鑽井液基礎油的製備方法及應用
2023-10-26 05:44:02 1
鑽井液基礎油的製備方法及應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬於合成基鑽井液基礎油領域，具體設及一種將費託合成產物精饋切割後 分別通過異構化，最後按需調和得到鑽井液基礎油製備方法。
【背景技術】
[0002] 縱觀鑽井液近百年的發展歷史，油基鑽井液得到了越來越廣泛的應用與認可。運 主要是由於其具有抗高溫、抗鹽巧侵、潤滑性好、有利於井壁穩定、對油氣層損害程度較小 等優點。特別是為了提高機械轉速，人們在20世紀70年代中期開始採用油包水乳化鑽井 液後，油基鑽井液進一步鞏固了自己在市場上的主導地位。然而傳統油基鑽井液由於取之 於原油，不可避免的含有硫、氮、重金屬、芳控等組分，使用時往往會對井場附近的生態環境 造成嚴重影響，對鑽井人員的健康也會造成傷害。所含芳控對鑽井設備的橡膠部件也同樣 存在著較強的腐蝕作用。為了彌補上述瑕疵，滿足對環境保護的要求，特別是適應海洋鑽探 及頁巖氣開採的需求，對油基鑽井液基礎油的改造逐漸被重視起來[鑽井液工藝學[M].石 油大學出社，2001.]。近年來出現的合成基鑽井液基礎油正好適時地解決了上述問題。
[0003] 合成基鑽井液基礎油一般為天然氣制油或煤制油，即先將天然氣或煤轉化為合成 氣，再經費託合成製得合成油。費託合成油品的歷史可W追溯到20世紀20年代。1923 年F.Fischer和H.Tropsch發明了 CO非均相加氨生成控類的化學反應巧巧M E.化e Fischer - Tropsch process:1950 - 2000[J].化talysis today,2002, 71 (3):227-241.]。 應用費託合成反應可將天然氣、煤和生物質等含碳資源間接轉化成油品。原料中的硫、氮、 金屬等在氣化制合成氣過程中被分離，使得所產油品可W滿足各種苛刻的環保要求。費託 合成的另一大特點是產物中基本不含有芳控，特別是反應溫度較低時，產物主要W正構燒 控為主，不飽和控含量極低。費託合成反應產物分布範圍極寬，如圖1所示，將氣態產物分 離後，產物分布依然遍布汽、柴油饋分至固體蠟等。如何選擇合理的分離產品W對其進行高 附加值利用已成了費託合成工藝研發的一個重要問題。
[0004] 將費託合成產品應用於油基鑽井液領域，需要注意產品饋分對最終性能的影響。 高碳數饋分可W帶來基礎油閃點、破乳電壓、切力的提高，但隨之而來的弊端是粘度與濾失 量的增加。粘度的增加會使鑽具耗能增加，而濾失量的增加則會導致鑽井液損失嚴重，提升 鑽井成本。所W如何對不同饋分合理進行配比起到至關重要的作用。另外產品的異構化程 度也是一個很重要的一環，決定了產品的傾點。如果傾點過高，會給一些鑽井現場鑽井液調 配工作帶來不必要的麻煩。 陽〇化]目前合成基鑽井液製備一般是將費託產品經過一步簡單異構或者不經過異構直 接作為鑽井液基礎油使用。如此一來後續過程需通過添加各種添加劑來控制最終產品的性 能。
[0006] CN1761734A公開了由費託合成產品製備基礎油的方法，包括：(a)將費一託合成 產品分離成沸點為中間饋分油範圍和更低的饋分（i)，重尾饋分（iii)，和沸點介於饋分 (i)和饋分（iii)之間的中間基礎油前體饋分（ii);化）使基礎油前體饋分（ii)經歷催化 加氨異構化和催化脫蠟工藝，W產生一個或多個基礎油等級；（C)使重尾饋分（iii)經歷轉 化步驟，W產生沸點低於重尾饋分（iii)的饋分（iv);和（d)使饋分（iv)的高沸點饋分（V) 經歷催化加氨異構化和催化脫蠟工藝，W產生一個或多個基礎油等級。
