摘要

分析起泡劑的分子結構與起泡量、泡沫穩定性的關系，設計新型起泡劑ULT-1的分子結構，室內合成該起泡劑。紅外光譜和質譜對起泡劑的結構表征與分子結構設計一致。對起泡劑ULT-1進行性能評價。研究結果表明：質量分數為0.2%的起泡劑ULT-1水溶液的表面張力達到20.40 mN/m，較蒸餾水降低了71.82%，發泡體積達501 mL，半衰期長達1 440 s，與質量分數0.5%的常規起泡劑相比，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，煤樣潤濕性恢復值高達93.70%，起泡劑ULT-1容易在煤巖表面脫附，有利于儲層保護。

煤層氣是以吸附和游離狀態儲集在煤層孔隙中的天然氣。中國煤層氣資源豐富，分布廣泛。煤層氣作為一種優質清潔能源，由于經濟的持續快速發展和環境保護的需要，我國對煤層氣的需求量日益增長。加大煤層氣的勘探開發，對優化能源結構與可持續發展具有重要戰略意義。近年來，我國煤層氣勘探開發獲得了一定突破，但仍存在許多問題。煤層氣鉆井與常規油氣田鉆井差別很大，存在一系列問題，斷裂構造發育、膠結性差，易水化膨脹，煤層多而薄，煤層地應力高和多煤層垂向疊置等，鉆完井后，儲層易受損害，影響后期增產改造效果。

從安全鉆進以及儲層保護的角度考慮，煤層氣井鉆井液應該具備低固相、低黏度、高動塑比、低密度、低失水、強封堵、易返排等特點。泡沫鉆井液是煤層氣開發中具有獨特優勢的鉆井液體系，濾失量低，可減少地層損害，具有很好的儲層保護性能，并且具有一定的封堵防塌作用，現場應用效果較好，例如可循環微泡鉆井液、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生且產生后具有一定穩定性的表面活性劑。主要類型有陰離子型、陽離子型、兩性型、非離子型，其中陰離子型起泡劑起泡能力強、使用效果好、價格適中且來源廣泛。

國內外學者在起泡劑的優選與合成方面進行了相關研究。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定性。程鴻伯按照鉆井液用發泡劑評價程序(SY/T5350—91)評價了常用起泡劑的起泡性能，認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發泡量較大，發泡能力較好，而非離子表面活性劑失水山梨糖醇脂肪酸酯SPAN-80發泡量較小，發泡能力較差。VIKINGSTAD等評價了FS-500氟碳表面活性劑和AOS表面活性劑的耐油穩定性，FS-500泡沫的氣泡密度更稠密，且耐油穩定性長達數周。ZHENG等室內優選了十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉，復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鏈烷烴及四甲基乙二胺(TMEDA)通過季銨化反應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。欒和鑫合成并評價了一系列陰?非離子型Gemini表面活性劑，起泡性能和半衰期隨聯結基長度增加增大。

綜上所述，目前起泡劑的研究大多集中在利用現有的表面活性劑，進行優選與復配，應用于油氣田泡沫鉆井液與采油領域，而在起泡劑分子結構設計方面的研究比較少，很多是針對起泡劑的耐油性、抗溫性進行設計合成的，沒有從提高起泡量、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構的關系出發，優化起泡劑結構，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起泡量高、泡沫穩定性好的新型分子結構的起泡劑。

1起泡劑分子結構設計

本文以提高起泡量和泡沫半衰期、降低使用濃度為目標，創新設計了一種新型分子結構的雙子型起泡劑ULT-1。雙子表面活性劑的臨界膠束濃度較相應的傳統表面活性劑的臨界膠束濃度低1~2個數量級，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。用短聯結基團連接的雙子表面活性劑，在相當低的濃度時其水溶液就具有較高的黏度，有利于提高泡沫半衰期，增強泡沫穩定性。親水基SO42?親水性強，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。親水基團顯負電性，其在氣液界面吸附后，氣泡之間可產生靜電斥力，降低了氣泡的聚并速度，有利于提高泡沫穩定性。2個親水基團將水緊緊吸附在液膜內，提高了起泡劑的鎖液能力，降低了液膜的排液速度，大大提高了泡沫穩定性。

圖1起泡劑ULT-1的分子結構式

親油基碳數過高或過低的表面活性劑的起泡能力都不高，12個碳的直鏈親油基有利于提高半衰期，增強泡沫穩定性。煤表面存在含氧官能團，包括醇、醚、酚、酯、羧基，可使煤粒子表面帶負電荷。陽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氫鍵作用力吸附在煤巖上，但引入的負電基團的靜電斥力會減弱其與煤層的氫鍵作用，使其排水降壓開采時易于脫附，有利于儲層保護。基于上述原理，創新設計的新型雙子起泡劑ULT-1的分子結構見圖1。

雙子型起泡劑ULT-1的分子結構式、表面張力、抗溫/抗鹽性能及煤樣潤濕性變化——摘要

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