CN105038739B - 一种钻井液以及咪唑类离子液体在其中的用途 - Google Patents

Abstract

一种钻井液，其包含离子液体1‑烷基‑3‑甲基咪唑四氟硼酸盐0.02‑0.08重量％、聚合物0.1‑0.5重量％、膨润土1‑6重量％和余量的水溶液，其中聚合物选自部分水解的聚丙烯酰胺、高粘度羧甲基纤维素钠盐和黄原胶中的一种或多种，烷基的碳原子数为4‑8。该钻井液具有明显改善的体系高温流变性。

Description

一种钻井液以及咪唑类离子液体在其中的用途

技术领域

本发明涉及一种钻井液，具体而言，本发明涉及一种体系高温流变性明显改善的钻井液。

背景技术

深部资源勘探的关键技术之一是配套的抗高温钻井液工艺技术。抗高温钻井液在保障安全钻井、稳定井壁、提高机械钻速、保护储层等方面的作用日益突出。因此抗高温钻井液技术的研究是该领域的一个研究热点。

从国内外近几十年的深部钻探实践来看，深部钻井常用的钻井液体系有水基钻井液和油基钻井液。与水基钻井液相比，油基钻井液体系有着很好的热稳定性、良好的失水控制性、井壁稳定性、井眼润滑性、抗污染及无腐蚀性等优点，能有效减少卡钻等复杂事故，但是油基钻井液排放时对环境会造成不良影响，影响地质录井荧光检测、循环漏失趋势高且单井成本高。因此，目前用于深部钻探的钻井液仍然倾向采用抗高温水基钻井液体系。

流变性是钻井液体系的重要工艺性能之一，具有携带岩屑，保证井眼和井底的清洁，悬浮岩屑，提高机械转速，保持井眼规则和保证井下安全等重要作用，对钻井工程的成败有着重要的影响。

随着井深的增加，高温对水基钻井液流变性影响越来越大。当温度逐渐增加，钻井液会发生高温增稠、减稠及固化等作用，黏土会发生高温分散、高温聚结及高温钝化等作用，处理剂会发生高温降解、高温交联等作用，钻井液胶体稳定性被打破，流变性发生变化，这种变化属于不可逆变化，不易进行调整和控制，对钻井产生不利影响，如携带岩屑能力下降、机械转速降低等，严重时将使钻井作业无法正常进行。

文献CN1156473A公开了一种热稳定的油基钻井液，其含有一种非磺化的聚合物和/或一种非亲有机物质的粘土的油基钻井液，它在升高的温度下保持所需的流变性质。

文献CN104178095A公开了一种钻井液及其制备方法，钻井液包括基液及钻井液处理剂，基液包括90-100重量份的水、0.1-1重量份的碱、0.1-0.9重量份的碳酸盐及1-10重量份的氯化盐；基液与钻井液处理剂的质量百分比为100∶(1-10)。该钻井液具有优异的降失水性及流变性，其能保护低渗透、中渗透砂岩的油气层，还能降低对高渗透砂岩油气层的损害，以更好地保护岩石储层。

文献CN104232034A公开了一种钻井液和提高钻井液降滤失性能的方法。该钻井液包括聚异丁烯丁二酰亚胺、乳化剂、有机土、碱度调节剂、无机盐水和主要量的基液。其具有优良的降滤失性能、调节流变性能，润滑性能好，水解稳定性好，具有良好的失水造壁性能，不含芳烃，生物毒性低，降解性好，倾点低、闪点高，应用范围广，安全性能好。

发明内容

本发明旨在提供一种含有咪唑类离子液体的钻井液，其具有明显改善钻井液体系的高温流变性。

具体地，本发明的技术方案为：一种钻井液，其包含离子液体1-烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐0.02-0.08重量％、聚合物0.1-0.5重量％、膨润土1-6重量％和余量的水溶液，其中聚合物选自部分水解的聚丙烯酰胺、高粘度羧甲基纤维素钠盐和黄原胶中的一种或多种，烷基的碳原子数为4-8。

优选地，其中离子液体的含量为0.04-0.06重量％，更优选为0.05重量％。

优选地，其中聚合物的含量为0.2-0.4重量％。

优选地，其中膨润土的含量为2-4％重量％。

优选地，膨润土为钠基膨润土。

本发明还提供了上述钻井液的制备方法，具体为：先配置含一定膨润土量的钻井液，预水化24小时；同时将聚合物配成胶液，随后加入预水化后的钻井液，然后加入离子液体。

进一步地，本发明还提供了一种离子液体在上述钻井液中的用途，其中离子液体为1-烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，其中烷基的碳原子数为4-8。

