深水用煤制油恒流变合成基钻井液体系的研制*

罗健生 李自立 刘 刚 田荣剑 耿 铁 郁鲁彬

（中海油田服务股份有限公司油田化学事业部）

深水用煤制油恒流变合成基钻井液体系的研制*

罗健生 李自立 刘 刚 田荣剑 耿 铁 郁鲁彬

（中海油田服务股份有限公司油田化学事业部）

为了解决深水钻井中的压力控制问题，研制了一套深水用煤制油恒流变合成基钻井液体系。该钻井液体系是以新研制的低粘度深水用煤制油作为基液，对传统的合成基钻井液关键处理剂进行了重新设计及优选组合，从而构建了深水用合成基钻井液体系。性能评价实验结果表明，所研制的深水用煤制油恒流变合成基钻井液体系具有良好的流变性和乳化稳定性，动切力和φ6值受温度及压力影响小，可以满足深水钻井作业的要求。

深水；煤制油；合成基钻井液；恒流变；性能评价

和浅水钻井作业相比，深水钻井作业面临的主要问题包括井壁稳定、钻井液用量大、作业安全密度窗口窄、井眼清洁、低温下钻井液的流变性、浅层气及形成天然气水合物等多个方面［1-4］。综合考虑钻井作业的顺利进行及安全，合成基钻井液提供了优越的井眼稳定性和最大化的机械钻速，因此深水及超深水钻井作业基本以合成基钻井液体系为首选［5］。然而传统的合成基钻井液的流变性受温度和压力的影响较大，如在水深为1 000 m的南中国海深水钻井作业中，由于泥线温度在4℃左右（在4～65.6℃条件下，油基钻井液的流变性变化较大，尤其是动切力YP、φ6和φ3读数），将使钻井液在低温条件下增稠，导致钻井作业时当量循环密度和启动泵压、激动泵压变化较大而不好控制，很容易出现严重的井下漏失，从而增加非工作时间（NPT）和作业费用，进而增加合成基钻井液的成本。

国内外在有关深水合成基钻井液流变性方面所做的研究主要有：长江大学王松［2］介绍了墨西哥湾的酯／烯烃基钻井液、IO和酯基钻井液及环境可接受的专用合成基钻井液等；中国石油大学（北京）耿娇娇等［6］介绍了具有恒流变特性的深水合成基钻井液（CR-SBM），其组成与传统合成基钻井液（SBM）基本相同，不同之处在于有机土的加量和乳化剂的类型；长江大学岳前升等［7］研究了线性α-烯烃合成基钻井液在不同组成时的粘-温特性，分析了乳化剂种类、有机土加量、油水比以及钻井液密度等对合成基钻井液低温流动性的影响。上述研究人员虽然对国外深水合成基钻井液进行了一些调研，但是关键材料如基液、乳化剂、增粘剂等均是核心技术，且处于保密状态。针对这一现状，笔者研制了一种国产化的煤制油合成基钻井液，其基液是用煤通过间接气化等复杂工艺合成的，该煤制油几乎不含硫、氮及芳烃，运动粘度很小。该煤制油通过配合特制的乳化剂等关键材料构建的合成基钻井液在低温条件下流变性能稳定，尤其是YP、φ6和φ3读数在4℃～65.5℃之间变化平稳（即所说的恒流变钻井液［8-9］），且钻井液综合性能好，完全能满足深水条件下的正常钻进。本文重点阐述深水用煤制油的研制及深水用煤制油恒流变合成基钻井液体系性能研究成果。

1 深水用煤制油的研制及性能测试

普通煤制油是以煤炭为原料生产出的液体燃料［10］；而深水用煤制油则是通过特殊工艺合成的，加工方法分3步进行：①将原料煤与氧气、水蒸汽反应，并将煤全部气化，制得的粗煤气经过变换、脱硫、脱碳制成一定体积比的洁净合成气（H2、CO的混合物）；②在一定温度和压力条件下，加入催化剂及载体，通过费托法使所述合成气发生合成反应，生成烃类化合物；③在160～300℃条件下对合成的烃类化合物进行精馏，得到烷烃类物质，并添加相应的处理剂，即得深水钻井所需的基液——煤制油。具体反应过程如下：

