韦兰胶溶液的流变性及其影响因素研究

张喜凤，吴新民，高晓荣

(西安石油大学 石油工程学院，陕西 西安 710065)



韦兰胶溶液的流变性及其影响因素研究

张喜凤，吴新民，高晓荣

(西安石油大学 石油工程学院，陕西 西安 710065)

应用哈克旋转流变仪研究了韦兰胶水溶液在地层温度40 ℃下静态、动态流变性及其影响因素。结果表明：韦兰胶水溶液黏度高，是一种非牛顿流体，其流变曲线符合幂律模式，具有剪切稀释性、良好的抗温性和较高的黏弹性，无触变性。浓度升高，韦兰胶水溶液的黏度增加，黏弹性增大。当韦兰胶水溶液质量浓度为1 g/L时，G′与G″在低频区相交，当质量浓度大于1 g/L时，G′与G″无交点，且G′>G″，表现为类似固体的弹性行为。韦兰胶水溶液在不同酸碱环境下均表现出良好的稳定性，盐(NaCl、CaCl2)对其黏度影响不大。韦兰胶良好的增黏性、抗温性使其有望成为新型的钻井液添加剂，较强的黏弹性可以在三次采油中应用。

韦兰胶水溶液；静态流变性；动态黏弹性；影响因素

张喜凤，吴新民，高晓荣.韦兰胶溶液的流变性及其影响因素研究[J].西安石油大学学报(自然科学版)，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

韦兰胶是产碱杆菌及其突变菌种以碳水化合物为主要原料经发酵产生的高分子可溶性胞外杂多糖[1]。Jansson等[2]研究表明它的结构骨架由D-葡萄糖、D-葡糖醛酸、D-葡萄糖和L-鼠李糖的单元组成，侧链由单链的L-甘露糖或单链的L-鼠李糖构成。韦兰胶具有优良的触变性、悬浮性、水溶性等流变性能，且具有卓越的稳定性，主要作为增稠剂、悬浮剂、乳化剂、稳定剂、润滑剂、成膜剂和黏合剂等应用于工农业生产中，市场前景广阔，尤其在食品、混凝土、石油、石墨等工业中有广泛的应用前景[3-5]。本文模拟延长油田东部长2油藏温度，系统地研究了韦兰胶水溶液的流变学特性，探讨了外界因素对其流变性能的影响，对韦兰胶在石油钻采工程中的应用提供依据。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

韦兰胶，石油级，河北恒标生物技术有限公司生产；黄原胶，石油级，河北鑫和生物化工有限公司生产；盐酸、氢氧化钠、氯化钠、氯化钙，分析纯；实验用水为蒸馏水。

HAAKE RS-300型旋转流变仪，德国HaaKe公司；pH计，PB-10赛多利斯公司。

1.2实验方法

1.2.1静态流变学分析采用HAAKE RS-300型旋转流变仪，选用Z40筒装圆筒型不锈钢测量系统，具体实验方法如下：

①分别配制质量浓度为1 g/L、3 g/L、5 g/L、7 g/L的韦兰胶水溶液，在常温下溶胀16 h，在40 ℃下分别测定其表观黏度、抗剪切性等静态流变学特性；

②分别测量质量浓度为3 g/L、5 g/L的韦兰胶水溶液的黏温曲线；

③用质量浓度为3 g/L的韦兰胶水溶液，在40 ℃下控制剪切速率从0升至500 s-1，保持120 s，然后逐渐降低剪切速率至0,记录剪切应力曲线，判断其触变性；

④向质量浓度为3 g/L的韦兰胶水溶液中分别加入不同量的NaCl和CaCl2，使其质量分数分别为0.5%、1%、3%、5%、7%，在40 ℃下测定样品的静态流变学特性；

⑤分别用HCl和NaOH调节3 g/L韦兰胶水溶液的pH值，控制其pH值在2～12，在40 ℃下分别测其表观黏度。

1.2.2动态流变学分析[6-8]采用HAAKE RS-300型旋转流变仪，选用φ60/1°(锥板直径为60 mm，锥板角度为1°)的不锈钢锥板测量系统，实验温度40 ℃，进行应力-应变扫描，观察复合模量(G*)随振荡应力的变化，以确定韦兰胶水溶液的线性黏弹区间；在线性黏弹区内，固定振荡应力，测定韦兰胶水溶液的储能模量(G′)、损耗模量(G″)及动态黏度(η′)的变化。

2　结果与讨论

2.1质量浓度对韦兰胶溶液黏度的影响

质量浓度对韦兰胶黏度的影响见图1。

图1　韦兰胶溶液黏度随质量浓度的变化曲线(40 ℃)Fig.1　Viscosity-mass concentration curve of Welan gum solution (40 ℃)

由图1可知，随着韦兰胶溶液质量浓度的增加，表观黏度增加，当质量浓度大于5 g/L时，韦兰胶溶液黏度的增加幅度更高。这是因为随着质量浓度的增加，分子间的纠缠和相互作用加剧，使有效大分子结构和分子量增加，从而提高黏度。

