韋蘭膠溶液的流變性及其影響因素研究

張喜鳳，吳新民，高曉榮

(西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

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韋蘭膠溶液的流變性及其影響因素研究

張喜鳳，吳新民，高曉榮

(西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

應(yīng)用哈克旋轉(zhuǎn)流變儀研究了韋蘭膠水溶液在地層溫度40 ℃下靜態(tài)、動(dòng)態(tài)流變性及其影響因素。結(jié)果表明：韋蘭膠水溶液黏度高，是一種非牛頓流體，其流變曲線符合冪律模式，具有剪切稀釋性、良好的抗溫性和較高的黏彈性，無(wú)觸變性。濃度升高，韋蘭膠水溶液的黏度增加，黏彈性增大。當(dāng)韋蘭膠水溶液質(zhì)量濃度為1 g/L時(shí)，G′與G″在低頻區(qū)相交，當(dāng)質(zhì)量濃度大于1 g/L時(shí)，G′與G″無(wú)交點(diǎn)，且G′>G″，表現(xiàn)為類似固體的彈性行為。韋蘭膠水溶液在不同酸堿環(huán)境下均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，鹽(NaCl、CaCl2)對(duì)其黏度影響不大。韋蘭膠良好的增黏性、抗溫性使其有望成為新型的鉆井液添加劑，較強(qiáng)的黏彈性可以在三次采油中應(yīng)用。

韋蘭膠水溶液；靜態(tài)流變性；動(dòng)態(tài)黏彈性；影響因素

張喜鳳，吳新民，高曉榮.韋蘭膠溶液的流變性及其影響因素研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，31(4):88-91,121.

ZHANG Xifeng，WU Xinmin，GAO Xiaorong.Study on rheological property of Welan gum solution and its influential factors[J].Journal of Xi'an Shiyou University(Natural Science Edition),2016，31(4):88-91,121.

引　言

韋蘭膠是產(chǎn)堿桿菌及其突變菌種以碳水化合物為主要原料經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生的高分子可溶性胞外雜多糖[1]。Jansson等[2]研究表明它的結(jié)構(gòu)骨架由D-葡萄糖、D-葡糖醛酸、D-葡萄糖和L-鼠李糖的單元組成，側(cè)鏈由單鏈的L-甘露糖或單鏈的L-鼠李糖構(gòu)成。韋蘭膠具有優(yōu)良的觸變性、懸浮性、水溶性等流變性能，且具有卓越的穩(wěn)定性，主要作為增稠劑、懸浮劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑、成膜劑和黏合劑等應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，市場(chǎng)前景廣闊，尤其在食品、混凝土、石油、石墨等工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景[3-5]。本文模擬延長(zhǎng)油田東部長(zhǎng)2油藏溫度，系統(tǒng)地研究了韋蘭膠水溶液的流變學(xué)特性，探討了外界因素對(duì)其流變性能的影響，對(duì)韋蘭膠在石油鉆采工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

韋蘭膠，石油級(jí)，河北恒標(biāo)生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)；黃原膠，石油級(jí)，河北鑫和生物化工有限公司生產(chǎn)；鹽酸、氫氧化鈉、氯化鈉、氯化鈣，分析純；實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

HAAKE RS-300型旋轉(zhuǎn)流變儀，德國(guó)HaaKe公司；pH計(jì)，PB-10賽多利斯公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1靜態(tài)流變學(xué)分析采用HAAKE RS-300型旋轉(zhuǎn)流變儀，選用Z40筒裝圓筒型不銹鋼測(cè)量系統(tǒng)，具體實(shí)驗(yàn)方法如下：

①分別配制質(zhì)量濃度為1 g/L、3 g/L、5 g/L、7 g/L的韋蘭膠水溶液，在常溫下溶脹16 h，在40 ℃下分別測(cè)定其表觀黏度、抗剪切性等靜態(tài)流變學(xué)特性；

②分別測(cè)量質(zhì)量濃度為3 g/L、5 g/L的韋蘭膠水溶液的黏溫曲線；

③用質(zhì)量濃度為3 g/L的韋蘭膠水溶液，在40 ℃下控制剪切速率從0升至500 s-1，保持120 s，然后逐漸降低剪切速率至0,記錄剪切應(yīng)力曲線，判斷其觸變性；

