含有作为多糖用交联剂的链烷醇胺硼酸盐的压裂液的制作方法

本公开主要涉及含烃储层的水力压裂中使用的压裂液。特别地，本公开涉及在压裂液中用作交联剂的链烷醇胺硼酸盐。
背景技术：
：在过去，某些压裂液包含无机硼酸盐或锆基交联剂。有机硼酸酯通常在水中水解不稳定，或通常在水中太不溶而不适合作为交联剂。无机硼酸盐已经被用作瓜尔胶基压裂液用交联剂多年。无机硼酸盐(例如四硼酸二钠)通常为具有-b-o-b-连接基的聚硼酸盐。然而，除了温度灵敏度之外，应用这些交联剂的制剂还显示出较高的压力和剪切灵敏度。当剪切速率和压力达到较大的值时，水力压裂作业期间的水力压裂液的剪切和压力灵敏度可能存在问题。由于可逆交联所致的粘度的显著降低会导致砂悬浮能力的损失，这继而会导致支撑剂在裂缝内的分布不良。此外，无机硼酸盐具有低水溶性。例如，无机硼酸盐交联剂四硼酸钠(硼砂)的水溶性为约4重量％至6重量％(wt.％)。在某些水力压裂技术中，将硼酸和链烷醇胺(或烷基胺)用作两种单独的化学品。使用链烷醇胺或烷基胺作为缓冲剂以产生碱性环境，产生氢氧根离子，氢氧根离子与硼酸反应以生成无机硼酸盐。胺的用量范围可以为约1重量％至约13重量％，该用量显著大于典型的硼酸盐交联剂的浓度。某些现有技术系统包含有机钛酸盐螯合物和产生硼酸根离子的化合物。某些现有技术系统使用与链烷醇胺络合的锆盐。技术实现要素：本发明提供了一种压力灵敏度较低且剪切灵敏度较低的交联流体体系，该体系提高了含烃储层中水力压裂作业的效率。使用有机链烷醇胺硼酸盐作为压裂液(例如含有多糖的压裂液)的交联剂。有机硼酸酯通常在水中水解不稳定，或通常在水中太不溶而不适合作为交联剂。令人惊奇和出乎意料地，某些链烷醇胺硼酸盐表现得相反，因而可有效作为压裂液制剂中的交联剂。在本公开中，当(例如作为固体)与液体压裂液组合物混合时，在多种条件下，具有定义明确的纯化合物的特性(如熔点)的预反应的、基本上水解稳定的且高度水溶的离散的单一化合物(有机链烷醇胺硼酸盐化合物)可表现为有效的交联剂。使用约1:1的硼酸与链烷醇胺(例如三乙醇胺)的固定摩尔比形成预反应的单一化合物的某些实例，例如用于如下某些实验中的三乙醇胺硼酸盐。发现通过硼酸或硼酸酯与链烷醇胺之间的反应形成的本公开的预反应的链烷醇胺硼酸盐是用于瓜尔胶基压裂液的良好交联剂，从而产生具有降低的压力和剪切灵敏度的流体。在高于无机硼酸盐交联剂通常所观察到的温度下，本公开的示例性胶凝流体更加稳定。有机链烷醇胺硼酸盐可通过使压裂液组合物由含有较多tds(溶解性总固体)的混合水或海水形成而提供额外的益处。本公开的一种示例性链烷醇胺硼酸盐为三乙醇胺硼酸盐。某些链烷醇胺基有机硼酸盐由于其被用作加入润滑剂中的腐蚀抑制剂而可商购获得。因此，本文公开了一种配制在高温高压下具有改进的抗粘度衰减性的水力压裂液组合物的方法，该方法包括：制备适合于与包含多糖的水力压裂液混合的链烷醇胺硼酸盐制剂，该链烷醇胺硼酸盐制剂包含预反应的链烷醇胺硼酸盐；制备包含多糖的水力压裂液；以及将链烷醇胺硼酸盐制剂与水力压裂液混合，使得链烷醇胺硼酸盐制剂引起水力压裂液的交联。在该方法的一些实施方案中，链烷醇胺硼酸盐制剂包含选自由下列组成的组中的链烷醇胺硼酸盐化合物：三乙醇胺硼酸盐；二乙醇胺硼酸盐；三异丙醇胺硼酸盐；正丙醇胺硼酸盐；n，n-二甲基乙醇胺硼酸盐；n，n-二乙基乙醇胺硼酸盐；n，n-二丙基乙醇胺硼酸盐；以及它们的组合。在一些实施方案中，水力压裂液包含选自由下列组成的组中的多糖：瓜尔胶；羟丙基瓜尔胶；以及它们的组合。