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[工艺技术]煤制油合成油钻井液基础油技术及研究进展

时间:2021/12/29  点击:151


       

本文发表于《中国化工贸易·中旬刊》 2020年7期

周岩 钱震 苗恒 高源 王彩丽

摘 要:本文介绍钻井作业时使用的不同类基础油,包括油基钻井液基础油及合成基钻井液基础油,其中合成基钻井液基础油又包括天然气合成基钻井液基础油及煤制合成基基础油,分别介绍各自产品在应用的优缺点,重点介绍煤制合成基基础油研究进展及其产品特点,为开发新的钻井液基础油提供新思路。

关键词:煤制合成基钻井液基础油;气制油合成基钻井液基础油;油基钻井液

煤制油合成油钻井液基础油是CO和H2在一定温度压力下经催化聚合反应(费托合成反应)得到的烷烃类混合物,主要由相对分子质量在100~500的直链、支链烷烃组成,含有少量的环烷烃及芳烃,其碳数分布窄,烷烃类合成油碳数范围为10~20。经过加氢精制后的煤制合成基钻井液基础油,其组成相对简单,饱和链烷烃组成为:10~0.5%质量分数的直链式,90~99%质量分数的支链式;饱和环烷烃组成为:0~0.5%质量分数的环烷烃。异构烷烃含量大于90%,异构烷烃本身就没有气味,同时异构烷烃的特点是比重低,表面张力低,氧化安定性好且无毒,所以可以用于食品加工和化妆品。

近年来国内石油和天然气开发随着石油勘探开发进程的深入逐渐发展向海洋和西部新区,与此同时,关注度越来越高的是页岩气资源的开发。油基钻井液体系的应用、钻井液技术要求也随着超深井、特殊结构井、深井的增多而增加、升高。现阶段无论是在国内还是在国外使用最多的钻井液体系都是都是气制油合成基钻井液体系,含芳烃少,环保性能好的GTL Sara-line 185V(简称185V)气制油是由壳牌MDS(马来西亚)公司生产的,也是常用的基础油[1]。国内外在钻井使用这一方面最多的钻井液体系逐渐转向煤制油合成基钻井液体系。

当下全球广泛采用的钻井液基础油工业研究主要有两种,以石油基基础油与降凝剂调合的研究、天然气合成油(Gas-to-Liquid,简称GTL)的研究为主。本文介绍煤制油合成基钻井液基础油的研究,为开发新的基础油方式提供新思路。

1 油基钻井液基础油

人类为在钻井中减少、避免发生各种复杂情况,在20世纪20年代时的钻井液就是原油。此外虽然原油有防卡、防塌、保护油气层的作用,但由于原油难以悬浮重晶石、难以控制其流变性、小着切力、大滤失量等不足,使得原油的应用尽局限于1000m以内浅井。

20世纪50年代出现了油包水乳化钻井液,以柴油、乳化剂、润湿剂、亲油胶体、乳化水(10~60%)等为主要处理剂,这类处理剂相较于全油基钻井液难以着火,在稳定时井壁时能够直接通过水相活度进行控制,其抗温能够达到200~230℃。于20世纪70年代中期开始,为将钻速提升上去,低胶质油包水乳化钻井液被广泛应用。在该体系中所应用的主要处理剂是少量亲油胶体、乳化剂、乳化水(15%左右)柴油、润湿剂等,不仅能够降低钻井总成本,还能够将钻速大幅度提升上去。但是因放宽失量,并不适合某些松散易塌地层,能够对储层造成较大的损害。自80年代初,对于以矿物油作为基油的低毒油包水乳化钻井液的使用大量推广开来,其目的是适应海洋钻探的需要,并起到保护环境的作用。这一体系在环境污染的防治上的效果较为显著,并具备着油基钻井液所具有的优点。现在环保的要求愈加严格,特别是对于海上钻井作业排放物毒性的限制,以往基油是柴油的油基钻井液已经无法满足相关部门的要求,近年来随着技术的发展,为满足生态环境方面的要求逐渐开发出了无毒油基钻井液及低毒油基钻井液。最适合的环保型基钻井液基液是白油,其具有较小的生物毒性,且芳香烃的含量不高,将其精制后能够直接用在食品、化妆品中。

