CN103429846A

CN103429846A - 用于地下地层的压裂系统和方法

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Publication number: CN103429846A
Application number: CN2011800693739A
Authority: CN
Inventors: 格朗特·W·内维森
Original assignee: Enfrac Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2031-10-03
Also published as: MX2013008325A; CN103443397A; EP2665890B1; EA201592153A1; EA024378B1; EA201370157A1; EP2665891A4; WO2012097425A1; CA2824169C; CA2824169A1; EP2665890A1; AU2011356581B2; CA2824206A1; EP2665890A4; US20130341010A1; MX2013008324A; US20140008074A1; EP2665892A1; CN103443397B; US9033035B2

Abstract

一种用于压裂井下地层的方法，包括：制备增能压裂流体，包括在混合器中混合气态天然气和压裂基础流体；将增能压裂流体注入通过井口并进入井中；以及继续注入增能压裂流体直到地层被压裂。一种用于产生用于压裂井下地层的增能压裂流体的装置，所述装置包括：压裂基础流体源；天然气源；以及混合器，所述混合器用于接收来自天然气源的天然气和来自压裂基础流体源的压裂基础流体，并将天然气和压裂基础流体混合以产生增能压裂流体。

Description

用于地下地层的压裂系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2011年1月17日提交的美国临时申请No.61/433,441的的权益，并且该申请的全部内容通过参引合并到本文中。

技术领域

本发明涉及一种用于地下地层的压裂系统和方法，尤其涉及液压压裂。

背景技术

液压压裂是用来提升现有井、低效率井、新井和不再生产的井的生产的通用技术。压裂流体与压裂支撑材料在专用设备中混合，随后被泵送通过井孔并进入包含待生产的烃材料的地下地层中。在足以压裂地下地层的高压下完成携带支撑材料的压裂流体的注入。压裂流体将支撑材料携带到裂缝中。在完成流体和支撑剂注入后，降低压力，支撑剂使裂缝保持打开。随后使井排出以移除裂缝和地层中的压裂流体。在移除足够的压裂流体之后，利用通过所形成的裂缝体系的提高的流动开始或恢复井中的生产。在例如从煤层甲烷沉积物中回收天然气之类的某些情形下，不使用支撑剂并且压裂地层的简单作用足以提供期望的生产提升。不能从地层中移除足够的压裂流体可阻断烃的流动并且显著降低所放置裂缝以及从井中生产的有效性。为了提升压裂流体回收，在液压压裂操作中使用气体、主要为氮和二氧化碳。

在压裂过程中使用气体特别是二氧化碳和氮在工业中是常见的。通过使用这些气体能够减少或排除压裂流体中的液体成分。由于在压裂处理中更少地使用液体并且气体成分的较高移动性和膨胀性，所以更容易移除压裂流体。此外，用气体代替液体能够通过减少完成压裂处理所需的液体体积而提供经济效益和环境效益。使用气体的总体压裂组成物能够分为纯气体压裂（包括几乎100%的气体（包含二氧化碳或氮）的流体）、雾状物（包括携带液相的大约95%的气体（二氧化碳或氮）的混合物）、泡沫或乳浊液（包括形成在连续液相中的大约50%至95%的气体的混合物）、或增能的流体（在液相中包括大约5%至50%的气体的混合物）。

将氮或二氧化碳与油基或水基压裂流体一起使用已经在现有技术中描述，并且能够提供一系列益处。然而，尽管具有这些所有的益处，在压裂处理中使用氮或二氧化碳仍对液压压裂过程具有某些不利影响，在压裂流体回收期间产生增加成本和对环境消极影响的问题。

已经提出了其他气体以获得将气体添加至压裂流体的益处，同时避免氮和二氧化碳带来的内在困难。具体地，提出了在液压压裂中使用天然气。天然气能够不破坏储油岩、对于储层流体是无作用的、能够在不污染储层气体的情况下回收、并且通常容易获得。

然而，尽管建议天然气用于液压压裂处理，但是其是潜在危险的，并且尚未提供利用天然气进行液压压裂的合适和安全的装置和方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于产生增能压裂流体混合物的系统，所述增能压裂流体混合物用于压裂井下地层，系统包括：压裂基础流体源；基础流体泵，基础流体泵流体地联接至压裂基础流体源并且能够构造成将基础流体加压至至少地层的压裂压力；液化天然气（“LNG”）源；LNG泵组件，LNG泵组件流体地联接至LNG源，并且LNG泵组件包括泵部件和加热器部件，泵部件能够构造成将LNG加压至至少压裂压力，加热器部件能够构造成将已加压的LNG加热至所需的应用温度；以及压裂流体混合器，压裂流体混合器具有流体地联接至基础流体泵的第一入口、流体地联接至LNG泵组件的第二入口、以及用于联接至井口的出口；该混合器用于将基础流体与加热并加压的天然气混合以形成用于注入到井口中的压裂流体混合物。

泵部件能够还包括至少一个低温离心泵、LNG泵，该LNG泵流体地联接至该至少一个低温泵，该LNG泵调定为至少地层的压裂压力。加热器部件能够包括至少一个热交换器，该至少一个热交换器流体地联接至泵部件以接收已加压的LNG。该热交换器还热联接至热源并且能够将已加压的LNG加热至至少所需的应用温度。加热器部件能够是无焰催化加热器。无焰催化加热器能够包括至少一个催化元件和LNG管道，至少一个催化元件能够与燃料气体流体地连通并且能够氧化燃料气体以生成热，LNG管道与催化元件热联接但与催化元件流体地分离，，并且LNG管道用于使LNG从其中流过。无焰催化加热器能够还包括多个催化元件，多个催化元件围绕LNG管道同心地布置，形成用于LNG通过无焰催化加热器的单个通道的催化束。

混合器能够包括主流动管线和弯曲管道，主流动管线包括入口端和出口端，弯曲管道在入口端和出口端之间连接至主流动管线并且与主流动管线流体连通。弯曲管道从入口端以锐角延伸，以及，存在大致线性流动路径通过主流动管线。入口端被连接用以接收来自基础流体泵的基础流体的流动，并且，弯曲管道被连接用以接收来自LNG泵组件的天然气的流动。

LNG源能够包括至少一个LNG罐，并且系统能够还包括气态天然气回流管道，气态天然气回流管道流体地联接至蒸发器部件和罐，用于将已加压的气态天然气供给至罐以对罐进行加压。

该系统还能够包括点燃器、点燃管线管道、以及减压阀，点燃管线管道流体地联接至点燃器，减压阀将点燃管线管道流体地联接至罐使得能够将罐中的气态天然气排放至点燃器。该系统还能够包括低温惰性气体源和惰性气体膨胀液化单元，惰性气体膨胀液化单元流体地联接至低温惰性气体源、并且具有流体地联接至罐以接收来自罐的气态天然气的入口阀以及联接至罐以将LNG传送至罐的出口阀。惰性气体液化单元构造成允许低温惰性气体在其中蒸发并使气态天然气在其中进行充分地冷却以将其液化成LNG。LNG源包括多个LNG罐、流体地联接至每个罐的罐间蒸气管线管道、以及流体地联接至每个罐的罐间液体管线管道。

压裂基础流体源能够包括压裂液体的供给，以及任选地包括支撑剂和压裂改性化学制剂中的至少一者。压裂基础流体源能够包括支撑剂和压裂改性化学制剂中的至少一者，并且系统能够还包括搅拌器，搅拌器在混合器上游对基础流体与支撑剂和压裂改性化学制剂中的至少一者进行搅拌。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于压裂井下地层的方法，该方法包括以下步骤：提供基础流体并且将基础流体加压至至少地层的压裂压力；提供液化天然气（LNG）并且将LNG加压至至少压裂压力，随后将LNG加热至所需的应用温度；将已加压的基础流体与已加压的天然气混合以形成增能压裂流体混合物；将增能压裂流体混合物注入通过井口并且注入到与地层连通的井中；以及继续注入增能压裂流体混合物直到地层被压裂。

压裂基础流体能够包括压裂液体，以及任选地包括支撑剂和压裂改性化学制剂中的至少一者。压裂基础流体能够包括支撑剂和压裂改性化学制剂中的至少一者，并且该方法还包括在将基础流体与天然气混合之前对压裂液体与支撑剂和压裂改性化学制剂中的至少一者进行搅拌。增能压裂流体能够是泡沫。

能够从至少一个LNG罐提供LNG，并且该方法还包括将LNG罐中的气态天然气排放至点燃器。能够从至少一个LNG罐提供LNG，并且该方法还包括接收来自LNG罐中的气态天然气，并且通过使低温惰性气体蒸发并使蒸发的惰性气体与气态的天然气接触而将气态天然气冷却成LNG。

附图说明

现在将参照附图对本发明的实施方式进行描述，其中：

图1是根据至少一部分实施方式中的用于将天然气和基础流体的压裂流体混合物注入到地下地层中的压裂系统的总体示意图。

图2是示出了如图1所示的压裂系统的主要部件的示意图，其中包括根据第一实施方式的压缩天然气存储和供给设备。

图3是示出了如图1所示的压裂系统的主要部件的示意图，其中包括根据第二实施方式的液化天然气（LNG）存储和供给设备。

图4是示出了使用在第二实施方式中的LNG压裂泵组件的主要部件的示意图。

图5是示出了用于至少一部分实施方式中的天然气和压裂浆料流混合器的示意图。

图6是示出了根据第三实施方式的用于将包括天然气净流的压裂流体注入到地下地层中的压裂系统的示意图。

图7是示出了根据第四实施方式的用于将包括天然气和支撑剂的压裂流体混合物注入到地下地层中的压裂系统的示意图。

图8是示出了根据第五实施方式的用于将包括天然气和基础流体而不包括支撑剂的压裂流体混合物注入到地下地层中的压裂系统的示意图。

图9是示出了根据第六实施方式的用于将压裂流体混合物注入到地下地层中的压裂系统的示意图，其中该系统包括天然气排出和净化设备。

图10是示出了使用在第二实施方式中的LNG存储和蒸气处理设备的示意图。

图11是示出了一部分实施方式中的用于控制压裂系统的控制器的示意图。

图12是示出了压裂系统的至少一部分实施方式的示例性表面设备布局的示意图。

图13是示出了大致沿图10的线I-I的截面的示意图。

图14（a）和图14（b）是示出了液化天然气压裂泵组件的另一实施方式的催化蒸发器的示意图。

图15是示出了根据至少一部分实施方式的利用压裂系统通过压裂流体混合物压裂地下地层的方法的流程图。

具体实施方式

引言

下面的说明书和在此描述的实施方式通过举例本发明的各个方面的原理的特定实施方式的示例来提供。本发明的各个方面的原理的这些示例被提供用于说明的目的而不是用于限制的目的。在说明书中，相似的部件在全部说明书和附图中用相应的附图标记标注。附图不必按照比例绘制并且在某些示例中能够放大比例以更清楚地示出某些特征。

