钻井液黄原胶胶液的流变特性研究_图文

1、3本文系陕西省教育厅“21世纪初高等教育教学改革工程”项目(编号:0202001。作者简介:赵向阳,1980年生,硕士研究生;从事保护储层、环境、油气品质的钻完井液体系研究。地址:(710065陕西省西安市西安石油大学360号信箱。电话:(02988299761。E 2mail :zxy4929钻井液黄原胶胶液的流变特性研究3赵向阳张洁尤源(西安石油大学化学化工学院赵向阳等.钻井液黄原胶胶液的流变特性研究.天然气工业,2007,27(3:72274.摘要以钻井液黄原胶水溶胶液为研究对象,研究了浓度、p H 值、温度、剪切速率等因素对低浓度黄原胶水溶胶液流变性的影响,以及黄原胶水溶胶液体系的流变

2、模型。研究表明,在一定剪切速率下,黄原胶水溶胶液浓度越大,黏度越高,非牛顿性越强;温度升高会使体系黏度降低,当温度恢复到初始温度时,黏度恢复到初始黏度的70%80%;p H 值在67时,黏度最大;剪切速率为1100s -1时,黏度急剧下降,剪切速率为100500s -1时,黏度下降缓慢;体系流变模型符合Herschel 2Bulkley 方程;体系剪切稀释性明显,触变性较小。在石油天然气钻井工程中,低浓度(0.1%0.7%的XC 水溶胶液就能满足钻井、完井液增黏、降滤失、改善流型等方面的需要。主题词钻井黄原胶钻井液水溶胶液浓度流变性黄原胶(xant han gum ,又称黄胞胶、汉生胶,简称X

3、C ,是野油菜黄单胞杆菌以碳水化合物为主要原料,经发酵生产的一种用途广泛的微生物胞外多糖。黄原胶无毒,能溶于水,具有类似纤维素的聚21,42吡喃型葡萄糖的主链以及含糖的侧链(如甘露糖和葡萄糖醛酸,其平均分子量在2×1065×107道尔顿之间1。黄原胶水溶胶液在较低浓度时即表现出有较高的黏度和良好的流变性。笔者主要讨论低浓度范围内,钻井液用黄原胶水溶胶液的流变特性及其影响因素,旨为拓宽其在油田化学作业中的应用提供实验依据。一、实验部分1.材料与仪器国产工业级黄原胶;ZNN D 6型六速旋转黏度计;RV30型哈克黏度计;p HS 3C 酸度计。2.实验内容及方法(1黄原胶水溶胶

4、液配制。用蒸馏水配制一系列不同质量百分数的黄原胶水溶胶液,搅拌均匀,在室温下放置24h 。(2浓度对黄原胶水溶胶液黏度的影响。分别取浓度为0.1%1.0%的黄原胶水溶胶液,在室温下,用六速旋转黏度计分别测定黏度,考察黄原胶水溶胶液在不同浓度时的黏度变化以及浓度对体系流变模型的影响。(3温度对黄原胶水溶胶液黏度的影响。取0.2%和0.4%的黄原胶水溶胶液分别在20、40、60、80、100水浴中预热30min ,用六速旋转黏度计测定在100r/min 时的黏度,讨论温度与黏度的关系。(4在恒温、连续剪切下黄原胶水溶胶液黏度的变化。用哈克黏度计测量0.5%的黄原胶水溶胶液在室温(20和高温(50下

5、连续剪切时黏度的变化。讨论黄原胶水溶胶液的流变方程,并考察剪切速率的影响。二、实验结果与讨论1.浓度的影响非牛顿性是大多数聚合物水溶液的共性,黄原胶也不例外。图1中的10条曲线分别表示XC 浓度为0.1%1.0%时,黏度与剪切速率的双对数关系图。可看出在相同剪切速率下,黄原胶水溶胶液的黏度随浓度的增大而增大;在相同浓度下,黏度随剪切速率的增大而减小;在低剪切速率范围内(小于10s -1,浓度对黏度影响很显著。图1中,在浓度较小(0.1%0.2%时,黄原胶水溶胶液呈塑性流体的特点;浓度较大(0.3%1.0%时,体系呈假塑性流体的特点。可见在不同的低浓度范围,黄原胶水溶27钻井工程天然气工业200

6、7年3月 图1不同浓度下黏度与剪切速率的关系图胶液呈不同的流型。以上分析说明浓度不仅会对黄原胶水溶胶液的黏度产生影响,而且会影响其流变模型。所以XC 应用于钻井液时要根据实际需要选择合适的浓度,以满足不同条件的作业要求。2.温度的影响图2是浓度为0.2%和0.4%的XC 水溶胶液黏 度随温度变化曲线图。可看出不同浓度黄原胶水而图2黏度随温度的变化趋势图溶胶液的黏度都是随温度的升高逐渐降低,不同浓度水溶胶液黏度降低的趋势大致相同,但下降幅度各异。水溶胶液温度100与20相比,0.4%溶液的黏度下降28%,0.2%溶液的黏度下降44%。高分子溶液的黏度随温度升高而降低是十分普遍的现象,其黏度温度关

