鉆井液黃原膠膠液的流變特性研究

1、3本文系陜西省教育廳“21世紀初高等教育教學改革工程”項目(編號:0202001。鉆井液黃原膠膠液的流變特性研究3趙向陽張潔尤源(西安石油大學化學化工學院摘要以鉆井液黃原膠水溶膠液為研究對象,研究了濃度、p H 值、溫度、剪切速率等因素對低濃度黃原膠水溶膠液流變性的影響,以及黃原膠水溶膠液體系的流變模型。研究表明,在一定剪切速率下,黃原膠水溶膠液濃度越大,黏度越高,非牛頓性越強;溫度升高會使體系黏度降低,當溫度恢復到初始溫度時,黏度恢復到初始黏度的70%80%;p H 值在67時,黏度最大;剪切速率為1100s -1時,黏度急劇下降,剪切速率為100500s -1時,黏度下降緩慢;體系流變模型

2、符合Herschel 2Bulkley 方程;體系剪切稀釋性明顯,觸變性較小。在石油天然氣鉆井工程中,低濃度(0.1%0.7%的XC 水溶膠液就能滿足鉆井、完井液增黏、降濾失、改善流型等方面的需要。主題詞鉆井黃原膠鉆井液水溶膠液濃度流變性黃原膠(xant han gum ,又稱黃胞膠、漢生膠,簡稱XC ,是野油菜黃單胞桿菌以碳水化合物為主要原料,經發(fā)酵生產的一種用途廣泛的微生物胞外多糖。黃原膠無毒,能溶于水,具有類似纖維素的聚21,42吡喃型葡萄糖的主鏈以及含糖的側鏈(如甘露糖和葡萄糖醛酸,其平均分子量在21065107道爾頓之間1。黃原膠水溶膠液在較低濃度時即表現出有較高的黏度和良好的流變性

3、。筆者主要討論低濃度范圍內,鉆井液用黃原膠水溶膠液的流變特性及其影響因素,旨為拓寬其在油田化學作業(yè)中的應用提供實驗依據。一、實驗部分1.材料與儀器國產工業(yè)級黃原膠;ZNN D 6型六速旋轉黏度計;RV30型哈克黏度計;p HS 3C 酸度計。2.實驗內容及方法(1黃原膠水溶膠液配制。用蒸餾水配制一系列不同質量百分數的黃原膠水溶膠液,攪拌均勻,在室溫下放置24h 。(2濃度對黃原膠水溶膠液黏度的影響。分別取濃度為0.1%1.0%的黃原膠水溶膠液,在室溫下,用六速旋轉黏度計分別測定黏度,考察黃原膠水溶膠液在不同濃度時的黏度變化以及濃度對體系流變模型的影響。(3溫度對黃原膠水溶膠液黏度的影響。取0.

4、2%和0.4%的黃原膠水溶膠液分別在20、40、60、80、100水浴中預熱30min ,用六速旋轉黏度計測定在100r/min 時的黏度,討論溫度與黏度的關系。(4在恒溫、連續(xù)剪切下黃原膠水溶膠液黏度的變化。用哈克黏度計測量0.5%的黃原膠水溶膠液在室溫(20和高溫(50下連續(xù)剪切時黏度的變化。討論黃原膠水溶膠液的流變方程,并考察剪切速率的影響。二、實驗結果與討論1.濃度的影響非牛頓性是大多數聚合物水溶液的共性,黃原膠也不例外。圖1中的10條曲線分別表示XC 濃度為0.1%1.0%時,黏度與剪切速率的雙對數關系圖?？煽闯鲈谙嗤羟兴俾氏?黃原膠水溶膠液的黏度隨濃度的增大而增大;在相同濃度下,

5、黏度隨剪切速率的增大而減小;在低剪切速率范圍內(小于10s -1,濃度對黏度影響很顯著。圖1中,在濃度較小(0.1%0.2%時,黃原膠水溶膠液呈塑性流體的特點;濃度較大(0.3%1.0%時,體系呈假塑性流體的特點?？梢娫诓煌牡蜐舛确秶?黃原膠水溶27鉆井工程天然氣工業(yè)2007年3月 圖1不同濃度下黏度與剪切速率的關系圖膠液呈不同的流型。以上分析說明濃度不僅會對黃原膠水溶膠液的黏度產生影響,而且會影響其流變模型。所以XC 應用于鉆井液時要根據實際需要選擇合適的濃度,以滿足不同條件的作業(yè)要求。2.溫度的影響圖2是濃度為0.2%和0.4%的XC 水溶膠液黏 度隨溫度變化曲線圖?？煽闯霾煌瑵舛赛S原膠

6、水而圖2黏度隨溫度的變化趨勢圖溶膠液的黏度都是隨溫度的升高逐漸降低,不同濃度水溶膠液黏度降低的趨勢大致相同,但下降幅度各異。水溶膠液溫度100與20相比,0.4%溶液的黏度下降28%,0.2%溶液的黏度下降44%。高分子溶液的黏度隨溫度升高而降低是十分普遍的現象,其黏度溫度關系可用Andrade 方程表示,即:=A exp (E /R T (1或ln=ln A +E R T(2式中:A 為給定剪切應力下聚合物分子量特征常數;E 為流動活化能,是正值。其大小反映了物質黏度變化的溫度敏感性2;E 值越大,溫度對溶液表觀黏度影響越大,從E 值的大小可了解溫度對溶液黏度改變的可能性;R 為氣體常數;T

7、 為絕對溫度。式(2為黏度與溫度關聯的直線方程;ln A 為截距;E 為斜率。圖3、圖4分別為濃度4%和2%時黏度與溫度的直線關系 ,即符合Andrade 方程。圖3濃度為4 %時黏度與溫度關系圖圖4濃度為2%時黏度與溫度關系圖由線性回歸分析可得:在剪切速率為170.3s -1,溫度在293373K 時,濃度0.2%和0.4%的E 值分別為5.59kJ /mol 、3.58kJ /mol ,得到黏度與溫度的關系式為:C =0.2%的溶液ln=-5.86+672.4T(3C =0.4%的溶液ln=-4.39+430.6T(4以上數據相關系數R 20.99。由E (0.2%E (0.4%可知,0.