在此描述的实施方式提供了一种用于通过包括天然气和基础流体的压裂流体混合物或通过仅包括天然气的压裂流体对地下储层的地层进行压裂的装置、系统以及方法。在第一实施方式中，提供了一种注入包括天然气和基础流体的压裂流体混合物的压裂系统，其中天然气存储为压缩天然气（CNG），并且其中基础流体能够包括压裂流体、支撑剂和增粘剂。在第二实施方式中，提供了一种注入包括天然气和基础流体的压裂流体混合物的压裂系统，其中天然气存储为LNG，并且其中基础流体能够包括压裂流体、支撑剂和增粘剂。在第三实施方式中，提供了一种注入仅由天然气流组成的压裂流体的压裂系统。在第四实施方式中，提供了一种注入仅由天然气流和支撑剂组成的压裂流体混合物的压裂系统。在第五实施方式中，提供了一种注入包括天然气和基础流体的压裂流体混合物的压裂系统，其中基础流体不包含支撑剂。在第六实施方式中，提供了一种压裂系统，该压裂系统注入包括天然气和基础流体的压裂流体混合物，并且所述压裂系统包括天然气排放装置和净化设备。下面将对这些实施方式中的每个实施方式进行更加详细地描述。

如在本公开中所使用的，天然气仅是指甲烷（CH₄）或甲烷与诸如其他气态烃之类的其他气体的混合物。天然气通常是包含大约85%至99%的甲烷（CH₄）、5%至15%的乙烷（C₂H₆）、以及具有微量长链烃的含量更少的丙烷（C₃H₈）、丁烷（C₄H₁₀）和戊烷（C₅H₁₂）的可变混合物。如在此使用的，尽管大于近似30%的体积会降低从本加工中收获的效益，但是天然气还能够包含可变程度的诸如二氧化碳和氮之类的惰性气体。CNG是指压缩天然气。LNG是指液化天然气。

用于液压压裂的天然气流能够作为气体提供并且处于足以支持地下储层的液压压裂的压力和速率。天然气流能够与基础流体搅拌以形成压裂流体混合物，或者作为纯流（即不包含基础流体）注入，或仅与支撑剂搅拌。基础流体能够包括诸如传统的烃类井维护流体之类的压裂液体、含有一个或更多个支撑剂和/或一个或更多个增粘剂或诸如减阻剂之类的流变改性剂的压裂液体。在地下储层产生压裂的液压能由在表面处以足以在地下储层处产生所需能量的结合速率对气态天然气和基础流体的混合物进行增压而获得。压裂处理后，能够将天然气和随附的压裂液体回收，并且使用的天然气增能剂能够针对用于回收和销售的现有设施。

提供了以下的压裂系统：所述压裂系统包括用于储存压裂流体混合物的成分的设备、用于将含有压裂流体的天然气混合物注入到诸如油井或气井之类的地下地层中的设备、以及用于将压裂流体从井中回收和分离的设备。在一部分实施方式中，天然气源是保持在具有将天然气进一步压缩至适当压裂压力的压裂泵的加压容器中的压缩气体（CNG）。在其他实施方式中，压缩气体保持在高于压裂压力的加压容器中并且简单地释放至压裂流中。在一部分实施方式中，气体源是具有将LNG加压至压裂压力并加热加压LNG流的压裂泵的容纳液化天然气（LNG）的容器。

气相天然气的有效储存在通常小于30MPa（4,400psi）的最高可能压力下实现。将天然气的压力增大至液压压裂通常所需的极限能够通过以气相进行给送来完成。已经将气相压缩机使用于接近100MPa（15,000psi）的压力，因此气相压缩机适于将天然气压缩至适当的压裂压力。

包含天然气的压裂流体流改善了从井中移除压裂流体以及因此改善了压裂后的生产性能。使用天然气避免了通常在使用二氧化碳或氮作为增能流体的情况下出现的流体不相容性。在完成压裂处理时，天然气成分与压裂流体和储层油和/或储层气一起回收。注入的天然气在现有的油和/或气处理系统内以对正常操作很少造成或不造成干扰的方式回收。这可能消除为了实现用于销售的气体的适当气体成分所需的在增能压裂处理中典型的排放和燃烧。此外，在压裂流体流中使用天然气能够使得能够施加局部可用气体，以获得气化压裂流体流的益处，而不需要通常与氮或二氧化碳关联的大规模物流。

图1是根据这些实施方式的压裂系统的主要部件的总体描述，其中所述实施方式利用包括天然气和基础流体——基础流体能够包括支撑剂和/或化学添加剂——的压裂流体混合物。压裂液体存储在压裂液体罐（13）中，支撑剂存储在支撑剂容器（12）中，以及，诸如增粘剂之类的化学添加剂存储在化学添加剂容器（22）中。天然气存储在天然气容器（15）中，并且天然气流通过高压天然气泵（17）加压和供给，并且经由管道（24）进入压裂流体混合器（18）。存储在容器（15）中的天然气能够是压缩天然气或液化天然气。在压缩天然气作为源的情形下，高压天然气泵（17）是压缩机；或者，在液化天然气作为源的情形下，高压天然气泵（17）是专用的液化天然气压裂泵。不管源气体的状态如何，从高压天然气泵（17）的输出都处于气态。

在混合器（18）内，来自管道（24）的天然气流与来自管道（42）的液相基础流体流结合；该基础流体能够包括与支撑剂和化学添加剂任选地结合的压裂流体。随后，结合的压裂混合物经由管道（25）进入井（19），结合的压裂混合物在井（19）处从井孔（wellbore）向下行进至储层，从而利用压裂流体混合物的速率和压力形成液压压裂。在井（19）内施加所需的压裂材料时，停止注入并且完成压裂处理的布置。压裂处理后以及在被认为适于对井进行压裂的时间，为使引导至管道（20a）并且随后通过将气体与液体分离的分离器容器（60）的流的流动，井（19）打开。来自井的初始流动主要将包括注入的压裂材料，并且分离器容器（60）用于将注入的天然气从通过管道（20a）的回收的流中分离。从分离器容器（60）中回收的液体和固体被引向罐或保持站（holding pits）（未示出）。来自回收流的天然气排出分离器（60）并且初始地引向点燃器（20）直到流量适当地稳定，随后引向用于处理和销售的管路（21）。

在另一实施方式中，提供了一种使用天然气或天然气和基础流体的混合物来压裂井的方法。多个特定的方法与安全地且可靠地使用呈液化天然气形式的天然气有关。使用用于现场存储的LNG的方法能够允许有效地并且在低至大气压的压力下储存相当大的体积。作为低温液体，一个单位体积的LNG包含大约六百体积的大气压下的气体。因此，相比于压缩气体，需要更少的存储容器以及具有减少的流量体积的更低的存储和供给压力。类似地，将天然气加压至在呈如LNG的液体形式的液压压裂中所遇到的极限压力是格外有效的。此外，作为液体，与压缩天然气相比，显著减少了容积比并且相对地不可压缩，消除了压缩加热并且大幅度地减少了设备尺寸和数量。这显著地降低了操作的复杂性，从而降低了在已知技术中存在的成本和危险因素。此外，由于在较低压力下操作的设备更少并且在设备之间的连接部更少，所以使用LNG有助于设备在井之间的频繁运动所需要的简化性。在接近或低于液化天然气的温度的温度下的惰性低温气体用于在引入低温LNG之前将天然气泵和加热器快速地、高效地、且安全地预冷却至操作温度。这消除和最小化了利用LNG进行冷却，由此在用可燃液化气冷却系统时避免了不必要的点燃和潜在的安全问题。通过将泵和加热系统结合在永久结合的单个单元上，使低温的液化天然气泵和加热系统的现场压力整体性（integrity）最大化。LNG储罐设计成在高压下操作以在存储期间排除或最小化排出气体。高压能力还允许在LNG从储罐排出期间以压裂速率推进增压，由此有助于供给至LNG泵。来自LNG压裂泵的蒸气作为侧流按需导引至LNG储罐以维持容器压力并且形成所述推进。用于加热LNG的能量能够以多种方式获得，其中优选实施方式使用不形成火焰的热。用于便携单元的这种热能够从环境、来自内燃机、催化点燃器或电热元件的废热或产生的热中获得。替代性地，热量能够使用靠近加热器或远离由安全要求规定的处理的焰底热源生成。

在此描述的实施方式因此提供压裂系统以及利用该压裂系统和压裂流体混合物压裂地下地层的方法。在压裂流体混合物中使用的天然气能够容易地以合理的成本获得，并且是环境友好型的和在商业上是可回收的。尽管其还适于代替压裂流体体积，但其作为气相使用对于提高后压裂油和压裂气的产量是有益的，由此减小了环境影响和压裂成本。通过现有的生产设施回收气体的能力随后能够减小火焰、节省将井投入生产的时间以及允许从井及时回收气体。此外，该技术能够使用于传统和非传统的油井和气井，并且适于通过烃基础流体、水基础流体和酸来压裂。

第一实施方式：使用包括基础流体和来自压缩天然气源的天然气的压裂流体混合物的压裂系统

根据第一实施方式并参照图2，示出了一种用于使用压裂流体混合物对由井贯穿的地下储层进行压裂的系统。压裂流体混合物通过对天然气流与基础流体进行搅拌而形成，其中天然气来自压缩天然气源。基础流体包括压裂流体并且还能够包括增粘的化学制剂和支撑剂。更特别地，压裂流体按照要求能够是油、水、甲醇、酸中的任一个或其结合。支撑剂能够是天然压裂砂或人造颗粒。化学添加剂将会是通常适于在液体中生成粘度、减少摩擦或生成所需有益特性的产品。