[0007] CN1761734A提出了由費託合成產品製備基礎油，雖然該基礎油也可W用於鑽井 液的製備，但由於鑽井液隨不同的應用場景存在不同的需求，因此需要性能指標各異的基 礎油。而對於一個工藝條件確定的費託合成路線，產品中某一組分的碳數分布比例是確定 的。並且由於工廠運行條件限制，不能快速的更換催化劑或頻繁的改變反應溫度等工藝條 件，運樣通過CN1761734A中的化）和（C)步雖然可W獲得不同等級的基礎油，但閃點、粘 度等指標是無法大範圍調變的，目前並沒有一種足夠靈活的調配基礎油的方法。與此同時 CN1761734A對ii饋分全部進行加氨異構化或催化脫蠟，從經濟上來考慮並不是最優的，我 們完全可W針對其中很小一部分進行處理，達到同樣的甚至更出色的效果。
[0008] 本發明就是針對上述問題提出的，通過將費託原料的中間饋分進一步進行蒸饋切 割成不同饋分後，首先對其中至少一種饋分進行異構化處理，然後將得到的經過異構處理 與未經過異構處理的幾種饋分按比例進行調和，通過控制調和比例來使得鑽井液基礎油能 滿足不同應用場合的需求，因此靈活的製得能滿足各種條件的優質鑽井液用基礎油。本發 明也拓寬費託產品的產品用途，增加了費託產品附加值。
【發明內容】
[0009] 本發明的目的是為了克服費託合成產物在對應饋分的碳數分布不能滿足鑽井液 基礎油性能指標要求的問題。同時減少產品異構加工量，節約人力物力，達到減少能耗、降 低成本的目的。 陽010] 為此，本發明提供一種合成基鑽井液基礎油的製備方法，包括如下步驟：
[0011] 1.將費託合成產品分離成沸點為中間饋分和更低的饋分及重尾饋分，中間饋分沸 點介於更低的饋分和重尾饋分之間；
[0012] 2.通過ASPEN軟體或實驗得到各種純組分控類的閃點、傾點、粘度、切力、濾失量 等信息。根據鑽井液最終應用場景對基礎油的需求，設計一種通過前述饋分較易加工達到 的基礎油組分（目標組分），並確定需要將上述中間饋分蒸饋切割成的組分數、每一組份的 異構的程度W及最終的調和比例。運裡的調和比例根據實際應用場景的不同與各組分在費 託合成產品中原始的質量比可W有所不同的。
[0013] 3.對1所得中間饋分按照2的計算結果蒸饋切割成幾種饋分；
[0014] 4.對切割成的幾種饋分中的至少一種按照2的計算結果進行異構化處理，並將異 構化程度控制在50~100% ;
[0015] 5.根據鑽井液的應用要求，將得到的經過異構處理與未經過異構處理的中間饋分 按比例進行調和，由於蒸饋切割步驟3與異構化步驟4不能完全達到2步驟的設計要求，所 W此處需要將4所得各組分使用最小二乘法確定能調和製備目標組分的最優調和比例，此 比例與2中最初計算的比例可W有所出入；
[0016] 6.對調和後產品進行蒸饋，將加氨異構副產物低碳控類除去，得產品。
[0017] 其中，所述費託合成特定饋分產品的饋分優選為150~400°C，更優選為180~ 380 °C，最佳為200~345 °C，正構燒控佔比例〉90 %。
[0018] 所述反應溫度為300~400°C、反應壓力為7~lOMPa、反應空為於0. 5~化1、氨 油比為100~500:1。
[0019] 按照GB-T 256對樣品運動粘度進行測試，所有樣品運動粘度均小於3mm2/s。按照 GB-T 261對樣品閃點進行測試，所有樣品閃點均大於80°C。按照SH/T0604對樣品密度進 行測試，樣品密度均在0. 6~1. Og/cm3之間。
[0020] 將樣品按照常見的鑽井液配方製成鑽井液後，其50°c、18(rc破乳電壓均大於 500V，180°C高溫高壓濾失量HTHP30均小於25ml。
[0021] 本發明將費託產品先按饋分進行切割後，取其中對性能影響最大的某幾個組分進 行異構處理，之後再按照最終應用場景設計調和比例進行調和，W此來提高基礎油閃點、破 乳電壓、切力性能同時，兼顧鑽井液基礎油粘度、濾失量、傾點等性能。本發明"一種靈活的 環保合成基鑽井液基礎油的製備方法"是從最終產品對基礎油性能需求出發，選擇合適的 工藝路線，包括原料切割段數、異構饋分選擇、異構程度、調和比例。
[0022] 用於生產鑽井液基礎油的過程，沒必要對全部原料一起進行異構，而只需要對其 中最關鍵的部分進行異構就可W 了，效果能更好，且消耗的人力物力少，凝點降低的幅度也 大，相比於不分割直接異構運一步驟，能使基礎油的凝點降低幅度更大。