在某些实施方案中，在约ph8.5至约ph13之间的ph下进行混合步骤，在其他实施方案中，在小于约ph9.5的ph下进行混合步骤。在一些实施方案中，制备链烷醇胺硼酸盐制剂的步骤包括将预反应的链烷醇胺硼酸盐与水混合，并且预反应的链烷醇胺硼酸盐为至少部分水解稳定的。还在该方法的其他实施方案中，制备包含多糖的水力压裂液的步骤包括用水对非水性多糖液体悬浮液进行水合。还在某些实施方案中，该方法还包括将水力压裂液组合物与至少一种ph控制剂混合的步骤，ph控制剂选自由下列组成的组：氢氧化物盐；碳酸盐；碳酸氢盐；含胺的有机化合物；以及它们的组合。在一些实施方案中，ph控制剂包括四亚乙基五胺。还在其他实施方案中，该方法还包括将水力压裂液组合物与至少一种抗氧化剂组分混合的步骤，抗氧化剂组分选自由下列组成的组：苯酚；多酚；二叔丁基烷基酚；硫代硫酸钠；亚硫酸钠；亚硫酸氢钠；硫脲；以及它们的组合。在某些实施方案中，水力压裂液组合物中的链烷醇胺硼酸盐制剂的浓度为约1加仑/千加仑流体(gpt)至约20gpt之间，该链烷醇胺硼酸盐制剂是约30重量％的链烷醇胺硼酸盐溶液。还在该方法的其他实施方案中，水力压裂液组合物中的链醇胺硼酸盐制剂的浓度为约10gpt，该链醇胺硼酸盐制剂是约30重量％的链烷醇胺硼酸盐溶液。在某些实施方案中，水力压裂液组合物包含约1gpt至约20gpt之间的约10重量％的naoh溶液。并且，在一些实施方案中，制备包含多糖的水力压裂液的步骤包括将海水与非水性多糖液体悬浮液混合。此外，本文公开了一种在高温高压下具有改进的抗粘度衰减性的水力压裂液组合物，该组合物包含：链烷醇胺硼酸盐制剂，其适合于与包含多糖的水力压裂液混合，链烷醇胺硼酸盐制剂包含预反应的链烷醇胺硼酸盐；以及包含多糖的水力压裂液，其中合适浓度的链烷醇胺硼酸盐制剂可引起水力压裂液的交联。在组合物的一些实施方案中，链烷醇胺硼酸盐制剂包含选自由下列组成的组中的链烷醇胺硼酸盐化合物：三乙醇胺硼酸盐；二乙醇胺硼酸盐；三异丙醇胺硼酸盐；正丙醇胺硼酸盐；n，n-二甲基乙醇胺硼酸盐；n，n-二乙基乙醇胺硼酸盐；n，n-二丙基乙醇胺硼酸盐；以及它们的组合。在其他实施方案中，水力压裂液包含选自由下列组成的组中的多糖：瓜尔胶；羟丙基瓜尔胶；以及它们的组合。还在其他实施方案中，水力压裂液组合物的ph在约ph8.5至约ph13之间。在某些实施方案中，水力压裂液组合物的ph小于约ph9.5。在另外的实施方案中，水力压裂液组合物还包含水。在组合物的一些实施方案中，水力压裂液组合物还包含海水。还在其他实施方案中，组合物包含至少一种ph控制剂，该ph控制剂选自由下列组成的组：氢氧化物盐；碳酸盐；碳酸氢盐；含胺的有机化合物；以及它们的组合。还在其他实施方案中，ph控制剂包括四亚乙基五胺。在某些实施方案中，组合物还包含至少一种抗氧化剂组分，抗氧化剂组分选自由下列组成的组：苯酚；多酚；二叔丁基烷基酚；硫代硫酸钠；亚硫酸钠；亚硫酸氢钠；硫脲；以及它们的组合。还在其他实施方案中，水力压裂液组合物中的链烷醇胺硼酸盐制剂的浓度为约1加仑/千加仑流体(gpt)至约20gpt之间，该链烷醇胺硼酸盐制剂是约30重量％的链烷醇胺硼酸盐溶液。在某些实施方案中，水力压裂液组合物中的链烷醇胺硼酸盐制剂的浓度为约10gpt，该链烷醇胺硼酸盐制剂是约30重量％的链烷醇胺硼酸盐溶液。在另一些实施方案中，水力压裂液组合物包含约1gpt至约20gpt之间的约10重量％的naoh溶液。在组合物的一些实施方案中，水力压裂液组合物在约5,000磅/平方英寸表压(psig)下的粘度降低小于约10％。