生物质合成基液LAE-12的合成及性能研究

单海霞，王中华，何焕杰，孙　举，郭民乐，刘明华，徐　勤

（中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳457001）

生物质合成基液LAE-12的合成及性能研究

单海霞，王中华，何焕杰，孙举，郭民乐，刘明华，徐勤

（中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳457001）

单海霞等.生物质合成基液LAE-12的合成及性能研究[J].钻井液与完井液，2016，33（2）：1-4.

生物质合成基钻井液被认为是替代油基钻井液且又能安全钻进的一类环保型钻井液。研究出一种生物质合成基钻井液用基液新材料——月桂醚LAE-12，其以月桂醇为原料通过一步法进行合成；对LAE-12的基本理化性质、黏温特性及抗水解性能进行评价，并与柴油、白油和生物柴油进行对比。结果表明，LAE-12的闪点、倾点、沸点、极压润滑系数依次为137 ℃、-13 ℃、289 ℃和0.039，表明LAE-12的安全、润滑性能优于柴油、白油；在0～90 ℃，LAE-12的黏温曲线变化较柴油、白油平缓，与生物柴油相当；在pH值为12的水溶液中，LAE-12具有强的抗水解性能，而生物柴油的水解率达72%；LAE-12配制的钻井液在油水比为8∶2时，破乳电压大于600 V，动塑比在0.30 Pa/mPa·s以上，150 ℃下连续老化64 h，流变性基本无变化，室内效果与油基钻井液相当。

合成基钻井液；基液；生物质；醚；稳定性；合成

随着国家环境保护要求的日益严格，发展环保型的钻井液、开发绿色钻井液基液，已经成为钻井液研究和应用的主要方向[1-6]。生物质合成基钻井液作为一种新兴的钻井液体系，被认为是替代油基钻井液且又能安全钻进的一类绿色、环保型钻井液[7-11]。月桂醚LAE-12是一种性能优异、可生物降解的“绿色化学品”。研究以天然来源的月桂醇为原料，通过“一锅煮”方法进行LAE-12的合成，对合成产品的理化性能进行研究，并同柴油、白油和生物柴油进行对比；以LAE-12为基液，通过复配乳化剂、降滤失剂等初步形成一种生物质合成基钻井液，其性能与油基钻井液相当。目前，还未见到有关钻井液用月桂醚基液的合成及应用的相关报道。

1　实验部分

1）月桂醚的合成。将月桂醇、环氧氯代烷、40%氢氧化钠溶液和三氟化硼·乙醚按一定质量比加入到装有回流冷凝管、温度计和搅拌装置的三口烧瓶中，搅拌升温至70～80 ℃，保持回流时间为18～20 h，停止反应，得到月桂醚混合液。

2）月桂醇烷基醚的纯化。首先，将得到的月桂醚混合液进行抽滤，除去固体盐；然后，将滤液用分液漏斗进行分离，分离出上层有机相和下层水相；最后，将有机相在0.9 MPa、120 ℃条件下减压蒸馏1 h，得到淡黄色透明油状液体——月桂醚LAE-12。

2　结果与讨论

2.1合成产品的性能研究

2.1.1基本物理性能

作为钻井液的基液，月桂醚既要满足环境保护的要求，又要满足钻井的要求，因此除了首先必须考虑芳香烃含量外，基液的黏度、闪点、倾点、密度和降解温度也是应该考虑的因素。表1列出了LAE-12基液的基本物理性能。

表1　LAE-12与其他基液的物理性质对比

由表1可知，与柴油、白油相比，LAE-12的闪点较高、倾点较低，这表明其不易燃，流动性好，在生产、储运以及应用过程中安全性高；与生物柴油相比，LAE-12具有较低的黏度，所以在配制钻井液时可满足高密度、低黏度以及低油水比的需求；LAE-12基液中不含芳香烃，具有环境安全性。30 ℃下测定LAE-12的极压润滑系数为0.038 7，远低于相同条件下柴油的极压润滑系数，说明合成的LAE-12能满足水平井钻井液的润滑性能要求（极压润滑系数为0.08～0.1），可为钻井的安全、快速钻进提供保证。

2.1.2黏温特性

在实际钻进过程中，基液的黏度越低、对温度变化影响越小，越容易配制出性能优良的钻井液。研究了不同温度条件下LAE-12基液黏度的变化规律，结果见图1。由图1可知，LAE-12基液的黏度受温度变化影响比柴油、白油小，与生物柴油相当，特别是在低温段（0～10 ℃），LAE-12黏度变化平缓。分析LAE-12与柴油（白油）的黏温特性差异在于：柴油（白油）为混合物，含有一定量的长链烃和芳香烃，尤其是柴油，芳香烃含量在25%以上，这些成分在低温下会突变，使黏度增加，导致柴油（白油）基钻井液在低温条件下流变性能较差；而LAE-12和生物柴油为单一物质，温度变化对黏度影响较小，因此黏温特性变化平缓。以上表明，平缓的黏温特性能降低激动压力，稳定井壁，同时使钻井液性能容易维护，保证作业顺利。

图1　不同基液的黏温特性对比

2.1.3水解稳定性

醚作为强极化物质，与水会产生溶剂化效应，在钻井液配制过程中往往要加入一定的碱、盐水等维持其优良的乳化性能等，因此考察基液在不同碱度条件下的水解稳定性，是衡量其使用性能好坏的指标之一。考察了LAE-12在不同水溶液中的水解稳定性，并同柴油、生物柴油进行对比，结果见表2。水解稳定性考察条件为：在pH值为12的60 mL水溶液中，加入240 mL基液，于150 ℃下老化16 h，测定老化前后基液的质量、结构和组分变化，测定温度为60 ℃。

