描述固氣、固液、液氣界面張力和接觸角的楊氏方程為:

式中，γsg為固體表面張力，γsl為固液界面張力，γlg為液體表面張力。巖石表面親水性增強降低了巖石與水間的固液界面張力γsl，由于巖石的表面張力γsg不變，因而γcosθ上升。更重要的是，雖然隨著FC-XF質(zhì)量分數(shù)的增加，γ減小，但是由于同時引起接觸角減小，導致γcosθ增加。由公式(1)可知，γcosθ增加表明毛細管阻力增大，這更直觀地說明對巖石潤濕性的調(diào)節(jié)是決定助排劑體系性能的一個至關(guān)重要的因素。

圖5為Ⅱ型潤濕性改變劑質(zhì)量分數(shù)為0．2%、FC-XF質(zhì)量分數(shù)為0．02%時碳氫表面活性劑APS質(zhì)量分數(shù)對體系表面張力、界面張力和接觸角的影響。

圖5 APS+0．2%Ⅱ型潤濕性改變劑+0．02%FC-XF混合體系表面張力、界面張力和接觸角隨APS濃度的變化

從圖5(a)中可以看出，隨著APS質(zhì)量分數(shù)的增加，體系的表面張力增大，界面張力減小，這與FXCF對表/界面張力的影響機制相同。從圖5(b)中可以看出，隨著APS質(zhì)量分數(shù)的增加，體系與巖石的接觸角先增加再減小，相應(yīng)的γcosθ先減小再增大，均出現(xiàn)極值點，這與圖4(b)的變化趨勢不同。這是因為吸附Ⅱ型潤濕性改變劑和FC-XF使得巖石表面由水濕轉(zhuǎn)變?yōu)槿跤H水性潤濕(接觸角＜75°)，更易于吸附APS的親水頭基而使碳氫鏈在巖石表面暴露，這降低了巖石表面的親水性，因而隨著APS質(zhì)量分數(shù)的增加接觸角增大。但是，當APS質(zhì)量分數(shù)大于0．15%后，過多的APS分子可能在巖石表面發(fā)生雙分子層吸附或因競爭吸附而降低Ⅱ型潤濕性改變劑的吸附量，使得巖石表面的親水性增加。而且，接觸角的變化決定了γcosθ的變化趨勢，因而接觸角和γcosθ隨APS質(zhì)量分數(shù)的變化曲線中均出現(xiàn)極值點。

從圖4和圖5中也可以看出，當Ⅱ型潤濕劑質(zhì)量分數(shù)為0．2%、APS質(zhì)量分數(shù)在0．05%～0．20%之間、FC-XF質(zhì)量分數(shù)在0．01%～0．03%之間時混合體系具有更高的界面活性。因此，選擇APS質(zhì)量分數(shù)為0．05%、0．10%和0．20%，Ⅱ型潤濕劑質(zhì)量分數(shù)為0．1%、0．2%和0．5%，F(xiàn)C-XF質(zhì)量分數(shù)為0．01%、0．02%和0．03%進行三因素三水平的正交實驗，考察APS/Ⅱ/FC-XF混合體系的界面性能及與巖石的接觸角，結(jié)果如表1所示。

表1體系組成和含量對APS/Ⅱ/FC-XF混合體系界面性能的影響

從表1中可以看出，在所測試的濃度范圍內(nèi)APS/Ⅱ/FC-XF混合體系均表現(xiàn)出良好的界面性能，且綜合對比上述混合體系的表/界面張力和接觸角數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn):0．05%APS+0．5%Ⅱ+0．02%FC-XF、0．1%APS+0．2%Ⅱ+0．02%FC-XF、0．1%APS+0．5%Ⅱ+0．03%FC-XF混合體系均能達到表面張力≤22 mN/m、界面張力≤0．5 mN/m和接觸角≥80°的高界面活性性能指標。實驗選擇具有21．7 mN/m和0．046 3 mN/m的低表/界面張力，并且與巖石達到中性潤濕的接觸角83．27°的0．1%APS+0．2%Ⅱ+0．02%FC-XF混合體系作為新型高界面活性助排劑使用。

2．3助排效果評價

實驗對比了新型助排劑(0．1%APS+0．2%Ⅱ+0．02%FC-XF混合體系)與勝利油田在用助排劑性能，結(jié)果如表2所示。

無助排劑、含質(zhì)量分數(shù)0．3%在用助排劑、含質(zhì)量分數(shù)0．32%的新型助排劑的破膠液黏度相當，且含新型助排劑的破膠液黏度略低，這表明新型助排劑的加入不影響壓裂液的破膠性能。同時，無助排劑破膠液的表/界面張力高且接觸角小，加入在用助排劑后的界面性能得到大大改善，界面張力可降低到0．023 1～0．933 5 mN/m，表面張力可降低到23．8～29．3 mN/m，接觸角在59°～71°間，破膠液排出效率上升，助排率為69%～76%。含新型助排劑的破膠液的界面性能更加優(yōu)異，可具有20．8 mN/m和0．017 6 mN/m的低表/界面張力，且接觸角為82°，因而助排率可達到85%，這比在用常規(guī)助排劑的助排率提高了9%～16%。從上述結(jié)果可以看出，所制備的新型助排劑由于具有降低表/界面張力和改變巖石表面潤濕性的雙重作用，助排效果優(yōu)良。

表2新型助排劑與在用助排劑性能對比

3結(jié)論

(1)烷基羧基甜菜堿APS、Ⅱ型潤濕性改變劑和全氟烷基氧化胺FC-XF復配體系具有高界面活性，0．1%APS+0．2%Ⅱ+0．02%FC-XF配方體系具有21．7 mN/m和0．046 mN/m的低表/界面張力，并且可將巖石表面潤濕性由55°的水濕接觸角調(diào)節(jié)到83°的中性潤濕接觸角，可作為高界面活性助排劑使用。

(2)由于具有降低表/界面張力和改變巖石表面潤濕性的雙重作用，所制備的新型助排劑比常規(guī)在用助排劑具有更加優(yōu)異的界面性能和助排效果。