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DHSO、AGE、TMHC構(gòu)建陽離子有機硅表面活性劑DAT防水鎖性能(二)

來源: 鉆井液與完井液 瀏覽 632 次 發(fā)布時間:2024-10-22

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(gòu),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(gòu)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(gòu)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(gòu)符合預期設計。配合助劑構(gòu)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(gòu)筑了低表面能的吸附膜,從而將巖心由親水轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷瑴p少了水相侵入,提高了液相返排效率,降低了水鎖損害。


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