本发明的效果

本发明人经过长时间反复研究以及大量的试验，以阳离子为1-烷基-3-甲基咪唑阳离子，阴离子为四氟硼酸阴离子的离子液体加入到钻井液中，比其他离子液体更明显地改善体系高温流变性。特别地，当其中的烷基为碳原子数目为4-8的烷基时，与其他烷基相比，具有更加优异的体系高温流变性。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作了详细说明。

实施例1

包含离子液体的钻井液，其包含下列成分：

1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐0.02重量％

部分水解的聚丙烯酰胺0.2重量％

钠基膨润土4重量％

余量的水溶液。

先配置4％膨润土的10L的钻井液，预水化24小时；同时将聚合物配成一定浓度2％的胶液，按上述比例加入预水化后的钻井液；测定常温(即老化前)流变性和160℃滚动16h后(即老化后)的流变性；按上述比例加入该离子液体，再次测定常温(即老化前)流变性和160℃滚动16h后(即老化后)的流变性进行对比，具体数据见表1。

实施例2

钻井液的组成和制备方法与实施例1相同，除了将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的用量变为0.05重量％。

实施例3

钻井液的组成和制备方法与实施例1相同，除了将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的用量变为0.08重量％。

实施例4

钻井液的组成和制备方法与实施例1相同，除了将部分水解的聚丙烯酰胺的用量变为0.5重量％。

实施例5

钻井液的组成和制备方法与实施例1相同，除了将膨润土的用量变为2重量％。

实施例6

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐变为1-戊基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

实施例7

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐变为1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

实施例8

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐变为1-庚基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

实施例9

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐变为1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

实施例10

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将部分水解的聚丙烯酰胺变为高粘度羧甲基纤维素钠盐。

实施例11

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将部分水解的聚丙烯酰胺变为黄原胶。

对比例1

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了不加入1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

对比例2

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将0.05重量％的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐变为3％的聚胺。

对比例3

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将0.05重量％的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐变为7％的KCl。

对比例4

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐变为1-甲基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

对比例5

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐变为1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

对比例6

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐变为1-丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

对比例7

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐变为1-壬基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

对比例8

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐变为1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

对比例9

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐变为1-十一烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

对比例10

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐变为1-十二烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

对比例11

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐变为氯化1-十二烷基-3-甲基咪唑。

对比例12

钻井液的组成和制备方法与实施例2相同，除了将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐变为氯化1-丁基-3-甲基咪唑。

对比例13

钻井液的组成和制备方法与实施例10相同，除了不加入1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

对比例14

钻井液的组成和制备方法与实施例11相同，除了不加入1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

其中，

流变性采用ZNN-D6六速旋转黏度计进行测量。

测试方法：按照GB/T16783.1-2006的相关规定，将待钻井液倒入ZNN-D6型六速旋转黏度计的测量杯中，迅速从高速到低速依次测量。待刻度盘读数(基本)稳定后，分别记录各转速下的读数。按美国石油学会(API)的规定以及Bingham公式计算得到体系的表观黏度、塑性黏度和动切力(屈服值)。本文中若没有特别标注，钻井液性能流变性均是50℃下的测量值。

相关粘度计算：

θ₆₀₀、θ₃₀₀、θ₃代表外筒转600转/分、300转/分、3转/分从仪器刻度盘上读到的格数。其余依此类推。

表观粘度

μ_a＝τ/γ(mPa·s)

塑性粘度

μ_p＝θ₆₀₀-θ₃₀₀(mPa·s)

动切力

τ₀＝0.511(θ₃₀₀-μ_p) (Pa)

(θ：在给定转速下所测得仪器内筒转角，即仪器刻度盘上读到的格数)

滤失量采用SD6多联中压滤失仪进行测量。

仪器参数：最大钻井液注入量为240mL*6，有效滤失面积45.6cm²，工作压力0.69MPa，泥浆杯最大压力1MPa。SD6六联中压滤失仪使用六联铝质钻井液杯或不锈钢钻井液杯(可选组件)，配低压管汇，使用氮气瓶做气源在实验室内使用，由于采用六联结构可进行六样品平行实验。

