陽離子烷基糖苷合成過程中的季銨化反應(yīng)

司西強(qiáng)，王中華

(中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001)

自2010年以來，中石化中原油田鉆井院司西強(qiáng)負(fù)責(zé)的博士后團(tuán)隊(duì)在鉆井液專家王中華教授［1-3］的指導(dǎo)下，結(jié)合烷基糖苷鉆井液抑制性不足和現(xiàn)場(chǎng)急需強(qiáng)抑制鉆井液等實(shí)際情況［4-6］，開展了鉆井液用陽離子烷基糖苷(CAPG)新型強(qiáng)抑制劑的研制，經(jīng)過近4年的潛心攻關(guān)［7-17］，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品制備及生產(chǎn)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)，并在陜北、內(nèi)蒙、中原、四川等區(qū)塊的12口水平井及側(cè)鉆井上進(jìn)行了成功應(yīng)用，在解決泥頁巖等易坍塌地層的井壁失穩(wěn)問題時(shí)效果顯著，得到現(xiàn)場(chǎng)施工人員的高度評(píng)價(jià)，為后續(xù)全面推廣應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。本文對(duì)陽離子烷基糖苷合成過程中的季銨化反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，以期對(duì)從事相關(guān)研究的科研同行有一定借鑒作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

環(huán)氧氯丙烷、烷基葡萄糖苷、烷基苯磺酸均為分析純;33.3%三甲胺水溶液;30%氫氧化鈉水溶液;去離子水;天然巖屑(馬12井2 765 m處)等。

ZNCL-T智能磁力恒溫?cái)嚢杵?GJS-B12K變頻高速攪拌機(jī);XGRL-4A高溫滾子加熱爐;LHG-2老化罐;BL200S精密電子天平;DZF-6050真空干燥箱。

1.2 陽離子烷基糖苷的合成

1.2.1 3-氯-2-羥丙基糖苷制備方法 在 0.4 mol環(huán)氧氯丙烷中加入3.6 mol去離子水，加入4.66 g烷基苯磺酸，攪拌均勻，在80℃下加熱水解，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℃下攪拌反應(yīng)2～4 h，即得3-氯-2-羥丙基糖苷的水溶液。

1.2.2 3-氯-2-羥丙基糖苷的季銨化 用堿液調(diào)節(jié)3-氯-2-羥丙基糖苷水溶液的 pH 值 9，將 3-氯-2-羥丙基糖苷水溶液與三甲胺水溶液混合均勻，其中3-氯-2-羥丙基糖苷與三甲胺的摩爾比為1∶1，在56℃下攪拌反應(yīng)5 h，得到陽離子烷基糖苷產(chǎn)品。下文中除要優(yōu)化的參數(shù)外，其余均按上述反應(yīng)條件。

1.3 巖屑回收率評(píng)價(jià)

巖屑回收率評(píng)價(jià)方法參照文獻(xiàn)［18］。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)pH值

對(duì)濃度為5%的產(chǎn)品水溶液進(jìn)行巖屑高溫滾動(dòng)回收率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，滾動(dòng)溫度120℃，包括測(cè)試一次和二次回收率，pH值的影響見圖1。

圖1 不同季銨化反應(yīng)pH值對(duì)合成產(chǎn)品巖屑回收率影響Fig.1 The influence of pH value on the cuttings recovery rate of synthetic products

由圖1可知，當(dāng)季銨化反應(yīng)的pH值為9時(shí)，得到的產(chǎn)品抑制性能最優(yōu)，一次回收率達(dá)93.50%，相對(duì)回收率達(dá)99.66%。這是因?yàn)?，季銨化反應(yīng)需在堿性環(huán)境下進(jìn)行，如果pH值偏酸性，則會(huì)消耗一部分三甲胺用來中和酸性催化劑;如果pH值太高，堿性太強(qiáng)，則反應(yīng)生成的產(chǎn)品色澤較差，且性能也不能達(dá)到最優(yōu)。故優(yōu)選季銨化反應(yīng)時(shí)的pH值為9。

2.2 苷胺摩爾比

固定反應(yīng)條件，改變3-氯-2-羥丙基糖苷與三甲胺的摩爾比配制反應(yīng)液，在56℃下攪拌反應(yīng)5 h，得到一系列陽離子烷基糖苷產(chǎn)品。對(duì)濃度為5%的產(chǎn)品水溶液進(jìn)行巖屑高溫滾動(dòng)回收率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，滾動(dòng)溫度120℃，包括測(cè)試一次和二次回收率，結(jié)果見圖2。

