专利名称：处理井眼的方法和钻井液的制作方法
技术领域：
本发明涉及钻井和处理井眼的方法。此外，本发明涉及钻井液。
背景技术：
在用于来自地下沉积物的烃类如石油和/或天然气的井的钻探中或者在用于地热能量的钻探中，通常的做法是使用旋转钻井法，其中借助于旋转的中空钻杆使钻头在井眼的底部旋转，所述钻杆延伸至地面(surface)。从地面驱动钻杆，并且通过钻杆泵送通常称为钻井液或钻井泥浆的循环流体，所述循环流体通过钻头中的开口排出以将所述钻头冷却，并且在钻杆和井眼壁之间的环状空间中返回至地面。也可能通过由钻井液所带动的井下马达旋转钻头。在从井中在地面处将钻井液排出之后，可以对其进行机械和/或化学处理以移除钻屑和其他不合乎需要的污染物，并且取决于所面对的特定钻井条件通常对其进行化学处理以保持该钻井液的特定化学和物理性质。通常通过泵将再生之后的钻井液再循环以迫使它向下通过钻杆，该循环在钻井过程中通常是连续的。钻井液的循环有时可能中断，比如当在钻杆杆柱的顶部增加另外的钻杆部分时，或者当将钻杆的整个长度拉出以更换或修理钻头时。钻井液能够执行在成功的钻井过程中所需要的多种不同功能，并且从而可以拥有特定的所需化学和物理性质。钻井液可以具有足够的粘度以使来自井眼的钻屑悬浮并将其移除，并且可以具有足够的凝胶强度以保持悬浮中的固体，尤其是当钻井液的循环中断时。 它还可以具有足够的密度以对井眼的侧壁施加合适的压力，以防止流体从渗透性地层进入到井眼中，并且它可以具有低滤失，以防止流体通过其在井眼侧壁上的沉积如形成非渗透性的滤饼或沉积物而过量损失至地层中。此外，可以使用浓稠的钻井液以抵消井眼由于周围的地层而承受的压力。通常使用增重剂，例如CaCl2、CaCO3> BaSO4, Fe2O3等。然而，这些惰性物质可能趋向于从钻井液中分离或沉淀，特别是当以高浓度使用时。这可能在钻井过程中导致有关安全的问题，例如，因为钻井液的流动可能停止，钻头可能塞在井眼中，或者增重剂可能在泵送到井眼中之前就已经在储存器中分离。这种分离问题尤其将在没有对钻井液施加剪切力的情况下发生，或者在将钻井液在井眼中的循环停止情况下发生。虽然可以通过添加剂例如聚合物调节钻井液的流变特征，这种添加剂趋向于具有有限的温度稳定性。因此，对于提供备选的钻井液可能存在需要。发明的目的和内容本发明的目的可以是提供处理井眼的备选方法，以及用于处理井眼的备选钻井液，所述钻井液可以在具有低增重剂量的同时具有高密度，从而可以实现分离倾向的减少。此目的可以通过根据独立权利要求的处理井眼的方法和钻井液实现。其他示例性实施方案描述在从属权利要求中。根据本发明的示例性方面，提供了一种处理井眼的方法，其中所述方法包括将钻井液引入到井眼中，其中所述钻井液包含离子液体。详细地，所述离子液体可以包括单一的离子液体，即，仅一种阴离子和一种阳离子，或者可以包括不同离子液体的混合物，例如，可以包含数种不同阴离子和/或数种不同阳离子。例如，离子液体可以不仅是痕量材料，而可以构成钻井液的成分，所述离子液体可能是主要的组分。因此钻井液可以是基于离子液体的钻井液。根据本发明的示例性方面，提供了一种基于离子液体的钻井液。术语“离子液体”可以具体地包括所有的液态有机盐，以及由有机阳离子、有机阴离子或无机阴离子组成的盐的混合物。而且，可以将另外的盐或少量添加剂溶解在离子液体中。此外，离子液体的熔点可以为小于250°C，特别是小于200°C，并且优选小于100°C。根据公认的文献(例如Wasserscheid，Peter ;Welton，iTom(Eds.)；合成中的离子液体(Ionic Liquids in Synthesis) " , Wiley-VCH 2008 ；ISBN 978-3-527-31239-9)，离子液体是低熔点盐的熔体，所述低熔点盐有等于或低于100°C的熔点。然而，由于彡100°C的熔融温度是根据定义任意选择的，因此根据本申请，也包括熔点温度> 100°C但是< 250°C的盐。术语“基于离子液体”可以具体地表示以下事实主要组分，例如作为钻井液具有最高百分数的单一组份的组分是离子液体，或者由离子液体的混合物形成。换言之，基于离子液体的钻井液与其中水和油分别构成主要组分的水基离子液体或者油基离子液体不同。 