生物質合成基液LAE-12的合成及性能研究

單海霞，王中華，何煥杰，孫　舉，郭民樂，劉明華，徐　勤

（中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南濮陽457001）

生物質合成基液LAE-12的合成及性能研究

單海霞，王中華，何煥杰，孫舉，郭民樂，劉明華，徐勤

（中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南濮陽457001）

單海霞等.生物質合成基液LAE-12的合成及性能研究[J].鉆井液與完井液，2016，33（2）：1-4.

生物質合成基鉆井液被認為是替代油基鉆井液且又能安全鉆進的一類環保型鉆井液。研究出一種生物質合成基鉆井液用基液新材料——月桂醚LAE-12，其以月桂醇為原料通過一步法進行合成；對LAE-12的基本理化性質、黏溫特性及抗水解性能進行評價，并與柴油、白油和生物柴油進行對比。結果表明，LAE-12的閃點、傾點、沸點、極壓潤滑系數依次為137 ℃、-13 ℃、289 ℃和0.039，表明LAE-12的安全、潤滑性能優于柴油、白油；在0～90 ℃，LAE-12的黏溫曲線變化較柴油、白油平緩，與生物柴油相當；在pH值為12的水溶液中，LAE-12具有強的抗水解性能，而生物柴油的水解率達72%；LAE-12配制的鉆井液在油水比為8∶2時，破乳電壓大于600 V，動塑比在0.30 Pa/mPa·s以上，150 ℃下連續老化64 h，流變性基本無變化，室內效果與油基鉆井液相當。

合成基鉆井液；基液；生物質；醚；穩定性；合成

隨著國家環境保護要求的日益嚴格，發展環保型的鉆井液、開發綠色鉆井液基液，已經成為鉆井液研究和應用的主要方向[1-6]。生物質合成基鉆井液作為一種新興的鉆井液體系，被認為是替代油基鉆井液且又能安全鉆進的一類綠色、環保型鉆井液[7-11]。月桂醚LAE-12是一種性能優異、可生物降解的“綠色化學品”。研究以天然來源的月桂醇為原料，通過“一鍋煮”方法進行LAE-12的合成，對合成產品的理化性能進行研究，并同柴油、白油和生物柴油進行對比；以LAE-12為基液，通過復配乳化劑、降濾失劑等初步形成一種生物質合成基鉆井液，其性能與油基鉆井液相當。目前，還未見到有關鉆井液用月桂醚基液的合成及應用的相關報道。

1　實驗部分

1）月桂醚的合成。將月桂醇、環氧氯代烷、40%氫氧化鈉溶液和三氟化硼·乙醚按一定質量比加入到裝有回流冷凝管、溫度計和攪拌裝置的三口燒瓶中，攪拌升溫至70～80 ℃，保持回流時間為18～20 h，停止反應，得到月桂醚混合液。

2）月桂醇烷基醚的純化。首先，將得到的月桂醚混合液進行抽濾，除去固體鹽；然后，將濾液用分液漏斗進行分離，分離出上層有機相和下層水相；最后，將有機相在0.9 MPa、120 ℃條件下減壓蒸餾1 h，得到淡黃色透明油狀液體——月桂醚LAE-12。

2　結果與討論

2.1合成產品的性能研究

2.1.1基本物理性能

作為鉆井液的基液，月桂醚既要滿足環境保護的要求，又要滿足鉆井的要求，因此除了首先必須考慮芳香烴含量外，基液的黏度、閃點、傾點、密度和降解溫度也是應該考慮的因素。表1列出了LAE-12基液的基本物理性能。

表1　LAE-12與其他基液的物理性質對比

由表1可知，與柴油、白油相比，LAE-12的閃點較高、傾點較低，這表明其不易燃，流動性好，在生產、儲運以及應用過程中安全性高；與生物柴油相比，LAE-12具有較低的黏度，所以在配制鉆井液時可滿足高密度、低黏度以及低油水比的需求；LAE-12基液中不含芳香烴，具有環境安全性。30 ℃下測定LAE-12的極壓潤滑系數為0.038 7，遠低于相同條件下柴油的極壓潤滑系數，說明合成的LAE-12能滿足水平井鉆井液的潤滑性能要求（極壓潤滑系數為0.08～0.1），可為鉆井的安全、快速鉆進提供保證。

2.1.2黏溫特性

在實際鉆進過程中，基液的黏度越低、對溫度變化影響越小，越容易配制出性能優良的鉆井液。研究了不同溫度條件下LAE-12基液黏度的變化規律，結果見圖1。由圖1可知，LAE-12基液的黏度受溫度變化影響比柴油、白油小，與生物柴油相當，特別是在低溫段（0～10 ℃），LAE-12黏度變化平緩。分析LAE-12與柴油（白油）的黏溫特性差異在于：柴油（白油）為混合物，含有一定量的長鏈烴和芳香烴，尤其是柴油，芳香烴含量在25%以上，這些成分在低溫下會突變，使黏度增加，導致柴油（白油）基鉆井液在低溫條件下流變性能較差；而LAE-12和生物柴油為單一物質，溫度變化對黏度影響較小，因此黏溫特性變化平緩。以上表明，平緩的黏溫特性能降低激動壓力，穩定井壁，同時使鉆井液性能容易維護，保證作業順利。