系统的主要部件包括压裂流体供给罐、用于输送和预备与天然气流结合的基础流体的设备、天然气容器、用于输送与基础流体结合的天然气流的设备、用于将基础流体和天然气流结合以形成压裂流体混合物的混合器、以及用于将压裂流体混合物输送到井口的设备。现在将描述压裂系统的专用部件。适用于水或烃基础流体的压裂液体罐（13）经由管道（26）连接至压裂搅拌器（14），其中压裂搅拌器（14）具有经由管道从化学添加剂容器（22）添加的增粘化学制剂。压裂液体罐（13）能够是通常用于液压压裂工业中的罐中的任意一种，并且能够使用多于一个的罐或其他合适的装置存储足够的液体体积。与在图2中示出的所有其他管道类似，管道（26）是符合所述用途和条件的管或软管。搅拌器（14）接纳增粘的压裂流体并且将来自支撑剂供给容器（12）的支撑剂与压裂流体搅拌以形成现在处于浆料形式的基础流体。搅拌器（14）是多功能单元，其通过离心泵（未示出）抽取来自压裂流体罐的液体、接收来自化学添加剂容器（22）的化学制剂、以及通常在离心泵内将它们与压裂流体混合。

压裂流体与来自支撑剂供给容器（12）的支撑剂在搅拌器（14）的混合槽或其他混合设备中结合并且随后抽入安装在搅拌器（14）上的另一离心泵中。典型搅拌单元的示例是其上安装有压裂搅拌器的由National Oilwell Varco供给至工业的MT-1060拖车。支撑剂供给容器（12）的示例是被称作“sand kings（砂王）”的每分钟能够传送9吨（20,000lbs）支撑剂的110m³（4,000cu.ft.）容器。

随后，生成的浆料基础流体从搅拌器（14）经由管道泵送至高压浆料泵（16）。高压浆料泵（16）将基础流体流加压至合适的压裂压力并且经由管道（25）连接至压裂流体混合器（18）。高压压裂泵的示例是安装在拖车上的生成最高达1,500kW或2,000HHP的柴油动力型Quintuplex容积式泵。一个以上的泵能够用作泵（16）。前述部件中的诸如搅拌器（14）和高压浆料泵（16）之类的某些部件能够结合。

在该实施方式中，天然气源是容纳压缩天然气（CNG）的一个或更多个容器（15）。用于压缩天然气输送和存储的容器的示例是安装有Lincoln Composites'TITAN Tank的拖车，其中Lincoln Composites'TITAN Tank保持最高达2,500scm(89,000scf)的处于达到25MPa（3,600psi）的CNG。CNG存储容器（15）经由具有阀（V4）的管道（123）连接至在此作为泵（127a、127b、127c）示出的高压天然气压缩泵，并且高压天然气压缩泵用于将气体压缩至压裂压力。能够通过能使气体流中的压力增大的任意泵来完成压缩；例如能够使用往复式压缩机来实现例如液压压裂所需的高压。通常，压缩机达到固定的压缩因数，使得可能需要多级压缩以获得压裂压力。类似地，为了实现理想的速率，多个压缩机压级能够并联使用。尽管会需要更多或更少的压缩机压级以实现理想的出口压力，但是示出的压缩机压级具有三个压级。通过阀（V4）来控制从存储容器（15）流至高压天然气压缩机泵（127a、127b、127c）的压缩天然气流量。压缩机泵（127a、127b、127c）经由具有气体控制阀（V61）的管道（24）连接至压裂流体混合器（18）。从高压天然气压缩机泵（127a、127b、127c）流至压裂流体混合器（18）的压缩天然气的流量通过阀（V61）控制。如果容器中的压缩天然气的压力充分地高于压裂压力，则气体能够通过阀（V4）和（V61）控制，并且经由管道（128）直接地流至天然气浆料流混合器，并且使用阀（V4）绕过高压天然气压缩机泵（127a、127b、127c）。

第二实施方式：使用包括基础流体和来自液化天然气源的天然气的压裂流体混合物的压裂系统

参照图3、图10至14并且根据第二实施方式，提供了一种使用包括基础流体和来自液化天然气源的天然气的压裂流体混合物的地层压裂系统。特别地，压裂系统包括LNG存储和蒸气处理子系统，用于存储LNG、并将LNG加压和加热至应用温度、随后供给要与基础流体混合的天然气。在该实施方式中，将LNG加热至使天然气处于蒸汽相的温度；然而，能够设想的是，在其他实施方式中，天然气能够加热至使天然气保持液相的温度。图3示出了具有该LNG存储和蒸气处理子系统的图1的压裂系统。

在该实施方式中，天然气源（215）是容纳液化天然气（LNG）的一个或更多个容器。用于存储天然气的容器的示例是具有容积为35.36m³(9,336gal)的保持最高达21,000scm(750,000scf)的处于0.6MPa(90psi)压力下的滑动装置安装的EKIP研究和生产公司的LNG输送器（EKIP Research and Production Company LNG Transporter）。LNG通常存储在大气压下并且处于大约-162℃(-260℉)的温度下。LNG存储容器（215）经由具有供给阀（V42）的LNG供给管道（223）连接至高压天然气压裂泵组件（229）。高压天然气压裂泵组件（229）设置成通过泵部件（230）将LNG加压至压裂压力并且随后通过泵组件（229）的加热器部件（231）将压缩的LNG加热成压缩气体。供给管道（223）是适于比如4014SS Cryogenic50Series的LNG管道：由JGBEnterprises股份有限公司制造的低温软管。

对从LNG存储容器（215）移除的液体体积的置换通过将产生的压缩气体流从加热部件（231）引导通过具有控制流量的回流阀（V11）的返回管道（232）来完成。置换蒸气被控制成在LNG容器（215）中保持适当的压力。返回管道（232）中的返回蒸气流有助于将LNG从存储容器（215）输送至天然气压裂泵组件（229），这在天然气源（215）中提供了足够的压力以将LNG的流供给至高压天然气压裂泵组件（229）的入口。在一个构型中，天然气压裂泵组件（229）在单个单元内（例如在一个壳体中，在自身包含的滑行装置上、经由一个主动装置等等）结合LNG的加压和加热。然而，这些步骤能够在单独的单元上完成。所有与LNG接触的部件必须适用于低温工作。从天然气压裂泵组件（229）至天然气浆料流混合器（18）的压缩天然气的流量通过阀（V6）控制并且通过天然气供给管道（24）。

参照图10和13，LNG存储和蒸气处理子系统用于对由压裂系统使用的LNG进行存储和处理。对LNG存储的处理和控制需要维持非危险的工作区域，同时LNG进行存储而备用。在存储处于-162℃（-260℉）的温度下和大气压下，LNG将缓慢地加热并且液体进行蒸发以维持其平衡态。随后，必须从罐中排出产生的气体以避免过压。

LNG存储和蒸气处理子系统包括能够是单个或多个LNG罐（715）的LNG源（215）。对这些罐（715）中的每个罐中的压力的控制通过具有基于罐的操作设计的泄放设定的减压阀（V18）来完成。减压阀（V18）经由蒸气收集管道（62）以及又联接至每个罐中的蒸气管线（63）的罐间蒸气管线管道（61）与每个罐（715）连通。在一个构型中，减压阀（V18）连接至点燃管线管道（720a）并且随后连接至能够对释放的蒸气进行安全地燃烧的点燃器（20）（在图中未示出管道（720a）至点燃器（20）的连接）。

替代性地，收集的蒸气能够再次液化并且泵送返回到LNG储罐（715）中，从而形成安全、高效和环境友好型的闭合蒸气系统：收集蒸气管道（62）经由阀（V17）引向管道（53）而通向氮膨胀器液化单元（55）。液化氮源（57）将低温氮通过氮供给管道（52）供给至氮膨胀器液化单元（55），在氮膨胀器液化单元（55）处，氮的蒸发进行充分冷却以将天然气蒸气再液化成LNG。成品LNG随后经由返回管道（54）泵送至LNG源容器（715）的液体加载管线中；返回管道（54）还用作按需填充罐（715）。LNG罐（715）经由它们的液体加载管线（54）和管道（56）流体地互连以确保LNG在所有罐之间均匀的分布。此外，LNG罐（715）通过管道（61）经由它们的蒸气管线（63）流体地互连。

从天然气压裂泵组件（229）出来的返回管道（232）在图10和图13中作为管道（732）示出，并且用于使加压的气态天然气返回到罐（715）以按需加压罐（715）。使用又联接至管道（61）的阀（V22）来控制来自返回管道（732）的流量。

液化天然气从罐经由管道（223）供给至天然气压裂泵组件（229）；来自每个罐的流量通过控制阀（V42）控制。

在替代实施方式中，能够将LNG罐（715）设计成在需要减压前允许压力高至2MPa(300psi)。当用-162℃(-260℉)的正常条件下的LNG加载这些罐（715）时，提升的泄放压力会使排出延迟，直到达到接近-110℃(-166℉)的温度水平。由于LNG罐的绝缘性质给予的最小的增热，排出实际上能够通过正常使用循环消除。此外，在LNG源（55）中提供提升的泄放压力在泵送期间的压力维持中确保较小的误差、来自LNG压裂泵加热器（31）的蒸气、以及为了确保到天然气压裂泵组件（229）的可靠供给而提高罐的内部压力的需要，并且不会导致在压裂处理期间打开减压阀。

图4是示出了天然气压裂泵组件（229）的主要部件的示意图。LNG从供给管道（223）供给至泵部件（230）。泵部件包括低温离心泵（233）、高压LNG泵（235）、以及将低温离心泵（233）与高压LNG泵（235）互连的管道（23）4。需要供给至高压LNG泵（235）的足够的供给压力，以确保不在泵送循环中出现气封或气穴现象。能够按需使用单个或多个低温离心泵（233）以满足支持高压LNG泵（235）的供给压力和速率的要求。提供供给压力和速率的低温离心泵（233）的示例为ACD工业中的推进泵2×3×6，其提供达到1.5m³/min(2400gpm)LNG的速率和95kPa（15psi）的压头。高压LNG泵（235）额定为将LNG加压至至少35MPa和高至100MPa（15,000psi）以提供足够的压力来压裂地层。尽管还能够采用能产生足够的速率和压力的其他类型的泵，但是能够使用诸如活塞泵之类的容积式泵来实现这些压力。这种泵的示例是额定达到124MPa（18,000psi）的压力且LNG速率为0.5m³/min(132gpm)的ACD工业的5-SLS系列的低温泵。能够采用单个或多个高压LNG泵（235）来满足压裂供给速率的要求。驱动泵（233）和（235）所需的动力能够从内燃机按需通过直接驱动、发电或液压技术获得。