例如，在钻井液中水和/或油的量可能少于离子液体的量，即，水和/或油的量将少于20%， 优选少于10%，或者甚至少于5%。例如，钻井液可以是无水和/或无油的，即，可能仅有痕量的水和/或油存在于钻井液中。使用具有离子液体作为一种成分的钻井液，可以使得能够提高钻井液的密度，因为离子液体可以具有比水和油更高的密度，水和油是已知的用于钻井液的基体材料。因此， 使用基于离子液体的钻井液或者至少具有离子液体作为成分的钻井液可以使得能够设计为了获得合适的密度不需要增重剂的钻井液。因而，还可以省略其他添加剂，如聚合物添加剂，所述聚合物添加剂用于基于水和油的钻井液中以增加在钻井液中可以使用的增重剂的量。此外，添加剂的省略还可以提高温度稳定性，因为这些添加剂趋向于降低温度稳定性。 具有离子液体作为成分的钻井液的另一个可能的益处可能是，可以降低气体在钻井液中的溶解性。具体地，油基钻井液趋向于当泵送回地面时放出所溶解的气体，这可能导致的事实是，钻井液柱可能变轻，从而导致井眼壁的不稳定性，或者可能导致水渗透到井眼中。此外， 在钻井液中省略水的可能可以减少粘土溶胀的风险。为了清楚起见，应当注意的是术语“添加剂”可以具体地表示以少量，例如低于2. 5%或者甚至低于添加到主要组分中的物质。接下来，描述处理井眼的方法的示例性实施方案的其他方面。然而，这些实施方案也适用于钻井液。根据该方法的示例性实施方案，钻井液包含至少20质量％的离子液体。特别地， 钻井液可以包含至少50质量％的离子液体。特别地，钻井液可以包含至少80质量％的离子液体。备选地，钻井液可以包含至少15质量％或至少16质量％的离子液体。在钻井液中这些量或分数的离子液体对于提供有益效果可能是足够的。换言之，离子液体可以不仅构成以痕量或非常少的量添加的添加剂，而至少可以构成离子液体的主要成分。特别地，钻井液可以既不是基于水的钻井液也不是基于油的钻井液，而是基于离子液体的钻井液。根据该方法的示例性实施方案，钻井液包含至少95质量％的离子液体。特别地，钻井液可以由纯离子液体或基本上纯离子液体形成，即，其他组分可以仅以痕量存在，例如，各自以小于1质量％的量存在。例如，可以没有另外的增重剂存在。换言之，钻井液可以基本上仅含有离子(阴离子和阳离子)。根据该方法的示例性实施方案，离子液体具有大于1. 5的密度。特别地，离子液体可以具有大于2. 0并且优选大于2. 5的密度。此外，全部钻井液的密度可以大于1. 5，特别地大于2. 0，更特别地大于2. 5并且优选地等于或大于2. 7。例如，当设计阴离子或者甚至阳离子时，可以通过使用重元素例如具有比氧高的原子数的元素，如铁调节离子液体的密度。适合用于阴离子的元素通常可以为F、Cl、Br、I、S、P和Si。这些元素可以连接至例如烷基侧链或芳基的C，或者可以与金属，例如Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、W、Sn、Al 和/或1 形成配合物。此外，0和/或N可以连接至这些元素，例如在S、P、Mo、W、Sn或Al 的情况下。备选地或附加地，可以将有机或无机盐溶解或分散在离子液体中，其中所述有机或无机盐可以具有高熔点，即高于250°或至少高于它们所溶解或分散在其中的离子液体的熔点。而且，钻井液或离子液体本身可以包含可能不溶于离子液体中的微米和/或纳米粒子，所述粒子可以具有高密度，例如高于2. 5和/或所述粒子可以具有化学改性的表面， 以使得它们在离子液体中稳定，例如，通过使用有机基团化学或物理改性所述表面。这些粒子可以包括以下材料中的至少一种BaS04、Fe2O3> CaCO3，金属氧化物或半金属氧化物例如 SiO2, Ti02、A1203、Fe2O3> Fe3O4, ZnO、沸石，硅，金属例如 Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、 W、Sn、In、Sb、Al、Pb，金属硫化物、金属碳化物、金属氮化物，以及硅化合物例如中孔材料如 MCM-41 或 SBA-I5。可能的阴离子可以为例如卤素金属酸根，如四氯高铁酸根、四溴高铁酸根或四氟高铁酸根；特别地，使用具有这种高密度的离子液体和/或钻井液可以使得能够增加井眼的最大深度，因为由这种钻井液所施加的压力可以高于由已知钻井液所施加的压力。