羅志華，王龍祥，夏柏如

（1中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京100083；2國土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

咪唑類離子液體對(duì)水基鉆井液抑制性的影響及機(jī)理

羅志華1，2，王龍祥1，夏柏如1，2

（1中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京100083；2國土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

油氣鉆井過程中泥頁巖不穩(wěn)定主要是由于泥頁巖的水化作用造成。本文采用頁巖滾動(dòng)回收率法、毛細(xì)管吸入時(shí)間法和粒度分析法3種方法，與傳統(tǒng)抑制劑KCl和新型抑制劑聚胺作對(duì)比，評(píng)價(jià)了離子液體RIL作為抑制劑對(duì)水基鉆井液抑制性能的影響。結(jié)果表明高溫作用下低濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%）的離子液體RIL有著優(yōu)異的抑制黏土膨脹和分散的能力，其抑制效果優(yōu)于5%KCl，與2%聚胺相當(dāng)；同時(shí)低濃度的離子液體RIL可以改善水基鉆井液的高溫流變性而不會(huì)使鉆井液的濾失性變差。通過接觸角和熱穩(wěn)定性測試分析了其抑制機(jī)理。離子液體RIL改性后的Na蒙脫土潤濕性從親水性向疏水性轉(zhuǎn)變，可以阻止水分子進(jìn)入Na蒙脫土的層間結(jié)構(gòu)從而抑制Na蒙脫土的膨脹和分散。低濃度的離子液體RIL改性后的鈉蒙脫土具有更好的熱穩(wěn)定性，可以提高高溫作用下水基鉆井液的抑制性。

離子液體；水基鉆井液；抑制性；高溫

清潔能源頁巖氣的勘探開發(fā)目前已成為保障我國替代油氣資源的重要戰(zhàn)略任務(wù)[1]。頁巖氣勘探開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一是水平井鉆井。水平井段泥頁巖的穩(wěn)定性和常規(guī)油氣井泥頁巖井壁不穩(wěn)定一直是鉆井工程中世界范圍內(nèi)最為常見也最難解決的問題[2-4]。鉆井液技術(shù)是確?？焖侔踩@井的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前常用的鉆井液體系有水基鉆井液和油基鉆井液。頁巖氣水平井段鉆井液主要采用油基鉆井液。油基鉆井液是有機(jī)土分散在以油為連續(xù)相的多相分散體系，因此油基鉆井液具有頁巖抑制性好、井壁穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性好、潤滑性優(yōu)異等特點(diǎn)。但是油基鉆井液的高成本、高循環(huán)漏失和環(huán)保要求限制了油基鉆井液的使用。泥頁巖井段的順利鉆進(jìn)還是傾向采用高性能的抑制性水基鉆井液體系[5-6]。水基鉆井液是由親水性的膨潤土分散在以水為連續(xù)相的多相分散體系，通過加入各種處理劑調(diào)節(jié)其使用性能。鉆探過程中，地層中水敏性的泥頁巖會(huì)立即吸收水基鉆井液中的自由水而膨脹，導(dǎo)致井壁不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成井壁坍塌。傳統(tǒng)的方法是在水基鉆井液中加入抑制劑提高水基鉆井液的抑制性（抑制黏土膨脹）。傳統(tǒng)的抑制劑KCl能有效抑制黏土膨脹，但使用濃度高（質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%～7%），對(duì)環(huán)境帶來不利影響；同時(shí)鉆井液體系的流變性變差和濾失量增大。20世紀(jì)60至70年代開發(fā)了KCl/聚合物成為廣泛使用的抑制體系，但是兩者必須復(fù)配使用，且KCl使用濃度仍然很高抑制效果有限[7-8]。進(jìn)入90年代開發(fā)了大量的有機(jī)胺類化合物及其衍生物作為頁巖抑制劑，比如烷基季胺鹽，與其他處理劑配伍性不好[9-11]。聚胺是近十年來開發(fā)的新型抑制劑，抑制效果好，但是使用量一般也要達(dá)到2%左右，成本較高[12]。