还在其他实施方案中，水力压裂液组合物在约8,000磅/平方英寸表压(psig)下的粘度降低小于约15％。附图说明参照以下描述、权利要求和附图，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。然而，应当注意，附图仅说明本发明的若干实施方案，因此不应被视为限制本公开的范围，因为本公开可容许其他等效实施方案。图1为示出三乙醇胺硼酸盐(也称为2，2′，2″-硝基三乙基硼酸盐和boratrane)的分子结构的图。图2为示出用于将粘性流体引入压敏元件中以进行测试的改进的antonparr流变仪的图。图3为示出使用美国石油学会(api)建议规程(rp)39剪切梯度测试，在ph12.7时，用三乙醇胺硼酸盐交联的30磅/千加仑(pptg)的瓜尔胶在180℉(华氏度)时的粘度(单位为厘泊(cp))的图。图4为示出使用改进的apirp39剪切梯度测试步骤，在ph12.7时，用三乙醇胺硼酸盐交联的30pptg的瓜尔胶在180℉时以cp为单位的粘度的图，其中在将凝胶加热至180℉前，以5111/秒(s-1)剪切5分钟。图5为示出剪切速率为10s-1时以cp为单位的粘度的图，其测定了在180℉、不同的压力下，交联的30pptg的瓜尔胶基压裂液的响应。图6为示出使用apirp39剪切梯度测试，在ph9.3时，用三乙醇胺硼酸盐交联的30pptg的瓜尔胶基压裂液在180℉时以cp为单位的粘度的图。图7为示出使用apirp39剪切梯度测试，在ph9.3时，用三乙醇胺硼酸盐交联的30pptg的瓜尔胶基压裂液在250℉时的粘度的图。图8为示出使用apirp39剪切梯度测试，在ph9.3时，用三乙醇胺硼酸盐交联的30pptg的羟丙基瓜尔胶(hpg)在180℉时以cp为单位的粘度的图。图9为示出使用apirp39剪切梯度测试，在ph9.3时，用三乙醇胺硼酸盐交联的30pptg的hpg在225℉时以cp为单位的粘度的图。图10为示出对于含有ethox的组合物和不含ethox的组合物，在ph9.5时，用三乙醇胺硼酸盐交联的30pptg瓜尔胶的海水溶液在200℉时以cp为单位的粘度的图，其中使用100s-1的恒定剪切速率进行测试。具体实施方式为了能够更详细地理解使用包含链烷醇胺硼酸盐的压裂液作为多糖的交联剂和将变得显而易见的其他方面的组合物和方法的实施方案的特征和优点的方式，可通过参考构成本说明书的一部分的附图中示出的本公开的实施方案来对先前简要概述的本公开的实施方案进行更具体的描述。然而，应当注意，附图仅示出本公开的各种实施方案，因此不应被视为限制了本公开的范围，因为本公开也可包括其他有效的实施方案。首先参照图1，提供了示出三乙醇胺硼酸盐(也称为2，2′，2″-硝基三乙基硼酸盐和boratrane)的分子结构。据信，胺氮与硼可逆地配位，并且还据信，共价b-o键可逆地解离，从而使其能够由瓜尔胶基压裂液中存在的羟基置换以用于交联。可以用于形成本公开的链烷醇胺硼酸盐的其他合适的链烷醇胺包括但不限于三异丙醇胺、二乙醇胺、正丙醇胺、n，n-二甲基乙醇胺、n，n-二乙基乙醇胺、n，n-二丙基乙醇胺、类似的链烷醇胺化合物以及它们的组合，这些链烷醇胺可以分别用于形成三异丙醇胺硼酸盐、二乙醇胺硼酸盐、正丙醇胺硼酸盐、n，n-二甲基乙醇胺硼酸盐、n，n-二乙基乙醇胺硼酸盐、n，n-二丙基乙醇胺硼酸盐、类似的链烷醇胺硼酸盐以及它们的组合。在一个实施方案中，当加入至水中时，合适的链烷醇胺硼酸盐不会完全解离形成硼酸。