最大深度的增加可以是有益的，例如，通过增加可得到的石油或天然气资源。根据示例性实施方案，该方法还包括将钻井液移出井眼，重新调节所移出的钻井液，并且将重新调节的钻井液引入井眼。换言之，可以将钻井液通过以下方式再循环将钻井液与污染物例如钻屑一起移出井眼，从钻井液中移除所述污染物，例如，过滤或清洗被污染的钻井液，并且将清洗过的钻井液再次引入或重新注入。根据该方法的示例性实施方案，该钻井液具有高于预定阈值的温度稳定性。特别地，该预定阈值可以为150°C，更特别地，预定阈值可以为250°C并且优选300°C。甚至更高的温度稳定性值，如高于350°C是可能的。例如，该温度稳定性可以通过配合或设计离子液体的温度稳定性来调节。例如，离子液体的温度稳定性可以通过选择具有较高或较低的亲核值或碱性的阴离子，例如，三氟甲磺酸阴离子来调节，所述较高或较低的亲核值或碱性分别与较低或较高的温度稳定性有关。根据该方法的示例性实施方案，该钻井液具有低于预定阈值的水吸收能力。特别地，预定阈值可以对应于，或者可以等于5质量％以下、优选1质量％以下的水吸收能力或水摄取能力。这可以通过加入非极性、水不混溶性分子助溶剂如饱和、不饱和或芳族烃类、醚类、酯类、酮类、醛类、腈类等来实现。这也可以通过选择带有连接至阴离子、
5阳离子或两者的长的、C4至C20烷基_、烯基或环烷基侧链的离子液体实现。这些侧链也可以被氟化或氯化。这也可以单独地或另外地通过选择以下疏水性阴离子来实现如六氟磷酸根、四氟硼酸跟、三(全氟烷基)三氟磷酸根(〃 FAP"=氟烷基磷酸根)、双(三氟甲磺酰)亚胺(〃 BTA〃或〃 TFSI")，或者一些卤代金属酸根，例如四氯高铁酸根、四溴高铁酸根。根据示例性实施方案，离子液体满足式([A]+)a[B]a_，其中[A]+是由以下各项组成的组中的一个季铵阳离子[R1' R1R2R3N]+、锬[R1' R1R2R3PJMl! [R1' R1R2S]+和杂芳族阳离子。详细地，R1、! 1'、R2、R3可以是可以独立被取代的烷基、烯基、炔基、环烷基、环烯基、芳基或杂芳基，或者部分R1、R1'、R2> R3中的两个可以和它们所连接至的杂原子一起形成环。 该环可以是饱和的、不饱和的、取代的或未取代的。该链中可以具有0、S中的一个或多个杂原子，NH或N-C1-C4-烷基，并且[B]a_可以为任意选择的具有负电荷a的阴离子。综上所述，根据本发明示例性方面，提供了基于离子液体或离子液体混合物的钻井液。这种基于离子液体的钻井液可以根据具体的钻井需要而设计。例如，可以使用密度高于2. 5的浓稠离子液体，从而产生不需要另外的增重剂的效果，或者可以使用具有高温度稳定性的基于离子液体的钻井液。详细地，可以仅通过选择适当的用于离子液体的阴离子和/或阳离子而为特定需要调节离子液体并且从而调节钻井液的数个特性。由于离子液体宽的设计可能性，可以提供不与井眼周围的岩石或石头反应或者不与其中所含结晶水反应的离子液体。还可以确保没有可能形成离子液体和油的乳状液，所述乳状液可能随后难以分离。另外，可以选择离子液体，使其具有高热容量、高热导率、高耐水解性，和/或高于 120°C，特别地高于250°C或者甚至高于300°C的永久温度稳定性。此外，这样的离子液体可以具有低气体溶解度，特别是对于甲烷的溶解度，例如在300巴或3*105hl^a和100°C下小于 10标准m7m3离子液体，特别地在300巴或3*105Μ^和100°C下小于1标准m7m3离子液体， 并且优选在300巴或3*105Μ^和100°C下小于0. 1标准m7m3离子液体。上述方面以及本发明的其他方面从以下将描述的实施方案的实例是显而易见的， 并且将根据这些实施方案的实例对其进行说明。应当注意的是，关于一个示例性实施方案或示例性方面所描述的特征，可以与其他示例性实施方案和其他示例性方面结合在一起。附图简述以下将参考实施方案的实例更详细地描述本发明，但是本发明不限于此。
