四、疏水材料ZH-1的制備與表征

4.1 合成路線

降低表面張力只是解水鎖的一半任務，另一半任務是改變巖石表面的潤濕性。為此，研究者制備了疏水材料ZH-1。

ZH-1的制備以納米二氧化硅為基體，乙烯基三乙氧基硅烷為改性劑。具體流程如下：將1克干燥納米二氧化硅顆粒加入100毫升質量分數為95%的乙醇溶液中，攪拌并超聲震蕩30~60分鐘，然后放入恒溫水浴鍋中攪拌10分鐘，得到溶液A。將1毫升乙烯基三乙氧基硅烷加入乙醇與去離子水的混合溶液中，用乙酸調節pH值至4~5之間，攪拌得到水解溶液B。將溶液B緩慢滴入溶液A中，在80℃恒溫水浴中持續攪拌8小時，然后在室溫下繼續攪拌至冷卻，得到疏水材料ZH-1。

4.2 結構確認

紅外光譜對比分析顯示，改性前后的納米二氧化硅在1100cm?1、790cm?1和474cm?1處均出現硅氧硅鍵的特征峰，說明二氧化硅的主體結構未被破壞。關鍵變化出現在高頻區：未改性的納米二氧化硅在3420cm?1處有明顯的羥基伸縮振動峰，而ZH-1的羥基峰強度顯著減弱。與此同時，ZH-1在3020cm?1處出現了一個新的吸收峰，對應乙烯基的拉伸振動。

這些變化意味著乙烯基三乙氧基硅烷與二氧化硅表面的羥基發生了脫水縮合反應，形成了穩定的硅氧硅鍵，乙烯基團成功接枝到了納米顆粒表面。疏水改性順利完成。

4.3 潤濕性測試

為了驗證ZH-1的潤濕反轉能力，研究者用其對玻璃片進行了處理。實驗結果顯示，初始玻璃片的水相接觸角僅為27°，呈現典型的親水性。經ZH-1處理后，接觸角躍升至115°，表面從親水性轉變為疏水性。這一結果有力證明了ZH-1具有顯著的潤濕反轉能力。

五、復合解水鎖體系的配方優化

有了表面活性劑TMES和疏水材料ZH-1，下一步是將兩者復配，尋找最優配方。

5.1 疏水材料用量優化

研究者用不同質量分數的ZH-1處理巖心，測試水相接觸角的變化。初始巖心的接觸角為28.88°。隨著ZH-1質量分數的增加，接觸角明顯增大。當質量分數達到10%時，接觸角達到最大值114.25°。但繼續增加ZH-1用量至20%時，接觸角反而顯著降低。

原因不難理解：ZH-1用量過低時，無法在巖石表面形成均勻的疏水覆蓋層；用量過高時，多余的納米顆粒會在表面沉積聚集，反而破壞了疏水結構的完整性。因此，10%被確定為ZH-1的最佳質量分數。

5.2 表面活性劑用量優化

在前期的表面張力測試中，TMES在質量分數0.40%~0.65%范圍內接近最低表面張力。研究者將10%的ZH-1與不同質量分數的TMES混合，測量混合體系的表面張力。

結果顯示，所有混合體系的表面張力均低于純TMES溶液。其中，10%ZH-1與0.50%TMES的組合效果最佳，將表面張力降低至28.09mN/m。這一數值優于單獨使用TMES時的表現，說明ZH-1與TMES之間存在協同效應。

此外，TMES作為陰離子表面活性劑，與帶負電荷的砂巖儲層巖石表面之間存在靜電排斥，這有助于減少表面活性劑在巖石表面的吸附損耗，確保更多活性成分能夠發揮效用。

基于以上優化結果，最終確定的復合解水鎖體系配方為：10%ZH-1 + 0.50%TMES。

六、復合解水鎖體系的綜合性能評價

6.1 表面吸附與微觀結構

為了觀察解水鎖劑在巖石表面的吸附狀態，研究者對處理前后的巖心進行了掃描電鏡分析。初始巖心表面較為平整。經復合解水鎖劑改性后，納米材料吸附在巖石表面，形成了大量顆粒狀凸起，構建了微納米多級粗糙結構。

