羅健生 李自立 劉 剛 田榮劍 耿 鐵 郁魯彬

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部）

深水用煤制油恒流變合成基鉆井液體系的研制*

羅健生 李自立 劉 剛 田榮劍 耿 鐵 郁魯彬

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部）

為了解決深水鉆井中的壓力控制問題，研制了一套深水用煤制油恒流變合成基鉆井液體系。該鉆井液體系是以新研制的低粘度深水用煤制油作為基液，對傳統(tǒng)的合成基鉆井液關(guān)鍵處理劑進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)及優(yōu)選組合，從而構(gòu)建了深水用合成基鉆井液體系。性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的深水用煤制油恒流變合成基鉆井液體系具有良好的流變性和乳化穩(wěn)定性，動(dòng)切力和φ6值受溫度及壓力影響小，可以滿足深水鉆井作業(yè)的要求。

深水；煤制油；合成基鉆井液；恒流變；性能評價(jià)

和淺水鉆井作業(yè)相比，深水鉆井作業(yè)面臨的主要問題包括井壁穩(wěn)定、鉆井液用量大、作業(yè)安全密度窗口窄、井眼清潔、低溫下鉆井液的流變性、淺層氣及形成天然氣水合物等多個(gè)方面［1-4］。綜合考慮鉆井作業(yè)的順利進(jìn)行及安全，合成基鉆井液提供了優(yōu)越的井眼穩(wěn)定性和最大化的機(jī)械鉆速，因此深水及超深水鉆井作業(yè)基本以合成基鉆井液體系為首選［5］。然而傳統(tǒng)的合成基鉆井液的流變性受溫度和壓力的影響較大，如在水深為1 000 m的南中國海深水鉆井作業(yè)中，由于泥線溫度在4℃左右（在4～65.6℃條件下，油基鉆井液的流變性變化較大，尤其是動(dòng)切力YP、φ6和φ3讀數(shù)），將使鉆井液在低溫條件下增稠，導(dǎo)致鉆井作業(yè)時(shí)當(dāng)量循環(huán)密度和啟動(dòng)泵壓、激動(dòng)泵壓變化較大而不好控制，很容易出現(xiàn)嚴(yán)重的井下漏失，從而增加非工作時(shí)間（NPT）和作業(yè)費(fèi)用，進(jìn)而增加合成基鉆井液的成本。

國內(nèi)外在有關(guān)深水合成基鉆井液流變性方面所做的研究主要有：長江大學(xué)王松［2］介紹了墨西哥灣的酯／烯烴基鉆井液、IO和酯基鉆井液及環(huán)境可接受的專用合成基鉆井液等；中國石油大學(xué)（北京）耿嬌嬌等［6］介紹了具有恒流變特性的深水合成基鉆井液（CR-SBM），其組成與傳統(tǒng)合成基鉆井液（SBM）基本相同，不同之處在于有機(jī)土的加量和乳化劑的類型；長江大學(xué)岳前升等［7］研究了線性α-烯烴合成基鉆井液在不同組成時(shí)的粘-溫特性，分析了乳化劑種類、有機(jī)土加量、油水比以及鉆井液密度等對合成基鉆井液低溫流動(dòng)性的影響。上述研究人員雖然對國外深水合成基鉆井液進(jìn)行了一些調(diào)研，但是關(guān)鍵材料如基液、乳化劑、增粘劑等均是核心技術(shù)，且處于保密狀態(tài)。針對這一現(xiàn)狀，筆者研制了一種國產(chǎn)化的煤制油合成基鉆井液，其基液是用煤通過間接氣化等復(fù)雜工藝合成的，該煤制油幾乎不含硫、氮及芳烴，運(yùn)動(dòng)粘度很小。該煤制油通過配合特制的乳化劑等關(guān)鍵材料構(gòu)建的合成基鉆井液在低溫條件下流變性能穩(wěn)定，尤其是YP、φ6和φ3讀數(shù)在4℃～65.5℃之間變化平穩(wěn)（即所說的恒流變鉆井液［8-9］），且鉆井液綜合性能好，完全能滿足深水條件下的正常鉆進(jìn)。本文重點(diǎn)闡述深水用煤制油的研制及深水用煤制油恒流變合成基鉆井液體系性能研究成果。

1 深水用煤制油的研制及性能測試

普通煤制油是以煤炭為原料生產(chǎn)出的液體燃料［10］；而深水用煤制油則是通過特殊工藝合成的，加工方法分3步進(jìn)行：①將原料煤與氧氣、水蒸汽反應(yīng)，并將煤全部氣化，制得的粗煤氣經(jīng)過變換、脫硫、脫碳制成一定體積比的潔凈合成氣（H2、CO的混合物）；②在一定溫度和壓力條件下，加入催化劑及載體，通過費(fèi)托法使所述合成氣發(fā)生合成反應(yīng)，生成烴類化合物；③在160～300℃條件下對合成的烴類化合物進(jìn)行精餾，得到烷烴類物質(zhì)，并添加相應(yīng)的處理劑，即得深水鉆井所需的基液——煤制油。具體反應(yīng)過程如下：