表2　基液LAE-12的水解稳定性能

由表2可知，基液LAE-12和柴油在不同的碱溶液中保持结构稳定，不水解，而相同条件下，生物柴油的抗水解能力很差，水解率达72.8%～93.1%。LAE-12因高温与水有一定的乳化，造成其有0.7%～2.9%的乳化损失率；柴油因开口测定过程中，部分轻质石油烃组分挥发造成4.7%～9.3%的质量损失率，这也是现场油基钻井液在循环使用过程中有气味产生的原因之一。以上表明，LAE-12具有良好的水解稳定性。

2.2LAE-12配制的钻井液性能评价

1）基本性能。参考中原石油工程公司钻井工程技术研究院自主研发的油基钻井液配方[3]，将柴油基液替换为LAE-12，考察LAE-12配制的钻井液基本性能，结果见表3。钻井液配方如下。

1#300 mL基液/水+4%有机土+3%主乳化剂+3%辅乳化剂+4%降滤失剂+3%CaO+400 g重晶石（水为30%CaCl2溶液），钻井液密度为1.6 g/cm3

表3　LAE-12配制钻井液的基本性能实验结果

由表3可知，LAE-12与上述处理剂具有良好的配伍性，同时，在不同油水比时，LAE-12配制的钻井液具有良好的流变性和乳液稳定性，与柴油基钻井液性能相当；当油水比为7∶3时，动塑比大于0.30 Pa/mPa·s，破乳电压大于600 V。

2）抗温性能。LAE-12配制的钻井液在不同温度下的性能见图2。钻井液配方如下。

2#300 mL基液（油水比为8∶2）+4%有机土+3%主乳化剂+3%辅乳化剂+4%降滤失剂+3%CaO+400 g重晶石（钻井液密度为1.6 g/cm3）

图2　LAE-12配制钻井液的抗温性实验

从图2可知，该钻井液在100～180 ℃范围内具有良好的流变性和乳液稳定性，研究进一步表明，当温度为180 ℃时，钻井液仍具有良好的性能，重晶石未发生沉淀，说明LAE-12配制的钻井液具有良好的抗温性。

3）热稳定性。考察了钻井液在150 ℃下老化不同时间的热稳定性能，结果见表4。钻井液配方如下。

3#300 mL基液（油水比为8∶2）+4%有机土+3%主乳化剂+3%辅乳化剂+4%降滤失剂+3%CaO+400 g重晶石

表4　LAE-12配制钻井液的热稳定性（150 ℃）

由表4可知，随着老化时间的增加，钻井液表观黏度略有升高，切力基本没有变化，说明LAE-12与处理剂配伍后具有良好的热稳定性。

3　结论

1.以天然来源的月桂醇为原料，一步法合成出生物质合成基钻井液用基液——月桂醚，与柴油、白油相比，产品具有低黏、强润滑、耐水解、无毒等优良性能。

2.对月桂醚的黏温性能、耐水解性能进行评价。在0～90 ℃，月桂醚的黏度受温度影响变化较柴油小，与生物柴油相当；180 ℃时，LAE-12仍具备良好的抗水解性能。

3.月桂醚配制的钻井液在油水比为8∶2时，破乳电压大于600 V，动塑比在0.30 Pa/mPa·s以上，150 ℃下连续老化64 h，流变性基本无变化，表明LAE-12配制的钻井液具有良好的乳化、抗温和热稳定性能，室内效果与油基钻井液相当。

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Synthesis and Performance Evaluation of Bio-mass Synthetic Base Fluid LAE-12

SHAN Haixia, WANG Zhonghua, HE Huanjie, SUN Ju, GUO Minle, LIU Minghua, XU Qin
(Research Institute of Drilling Engineering Technology of ZPEB, Sinopec, Puyang, Henan 457001, China)

Biomass synthetic base drilling fluid has been regarded as an environmentally friendly substitute for oil base drilling fluid. A base fluid for the biomass drilling fluid， LAE-12， a lauryl ether， has recently been developed through one-step synthesis using lauryl alcohol as raw material. Studies on the basic physio-chemical properties， viscosity characteristics and anti-hydrolysis performance of LAE-12 are conducted and comparisons of LAE-12 and other base fluids such as diesel oil， white oil and bio-diesel oil are done. The flash point， pour point， boiling point and extreme-pressure friction coefficient of LAE-12 are 137 ℃, -13 ℃, 289 ℃, and 0.039, respectively， meaning that the safety and lubrication performances of LAE-12 are better than those of diesel oil and white oil.Changes of the viscosity of LAE-12 with temperature between 0 ℃ and 90 ℃ are much more gently than diesel oil and white oil, and are comparable to bio-diesel oil. In water with pH value of 12， LAE-12 is resistant to hydrolysis， while 72% of bio-diesel oil is hydrolyzed. Oil base drilling fluids formulated with LAE-12 (O/W ratio=8∶2) have emulsion stability of greater than 600 V， YP/PV of greater than 0.30 Pa/mPa·s， and stable rheology after ageing for 64 h at 150 ℃. In laboratory testing， the LAE-12 base drilling fluid has performance that is equivalent to oil base drilling fluid.

Synthetic base drilling fluid； Base fluid； Bio-mass； Ether； Stability； Synthesis

TE254.4

A

1001-5620（2016）02-0001-04

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.02.001

中原石油工程公司科技攻关项目“生物质基液材料研制”（2015201）、中国博士后科学基金（2012T50641）特别资助、中国博士后科学基金（2011M501194）资助。

单海霞，高级工程师，博士，1982年生，毕业于江南大学应用化学专业，现在从事精细化学合成及油田应用化学方面研究工作。E-mail：shanhaixia1983@163.com。

（2015-11-25；HGF=1602F1；编辑付玥颖）