使用管道（236）将从高压LNG泵（235）排出的压缩LNG引向加热组件（231）以加热天然气至应用温度，所述应用温度在本特定实施方式中将天然气的状态从液态变成气态。通常，加热LNG的最低温度大约是-77℃（-107℉），并且该温度是许多碳钢从奥氏体晶体转变成马氏体晶体的温度，其中发生相应的金相改变。在一个实施方式中，到管道（24）和（232）的天然气出口温度处于0℃（32℉）至20℃（68℉）的范围中以避免接触的液体冻结问题并且维持密封件弹性。按需将热量传递至LNG的热交换系统处于加热器组件（231）内，并且在该实施方式中包括第一热交换器（237）、处于第一热交换器下游的第二热交换器（239）、以及天然气供给管道（238），其中所述天然气供给管道（238）从供给管道（236）延伸穿过这两个热交换器（237）、（239）并且联接至供给管道（24）以及回流阀（V11）。回流阀（V11）又联接至回流管道（232）。

在该实施方式中，LNG首先通过作为来源于空气的热提供的热源（240）加热，所述空气通常通过鼓风机（未示出）驱动穿过第一热交换器（237）内的热交换器线圈。在接近-162℃（-260℉）温度下的LNG能够从空气中得到显著的能量，从而减轻加热负载。从第一热交换器（237）的排出随后通过供给管道（238）引导至第二热交换器（239）内的热交换器线圈。在第二热交换器（239）内，LNG通过另一热源（241）加热到目标出口温度。从该另外热源（241）获得的能量必须是显著的以支持LNG的快速加热。热源（241）能够在无火焰的情形下产生并且可能是废热，或者从内燃机、催化点燃器或电子元件产生热。替代性地，能够使用接近加热器或远离安全要求所决定的过程的焰底产生热。加压的气态天然气的出口经由具有气体控制阀（V6）的供给管道（24）通向天然气浆料流混合器（18）。

一旦天然气已充分地加热（在这个特定的实施方式中是指蒸发成气态），其流过供给管道（24）并在压裂流体混合器（18）中的基础流体混合。混合器（18）中操控的流体压力能够是显著的，流体的磨损可能是一个重要的因素并且泄漏是要避免的。至于吞吐量（throughput），有效成分的混合是重要的。尽管各种类型的混合器能够是有用的，但是在图5中示出了用于压缩天然气和压裂浆料流的一个合适的混合器（318）。天然气浆料流混合器（318）用于在混合器体（343）中对来自管道（342）的基础流体流与来自供给管道（324）的气态天然气流进行结合和混合。实现压裂流体流支撑剂和气态的天然气流的良好混合能够有助于用于增能的流体、泡沫或雾的压裂流体混合物的所需的结构和特性。例如，适当的泡沫的发展要求气相以尽可能小的气泡尺寸完全地分散于液相中。充分的分散能够多种方式实现，其中之一由天然气流的管道中的扼流装置（344）呈现，凭借减少流动面积增加天然气流的速率。天然气流与压裂流体流以较高的速率接触，促进了良好的混合。能够采用包括内部分流器、湍流增强器和各种静态或动态混合装置的其他机构以促进混合。为了安全地处理包含天然气的压裂流，应认识到，包含气体的浆料能够具有能够迅速侵蚀包含压力的部件的非常高的速率。

将基础流体浆料流与天然气流结合以及随后进一步经由管道和井孔输送结合的混合物通过认识到颗粒（支撑剂）对流动路径改变的影响能够快速导致组件故障和有害地释放可燃性气体来完成。同样地，设置了允许包含液体/支撑剂的基础流体以大致平直的路径通过混合器的基础流体混合器（18）。例如，基础流体管道（342）能够限定大致线性的内径，并且管道（324）能够与管道（342）以一定的角度连结。例如，在一个实施方式中，混合器（18）包括主流管线、弯曲管道和大致线性流动路径，主流管线包括进入端和排出端，弯曲管道连接至在进入端与排出端之间的主流管线并与主流管线连通，该弯曲管道相对于进入端以锐角延伸，大致直线流动路径经由主流管线、连接成接纳来自压裂基础流体源的流的进入端、和连接成接纳来自天然气源的流的弯曲管道。在离开混合体（343）时，压裂流体混合物随后经管道325引导至井口并向下引导至井孔，以在地下储层中产生液压压裂。

参照图11，压裂系统能够通过控制器（58）遥控；控制器（58）的构造和操作将在下面的第六实施方式中进一步描述。在该第二实施方式中，控制器（58）的控制功能通过对图11中示出的受控制部件的无线通信来完成。使用能够涉及经由电线的控制或通过电线和无线通信的结合的控制。在该实施方式中，假定控制器（58）是安装在卡车底盘上的座舱内的计算机控制台。系统能够操作为仅允许泵送天然气或液体、仅液体浆料、或天然气、液体和液态浆料的任何所需结合。在某些应用中，将仅泵送天然气用于处理的一部分、比如预填塞（pre-pad）或处理冲洗。替代性地，将仅泵送液体或液体浆料，同样地，在预填塞、填塞或冲洗时泵送液体以及在处理中的阶段时仅泵送液体浆料。处理后，设备停止工作，井口阀（V7）关闭和准备迁离站点或准备完成另一压裂处理。LNG储存容器通过阀（V4）的关闭和阀（V18）的打开而保护。将阀（V5）关闭并且将阀（V8）打开以允许高压天然气排出天然气处理管线（24）、处理管线（25）和LNG压裂泵（229）。当高压系统已经排出至标称压力时，LNG压裂泵（229）以低容量操作以将LNG从低压管道（23）移除至泵并通过加热器，通过处理管线管道（24）、（25）、通过阀（V8）排放并且进入点燃系统、分离器（60）和点燃器（20）。替代性地，能够打开阀（V13）以对高压系统进行排出。阀（V8）或阀（V13）能够呈阻流器（choke）形式，以控制进入分离器和点燃系统的压力和速率。气态氮从惰性气体源（45）通过管道（46）同时引入到管道（23），以协助低压LNG经由LNG压裂泵（229）排放至点燃器（20）。在从低压管道（23）排放所有的天然气液体时，阀（V14）被打开以排放和彻底地净化低压系统。相应地，阀（V15）被打开并且气态氮通过天然气处理管线（24）引导以完成高压系统的净化。在所有情况下，气流引导到点燃器，直到天然气含量远低于易燃极限。天然气含量能够通过烃类含量气体流监测器进行评估。随着系统的天然气净化的完成，处理管线能够从井（19）中装配，并且开始对压裂处理的回流以及评估。回流通过打开井口阀（V7）开始，其中点燃管线阀（V8）和（V20）打开并且管线阀（V9）关闭。气流通过点燃管线（20a）和分离器（60）引导到点燃器（20）。分离器（60）在将气体释放至点燃器中时捕获液体和固体。液体在分离器（60）内累积并排到未示出的存储容器中。产生的固体可能包括地层细料和压裂支撑剂，并且在分离器容器（60）中累积并且按需被移除以便分离器的继续操作。在实现稳定流动和足够的气相压力以允许流进管线中时，点燃器通过阀（V21）关闭并且通过打开阀（V9）引向销售管线（21）流动。来自井（19）的流与气体被继续引导通过分离器（60）进入管线（21），直到压裂处理被充分净化以及井被很好的评价。井随后能够投入生产。

参照图14，用于加热液化天然气的替代装置包括用于使用在LNG压裂泵内的催化加热器。在诸如铂之类的催化剂存在的情形下，催化元件（66）由诸如天然气、丙烷或其他适当燃料之类的燃料气体通过氧气氧化而生成的热进行辐射。带有空气的燃料气体被注入到催化元件中——未示出该注入，其中产生的热被辐射至LNG交换器管（67）。这提供了将液化天然气加热至应用温度所需的充分的热量。在图14中，八个催化元件（66）绕液化天然气交换管（67）同心地布置成束，形成用于通过催化加热系统的单个通道的催化束（68）。每个LNG交换器管（69）均有天然气流过，并且包括位于其外表面上的散热片以增加表面积，其加热用于加热LNG的交换器管（69）的壁并且用于将热量引导至管道。四个束示出为四个组，其中每个束中八个催化元件加热LNG交换器管（67）。在该构型中，来自通过周围预加热器的管道（238）的LNG进入流被分流至催化束中的两个催化束。该示意图还示出了从一个催化束（68）排出的LNG被引导至另一催化束（68）以进行附加地加热。催化束的构型和布置以及通过催化束的流动路径能够按需改变以实现加热目标。催化元件通常为表面积的每平方英寸(15kW/m2)产生35Btu/hr，使得具有26"(0.67m)宽度和120"(3m)长度的元件的八个元件束将产生超过870,000Btu/hr(255kW)的能量。对于示出的四个束系统，可获得接近3,500,000Btu/hr(1025kW)的能量的产生率。该能量水平足以满足5,600scf/min(160sm³/min)的还是安全和紧凑布置的LNG压裂泵所需的热容。作为催化过程，催化加热元件的操作表面温度处于700℉(370℃)至1,000℉(540℃)的范围内，远低于天然气在空气中的自燃温度1076℉（580℃）。催化加热器由此提供了用于加热潜在可燃的LNG的本身安全的无焰热源。