7、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 为给定剪切应力下聚合物分子量特征常数;E 为流动活化能,是正值。其大小反映了物质黏度变化的温度敏感性2;E 值越大,温度对溶液表观黏度影响越大,从E 值的大小可了解温度对溶液黏度改变的可能性;R 为气体常数;T 为绝对温度。式(2为黏度与温度关联的直线方程;ln A 为截距;E 为斜率。图3、图4分别为浓度4%和2%时黏度与温度的直线关系 ,即符合Andrade 方程。图3浓度为4 %时黏度与温度关系图图4浓度为2%时黏度与温度关系图由线性回归分析可得:在剪切速率为170.3s -

8、1,温度在293373K 时,浓度0.2%和0.4%的E 值分别为5.59kJ /mol 、3.58kJ /mol ,得到黏度与温度的关系式为:C =0.2%的溶液ln=-5.86+672.4T(3C =0.4%的溶液ln=-4.39+430.6T(4以上数据相关系数R 2>0.99。由E (0.2%E (0.4%可知,0.2%XC 水溶胶液黏度与0.4%的相比,受温度影响较大。与图2中0.2%XC 水溶胶液黏度下降幅度较大的分析结果相同,说明温度对黏度不是单因素影响,还必须考虑浓度等因素。由以上分析看出:在较低温度范围内,黄原胶水溶胶液对黏度的温敏性较小,对温度依赖程度低;浓度增大,温

9、度对黏度影响减小。进一步实验证明,黄原胶水溶胶液在高温(100水浴恒温较长时间(30min 后,XC 水溶胶液的黏度不能恢复到升温前水平,只能达到70%80%。对黄原胶热稳定性研究表明,黄原胶在255时才开始降解3。因此,这种黏度降低的现象不是由于降解引起的。王德润等4研究表明,在加热后黄原胶在水中原有的聚集态散开,变小,主要是温度升高破坏了形成原有聚集态的非共价键,即黄原胶分子之间的非共价结合力,从而导致黏度降低。37第27卷第3期天然气工业钻井工程3.剪切速率的影响钻井施工过程中,钻井液通常是在高剪切和连续剪切环境下工作的。因此,考察剪切速率对流变特性的影响具有重要意义。图5是0.5%的黄

10、原胶水溶胶液分别在20和50下,黏度随剪切速率的变化趋势图。可看出高温曲线和低温曲线几乎重合,说明温度变化对黏度影响较小,进一步证明此种工业级黄原胶对温度的依赖性较小。剪切速率在0100s -1时,黏度急剧下降,XC 水溶胶液表现出十分显著的非牛顿性特点;大于100s -1时,体系的黏度下降十分缓慢,非牛顿性随剪切速率的增大而减弱。剪切作用对高分子液体表观黏度的影响主要表现为“剪切稀释”效应 。图5不同温度下黏度随剪切速率的变化图在黄原胶水溶胶液体系中,用宾汉模型或幂律模型都不能准确地反映体系的流变特性。由图6数据经非线性数据拟合得出,XC 水溶胶液在1500s -1范围内符合Herschel

11、 2Bulkley 方程,即:=y +Kn (5式中:为剪切应力;y 为动切力(或屈服应力;K 为稠度指数;n 为流性指数。计算得出浓度为0.5%的XC 水溶胶液的各参数值为:y =5.1074、K =0.3566、n =0.5523。y 是塑性流体的特征值,表示使流体开始流动所需的最低剪切应力,y 的存在与黄原胶水溶胶液中分子缔合或双螺旋有序结构的破坏有关5,屈服应力的大小表明黄原胶双螺旋结构的强弱。K 值和增稠能力有关,K 值越大,表明增稠能力越强。n 值是反映流体非牛顿性强弱的量,n 值越小,表示溶液的非牛顿性越强。由于n 值不是一个恒定常数,而是与温度、剪切速率、分子量等因素相关。因此

12、,在实际应用时,要根据具体参数确定流性指数。图6是剪切应力随剪切速率变化过程曲线图。在图中剪切应力随剪切速率增大(上行线与减小(下行线的曲线没有重合,说明触变性的存在,即XC 水溶胶液的流体特图6剪切应力随剪切速率变化图性有一定的依时性。可看出XC 水溶胶液的触变性恢复时间短,其分子间氢键等作用力较大,分子链的取向改变不大,聚集态比较稳定6。通过实验发现,黄原胶水溶胶液在恒定剪切速率下持续一段时间后,剪切应力有所下降,温度不同,下降幅度不同,高温时剪切应力下降幅度几乎是低温时的2倍。三、结论与建议(1实验所用工业级黄原胶在低浓度时即可用于低固相或无固相钻井液中,起到增黏、改善流变性能等作用。黄

13、原胶水溶胶液的浓度越大,非牛顿性越显著,浓度对黄原胶水溶胶液的黏度和流变模型都有影响。黄原胶水溶胶液对温度依赖性不强,温敏性较小。(2温度和剪切作用都会使黄原胶分子原有聚集态有序结构受到破坏,但有一定程度的恢复,这种动态的恢复是很慢或不完全的。剪切作用对黄原胶水溶胶液的流变性影响较大,剪切速率在1500s -1范围内,用Herschel 2Bulkley 方程能很好地反映XC 水溶胶液的流变模型。对于黄原胶等聚糖类水溶胶液的流变性,在连续剪切条件下进行评价更具有实用意义。参考文献1崔孟忠,李竹云,徐世艾.生物高分子黄原胶的性能、应用与功能化J .高分子通报,2003,6(3:23228.2吴其晔,巫静安.高分子材料流变学M .北京:高等教育出版社,20