也就是说，当暴露于水时，链烷醇胺硼酸盐是至少部分水解稳定的。在一个实施方案中，链烷醇胺形成或能够形成具有一个、两个或三个含有硼、氮和碳原子的5元或6元含硼环的环状硼酸盐结构。如图1中的结构所示，三乙醇胺硼酸盐是含有三个5元环的链烷醇胺硼酸盐的实例。在一个实施方案中，链烷醇胺硼酸盐中链烷醇胺与硼的摩尔比在约1:1至约3:1的范围内。氨基醇与硼的摩尔比为3:1的链烷醇胺硼酸盐化合物的实例是三乙醇胺三硼酸盐，n[ch2ch2o-b(oh)2]3。链烷醇胺硼酸盐的合成方法已描述于美国专利no.3,103,531中。本公开的链烷醇胺硼酸盐化合物的实施方案提供了目前使用的无机硼酸盐交联剂的直接替代物，具有优于无机硼酸盐交联剂的若干令人惊讶和出乎意料的优点。链烷醇胺硼酸盐交联剂(例如三乙醇胺硼酸盐)的储备水溶液可以大大浓缩至大于约30重量％和大于约95重量％。在一些实施方案中，形成链烷醇胺硼酸盐交联的具有瓜尔胶基聚合物的压裂液的ph范围在约ph8.5至约ph13之间。链烷醇胺硼酸盐与瓜尔胶基流体瞬时交联(如当在韦林氏混合器中以2,000转/分钟(rpm)的搅拌速率制备交联流体时，通过小于30秒的漩涡闭合时间所示)。在本公开的实施方案中，潜在的酸产生剂可以是有效的降粘剂，因为交联流体在ph值接近约8时表现出较低的粘度值。在本公开的实施方案中，需要较低浓度的多糖聚合物，例如瓜尔胶或羟丙基瓜尔胶(hpg)(例如等于或小于约30pptg)，其显著低于无机硼酸盐交联剂所需的聚合物负载浓度。实验在实验中使用的一种示例性交联剂为三乙醇胺硼酸盐。三乙醇胺硼酸盐为白色粉末，熔点在约235℃至约237℃之间，并且三乙醇胺硼酸盐易溶于水。通过将3克三乙醇胺硼酸盐添加到7毫升(ml)去离子(di)水中来制备30重量％的交联剂溶液。非水性瓜尔胶液体悬浮液(paps-435l；4磅/加仑(ppg)浆料)和非水性羟丙基瓜尔胶(hpg)液体悬浮液(hpg-as-0010；4ppg浆料)均从得克萨斯州休斯顿的precisionadditives获得。三乙醇胺硼酸盐从俄勒冈州波特兰的tciamerica获得，纯度或活性浓度大于约95％，报道的熔点为235℃至237℃，并且三乙醇胺硼酸盐按原样使用。压裂液的制备步骤。首先使用韦林氏混合器制备用于粘度计测试的凝胶样品。通常，将一定量的瓜尔胶基聚合物在自来水中水合。将诸如ph控制剂和抗氧化剂之类的额外添加剂添加到基础聚合物溶液中，随后添加不同量的交联剂溶液。形成具有瓜尔胶基聚合物的交联流体的ph范围在约ph8.5至约ph13之间。ph控制剂的实例包括但不限于无机碱(如氢氧化物盐、碳酸盐、碳酸氢盐)和含胺的有机化合物(如下述实施例4中所用的含胺的有机化合物四亚乙基五胺)以及前述物质的组合。抗氧化剂是一种添加剂，其可以用于压裂液配方中以防止聚合物的氧化或降解，从而使流体稳定。抗氧化剂可以选自由包括但不限于酚、多酚、二叔丁基烷基酚、硫代硫酸钠、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、硫脲以及它们的组合组成的组。在高压高温(hpht)下的粘度测量。为每个测试准备约100ml用于测试的样品体积。将52ml流体样品置于装备有b5bob的gracem5600高压高温(hpht)流变仪中。除了100s-1的剪切速率之外或替代100s-1的剪切速率，使用apirp39剪切梯度步骤的加热曲线进行测试。apirp39是题为“测量交联的水基压裂液的粘性性质的建议规程”的美国石油学会建议规程39。