第三实施方式：用于注入包括纯天然气流的压裂流体的压裂系统

根据第三实施方式并且参照图6，提供了一种使用包括纯天然气流的压裂流体的压裂装置，其中“纯”是指不包含基础流体或支撑剂成分。用纯天然气流的压裂在以下情形下是有益的：在生产过程中不需要任何液体并且不需要支撑剂来维持形成的压裂系统。这是用于压裂难于移除液体的煤层甲烷井或低压页岩地层的通常的情况。在本实施方式中，天然气源（415）是包含压缩天然气或液化天然气中任一者的一个或多个容器。天然气源（415）通过具有用于控制天然气供给的阀（V44）的管道（423）连接到高压天然气泵（417）。高压天然气泵在CNG源的情况下是对气体施加压缩的压缩机，并且在LNG源的情形下是低温泵和加热器。制备的天然气流经由管道（24）离开高压天然气泵（417）、通过阀（V74）和管道（425）进入井口（19）。随后，纯天然气流沿井孔向下行进以在地下储层中形成液压压裂。

第四实施方式：用于注入包括天然气和支撑剂但不包括压裂流体的压裂流体混合物的压裂系统

根据第四实施方式并且参照图7，提供了一种使用天然气和支撑剂但没有压裂流体的压裂流体流的压裂装置和构型。用仅包含支撑剂的天然气流进行压裂在以下情形下是有益的：在生产过程中不需要任何液体并且不需要支撑剂来维持形成的压裂系统。这是用于压裂难于移除液体的煤层甲烷井或低压页岩地层的通常的情况。在本实施方式中，天然气源（515）是包含压缩天然气或液化天然气中任一者的一个或多个容器。天然气源（515）通过具有用于控制天然气供给的阀（V45）的管道（523）连接到高压天然气泵（517）。高压天然气泵在CNG源的情况下是对气体施加压缩的压缩机，并且在LNG源的情形下是低温泵和加热器。气态天然气流经由管道（524）离开高压天然气泵（517）。具有控制阀（V25）的支撑剂供给装置（512）与管道（524）相交。支撑剂供给装置（512）被加压以与来自高压天然气泵（517）的排放压力匹配。来自供给装置（512）的支撑剂流重力供给至管道（524），支撑剂的添加由阀（V25）控制。形成的天然气浆料沿管道（524）继续通过阀（V75）、管道（525）并进入井口（19）。气流和支撑剂随后沿井孔向下行进以在地下储层中形成液压压裂。

第五实施方式：用于注入包括天然气和基础流体但不包括支撑剂的压裂流体混合物的压裂系统

根据第五实施方式并参照图8，提供了一种使用包括天然气和基础流体但不具有任何支撑剂的压裂流体混合物的压裂装置。

用这种压裂流体混合物的压裂在以下情形下能够是有益的：在形成的压裂系统中需要液体部分并且在生产期间不需要支撑剂来维持形成的压裂系统。对于使用增能或泡沫化的酸的天然气以形成和腐蚀压裂系统的酸压裂碳酸盐地层，这是通常的情况。在本实施方式中，压裂液体罐（13）容纳所需的液体。管道（26）用于将液体传送至压裂搅拌器（614），其中来自化学制剂源（22）的压裂化学制剂还引导并与液体混合。从压裂搅拌器（614）的排放如阀（V36）所控制地通过管道（650）并且由高压液体泵（616）接收。来自于高压液体泵（616）的排放沿着能够由上游阀（V56）控制的管道（642）引导至压裂流体混合器（618）。天然气源（15）是容纳压缩天然气或液化天然气的一个或多个容器。天然气源（15）通过具有用于控制天然气供给的阀（V4）的管道（23）连接到高压天然气泵（17）。高压天然气泵在CNG源的情况下是对气体施加压缩的压缩机，并且在LNG源的情形下是低温泵和加热器。气态天然气流经由管道（24）离开高压天然气泵（17）、通过阀（V6）并进入天然气流浆料混合器（618），在该天然气流浆料混合器（618）处，气态天然气流与来自管道（42）的液体压裂流相结合。混合的天然气和液体沿管道（625）离开混合器（618）并进入井口（19）。混合的天然气和液体随后沿井孔向下行进以在地下储层中形成液压压裂。

第六实施方式：具有天然气排放和净化设备的压裂系统

根据第六实施方式，天然气压裂系统还能够包括用于排放、净化和/或隔离天然气的设备（“排放、净化和隔离设备”）。这种设备对于控制与作为可燃高压气体源的天然气关联的风险是有益的。该设备能够包括利用低温惰性气体，该低温惰性气体被冷却以便在引入天然气之前对高压天然气泵或其他设备进行预冷却。这排除了使用可燃天然气预冷却系统的需要并且排除了以其他所需的方式点燃的天然气。惰性气体还能够用于对压裂系统进行压力测试以识别任何泄漏或故障，或允许对系统做出任何构型或功能测试。同样，惰性气体能够用于代替任何天然气源，以在压裂处理之前、期间或之后对任何残余的天然气、氧气、或空气进行快速地净化。在压裂处理期间的泄漏或部件故障的情形下，排放、净化和隔离设备允许将该部件隔离使得系统的其余部分不受影响。

图9示出了具有如图1所示的压裂流体存储和供给设备、带有天然气排放、净化和隔离设备的压裂系统的实施方式。该排放、净化和隔离设备包括：流体地联接至系统中的天然气和基础流体供给管道23、24、42、50的一系列阀（V12）至V16；用于净化系统的部件（并且任选地低温地冷却这些部件）的惰性净化源45；一系列用于将惰性气体传送至天然气的惰性气体供给管道46、47；基础流体供给管道23、24；以及用于对来自供给管道23、24、42、50的气体进行排放的排放管道（48）、（49）、（51）。还能够设置控制器（58）（见图11）以控制排放、净化和隔离操作。

净化在将天然气从阀（V4）经由通向井口阀（V7）的设备和管道（即，供给管道（23）、NG泵（17）、管道（24）、混合器（18）和管道（25））引入到系统中之前执行。在本系统中，在压裂处理之后和在迁离用于转移的设备之前，在净化之前对所有天然气、以及管道和设备进行排放。排放和净化能够从（V5）和远至上游的阀（V3）（其中排放经由通过管道（51）至点燃器（20）来完成）、以及从天然气源出口阀（V4）经由设备和管道至井口阀（V7）潜在地围绕系统以解决过压回移。

此外，在由于部件故障而引起天然气意外释放的情况下，发生故障的部件可能在内部隔离，在隔离的系统部件中剩余的天然气能够被排放和净化。为了排放和净化天然气系统的低压部分，惰性净化源（45）经由惰性气体供给管道（46）和惰性气体供给阀（V12）在天然气源出口阀（V4）之后和高压泵（17）之前连接到天然气供给管道（23）。这样的布置使得能够将惰性气体传递到天然气供给管道（23）低压部段。此外，带有排放管道（49）的排放管道（48）通过位于天然气源出口阀（V4）的下游和高压泵（17）的上游的排放阀（14）附接至天然气供给管道（23）；该排放管道（48）联接到排放管道（49），排放管道（49）又联接至点燃管道（20a）。这样的布置使惰性气体和天然气能够从天然气供给管道（23）并经由点燃器（20）排放。

为了净化和排放天然气系统的高压部分，惰性净化源（45）经由惰性气体供给管道（47）和惰性气体供给阀（V15）连接至天然气供给管道（24）的高压部段（位于高压天然气泵（17）的下游）。此外，具有点燃管线管道（20a）的排放管道（49）经由排放阀（V13）附接至高压天然气泵（17）下游的天然气供给管道（24）。这种布置使惰性气体能够净化天然气供给管道（24）并且用于气体经由点燃器（20）排出该管道（24）。

为了净化和排放系统和井的高压压裂流体部分，点燃管线管道（20a）通过阀（V8）连接至位于阀（V7）上游以及混合器（18）、基础流体供给管道（42）和隔离阀（V5）和（V6）下游的压裂流体供给管道（25）。这样的布置使管道（25）能够通过来自源（45）、通过管道（47）、经由打开阀（V15）、经由混合器（18）并且进入管道（25）的净化流体进行净化；阀（V13）、（V5）、（V7）是关闭的。同样，这样的布置使压裂流体供给管道（25）中的流体经由阀（V8）和点燃管线管道（20a）通过点燃器（20）排放。

同样，基础流体供给管道（50）经由排放阀（V16）和排放管道（51）联接至点燃器（20）；例如在内部泄露发生并且天然气进入系统的基础流体存储和供给部的情形下，这样的布置使流体能够从基础流体管道排放至点燃器（20）。

排放和净化设备允许系统按需隔离、排放和净化以在一切合理条件下的使系统安全。例如，如果压裂流体混合器（18）发生意外的释放，隔离阀（V5）、（V6）和（V7）能够立即关闭以隔离从系统的其他部分的释放。随后关闭源阀（V3）和（V4）并且将阀（V8）打开以将出故障的系统的隔离部内的所有和任何气体引导至点燃器（20）并且由此控制和排除从天然气源浆料混合器（18）的释放。作为另一个示例，阀（V14）能够打开，以经由排出管道（48）、（49）和点燃管线管道（20a）排出封闭在位于阀（V4）与高压天然气泵（17）之间的管道和设备中的容纳物。类似地，能够将阀（13）打开以允许经由排出管道（49）和点燃管线管道（20a）排放封闭在高压天然气泵（17）与阀（V6）之间的管道和设备中的容纳物。

在充分排出时，能够通过打开阀（V12）和（V15）并且将净化流体从惰性净化源（45）经由惰性气体供给管道（46）和（47）引导而开始净化。通过按需操作阀（V12）、（V15）、（V13）、（V14）、（V6）、（V5）、（V8）和（V16），净化流能够按需通过天然气和压裂流体管道（23）、（24）和（25）以及排放管道（48）和（49）中的各种路径引导至点燃管线管道（20a），以排出和净化完整的系统。

惰性净化源（45）包括用于惰性流体的存储设备，其中惰性流体适于通过适于使净化流体移动通过系统的设备进行净化。在一个实施方式中，净化流体是诸如二氧化碳或氮之类的惰性气体，并且能够作为低温流体或加压气相而存储。能够通过处于气态相的惰性流体完成净化,但是在某些情形下和/或在诸如系统冷却之类的接下来的工艺中，能够使用处于液体相的惰性流体。根据对惰性流体和其相的选择，使净化流体移动通过系统将会通过控制阀、泵、或泵和加热器中的任一者完成，这些部件在一个实施方式中没有示出并且包含在惰性净化源（45）中，并且这些部件在另一实施方式中能够是已有设备。

