煤制油合成油鉆井液基礎(chǔ)油技術(shù)及研究進(jìn)展

周巖 錢震 苗恒 高源 王彩麗

摘 要：本文介紹鉆井作業(yè)時使用的不同類基礎(chǔ)油，包括油基鉆井液基礎(chǔ)油及合成基鉆井液基礎(chǔ)油，其中合成基鉆井液基礎(chǔ)油又包括天然氣合成基鉆井液基礎(chǔ)油及煤制合成基基礎(chǔ)油，分別介紹各自產(chǎn)品在應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)介紹煤制合成基基礎(chǔ)油研究進(jìn)展及其產(chǎn)品特點(diǎn)，為開發(fā)新的鉆井液基礎(chǔ)油提供新思路。

關(guān)鍵詞：煤制合成基鉆井液基礎(chǔ)油;氣制油合成基鉆井液基礎(chǔ)油;油基鉆井液

煤制油合成油鉆井液基礎(chǔ)油是CO和H2在一定溫度壓力下經(jīng)催化聚合反應(yīng)（費(fèi)托合成反應(yīng)）得到的烷烴類混合物，主要由相對分子質(zhì)量在100～500的直鏈、支鏈烷烴組成，含有少量的環(huán)烷烴及芳烴，其碳數(shù)分布窄，烷烴類合成油碳數(shù)范圍為10～20。經(jīng)過加氫精制后的煤制合成基鉆井液基礎(chǔ)油，其組成相對簡單，飽和鏈烷烴組成為：10～0.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的直鏈?zhǔn)剑?0～99%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的支鏈?zhǔn)?飽和環(huán)烷烴組成為：0～0.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的環(huán)烷烴。異構(gòu)烷烴含量大于90%，異構(gòu)烷烴本身就沒有氣味，同時異構(gòu)烷烴的特點(diǎn)是比重低，表面張力低，氧化安定性好且無毒，所以可以用于食品加工和化妝品。

近年來國內(nèi)石油和天然氣開發(fā)隨著石油勘探開發(fā)進(jìn)程的深入逐漸發(fā)展向海洋和西部新區(qū)，與此同時，關(guān)注度越來越高的是頁巖氣資源的開發(fā)。油基鉆井液體系的應(yīng)用、鉆井液技術(shù)要求也隨著超深井、特殊結(jié)構(gòu)井、深井的增多而增加、升高?，F(xiàn)階段無論是在國內(nèi)還是在國外使用最多的鉆井液體系都是都是氣制油合成基鉆井液體系，含芳烴少，環(huán)保性能好的GTL Sara-line 185V（簡稱185V）氣制油是由殼牌MDS（馬來西亞）公司生產(chǎn)的，也是常用的基礎(chǔ)油[1]。國內(nèi)外在鉆井使用這一方面最多的鉆井液體系逐漸轉(zhuǎn)向煤制油合成基鉆井液體系。

當(dāng)下全球廣泛采用的鉆井液基礎(chǔ)油工業(yè)研究主要有兩種，以石油基基礎(chǔ)油與降凝劑調(diào)合的研究、天然氣合成油（Gas-to-Liquid，簡稱GTL）的研究為主。本文介紹煤制油合成基鉆井液基礎(chǔ)油的研究，為開發(fā)新的基礎(chǔ)油方式提供新思路。

1 油基鉆井液基礎(chǔ)油

人類為在鉆井中減少、避免發(fā)生各種復(fù)雜情況，在20世紀(jì)20年代時的鉆井液就是原油。此外雖然原油有防卡、防塌、保護(hù)油氣層的作用，但由于原油難以懸浮重晶石、難以控制其流變性、小著切力、大濾失量等不足，使得原油的應(yīng)用盡局限于1000m以內(nèi)淺井。