将约52ml的流体样品置于诸如fann50型或gracem5600hpht流变仪之类的流变仪中，以测定在设计用于模拟高压和高温(hpht)地下储层地层中的条件的条件下的压裂液样品的粘度。apirp39计划包括：以100s-1进行连续的流体剪切，并且一旦流体温度在测试温度的5℉以内，则使用100s-1、75s-1、50s-1、25s-1、50s-1、75s-1和100s-1的一系列剪切梯度，并且每30分钟周期性地发生。图4中使用的改良的apirp39步骤是在典型的apirp39步骤之前添加5分钟以511s-1的剪切。按照apirp39计划并在约400磅/平方英寸表压(psig)的氮气下，在估计的井底温度下进行测试。井底温度是指在测量时钻孔中总深度处的温度。apirp39计划包括：以100s-1剪切速率进行连续的流体剪切，然后一旦流体温度在井底温度的5℉以内，则使用100s-1、75s-1、50s-1、25s-1、50s-1、75s-1和100s-1的一系列剪切梯度。每30分钟后周期性地重复剪切梯度循环。高压流变测试。现在参照图2，提供了示出用于将粘性流体引入压敏元件中以进行测试的改良的antonparr流变仪的图。系统200包括去离子水源202、注射泵204、储液器206和antonparr1,000巴压敏元件208。在示出为系统200的mcr102antonparr流变仪上进行稳态剪切测量。采用预先改良的装置(antonparr流变仪中的手动泵)，粘性流体不能被引入压敏元件208。通过添加teledyneisco注射泵204和储液器206对系统200进行改良，凝胶在被注入压敏元件208之前置于储液器中。实施例1.本实施例测试了三乙醇胺硼酸盐交联的瓜尔胶基流体。图3为示出使用美国石油学会(api)建议规程(rp)39剪切梯度测试，在ph12.7时，用三乙醇胺硼酸盐交联的30磅/千加仑(pptg)的瓜尔胶浆料在180℉(华氏度)时的粘度(单位为厘泊(cp))的图。该图示出了使用apirp39剪切梯度测试步骤，在ph12.7时，用30pptg的瓜尔胶浆料、20加仑/千加仑流体(gpt)的10重量％的naoh溶液和1gpt的30重量％的三乙醇胺硼酸盐溶液制备的交联流体在180℉时的粘度曲线。在100s-1的剪切速率下，流体粘度保持几乎恒定在大约500cp5小时。为了测试流体系统的剪切灵敏度，基于改良的apirp39测试步骤建立粘度曲线，在室温下以511s-1剪切流体5分钟，然后加热至180℉。图4示出了与实施例1相同的流体(30pptg瓜尔胶浆料、20gpt的10重量％的naoh溶液和1gpt的30重量％的三乙醇胺硼酸盐溶液，ph12.7)的粘度曲线，其中测试曲线有所改变。在测试条件下，在100s-1下，交联凝胶的粘度保持恒定在大约500cp至少4小时。该测试表明交联凝胶是剪切稳定的，并且较大的剪切没有降低流体粘度。通常，包含瓜尔胶和硼酸盐的组合物的凝胶粘度表现出对许多影响的可逆性，包括机械剪切、ph和温度。值得注意的是，这些流体在压力增加时粘度降低，这在烃生产作业中可能是有害的。已经发现这个过程是可逆的。在这里，为了测试交联流体的压力灵敏度，以与图3中测试的流体相同的方式制备流体。如图5所示，通过将压力保持在500psig100分钟，然后使压力增大至2,500psig保持10分钟，然后使压力增大至5,000psig保持10分钟，最后使压力增大至8,000psig保持10分钟，从而在180℉对1,000巴压敏元件208中的流体进行测试。