上述的排放和净化设备的构型以及使用该设备的排放和净化方法特别涉及在图1中描述的压裂系统。然而，该排放和净化设备能够容易地适于诸如在图2、图3、图6、图7和图8中示出的其他压裂系统。当如在图3的实施方式中示出地使用LNG作为天然气源时，惰性净化源（45）能够是液态氮并且天然气压裂泵（229）利用氮冷却至低温温度、进行净化、以及进行压力测试。在该实施方式中，与使用LNG完成这些步骤相关的危险能够一并减少或排除。液态氮从源（45）经由管线（46）抽取至天然气压裂泵（229）。天然气压裂泵的低温内部部件由液态氮填充，液态氮在与温热部件接触时蒸发。产生的蒸气经由点燃管线管道（20）排至大气，直到内部被充分地冷却使得液态氮不再蒸发。

参照图11，包括净化和排放设备的压裂系统的操作能够通过控制器（58）控制。该控制器（58）具有编程为控制系统内的至少某些部件的操作的存储器。控制器（58）能够通过连接至各种部件的直接连接部或无线连接部与系统中的部件通信。例如，能够远程控制压裂搅拌器（814）、高压天然气泵（817）和高压浆料泵（816）。阀（V1）至（V16）也能够进行远程控制。远程控制能力允许从中央点的操作的容易且可靠的控制以及允许在正常操作期间、并且特别地是紧急情况下对系统的控制，而不将人员暴露于危险中。部件的控制通过系统的操作员经由用户界面（59）或通过包含存储在控制器的存储器上的算法并开发成引导部件的软件来引导，以通过适当方式完成任务。控制器是任何适当的过程控制系统并且能够包括从操作员面板或计算机的控制输入装置。类似的控制能力按需适用于其他描述的构型和其他部件。

例如，控制器（58）连接至供给阀（V4）和高压天然气泵（817）并控制供给阀（V4）和高压天然气泵（817）的操作，由此控制加压天然气从其源（815）到天然气流浆料混合器（18）的供给。同时，控制器（58）联接至压裂液体控制阀（V1）并控制压裂液体控制阀（V1）的操作以调节来自压裂液体罐（813）的流动，控制器（58）联接至支撑剂供应阀（V2）并控制支撑剂供应阀（V2）的操作以调节来自支撑剂供应装置（812）、化学制剂源（822）和压裂搅拌器（814）的流动，以将合适构造的液体浆料供应至高压浆料泵（816）。同时控制功能与连接至高压浆料泵（816）并控制高压浆料泵（816）的控制器（58）连续。控制器（58）还确保合适比例的混合天然气，并且相比通过控制高压浆料泵（816）和高压天然气泵（814）形成的液态浆料流，液态浆料流通过控制天然气压裂流的相对供应来形成。

控制器（58）还连接至阀（V3）、（V5）、（V6）、（V7）、（V8）、（V10）、（V11）、（V12）、（V13）、（V14）、（V15）和（V16）以及惰性净化源（845）用以控制排出、净化和隔离操作并且用以监测系统部件的状态。在这点上，控制器存储器上能够存储用以执行如上所述的排出、净化和隔离规程（protocols）的指令。

操作的方法

图15是示出了形成包含足量气相天然气以理想地改变压裂处理特性的压裂流体混合物的方法的流程图。

在步骤80处，获得足量的天然气以完成压裂处理。压裂处理能够消耗相当大量的压裂流体，其中通常的体积超过500m³（130,000gal），非传统的压裂消耗体积处于4,000m³（1,000,000gal）的级。施加任何合理量的天然气至压裂处理能够在4小时至6小时泵送期间消耗从50,000sm³（1.5MMscf）至300,000sm³（10MMscf）的任何量的气体。为满足体积和速率要求，天然气被存储以为大多数应用进行泵送。天然气的存储能够通过将其保持在压力容器中或通过液化以便存储在低温容器中来完成。天然气在压力容器中的高效存储在每个单元中保持大约10,000sm³（0.4MMscf）的通常小于30MPa（4,400psi）的最高可能压力下实现。甚至在最大压力下的这些量的有效存储将需要具有在升高的存储压力下的罐与泵送设备之间的许多连接部的若干加压容器。替代性地，LNG能够在现场存储在允许高效地存储相当大的体积并处于低至大气压的压力下的LNG罐中。作为低温液体，一单位体积的LNG包含处于大气压条件下的大约六百体积的气体。在包含60m³(16,000gal)的LNG的单个LNG存储容器中，存储有36,000sm³(1.2MMscf)的当量。相比超过30个加压天然气罐，大的处理将需要大约10个LNG储罐。LNG的使用排除了在气相存储中存在的问题；多个高压容器和将天然气从压力容器引出所需要的管导致非常复杂和潜在危险的系统。

图15的步骤81涉及将天然气处理至足量的压裂压力。压裂压力通常处于35MPa（5,000psi）至70MPa（10,000psi）的范围内,而天然气速率通常处于从400sm³/min（15,000scf/min）至1,200sm³/min（40,000scf/min）的范围内。将压缩天然气加压至压裂压力需要某种形式的气相压缩机。替代性地，将天然气加压至在呈液态形式如LNG的液压压裂中所遇到的极限压力是极其高效的。作为液体，相比于气态天然气，容积流率（volumetric rates）显著减小并且是不可压缩的，压缩加热得以排除并且设备尺寸和数量显著下降。低温天然气液体通过单个泵直接加压至压裂压力，并且随后简单地加热至应用温度。对于压力下的上端压裂气体速率，LNG以大约2m³/min(500gal/min)的液体通过每个速率均达到160sm³/min的8个单元产生超过1,500,000sm³/day(60MMscf/day)的气体速率。该较小和较简单的设备构型显著地降低了操作的复杂性，移除了可能与压缩气体技术一起出现的成本和危险。

在步骤82中，天然气流结合基础流体流。如前所述，混合器（18）能够用于在井口前或井口处在高压处理管线中合并这两股流；这种方法允许方便地处理单独的流而不干扰通常的压裂操作，完成任务而不改变井，并且是完成天然气和液体浆料流的混合的简单和有效的方式。这将导致用于混合这些成分的简单、有效和可靠的方法。

替代性地，基础流体流能够在低压过程中或在压裂压力下的井孔中与天然气流结合。天然气向下注入井孔内的一个管道并且液体浆料向下注入另一管道，其中这两股流在井孔中的某点处结合。在这些情形下，在这两股流会合的位置设置有呈附加管和共用空间形式的某种类型的专用井口或井孔构型。

在一个实施方式中，步骤80包括提供存储在低温容器中的液化天然气的供给，步骤81包括使用低温泵将液化天然气处理至压裂压力，并且以合适的速率供给液化天然气，并且使用热交换器加热液化天然气至应用温度，步骤82包括通过混合器（18）结合天然气和基础流体，以在使合成的压裂流体通过井口之前获得合成的压裂流体。

示例

提供下列示例仅用于示例并且意图不是在于限制本公开或权利要求的范围。

示例1

图12是示出了将天然气压裂系统部件安装在一系列移动卡车上的构型的实施方式的示意图。移动卡车输送用于形成和加压基于液体的压裂浆料的设备；压裂搅拌器（14）、化学制剂源（22）、高压泵（16）进一步输送用于存储、加压和加热液化天然气的设备；LNG储罐（215）和LNG压裂泵（229）和辅助设备；惰性净化源（45）和控制器（58）。

任何一个单元上的配置和装置都能够改变或设备可能按需进行暂时或永久地安装。该实施方式中显示了连接到多个LNG压裂泵（229）的多个LNG储罐（215）。液体和支撑剂的泵送系统、部件（14）、（16）、（22）和管道（26）、（50）、（42）、（25）的预处理压力测试通过压裂流体（13）或其他适当的液体按需完成。液体供给（13）、支撑剂添加（12）、化学制剂添加（22）、支撑剂搅拌（14）和液体浆料加压（16）用示出的设备部件完成并且传输至液体浆料管道处理管线（42）。LNG储罐连接到管道（62），以允许通过点燃管线（20a）排至点燃器（20），直到在将阀（V18）关闭时开始处理。管道（46）将惰性气体源（45）连接至入口管道（23），以将低温氮供给至用于LNG供给管道（23）的低温冷却、预处理净化和压力测试的LNG压裂泵、泵送和加热设备（229）和天然气管道处理管线（24）。惰性气体源（45）也连接到天然气处理管线管道（24），以允许在必要时与高压系统的气态氮一起排出或净化。

净化的或排出的天然气能够通过具有阀（V13）的排放管道（49）或具有阀（V8）的管道（20a）引导至分离器（60）和点燃器（20）。类似地，低压管道（23）能够用气态氮净化或通过管道（46）经由排放管道（48）排放至分离器（60）并且经由阀（V14）向前排放至点燃器（20）。通过经由管道（46）和（23）引至LNG压裂泵（229）的出口的低温氮来完成冷却和净化。相反，LNG压裂泵（229）中的每个均填充有液体氮直到被充分地冷却以在没有蒸发的情形下获得LNG。蒸发的氮从LNG压裂泵（229）经由天然气处理管线管道（24）、阀（V6）、点燃管道（20a）释放至点燃器（20）。在每个LNG压裂泵（229）中形成冷却时，点燃阀（V8）被关闭并且氮由LNG压裂单元泵送和加热以实现具有氮的系统的高压压力测试。在此全部过程中，基础流体供给系统通过关闭的阀（V5）隔离。在完成天然气泵送系统的压力测试时，阀（V8）是打开的，压力被释放，氮源与阀（V12）隔离，并且LNG源阀（V4）是打开的以允许LNG流入系统中。LNG压裂泵（229）被操作成利用LNG从系统排放氮，以准备开始压裂处理。从LNG压裂泵的排出物通过处理管线管道（24）引至点燃管线（20a），直到在点燃器处观察到天然气。阀（V8）随后关闭，阀（V5）、（V6）和（V7）打开并且压裂处理开始。LNG经由管道（23）从罐（215）抽取至LNG压裂泵（229），用以加压和加热通过天然气管道处理管线（24）的排出物。来自管道（42）的液态浆料基础流体流与来自管道（24）的气态天然气流在压裂流体混合器（18）中混合并且通过处理管线管道（25）引至井（19）。

