2.2防(fang)水(shui)鎖劑DAH防(fang)水(shui)鎖性能

2.2.1表面張(zhang)力

配制不同(tong)濃(nong)度的(de)(de)(de)防水鎖(suo)劑DAH溶(rong)液(ye)，在室溫下(xia)，使用(yong)OCA-25型光學(xue)接觸角測定儀、表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)儀進行懸滴法測定表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)實驗，并(bing)與(yu)常用(yong)的(de)(de)(de)防水鎖(suo)劑進行對比，結果見圖3。由圖3可(ke)知(zhi)，蒸餾水的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)為(wei)72.35 mN/m，隨著DAH濃(nong)度增大，水相(xiang)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)逐漸(jian)降(jiang)低，當DAH濃(nong)度達(da)到1%時，表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)為(wei)21.28 mN/m，而1%DAT溶(rong)液(ye)、1%SDBS溶(rong)液(ye)和1%OP-10溶(rong)液(ye)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)分別為(wei)29.53、31.23和35.34 mN/m；相(xiang)比未復配的(de)(de)(de)陽離子有(you)(you)機硅表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)活(huo)性劑DAT，DAH降(jiang)低表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)能力(li)(li)(li)(li)更優異，這說明與(yu)非離子有(you)(you)機硅表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)活(huo)性劑復配有(you)(you)助于提(ti)高其表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)活(huo)性；與(yu)常用(yong)防水鎖(suo)劑相(xiang)比，DAH液(ye)也(ye)表(biao)(biao)(biao)(biao)現出更好的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)活(huo)性。根據(ju)Young-Laplace方程，毛(mao)細管(guan)力(li)(li)(li)(li)與(yu)水相(xiang)表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)成正比，DAH可(ke)通過(guo)大幅降(jiang)低表(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)(zhang)力(li)(li)(li)(li)，減小(xiao)細小(xiao)孔喉的(de)(de)(de)毛(mao)細管(guan)力(li)(li)(li)(li)，緩解(jie)水鎖(suo)損害。

圖3 DAH與常用防水(shui)鎖劑對蒸餾水(shui)表(biao)面張力的影(ying)響(xiang)

2.2.2巖心接(jie)觸角

將巖(yan)心(xin)(xin)(xin)切片(pian)，使用800號金相砂紙將巖(yan)心(xin)(xin)(xin)片(pian)充分打(da)磨(mo)，在室(shi)溫(wen)下將巖(yan)心(xin)(xin)(xin)片(pian)放入不同濃度的(de)防水鎖劑DAH溶液，浸泡(pao)10 h，取出后(hou)在室(shi)溫(wen)下晾干，使用OCA-25型光學接觸角測定儀(yi)測定蒸餾(liu)水在巖(yan)心(xin)(xin)(xin)片(pian)表面的(de)接觸角，結(jie)果見圖4。

圖4 DAH處理(li)后砂巖表面的水相接觸角

由圖4可(ke)知，未處理(li)(li)巖(yan)(yan)心的潤濕(shi)性(xing)為(wei)水(shui)(shui)潤濕(shi)性(xing)，蒸餾水(shui)(shui)在其表面(mian)鋪展，水(shui)(shui)相接觸(chu)角(jiao)為(wei)20°，隨著DAH濃(nong)度的增(zeng)大(da)，處理(li)(li)后(hou)的砂巖(yan)(yan)表面(mian)接觸(chu)角(jiao)逐漸增(zeng)大(da)，當DAH濃(nong)度為(wei)1%時(shi)，砂巖(yan)(yan)表面(mian)接觸(chu)角(jiao)達110°，砂巖(yan)(yan)表面(mian)由親水(shui)(shui)轉變為(wei)疏水(shui)(shui)。上(shang)述實驗結(jie)果表明(ming)，DAH可(ke)以大(da)幅降低水(shui)(shui)相在巖(yan)(yan)心表面(mian)的黏滯力(li)，降低毛細(xi)管力(li)作用(yong)，提高水(shui)(shui)相返排效率，避(bi)免水(shui)(shui)鎖(suo)損害的發生。

