钻井液基础油的制备方法及应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于合成基钻井液基础油领域，具体设及一种将费托合成产物精馈切割后 分别通过异构化，最后按需调和得到钻井液基础油制备方法。
【背景技术】
[0002] 纵观钻井液近百年的发展历史，油基钻井液得到了越来越广泛的应用与认可。运 主要是由于其具有抗高溫、抗盐巧侵、润滑性好、有利于井壁稳定、对油气层损害程度较小 等优点。特别是为了提高机械转速，人们在20世纪70年代中期开始采用油包水乳化钻井 液后，油基钻井液进一步巩固了自己在市场上的主导地位。然而传统油基钻井液由于取之 于原油，不可避免的含有硫、氮、重金属、芳控等组分，使用时往往会对井场附近的生态环境 造成严重影响，对钻井人员的健康也会造成伤害。所含芳控对钻井设备的橡胶部件也同样 存在着较强的腐蚀作用。为了弥补上述瑕疵，满足对环境保护的要求，特别是适应海洋钻探 及页岩气开采的需求，对油基钻井液基础油的改造逐渐被重视起来[钻井液工艺学[M].石 油大学出社，2001.]。近年来出现的合成基钻井液基础油正好适时地解决了上述问题。
[0003] 合成基钻井液基础油一般为天然气制油或煤制油，即先将天然气或煤转化为合成 气，再经费托合成制得合成油。费托合成油品的历史可W追溯到20世纪20年代。1923 年F.Fischer和H.Tropsch发明了 CO非均相加氨生成控类的化学反应巧巧M E.化e Fischer - Tropsch process:1950 - 2000[J].化talysis today,2002, 71 (3):227-241.]。 应用费托合成反应可将天然气、煤和生物质等含碳资源间接转化成油品。原料中的硫、氮、 金属等在气化制合成气过程中被分离，使得所产油品可W满足各种苛刻的环保要求。费托 合成的另一大特点是产物中基本不含有芳控，特别是反应溫度较低时，产物主要W正构烧 控为主，不饱和控含量极低。费托合成反应产物分布范围极宽，如图1所示，将气态产物分 离后，产物分布依然遍布汽、柴油馈分至固体蜡等。如何选择合理的分离产品W对其进行高 附加值利用已成了费托合成工艺研发的一个重要问题。
[0004] 将费托合成产品应用于油基钻井液领域，需要注意产品馈分对最终性能的影响。 高碳数馈分可W带来基础油闪点、破乳电压、切力的提高，但随之而来的弊端是粘度与滤失 量的增加。粘度的增加会使钻具耗能增加，而滤失量的增加则会导致钻井液损失严重，提升 钻井成本。所W如何对不同馈分合理进行配比起到至关重要的作用。另外产品的异构化程 度也是一个很重要的一环，决定了产品的倾点。如果倾点过高，会给一些钻井现场钻井液调 配工作带来不必要的麻烦。 阳〇化]目前合成基钻井液制备一般是将费托产品经过一步简单异构或者不经过异构直 接作为钻井液基础油使用。如此一来后续过程需通过添加各种添加剂来控制最终产品的性 能。
[0006] CN1761734A公开了由费托合成产品制备基础油的方法，包括：(a)将费一托合成 产品分离成沸点为中间馈分油范围和更低的馈分（i)，重尾馈分（iii)，和沸点介于馈分 (i)和馈分（iii)之间的中间基础油前体馈分（ii);化）使基础油前体馈分（ii)经历催化 加氨异构化和催化脱蜡工艺，W产生一个或多个基础油等级；（C)使重尾馈分（iii)经历转 化步骤，W产生沸点低于重尾馈分（iii)的馈分（iv);和（d)使馈分（iv)的高沸点馈分（V) 经历催化加氨异构化和催化脱蜡工艺，W产生一个或多个基础油等级。
[0007] CN1761734A提出了由费托合成产品制备基础油，虽然该基础油也可W用于钻井 液的制备，但由于钻井液随不同的应用场景存在不同的需求，因此需要性能指标各异的基 础油。而对于一个工艺条件确定的费托合成路线，产品中某一组分的碳数分布比例是确定 的。并且由于工厂运行条件限制，不能快速的更换催化剂或频繁的改变反应溫度等工艺条 件，运样通过CN1761734A中的化）和（C)步虽然可W获得不同等级的基础油，但闪点、粘 度等指标是无法大范围调变的，目前并没有一种足够灵活的调配基础油的方法。与此同时 CN1761734A对ii馈分全部进行加氨异构化或催化脱蜡，从经济上来考虑并不是最优的，我 们完全可W针对其中很小一部分进行处理，达到同样的甚至更出色的效果。
