合成基钻井液在油田钻井的应用进展论文

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　　摘要：合成基钻井液具有类似油基钻井液的优良作业性能，同时具备生物毒性低，易于降解的优点，具有明显的环保优势，已在海洋钻井等环境敏感区域广泛应用。合成基钻井液经历了从第一代（酯、醚、聚α-烯烃、缩醛）到第二代（线性烷基苯、线性石蜡、线性α-烯烃、内烯烃）的发展历程，不同的钻井液体系均有各自的特点和优势，目前广泛应用的合成基钻井液主要以烯烃基和烷烃基为主。费托合成技术的发展带来了以Saraline 185V为代表的气制油钻井液基础液。气制油钻井液基础液具有黏度低、黏温性能好以及低毒的特点，是目前最先进的钻井液体系。

　　关键词：合成基钻井液；钻井液基础液；费托合成油

　　0引言

　　随着石油钻探技术的发展，水基钻井液逐渐无法满足井下复杂情况的需求。油基钻井液具有抗高温、抗盐钙侵、有利于井壁稳定、润滑性好和对油气层损害程度低等优点，在钻探高温深井、大斜度定向井、水平井以及海上钻井都有很好的表现[1]。但油基钻井液的突出问题是污染环境，生物毒性大且难以降解，随着环保法律法规的日益严格，其应用受到了一定的限制。合成基钻井液由于同时具备油基钻井液的作业性能和优异的环保性能，越来越受到人们的重视，已在海洋钻井和非常规资源的钻井液体系中得到广泛应用[2-3]。

　　合成基钻井液的组成与油基钻井液基本相同，具备优良的流变性、热稳定性、抑制性和润滑性，不同的是其环保性能更好，生物毒性低、易于降解。除此之外，大部分合成基钻井液的挥发性低于普通矿物油，对皮肤和眼睛没有刺激，更易被作业者接受。在20世纪80年代，国外一些石油公司就相继开展了合成基钻井液的研发与应用工作。虽然目前我国在合成基钻井液方面研究与应用较少，但在油气勘探愈加深入、环保要求愈加严格的趋势下，对合成基钻井液进行全面研究很有必要[4]。本文介绍了合成基钻井液的特点、种类及应用情况，总结了国内外合成基钻井液的应用现状，并对合成基钻井液在国内的研发和应用进行了展望。

　　1合成基钻井液的特点

　　合成基钻井液由合成基基础油、分散液相（CaCl2饱和盐水）、分散固相（有机土）、乳化剂、降滤失剂、稳定剂流型改进剂和加重剂等组成其配方中的70%到80%都是合成基基础油。合成基钻井液的发展与合成基基础油息息相关。合成基基础油通常需要满足以下基本要求：

　　1）物理化学性质与矿物油接近，不影响现场钻井效果，满足使用需求；

　　2）生物毒性低，对海洋生物影响小，钻屑可直接排放于海里；

　　3）可生物降解，能够在相对短的时间内实现基本降解，减少对环境危害。

　　相对于油基钻井液，合成基的基础油价格较高，导致钻井液单项成本较高，但由于合成基钻井液提高了井眼稳定性和钻速，节约了环境污染的处理费油和钻屑的费用，且能够循环使用，因此合成基钻井液的综合成本比油基钻井液甚至比水基钻井液更低[5-7]。阿莫克公司在深水钻井上，使用合成基钻井液处理钻井事故时间缩短69%，钻井综合成本降低55%，钻速提高达70%[8]。

　　目前已经研制成功并投入使用的合成基钻井液体系有8种，经历了从第一代合成基钻井液到现在第二代合成基钻井液的发展过程。

　　2合成基基础油的种类和应用情况

　　2.1第一代合成基钻井液

　　2.1.1酯基钻井液

　　酯基基础油是最早用于配制钻井液的第一代合成材料，由植物油脂肪酸与醇反应制得。其分子结构式为：
       酯基基础油易生物降解，不含任何有毒的芳香烃物质其环保性能比其他合成基钻井液要更加优异。但由于酯存在活泼的羧基，在实际钻进过程中，遭遇酸性气体或石灰层时，会发生水解影响其稳定性。酯的水解难易程度与碳链的长短以及支化程度有关。一般情况下，碳链越长且支化程度越高，水解的难度也越大，但同时也会增大钻井液黏度，不利于钻速提高[9-10]。