2.2.3巖(yan)心自吸實驗

配制模擬(ni)地層水，加(jia)入一(yi)定量(liang)的(de)防水鎖(suo)劑(ji)DAH，攪拌均(jun)勻得防水鎖(suo)劑(ji)溶(rong)液。選用四塊5 cm的(de)巖(yan)心(xin)(xin)，使用聚四氟乙烯膠帶將(jiang)巖(yan)心(xin)(xin)側面密封，在室溫下(xia)(xia)(xia)，將(jiang)巖(yan)心(xin)(xin)懸吊于(yu)精密天(tian)平下(xia)(xia)(xia)方(fang)(fang)，隨后將(jiang)裝有溶(rong)液的(de)燒杯放置(zhi)于(yu)巖(yan)心(xin)(xin)正下(xia)(xia)(xia)方(fang)(fang)的(de)升降(jiang)臺(tai)上，調節升降(jiang)臺(tai)使液面剛好接觸巖(yan)心(xin)(xin)下(xia)(xia)(xia)端面，此時(shi)(shi)(shi)將(jiang)天(tian)平清零，記錄天(tian)平讀數隨時(shi)(shi)(shi)間(jian)變化(hua)。圖5為(wei)防水鎖(suo)劑(ji)對巖(yan)心(xin)(xin)自(zi)(zi)吸水的(de)影響曲線(xian)。圖6為(wei)巖(yan)心(xin)(xin)自(zi)(zi)吸率隨時(shi)(shi)(shi)間(jian)變化(hua)曲線(xian)。

圖5巖心(xin)自(zi)吸(xi)水量與時(shi)間的關系曲線(xian)

圖(tu)6巖心自吸速(su)率(lv)隨時間(jian)的變化曲線

由圖5可以(yi)看出，水(shui)相(xiang)會(hui)在(zai)毛細(xi)(xi)管力(li)的作(zuo)用(yong)下(xia)自(zi)(zi)吸(xi)(xi)入(ru)巖(yan)(yan)心(xin)(xin)，初始(shi)階(jie)段巖(yan)(yan)心(xin)(xin)的自(zi)(zi)吸(xi)(xi)水(shui)量較(jiao)大，經過200 min后達到平衡，自(zi)(zi)吸(xi)(xi)水(shui)量不再增(zeng)加(jia)；加(jia)入(ru)DAH后，巖(yan)(yan)心(xin)(xin)自(zi)(zi)吸(xi)(xi)水(shui)量下(xia)降83.1%，且(qie)相(xiang)較(jiao)于常用(yong)防水(shui)鎖(suo)(suo)劑OP-10、SDBS效(xiao)果更佳。圖6同樣表明，加(jia)入(ru)DAH后，巖(yan)(yan)心(xin)(xin)自(zi)(zi)吸(xi)(xi)水(shui)速(su)率大幅(fu)降低，整個自(zi)(zi)吸(xi)(xi)過程中速(su)率緩慢。上述(shu)實驗表明，DAH可以(yi)減(jian)少(shao)因毛細(xi)(xi)管力(li)被(bei)吸(xi)(xi)入(ru)地(di)層的水(shui)相(xiang)，從而降低水(shui)鎖(suo)(suo)損害(hai)發生(sheng)的風險。