后来油包水乳化钻井液、全油基钻井液得到了发展,这两种连续相的两种油基钻井液是柴油、白油。水是全油基钻井液中最为无用的一种组分,在里面的含量应处于7%以下;但是水又是油包水钻井液中的一种必要成分,在柴油中水的含量在10%~60%之间,且呈均匀分散。作为钻高难度的水平井、大斜度定向井、高温深井和各种复杂地层的重要手段的油基钻井液相较于水基钻井液,其抗盐钙侵与抗高温能力显著增强,同时具有对油气层损伤小、润滑性较好等有优点,对井壁稳定有较大的帮助,但是在配制成本上,相较于水基钻井液,油基钻井液显著增高,并且在使用时能够严重破坏井场附近的生态环境,此外,限制油基钻井液的推广应用的另一原因还在于其钻速低于机械钻速。

2 天然气合成油钻井液基础油

首先将天然气转变为合成油,然后通过一定的手段再将其转变为燃油及其他碳氢化合的技术被称为GTL技术。简单来讲,就是先撕裂天然气分子,然后将其重组,使其成为新的长链分子。在这一过程中能够将由烯烃、直链烷组成的无金属元素、低芳烃、无氮、纯度高、无硫的合成型原油制备出来,接下来若要得到石脑油、石蜡、基础油、柴油或特殊产物一类对环境友好的燃料油和化学品,则需要进一步进行炼制合成油。

第一代GTL基础油,清洁的合成型烷基石蜡可以在费托合成GTL装置制备超清洁燃料时一并进行生产。不含硫、金属杂质、氮、芳烃的润滑油基础油可以由石蜡转化而成。经过溶剂精制或加氢精制过程制备的基础油的过程与石油炼制的过程相比,具有较大的差异。GTL基础油的出现大大增加了市场需求的选择,异构烷烃是GTL基础油的分子结构,且其特点是寿命长、黏度低、清洁。

第二代GTL基础油加工工艺,世界上越来越多的石油石化公司发现了市场对超清洁柴油燃料的需求,在此基础上对GTL技术的投资纷纷加大了力度。卡塔尔半岛的北部是GTL基础油装置的大规模生产位置。相关数据调查显示,世界最大的GTL装置是卡塔尔的GTL装置,由埃克森美孚公司投资接近70亿美元,其装置上所用的技术是埃克森美孚公司的AGC-21专利技术,用于高性能基础油生产的总产能近20%,此外,MWI(tm)(蜡异构化工艺)是该公司专有的可将含软蜡、蜡油等蜡含量高的原料送进装填择型分子筛的固定床反应器,能够进一步转变成高黏度指数基础油。

现阶段,普通柴油逐渐被由H2和CO合成的气制油代替,大大提升了其环保性能,在一定程度上可减少环境污染,但同时也存在合成汽油制作成本较高、较为的负责,需要先进行分离的缺点,基于此,我们为了代替白油、柴油、天然气合成油钻井液基础油,需要将符合环保要求的基础油研制出来。对此,煤制油合成油钻井液基础油可以通过煤制油技术合成,将其中馏程的馏分选取出来。燃点、闪点均满足合成基钻井液基础油的要求,低黏度与符合排放要求的生物毒性是该基础油的优势所在。

3 煤制油合成油钻井液基础油

对于井下复杂情况水基钻井液所不能满足的需求均可以通过合成基钻井液进行解决,但對于环境保护方面的问题白油基钻井液、油基钻井液均无法满足。

在渤海湾BZ25-1油田A4井及印尼地区得到应用的气制油钻井液体系由中海油田服务股份有限公司配制而成。而用于性能测试及商业化应用的基础油样品是中国石油天然气股份有限公司通过一定的工序得到的,该工序通过蒸馏将费托合成特定馏分段产品切割成几种馏分,并异构化处理其中一种或几种馏分,然后根据相应的比例进行调和、蒸馏、最后除去加氢异构副产物低碳烃类即可。但是此种方法还需要进行二次、多次处理,比较繁琐,能够使制备成本大大增加。生物降解性好、毒性极低、更为安全环保是煤制油合成油钻井液基础油的一大优势,能够将国内现阶段的空白进行填补,甚至能够在国内进行推广,将国外Shell GTL Saraline 185V产品下来,从而降低成本,提高收益。

4 结论

由于海洋环境保护力度的加大,钻井液除了要满足常规性能外,还要有能够有效保护油气层和海洋环境。现阶段,对于石油的消费随经济的发展而增加,同时钻井技术也越来越精进,朝着更深的海域的石油勘探迈进。在今后低成本、无毒的新型钻井液基础油的发展是一种必然趋势。

参考文献:

[1]袁俊秀.NH-SO1合成基钻井液基础油及体系性能研究[J].钻采工艺,2016,030(002):98-101.

[2]王松,宋明全,刘二平.国外深水钻井液技术进展[J].石油钻探技术,2009(03):8-12.


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2021/12/29

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