離子液體（ionic liquid）是在室溫或室溫附近由陽離子、陰離子構(gòu)成的呈液態(tài)的有機(jī)鹽。離子液體具有很多優(yōu)異的性能，如很高的熱穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，不同陰陽離子組合而成的離子液體對(duì)無機(jī)鹽、水、有機(jī)物都具有良好的溶解性；無揮發(fā)性等。由于具有這些特殊的性質(zhì)，離子液體在有機(jī)合成、分離技術(shù)、電化學(xué)、航天潤滑劑、儲(chǔ)熱材料等很多方面都展示了傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢，部分已開始成功應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[13-15]。目前國內(nèi)外關(guān)于離子液體對(duì)鉆井液性能的影響研究很少。BERRY等[16]報(bào)道了季銨甲基硫酸離子液體作為頁巖抑制劑。與常用的頁巖抑制劑KCl相比，抑制性要好得多；同時(shí)滲透率恢復(fù)值可達(dá)129%，不會(huì)對(duì)油氣層造成損害。作者發(fā)現(xiàn)低濃度的咪唑類離子液體不僅可以顯著提高水基鉆井液的流變性，還可以改善水基鉆井液的濾失性[17]。目前還沒有咪唑類離子液體對(duì)水基鉆井液抑制性影響的報(bào)道。本文繼續(xù)以該咪唑類離子液體為抑制劑，與傳統(tǒng)抑制劑氯化鉀和新型抑制劑聚胺做對(duì)比，用頁巖滾動(dòng)回收率法、粒度分析法和毛細(xì)管吸入時(shí)間（CST）法3種方法評(píng)價(jià)了其抑制效果，并對(duì)其作用機(jī)理做了研究與分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料與儀器

離子液體RIL，實(shí)驗(yàn)室自制；聚胺（PEDA），麥克巴泥漿中國南海公司；鈉膨潤土，浙江豐虹新材料股份有限公司；鈉蒙脫土，美國NANOCOR蒙脫石，陽離子交換量（CEC）為120meq/100g，pH為9～10，平均粒徑為16～22μm。部分水解聚丙烯酰胺（PHPA），上海昊化化工有限公司；氯化鉀KCl和其他試劑，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

主要儀器：XGRL-4A型高溫滾子加熱爐，青島海通達(dá)專用儀器廠；SD6多聯(lián)中壓濾失儀，青島海通達(dá)專用儀器廠；ZNN-D6六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島海通達(dá)專用儀器廠；ZH9644多功能毛細(xì)管吮入時(shí)間儀（CST儀），湖北漢科股份有限公司；BI-90Plus 納米/亞微米動(dòng)態(tài)光散射電位-粒度儀，美國布魯克海文激光粒度分析儀；Q600 SDT熱重分析儀，美國TA儀器公司；JC 200D接觸角測試儀，上海中晨儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）鉆井液的配制及其性能測試 蒸餾水、鈉膨潤土和碳酸鈉以一定的比例（質(zhì)量比1000∶40∶2）按照美國石油協(xié)會(huì)（API RP 13I，2004）標(biāo)準(zhǔn)配制[18]，室溫靜置24h后得到淡水基漿。在淡水基漿中加入2g PHPA水化24h得到聚合物基漿。將加入抑制劑的鉆井液轉(zhuǎn)入不銹鋼老化罐中，密封后置于高溫滾子爐中，在160℃下熱滾老化16h，然后冷卻至室溫，測其流變性和濾失量。濾失量的測試按照美國石油協(xié)會(huì)（API RP 13B-1，2009）標(biāo)準(zhǔn)[19]，控制壓力源為0.69MPa。流變性的測試按照（API RP 13I，2004）標(biāo)準(zhǔn)測試和計(jì)算。表觀黏度（AV）、塑性黏度（PV）和動(dòng)切力（YP）分別按照式(1)～式(3)計(jì)算。

