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钻井液黄原胶胶液的流变特性研究

发布日期:2014-11-21 16:43:20
钻井液黄原胶胶液的流变特性研究先容
钻井液黄原胶胶液的流变特性研究
钻井液黄原胶胶液的流变特性研究,以钻丼液黄原胶水溶胶液为研究对象,研究了浓度、pH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%; pH值在6~ 7时,黏度最大;剪切速率为1~ 100 s- 1时,黏度急剧下降,剪切速率为100~ 500 s- 1时,黏 度下降缓慢;体系流变模型符合HerschetBulkley方程;体系剪切稀释性明显,触变性较小。在石油天然气钻丼工 程中,低浓度(0.1% ~ 0.7%)的XC水溶胶液就能满足钻丼、完丼液增黏、降滤失、改善流型等方面的需要。
黄原胶(xanthan gum),又称黄胞胶、汉生胶,简 称XC,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1-1,‘ 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2x 106?5x 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 -D6型六速旋转黏度 计;RV30型哈克黏度计;pH S — 3C酸度计。
2.实验内容及方法
(1)黄原胶水溶胶液配制。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24 h。
(2)浓度对黄原胶水溶胶液黏度的影响。钻井液黄原胶胶液的流变特性研究,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 °C、40 °C、60 °C、80 °C、100 °C水浴中预热30 min,用六速 旋转黏度计测定在100 r/ 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 °C)和高温(50 °C)下连续剪切时黏度的 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 黏度随浓度的増大而増大;在相同浓度下,黏度随剪 切速率的増大而减小;在低剪切速率范围内(小于10 s- j,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 
 
图3浓度为4%时黏度与温度关系图
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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
 
由线性回归分析可得:在剪切速率为170. 3 s-、温度在293~ 373 K时,浓度0. 和0. 4%。的 AEn 值分别为 5. 59 kj/ mol、3. 58 kj/ mol,得到黏度
与温度的关系式为:
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 
 
C= 0. 2%的溶液
C= 0. 4%的溶液
lnn =- 5. 86 + 672A (3) lnn =- 4. 39 + 43T°^6 (4)
 
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 °C与20 °C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,其黏度一温度关系可用Andrade方程表示,即: n = A exp( AE^/RT)(1)
或ln H = lnA +(2)
式中:A为给定剪切应力下聚合物分子量特征常数; AEn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]; AEn值越大,温度对溶液表 观黏度影响越大,从AEn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;lnA为截 距;AEn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。
以上数据相关系数R2> 0.99。
由 AEr!(0. 2%)( 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;浓度増大,温度对黏度影响减小。进一 步实验证明,黄原胶水溶胶液在高温(100 °c)水浴 恒温较长时间(30 min)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 °C时才开始降 解[3]。钻井液黄原胶胶液的流变特性研究,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。 
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剪切速率(s"*)
图6剪切应力随剪切速率变化图
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%的黄原胶 水溶胶液分别在20 °C和50 °C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0 ?100 s-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100 s-1时,体系的黏 度下降十分缓慢,非牛顿性随剪切速率的増大而减 弱。剪切作用对高分子液体表观黏度的影响主要表 现为1‘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1~ 500 s- 1范围内符合Hersche-Bulkley方程,即:
T = T, + K Y"'(5)
式中:T为剪切应力;X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:%.= 5. 1074、K= 0. 3566、n= 0. 5523。;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,Ty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值和増稠能力 有关,K值越大,表明増稠能力越强。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,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 剪切速率増大(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
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,钻井液黄原胶胶液的流变特性研究,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,起到増黏、改善流变性 能等作用。黄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1~ 500 s-1范 围内,用Hersch-Bulkley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。
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