低渗透致密气、页岩气等非常规天然气正逐渐成为我国油气勘探开发的主体，2020年，非常规天然气产量占我国天然气总产量的39.3%，低渗透气藏在天然气开发中的地位越来越重要。然而，低渗透气藏孔喉细小、亲水性强、初始含水饱和度低，在钻完井过程中，水相在毛细管力作用下进入并滞留于储层内的狭长孔喉中，导致气相渗透率下降，极易引发水锁损害。防水锁剂的作用原理是通过降低细小孔喉的毛细管力和润湿反转作用，减小液相的侵入和返排时的黏滞阻力。现有防水锁剂以常规的碳氢表面活性剂和氟碳表面活性剂为主，两者均可通过降低水相表面张力和改变岩石表面润湿性来实现防水锁的目的。然而，碳氢表面活性剂仅能实现中性润湿，难以进一步提升润反转性能；氟碳表面活性剂虽具有良好的表面活性和润湿反转性能，但成本高昂，现场应用受限，因此亟需一种适用于低渗透气藏钻完井的高性能、低成本防水锁剂。有机硅表面活性剂是一类疏水链，主要为聚二甲基硅氧烷，亲水链为各种极性基团的表面活性剂，相较于传统的碳氢疏水链具有更强的疏水性，表现出更强的表面活性和润湿反转能力。采用双端含氢硅油（DHSO）、烯丙基缩水甘油醚（AGE）、三甲胺盐酸盐（TMHC）等通过硅氢加成和环氧基开环反应合成了一种阳离子有机硅表面活性剂DAT，并配合助剂构建了有机硅防水锁剂DAH，并系统评价了其防水锁性能，探究了其防水锁机理。

1.实验部分

1.1主要试剂与仪器

主要试剂：双端含氢硅油（DHSO），工业级；烯丙基缩水甘油醚（AGE），三甲胺盐酸盐（TMHC），化学纯；铂催化剂，分析纯；非离子有机硅表面活性剂，实验室自制；聚硅氧烷消泡剂，工业级；异丙醇，无水乙醇，分析纯；四川盆地侏罗系露头砂岩岩心，直径为24.5～25 mm，长度为99～101 mm，气测渗透率为1.12～1.35 mD，孔隙度为12.68%～13.76%。

主要仪器：OCA-25型光学接触角测定仪、Kibron表面张力仪，ME204E型精密天平，LDY50-180型岩心流动仪，Nicolet IS50傅里叶变换红外光谱仪，Bruker AV II-600 MHz核磁共振波谱仪，Zeta sizer Nano Zs，Genimi 300热场发射扫描电子显微镜，Inca Energy X-max 50 X射线能谱仪。

1.2制备方法

1.2.1阳离子有机硅表面活性剂DAT的合成与表征

1）中间体双端环氧基改性聚硅氧烷（DEPS）的合成。按比例依次于三口烧瓶中加入双端含氢硅油（DHSO）和烯丙基缩水甘油醚（AGE），再加入单体总质量30%的异丙醇，接通冷凝管，打开磁力搅拌，通入氮气30 min，三口烧瓶升温至一定温度后，再滴加一定量的铂催化剂的异丙醇溶液，保持此温度反应数小时后停止反应。将反应产物在80～85℃下减压蒸馏30 min脱去溶剂，得到透明的淡黄色反应产物，即为双端环氧基改性聚硅氧烷（DEPS），采用滴定法测定DHSO的转化率。

2）阳离子有机硅表面活性剂DAT的合成。将双端环氧基改性聚硅氧烷（DEPS）和三甲胺盐酸盐（TMHC）按物质的量比1∶2.2加入装有搅拌器、温度计和冷凝管的三口烧瓶中，再加入单体总质量80%的无水乙醇作为溶剂，70℃下搅拌反应4 h，停止反应，减压蒸馏去除乙醇，得到淡黄色透明液体，即为阳离子有机硅表面活性剂DAT。