式中，φ600和φ600分別為轉(zhuǎn)速600r/min及300r/min時(shí)鉆井液的黏度，mPa?s 。

（2）抑制性的測試 抑制性的測試采用3種方法，分別敘述如下。

①頁巖滾動(dòng)回收率法 實(shí)驗(yàn)采用干燥的頁巖樣品，頁巖樣品取自渤海油田渤南區(qū)塊泥頁巖地層。將其磨碎，使樣品過（4～10目）篩，往老化罐中加入350mL試驗(yàn)液體和50g（4～10目）巖樣，升溫至160℃，然后把加溫罐放入滾子加熱爐中滾動(dòng)16h。冷卻后，倒出試驗(yàn)液體與巖樣，過30目篩，干燥并稱量篩上巖樣，計(jì)算質(zhì)量回收率，每個(gè)樣品測3次，取平均值。滾動(dòng)回收率計(jì)算方法如式(4)。

式中，R是滾動(dòng)回收率，m為頁巖回收質(zhì)量，g。

②CST法 在攪拌杯中加入1～2g巖樣和不同抑制劑的20mL試液，剪切速率539s–1下攪拌15min后，用注射器取一定體積懸浮液注入CST儀的樣品容器中，測量CST值。每個(gè)樣品測3次，取平均值。

③粒度分析法 配置4%的鈉蒙脫土/水懸浮體，加入一定量的抑制劑，靜置24h，用激光粒度儀測定體系的粒度分布。每個(gè)樣品測3次，取平均值。

（3）機(jī)理分析 處理劑通過與鈉膨潤土的吸附改變鉆井液的性能。準(zhǔn)確稱取8g的鈉蒙脫土，加入400mL的不同濃度的離子液體水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%～0.5%）攪拌30min后，恒溫水浴振蕩吸附24h。吸附后的分散體系用高速離心機(jī)離心，然后用0.45μm的針孔濾膜過濾，得到的沉淀物在105℃烘干用于分析測試。熱失重測試采用SDT Q600熱重分析儀，空氣中以升溫速率10℃/min從室溫升至600℃。接觸角的測試采用壓片法用JC 200D接觸角測試儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 RIL對(duì)水基鉆井液抑制性能的影響

評(píng)價(jià)鉆井液抑制性的主要方法有：頁巖滾動(dòng)回收率法、陽離子交換容量法（CEC）、CST法、硬度測試法、膨潤土抑制實(shí)驗(yàn)、粒度分析法等。每種方法都有其適用性和局限性，因此，評(píng)價(jià)鉆井液的抑制性通常幾種方法結(jié)合起來綜合評(píng)價(jià)和分析。本實(shí)驗(yàn)采用頁巖滾動(dòng)回收率法、粒度分析法和CST法3種方法，以傳統(tǒng)抑制劑氯化鉀和新型抑制劑聚胺做對(duì)比，評(píng)價(jià)了其抑制效果。

2.1.1 頁巖滾動(dòng)回收率法

這種方法模擬鉆井液鉆遇大段泥頁巖時(shí)鉆屑被帶出懸浮和除去的過程。這種方法成本低、重復(fù)性較好，因此目前是實(shí)驗(yàn)室使用最廣泛和美國石油協(xié)會(huì)（American Petroleum Institute，API）使用的方法。這種方法可以評(píng)價(jià)高溫下添加劑的抑制性[17，19]。鈉膨潤土是水基鉆井液的主要造漿材料。井越深，溫度越高，高溫作用下鈉膨潤土和地層黏土顆粒更加分散，造成鉆井液體系中的固相顆粒粒徑變得更小和亞微米粒子數(shù)增加，體系的比表面積增加，直接導(dǎo)致高溫作用下體系的表面能增加，熱力學(xué)更加不穩(wěn)定，水基鉆井液流變性能不穩(wěn)定。改善高溫作用下水基鉆井液體系的抑制性是近期水基鉆井液的要害問題[20]。圖1是加入不同添加劑的淡水基漿和聚合物基漿頁巖滾動(dòng)回收率結(jié)果。頁巖滾動(dòng)回收率越高，添加劑的抑制效果越好，即抑制性越好。從圖1可以看出，160℃滾動(dòng)后沒有加入抑制劑的淡水基漿和聚合物基漿的滾動(dòng)回收率分別為20.5%和25%，聚合物基漿的滾動(dòng)回收率僅稍高點(diǎn)，說明PHPA聚合物提高鉆井液的抑制性作用有限。在加入不同的添加劑后，淡水基漿和聚合物基漿的頁巖滾動(dòng)回收率都得到了很大的提高。該離子液體RIL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.05%時(shí)，淡水基漿的滾動(dòng)回收率為39.9%，高溫下其抑制黏土分散和膨脹效果好于5%KCl，其抑制作用與2%聚胺相當(dāng)。從圖1還可以看出，相比淡水基漿，離子液體可以大大提高聚合物基漿的滾動(dòng)回收率。說明聚合物PHPA與該離子液體協(xié)同起來水基鉆井液的抑制性更好。這些結(jié)果說明離子液體RIL在高溫下有著優(yōu)異的抑制黏土膨脹和分散的能力，聚合物PHPA和離子液體協(xié)同作用效果要好于單獨(dú)使用離子液體RIL。