圖1　不同基液的黏溫特性對比

2.1.3水解穩定性

醚作為強極化物質，與水會產生溶劑化效應，在鉆井液配制過程中往往要加入一定的堿、鹽水等維持其優良的乳化性能等，因此考察基液在不同堿度條件下的水解穩定性，是衡量其使用性能好壞的指標之一。考察了LAE-12在不同水溶液中的水解穩定性，并同柴油、生物柴油進行對比，結果見表2。水解穩定性考察條件為：在pH值為12的60 mL水溶液中，加入240 mL基液，于150 ℃下老化16 h，測定老化前后基液的質量、結構和組分變化，測定溫度為60 ℃。

表2　基液LAE-12的水解穩定性能

由表2可知，基液LAE-12和柴油在不同的堿溶液中保持結構穩定，不水解，而相同條件下，生物柴油的抗水解能力很差，水解率達72.8%～93.1%。LAE-12因高溫與水有一定的乳化，造成其有0.7%～2.9%的乳化損失率；柴油因開口測定過程中，部分輕質石油烴組分揮發造成4.7%～9.3%的質量損失率，這也是現場油基鉆井液在循環使用過程中有氣味產生的原因之一。以上表明，LAE-12具有良好的水解穩定性。

2.2LAE-12配制的鉆井液性能評價

1）基本性能。參考中原石油工程公司鉆井工程技術研究院自主研發的油基鉆井液配方[3]，將柴油基液替換為LAE-12，考察LAE-12配制的鉆井液基本性能，結果見表3。鉆井液配方如下。

1#300 mL基液/水+4%有機土+3%主乳化劑+3%輔乳化劑+4%降濾失劑+3%CaO+400 g重晶石（水為30%CaCl2溶液），鉆井液密度為1.6 g/cm3

表3　LAE-12配制鉆井液的基本性能實驗結果

由表3可知，LAE-12與上述處理劑具有良好的配伍性，同時，在不同油水比時，LAE-12配制的鉆井液具有良好的流變性和乳液穩定性，與柴油基鉆井液性能相當；當油水比為7∶3時，動塑比大于0.30 Pa/mPa·s，破乳電壓大于600 V。

2）抗溫性能。LAE-12配制的鉆井液在不同溫度下的性能見圖2。鉆井液配方如下。

2#300 mL基液（油水比為8∶2）+4%有機土+3%主乳化劑+3%輔乳化劑+4%降濾失劑+3%CaO+400 g重晶石（鉆井液密度為1.6 g/cm3）

圖2　LAE-12配制鉆井液的抗溫性實驗

從圖2可知，該鉆井液在100～180 ℃范圍內具有良好的流變性和乳液穩定性，研究進一步表明，當溫度為180 ℃時，鉆井液仍具有良好的性能，重晶石未發生沉淀，說明LAE-12配制的鉆井液具有良好的抗溫性。

3）熱穩定性。考察了鉆井液在150 ℃下老化不同時間的熱穩定性能，結果見表4。鉆井液配方如下。

3#300 mL基液（油水比為8∶2）+4%有機土+3%主乳化劑+3%輔乳化劑+4%降濾失劑+3%CaO+400 g重晶石

表4　LAE-12配制鉆井液的熱穩定性（150 ℃）

由表4可知，隨著老化時間的增加，鉆井液表觀黏度略有升高，切力基本沒有變化，說明LAE-12與處理劑配伍后具有良好的熱穩定性。

3　結論

1.以天然來源的月桂醇為原料，一步法合成出生物質合成基鉆井液用基液——月桂醚，與柴油、白油相比，產品具有低黏、強潤滑、耐水解、無毒等優良性能。

2.對月桂醚的黏溫性能、耐水解性能進行評價。在0～90 ℃，月桂醚的黏度受溫度影響變化較柴油小，與生物柴油相當；180 ℃時，LAE-12仍具備良好的抗水解性能。

3.月桂醚配制的鉆井液在油水比為8∶2時，破乳電壓大于600 V，動塑比在0.30 Pa/mPa·s以上，150 ℃下連續老化64 h，流變性基本無變化，表明LAE-12配制的鉆井液具有良好的乳化、抗溫和熱穩定性能，室內效果與油基鉆井液相當。

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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關項目“生物質基液材料研制”（2015201）、中國博士后科學基金（2012T50641）特別資助、中國博士后科學基金（2011M501194）資助。

單海霞，高級工程師，博士，1982年生，畢業于江南大學應用化學專業，現在從事精細化學合成及油田應用化學方面研究工作。E-mail：shanhaixia1983@163.com。

（2015-11-25；HGF=1602F1；編輯付玥穎）