[0023] 為此，本發明可W解決基礎油性能問題且靈活性高、指標更好，對於費託合成來 說，同一個催化劑或者同一個工廠生產出來的產品，對應中間饋分段，碳數分布是一定的， 運是費託合成催化劑確定的。進行異構只能通過控制異構化程度改變他的凝點運一個指 標，對於依賴碳數分布的指標比方說閃點、粘度等影響很小。運樣嚴格的說，鑽井液的應用 場景就受到了影響。有的需要高閃點的應用場景我們不可能去通過改變工廠的催化劑來滿 足。因為工廠換一次催化劑人力物力耗費巨大。但是如果對運部分進行切割後再調和，根 據所需場景確定調和比例，不但滿足了一個新的應用場景，而且產品的應用範圍更廣了。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發明所用的一個典型的費託合成反應的非氣相產物質量分布圖。
【具體實施方式】
[0025] 本發明所設及的材料包含但並不局限於W下實施例中的材料。
[00%] 實施例1 : 一個典型的費託合成反應產品碳數分布
[0027] 採用Co基催化劑，合成氣H2:C0 = 2,壓力2MPa，溫度200°C，空速1000 h 1的條件 下進行費託和成反應，得到非氣相產物的質量分布如圖1所示。
[0028] 圖1為本發明所用的一個典型的費託合成反應的非氣相產物質量分布圖。圖中可 W看出，產物的碳數分布很寬，同時大部分產物集中分布在巧~C15饋分，與鑽井液所需饋 分並不完全重合。W上兩點因素使得直接將費託合成產物應用於鑽井液基礎油並不能滿足 實際需求。
[0029] 實施例2 :鑽井液基礎油的製備方法
[0030] 費託合成產物通過蒸饋分離得到170~230°C、230~280°C，280~320°CS個 饋分段各化，對280~320°C饋分段進行加氨異構。反應壓力在8MPa，溫度340°C，氨油比 300: 1，空速Ih 1的條件下，控制異構化率大於90%。之後將未異構化的饋分170~230°C、 230~280°C與異構化的饋分280~320°C按照2:6:2比例進行調和後，再次進行蒸饋切除 170°CW前的組分，得到產品。
[0031] 該樣品運動粘度小於3mm7s、閃點大於80°C、傾點小於0°C。硫、氮含量均小於 Ippm,可W滿足一般地區鑽井需要及大部分環保要求。 陽03引實施例3 :鑽井液基礎油的製備方法
[0033] 費託合成產物通過蒸饋分離得到成200~280°C，280~320°C兩個饋分段各化， 分別對其進行加氨異構。反應壓力在8MPa，溫度315~335°C之間，氨油比300:1，空速Ih 1 的條件下，控制異構化率分別大於75%和85%。之後將兩種異構產物200~280°C和280~ 320°C兩個饋分按照7:3比例進行調和後，再次進行蒸饋切除200°C W前的組分，得到產品。
[0034] 該樣品運動粘度小於3mm7s、閃點大於90°C、傾點小於-35°C。硫、氮含量均小於 Ippm,可W滿足極寒地區W及海上作業鑽井需要。
[0035] 實施例4 :鑽井液基礎油的製備方法
[0036] 費託合成產物通過蒸饋分離得到成200~230°C、230~280°C，280~345"CS個 饋分段各化，對230~280°C，280~345°C兩個饋分段進行加氨異構。反應壓力在7MPa， 溫度300~340°C，氨油比100:1，空速化1的條件下，控制異構化率分別大於65%和90%。 之後將未異構化的饋分200~230°C與異構化的饋分230~280°C、280~345°C按照2:5:3 比例進行調和後，再次進行蒸饋切除200°C W前的組分，得到產品。
[0037] 該樣品運動粘度小於3mm7s、閃點大於80°C、傾點小於~10°C。硫、氮含量均小於 Ippm,可W滿足一般地區鑽井需要及大部分環保要求。
[0038] 實施例5 :鑽井液基礎油的製備方法