④向質(zhì)量濃度為3 g/L的韋蘭膠水溶液中分別加入不同量的NaCl和CaCl2，使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1%、3%、5%、7%，在40 ℃下測(cè)定樣品的靜態(tài)流變學(xué)特性；

⑤分別用HCl和NaOH調(diào)節(jié)3 g/L韋蘭膠水溶液的pH值，控制其pH值在2～12，在40 ℃下分別測(cè)其表觀黏度。

1.2.2動(dòng)態(tài)流變學(xué)分析[6-8]采用HAAKE RS-300型旋轉(zhuǎn)流變儀，選用φ60/1°(錐板直徑為60 mm，錐板角度為1°)的不銹鋼錐板測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)溫度40 ℃，進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變掃描，觀察復(fù)合模量(G*)隨振蕩應(yīng)力的變化，以確定韋蘭膠水溶液的線性黏彈區(qū)間；在線性黏彈區(qū)內(nèi)，固定振蕩應(yīng)力，測(cè)定韋蘭膠水溶液的儲(chǔ)能模量(G′)、損耗模量(G″)及動(dòng)態(tài)黏度(η′)的變化。

2　結(jié)果與討論

2.1質(zhì)量濃度對(duì)韋蘭膠溶液黏度的影響

質(zhì)量濃度對(duì)韋蘭膠黏度的影響見(jiàn)圖1。

圖1　韋蘭膠溶液黏度隨質(zhì)量濃度的變化曲線(40 ℃)Fig.1　Viscosity-mass concentration curve of Welan gum solution (40 ℃)

由圖1可知，隨著韋蘭膠溶液質(zhì)量濃度的增加，表觀黏度增加，當(dāng)質(zhì)量濃度大于5 g/L時(shí)，韋蘭膠溶液黏度的增加幅度更高。這是因?yàn)殡S著質(zhì)量濃度的增加，分子間的糾纏和相互作用加劇，使有效大分子結(jié)構(gòu)和分子量增加，從而提高黏度。

2.2剪切速率對(duì)韋蘭膠溶液黏度的影響

剪切速率對(duì)韋蘭膠溶液黏度的影響見(jiàn)圖2。

圖2　不同質(zhì)量濃度韋蘭膠溶液的流變曲線(40 ℃)Fig.2　Rheological curves of Welan gum solution of different mass concentration (40 ℃)

由圖2可知，韋蘭膠溶液的表觀黏度隨著剪切速率的升高而降低，表現(xiàn)出剪切稀化的非牛頓流體特征。韋蘭膠溶液含有高分子的膠體粒子，這些粒子多由巨大的鏈狀分子構(gòu)成，在靜止或低流速時(shí)，它們互相鉤掛纏結(jié)，黏度較大；但當(dāng)流速增大時(shí)，由于流層之間的剪切應(yīng)力的作用，使比較散亂的鏈狀粒子滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)而收縮成團(tuán)，減少了互相鉤掛，從而出現(xiàn)了剪切稀化現(xiàn)象。

韋蘭膠溶液的流變特性可通過(guò)冪律(Power-Law)模型τ=kγn來(lái)表達(dá)，式中k為稠度系數(shù)，n為流性指數(shù)?；趯?duì)韋蘭膠流變曲線與模型的計(jì)算得到表1。

表1　韋蘭膠溶液的稠度系數(shù)和流性指數(shù)(40 ℃)Tab.1　Consistency coefficient and rheological index of Welan gum solution (40 ℃)

由表1可知，隨著質(zhì)量濃度的增加，韋蘭膠溶液的稠度系數(shù)逐漸增加，流動(dòng)指數(shù)逐漸降低，表明韋蘭膠溶液的質(zhì)量濃度越高，其黏稠度越大，假塑性特征越加明顯。

2.3溫度對(duì)韋蘭膠溶液黏度的影響

韋蘭膠與黃原膠水溶液的黏溫曲線比較見(jiàn)圖3。

圖3　韋蘭膠溶液與黃原膠溶液的黏溫曲線比較Fig.3　Comparison of viscosity-temperature curves of Welan gum solution with Xanthan gum solution