示例2

使用诸如图3、图9和图11的装置之类的装置，给出了系统的示例、提出的应用以示出该方法。目的是用100吨支撑剂使用75%特征值的天然气泡沫膜水压裂处理模拟2500m深度处的的含气储层。井在2500m的深度处具有穿孔部，穿孔部具有114.3mm的套管、没有管件、以及井底温度为90℃。在该示例中，天然气源选定为液化天然气（LNG）并且使用图3的相关装置和构型。

表1：天然气压裂

表1

设备被移动至井的位置并且被适当地定位。对于该处理，特定的设备包括一个性能达到1,127kW的高压泵（229）、速率达到1,170sm³/min的七个160s m³/min的LNG压裂泵（229）、两个64m³的液体罐（13）、以及三个60m³的LNG罐（215）。惰性净化源供给有液态氮。提供化学制剂源（22）以使用两种添加剂。装配前安全会议进行详细的位置危险、安全设备位置、安全区域和位置疏散计划。设备依循在图9和图11中指定的构型装配，该构型包括在图3中用于LNG源压裂处理的适应性修改。液体罐（13）装有119m³的水并且168m³的LNG设置在LNG储罐（215）中。支撑剂供给容器（12）装有10吨50/140的筛砂（mesh sand）和90吨30/50的筛砂。化学制剂源（22）装有体积为107L的减阻剂和体积为308L的泡沫表面活性剂。

随后对系统进行压力测试。通常对于接近57,000kPa的预期的注入压力，高压部件的压力测试完成达到69,000kPa的压力。阀的操作和装置的操作在控制器（58）的控制下完成。用于从压裂液体罐出口阀（V1）至井口控制处理阀（V7）的系统的液体部分的压力测试用来自压裂流体体罐（13）的水完成。为了启动压力测试，将阀（V1）、（V3）、（V6）、（V7）、（V8）、（V10）和（V16）关闭。阀（V1）随后打开以将水释放至压裂搅拌器（14）。压裂搅拌器被操作成在通常小于700kPa（100psi）的操作压力下循环水并且被确认没有泄漏。阀（V3）随后打开以将水供给至高压浆料泵（16）。阀（V5）之前的处理管线42中的流出端口（未示出）被打开以允许流经高压泵。高压泵（16）缓慢地旋转以捕获水供给并且当完全水流从流出端口逸出时，泵完全地准备好并且端口被关闭。所有人员清除区域并且附加的动力施加至高压泵（16）以将泵本身连同管道（42）、（25）、处理管线、阀（V5）、（V6）、（V7）和（V18）以及天然气流浆料混合器（18）加压至69,000kPa的所需的测试压力。当处于测试压力时，高压浆料泵（16）随后停止并且检查受测试的部件的顺应性。压力随后从液体管线释放并且液体系统测试完成。

随后开始天然气系统的准备和测试。完成对所有部件的压力测试：从阀（V42）通过包括管道（32）蒸气供给管线的阀（V6）至LNG源（215），并且氮将会用于对天然气输送系统进行压力测试、净化和冷却。为了启动压力测试，将阀（V4）、（V6、）（V11）、（V12）、（V13）、（V14）和（V15）关闭。阀（V12）随后打开并且惰性净化源操作成将氮泵送和蒸发至系统中使其达到2MPa（300psi）的压力以完成低压压力测试。惰性净化源的操作随后停止并且检查管道（23）、阀（V4）、（V6）、（V12）、（V13）、（V14）和（V15）的泄漏。在确认不存在泄漏时，通过将阀（V14）打开而使压力从系统管道排出管线（48）放出至点燃器（V20）。随后将阀（V14）关闭并且操作LNG源（15）以经由管道（46）并进入管道（23）将液态氮释放至LNG压裂泵（229）。操作LNG压裂泵（229）并且低温内部部件填充有液态氮，液态氮与温热部件接触时蒸发。形成的氮蒸气经由点燃管线管道（20a）排至大气，直到内部充分地冷却使得液态氮不再蒸发。随后停止LNG压裂泵（229）的操作，并且检查管道（23）、阀（V42）、（V14）和（V12）的泄漏。LNG压裂泵（229）随后操作成压缩并蒸发液态氮，将蒸气引至用于净化所有来自测试系统的空气的点燃器。通过在净化流中设置氧测量计、或通过泵送具有安全因数的容积需求，能够确定完成净化。在完成净化时，LNG压裂泵（229）随后停止并且将阀（V6）关闭。所有成员清理区域并且附加的动力施加至LNG压裂泵（229）以将泵本身连同管道处理管线（24）以及阀（V6）、（V13）和（V15）加压至69,000kPa的所需测试压力。当处于测试压力时，LNG压裂泵（229）随后停止并且检查测试部件的泄漏。此时，通过将阀（V11）打开以允许氮压力进入管道，对蒸气供给管道（32）进行测试。为了进行该测试，通向LNG源罐（15）的蒸气进入阀（V22）保持关闭以避免通过氮而对LNG罐加压。操作阀（V11）以仅将测试管道（32）加压至LNG源罐（15）的减压设定值。随后通过关闭阀（V12）而将惰性净化源（45）与系统隔离。压力随后从液体管线释放至点燃器并且完成净化和压力测试。LNG罐源控制阀（V42）随后被打开并且阀（V6）被打开以再次允许流动进入点燃管线管道（20）。

随后用LNG供给操作LNG压裂泵（229）以将来自管道（23）的液态氮通过泵和管道（24）和（25）排放至具有天然气的点燃管线管道（20）。这确保在开始操作前形成至LNG压裂泵的LNG供给。此时能够测试点燃系统（20）。

随后全体成员召开处理前的安全和操作会议。包括安全设备的位置、安全区域和位置疏散计划的位置危险被检查。操作会议细化处理过程、设备责任、压力最大和专用于此井或压裂处理操作的任何其他处理细节。

使用LNG压裂泵（229）在阀（V12）和（V22）打开的情况下通过蒸汽管线管道（232）将通常在大气压力或接近于大气压力下提供的天然气源（215）预加压至350kPa（50psig），以在压裂操作期间确保足够的供给压力。一旦系统已经进行了安全压力测试并且LNG源（215）被加压，点燃阀（V8）和天然气管线阀（V6）在控制器（58）的控制下被关闭。液体管线阀（V5）和井控制阀（V7）打开。

现在根据表2的示例性压裂处理过程，开始压裂泵送操作。在整个过程中，使用控制器（58）完成设备操作和阀操作，以确保全体成员在处理期间不进入高压危险区域。液体压裂流体控制阀（V1）被打开并且通过高压浆料泵（16）操作压裂搅拌器（14），从而开始以0.5m³/min的速率向井中供给液体，从而开始孔的填充。化学制剂、减阻剂和泡沫表面活性剂在控制器（58）的控制下以所需的比例添加至液体流。能够以多种方式控制形成的天然气泡沫的性质。改变泡沫特征值以及天然气与总体积的比例将改变所得到的混合物的密度和粘度。改变泡沫表面活性剂的强度或浓度将改变气泡的尺寸并且改变所得到的泡沫的粘度。通过添加增粘剂来改变液相的粘度会改变产生的泡沫的粘度。打开阀（V6）并操作LNG压裂泵（229）以开始将气态天然气注入液体流中。在操作天然气流泵以前开始泵送并形成液体流，以确保天然气不会意外地回流至液体系统。控制器（58）通过单个流量计或泵冲程数计数器来监控液体供给速率和天然气添加速率，并且调节LNG压裂泵（229）以保持正确的天然气与液体的比例为75％的泡沫特征值。由于在此实例中以2.0m³/min的泡沫总速率的孔填充速率，LNG压裂泵（229）调节到468sm³/min的速率。这需要来自存储源（215）的0.78m³/min的LNG速率。继续填充井孔的泵送，直到泵送了17.8m³的泡沫。井孔从表面到穿孔部现在填充有天然气泡沫。继续泵送并且随着泵送了附加的体积，井孔中的压力上升，直到达到地层断裂压力并且地下压裂开始。孔现在被填充，压裂开始并且进入地下压裂的供给速率形成。总速率随后增加至所需的5.0m³/min的处理速率，并且泡沫填塞（foamed pad）注入开始。在预期的45,189kPa的地下压裂压力下，1.25m³/min的液体速率和1170sm³/min的天然气速率——需要1.96m³/min的LNG供给速率——产生5.0m³/min的总体速率。作为可压缩气体，表面处所需的天然气速率是基于井下压裂压力和目标总速率的。在45,189kPa和90℃下对天然气进行压缩使得需要312sm³的天然气以形成1m³的空间。在底部压裂压力从预期压力改变的情形下，控制器（58）调节表面天然气速率以保持75%特征值泡沫的合适的井下速率。天然气泡沫填塞继续，直到在75%的特征值下的40m³的总泡沫体积和10m³的水泵送至井孔中。填塞用于延伸和扩展足以接收包含在下列处理步骤中的支撑剂的地下裂缝。