1.2.2防水锁剂DAH的构建

为了获得更好的性能和使用效果，在阳离子有机硅表面活性剂DAT中加入适量非离子有机硅表面活性剂和聚硅氧烷消泡剂，构建了有机硅防水锁剂DAH。

1.3微观表征

1.3.1傅里叶红外光谱

为了对原料、中间产物、产物进行化学结构表征，采用ATR法对DHSO、DEPS和DAT进行傅里叶红外光谱测试，将适量样片滴加在ATR附件表面，使样品刚好完全覆盖锗晶体表面，扫描范围为400～4000 cm−1。

1.3.2核磁共振氢谱谱

取适量阳离子有机硅表面活性剂DAT于核磁共振样品管，加入氘代氯仿（CDCl3）作为溶剂，以四甲基硅烷（TMS）为内标物，在室温下使用Bruker AV II-600 MHz核磁共振波谱仪进行检测。

1.3.3 Zeta电位

将防水锁剂DAH配制成0.1%、0.2%、0.5%、1.0%浓度的水溶液，使用Zeta sizer Nano电位仪测定各浓度水溶液的Zeta电位。

1.3.4岩心元素分析与表面形貌

将充分打磨后的砂岩岩心片置于一定浓度的DAH溶液中，浸泡10 h，取出后在室温下晾干。采用扫描电子显微镜（SEM）研究防水锁剂DAH处理前后岩心的表面形貌；采用X射线能谱仪（EDS）测定防水锁剂DAH处理前后岩心表面元素的含量变化。

2.结果与讨论

2.1合成与表征

2.1.1合成条件优化

异丙醇占单体总质量的30%，设计正交实验来确定中间体双端环氧基改性聚硅氧烷（DEPS）合成的最佳条件，四个影响因子分别为DHSO与AGE的物质的量比、反应温度、反应时间、催化剂加量（以铂记，对单体总质量），对每个因子设定3个水平。正交实验优化反应条件见表1。

表1正交实验优化反应条件

由表1可知，4种因素对转化率影响程度依次为反应温度>反应时间>单体物质的量比>催化剂加量。在此基础上，结合单因素分析实验，确定最佳合成条件为n（DHSO）：n（AGE）=1∶2.2，反应温度为85℃，反应时间为6 h，催化剂加量为0.004%。在此条件下进行中间体DEPS的合成实验，得到单体转化率为93.65%。

2.1.2合成产物表征

由图1可知，在DHSO的红外光谱中，2126 cm−1处为Si—H的伸缩振动吸收峰，1013 cm−1处为Si—O—Si伸缩振动峰，1257 cm−1、787 cm−1处为—Si(CH3)2—的特征振动峰，2962 cm−1处为—CH3和—CH2中C—H键的伸缩振动峰；与DHSO的红外光谱相比，DEPS的红外光谱中，2126 cm−1处Si—H的伸缩振动吸收峰消失，表明硅氢加成反应成功进行；与DEPS相比，DAT的红外光谱中，3294 cm−1处出现—OH的伸缩振动吸收峰，—OH是环氧基开环产生的，1080 cm−1为C—N的伸缩振动吸收峰，1439 cm−1为—N(CH3)3的特征峰，表明DEPS中的环氧基成功开环与TMHC发生加成反应。

图1 DHSO、DEPS、DAT的红外光谱图

图2中DAT的1H-NMR谱化学位移归属为：0.01(aH)，0.1(bH)，0.45(cH)，1.53(dH)，3.4(eH)，3.6(fH)，4.32(gH)，3.55(hH)，5.71(iH)，3.35(jH)，7.3(CDCl3溶剂峰)。

图2 DAT的核磁共振氢谱图

综合红外谱图和核磁共振氢谱可知，DAT中存在着—Si(CH3)2—、Si—O—Si、—OH、—N(CH3)3、CH2—O—CH2等基团，证明了DAT的成功合成。