[0008] 本发明就是针对上述问题提出的，通过将费托原料的中间馈分进一步进行蒸馈切 割成不同馈分后，首先对其中至少一种馈分进行异构化处理，然后将得到的经过异构处理 与未经过异构处理的几种馈分按比例进行调和，通过控制调和比例来使得钻井液基础油能 满足不同应用场合的需求，因此灵活的制得能满足各种条件的优质钻井液用基础油。本发 明也拓宽费托产品的产品用途，增加了费托产品附加值。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是为了克服费托合成产物在对应馈分的碳数分布不能满足钻井液 基础油性能指标要求的问题。同时减少产品异构加工量，节约人力物力，达到减少能耗、降 低成本的目的。 阳010] 为此，本发明提供一种合成基钻井液基础油的制备方法，包括如下步骤：
[0011] 1.将费托合成产品分离成沸点为中间馈分和更低的馈分及重尾馈分，中间馈分沸 点介于更低的馈分和重尾馈分之间；
[0012] 2.通过ASPEN软件或实验得到各种纯组分控类的闪点、倾点、粘度、切力、滤失量 等信息。根据钻井液最终应用场景对基础油的需求，设计一种通过前述馈分较易加工达到 的基础油组分（目标组分），并确定需要将上述中间馈分蒸馈切割成的组分数、每一组份的 异构的程度W及最终的调和比例。运里的调和比例根据实际应用场景的不同与各组分在费 托合成产品中原始的质量比可W有所不同的。
[0013] 3.对1所得中间馈分按照2的计算结果蒸馈切割成几种馈分；
[0014] 4.对切割成的几种馈分中的至少一种按照2的计算结果进行异构化处理，并将异 构化程度控制在50~100% ;
[0015] 5.根据钻井液的应用要求，将得到的经过异构处理与未经过异构处理的中间馈分 按比例进行调和，由于蒸馈切割步骤3与异构化步骤4不能完全达到2步骤的设计要求，所 W此处需要将4所得各组分使用最小二乘法确定能调和制备目标组分的最优调和比例，此 比例与2中最初计算的比例可W有所出入；
[0016] 6.对调和后产品进行蒸馈，将加氨异构副产物低碳控类除去，得产品。
[0017] 其中，所述费托合成特定馈分产品的馈分优选为150~400°C，更优选为180~ 380 °C，最佳为200~345 °C，正构烧控占比例〉90 %。
[0018] 所述反应溫度为300~400°C、反应压力为7~lOMPa、反应空为于0. 5~化1、氨 油比为100~500:1。
[0019] 按照GB-T 256对样品运动粘度进行测试，所有样品运动粘度均小于3mm2/s。按照 GB-T 261对样品闪点进行测试，所有样品闪点均大于80°C。按照SH/T0604对样品密度进 行测试，样品密度均在0. 6~1. Og/cm3之间。
[0020] 将样品按照常见的钻井液配方制成钻井液后，其50°c、18(rc破乳电压均大于 500V，180°C高溫高压滤失量HTHP30均小于25ml。
[0021] 本发明将费托产品先按馈分进行切割后，取其中对性能影响最大的某几个组分进 行异构处理，之后再按照最终应用场景设计调和比例进行调和，W此来提高基础油闪点、破 乳电压、切力性能同时，兼顾钻井液基础油粘度、滤失量、倾点等性能。本发明"一种灵活的 环保合成基钻井液基础油的制备方法"是从最终产品对基础油性能需求出发，选择合适的 工艺路线，包括原料切割段数、异构馈分选择、异构程度、调和比例。
[0022] 用于生产钻井液基础油的过程，没必要对全部原料一起进行异构，而只需要对其 中最关键的部分进行异构就可W 了，效果能更好，且消耗的人力物力少，凝点降低的幅度也 大，相比于不分割直接异构运一步骤，能使基础油的凝点降低幅度更大。
