3結(jié)果與討論

3.1結(jié)構(gòu)表征

3.1.1紅外光譜分析

利用傅里葉變換紅外光譜儀表征起泡劑ULT-1及中間產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖2、圖3、圖4所示。從圖2、圖3、圖4可知：2 854 cm?1和2 922 cm?1處的峰為C—H的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 468 cm?1處的峰為C—H的彎曲振動(dòng)吸收峰，1 206 cm?1和1 251 cm?1處的峰為與硫酸酯連接的C—O的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 080 cm?1處的峰為醚鍵C—O的伸縮振動(dòng)吸收峰，均與起泡劑ULT-1及中間產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)的官能團(tuán)相對(duì)應(yīng)，表明成功合成了所設(shè)計(jì)的起泡劑。

圖2起泡劑ULT-1的紅外光譜圖

圖3環(huán)氧醚的紅外光譜圖

圖4醇醚的紅外光譜圖

3.1.2質(zhì)譜分析

利用電噴霧質(zhì)譜法表征起泡劑ULT-1的分子結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖5所示。從圖5可知：起泡劑ULT-1的相對(duì)分子質(zhì)量為764，脫去2個(gè)Na+后的陰離子碎片相對(duì)分子質(zhì)量為718，帶2個(gè)負(fù)電荷，質(zhì)荷比為359，與質(zhì)譜圖上359.148 49的峰一致，265.147 90的峰為雜質(zhì)十二烷基硫酸鈉脫去1個(gè)Na+后的陰離子碎片形成的，表明成功合成了所設(shè)計(jì)的起泡劑。

圖5起泡劑ULT-1的質(zhì)譜圖

3.2表面張力

當(dāng)起泡條件相同時(shí)，起泡劑水溶液的表面張力越低，發(fā)泡體積越高。配制一系列濃度梯度的起泡劑ULT-1水溶液，利用接觸角/表面張力測(cè)量?jī)x采用懸滴法測(cè)量表面張力與起泡劑ULT-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，結(jié)果如圖6所示。從圖6可知：當(dāng)起泡劑ULT-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.05%時(shí)，表面張力隨起泡劑ULT-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高快速降低；當(dāng)起泡劑ULT-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.05%時(shí)，表面張力降幅越來(lái)越小；當(dāng)起泡劑ULT-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高至0.2%時(shí)，表面張力降至20.40 mN/m，較蒸餾水降低了71.82%，繼續(xù)提高起泡劑ULT-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表面張力不再降低。表明新型起泡劑ULT-1在較低濃度時(shí)即達(dá)到較低的表面張力，有利于提高發(fā)泡體積。

圖6 ULT-1水溶液的表面張力與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

3.3起泡性能

起泡性能主要是指起泡能力和泡沫穩(wěn)定性。發(fā)泡體積V0反映了起泡能力，析液半衰期t1/2反映了泡沫穩(wěn)定性。在室溫下，稱(chēng)取一定質(zhì)量的起泡劑ULT-1于攪拌杯中，加入100 mL蒸餾水，置于攪拌器之上，以轉(zhuǎn)速11 000 r/min攪拌1 min。攪拌完畢后，立即取下攪拌杯，同時(shí)啟動(dòng)秒表，開(kāi)始記錄消泡時(shí)間，將攪拌杯中的所有物質(zhì)全部倒入1 000 mL量筒中，讀取發(fā)泡體積和從泡沫中析出50 mL液體的時(shí)間，即為半衰期。通過(guò)改變起泡劑ULT-1的質(zhì)量測(cè)量起泡性能與起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。從圖7可知：隨起泡劑ULT-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，發(fā)泡體積增加幅度較大，半衰期緩慢增加。當(dāng)ULT-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)升到0.2%時(shí)，發(fā)泡體積達(dá)到501 mL，半衰期達(dá)到1 440 s，繼續(xù)提高質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)泡體積和半衰期基本不變，表明研制的新型起泡劑ULT-1低濃度時(shí)即具有較高的起泡性能，發(fā)泡體積高，泡沫半衰期長(zhǎng)。同時(shí)，對(duì)比評(píng)價(jià)了常用起泡劑的半衰期，結(jié)果如表1所示。從表1可知：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的起泡劑ULT-1與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的常規(guī)起泡劑相比，泡沫半衰期可提高3倍以上。

圖7起泡劑ULT-1的起泡性能

表1起泡劑的半衰期對(duì)比

3.4抗鹽性能

利用抗NaCl污染的能力評(píng)價(jià)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%起泡劑ULT-1水溶液的抗鹽性能。在室溫下，稱(chēng)取0.2 g起泡劑ULT-1于攪拌杯中，加入100 mL蒸餾水，置于攪拌器之上，以轉(zhuǎn)速11 000 r/min攪拌1 min。直接加入一定量的NaCl，以轉(zhuǎn)速11 000 r/min攪拌1 min，測(cè)量發(fā)泡體積和半衰期。通過(guò)改變NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)量起泡性能，結(jié)果如圖8所示。從圖8可知：當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%以?xún)?nèi)時(shí)，發(fā)泡體積和半衰期緩慢增大，當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大時(shí)，發(fā)泡體積和半衰期緩慢降低；當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)10%時(shí)，發(fā)泡體積和半衰期仍能保持較高水平，表明研制的新型起泡劑ULT-1具有較好的抗鹽性能。