20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了油包水乳化鉆井液，以柴油、乳化劑、潤濕劑、親油膠體、乳化水（10～60%）等為主要處理劑，這類處理劑相較于全油基鉆井液難以著火，在穩(wěn)定時井壁時能夠直接通過水相活度進(jìn)行控制，其抗溫能夠達(dá)到200～230℃。于20世紀(jì)70年代中期開始，為將鉆速提升上去，低膠質(zhì)油包水乳化鉆井液被廣泛應(yīng)用。在該體系中所應(yīng)用的主要處理劑是少量親油膠體、乳化劑、乳化水（15%左右）柴油、潤濕劑等，不僅能夠降低鉆井總成本，還能夠?qū)@速大幅度提升上去。但是因放寬失量，并不適合某些松散易塌地層，能夠?qū)釉斐奢^大的損害。自80年代初，對于以礦物油作為基油的低毒油包水乳化鉆井液的使用大量推廣開來，其目的是適應(yīng)海洋鉆探的需要，并起到保護(hù)環(huán)境的作用。這一體系在環(huán)境污染的防治上的效果較為顯著，并具備著油基鉆井液所具有的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在環(huán)保的要求愈加嚴(yán)格，特別是對于海上鉆井作業(yè)排放物毒性的限制，以往基油是柴油的油基鉆井液已經(jīng)無法滿足相關(guān)部門的要求，近年來隨著技術(shù)的發(fā)展，為滿足生態(tài)環(huán)境方面的要求逐漸開發(fā)出了無毒油基鉆井液及低毒油基鉆井液。最適合的環(huán)保型基鉆井液基液是白油，其具有較小的生物毒性，且芳香烴的含量不高，將其精制后能夠直接用在食品、化妝品中。

后來油包水乳化鉆井液、全油基鉆井液得到了發(fā)展，這兩種連續(xù)相的兩種油基鉆井液是柴油、白油。水是全油基鉆井液中最為無用的一種組分，在里面的含量應(yīng)處于7%以下;但是水又是油包水鉆井液中的一種必要成分，在柴油中水的含量在10%～60%之間，且呈均勻分散。作為鉆高難度的水平井、大斜度定向井、高溫深井和各種復(fù)雜地層的重要手段的油基鉆井液相較于水基鉆井液，其抗鹽鈣侵與抗高溫能力顯著增強(qiáng)，同時具有對油氣層損傷小、潤滑性較好等有優(yōu)點(diǎn)，對井壁穩(wěn)定有較大的幫助，但是在配制成本上，相較于水基鉆井液，油基鉆井液顯著增高，并且在使用時能夠嚴(yán)重破壞井場附近的生態(tài)環(huán)境，此外，限制油基鉆井液的推廣應(yīng)用的另一原因還在于其鉆速低于機(jī)械鉆速。

2 天然氣合成油鉆井液基礎(chǔ)油

首先將天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣捎?，然后通過一定的手段再將其轉(zhuǎn)變?yōu)槿加图捌渌細(xì)浠系募夹g(shù)被稱為GTL技術(shù)。簡單來講，就是先撕裂天然氣分子，然后將其重組，使其成為新的長鏈分子。在這一過程中能夠?qū)⒂上N、直鏈烷組成的無金屬元素、低芳烴、無氮、純度高、無硫的合成型原油制備出來，接下來若要得到石腦油、石蠟、基礎(chǔ)油、柴油或特殊產(chǎn)物一類對環(huán)境友好的燃料油和化學(xué)品，則需要進(jìn)一步進(jìn)行煉制合成油。

第一代GTL基礎(chǔ)油，清潔的合成型烷基石蠟可以在費(fèi)托合成GTL裝置制備超清潔燃料時一并進(jìn)行生產(chǎn)。不含硫、金屬雜質(zhì)、氮、芳烴的潤滑油基礎(chǔ)油可以由石蠟轉(zhuǎn)化而成。經(jīng)過溶劑精制或加氫精制過程制備的基礎(chǔ)油的過程與石油煉制的過程相比，具有較大的差異。GTL基礎(chǔ)油的出現(xiàn)大大增加了市場需求的選擇，異構(gòu)烷烴是GTL基礎(chǔ)油的分子結(jié)構(gòu)，且其特點(diǎn)是壽命長、黏度低、清潔。