对所制的深水用煤制油进行了性能测试，并将其与气制油及矿物油进行对比，结果见表1。从表1可以看出，与气制油、5＃白油相比，深水用煤制油运动粘度更低，且芳烃和硫含量最小，既有利于提高机械钻速，又有利于在低温条件下钻井液粘度不会太高，从而使得合成基钻井液流变性能在不同温度下变化平稳。

表1 深水用煤制油与气制油、矿物油的性能比较

深水用煤制油的碳数分布如图1所示。从图1可以看出，深水用煤制油的碳数主要分布在C9～C15之间，这种窄的碳数分布能使煤制油的粘度受温度的影响小，有利于流变性能稳定的钻井液配制。

图1 深水用煤制油的碳数分布

2 深水用煤制油恒流变合成基钻井液体系设计及性能评价

2.1 钻井液体系设计

深水用合成基钻井液除了要具备传统的合成基钻井液的性能优点之外，还必须要求其流变性能受温度及压力影响小，尤其是YP、φ6和φ3读数变化平稳，否则钻井液ECD（当量循环密度）变化大，容易导致井漏等复杂情况发生。这就要求配制合成基钻井液的材料有特殊的性能，如基液的运动粘度低，碳数分布集中，并尽可能使用少量的有机土作增粘剂等。因此，选取以下方式来构建合成基体系以实现恒流变的特性：使用少量的有机土，配合使用具有乳化功能的聚合物增粘剂，此类聚合物增粘剂在低温条件下呈卷曲状态且对粘度无影响。随着温度升高，有机土的增粘效果会有所减弱，此时聚合物增粘剂将发挥主要的增粘作用；而随着温度降低，聚合物增粘剂逐渐紧缩，此时有机土主要起增粘作用。最终设计的恒流变合成基钻井液体系构成为：基液（低运动粘度的深水煤制油）、乳化剂（具有乳化功能的聚合物增粘剂与妥尔油酰胺等混合物）、润湿剂、有机土、降滤失剂、重晶石。

2.2 钻井液体系性能评价

传统的合成基钻井液的流变性能一般使用六速粘度计或Fann50来测定，但这些仪器不能测定低温条件下钻井液的流变性能，而在深水钻井作业中，钻井液必须要具备良好的低温高压流变性能，所以在钻井液体系性能评价实验中增加了低温高压流变性能测定。

2.2.1实验用材料及仪器

实验用材料：煤制油、有机土、降滤失剂、重晶石（取自中海油田服务股份有限公司），氯化钙（分析纯），氧化钙（工业级），乳化剂、润湿剂（自制）。

实验用仪器：六速旋转粘度计（青岛海通达），Fann ix77流变仪、破乳电压测试仪、高温高压滤失量测定仪（美国Fann公司），高温滚子炉（美国OFITE公司）等。

2.2.2评价方法

1）合成基钻井液的配制：在煤制油中加入有机土，中速搅拌10 min；加入乳化剂，高速搅拌2 min；在高速搅拌的条件下加入25%的氯化钙溶液，高速搅拌30 min；加入氧化钙，高速搅拌5 min；加入润湿剂，高速搅拌5 min；加入降滤失剂，高速搅拌8 min；加入重晶石到所需密度，高速搅拌20 min，装入老化罐后置于高温滚子炉中恒温老化。

2）合成基钻井液的基础配方：煤制油280 mL＋主乳化剂＋辅助乳化剂＋润湿剂＋120 m L25% CaCl2溶液＋有机土＋氧化钙＋降滤失剂＋重晶石粉加重到1.2 g／cm3。

3）合成基钻井液的性能测试：合成基钻井液的流变性、滤失量和电稳定性等测试参照GB／T 16783.2-2012［11］要求进行。

4）合成基钻井液的粘度-温度性能测试：将待测样品在低温条件下养护2～3 h，取出置于带加热套的六速旋转粘度计上测试其在4～65.5℃条件下的常压流变性能，YP和φ6值作为衡量体系恒流变的主要参数。

5）合成基抗钻屑污染评价：在合成基钻井液中加入不同量的Bz34-1油田的钻屑粉（过80目筛），在100℃下老化16 h，用六速旋转粘度计测试其在4.0～65.5℃条件下的常压流变性能。

