置的管道网络，其中至少一个管道延伸到地下地层中。

14.如权利要求13所述的系统，其中将来自所述支撑剂供应的支撑剂和来自所述表面活性剂供应的表面活性剂加入至来自所述非水液体供应系统的非水液体中，以形成一种非水液体、表面活性剂和支撑剂流。

15.如权利要求14所述的系统，其中至少一个正位移装置泵送加压所述非水液体、表面活性剂和支撑剂流。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述加压天然气使所述非水液体、表面活性剂和支撑剂流起泡。

17.如权利要求16所述的系统，其中所述被激活的非水液体、表面活性剂和支撑剂经所述管道网络流入地下地层中，从而使所述被激活的非水液体、表面活性剂和支撑剂流在所述地下地层中使一个或多个裂缝保持张开。

18.如权利要求13所述的系统，其中所述非水液体是甲醇。