2.2.4巖心(xin)驅替實驗

將一塊(kuai)巖(yan)(yan)心截為兩(liang)(liang)塊(kuai)，測量兩(liang)(liang)塊(kuai)巖(yan)(yan)心干態下(xia)(xia)氣測滲(shen)(shen)透率(lv)Kg1，之后將兩(liang)(liang)塊(kuai)巖(yan)(yan)心分別飽(bao)(bao)(bao)和(he)(he)(he)模擬地(di)層(ceng)水(shui)和(he)(he)(he)DAH溶液，使(shi)用氮(dan)氣在相(xiang)同壓力下(xia)(xia)將兩(liang)(liang)塊(kuai)巖(yan)(yan)心驅替至平衡，測量巖(yan)(yan)心氣測滲(shen)(shen)透率(lv)Kg2及殘余(yu)水(shui)飽(bao)(bao)(bao)和(he)(he)(he)度，計算(suan)氣驅后滲(shen)(shen)透率(lv)與干態下(xia)(xia)滲(shen)(shen)透率(lv)比值，即為巖(yan)(yan)心滲(shen)(shen)透率(lv)恢(hui)復(fu)率(lv)。如表2所示(shi)，使(shi)用模擬地(di)層(ceng)水(shui)飽(bao)(bao)(bao)和(he)(he)(he)巖(yan)(yan)心后，滲(shen)(shen)透率(lv)恢(hui)復(fu)率(lv)僅(jin)有22.88%，水(shui)鎖損(sun)害(hai)嚴重，而使(shi)用1%DAH溶液飽(bao)(bao)(bao)和(he)(he)(he)巖(yan)(yan)心后，滲(shen)(shen)透率(lv)恢(hui)復(fu)率(lv)高達82.68%，水(shui)鎖損(sun)害(hai)程(cheng)度大幅降低(di)(di)，殘余(yu)水(shui)飽(bao)(bao)(bao)和(he)(he)(he)度更低(di)(di)，液相(xiang)返排(pai)也更容易。

表2巖(yan)心流動實驗(yan)結果(guo)

2.3防水(shui)鎖劑DAH作用機(ji)理分析

2.3.1通過靜電作(zuo)用吸附在(zai)巖石(shi)表(biao)面

使用Zeta sizer Nano電位(wei)儀測(ce)定不同濃度(du)DAH溶液的Zeta電位(wei)，結果如圖7所示。

圖7不同濃度DAH溶液的Zeta電位(wei)

 由圖7可(ke)知，隨著DAH濃度的(de)增加(jia)，水(shui)溶液的(de)Zeta電(dian)位逐漸增加(jia)，1%時(shi)，Zeta電(dian)位達51.5 mV，這是(shi)因為防水(shui)鎖劑中(zhong)的(de)DAT分子(zi)具有季(ji)銨鹽結構，帶有正電(dian)荷(he)。砂巖表面通常呈(cheng)負(fu)電(dian)性，DAT分子(zi)可(ke)通過靜電(dian)作用吸附在砂巖表面。

使(shi)用X射(she)線能譜儀測(ce)定(ding)防水(shui)鎖劑DAH處理(li)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(xi)

表3 DAH處理前后(hou)巖心表面元素含(han)量(liang)分析

由圖8、表(biao)(biao)(biao)3可知，經(jing)DAH處理后，砂(sha)巖巖心(xin)(xin)表(biao)(biao)(biao)面(mian)，Si、C、N元(yuan)素含量增加，O和(he)其他微量元(yuan)素含量減少，元(yuan)素含量變化表(biao)(biao)(biao)明防水鎖(suo)劑(ji)中的DAT分子已經(jing)在(zai)巖心(xin)(xin)表(biao)(biao)(biao)面(mian)成功吸(xi)附(fu)，這也印證了前(qian)文中DAT通(tong)過靜電作用吸(xi)附(fu)于巖心(xin)(xin)表(biao)(biao)(biao)面(mian)的觀點。

