2.2防水鎖劑DAH防水鎖性能

2.2.1表面張力

配制不同濃度的防水鎖劑DAH溶液，在室溫下，使用OCA-25型光學接觸角測定儀、表面張力儀進行懸滴法測定表面張力實驗，并與常用的防水鎖劑進行對比，結(jié)果見圖3。由圖3可知，蒸餾水的表面張力為72.35 mN/m，隨著DAH濃度增大，水相表面張力逐漸降低，當DAH濃度達到1%時，表面張力為21.28 mN/m，而1%DAT溶液、1%SDBS溶液和1%OP-10溶液的表面張力分別為29.53、31.23和35.34 mN/m；相比未復配的陽離子有機硅表面活性劑DAT，DAH降低表面張力的能力更優(yōu)異，這說明與非離子有機硅表面活性劑復配有助于提高其表面活性；與常用防水鎖劑相比，DAH液也表現(xiàn)出更好的表面活性。根據(jù)Young-Laplace方程，毛細管力與水相表面張力成正比，DAH可通過大幅降低表面張力，減小細小孔喉的毛細管力，緩解水鎖損害。

圖3 DAH與常用防水鎖劑對蒸餾水表面張力的影響

2.2.2巖心接觸角

將巖心切片，使用800號金相砂紙將巖心片充分打磨，在室溫下將巖心片放入不同濃度的防水鎖劑DAH溶液，浸泡10 h，取出后在室溫下晾干，使用OCA-25型光學接觸角測定儀測定蒸餾水在巖心片表面的接觸角，結(jié)果見圖4。

圖4 DAH處理后砂巖表面的水相接觸角

由圖4可知，未處理巖心的潤濕性為水潤濕性，蒸餾水在其表面鋪展，水相接觸角為20°，隨著DAH濃度的增大，處理后的砂巖表面接觸角逐漸增大，當DAH濃度為1%時，砂巖表面接觸角達110°，砂巖表面由親水轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?。上述實驗結(jié)果表明，DAH可以大幅降低水相在巖心表面的黏滯力，降低毛細管力作用，提高水相返排效率，避免水鎖損害的發(fā)生。

2.2.3巖心自吸實驗

配制模擬地層水，加入一定量的防水鎖劑DAH，攪拌均勻得防水鎖劑溶液。選用四塊5 cm的巖心，使用聚四氟乙烯膠帶將巖心側(cè)面密封，在室溫下，將巖心懸吊于精密天平下方，隨后將裝有溶液的燒杯放置于巖心正下方的升降臺上，調(diào)節(jié)升降臺使液面剛好接觸巖心下端面，此時將天平清零，記錄天平讀數(shù)隨時間變化。圖5為防水鎖劑對巖心自吸水的影響曲線。圖6為巖心自吸率隨時間變化曲線。

圖5巖心自吸水量與時間的關系曲線

圖6巖心自吸速率隨時間的變化曲線

由圖5可以看出，水相會在毛細管力的作用下自吸入巖心，初始階段巖心的自吸水量較大，經(jīng)過200 min后達到平衡，自吸水量不再增加；加入DAH后，巖心自吸水量下降83.1%，且相較于常用防水鎖劑OP-10、SDBS效果更佳。圖6同樣表明，加入DAH后，巖心自吸水速率大幅降低，整個自吸過程中速率緩慢。上述實驗表明，DAH可以減少因毛細管力被吸入地層的水相，從而降低水鎖損害發(fā)生的風險。

2.2.4巖心驅(qū)替實驗

將一塊巖心截為兩塊，測量兩塊巖心干態(tài)下氣測滲透率Kg1，之后將兩塊巖心分別飽和模擬地層水和DAH溶液，使用氮氣在相同壓力下將兩塊巖心驅(qū)替至平衡，測量巖心氣測滲透率Kg2及殘余水飽和度，計算氣驅(qū)后滲透率與干態(tài)下滲透率比值，即為巖心滲透率恢復率。如表2所示，使用模擬地層水飽和巖心后，滲透率恢復率僅有22.88%，水鎖損害嚴重，而使用1%DAH溶液飽和巖心后，滲透率恢復率高達82.68%，水鎖損害程度大幅降低，殘余水飽和度更低，液相返排也更容易。

表2巖心流動實驗結(jié)果

2.3防水鎖劑DAH作用機理分析

2.3.1通過靜電作用吸附在巖石表面

使用Zeta sizer Nano電位儀測定不同濃度DAH溶液的Zeta電位，結(jié)果如圖7所示。

圖7不同濃度DAH溶液的Zeta電位

由圖7可知，隨著DAH濃度的增加，水溶液的Zeta電位逐漸增加，1%時，Zeta電位達51.5 mV，這是因為防水鎖劑中的DAT分子具有季銨鹽結(jié)構，帶有正電荷。砂巖表面通常呈負電性，DAT分子可通過靜電作用吸附在砂巖表面。

使用X射線能譜儀測定防水鎖劑DAH處理前后砂巖表面元素含量，結(jié)果如圖8、表3所示。

圖8 DAH處理前后巖心表面EDS能譜分析

表3 DAH處理前后巖心表面元素含量分析

由圖8、表3可知，經(jīng)DAH處理后，砂巖巖心表面，Si、C、N元素含量增加，O和其他微量元素含量減少，元素含量變化表明防水鎖劑中的DAT分子已經(jīng)在巖心表面成功吸附，這也印證了前文中DAT通過靜電作用吸附于巖心表面的觀點。

2.3.2構筑致密吸附膜

將打磨好的未處理巖心和防水鎖劑DAH處理后的巖心采用掃描電鏡進行測試，結(jié)果如圖9所示。由圖9（a）可知，未處理的巖心表面較為粗糙，存在較多大顆粒與微孔隙，在親水礦物和毛細管力的綜合作用下，巖心表面呈親水性。如圖9（b）所示，DAH處理后的巖心表面更為光滑，微孔隙數(shù)目減少，這是因為防水鎖劑中的DAT分子通過靜電作用在巖心表面吸附形成薄膜。DAT分子兩端的季銨結(jié)構可以通過靜電作用吸附在砂巖表面，中間的聚硅氧烷鏈段具有良好的柔韌性和旋轉(zhuǎn)靈活性，使得DAT分子可以在巖心表面密集覆蓋。同時聚硅氧烷鏈段的柔韌性也使其兩側(cè)的甲基可以高密度堆積，這種堆積使得巖心表面獲得較強的疏水性，從而降低了液相返排阻力，減輕了水鎖損害。

圖9 DAH處理前后巖心表面形貌

3.結(jié)論

1.以雙端含氫硅油（DHSO）、烯丙基縮水甘油醚（AGE）、三甲胺鹽酸鹽（TMHC）等為原料，通過硅氫加成和環(huán)氧基開環(huán)反應合成了一種陽離子有機硅表面活性劑DAT。紅外光譜和核磁共振氫譜測試表明，DAT的分子結(jié)構符合預期設計。配合助劑構建了有機硅防水鎖劑DAH。

2.有機硅防水鎖劑DAH可降低水相表面張力至21.28 mN/m，增大巖心接觸角至110°，大幅降低巖心自吸水量，提高滲透率恢復率至82.68%，預防和解除了低滲透氣藏的水鎖損害。

3.Zeta電位、巖心元素分析、巖心表面形貌分析等實驗表明，有機硅防水鎖劑中的DAT通過靜電吸附在巖心表面構筑了低表面能的吸附膜，從而將巖心由親水轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?，減少了水相侵入，提高了液相返排效率，降低了水鎖損害。