由圖3可知，與相同質(zhì)量濃度的黃原膠相比，隨著溫度升高，韋蘭膠溶液黏度變化不大，說(shuō)明韋蘭膠具有較強(qiáng)的抗溫性。

2.4韋蘭膠溶液的觸變性

觸變性是指溶液由于應(yīng)力作用黏度下降，而當(dāng)應(yīng)力撤銷后又逐漸恢復(fù)其黏度的性質(zhì)，可通過(guò)其剪切—恢復(fù)后的應(yīng)力曲線進(jìn)行評(píng)價(jià)。在實(shí)驗(yàn)中，確定足夠讓韋蘭膠結(jié)構(gòu)受到破壞的實(shí)驗(yàn)條件，在該條件下考察其觸變性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，韋蘭膠溶液不具有觸變性，結(jié)果如圖4所示，在剪切速率上升時(shí)，3 g/L韋蘭膠溶液的上行曲線與剪切速率下降時(shí)的下行曲線接近重合，這表明隨著剪切應(yīng)力的增加，韋蘭膠溶液分子所形成的構(gòu)造受到破壞，應(yīng)力撤銷后其構(gòu)造又可迅速恢復(fù)。

圖4　韋蘭膠溶液剪切應(yīng)力-剪切速率曲線(40 ℃)Fig.4　Shear stress-shear rate curve of Welan gum solution (40 ℃)

2.5鹽對(duì)韋蘭膠溶液黏度的影響

實(shí)驗(yàn)考察了NaCl和CaCl2對(duì)韋蘭膠水溶液黏度的影響(見(jiàn)圖5)。

圖5　鹽對(duì)韋蘭膠溶液(3 g/L)流變性的影響(40 ℃)Fig.5　Effect of salt mass fraction on viscosity of Welan gum solution (3 g/L) (40 ℃)

由圖5(a)可知，在NaCl和CaCl2存在的條件下，韋蘭膠溶液呈現(xiàn)剪切稀化作用。由圖5(b)可知，隨著NaCl與CaCl2的加入，韋蘭膠水溶液黏度有所降低。這是因?yàn)闊o(wú)機(jī)鹽的加入，使體系的離子強(qiáng)度增大，水化作用很強(qiáng)的無(wú)機(jī)離子可以?shī)Z去韋蘭膠分子周圍的水化層，致使分子線團(tuán)末端距縮小，分子卷曲，體系的黏度減小。但隨著礦化度的繼續(xù)升高，體系的黏度均變化不大，說(shuō)明韋蘭膠具有良好的抗鹽能力，這與文獻(xiàn)[9]研究結(jié)果一致。

2.6pH值對(duì)韋蘭膠溶液黏度的影響

常溫下韋蘭膠水溶液(3 g/L)呈弱堿性，pH值約為8.2，表觀黏度為329.4 mPa·s。在不同酸堿條件下，韋蘭膠水溶液的黏度如表2所示。

表2　pH值對(duì)韋蘭膠水溶液(3 g/L)黏度的影響Tab.2　Effect of pH value on apparent viscosity of Welan gum solution (3 g/L)

由表2可知，酸堿環(huán)境對(duì)韋蘭膠水溶液的黏度影響不大。

2.7韋蘭膠溶液的動(dòng)態(tài)流變特性

在動(dòng)態(tài)流變學(xué)研究中，儲(chǔ)能模量(G′)表示應(yīng)力能量暫時(shí)儲(chǔ)存，之后可以恢復(fù)，反映物質(zhì)的類固體性質(zhì)即彈性；損耗模量(G″)表示流動(dòng)所耗能量是不可逆的，轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟袩幔从澄镔|(zhì)的類液體性質(zhì)即黏性[8]。

3種質(zhì)量濃度的韋蘭膠溶液應(yīng)力掃描的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可知，韋蘭膠濃度增加，線性黏彈區(qū)范圍擴(kuò)大。為了保證實(shí)驗(yàn)在線性黏彈區(qū)進(jìn)行，固定應(yīng)力為0.03 Pa，在頻率0.1～10 Hz研究韋蘭膠水溶液動(dòng)態(tài)流變性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖6　韋蘭膠溶液應(yīng)力掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果(40 ℃)Fig.6　Stress scanning experiment results of Welan gum solution (40 ℃)

