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液也表現出更好的表面活性。根據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°，砂巖表面由親水轉變為疏水。上述實驗結果表明，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，調節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生的風險。

2.2.4巖心驅替實驗

 將一塊巖心截為兩塊，測量兩塊巖心干態下氣測滲透率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，計算氣驅后滲透率與干態下滲透率比值，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，通過硅氫加成和環氧基開環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變為疏水，減少了水相侵入，提高了液相返排效率，降低了水鎖損害。