對所制的深水用煤制油進(jìn)行了性能測試，并將其與氣制油及礦物油進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。從表1可以看出，與氣制油、5＃白油相比，深水用煤制油運(yùn)動(dòng)粘度更低，且芳烴和硫含量最小，既有利于提高機(jī)械鉆速，又有利于在低溫條件下鉆井液粘度不會(huì)太高，從而使得合成基鉆井液流變性能在不同溫度下變化平穩(wěn)。

表1 深水用煤制油與氣制油、礦物油的性能比較

深水用煤制油的碳數(shù)分布如圖1所示。從圖1可以看出，深水用煤制油的碳數(shù)主要分布在C9～C15之間，這種窄的碳數(shù)分布能使煤制油的粘度受溫度的影響小，有利于流變性能穩(wěn)定的鉆井液配制。

圖1 深水用煤制油的碳數(shù)分布

2 深水用煤制油恒流變合成基鉆井液體系設(shè)計(jì)及性能評價(jià)

2.1 鉆井液體系設(shè)計(jì)

深水用合成基鉆井液除了要具備傳統(tǒng)的合成基鉆井液的性能優(yōu)點(diǎn)之外，還必須要求其流變性能受溫度及壓力影響小，尤其是YP、φ6和φ3讀數(shù)變化平穩(wěn)，否則鉆井液ECD（當(dāng)量循環(huán)密度）變化大，容易導(dǎo)致井漏等復(fù)雜情況發(fā)生。這就要求配制合成基鉆井液的材料有特殊的性能，如基液的運(yùn)動(dòng)粘度低，碳數(shù)分布集中，并盡可能使用少量的有機(jī)土作增粘劑等。因此，選取以下方式來構(gòu)建合成基體系以實(shí)現(xiàn)恒流變的特性：使用少量的有機(jī)土，配合使用具有乳化功能的聚合物增粘劑，此類聚合物增粘劑在低溫條件下呈卷曲狀態(tài)且對粘度無影響。隨著溫度升高，有機(jī)土的增粘效果會(huì)有所減弱，此時(shí)聚合物增粘劑將發(fā)揮主要的增粘作用；而隨著溫度降低，聚合物增粘劑逐漸緊縮，此時(shí)有機(jī)土主要起增粘作用。最終設(shè)計(jì)的恒流變合成基鉆井液體系構(gòu)成為：基液（低運(yùn)動(dòng)粘度的深水煤制油）、乳化劑（具有乳化功能的聚合物增粘劑與妥爾油酰胺等混合物）、潤濕劑、有機(jī)土、降濾失劑、重晶石。

2.2 鉆井液體系性能評價(jià)

傳統(tǒng)的合成基鉆井液的流變性能一般使用六速粘度計(jì)或Fann50來測定，但這些儀器不能測定低溫條件下鉆井液的流變性能，而在深水鉆井作業(yè)中，鉆井液必須要具備良好的低溫高壓流變性能，所以在鉆井液體系性能評價(jià)實(shí)驗(yàn)中增加了低溫高壓流變性能測定。

2.2.1實(shí)驗(yàn)用材料及儀器

實(shí)驗(yàn)用材料：煤制油、有機(jī)土、降濾失劑、重晶石（取自中海油田服務(wù)股份有限公司），氯化鈣（分析純），氧化鈣（工業(yè)級），乳化劑、潤濕劑（自制）。

實(shí)驗(yàn)用儀器：六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)（青島海通達(dá)），F(xiàn)ann ix77流變儀、破乳電壓測試儀、高溫高壓濾失量測定儀（美國Fann公司），高溫滾子爐（美國OFITE公司）等。

2.2.2評價(jià)方法

1）合成基鉆井液的配制：在煤制油中加入有機(jī)土，中速攪拌10 min；加入乳化劑，高速攪拌2 min；在高速攪拌的條件下加入25%的氯化鈣溶液，高速攪拌30 min；加入氧化鈣，高速攪拌5 min；加入潤濕劑，高速攪拌5 min；加入降濾失劑，高速攪拌8 min；加入重晶石到所需密度，高速攪拌20 min，裝入老化罐后置于高溫滾子爐中恒溫老化。

2）合成基鉆井液的基礎(chǔ)配方：煤制油280 mL＋主乳化劑＋輔助乳化劑＋潤濕劑＋120 m L25% CaCl2溶液＋有機(jī)土＋氧化鈣＋降濾失劑＋重晶石粉加重到1.2 g／cm3。