由圖7可知，隨著質(zhì)量濃度的增加，溶液的儲(chǔ)能模量和損耗模量均增大，質(zhì)量濃度為1 g/L時(shí)，G′、G″ 2條曲線在低頻區(qū)相交，濃度增加時(shí)，G′、G″ 2條曲線始終沒(méi)有相交，且G′大于G″，說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，溶液的儲(chǔ)能模量大于損耗模量，表現(xiàn)出以彈性為主的流體性質(zhì)，濃度越大，黏彈性越強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中韋蘭膠溶液的動(dòng)態(tài)黏度隨頻率增加而降低，表現(xiàn)為剪切稀化，這與靜態(tài)流變研究結(jié)果相符。

圖7　韋蘭膠溶液的黏彈性(40 ℃)Fig.7　Elasticoviscosity of Welan gum solution (40 ℃)

3　結(jié)　論

(1)韋蘭膠的水溶性好，增黏性強(qiáng)。靜態(tài)流變研究表明，韋蘭膠溶液為假塑性流體，不具有觸變性，其表觀黏度隨剪切速率增加而降低，隨濃度升高而增大，其流動(dòng)模型符合冪律模型。

(2)溫度對(duì)韋蘭膠溶液的黏度影響不大。韋蘭膠溶液在pH值為2～12范圍內(nèi)，黏度基本保持不變，具有良好的耐酸堿性，且具有一定的抗鹽性。

(3)韋蘭膠溶液是一種黏彈性流體，質(zhì)量濃度增加，線性黏彈區(qū)范圍增大，黏彈性增強(qiáng)。當(dāng)質(zhì)量濃度等于1 g/L，G′與G″在很低的頻率相交，當(dāng)質(zhì)量濃度大于1 g/L，G′與G″無(wú)交點(diǎn)，且G′>G″，表現(xiàn)為類似固體的彈性行為。

(4)韋蘭膠良好的增黏性、抗溫性、抗鹽性等，使其可以作為一種新型鉆井液增黏劑。良好的黏彈性使其可以用于壓裂液、三次采油中的調(diào)驅(qū)、調(diào)堵等。

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責(zé)任編輯：董瑾

Study on Rheological Property of Welan Gum Solution and Its Influential Factors

ZHANG Xifeng，WU Xinmin，GAO Xiaorong

(College of Petroleum Engineering,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,Shaanxi,China)

The static and dynamic rheological properties of the aqueous solution of Welan gum and their influence factors are studied using Haake rotational rheometer at the simulation formation temperature(40 ℃).The results show that the Welan gum solution is a non-Newtonian fluid with high viscosity,whose rheological curve is in agreement with the power-law model,and it has shear thinning behavior,good temperature resistance,high viscoelasticity and no thixotropy.The viscosity and viscoelasticity of Welan gum solution increases when its concentration is increased.G′ curve of the Welan gum solution intersects with itsG″ curve in the low frequency section when the solution mass fraction is 0.1%.However,there is no intersection ofG′ andG″ curves andG′ is always greater thanG″ when the solution mass fraction is higher than 0.1%,which is the elastic behavior similar to solid.The Welan gum solution shows favorable stability under different acid and alkali circumstance,and the salt(NaCl and CaCl2)has little effect on the apparent viscosity of the Welan gum solution.Welan gum is expected to be a new type of drilling fluid additives due to the good thickening property and temperature resistance behavior of its aqueous solution,and it would also be widely applied to tertiary recovery due to the good viscoelasticity of its aqueous solution.

aqueous solution of Welan gum;static rheological property;dynamic viscoelasticity;influence factor

A

2015-09-20

陜西省教育廳基金項(xiàng)目“羥丙基瓜爾膠壓裂返排液重復(fù)使用技術(shù)研究”(編號(hào)：12JK0644)資助

張喜鳳(1964-)，女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事鉆井液及儲(chǔ)層保護(hù)方面的研究。E-mail：xfzhang1@163.com

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.04.015+.4；TS201.7

TE254

1673-064X(2016)04-0088-04