此外，從圖1中也可以看出，0.05%RIL的淡水基漿和聚合物基漿的滾動(dòng)回收率分別和相對(duì)應(yīng)的2%聚胺的鉆井液基漿滾動(dòng)回收率接近，和5%KCl相對(duì)應(yīng)的鉆井液基漿的滾動(dòng)回收率差別也不大。這可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用巖樣取自現(xiàn)場某區(qū)塊某井段泥頁巖巖樣，而該巖樣泥頁巖黏土含量可能不高。因?yàn)槟囗搸r是由不同的礦物組成，其中只有黏土是分散性強(qiáng)的礦物，因此0.05%RIL和2%聚胺滾動(dòng)回收率的結(jié)果相近，而5%KCl抑制頁巖分散的能力要比0.05%RIL和2%聚胺低，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別不大。如果采用黏土含量高的泥頁巖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差別應(yīng)該會(huì)更明顯。聚胺是一種在現(xiàn)場使用的新型頁巖抑制劑，采用聚胺作對(duì)比，0.05%ILB和2%聚胺的滾動(dòng)回收率結(jié)果相近，就說明0.05%ILB和2%聚胺抑制黏土膨脹和分散的能力相當(dāng)。

圖1 不同基漿的頁巖滾動(dòng)回收率

2.1.2 毛細(xì)管吸入時(shí)間法

毛細(xì)管吸入時(shí)間法（capillary suction time，CST）模擬水基鉆井液的自由水在濾餅的毛細(xì)管壓力下向井壁滲透的過程。通過測試過濾的時(shí)間來判斷抑制劑抑制黏土膨脹和分散的能力。這種方法快速簡單在石油現(xiàn)場廣泛使用，但是重復(fù)性較差且不能測試高溫下抑制性[17，21]。圖2是不同處理劑的CST值。從圖中可以看出沒有添加處理劑的蒸餾水CST值為216s，說明泥頁巖在蒸餾水中高度分散；而0.05%RIL溶液CST值為73.1s，比5%KCl（132.3s）小得多，與2%聚胺相當(dāng)。結(jié)果表明0.05%RIL有著很好的抑制黏土分散和膨脹的能力，抑制效果要優(yōu)于5%KCl。雖然用CST法測試的2%聚胺抑制效果要略優(yōu)于0.05%RIL，這一點(diǎn)與用頁巖滾動(dòng)回收率法的結(jié)果不同，但是2%聚胺和0.05%RIL都有很好的抑制黏土分散和膨脹能力。