2.3.2構筑致密吸附膜

將打磨好的(de)未處(chu)理(li)(li)巖(yan)心(xin)和防水鎖(suo)劑(ji)DAH處(chu)理(li)(li)后的(de)巖(yan)心(xin)采用(yong)掃描電鏡進行測(ce)試，結(jie)果如圖(tu)9所示(shi)。由(you)圖(tu)9（a）可(ke)(ke)知，未處(chu)理(li)(li)的(de)巖(yan)心(xin)表(biao)面(mian)較(jiao)(jiao)為粗(cu)糙，存在較(jiao)(jiao)多(duo)大顆(ke)粒(li)與微孔隙(xi)(xi)，在親水礦(kuang)物和毛細(xi)管力(li)的(de)綜合作(zuo)用(yong)下(xia)，巖(yan)心(xin)表(biao)面(mian)呈親水性(xing)(xing)。如圖(tu)9（b）所示(shi)，DAH處(chu)理(li)(li)后的(de)巖(yan)心(xin)表(biao)面(mian)更為光滑，微孔隙(xi)(xi)數目(mu)減(jian)少，這是因為防水鎖(suo)劑(ji)中(zhong)的(de)DAT分(fen)子通過(guo)靜(jing)電作(zuo)用(yong)在巖(yan)心(xin)表(biao)面(mian)吸附形成薄膜(mo)。DAT分(fen)子兩端(duan)的(de)季銨結(jie)構可(ke)(ke)以通過(guo)靜(jing)電作(zuo)用(yong)吸附在砂巖(yan)表(biao)面(mian)，中(zhong)間的(de)聚(ju)(ju)硅氧烷鏈段具(ju)有良好的(de)柔韌(ren)性(xing)(xing)和旋轉(zhuan)靈活(huo)性(xing)(xing)，使得(de)DAT分(fen)子可(ke)(ke)以在巖(yan)心(xin)表(biao)面(mian)密(mi)集覆(fu)蓋(gai)。同時聚(ju)(ju)硅氧烷鏈段的(de)柔韌(ren)性(xing)(xing)也使其(qi)兩側的(de)甲基可(ke)(ke)以高密(mi)度堆(dui)積，這種堆(dui)積使得(de)巖(yan)心(xin)表(biao)面(mian)獲得(de)較(jiao)(jiao)強的(de)疏水性(xing)(xing)，從而降低了液相(xiang)返排阻力(li)，減(jian)輕了水鎖(suo)損害。

圖(tu)9 DAH處理前后巖心(xin)表(biao)面形貌

3.結論

1.以雙端含氫硅油(you)（DHSO）、烯丙基縮水甘油(you)醚(mi)（AGE）、三甲胺(an)鹽酸鹽（TMHC）等(deng)為(wei)原料，通過硅氫加成(cheng)和環(huan)氧(yang)基開環(huan)反應合(he)成(cheng)了一種(zhong)陽離子有(you)機硅表面活(huo)性劑DAT。紅外光譜(pu)和核磁共振氫譜(pu)測(ce)試表明，DAT的分子結構符合(he)預期設計。配合(he)助劑構建(jian)了有(you)機硅防水鎖劑DAH。

2.有機硅防水(shui)(shui)鎖劑DAH可降低水(shui)(shui)相表面(mian)張(zhang)力(li)至21.28 mN/m，增大(da)巖心(xin)接(jie)觸角至110°，大(da)幅降低巖心(xin)自吸水(shui)(shui)量(liang)，提高滲(shen)透率恢(hui)復率至82.68%，預(yu)防和解除(chu)了低滲(shen)透氣藏的水(shui)(shui)鎖損害。

3.Zeta電位、巖(yan)(yan)心(xin)元素(su)分析、巖(yan)(yan)心(xin)表(biao)面形(xing)貌(mao)分析等(deng)實(shi)驗表(biao)明(ming)，有機硅(gui)防水(shui)鎖劑(ji)中的(de)DAT通(tong)過靜(jing)電吸附(fu)在巖(yan)(yan)心(xin)表(biao)面構筑了(le)(le)低(di)表(biao)面能的(de)吸附(fu)膜(mo)，從而將巖(yan)(yan)心(xin)由(you)親水(shui)轉變為(wei)疏水(shui)，減少了(le)(le)水(shui)相侵入，提(ti)高了(le)(le)液(ye)相返排效率，降低(di)了(le)(le)水(shui)鎖損害。