3）合成基鉆井液的性能測試：合成基鉆井液的流變性、濾失量和電穩(wěn)定性等測試參照GB／T 16783.2-2012［11］要求進(jìn)行。

4）合成基鉆井液的粘度-溫度性能測試：將待測樣品在低溫條件下養(yǎng)護(hù)2～3 h，取出置于帶加熱套的六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)上測試其在4～65.5℃條件下的常壓流變性能，YP和φ6值作為衡量體系恒流變的主要參數(shù)。

5）合成基抗鉆屑污染評價(jià)：在合成基鉆井液中加入不同量的Bz34-1油田的鉆屑粉（過80目篩），在100℃下老化16 h，用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測試其在4.0～65.5℃條件下的常壓流變性能。

6）合成基鉆井液高壓流變性能測試：使用Fann ix77流變儀，在0.1～35.0 MPa、4.0～65.5℃條件下測定鉆井液的流變性能。

2.2.3結(jié)果與討論

圖2 不同溫度熱滾后深水用煤制油恒流變合成基鉆井液體系的φ6值隨測試溫度的變化

圖3 不同溫度熱滾后深水用煤制油恒流變合成基鉆井液體系的YP（動(dòng)切力）值隨測試溫度的變化

圖4 不同溫度熱滾后深水用煤制油恒流變合成基鉆井液體系的ES（破乳電壓）值隨測試溫度的變化

1）不同溫度老化后鉆井液性能。不同溫度老化后深水用煤制油合成基鉆井液性能測試結(jié)果如圖2～4所示。從圖2～4可以看出，經(jīng)過不同溫度熱滾老化后，所研制深水用煤制油合成基鉆井液體系的φ6值、YP以及ES（破乳電壓）隨測試溫度的影響較小，完全能滿足恒流變的要求，且乳化穩(wěn)定性好。

2）抗鉆屑污染能力。深水用煤制油合成基鉆井液在不同加量鉆屑污染后流變性能見表2。從表2的測試結(jié)果可見，所研制深水用煤制油合成基鉆井液體系受到不同加量的鉆屑污染后，φ6、YP值受溫度的影響較??；雖然體系的乳化穩(wěn)定性略有下降，但現(xiàn)場可以通過增加潤濕劑的方法使其提高。

表2 在不同加量深水用煤制油恒流變合成基鉆井液體系鉆屑污染后的主要流變參數(shù)

3）壓力對鉆井液性能影響?？疾炝瞬煌瑝毫l件下深水用煤制油合成基鉆井液性能的變化情況，結(jié)果見表3。從表3的測試結(jié)果可見，所研制深水用煤制油合成基鉆井液體系的φ6、YP值在0.1～35.0 MPa、4.0～65.5℃條件下仍能維持在合理的水平范圍內(nèi)，能達(dá)到清潔井眼的目的。

表3 不同壓力下深水用煤制油恒流變合成基鉆井液體系的主要流變參數(shù)

3 結(jié)論

1）以煤為原料制得的低運(yùn)動(dòng)粘度、低含硫量、低芳烴含量的煤制油能用于深水合成基鉆井液基液。

2）所研制的煤制油恒流變合成基鉆井液體系，其流變性能和乳化穩(wěn)定性能受老化溫度的影響小，抗鉆屑污染能力強(qiáng)，且受溫度-壓力變化影響也較小，完全能滿足深水鉆井作業(yè)的要求。

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（編輯：孫豐成）

Development of the coal liquefaction-based drilling fluid system with constant-rheology used in deep water

Luo Jiansheng Li zili Liu Gang Tian Rongjian Geng Tie Yu Lubin

（Oilfield Chemicals R&D Institute，COSL，Hebei，065201）

In order to solve pressure control problem in deep water drilling，the coal liquefaction-based drilling fluid system with constant-rheology has been developed．On the basis of the low viscosity coal liquefaction，the key materials for conventional synthetic drilling fluid are redesigned and optimized，so as to develop the coal liquefaction-based drilling fluid system with constant-rheology．The performance evaluation results show that it has good rheological properties and emulsion stability，and its YP andΦ6 have less changes among the operating temperature and pressure ranges，so that it satisfies the requirements of deep water drilling．

deep water；coal liquefaction；synthetic drilling fluid；constant-rheology；performance evaluation

2013-02-28改回日期：2013-05-02

*中海油田服務(wù)股份有限公司項(xiàng)目“深水恒流變合成基鉆井液體系的研究（編號：YHB12YF007）”部分研究成果。

羅健生，男，高級工程師，1999年畢業(yè)于原石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為中國海洋石油總公司產(chǎn)品研發(fā)專家，從事鉆完井液及儲層保護(hù)研究工作。地址：河北省三河市燕郊開發(fā)區(qū)行宮西大街81號中海油服油田化學(xué)研究院（郵編：065201）。