圖2 不同處理劑的CST值

2.1.3 粒度分析法

圖3 不同處理劑對(duì)粒度大小的影響

表1 不同樣品的粒度及zeta電位測試結(jié)果

黏土顆粒更加分散會(huì)造成黏土顆粒粒徑變得更小，因此添加了抑制劑的黏土顆粒粒徑增大[7]。因此用激光粒度儀測定不同添加劑的懸浮液黏土顆粒粒徑大小，可以評(píng)價(jià)不同添加劑的抑制性。從圖3可以看出，隨著處理劑的加入，鈉蒙脫土的粒徑向增大的方向移動(dòng)。其中加入2%聚胺和0.05%RIL后懸浮液中鈉蒙脫土平均粒徑值較為接近，且大于加入5%KCl的鈉蒙脫土平均粒徑。這一點(diǎn)從表1數(shù)據(jù)可知，加入處理劑后鈉蒙脫土顆粒的中值粒徑和平均粒徑變大。結(jié)果表明0.05%該離子液體RIL、2%聚胺和5%KCl都可以有效抑制鈉蒙脫土的水化分散和膨脹。0.05%RIL抑制黏土膨脹和分散的能力和2%聚胺相當(dāng)，優(yōu)于5%KCl。同時(shí)，加入幾種處理劑后zeta電位全都有所提高，也說明加入處理劑后鈉蒙脫土的水化分散減弱。有研究表明，蒙脫土的負(fù)電荷減少20%，處理劑能很好地抑制蒙脫土的膨脹。這一結(jié)果也可定性分析添加劑的抑制能力[22]。此外，黏土顆粒在水中通常帶有負(fù)電荷，RIL中的陽離子靠靜電作用可吸附在黏土表面，RIL的疏水基團(tuán)在鈉蒙脫土表面形成疏水層，阻止水分子進(jìn)入鈉蒙脫土內(nèi)部。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道聚胺也是通過吸附在鈉蒙脫土表面形成疏水層阻止水分子進(jìn)入鈉蒙脫土內(nèi)部而抑制鈉蒙脫土的水化膨脹和分散[23]。

2.2 離子液體RIL對(duì)水基鉆井液流變性和濾失量的影響

流變性就是鉆井液在外力作用下發(fā)生流動(dòng)和變形的特性，是鉆井液的一項(xiàng)基本性能，是保證鉆井液懸浮和攜帶鉆屑，清潔井底和井眼，保證安全快速鉆進(jìn)的關(guān)鍵性能。濾失性是在鉆井液液柱形成的壓力與地層之間的壓力差作用下，水基鉆井液中的自由水向井壁巖石的裂隙貨孔隙中滲透性[7]。通常用濾失量來表征鉆井液濾失性的強(qiáng)弱，濾失量過大會(huì)引起泥餅卡鉆、鉆頭泥包、嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹁谔?。流變性和濾失性是鉆井液的兩項(xiàng)基礎(chǔ)性能。因此考察添加劑對(duì)鉆井液流變性和濾失性的影響也是必不可少的。 表2為3種不同的添加劑對(duì)聚合物基漿鉆井液流變性和濾失量的影響結(jié)果。

從表2可以看出，未加入任何添加劑的聚合物基漿160℃滾動(dòng)后動(dòng)塑比YP/PV變?yōu)?。 動(dòng)切力很低的鉆井液不能懸浮和攜帶鉆屑，鉆井液需具有較高的動(dòng)切力（YP）和較低的塑性黏度更有利于鉆井液攜帶巖屑，清洗井眼[23]。這說明未加入任何添加劑的聚合物基漿高溫滾動(dòng)后不能有效地清洗井眼?，F(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明動(dòng)塑比在0.36～0.48是合適的。動(dòng)塑比太低不能有效地清洗井眼；動(dòng)塑比高于這個(gè)范圍，雖然鉆井液可以很好地?cái)y帶鉆屑清洗井眼，但是鉆井液在井眼環(huán)空中循環(huán)壓耗大，鉆頭獲得的水功率小從而降低鉆進(jìn)速度[7，24]。相比2%聚胺的聚合物基漿YP/PV高溫滾動(dòng)后為0.09，含0.05%RIL聚合物基漿160℃滾動(dòng)后YP/PV可以提高至到0.41，說明含0.05%RIL的聚合物基漿仍有較好的流變性能，可以完成攜巖清洗井眼的功能。而含5%KCl聚合物基漿塑性黏度過大，流變性變差。此外，含0.05%RIL后聚合物基漿160℃滾動(dòng)后API濾失量稍有降低，也就是說稍有改善；而2%聚胺不能降低聚合物基漿高溫滾動(dòng)后的API濾失量，5%KCl的聚合物基漿高溫滾動(dòng)后API濾失量大大增加。這說明KCl雖然可以提高聚合物基漿的抑制性，但是會(huì)使聚合物基漿的流變性和濾失性同時(shí)變差，這一點(diǎn)已在文獻(xiàn)中報(bào)道[7-8]。以上結(jié)果表明，5%KCl和2%聚胺作為抑制劑，但是5%KCl和2%聚胺都會(huì)使聚合物基PHPA的流變性和濾失量變差；0.05%RIL不僅可以提高水基鉆井液的高溫抑制性，同時(shí)改善水基鉆井液的高溫流變性而不影響鉆井液的濾失性。