6）合成基钻井液高压流变性能测试：使用Fann ix77流变仪，在0.1～35.0 MPa、4.0～65.5℃条件下测定钻井液的流变性能。

2.2.3结果与讨论

图2 不同温度热滚后深水用煤制油恒流变合成基钻井液体系的φ6值随测试温度的变化

图3 不同温度热滚后深水用煤制油恒流变合成基钻井液体系的YP（动切力）值随测试温度的变化

图4 不同温度热滚后深水用煤制油恒流变合成基钻井液体系的ES（破乳电压）值随测试温度的变化

1）不同温度老化后钻井液性能。不同温度老化后深水用煤制油合成基钻井液性能测试结果如图2～4所示。从图2～4可以看出，经过不同温度热滚老化后，所研制深水用煤制油合成基钻井液体系的φ6值、YP以及ES（破乳电压）随测试温度的影响较小，完全能满足恒流变的要求，且乳化稳定性好。

2）抗钻屑污染能力。深水用煤制油合成基钻井液在不同加量钻屑污染后流变性能见表2。从表2的测试结果可见，所研制深水用煤制油合成基钻井液体系受到不同加量的钻屑污染后，φ6、YP值受温度的影响较小；虽然体系的乳化稳定性略有下降，但现场可以通过增加润湿剂的方法使其提高。

表2 在不同加量深水用煤制油恒流变合成基钻井液体系钻屑污染后的主要流变参数

3）压力对钻井液性能影响。考察了不同压力条件下深水用煤制油合成基钻井液性能的变化情况，结果见表3。从表3的测试结果可见，所研制深水用煤制油合成基钻井液体系的φ6、YP值在0.1～35.0 MPa、4.0～65.5℃条件下仍能维持在合理的水平范围内，能达到清洁井眼的目的。

表3 不同压力下深水用煤制油恒流变合成基钻井液体系的主要流变参数

3 结论

1）以煤为原料制得的低运动粘度、低含硫量、低芳烃含量的煤制油能用于深水合成基钻井液基液。

2）所研制的煤制油恒流变合成基钻井液体系，其流变性能和乳化稳定性能受老化温度的影响小，抗钻屑污染能力强，且受温度-压力变化影响也较小，完全能满足深水钻井作业的要求。

［1］ 李怀科，王楠，田荣剑．等．深水条件下气制油合成基钻井液流变性和流变模式研究［J］．中国海上油气，2010，22（6）：406-408．

［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，2009，37（3）：8-12．

［3］ 孙宝江，公培斌，刘震，等．双通道钻杆反循环钻井方法在深水钻井中应用的可行性探讨［J］．中国海上油气，2013，25（1）：49-53．

［4］ 翟羽佳，汪志明，郭晓乐．深水钻井水力参数计算及优选方法［J］．中国海上油气，2013，25（1）：59-63，68．

［5］ 胡友林，乌效鸣，岳前升，等．深水钻井气制油合成基钻井液室内研究［J］．石油钻探技术，2012，40（6）：38-42．

［6］ 耿娇娇，鄢捷年，李怀科，等．具有恒流变特性的深水合成基钻井液［J］．石油钻探技术，2010，38（2）：91-94．

［7］ 岳前升，刘书杰，何保生，等．深水钻井条件下气制油合成基钻井液低温流动性室内研究［J］．石油天然气学报，2010，32（4）：102-107．

［8］ VAN OORT E，LEE J，FRIEDHEIM J，et al．New flat-rheology synthetic-based mud for improved deepwater drilling［R］．SPE 90987，2004．

［9］ ROJAS J C，BERN P，PLUTT L J，et al．New constant-rheology synthetic-based fluid reduces downhole losses in deepwater environments［R］．SPE 109586，2007．

［10］ 黄清．煤化工的最高境界：煤制油［J］．洁净煤技术，2004，26（3）：45-47．

［11］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．GB／T 16783.2-2012石油天然气工业钻井液现场测试第2部分：油基钻井液［S］．北京：中国标准出版社，2012．

（编辑：孙丰成）

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

*中海油田服务股份有限公司项目“深水恒流变合成基钻井液体系的研究（编号：YHB12YF007）”部分研究成果。

罗健生，男，高级工程师，1999年毕业于原石油大学（北京）油气井工程专业，获硕士学位，现为中国海洋石油总公司产品研发专家，从事钻完井液及储层保护研究工作。地址：河北省三河市燕郊开发区行宫西大街81号中海油服油田化学研究院（邮编：065201）。