這種結構與荷葉表面的微觀形貌類似。粗糙的表面能夠有效減小液滴與固體表面的實際接觸面積，使水相難以在表面鋪展。同時，納米吸附層表面分布的乙烯基疏水官能團進一步降低了表面自由能。在這雙重疏水機制的作用下，巖石表面的潤濕性發生了根本性轉變。

6.2 潤濕性定量評價

接觸角測試給出了明確的量化結果。初始巖心的水相接觸角為23.57°，親水性極強。經復合解水鎖劑處理后，接觸角顯著增加至108.33°，達到了疏水標準。這一結果與前述ZH-1單獨處理玻璃片的趨勢一致，證明復合體系在實際巖心上同樣能夠實現有效的潤濕反轉。

6.3 毛細管力降低效果

研究者設計了毛細管液柱上升實驗來直觀展示解水鎖劑降低毛細管力的效果。在直徑0.5毫米的毛細管中，未經處理的毛細管內液柱上升高度為32毫米；經復合解水鎖劑改性后，液柱上升高度降至10毫米，毛細管力降低了68.75%。

根據毛細管力公式，在毛細管半徑不變的前提下，液柱高度由表面張力和接觸角共同決定。復合解水鎖劑同時降低了表面張力（從33.45mN/m降至28.09mN/m）和增大了接觸角（從23.57°增至108.33°），兩者的疊加效應使毛細管力大幅下降。

6.4 巖心驅替實驗

驅替實驗是最接近實際工況的性能評價手段。實驗選用長慶區塊的天然致密砂巖巖心，初始氣測滲透率為0.0925×10?3μm2。

實驗結果表明，在相同驅替壓力下，經復合解水鎖劑處理后的巖心，其含水飽和度顯著低于未改性巖心。隨著驅替壓力的增大，兩者的差距進一步擴大。當驅替壓力從0.5MPa增至3.0MPa時，改性巖心與未改性巖心的含水飽和度差值從12.49%提升至31.86%，改性后巖心的含水飽和度降至13.27%。

氣相滲透率的測試結果同樣令人振奮。在相同驅替壓差下，改性巖心的氣相滲透率顯著高于未改性巖心。水鎖傷害率從65.54%（0.5MPa）顯著下降至13.19%（3.0MPa）。

這些數據的含義非常明確：復合解水鎖劑能夠有效降低巖石的含水飽和度，增大氣相流動空間，從而顯著恢復氣相滲透率。而且，驅替壓力越大，解水鎖劑在恢復滲透率和降低含水飽和度方面的效果越顯著。這意味著在實際生產中，適當提高生產壓差有助于充分發揮解水鎖劑的效能。

七、結論與意義

本研究圍繞水鎖傷害這一非常規油氣開發的痛點問題，提出了一套完整的解決方案。核心成果可以歸納為四點：

第一，以天然桐油為原料，通過酯交換、磺化和中和反應，成功合成了生物基表面活性劑TMES。該表面活性劑在60℃下可將表面張力降至28.64mN/m，且在120℃以內保持良好的熱穩定性。這證明了天然桐油在油氣開采領域應用的可行性。

第二，以乙烯基三乙氧基硅烷和納米二氧化硅為原料，成功制備了不含氟元素的疏水材料ZH-1。該材料可將玻璃片的水相接觸角從27°提升至115°，展現出優異的疏水性能。

第三，基于提升巖石表面疏水性和降低溶液表面張力的雙重準則，優化形成了復合解水鎖體系：10%ZH-1 + 0.50%TMES。該體系可將溶液表面張力降至28.09mN/m，并將巖心的水相接觸角增至108.33°。

第四，驅替實驗證明，該復合解水鎖體系能夠顯著降低毛細管力，降低儲層含水飽和度至13.27%，將水鎖傷害率降至13.19%，有效恢復了氣相滲透率。驅替壓力越大，效果越明顯。

這項研究的價值不僅在于提供了一款高性能的解水鎖產品，更在于開辟了一條綠色環保的技術路徑。以桐油為代表的生物質資源在中國產量豐富，將其應用于油氣開發領域，既能降低對外部化學品的依賴，又能減少含氟化合物帶來的環境風險。在環保要求日益嚴格的今天，這種"從自然中來，到油田中去"的思路，值得更廣泛的關注和推廣。