测试方法：

1、使用前仪器应是清洁的，将气源置于适当的位置，并装上减压器，注意螺纹连结处应旋紧，检查手柄应在自由位置；

2、将低压管汇接头旋入减压器输出接头旋紧，并同时将另一端旋入进头接头，此时气源部分准备完毕；

3、检查控制手柄及放气手柄是否旋紧，按顺时针方向旋紧手柄(注：泥浆杯控制手柄，应经常取下检查“O”型圈有无破损)；

4、取出盛液杯组件，取下杯盖；

5、用手指堵住底部小孔，将搅拌好的被测液体倒入杯内至刻线处，按顺序迅速放入“O”型密封圈、滤纸、杯盖，并按顺时针方向旋紧，(注意勿将“O”型圈搞湿，以防滤纸破损)；

6、调头将组件旋入控制部位旋转90℃；

7、将量杯置于失水下方，以备使用，准备使用，准备已告结束；

8、打开气源手柄，顺时针方向慢慢转动减压阀手柄，观察压力表指示，使之稳定在0.7MPa；

9、按逆时针方向，慢慢旋动控制手柄，同时观察压力表指示。当压力表瞬时稍有下降(或听见杯内有进气声响)即好，当见到第一滴水流出时开始记录时间；

10、测试时间已到(30分钟)随即取下量筒，同时将控制手柄按顺时针方向旋紧。此时既切断了盛液杯与输气管气源通路，又放空了杯内余气；

11、关闭气源阀门手柄(注：如继续测试可免于此程序)

12、按逆时针方向旋动减压阀手柄，直至自由位置；

13、按逆时针方赂旋动放气手柄，此时管汇及输气管内全部余气排出；

14、取下盛液杯，卸下杯盖，取出滤纸，测量泥饼厚度；

15、将各部件擦拭干净烘干，各置原位，测试结束。

表1实施例和对比例中钻井液的流变性和滤失量数据

在钻井液工艺中，常用动切力与塑性粘度的比值(简称动塑比)表示剪切稀释性的强弱。动塑比值越大，剪切稀释性越强。为了能够在高剪率下有效地破岩和在低剪率下有效地携带岩屑，要求钻井液具有较高的动塑比。而在水平井或大位移井，则需要更高的动塑比。

从表1的数据可以看出，在部分水解的聚丙烯酰胺钻井液中加入烷基为4-8个碳原子数的1-烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐后，高温滚动老化后钻井液的动塑比均得到提高，钻井液的滤失量稍有下降。在高粘度羧甲基纤维素钠盐钻井液和黄原胶钻井液中加入1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐后，老化后钻井液的动切力和动塑比均得到提高，钻井液的滤失量下降。可见，烷基为4-8个碳原子数的1-烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐具有明显改善聚合物基钻井液流变性的能力，提高了钻井液的抗温性。

而当烷基的碳原子数不在4-8的范围内时，老化后聚合物钻井液的动塑比均明显降低，有时还会出现滤失量增加的情况，说明烷基不为4-8个碳原子数的1-烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐不具有优异的改善钻井液高温流变性的性能。可见，只有当1-烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的烷基为4-8个碳原子数时，才可以提高钻井液的抗温性，明显改善体系的流变性。

此外，加入聚胺和氯化钾时，老化后聚合物钻井液的动塑比降至很低，且滤失量增加，说明上述两种物质不具有抗高温的能力。

加入氯化1-十二烷基-3-甲基咪唑和氯化1-丁基-3-甲基咪唑时，老化后聚合物钻井液的动塑比均降低为零，说明氯化1-十二烷基-3-甲基咪唑和氯化1-丁基-3-甲基咪唑不具有抗温性，不能改善钻井液的高温流变性。

本发明的钻井液及其制备方法和应用不局限于上述的内容，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种钻井液，其特征在于：由离子液体1-烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐0.04-0.06重量％、聚合物0.1-0.5重量％、膨润土1-6重量％和余量的水溶液组成，其中聚合物选自部分水解的聚丙烯酰胺、高粘度羧甲基纤维素钠盐和黄原胶中的一种或多种，烷基的碳原子数为4-8，膨润土为钠基膨润土。

2.根据权利要求1所述的钻井液，其中离子液体的含量为0.05重量％。

3.根据权利要求1-2任一项所述的钻井液，其中聚合物的含量为0.2-0.4重量％。

4.根据权利要求1-2任一项所述的钻井液，其中膨润土的含量为2-4％重量％。

5.根据权利要求1-2任一项所述的钻井液的制备方法，其特征在于：先配置膨润土的钻井液，预水化24小时；同时将聚合物配成胶液，随后加入预水化后的钻井液，然后加入离子液体。