表2 加入不同處理劑聚合物基漿流變性及濾失量的測定

2.3 機(jī)理研究分析

小陽離子的抑制劑除了靜電吸附像前面提到了可以吸附在鈉蒙脫土表面，也可以與鈉蒙脫土發(fā)生陽離子交換進(jìn)入層間[7]。離子液體由陽離子與陰離子組成，其陽離子部分可以與鈉蒙脫土發(fā)生陽離子層間交換，這一點(diǎn)已在文獻(xiàn)里報(bào)道[25-26]。作者在前面的研究中通過XRD和FTIR等測試手段也表明該離子液體通過陽離子交換吸附進(jìn)入了鈉蒙脫土的層間[17]。本文繼續(xù)通過接觸角測試和熱穩(wěn)定性分析其高溫抑制機(jī)理。

2.3.1 接觸角測試分析

圖4 RIL、Na蒙脫土原樣、Na蒙脫土與不同濃度的RIL吸附后的接觸角測試結(jié)果

材料的表面極性是通過接觸角來表征。接觸角大說明材料的表面疏水性，接觸角小說明材料的表面親水性。圖4是RIL、Na蒙脫土原樣、Na蒙脫土與不同濃度的RIL吸附后的接觸角測試結(jié)果。從圖中可以看出RIL的接觸角為0，表明RIL有著很好的潤濕性，因?yàn)槠浔旧硎撬苄缘碾x子液體。原樣Na蒙脫土的接觸角為20°，這一數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中報(bào)道的20°相同[27]。原樣Na蒙脫土的接觸角低，這是因?yàn)樵瓨覰a蒙脫土表面潤濕性為親水性。當(dāng)RIL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.01%時(shí)，改性后的Na蒙脫土接觸角就從20°增加到42°。隨著RIL濃度的增加，改性的Na蒙脫土接觸角也逐漸增加。當(dāng)RIL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí)，改性的Na蒙脫土接觸角為60°；這說明改性后的Na蒙脫土由親水性轉(zhuǎn)向疏水性。此后隨著濃度的增加，改性的Na蒙脫土接觸角變化不大。直到當(dāng)RIL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，改性的Na蒙脫土接觸角才又增加到80°。改性Na蒙脫土潤濕性的改變可能是由于離子液體的咪唑類陽離子結(jié)構(gòu)與Na蒙脫土發(fā)生陽離子層間交換吸附后，其疏水結(jié)構(gòu)增加了改性Na蒙脫土的疏水性。親水性的Na蒙脫土為兩層硅氧四面體夾一層鋁氧八面體的層狀結(jié)構(gòu)，水容易進(jìn)入層間導(dǎo)致Na蒙脫土膨脹。改性后的Na蒙脫土疏水性增加，疏水性的Na蒙脫土更容易分散在有機(jī)相中而不是水中。文獻(xiàn)[23]報(bào)道了聚胺作為抑制劑，Na蒙脫土的潤濕性從親水性向疏水性轉(zhuǎn)變改性后的Na蒙脫土潤濕性從親水性向疏水性轉(zhuǎn)變，阻止了水分子進(jìn)入Na蒙脫土的層間結(jié)構(gòu)從而抑制了Na蒙脫土的膨脹和分散。

