摘要

分析起泡劑的分子結(jié)構(gòu)與起泡量、泡沫穩(wěn)定性的關(guān)系，設(shè)計(jì)新型起泡劑ULT-1的分子結(jié)構(gòu)，室內(nèi)合成該起泡劑。紅外光譜和質(zhì)譜對(duì)起泡劑的結(jié)構(gòu)表征與分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一致。對(duì)起泡劑ULT-1進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的起泡劑ULT-1水溶液的表面張力達(dá)到20.40 mN/m，較蒸餾水降低了71.82%，發(fā)泡體積達(dá)501 mL，半衰期長(zhǎng)達(dá)1 440 s，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的常規(guī)起泡劑相比，泡沫半衰期提高3倍以上。起泡劑ULT-1的抗鹽及抗溫性能較好，煤樣潤(rùn)濕性恢復(fù)值高達(dá)93.70%，起泡劑ULT-1容易在煤巖表面脫附，有利于儲(chǔ)層保護(hù)。

煤層氣是以吸附和游離狀態(tài)儲(chǔ)集在煤層孔隙中的天然氣。中國(guó)煤層氣資源豐富，分布廣泛。煤層氣作為一種優(yōu)質(zhì)清潔能源，由于經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的需要，我國(guó)對(duì)煤層氣的需求量日益增長(zhǎng)。加大煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)，對(duì)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)與可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。近年來(lái)，我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)獲得了一定突破，但仍存在許多問(wèn)題。煤層氣鉆井與常規(guī)油氣田鉆井差別很大，存在一系列問(wèn)題，斷裂構(gòu)造發(fā)育、膠結(jié)性差，易水化膨脹，煤層多而薄，煤層地應(yīng)力高和多煤層垂向疊置等，鉆完井后，儲(chǔ)層易受損害，影響后期增產(chǎn)改造效果。

從安全鉆進(jìn)以及儲(chǔ)層保護(hù)的角度考慮，煤層氣井鉆井液應(yīng)該具備低固相、低黏度、高動(dòng)塑比、低密度、低失水、強(qiáng)封堵、易返排等特點(diǎn)。泡沫鉆井液是煤層氣開(kāi)發(fā)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的鉆井液體系，濾失量低，可減少地層損害，具有很好的儲(chǔ)層保護(hù)性能，并且具有一定的封堵防塌作用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好，例如可循環(huán)微泡鉆井液、絨囊鉆井液等。起泡劑是泡沫鉆井液中的核心處理劑之一，是一種能夠使泡沫易于產(chǎn)生且產(chǎn)生后具有一定穩(wěn)定性的表面活性劑。主要類型有陰離子型、陽(yáng)離子型、兩性型、非離子型，其中陰離子型起泡劑起泡能力強(qiáng)、使用效果好、價(jià)格適中且來(lái)源廣泛。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在起泡劑的優(yōu)選與合成方面進(jìn)行了相關(guān)研究。DERIKVAND等采用陰離子表面活性劑α烯烴磺酸酯(AOS)與羧甲基纖維素(CMC)復(fù)配，成功研制出一種新型的泡沫體系，提高了溶液黏度和泡沫穩(wěn)定性。程鴻伯按照鉆井液用發(fā)泡劑評(píng)價(jià)程序(SY/T5350—91)評(píng)價(jià)了常用起泡劑的起泡性能，認(rèn)為陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉SDS和十二烷基苯磺酸鈉ABS發(fā)泡量較大，發(fā)泡能力較好，而非離子表面活性劑失水山梨糖醇脂肪酸酯SPAN-80發(fā)泡量較小，發(fā)泡能力較差。VIKINGSTAD等評(píng)價(jià)了FS-500氟碳表面活性劑和AOS表面活性劑的耐油穩(wěn)定性，F(xiàn)S-500泡沫的氣泡密度更稠密，且耐油穩(wěn)定性長(zhǎng)達(dá)數(shù)周。ZHENG等室內(nèi)優(yōu)選了十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉，復(fù)配其他處理劑研制了一種新型絨囊鉆井液體系。劉可成等采用氯代長(zhǎng)鏈烷烴及四甲基乙二胺(TMEDA)通過(guò)季銨化反應(yīng)合成了一系列雙子季銨鹽起泡劑，其中以氯代十四烷作原料合成的起泡劑起泡性能最好。欒和鑫合成并評(píng)價(jià)了一系列陰?非離子型Gemini表面活性劑，起泡性能和半衰期隨聯(lián)結(jié)基長(zhǎng)度增加增大。