表2.压裂处理过程

表2

按照处理过程，通过打开支撑剂供给阀（V2）来开启支撑剂，从而使支撑剂开始流到压裂搅拌器（14）中。在此示例中使用尺寸改变的筛砂；然而能够以相同的方式使用任何其他天然或人工的支撑剂。支撑剂流入搅拌器中的速率通过螺旋钻、皮带或滑动门来控制以实现液体流中的支撑剂的正确比例。在此压裂处理过程的设计中，压裂搅拌器（14）和高压浆料泵（16）的速率保持恒定，使得水的速率减小所添加的支撑剂的速率。为了保持泡沫特征值和所需的总泡沫注入速率，调节天然气的速率。在保持井底速率的情形下，液体速率从1.25m³/min减至1.22m³/min并且天然气速率从1,170sm³/min减至1,143sm³/min以顾及添加的支撑剂。处理过程继续，砂的浓度随着对水速率和天然气速率的调节而增加，直到泵送足够的支撑剂。如果出现筛阻、即井孔中或井下的压裂连接体内的支撑剂达到使得注入受限并且压力增加超过允许的最大值的程度，则所有注入将停止并且不应当考虑重新开始注入。一旦支撑剂已经被泵送，井被填充，这将支撑剂移送通过表面设备、沿井孔向下以及进入地下裂缝。对于此示例，井应当以0.5m³的欠注满设定（underflush set）、由所计算的特定的泡沫体积填充。填充期间，如果地下压裂压力不同于预期，则填充中所泵送的天然气体积将需要为改变的压缩率而进行调节，以确保泵送正确的填充体积。在填充井时，关闭所有设备、将阀（V7）关闭、记录瞬间关闭压力、并且保护所有设备和材料源。处理管线管道和泵送设备中所有压力均释放至管道点燃管线（20）以及用氮净化的含天然气的设备。随后装配天然气压裂设备。值得指出的是，在这个示例中提出的75％的泡沫特征值只是一个用于泡沫特征值的可能的值，并且取决于井的要求，能够使用从60％以下至95％以上的泡沫特征值。另外，用以运送支撑剂或填充井所使用的天然气的量或在填塞中使用的泡沫特征值能够单独地改变。此外，这种处理设计基于保持恒定的搅拌器速率。支撑剂的浓度也能够通过对搅拌器的速率进行调节同时补偿天然气速率来改变，以产生不同的泡沫特征值，但仍维持相同的总注入速率。事实上，根据需要，能够根本不使用支撑剂。

在装配压裂设备后并且在认为适于对井进行压裂的时侯，对井进行排出（flowed）以进行清理和评估。天然气泡沫定时破裂以进行回流，使得天然气和水不再以稳定泡沫的形式紧密地相互混掺。相反，水和天然气简单地和随意地混掺。能够通过多种方法实现泡沫的破裂，例如通过降解或移除泡沫表面活性剂。降解能够包括通过热分解或化学侵蚀来解离表面活性剂起泡分子。从液相移除起泡表面活性剂通常通过使分子吸附到诸如所接触的储层岩的固体上实现。天然气泡沫的破裂还能够通过使液相粘度受控制地减小来实现。井在压裂之后的回流通过减小井口处的压力来完成，以允许压裂流体从井中流出，形成裂缝和储层，由此打开储层的油和气的流动路径。在储层中，压力的减小允许天然气膨胀并用于从储层和裂缝中迫出压裂流体的液相。天然气膨胀还确保在储层和形成的裂缝中存在气相。气相提供了在靠近储层的区域中对气体的渗透性以及减小了在储层基质中保持液相的毛细压力。另外的益处通过天然气在液相中的可溶性来实现，从而导致表面张力减小。此机制还能够减小毛细压力并提高相对渗透性。在井孔中，压力的减小允许天然气膨胀并且进一步减小井孔中的混掺的天然气和液柱的密度。此减小的密度用于提高天然气和液体沿井孔向上的流动，从而减小了井底流压力。减小的井底流压力允许在储层与井孔之间的更高的压力差，允许更高的下降压力以提高来自储层并进入井孔的压裂流体的移动。流出储层的液相流和形成的裂缝由此增加从而确保不出现液阻。

注入的天然气和从井中释放的压裂流体被转移至能够分离气体、液体和固体的相分离器（60）。产生的固体能够包括压裂支撑剂，并且在分离器容器（60）中积累并且出于空间考虑而按需移除。液体在分离器（60）中积累并且排至未示出的存储容器中。在用于清理和评估的流动期间，注入的天然气和基于储层的天然气从分离器容器（60）引至点燃烟道（20）或优选地转移至用于转售的气体管道线（21）。将天然气用作气相增能器允许在不进行点燃的情况下向气体管道线转移和清理裂缝。此外，天然气的使用允许立即销售注入的天然气或基于储层的天然气。作为进一步的考虑，上述示例仅使用大约110m³（229,000gallon）的水，然而在不进行增能的情况下进行相同的处理将需要超出430m³（113,000gallon）的水。用诸如二氧化碳或氮之类的传统的气体代替类似的水容积将在实现用于气体销售的典型规格之前需要显著的点燃或洗涤。泡沫特征值能够增加超过75%以进一步减少水的消耗。这些方面减少了环境影响并提高了经济效益。

使用如上所述的相同方法的可比较的方法处于其他实施方式中并且适用于其他类型的压裂处理和应用：这些应用包括增能和雾化压裂流体；具有或不具有支撑剂；具有或不具有诸如酸、水、盐水、甲醇和烃之类的压裂流体；并且用于使用在包括紧密油和气体、煤层甲烷、页岩油和页岩气、以及传统油和气回收的所有储层类型。

对于本领域技术人员而言明显的是，能够容易地对这些实施方式进行各种改型。本发明不意在局限于在此示出的实施方式，而是意在一致于与权利要求相符的完全范围，其中除非另有说明，否则对比如使用冠词“一”或“一个”的单个元件的指称不是意指“一个且仅仅一个”而是“一个或更多个”。已知的或接下来对于本领域中的技术人员而言变为已知的对于在全部本公开中描述的各种实施方式的元件的结构和功能等同物意在被在权利要求的元件所包含。

Claims

1.一种用于产生增能压裂流体混合物的系统，所述增能压裂流体混合物用于压裂井下地层，所述系统包括：

（a）压裂基础流体源；

（b）基础流体泵，所述基础流体泵流体地联接至所述压裂基础流体源并且能够构造成将基础流体加压至至少地层的压裂压力；

（c）液化天然气（“LNG”）源；

（d）LNG泵组件，所述LNG泵组件流体地联接至所述LNG源，并且所述LNG泵组件包括泵部件和加热器部件，所述泵部件能够构造成将LNG加压至至少所述压裂压力，所述加热器部件能够构造成将已加压的LNG加热至所需的应用温度；以及

（e）压裂流体混合器，所述压裂流体混合器具有流体地联接至所述基础流体泵的第一入口、流体地联接至所述LNG泵组件的第二入口、以及用于联接至井口的出口，并且所述压裂流体混合器用于将所述基础流体与天然气混合以形成用于注入到所述井口中的压裂流体混合物。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述泵部件包括至少一个低温离心泵。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述泵部件包括高压LNG泵，所述高压LNG泵流体地联接至所述至少一个低温泵并且被调定为至少所述地层的压裂压力。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述加热器部件包括至少一个热交换器，所述至少一个热交换器流体地联接至所述泵部件以接收已加压的LNG并且热联接至热源，所述热源能够将所述已加压的LNG加热至至少所需的应用温度。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述加热器部件是无焰催化加热器。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述无焰催化加热器包括至少一个催化元件和LNG管道，所述至少一个催化元件能够与燃料气体流体地连通并且能够氧化所述燃料气体以生成热，LNG管道与所述催化元件热联接但与所述催化元件流体地分离，并且所述LNG管道用于使LNG从其中流过。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述无焰催化加热器包括多个催化元件，所述多个催化元件围绕LNG管道同心地布置，形成用于LNG通过所述无焰催化加热器的单个通道的催化束。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述混合器包括主流动管线和弯曲管道，主流动管线包括入口端和出口端，所述弯曲管道在所述入口端和所述出口端之间连接至所述主流动管线并且与所述主流动管线流体连通，所述弯曲管道从所述入口端以锐角延伸，大致线性的流动路径通过所述主流动管线，所述入口端被连接用以接收来自所述基础流体泵的基础流体的流动，并且，所述弯曲管道被连接用以接收来自所述LNG泵组件的天然气的流动。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述LNG源包括至少一个LNG罐，并且所述系统还包括气态天然气回流管道，所述气态天然气回流管道流体地联接至所述加热器部件和所述罐，用于将已加压的气态天然气供给至罐以对所述罐进行加压。

10.根据权利要求1所述的系统，还包括点燃器、点燃管线管道、以及减压阀，所述点燃管线管道流体地联接至所述点燃器，所述减压阀将所述点燃管线管道流体地联接至所述罐使得能够将所述罐中的气态天然气排放至所述点燃器。

11.根据权利要求9所述的系统，还包括低温惰性气体源和惰性气体膨胀液化单元，所述惰性气体膨胀液化单元流体地联接至所述低温惰性气体源、并且具有流体地联接至所述罐以接收来自所述罐的气态天然气的入口阀以及联接至所述罐以将LNG传送至所述罐的出口阀，所述惰性气体液化单元构造成允许低温惰性气体在其中蒸发并使气态天然气在其中进行充分地冷却以将其液化成LNG。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述LNG源包括多个LNG罐、流体地联接至每个罐的罐间蒸气管线管道、以及流体地联接至每个罐的罐间液体管线管道。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压裂基础流体源包括压裂液体的供给，以及任选地包括支撑剂和压裂改性化学制剂中的至少一者。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述压裂基础流体源包括所述支撑剂和所述压裂改性化学制剂中的至少一者，并且所述系统还包括搅拌器，所述搅拌器在所述混合器上游对所述基础流体与所述支撑剂和所述压裂改性化学制剂中的至少一者进行搅拌。

15.一种用于压裂井下地层的方法，包括：

（a）提供基础流体并且将所述基础流体加压至至少所述地层的压裂压力；

（b）提供液化天然气（LNG）并且将所述LNG加压至至少所述压裂压力，随后将所述LNG加热至所需的应用温度；

（c）将所述已加压的基础流体与已加压的天然气混合以形成增能压裂流体混合物；

（d）将所述增能压裂流体混合物注入通过井口并且注入到与所述地层连通的井中；以及

（e）继续注入所述增能压裂流体混合物直到所述地层被压裂。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述压裂基础流体包括压裂液体，以及任选地包括支撑剂和压裂改性化学制剂中的至少一者。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述压裂基础流体包括支撑剂和压裂改性化学制剂中的至少一者，并且所述方法还包括在将所述基础流体与所述天然气混合之前对所述压裂液体与支撑剂和压裂改性化学制剂中的至少一者进行搅拌。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述增能压裂流体是泡沫。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，从至少一个LNG罐提供所述LNG，并且所述方法还包括将所述LNG罐中的气态天然气排放至点燃器。

20.根据权利要求15所述的方法，其中，从至少一个LNG罐提供所述LNG，并且所述方法还包括接收来自所述LNG罐中的气态天然气，并且通过使低温惰性气体蒸发并使蒸发的惰性气体与所述气态的天然气接触而将所述气态天然气冷却成LNG。