[0023] 为此，本发明可W解决基础油性能问题且灵活性高、指标更好，对于费托合成来 说，同一个催化剂或者同一个工厂生产出来的产品，对应中间馈分段，碳数分布是一定的， 运是费托合成催化剂确定的。进行异构只能通过控制异构化程度改变他的凝点运一个指 标，对于依赖碳数分布的指标比方说闪点、粘度等影响很小。运样严格的说，钻井液的应用 场景就受到了影响。有的需要高闪点的应用场景我们不可能去通过改变工厂的催化剂来满 足。因为工厂换一次催化剂人力物力耗费巨大。但是如果对运部分进行切割后再调和，根 据所需场景确定调和比例，不但满足了一个新的应用场景，而且产品的应用范围更广了。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明所用的一个典型的费托合成反应的非气相产物质量分布图。
【具体实施方式】
[0025] 本发明所设及的材料包含但并不局限于W下实施例中的材料。
[00%] 实施例1 : 一个典型的费托合成反应产品碳数分布
[0027] 采用Co基催化剂，合成气H2:C0 = 2,压力2MPa，溫度200°C，空速1000 h 1的条件 下进行费托和成反应，得到非气相产物的质量分布如图1所示。
[0028] 图1为本发明所用的一个典型的费托合成反应的非气相产物质量分布图。图中可 W看出，产物的碳数分布很宽，同时大部分产物集中分布在巧~C15馈分，与钻井液所需馈 分并不完全重合。W上两点因素使得直接将费托合成产物应用于钻井液基础油并不能满足 实际需求。
[0029] 实施例2 :钻井液基础油的制备方法
[0030] 费托合成产物通过蒸馈分离得到170~230°C、230~280°C，280~320°CS个 馈分段各化，对280~320°C馈分段进行加氨异构。反应压力在8MPa，溫度340°C，氨油比 300: 1，空速Ih 1的条件下，控制异构化率大于90%。之后将未异构化的馈分170~230°C、 230~280°C与异构化的馈分280~320°C按照2:6:2比例进行调和后，再次进行蒸馈切除 170°CW前的组分，得到产品。
[0031] 该样品运动粘度小于3mm7s、闪点大于80°C、倾点小于0°C。硫、氮含量均小于 Ippm,可W满足一般地区钻井需要及大部分环保要求。 阳03引实施例3 :钻井液基础油的制备方法
[0033] 费托合成产物通过蒸馈分离得到成200~280°C，280~320°C两个馈分段各化， 分别对其进行加氨异构。反应压力在8MPa，溫度315~335°C之间，氨油比300:1，空速Ih 1 的条件下，控制异构化率分别大于75%和85%。之后将两种异构产物200~280°C和280~ 320°C两个馈分按照7:3比例进行调和后，再次进行蒸馈切除200°C W前的组分，得到产品。
[0034] 该样品运动粘度小于3mm7s、闪点大于90°C、倾点小于-35°C。硫、氮含量均小于 Ippm,可W满足极寒地区W及海上作业钻井需要。
[0035] 实施例4 :钻井液基础油的制备方法
[0036] 费托合成产物通过蒸馈分离得到成200~230°C、230~280°C，280~345"CS个 馈分段各化，对230~280°C，280~345°C两个馈分段进行加氨异构。反应压力在7MPa， 溫度300~340°C，氨油比100:1，空速化1的条件下，控制异构化率分别大于65%和90%。 之后将未异构化的馈分200~230°C与异构化的馈分230~280°C、280~345°C按照2:5:3 比例进行调和后，再次进行蒸馈切除200°C W前的组分，得到产品。
[0037] 该样品运动粘度小于3mm7s、闪点大于80°C、倾点小于~10°C。硫、氮含量均小于 Ippm,可W满足一般地区钻井需要及大部分环保要求。
[0038] 实施例5 :钻井液基础油的制备方法