綜上所述，目前起泡劑的研究大多集中在利用現(xiàn)有的表面活性劑，進(jìn)行優(yōu)選與復(fù)配，應(yīng)用于油氣田泡沫鉆井液與采油領(lǐng)域，而在起泡劑分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究比較少，很多是針對(duì)起泡劑的耐油性、抗溫性進(jìn)行設(shè)計(jì)合成的，沒(méi)有從提高起泡量、半衰期的角度考慮，且使用濃度較高，不利于降低成本。本文作者從泡沫鉆井液的核心處理劑起泡劑的起泡性能與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系出發(fā)，優(yōu)化起泡劑結(jié)構(gòu)，提高起泡量和泡沫半衰期，降低使用濃度，研制一種在較低濃度時(shí)起泡量高、泡沫穩(wěn)定性好的新型分子結(jié)構(gòu)的起泡劑。

1起泡劑分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以提高起泡量和泡沫半衰期、降低使用濃度為目標(biāo)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種新型分子結(jié)構(gòu)的雙子型起泡劑ULT-1。雙子表面活性劑的臨界膠束濃度較相應(yīng)的傳統(tǒng)表面活性劑的臨界膠束濃度低1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，能更有效地降低水的表面張力，有利于降低使用濃度、提高起泡量。用短聯(lián)結(jié)基團(tuán)連接的雙子表面活性劑，在相當(dāng)?shù)偷臐舛葧r(shí)其水溶液就具有較高的黏度，有利于提高泡沫半衰期，增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性。親水基SO42?親水性強(qiáng)，位于雙子表面活性劑中間，降低表面張力的效率高，有利于提高起泡量。親水基團(tuán)顯負(fù)電性，其在氣液界面吸附后，氣泡之間可產(chǎn)生靜電斥力，降低了氣泡的聚并速度，有利于提高泡沫穩(wěn)定性。2個(gè)親水基團(tuán)將水緊緊吸附在液膜內(nèi)，提高了起泡劑的鎖液能力，降低了液膜的排液速度，大大提高了泡沫穩(wěn)定性。

圖1起泡劑ULT-1的分子結(jié)構(gòu)式

親油基碳數(shù)過(guò)高或過(guò)低的表面活性劑的起泡能力都不高，12個(gè)碳的直鏈親油基有利于提高半衰期，增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性。煤表面存在含氧官能團(tuán)，包括醇、醚、酚、酯、羧基，可使煤粒子表面帶負(fù)電荷。陽(yáng)離子型表面活性劑由于氫鍵和靜電的雙重作用可被煤表面選擇性吸附，吸附強(qiáng)度高，不利于其在煤巖表面脫附。而陰離子型表面活性劑可通過(guò)氫鍵作用力吸附在煤巖上，但引入的負(fù)電基團(tuán)的靜電斥力會(huì)減弱其與煤層的氫鍵作用，使其排水降壓開(kāi)采時(shí)易于脫附，有利于儲(chǔ)層保護(hù)。基于上述原理，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的新型雙子起泡劑ULT-1的分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

雙子型起泡劑ULT-1的分子結(jié)構(gòu)式、表面張力、抗溫/抗鹽性能及煤樣潤(rùn)濕性變化——摘要

雙子型起泡劑ULT-1的分子結(jié)構(gòu)式、表面張力、抗溫/抗鹽性能及煤樣潤(rùn)濕性變化——實(shí)驗(yàn)

雙子型起泡劑ULT-1的分子結(jié)構(gòu)式、表面張力、抗溫/抗鹽性能及煤樣潤(rùn)濕性變化——結(jié)果與討論、結(jié)論