然后使压力降低至5,000psig保持10分钟，降低至2,500psig保持10分钟，然后降低至500psig保持20分钟(如图5所示)。在不同的压力下的平均粘度示于下表1中。对于这种特定的系统，在较高压力下的粘度降低或衰减非常小，在5000psig下仅约8％，并且在8000psig下仅约10％。表1.30pptg瓜尔胶基交联流体在不同的压力下的平均粘度。压力(psig)粘度(cp，10s-1时)500284525002922500026108000256150002897250029495002933实施例2.通常，用于交联包含瓜尔胶和硼酸盐的流体的优化条件包括高ph环境(流体ph为约8或更高)。然而，水源中的二价离子(如钙和镁)在ph值大于约9.5时倾向于与氢氧根离子一起沉淀出来。在实施例2中，用30pptg瓜尔胶浆料、2gpt的10重量％的naoh溶液和10gpt的30重量％的三乙醇胺溶液将测试流体配制成ph小于9.5(ph9.3)。图6示出了使用apirp39剪切梯度测试步骤测试的交联流体在180℉时的粘度曲线。在180℉时，粘度保持大于500cp约4小时。在250℉时测试相同的流体(图7)。在250℉时，粘度保持在约180cp约2小时的测试时间。实施例3.除了瓜耳胶基流体外，还用链烷醇胺硼酸盐交联剂测试了羟丙基瓜耳胶(hpg)。在实施例3中，用30pptghpg浆料、2gpt10重量％的naoh溶液和10gpt的30重量％的三乙醇胺硼酸盐溶液将测试流体配制成ph小于9.5(ph9.3)。图8示出了使用apirp39剪切梯度测试的该交联流体在180℉时的粘度曲线。在180℉时，粘度保持在大于500cp约2.5小时的测试时间。在225℉时测试相同的流体(图9)。在225℉时，粘度保持在170cp约3小时的测试时间。实施例4.在实施例4中，用合成海水制备链烷醇胺硼酸盐交联的压裂液。海水样品的水分析结果示于下表2中。海水的溶解性总固体(tds)含量为约57,000毫克/升(mg/l)，并且总硬度为约10,200mg/l。用30pptg的瓜尔胶浆料配制该流体，并用硼酸三乙醇胺硼酸盐交联。该流体还含有其他添加剂，如ph缓冲剂和山梨醇衍生物。实验中使用的ph缓冲剂为四亚乙基五胺，并且制备的流体的总ph为ph9.53。在一些实施方案中，糖醇衍生物包含在组合物中。糖醇衍生物可包括山梨糖醇的至少一种衍生物。压裂液组合物中的糖醇衍生物的浓度可在约0.01重量％至约10重量％、约0.05重量％至约5重量％或约0.05重量％至约2重量％的范围内。在某些实施方案中，糖醇衍生物包括烷基化糖醇。实验中使用的山梨醇衍生物为ethox3571，购自南卡罗来纳州格林维尔的ethoxchemicals。流体的配方为30pptg瓜尔胶浆料、5pptgna2s2o3、2gptethox3571、2.5gpt四亚乙基五胺和10gpt的30重量％的三乙醇胺硼酸盐溶液。室温下的流体ph约为ph9.5。图10示出了在100s-1的恒定剪切速率下交联流体在200℉时的粘度曲线(“含有ethox的粘度”)。在200℉时，流体粘度保持在大于100cp(在100s-1剪切速率下)至少60分钟。作为比较，用30pptg瓜尔胶浆料、5pptgna2s2o3、2.5gpt四亚乙基五胺和10gpt的30重量％的三乙醇胺硼酸盐溶液制备一种流体，并且不添加ethox3571(“不含ethox的粘度”)。在100s-1下，一旦温度达到约200℉，不含ethox的流体的粘度仅为约30cp。表2.海水样品的水分析。当前第1页12