图1示意性地图解了钻机。实施方案的说明附图中的图解是示意性的。图1示意性地显示了钻机当其钻探石油或天然气时可能的形式。图1中主要显示了作为一部分流体循环的部分，并且将更详细地对其进行说明。泥浆罐或钻井液罐101被显示为简单的开放式池，然而它也可以由密闭的罐构成。钻井液罐提供用于钻井液的预备储存。由泵104将钻井液，例如基于离子液体的钻井液从钻井液罐101通过吸入管线103 泵送。在通过吸入管线103和泵104后，将钻井液通过竖管(stand pipe) 105泵送，所述竖管105是由厚金属管形成的。将第一鹅颈管107连接至竖管108，所述第一鹅颈管107由厚金属弯管构成并且对方钻杆水龙带106提供支撑，所述方钻杆水龙带106是柔韧的高压水龙带，它使得与第二鹅颈管107协同的钻杆能够垂直移动。在通过第二鹅颈管之后，钻井液被泵送到井眼末端的钻头110。在井眼的末端，钻井液冷却钻头并且进一步将钻头移除的碎石冲去。在将钻头冷却并且移除碎石之后，钻井液由于由新钻井液的施加的压力流回到地面。通常所说的喇叭口短节109形成用于钻井液的出口，并且使得钻井液经由流线111流回到钻井液罐中。在流进该罐中之前，可以通过泥浆振动筛102移除钻井液中较大的碎石。 此外，可以将用过的钻井液重新调节或纯化，以使得可以第二次使用它。可以根据特定需要设计作为钻井液的一部分或者甚至构成钻井液的主要组分的离子液体。通常，离子液体可以满足通式([A]+)a[B]a_，其中[A]+是以下各项组成的组中的一个季铵阳离子[R1' R1R2R3N]+,锬[R1' R1R2R3P]+,锍[R1' R1R2S]+和杂芳族阳离子。详细地R1、! 1'、R2、R3可以是可以独立被取代的烷基、烯基、炔基、环烷基、环烯基、芳基或杂芳基，或者部分R1、! 1'、R2、R3中的两个可以和它们连接至的杂原子一起形成环。该环可以是饱和的、不饱和的、取代的或未取代的。该链中可以具有0、S中的一个或多个杂原子，NH 或N-C1-C4-烷基，并且[B]a_可以为任意选择的具有负电荷a的阴离子。杂芳族(Heteroaromate)可以是包含至少一个N的，并且如果必要包含一个0和/ 或一个S的5或6元环。杂芳族可以是取代的或未取代的和/或稠环的。优选地，杂芳族选自由下列各项组成的组
权利要求
1.一种处理井眼的方法，所述方法包括将钻井液引入到井眼中，其中所述钻井液包含离子液体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述钻井液包含至少20质量％的离子液体。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述钻井液包含至少95质量％的离子液体。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法， 其中所述离子液体具有大于1. 5的密度。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，所述方法还包括 将所述钻井液移出所述井眼，重新调节所移出的钻井液， 并且将被重新调节的钻井液弓I入所述井眼中。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法， 其中所述钻井液具有高于预定阈值的温度稳定性。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法， 其中所述钻井液具有低于预定阈值的水吸收能力。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中所述离子液体满足通式([A]+)a[B]a_，其中[A]+是以下各项中的一个季铵阳离子 [R1' R1R2R3N]+、锬[R1' R1R2R3PJMl! [R1' R1R2S]+和杂芳族阳离子。
9.一种钻井液，所述钻井液基于离子液体。
全文摘要
本发明提供了一种处理井眼的方法，其中，所述方法包括将钻井液引入到井眼中，其中所述钻井液包含离子液体。详细地，离子液体可以包括单一的离子液体，即，仅一种阴离子和一种阳离子，或者可以包括不同离子液体的混合物，例如，可以包含数种不同阴离子和/或数种不同阳离子。
文档编号C09K8/035GK102428156SQ201080021535
公开日2012年4月25日 申请日期2010年3月17日 优先权日2009年3月18日
发明者罗兰·卡尔布, 赫伯特·霍夫施泰特尔 申请人:莱奥本矿业大学