[0039] 费托合成产物通过蒸馈分离得到成150~230 °C、230~280 °C，280~ 345 °C，345~400 °C=个馈分段各化，对280~345 °C，345~400 °C两个馈分段进行加氨异 构。反应压力在lOMPa，溫度310~400。氨油比500:1，空速0.化1的条件下，控制异构 化率分别大于50%和99%。之后将未异构化的馈分150~230°C、230~280°C与异构化的 馈分2280~345°C，345~400°C按照1:3:4:2比例进行调和后，再次进行蒸馈切除150°C W前的组分，得到产品。 W40] 该样品运动粘度小于3皿2八、闪点大于80°C、倾点小于~10°C。硫、氮含量均小于 Ippm,可W满足一般地区钻井需要及大部分环保要求。
[0041] 实施例6 :钻井液测量破乳电压、高溫高压滤失量的调和配方。
[0042] 使用本发明中钻井液基础油制备方法得到不同种类钻井液基础油，按如下配 方制得钻井液后进行钻井液性能试验，配方如下：240ml钻井液基础油、6%乳化剂、60ml 化CI22O %溶液、2 %有机±、2 %化0、4 %降滤失剂、666g重晶石，配置好钻井液油水比4:1， 密度为2. Og/cm3。对其进行破乳电压、高溫高压滤失量测试，所用基础油碳数分布及对应最 终性能如表一所示：
[0043] 表一试验制得钻井液性能指标
[0044]
W45] 对比实验：加氨异构降低基础油倾点的效果比较
[0046] 使用费托合成产品174-400°C馈分段（倾点为12°C )，分别采用两种工艺条件，比 较其倾点变化。
[0047] (1)对174-400°(：馈分段进行整体异构，控制异构化程度在52.8%，产物倾点 为-2°C。
[0048] (2)仅对其中280-400°C馈分段进行异构，控制异构化程度在87. 3%，与未进行异 构的174-280°C馈分段按照原有比例进行调和，产物倾点-3rC。
[0049] 对费托产品加氨异构的主要目的就是降低凝点，可W看出（2)步骤加工量明显减 少，但对关键组分进行处理，达到的效果却远远地好于对全体组分进行一般性的处理，倾点 值显著降低。
【主权项】
1. 一种钻井液基础油的制备方法，包括如下步骤： a. 将费托合成产品分离成沸点为中间馏分和更低的馏分及重尾馏分，中间馏分沸点介 于更低的馏分和重尾馏分之间； b. 对所得中间馏分蒸馏切割成几种馏分； c. 对切割成的几种馏分中的至少一种异构化处理，并将异构化程度控制在50~ 100% ； d. 根据钻井液的应用要求，将得到的经过异构处理与未经过异构处理的中间馏分按比 例进行调和； e. 对调和后产品进行蒸馏，将加氢异构副产物低碳烃类除去，得产品。2. 根据权利要求1所述的钻井液基础油的制备方法，其特征在于：所述费托合成产品 的中间馏分为150~400 °C，正构烷烃占比例>90%。3. 根据权利要求2所述的钻井液基础油的制备方法，其特征在于：所述费托合成产品 的中间馏分为180~380°C。4. 根据权利要求3所述的钻井液基础油的制备方法，其特征在于：所述费托合成产品 的中间馏分为200~345 °C。5. 根据权利要求1~4任一项所述的钻井液基础油的制备方法，其特征在于：所述异 构化反应温度为300~400°C、异构化反应压力为7~lOMPa、异构化反应空速为0. 5~2h 1、 异构化氢油比为100~500:1。
【专利摘要】本发明涉及一种合成基钻井液基础油的制备方法，包括如下步骤：a、将费托合成特定馏分产品通过蒸馏切割成几种馏分；b、对所得几种馏分中一种或几种馏分进行异构化处理，通过改变反应条件控制异构化程度在50～100％之间；c、根据钻井液的应用要求，将得到的经过异构处理与未经过异构处理的几种馏分油按比例进行调和；d、对调和后产品进行蒸馏，将加氢异构副产物低碳烃类除去，得到用于性能测试及商业化应用的基础油样品。
【IPC分类】C10G67/00, C09K8/32
【公开号】CN105713661
【申请号】CN201410737298
【发明人】刘晓彤, 孔繁华, 刘克峰, 肖海成, 李庆勋, 张天釜
【申请人】中国石油天然气股份有限公司