　　酯基基础油最早于1990年由Statoil公司在北海、挪威区域的Statfjord气田使用，先后钻了10口井，获得好的效果，提高了钻井速度，节约了成本。经其环保部门检测认为，酯基钻井液钻屑可直接排到海里，30 d后有氧生物降解率可达到82.5%，相同条件下矿物油降解率仅有3.9%[11-13]。

　　2.1.2醚基钻井液

　　醚基钻井液基础油通常由醇类单体缩聚而成，其分子结构式为：
　　由于α-烯烃聚合后双键仍存在，PAO较容易降解。通过调节反应条件和选择聚合单体可以保证生成的PAO为直链而不生成环状烃。PAO的运动黏度小、闪点高、倾点低，稳定性好，不随温度、pH值而改变其特性，能抗高温和石灰污染。1992年5月和6月，分别在挪威和墨西哥湾海上油田开始采用PAO基钻井液，随后得到了较大规模的应用[16]。

　　2.1.4缩醛基钻井液

　　缩醛基钻井液基础油通过醛类缩合制备，其运动黏度和闪点低于酯类和醚类，其他性质与之相当，1992年末，人们开始应用缩醛基钻井液，但是由于其使用成本高，实际应用较少。

　　2.2第二代合成基钻井液

　　2.2.1线性烷基苯（LAB）钻井液

　　线性烷基苯由长链α-烯烃与苯通过烷基化反应制得，其分子结构式为：
　　LAB的化学性质与甲苯类似，具有运动黏度低的特点，成本较低。但由于含有芳香烃等毒性物质和少量的萤光类物质，对后继测井、试井有一定的影响，实际中使用较少。

　　2.2.2线性石蜡（LP）基钻井液

　　线性石蜡基钻井液作为第二代合成基钻井液的代表，除了不含双键外，与线型α-烯烃和内烯烃具有类似的化学性质。在合成基液中，线性石蜡基的抗温能力最好，由其配制的合成基钻井液的抗温能力超过200℃,满足一般超深井、高温井的抗温能力要求。

　　线性石蜡既可通过单纯的合成路线制得，也可通过加氢裂化和利用分子筛方法的多级炼油加工过程中制得。早期线性石蜡基液大多数是通过炼油加工生产的，虽然炼油加工中生产的基础油不是真正意义上的合成材料，但此法生产的成本比纯合成方法低，缺点是产品含有少量的芳香烃，毒性比酯基、PAO要高。合成路线是以煤或天然气/合成气为原料，经催化聚合反应（费托合成法）生成大分子烷烃类物质，其产物不含芳烃等杂质，具有更好的稳定性。

　　2.2.3线型α-烯烃（LAO）基钻井液

　　线型α-烯烃基钻井液是目前广泛使用的一种合成基钻井液，除具有合成基钻井液的优点外，还具有基液黏度低、倾点低、在钻屑上残留少、单位成本低的优势，已在墨西哥湾等地区广泛使用。线型α-烯烃可由纯烯烃制得，也可由精炼和纯化过程生成。对线型α-烯烃的研究表明相对分子质量的变化可影响其毒性，相对分子质量降低毒性增加，这可能是由于相对分子质量越低，其流动性越强，从而有机物容易从有机相流到水相中所引起的[17]。

　　2.2.4内烯烃（IO）基钻井液

　　内烯烃和线型α-烯烃在化学性质和结构上都非常相似，与PAO为同一系列产物，均由烯烃合成。IO和LAO较PAO有相对低的运动黏度，成本也较低，但毒性较大。内烯烃与线型α-烯烃的其双键位置不同，导致两者具有不同的物理性质，最大的差异是倾点不同。内烯烃双键增加了异构的机会（顺式或反式），使得内烯烃的分子不能作为单一分子进行冷却，其倾点要低于同相对分子质量的线型α-烯烃。

　　2.3合成基基础油的应用情况

　　第一代合成基钻井液毒性低、生物降解能力强，但酯、醚、缩醛类只能由合成法制备，其合成原料比较昂贵，导致最终产品成本较高。第二代合成基钻井液中的线性α-烯烃和内烯烃都可由纯乙烯合成，生产成本较前者低，因此价格更便宜，同时第二代合成基钻井液用量更低以及在岩屑上的滞留量更少，其经济性超过了第一代合成基钻井液[18]。

　　Shell公司对环保型合成基钻井液按照环保效果由高到低进行分级，主要考察基础油的无多环芳烃、有氧生物降解、低水体毒性、厌氧生物降解和低沉积物毒性。其中内烯烃和α-烯烃为第1、2级，烷烃和异构烷烃基为第3级，主要问题在于烷烃在无氧条件下降解性能较差，但均能满足环保要求[19]。