圖8起泡劑ULT-1的抗鹽性能

3.5抗溫性能

將起泡劑溶液在一定溫度下老化一定時(shí)間后，測(cè)試其發(fā)泡體積和泡沫半衰期的變化以評(píng)價(jià)其抗溫性能。稱(chēng)取0.2 g起泡劑ULT-1于攪拌杯中，加入100 mL蒸餾水，置于攪拌器之上，以轉(zhuǎn)速11 000 r/min攪拌1 min。裝入老化罐，放入滾子加熱爐，在一定溫度下滾動(dòng)16 h，取出冷卻至室溫，以轉(zhuǎn)速11 000 r/min攪拌1 min，測(cè)量發(fā)泡體積和半衰期。通過(guò)改變老化溫度測(cè)量起泡性能與老化溫度的關(guān)系，結(jié)果如圖9所示。從圖9可知：0.2%的新型起泡劑溶液在一定溫度范圍內(nèi)(20~70℃)，隨著老化溫度的升高起泡性能基本不變，表明研制的新型起泡劑ULT-1具有較好的抗溫性能。

圖9起泡劑ULT-1的抗溫性能

3.6煤樣潤(rùn)濕性

煤樣潤(rùn)濕性變化主要反映了起泡劑在煤樣表面的吸附與脫附情況，可以根據(jù)接觸角θ判斷潤(rùn)濕性情況。通常把θ=90°作為是否潤(rùn)濕的界限，θ>90°表明不潤(rùn)濕，θ<90°表明潤(rùn)濕，θ越小，潤(rùn)濕性能越好。分別取滇東黔西地區(qū)的松河15號(hào)煤樣、恩洪16號(hào)煤樣和天井8號(hào)煤樣，利用接觸角/表面張力測(cè)量?jī)x通過(guò)五點(diǎn)擬合法分別測(cè)量純水在原始煤樣(A狀態(tài))、0.2%起泡劑ULT-1溶液浸泡1 h烘干的煤樣(B狀態(tài))、0.2%起泡劑ULT-1溶液浸泡1 h后低速水流沖洗1 h烘干的煤樣(C狀態(tài))表面的接觸角，結(jié)果如圖10所示。將C狀態(tài)接觸角與B狀態(tài)接觸角的差值定義為接觸角增加值，C狀態(tài)接觸角與A狀態(tài)接觸角的比值定義為潤(rùn)濕性恢復(fù)值，間接反映了新型起泡劑ULT-1在煤樣表面的脫附程度，潤(rùn)濕性恢復(fù)值越大，越易脫附，脫附程度越大。原始煤樣接觸角均大于90°，為水不潤(rùn)濕(A狀態(tài))，起泡劑ULT-1在煤樣表面吸附后接觸角均小于90°，將煤樣表面變?yōu)橹卸葷?rùn)濕(B狀態(tài))，但是低速水流沖洗吸附了起泡劑ULT-1的煤樣1 h后，接觸角均明顯增大，松河15號(hào)與天井8號(hào)煤樣的接觸角增加38°以上，接近90°，變?yōu)槿鯘?rùn)濕(C狀態(tài))，恩洪16號(hào)煤樣的接觸角增加43°以上，超過(guò)90°，變?yōu)椴粷?rùn)濕(C狀態(tài))。各煤樣潤(rùn)濕性恢復(fù)值均超過(guò)69%，天井8號(hào)潤(rùn)濕性恢復(fù)值最高達(dá)到93.70%，表明新型起泡劑ULT-1在煤層氣排液開(kāi)采過(guò)程中易于脫附，有利于儲(chǔ)層保護(hù)。

圖10煤樣接觸角變化

4結(jié)論

1)基于起泡劑的分子結(jié)構(gòu)與起泡量、泡沫穩(wěn)定性的關(guān)系，研制了在較低濃度時(shí)起泡量高、泡沫穩(wěn)定性好的新型分子結(jié)構(gòu)的煤層氣井用高效雙子型起泡劑ULT-1。

2)利用紅外光譜、質(zhì)譜進(jìn)行新型起泡劑ULT-1分子結(jié)構(gòu)表征，起泡劑ULT-1分子中具有硫酸酯鍵、醚鍵、碳?xì)滏I等官能團(tuán)，與分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一致。

3)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，較純水降低了71.82%，發(fā)泡體積達(dá)501 mL，泡沫半衰期達(dá)1 440 s，與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為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的抗鹽性能與抗溫性能較高，在煤巖表面易于脫附，煤樣潤(rùn)濕性恢復(fù)值最高達(dá)93.70%，有利于儲(chǔ)層保護(hù)。

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