第二代GTL基礎(chǔ)油加工工藝，世界上越來越多的石油石化公司發(fā)現(xiàn)了市場對超清潔柴油燃料的需求，在此基礎(chǔ)上對GTL技術(shù)的投資紛紛加大了力度?？ㄋ柊雿u的北部是GTL基礎(chǔ)油裝置的大規(guī)模生產(chǎn)位置。相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，世界最大的GTL裝置是卡塔爾的GTL裝置，由?？松梨诠就顿Y接近70億美元，其裝置上所用的技術(shù)是埃克森美孚公司的AGC-21專利技術(shù)，用于高性能基礎(chǔ)油生產(chǎn)的總產(chǎn)能近20%，此外，MWI（tm）（蠟異構(gòu)化工藝）是該公司專有的可將含軟蠟、蠟油等蠟含量高的原料送進(jìn)裝填擇型分子篩的固定床反應(yīng)器，能夠進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成高黏度指數(shù)基礎(chǔ)油。

現(xiàn)階段，普通柴油逐漸被由H2和CO合成的氣制油代替，大大提升了其環(huán)保性能，在一定程度上可減少環(huán)境污染，但同時也存在合成汽油制作成本較高、較為的負(fù)責(zé)，需要先進(jìn)行分離的缺點(diǎn)，基于此，我們?yōu)榱舜姘子?、柴油、天然氣合成油鉆井液基礎(chǔ)油，需要將符合環(huán)保要求的基礎(chǔ)油研制出來。對此，煤制油合成油鉆井液基礎(chǔ)油可以通過煤制油技術(shù)合成，將其中餾程的餾分選取出來。燃點(diǎn)、閃點(diǎn)均滿足合成基鉆井液基礎(chǔ)油的要求，低黏度與符合排放要求的生物毒性是該基礎(chǔ)油的優(yōu)勢所在。

3 煤制油合成油鉆井液基礎(chǔ)油

對于井下復(fù)雜情況水基鉆井液所不能滿足的需求均可以通過合成基鉆井液進(jìn)行解決，但對于環(huán)境保護(hù)方面的問題白油基鉆井液、油基鉆井液均無法滿足。

在渤海灣BZ25-1油田A4井及印尼地區(qū)得到應(yīng)用的氣制油鉆井液體系由中海油田服務(wù)股份有限公司配制而成。而用于性能測試及商業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)油樣品是中國石油天然氣股份有限公司通過一定的工序得到的，該工序通過蒸餾將費(fèi)托合成特定餾分段產(chǎn)品切割成幾種餾分，并異構(gòu)化處理其中一種或幾種餾分，然后根據(jù)相應(yīng)的比例進(jìn)行調(diào)和、蒸餾、最后除去加氫異構(gòu)副產(chǎn)物低碳烴類即可。但是此種方法還需要進(jìn)行二次、多次處理，比較繁瑣，能夠使制備成本大大增加。生物降解性好、毒性極低、更為安全環(huán)保是煤制油合成油鉆井液基礎(chǔ)油的一大優(yōu)勢，能夠?qū)鴥?nèi)現(xiàn)階段的空白進(jìn)行填補(bǔ)，甚至能夠在國內(nèi)進(jìn)行推廣，將國外Shell GTL Saraline 185V產(chǎn)品下來，從而降低成本，提高收益。

4 結(jié)論

由于海洋環(huán)境保護(hù)力度的加大，鉆井液除了要滿足常規(guī)性能外，還要有能夠有效保護(hù)油氣層和海洋環(huán)境。現(xiàn)階段，對于石油的消費(fèi)隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而增加，同時鉆井技術(shù)也越來越精進(jìn)，朝著更深的海域的石油勘探邁進(jìn)。在今后低成本、無毒的新型鉆井液基礎(chǔ)油的發(fā)展是一種必然趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁俊秀.NH-SO1合成基鉆井液基礎(chǔ)油及體系性能研究[J].鉆采工藝，2016，030（002）：98-101.

[2]王松，宋明全，劉二平.國外深水鉆井液技術(shù)進(jìn)展[J].石油鉆探技術(shù)，2009（03）：8-12.