[0039] 費託合成產物通過蒸饋分離得到成150~230 °C、230~280 °C，280~ 345 °C，345~400 °C=個饋分段各化，對280~345 °C，345~400 °C兩個饋分段進行加氨異 構。反應壓力在lOMPa，溫度310~400。氨油比500:1，空速0.化1的條件下，控制異構 化率分別大於50%和99%。之後將未異構化的饋分150~230°C、230~280°C與異構化的 饋分2280~345°C，345~400°C按照1:3:4:2比例進行調和後，再次進行蒸饋切除150°C W前的組分，得到產品。 W40] 該樣品運動粘度小於3皿2八、閃點大於80°C、傾點小於~10°C。硫、氮含量均小於 Ippm,可W滿足一般地區鑽井需要及大部分環保要求。
[0041] 實施例6 :鑽井液測量破乳電壓、高溫高壓濾失量的調和配方。
[0042] 使用本發明中鑽井液基礎油製備方法得到不同種類鑽井液基礎油，按如下配 方製得鑽井液後進行鑽井液性能試驗，配方如下：240ml鑽井液基礎油、6%乳化劑、60ml 化CI22O %溶液、2 %有機±、2 %化0、4 %降濾失劑、666g重晶石，配置好鑽井液油水比4:1， 密度為2. Og/cm3。對其進行破乳電壓、高溫高壓濾失量測試，所用基礎油碳數分布及對應最 終性能如表一所示：
[0043] 表一試驗製得鑽井液性能指標
[0044]
W45] 對比實驗：加氨異構降低基礎油傾點的效果比較
[0046] 使用費託合成產品174-400°C饋分段（傾點為12°C )，分別採用兩種工藝條件，比 較其傾點變化。
[0047] (1)對174-400°(：饋分段進行整體異構，控制異構化程度在52.8%，產物傾點 為-2°C。
[0048] (2)僅對其中280-400°C饋分段進行異構，控制異構化程度在87. 3%，與未進行異 構的174-280°C饋分段按照原有比例進行調和，產物傾點-3rC。
[0049] 對費託產品加氨異構的主要目的就是降低凝點，可W看出（2)步驟加工量明顯減 少，但對關鍵組分進行處理，達到的效果卻遠遠地好於對全體組分進行一般性的處理，傾點 值顯著降低。
【主權項】
1. 一種鑽井液基礎油的製備方法，包括如下步驟： a. 將費託合成產品分離成沸點為中間餾分和更低的餾分及重尾餾分，中間餾分沸點介 於更低的餾分和重尾餾分之間； b. 對所得中間餾分蒸餾切割成幾種餾分； c. 對切割成的幾種餾分中的至少一種異構化處理，並將異構化程度控制在50~ 100% ； d. 根據鑽井液的應用要求，將得到的經過異構處理與未經過異構處理的中間餾分按比 例進行調和； e. 對調和後產品進行蒸餾，將加氫異構副產物低碳烴類除去，得產品。2. 根據權利要求1所述的鑽井液基礎油的製備方法，其特徵在於：所述費託合成產品 的中間餾分為150~400 °C，正構烷烴佔比例>90%。3. 根據權利要求2所述的鑽井液基礎油的製備方法，其特徵在於：所述費託合成產品 的中間餾分為180~380°C。4. 根據權利要求3所述的鑽井液基礎油的製備方法，其特徵在於：所述費託合成產品 的中間餾分為200~345 °C。5. 根據權利要求1~4任一項所述的鑽井液基礎油的製備方法，其特徵在於：所述異 構化反應溫度為300~400°C、異構化反應壓力為7~lOMPa、異構化反應空速為0. 5~2h 1、 異構化氫油比為100~500:1。
【專利摘要】本發明涉及一種合成基鑽井液基礎油的製備方法，包括如下步驟：a、將費託合成特定餾分產品通過蒸餾切割成幾種餾分；b、對所得幾種餾分中一種或幾種餾分進行異構化處理，通過改變反應條件控制異構化程度在50～100％之間；c、根據鑽井液的應用要求，將得到的經過異構處理與未經過異構處理的幾種餾分油按比例進行調和；d、對調和後產品進行蒸餾，將加氫異構副產物低碳烴類除去，得到用於性能測試及商業化應用的基礎油樣品。
【IPC分類】C10G67/00, C09K8/32
【公開號】CN105713661
【申請號】CN201410737298
【發明人】劉曉彤, 孔繁華, 劉克峰, 肖海成, 李慶勳, 張天釜
【申請人】中國石油天然氣股份有限公司