阳离子烷基糖苷合成过程中的季铵化反应

司西强，王中华

(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)

自2010年以来，中石化中原油田钻井院司西强负责的博士后团队在钻井液专家王中华教授［1-3］的指导下，结合烷基糖苷钻井液抑制性不足和现场急需强抑制钻井液等实际情况［4-6］，开展了钻井液用阳离子烷基糖苷(CAPG)新型强抑制剂的研制，经过近4年的潜心攻关［7-17］，形成了具有自主知识产权的产品制备及生产技术，成功实现了产品的工业化生产，并在陕北、内蒙、中原、四川等区块的12口水平井及侧钻井上进行了成功应用，在解决泥页岩等易坍塌地层的井壁失稳问题时效果显著，得到现场施工人员的高度评价，为后续全面推广应用打下了良好的基础。本文对阳离子烷基糖苷合成过程中的季铵化反应条件进行了优化，以期对从事相关研究的科研同行有一定借鉴作用。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

环氧氯丙烷、烷基葡萄糖苷、烷基苯磺酸均为分析纯;33.3%三甲胺水溶液;30%氢氧化钠水溶液;去离子水;天然岩屑(马12井2 765 m处)等。

ZNCL-T智能磁力恒温搅拌器;GJS-B12K变频高速搅拌机;XGRL-4A高温滚子加热炉;LHG-2老化罐;BL200S精密电子天平;DZF-6050真空干燥箱。

1.2 阳离子烷基糖苷的合成

1.2.1 3-氯-2-羟丙基糖苷制备方法 在 0.4 mol环氧氯丙烷中加入3.6 mol去离子水，加入4.66 g烷基苯磺酸，搅拌均匀，在80℃下加热水解，得到3-氯-1，2-丙二醇的水溶液。加入0.4 mol烷基糖苷，在95～105℃下搅拌反应2～4 h，即得3-氯-2-羟丙基糖苷的水溶液。

1.2.2 3-氯-2-羟丙基糖苷的季铵化 用碱液调节3-氯-2-羟丙基糖苷水溶液的 pH 值 9，将 3-氯-2-羟丙基糖苷水溶液与三甲胺水溶液混合均匀，其中3-氯-2-羟丙基糖苷与三甲胺的摩尔比为1∶1，在56℃下搅拌反应5 h，得到阳离子烷基糖苷产品。下文中除要优化的参数外，其余均按上述反应条件。

1.3 岩屑回收率评价

岩屑回收率评价方法参照文献［18］。

2 结果与讨论

2.1 反应pH值

对浓度为5%的产品水溶液进行岩屑高温滚动回收率评价实验，滚动温度120℃，包括测试一次和二次回收率，pH值的影响见图1。

图1 不同季铵化反应pH值对合成产品岩屑回收率影响Fig.1 The influence of pH value on the cuttings recovery rate of synthetic products

由图1可知，当季铵化反应的pH值为9时，得到的产品抑制性能最优，一次回收率达93.50%，相对回收率达99.66%。这是因为，季铵化反应需在碱性环境下进行，如果pH值偏酸性，则会消耗一部分三甲胺用来中和酸性催化剂;如果pH值太高，碱性太强，则反应生成的产品色泽较差，且性能也不能达到最优。故优选季铵化反应时的pH值为9。

2.2 苷胺摩尔比

固定反应条件，改变3-氯-2-羟丙基糖苷与三甲胺的摩尔比配制反应液，在56℃下搅拌反应5 h，得到一系列阳离子烷基糖苷产品。对浓度为5%的产品水溶液进行岩屑高温滚动回收率评价实验，滚动温度120℃，包括测试一次和二次回收率，结果见图2。

图2 苷胺摩尔比对合成产品岩屑回收率影响Fig.2 The influence of molar ratio of 3-chloro-2-hydroxypropyl glycoside to trimethylamine on the cuttings recovery rate of synthetic products

由图2可知，随着三甲胺加量的增加，产品的抑制性提高，当苷胺摩尔比达到1∶1时，产品性能最优，一次回收率达82.75%，相对回收率达99.34%，故优选苷胺摩尔比为1∶1进行反应。

2.3 反应温度

固定反应条件，改变反应温度，搅拌反应5 h，得到一系列阳离子烷基糖苷产品。对浓度为5%的产品水溶液进行岩屑高温滚动回收率评价实验，滚动温度120℃，包括测试一次和二次回收率，结果见图3。

图3 季铵化反应温度对合成产品岩屑回收率影响Fig.3 The influence of reaction temperature on the cuttings recovery rate of synthetic products

由图3可知，当季铵化反应温度为56℃时，产品的抑制性能最优，故优选季铵化反应温度为56℃。季铵化温度太低时，季铵化反应不完全，导致阳离子烷基糖苷的转化率较低，产品性能较差;季铵化反应温度太高，三甲胺挥发程度较大，减少了阳离子烷基糖苷的生成，转化率降低，从而导致产品的性能下降。

2.4 反应时间

固定其它反应条件，改变反应时间合成了一系列阳离子烷基糖苷产品。对浓度为5%的产品水溶液进行岩屑高温滚动回收率评价实验，滚动温度120℃，包括测试一次和二次回收率，结果见图4。

图4 季铵化反应时间对合成产品岩屑回收率影响Fig.4 The influence of reaction time on the cuttings recovery rate of synthetic products

由图4可知，随着季铵化反应时间的延长，产品的抑制性能提高，但是从工业化生产的角度考虑，反应时间太长，会大大增加成本，故综合考虑，选择季铵化反应时间为5 h。季铵化反应时间越长，季铵化反应程度越大，生成阳离子烷基糖苷的转化率越高，得到的产品性能越好。

2.5 三甲胺加料方式

固定其它反应条件，通过改变三甲胺加料方式，合成了一系列阳离子烷基糖苷产品。对浓度为5%的产品水溶液进行岩屑高温滚动回收率评价实验，滚动温度120℃，包括测试一次回收率R1和二次回收率R2，结果见表1。

表1 三甲胺加料方式对合成产品岩屑回收率影响Table 1 The influence of trimethylamine feeding mode on the cuttings recovery rate

由表1可知，三甲胺的加料方式对反应影响不大，不同三甲胺加料方式下合成的产品性能非常接近，为了操作简便，三甲胺加料采取直接加入的方式。在加入三甲胺的时候，用自制滴液漏斗直接将三甲胺通入到反应液底部，一方面可以使反应充分进行，另一方面可以避免三甲胺挥发，减少难闻的气味。

3 结论

(1)阳离子烷基糖苷合成过程中的季铵化反应的优化条件为:在pH值为9的条件下，将3-氯-2-羟丙基糖苷与三甲胺按摩尔比1∶1混合均匀，在56℃下搅拌反应5 h，三甲胺的加料方式为直加，得到的钻井液用阳离子烷基糖苷产品抑制性能最优，岩心一次回收率＞96%，相对回收率＞98%。

(2)季铵化反应条件优化后得到的产品抑制性能优异，可有效解决泥页岩等易坍塌地层的井壁失稳问题，具有较好的推广应用前景。

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