8、2%XC 水溶膠液黏度與0.4%的相比,受溫度影響較大。與圖2中0.2%XC 水溶膠液黏度下降幅度較大的分析結果相同,說明溫度對黏度不是單因素影響,還必須考慮濃度等因素。由以上分析看出:在較低溫度范圍內,黃原膠水溶膠液對黏度的溫敏性較小,對溫度依賴程度低;濃度增大,溫度對黏度影響減小。進一步實驗證明,黃原膠水溶膠液在高溫(100水浴恒溫較長時間(30min 后,XC 水溶膠液的黏度不能恢復到升溫前水平,只能達到70%80%。對黃原膠熱穩(wěn)定性研究表明,黃原膠在255時才開始降解3。因此,這種黏度降低的現象不是由于降解引起的。王德潤等4研究表明,在加熱后黃原膠在水中原有的聚集態(tài)散開,變小,主要是溫

9、度升高破壞了形成原有聚集態(tài)的非共價鍵,即黃原膠分子之間的非共價結合力,從而導致黏度降低。37第27卷第3期天然氣工業(yè)鉆井工程3.剪切速率的影響鉆井施工過程中,鉆井液通常是在高剪切和連續(xù)剪切環(huán)境下工作的。因此,考察剪切速率對流變特性的影響具有重要意義。圖5是0.5%的黃原膠水溶膠液分別在20和50下,黏度隨剪切速率的變化趨勢圖?？煽闯龈邷厍€和低溫曲線幾乎重合,說明溫度變化對黏度影響較小,進一步證明此種工業(yè)級黃原膠對溫度的依賴性較小。剪切速率在0100s -1時,黏度急劇下降,XC 水溶膠液表現出十分顯著的非牛頓性特點;大于100s -1時,體系的黏度下降十分緩慢,非牛頓性隨剪切速率的增大而減弱

10、。剪切作用對高分子液體表觀黏度的影響主要表現為“剪切稀釋”效應 。圖5不同溫度下黏度隨剪切速率的變化圖在黃原膠水溶膠液體系中,用賓漢模型或冪律模型都不能準確地反映體系的流變特性。由圖6數據經非線性數據擬合得出,XC 水溶膠液在1500s -1范圍內符合Herschel 2Bulkley 方程,即:=y +Kn (5式中:為剪切應力;y 為動切力(或屈服應力;K 為稠度指數;n 為流性指數。計算得出濃度為0.5%的XC 水溶膠液的各參數值為:y =5.1074、K =0.3566、n =0.5523。y 是塑性流體的特征值,表示使流體開始流動所需的最低剪切應力,y 的存在與黃原膠水溶膠液中分子締

11、合或雙螺旋有序結構的破壞有關5,屈服應力的大小表明黃原膠雙螺旋結構的強弱。K 值和增稠能力有關,K 值越大,表明增稠能力越強。n 值是反映流體非牛頓性強弱的量,n 值越小,表示溶液的非牛頓性越強。由于n 值不是一個恒定常數,而是與溫度、剪切速率、分子量等因素相關。因此,在實際應用時,要根據具體參數確定流性指數。圖6是剪切應力隨剪切速率變化過程曲線圖。在圖中剪切應力隨剪切速率增大(上行線與減小(下行線的曲線沒有重合,說明觸變性的存在,即XC 水溶膠液的流體特圖6剪切應力隨剪切速率變化圖性有一定的依時性?？煽闯鯴C 水溶膠液的觸變性恢復時間短,其分子間氫鍵等作用力較大,分子鏈的取向改變不大,聚集態(tài)

12、比較穩(wěn)定6。通過實驗發(fā)現,黃原膠水溶膠液在恒定剪切速率下持續(xù)一段時間后,剪切應力有所下降,溫度不同,下降幅度不同,高溫時剪切應力下降幅度幾乎是低溫時的2倍。三、結論與建議(1實驗所用工業(yè)級黃原膠在低濃度時即可用于低固相或無固相鉆井液中,起到增黏、改善流變性能等作用。黃原膠水溶膠液的濃度越大,非牛頓性越顯著,濃度對黃原膠水溶膠液的黏度和流變模型都有影響。黃原膠水溶膠液對溫度依賴性不強,溫敏性較小。(2溫度和剪切作用都會使黃原膠分子原有聚集態(tài)有序結構受到破壞,但有一定程度的恢復,這種動態(tài)的恢復是很慢或不完全的。剪切作用對黃原膠水溶膠液的流變性影響較大,剪切速率在1500s -1范圍內,用Herschel 2Bulkley 方程能很好地反映XC 水溶膠液的流變模型。對于黃原膠等聚糖類水溶膠液的流變性,在連續(xù)剪切條件下進行評價更具有實用意義。參考文獻1崔孟忠,李竹云,徐世艾.生物高分子黃原膠的性能、應用與功能化J .高分子通報,2003,6(3:23228.2吳其曄,巫靜安.高分子材料流變學M .北京:高等教育出版社,2002.3王德潤,