圖2 苷胺摩爾比對(duì)合成產(chǎn)品巖屑回收率影響Fig.2 The influence of molar ratio of 3-chloro-2-hydroxypropyl glycoside to trimethylamine on the cuttings recovery rate of synthetic products

由圖2可知，隨著三甲胺加量的增加，產(chǎn)品的抑制性提高，當(dāng)苷胺摩爾比達(dá)到1∶1時(shí)，產(chǎn)品性能最優(yōu)，一次回收率達(dá)82.75%，相對(duì)回收率達(dá)99.34%，故優(yōu)選苷胺摩爾比為1∶1進(jìn)行反應(yīng)。

2.3 反應(yīng)溫度

固定反應(yīng)條件，改變反應(yīng)溫度，攪拌反應(yīng)5 h，得到一系列陽離子烷基糖苷產(chǎn)品。對(duì)濃度為5%的產(chǎn)品水溶液進(jìn)行巖屑高溫滾動(dòng)回收率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，滾動(dòng)溫度120℃，包括測(cè)試一次和二次回收率，結(jié)果見圖3。

圖3 季銨化反應(yīng)溫度對(duì)合成產(chǎn)品巖屑回收率影響Fig.3 The influence of reaction temperature on the cuttings recovery rate of synthetic products

由圖3可知，當(dāng)季銨化反應(yīng)溫度為56℃時(shí)，產(chǎn)品的抑制性能最優(yōu)，故優(yōu)選季銨化反應(yīng)溫度為56℃。季銨化溫度太低時(shí)，季銨化反應(yīng)不完全，導(dǎo)致陽離子烷基糖苷的轉(zhuǎn)化率較低，產(chǎn)品性能較差;季銨化反應(yīng)溫度太高，三甲胺揮發(fā)程度較大，減少了陽離子烷基糖苷的生成，轉(zhuǎn)化率降低，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的性能下降。

2.4 反應(yīng)時(shí)間

固定其它反應(yīng)條件，改變反應(yīng)時(shí)間合成了一系列陽離子烷基糖苷產(chǎn)品。對(duì)濃度為5%的產(chǎn)品水溶液進(jìn)行巖屑高溫滾動(dòng)回收率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，滾動(dòng)溫度120℃，包括測(cè)試一次和二次回收率，結(jié)果見圖4。

圖4 季銨化反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成產(chǎn)品巖屑回收率影響Fig.4 The influence of reaction time on the cuttings recovery rate of synthetic products

由圖4可知，隨著季銨化反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)品的抑制性能提高，但是從工業(yè)化生產(chǎn)的角度考慮，反應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)大大增加成本，故綜合考慮，選擇季銨化反應(yīng)時(shí)間為5 h。季銨化反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，季銨化反應(yīng)程度越大，生成陽離子烷基糖苷的轉(zhuǎn)化率越高，得到的產(chǎn)品性能越好。

2.5 三甲胺加料方式

固定其它反應(yīng)條件，通過改變?nèi)装芳恿戏绞?，合成了一系列陽離子烷基糖苷產(chǎn)品。對(duì)濃度為5%的產(chǎn)品水溶液進(jìn)行巖屑高溫滾動(dòng)回收率評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，滾動(dòng)溫度120℃，包括測(cè)試一次回收率R1和二次回收率R2，結(jié)果見表1。

表1 三甲胺加料方式對(duì)合成產(chǎn)品巖屑回收率影響Table 1 The influence of trimethylamine feeding mode on the cuttings recovery rate

由表1可知，三甲胺的加料方式對(duì)反應(yīng)影響不大，不同三甲胺加料方式下合成的產(chǎn)品性能非常接近，為了操作簡(jiǎn)便，三甲胺加料采取直接加入的方式。在加入三甲胺的時(shí)候，用自制滴液漏斗直接將三甲胺通入到反應(yīng)液底部，一方面可以使反應(yīng)充分進(jìn)行，另一方面可以避免三甲胺揮發(fā)，減少難聞的氣味。

3 結(jié)論

(1)陽離子烷基糖苷合成過程中的季銨化反應(yīng)的優(yōu)化條件為:在pH值為9的條件下，將3-氯-2-羥丙基糖苷與三甲胺按摩爾比1∶1混合均勻，在56℃下攪拌反應(yīng)5 h，三甲胺的加料方式為直加，得到的鉆井液用陽離子烷基糖苷產(chǎn)品抑制性能最優(yōu)，巖心一次回收率＞96%，相對(duì)回收率＞98%。

(2)季銨化反應(yīng)條件優(yōu)化后得到的產(chǎn)品抑制性能優(yōu)異，可有效解決泥頁巖等易坍塌地層的井壁失穩(wěn)問題，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

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