　　综合来看，两代钻井液基液各有优缺点，早期以酯基钻井液使用得较多，目前以线型α-烯烃基、内烯烃基和石蜡基为主。世界三大油田服务公司在合成基钻井液方面均有布局，并形成系列化产品，其中主要钻井液牌号及其基础油种类列于表1。为提高钻井液的综合性能，研究人员开发了复配型钻井液，即不同类型的合成基基础油复配使用，如酯与线性α-烯烃，聚α-烯烃与线性链烷烃的复配，以适应不同钻井需求，使合成基钻井液体系日趋完善。
　　3国内外发展现状

　　3.1国外发展现状

　　国外对合成基钻井液开发较早，20世纪90年代即有不同产品应用。酯基钻井液是最早应用的合成基钻井液，1990年3月在挪威使用酯基钻井液钻井获得成功。受到酯基钻井液的启发，1991年人们又开发出醚基钻井液。1992年5月和6月，分别在挪威和墨西哥湾海上油田开始采用PAO钻井液，随后得到了较大规模的应用。1993—1995年，以LAO钻井液和IO钻井液为代表的第二代合成基钻井液，广泛地应用于英国北海和墨西哥湾地区。目前，在墨西哥湾、北海等地区，合成基钻井液已大部分替代水基泥浆、普通油基泥浆和低毒矿物性油基泥浆[20]。在各大油田服务公司推动下，合成基钻井液得到快速发展，并开发出了多种系列产品，如Baroid公司的Petrofree体系、Dowell公司的Quad Drill体系、Mipark公司的Bio-drill体系、M-I公司的Novadrill体系等。

　　费托合成技术的不断成熟使得环保型烷烃和烯烃生产成本进一步降低。早期北海和世界其他地区所用的石蜡基基础油均来自炼油工艺，该方法的成本较为低廉，但获得的材料含有微量的杂质，如芳烃，环保性能差。费托合成法以合成气为原料，生产不含硫、氮，不含芳烃的合成油，其成分主要是链烷烃，环保性能优良，且成本要比纯合成法低。以Sasol和Shell为代表的能源企业以煤制油或气制油为基础，开发合成基钻井液基础油，得到了广泛的应用。

　　Shell公司利用其在马来西亚民都鲁气制油产品专门开发了钻井液用气制油，主要型号为：Saraline 185V、Sarapar 147、Saraline 98V和Saraline 200。其中，Saraline 185V具有较低的运动黏度和芳烃含量，对于复杂条件钻探具有优异的效果，同时具有较低的成本，成为气制油项目主要盈利点之一。Saraline 185V的主要性质见表2。
　　Sasol公司利用其煤制油产品也进行了合成基钻井液的开发，其产品组成及物性参数见表3。Sasol公司基础油产品组成以异构烷烃为主，普遍倾点很低，同时闪点也相对偏低。
　　斯伦贝谢公司PARATHERM钻井液采用EDC 99-DW和SIPDRILL 2/0两种基础油。其中EDC 99-DW属于矿物油，由道达尔公司提供，性质见表4；SIPDRILL 2/0为合成链烷烃，由英国SIP公司提供，性质见表5。
　　由此可见，国外在合成基钻井液的研发和应用方面较为成熟。其中气制油钻井液基础油近些年来发展较为迅速，在国外应用已经比较普遍，尤其以Shell公司的Saraline 185V为基础油的合成基钻井液，已在马来西亚、越南、缅甸、孟加拉、墨西哥湾等海洋钻探中广泛应用，成为国际公认最为先进的钻井液体系。

　　3.2国内研究进展

　　目前，国内在合成基钻井液体系的研究尚处于起步阶段。石油大学（北京）张琰等对酯基钻井液、线性石蜡基钻井液以及孙金声等对线性α-烯烃钻井液技术进行了研究，均取得了一定的进展，但是技术并不成熟。中海油田服务股份有限公司针对深水钻井开展气制油基础油的研制，其中赵景芳等研制的BIO-OIL黏温性能好，满足低温环境和深水钻井的要求，生物毒性符合一级海域容许范围，配成的合成基钻井液在在中国南海西部油田某区块3口井进行了现场试验，钻井液流变性能稳定，携岩能力强，井眼清洁效果好，但目前未见有后续的应用报道[21-22]。国内部分煤制油企业如山东能源公司、山西潞安集团等均在进行相关探索。

