煤制油合成油鉆井液基礎油技術及研究進展

周巖 錢震 苗恒 高源 王彩麗

摘 要：本文介紹鉆井作業時使用的不同類基礎油，包括油基鉆井液基礎油及合成基鉆井液基礎油，其中合成基鉆井液基礎油又包括天然氣合成基鉆井液基礎油及煤制合成基基礎油，分別介紹各自產品在應用的優缺點，重點介紹煤制合成基基礎油研究進展及其產品特點，為開發新的鉆井液基礎油提供新思路。

關鍵詞：煤制合成基鉆井液基礎油;氣制油合成基鉆井液基礎油;油基鉆井液

煤制油合成油鉆井液基礎油是CO和H2在一定溫度壓力下經催化聚合反應（費托合成反應）得到的烷烴類混合物，主要由相對分子質量在100～500的直鏈、支鏈烷烴組成，含有少量的環烷烴及芳烴，其碳數分布窄，烷烴類合成油碳數范圍為10～20。經過加氫精制后的煤制合成基鉆井液基礎油，其組成相對簡單，飽和鏈烷烴組成為：10～0.5%質量分數的直鏈式，90～99%質量分數的支鏈式;飽和環烷烴組成為：0～0.5%質量分數的環烷烴。異構烷烴含量大于90%，異構烷烴本身就沒有氣味，同時異構烷烴的特點是比重低，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。

近年來國內石油和天然氣開發隨著石油勘探開發進程的深入逐漸發展向海洋和西部新區，與此同時，關注度越來越高的是頁巖氣資源的開發。油基鉆井液體系的應用、鉆井液技術要求也隨著超深井、特殊結構井、深井的增多而增加、升高?，F階段無論是在國內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）公司生產的，也是常用的基礎油[1]。國內外在鉆井使用這一方面最多的鉆井液體系逐漸轉向煤制油合成基鉆井液體系。

當下全球廣泛采用的鉆井液基礎油工業研究主要有兩種，以石油基基礎油與降凝劑調合的研究、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油的研究，為開發新的基礎油方式提供新思路。

1 油基鉆井液基礎油

人類為在鉆井中減少、避免發生各種復雜情況，在20世紀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，使得原油的應用盡局限于1000m以內淺井。

20世紀50年代出現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，在穩定時井壁時能夠直接通過水相活度進行控制，其抗溫能夠達到200～230℃。于20世紀70年代中期開始，為將鉆速提升上去，低膠質油包水乳化鉆井液被廣泛應用。在該體系中所應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，還能夠將鉆速大幅度提升上去。但是因放寬失量，并不適合某些松散易塌地層，能夠對儲層造成較大的損害。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，其目的是適應海洋鉆探的需要，并起到保護環境的作用。這一體系在環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點?，F在環保的要求愈加嚴格，特別是對于海上鉆井作業排放物毒性的限制，以往基油是柴油的油基鉆井液已經無法滿足相關部門的要求，近年來隨著技術的發展，為滿足生態環境方面的要求逐漸開發出了無毒油基鉆井液及低毒油基鉆井液。最適合的環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展，這兩種連續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，同時具有對油氣層損傷小、潤滑性較好等有優點，對井壁穩定有較大的幫助，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重破壞井場附近的生態環境，此外，限制油基鉆井液的推廣應用的另一原因還在于其鉆速低于機械鉆速。

2 天然氣合成油鉆井液基礎油

首先將天然氣轉變為合成油，然后通過一定的手段再將其轉變為燃油及其他碳氫化合的技術被稱為GTL技術。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。在這一過程中能夠將由烯烴、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、基礎油、柴油或特殊產物一類對環境友好的燃料油和化學品，則需要進一步進行煉制合成油。

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

第二代GTL基礎油加工工藝，世界上越來越多的石油石化公司發現了市場對超清潔柴油燃料的需求，在此基礎上對GTL技術的投資紛紛加大了力度?？ㄋ柊雿u的北部是GTL基礎油裝置的大規模生產位置。相關數據調查顯示，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是?？松梨诠镜腁GC-21專利技術，用于高性能基礎油生產的總產能近20%，此外，MWI（tm）（蠟異構化工藝）是該公司專有的可將含軟蠟、蠟油等蠟含量高的原料送進裝填擇型分子篩的固定床反應器，能夠進一步轉變成高黏度指數基礎油。

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

3 煤制油合成油鉆井液基礎油

對于井下復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行解決，但對于環境保護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井及印尼地區得到應用的氣制油鉆井液體系由中海油田服務股份有限公司配制而成。而用于性能測試及商業化應用的基礎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托合成特定餾分段產品切割成幾種餾分，并異構化處理其中一種或幾種餾分，然后根據相應的比例進行調和、蒸餾、最后除去加氫異構副產物低碳烴類即可。但是此種方法還需要進行二次、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、更為安全環保是煤制油合成油鉆井液基礎油的一大優勢，能夠將國內現階段的空白進行填補，甚至能夠在國內進行推廣，將國外Shell GTL Saraline 185V產品下來，從而降低成本，提高收益。

4 結論

由于海洋環境保護力度的加大，鉆井液除了要滿足常規性能外，還要有能夠有效保護油氣層和海洋環境?，F階段，對于石油的消費隨經濟的發展而增加，同時鉆井技術也越來越精進，朝著更深的海域的石油勘探邁進。在今后低成本、無毒的新型鉆井液基礎油的發展是一種必然趨勢。

參考文獻：

[1]袁俊秀.NH-SO1合成基鉆井液基礎油及體系性能研究[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進展[J].石油鉆探技術，2009（03）：8-12.