摘要

分析起泡剂的分子结构与起泡量、泡沫稳定性的关系，设计新型起泡剂ULT-1的分子结构，室内合成该起泡剂。红外光谱和质谱对起泡剂的结构表征与分子结构设计一致。对起泡剂ULT-1进行性能评价。研究结果表明：质量分数为0.2%的起泡剂ULT-1水溶液的表面张力达到20.40 mN/m，较蒸馏水降低了71.82%，发泡体积达501 mL，半衰期长达1 440 s，与质量分数0.5%的常规起泡剂相比，泡沫半衰期提高3倍以上。起泡剂ULT-1的抗盐及抗温性能较好，煤样润湿性恢复值高达93.70%，起泡剂ULT-1容易在煤岩表面脱附，有利于储层保护。

煤层气是以吸附和游离状态储集在煤层孔隙中的天然气。中国煤层气资源丰富，分布广泛。煤层气作为一种优质清洁能源，由于经济的持续快速发展和环境保护的需要，我国对煤层气的需求量日益增长。加大煤层气的勘探开发，对优化能源结构与可持续发展具有重要战略意义。近年来，我国煤层气勘探开发获得了一定突破，但仍存在许多问题。煤层气钻井与常规油气田钻井差别很大，存在一系列问题，断裂构造发育、胶结性差，易水化膨胀，煤层多而薄，煤层地应力高和多煤层垂向叠置等，钻完井后，储层易受损害，影响后期增产改造效果。

从安全钻进以及储层保护的角度考虑，煤层气井钻井液应该具备低固相、低黏度、高动塑比、低密度、低失水、强封堵、易返排等特点。泡沫钻井液是煤层气开发中具有独特优势的钻井液体系，滤失量低，可减少地层损害，具有很好的储层保护性能，并且具有一定的封堵防塌作用，现场应用效果较好，例如可循环微泡钻井液、绒囊钻井液等。起泡剂是泡沫钻井液中的核心处理剂之一，是一种能够使泡沫易于产生且产生后具有一定稳定性的表面活性剂。主要类型有阴离子型、阳离子型、两性型、非离子型，其中阴离子型起泡剂起泡能力强、使用效果好、价格适中且来源广泛。

国内外学者在起泡剂的优选与合成方面进行了相关研究。DERIKVAND等采用阴离子表面活性剂α烯烃磺酸酯(AOS)与羧甲基纤维素(CMC)复配，成功研制出一种新型的泡沫体系，提高了溶液黏度和泡沫稳定性。程鸿伯按照钻井液用发泡剂评价程序(SY/T5350—91)评价了常用起泡剂的起泡性能，认为阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠SDS和十二烷基苯磺酸钠ABS发泡量较大，发泡能力较好，而非离子表面活性剂失水山梨糖醇脂肪酸酯SPAN-80发泡量较小，发泡能力较差。VIKINGSTAD等评价了FS-500氟碳表面活性剂和AOS表面活性剂的耐油稳定性，FS-500泡沫的气泡密度更稠密，且耐油稳定性长达数周。ZHENG等室内优选了十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠，复配其他处理剂研制了一种新型绒囊钻井液体系。刘可成等采用氯代长链烷烃及四甲基乙二胺(TMEDA)通过季铵化反应合成了一系列双子季铵盐起泡剂，其中以氯代十四烷作原料合成的起泡剂起泡性能最好。栾和鑫合成并评价了一系列阴−非离子型Gemini表面活性剂，起泡性能和半衰期随联结基长度增加增大。

综上所述，目前起泡剂的研究大多集中在利用现有的表面活性剂，进行优选与复配，应用于油气田泡沫钻井液与采油领域，而在起泡剂分子结构设计方面的研究比较少，很多是针对起泡剂的耐油性、抗温性进行设计合成的，没有从提高起泡量、半衰期的角度考虑，且使用浓度较高，不利于降低成本。本文作者从泡沫钻井液的核心处理剂起泡剂的起泡性能与分子结构的关系出发，优化起泡剂结构，提高起泡量和泡沫半衰期，降低使用浓度，研制一种在较低浓度时起泡量高、泡沫稳定性好的新型分子结构的起泡剂。

1起泡剂分子结构设计

本文以提高起泡量和泡沫半衰期、降低使用浓度为目标，创新设计了一种新型分子结构的双子型起泡剂ULT-1。双子表面活性剂的临界胶束浓度较相应的传统表面活性剂的临界胶束浓度低1~2个数量级，能更有效地降低水的表面张力，有利于降低使用浓度、提高起泡量。用短联结基团连接的双子表面活性剂，在相当低的浓度时其水溶液就具有较高的黏度，有利于提高泡沫半衰期，增强泡沫稳定性。亲水基SO42−亲水性强，位于双子表面活性剂中间，降低表面张力的效率高，有利于提高起泡量。亲水基团显负电性，其在气液界面吸附后，气泡之间可产生静电斥力，降低了气泡的聚并速度，有利于提高泡沫稳定性。2个亲水基团将水紧紧吸附在液膜内，提高了起泡剂的锁液能力，降低了液膜的排液速度，大大提高了泡沫稳定性。

图1起泡剂ULT-1的分子结构式

亲油基碳数过高或过低的表面活性剂的起泡能力都不高，12个碳的直链亲油基有利于提高半衰期，增强泡沫稳定性。煤表面存在含氧官能团，包括醇、醚、酚、酯、羧基，可使煤粒子表面带负电荷。阳离子型表面活性剂由于氢键和静电的双重作用可被煤表面选择性吸附，吸附强度高，不利于其在煤岩表面脱附。而阴离子型表面活性剂可通过氢键作用力吸附在煤岩上，但引入的负电基团的静电斥力会减弱其与煤层的氢键作用，使其排水降压开采时易于脱附，有利于储层保护。基于上述原理，创新设计的新型双子起泡剂ULT-1的分子结构见图1。

双子型起泡剂ULT-1的分子结构式、表面张力、抗温/抗盐性能及煤样润湿性变化——摘要

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双子型起泡剂ULT-1的分子结构式、表面张力、抗温/抗盐性能及煤样润湿性变化——结果与讨论、结论