　　合成基钻井液在现场应用则更少，有资料报道，中海油田服务股份有限公司2002年在渤海SZ36-1油田3口分支井的钻井施工中，成功地应用了长江大学研究的HEMZ酯基钻井液，CF1井在使用过程中，钻井液性能稳定，井眼清洁、井壁稳定，摩阻小，无任何井下复杂事故，筛管也是一次性下到位。但在渤海SZ36-1油田应用之后，再无相关现场成功应用的报道。后来在我国南海西部莺琼盆地YC21-1-4高温高压井中，虽然使用了合成基钻井液，但钻井由Chevron完成，使用的是Dowell公司的合成基钻井液技术[23]。

　　Shell公司推出的气制油基础油，在当前海上钻井中发挥了重要作用。国内多家企业围绕Saraline 185V基础液进行了关键处理剂及体系研究。长城钻探王刚研发了一套抗高温高密度气制油合成基钻井液体系，密度最高达2.6 g/cm3，抗温220℃。现场应用证明，该体系能够有效提高机械钻速，降低井下出现复杂情况的概率，缩短钻井周期，满足了页岩气井钻井需求，但其在超高密度超高温井中的应用还有待进一步研究[24]。中国石油集团钻井工程技术研究院王茂功等研制了具有良好凝胶性能的有机土和天然腐植酸改性的环保型降滤失剂，并使用前期研制的主辅乳化剂，形成了气制油合成基钻井液体系。该钻井液在印尼苏门答腊岛JABUNG区块NEB Basement-1井成功地进行了应用[25]。中海油田服务股份有限公司胡文军等构建了一套适合深水钻井的FLAT-PRO深水恒流变合成基钻井液体系，在南海LS-A超深水井应用，流变性能温度，抑制性好、润滑性强，能获得较低的ECD值[26]。狄明利等以埃克森美孚的Escaid 110气制油为基础油，研制了PLAT-PRO恒流变合成基钻井液体系，其黏度、切力受温度和压力影响小，在中国南海成功应用近10口井[27]。中海油田服务股份有限公司开展了一系列合成基钻井液体系研究，其中罗建生以低黏度气制油为基础油构建了一套深水FLAT-PRO合成基钻井液体系，分别在渤海和印尼成功钻完了3口井的Φ215.9 mm井段及一侧开窗侧段井，钻速比常规油基钻井液提高了至少30%[28-30]。

　　有学者提出了绿色环保的生物质合成基钻井液，在满足生产要求的同时，不会对环境产生危害，其可再生的特点顺应了国家的可持续发展战略，既可以在深水钻井领域中应用，又可以在页岩气水平井中使用。中石化将天然的植物油作为生物质的主要原料，研发出了一种生物质基础油，不含有危害环境的芳香烃，不含毒素，绿色环保可再生，不但可以用于水平井，而且还满足深海钻井的需求，钻井液废弃物可按一般工业固废处理[31]。生物合成基钻井液被认为是可以替代传统钻井液的一种新兴钻井液体系，在目前能源紧张、油田勘探开发压力大的形势下具有广阔的应用前景[32]。

　　4结论与展望

　　合成基钻井液同时具备油基钻井液的作业性能和优异的环保性能，是比较理想的钻井液体系，在墨西哥湾、北海等环境敏感地区已基本替代水基钻井液成为主流，在海上钻井也有其独到之处。综合考虑技术性能和使用成本，烯烃基和烷烃基钻井液较优，也是目前应用最多的合成基钻井液基础液。其中气制油钻井液基础油发展迅速，广泛应用于海洋钻探中。目前国内合成基钻井液的研究还处于起步阶段，应用较少，多采用进口的合成基钻井液体系或基础油，价格昂贵。

　　在当前注重环保的形势下，合成基钻井液将是未来石油钻探的主流。目前，首要的是开发出具有应用价值的合成基钻井液基础油，实现基础油国产化，降低合成基钻井液的使用成本，并针对基础油形成技术标准，提升产品竞争力。我国有丰富的煤炭资源，有全套的煤制油生产装置和成熟的工艺技术，采用煤/气制油路线可获得性能优良、环境友好、成本低廉的合成基钻井液基础油。同时，高性能环保型气制油合成基钻井液体系对于处理剂也提出了更高的要求，特别是有机土和环境友好型降滤失剂，对合成基钻井液的使用性能具有较大的影响。

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