2.3.2 熱穩(wěn)定性（TG）分析

圖5 RIL、Na蒙脫土原樣、Na蒙脫土與不同濃度的RIL吸附后的熱失重結(jié)果

圖5是RIL、Na蒙脫土原樣、Na蒙脫土與不同濃度的RIL吸附后的熱失重結(jié)果。從圖中可以看出，鈉蒙脫土原樣在100℃失重約為5%，此時(shí)失去的主要是層間吸附的自由水，隨后重量變化很小。離子液體RIL在330℃左右開始熱分解。吸附了不同濃度離子液體RIL的鈉蒙脫土在100℃的失重量少于鈉蒙脫土原樣在100℃的失重量，這主要是因?yàn)镽IL的陽離子在濃度勢度差下進(jìn)入層間。從圖中可以看出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的RIL改性后鈉蒙脫土的熱失重分解溫度都有了一定的提高。當(dāng)RIL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.2%和0.5%時(shí)，鈉蒙脫土的熱失重分解溫度分別為300℃、350℃和400℃。當(dāng)RIL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、0.02%時(shí)，鈉蒙脫土在550℃都沒有熱失重分解。這說明吸附了離子液體的鈉蒙脫土的熱穩(wěn)定性取決于吸附離子液體的濃度。低濃度離子液體改性后的鈉蒙脫土比高濃度離子液體改性后鈉蒙脫土具有更好的熱穩(wěn)定性。這一結(jié)論在一些文獻(xiàn)里已有報(bào)道[25-26]。而當(dāng)RIL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，鈉蒙脫土的熱失重分解溫度為500℃左右，這一溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用季胺陽離子改性后鈉蒙脫土的熱分解溫度（180℃）[28]。這可能是因?yàn)殡x子液體RIL的陽離子為咪唑類共軛結(jié)構(gòu)，其本身熱穩(wěn)定性要高于陽離子結(jié)構(gòu)為鏈狀的季胺熱穩(wěn)定性，因此低濃度離子液體TIL可以提高高溫作用下水基鉆井液的抑制性。

3 結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論。

（1）離子液體RIL在濃度較低（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%）時(shí)就有著很好的抑制黏土分散和膨脹的能力，其抑制效果優(yōu)于5%KCl，與2%聚胺相當(dāng)。

（2）0.05%RIL在高溫下不僅有著很好的抑制性，同時(shí)可以改善水基鉆井液的高溫流變性而不影響鉆井液的濾失性。

（3）接觸角的測試表明離子液體RIL改性后的Na蒙脫土潤濕性從親水性向疏水性轉(zhuǎn)變，可以阻止水分子進(jìn)入Na蒙脫土的層間結(jié)構(gòu)從而抑制Na蒙脫土的膨脹和分散。

（4）低濃度的離子液體RIL改性后的鈉蒙脫土比高濃度離子液體RIL改性后的鈉蒙脫土獲得更好的熱穩(wěn)定性，從而離子液體TIL可以提高高溫作用下水基鉆井液的抑制性。

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Effect of an ionic liquid with an imidazole cation on shale inhibitive property in water-based drilling fluids and its mechanism

LUO Zhihua1，2，WANG Longxiang1，XIA Bairu1，2
（1School of Engineering and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083，China；2Key Laboratory on Deep GeoDrilling Technology，Ministry of Land and Resources，Beijing 100083，China）

Shale instability is mainly induced by the hydration of shale in the drilling of oil and gas. An ionic liquid，as an inhibitor，was evaluated by hot-rolling recovery，capillary suction time，and particle size distribution tests. The results showed thatat high temperature the ionic liquid（RIL）with very low concentration had superior capacity to inhibit clay swelling and dispersing. It performed better than 5%KCl，a conventional inhibitor，and had similar performance of 2% polyether diamine，a novel inhibitor.RIL at very low concentration can improve the rheology of water-based drilling fluids and would not affectthe filtration performance at high temperature. The mechanism of inhibiting was investigatedviacontact angle tests and thermogravimetric analyses. It is found that RIL strengthened lipophilicity of Na-MMT，which prohibited water from ingress. The thermal stability of Na-MMT was greatly improved when Na-MMT was modified with lower concentration of RIL，leading to the excellent inhibition of ILB at high temperatures.

ionic liquid；water-based drilling fluids；inhibitive properties；high temperature

TE254+.4

A

1000–6613（2017）11–4209–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0905

2017-05-15；修改稿日期2017-07-03。

國家自然科學(xué)基金（51204150）及北京市自然科學(xué)基金（3123042）項(xiàng)目。

及聯(lián)系人：羅志華（1975—），女，博士，講師。研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)流體。E-mail：78702381@qq.com。