2.2剪切速率对韦兰胶溶液黏度的影响

剪切速率对韦兰胶溶液黏度的影响见图2。

图2　不同质量浓度韦兰胶溶液的流变曲线(40 ℃)Fig.2　Rheological curves of Welan gum solution of different mass concentration (40 ℃)

由图2可知，韦兰胶溶液的表观黏度随着剪切速率的升高而降低，表现出剪切稀化的非牛顿流体特征。韦兰胶溶液含有高分子的胶体粒子，这些粒子多由巨大的链状分子构成，在静止或低流速时，它们互相钩挂缠结，黏度较大；但当流速增大时，由于流层之间的剪切应力的作用，使比较散乱的链状粒子滚动旋转而收缩成团，减少了互相钩挂，从而出现了剪切稀化现象。

韦兰胶溶液的流变特性可通过幂律(Power-Law)模型τ=kγn来表达，式中k为稠度系数，n为流性指数。基于对韦兰胶流变曲线与模型的计算得到表1。

表1　韦兰胶溶液的稠度系数和流性指数(40 ℃)Tab.1　Consistency coefficient and rheological index of Welan gum solution (40 ℃)

由表1可知，随着质量浓度的增加，韦兰胶溶液的稠度系数逐渐增加，流动指数逐渐降低，表明韦兰胶溶液的质量浓度越高，其黏稠度越大，假塑性特征越加明显。

2.3温度对韦兰胶溶液黏度的影响

韦兰胶与黄原胶水溶液的黏温曲线比较见图3。

图3　韦兰胶溶液与黄原胶溶液的黏温曲线比较Fig.3　Comparison of viscosity-temperature curves of Welan gum solution with Xanthan gum solution

由图3可知，与相同质量浓度的黄原胶相比，随着温度升高，韦兰胶溶液黏度变化不大，说明韦兰胶具有较强的抗温性。

2.4韦兰胶溶液的触变性

触变性是指溶液由于应力作用黏度下降，而当应力撤销后又逐渐恢复其黏度的性质，可通过其剪切—恢复后的应力曲线进行评价。在实验中，确定足够让韦兰胶结构受到破坏的实验条件，在该条件下考察其触变性。实验发现，韦兰胶溶液不具有触变性，结果如图4所示，在剪切速率上升时，3 g/L韦兰胶溶液的上行曲线与剪切速率下降时的下行曲线接近重合，这表明随着剪切应力的增加，韦兰胶溶液分子所形成的构造受到破坏，应力撤销后其构造又可迅速恢复。

图4　韦兰胶溶液剪切应力-剪切速率曲线(40 ℃)Fig.4　Shear stress-shear rate curve of Welan gum solution (40 ℃)

2.5盐对韦兰胶溶液黏度的影响

实验考察了NaCl和CaCl2对韦兰胶水溶液黏度的影响(见图5)。

图5　盐对韦兰胶溶液(3 g/L)流变性的影响(40 ℃)Fig.5　Effect of salt mass fraction on viscosity of Welan gum solution (3 g/L) (40 ℃)

由图5(a)可知，在NaCl和CaCl2存在的条件下，韦兰胶溶液呈现剪切稀化作用。由图5(b)可知，随着NaCl与CaCl2的加入，韦兰胶水溶液黏度有所降低。这是因为无机盐的加入，使体系的离子强度增大，水化作用很强的无机离子可以夺去韦兰胶分子周围的水化层，致使分子线团末端距缩小，分子卷曲，体系的黏度减小。但随着矿化度的继续升高，体系的黏度均变化不大，说明韦兰胶具有良好的抗盐能力，这与文献[9]研究结果一致。

2.6pH值对韦兰胶溶液黏度的影响

常温下韦兰胶水溶液(3 g/L)呈弱碱性，pH值约为8.2，表观黏度为329.4 mPa·s。在不同酸碱条件下，韦兰胶水溶液的黏度如表2所示。

表2　pH值对韦兰胶水溶液(3 g/L)黏度的影响Tab.2　Effect of pH value on apparent viscosity of Welan gum solution (3 g/L)

由表2可知，酸碱环境对韦兰胶水溶液的黏度影响不大。

2.7韦兰胶溶液的动态流变特性

在动态流变学研究中，储能模量(G′)表示应力能量暂时储存，之后可以恢复，反映物质的类固体性质即弹性；损耗模量(G″)表示流动所耗能量是不可逆的，转变为剪切热，反映物质的类液体性质即黏性[8]。

3种质量浓度的韦兰胶溶液应力扫描的实验结果见图6。由图6可知，韦兰胶浓度增加，线性黏弹区范围扩大。为了保证实验在线性黏弹区进行，固定应力为0.03 Pa，在频率0.1～10 Hz研究韦兰胶水溶液动态流变性质，实验结果见图7。

图6　韦兰胶溶液应力扫描实验结果(40 ℃)Fig.6　Stress scanning experiment results of Welan gum solution (40 ℃)

由图7可知，随着质量浓度的增加，溶液的储能模量和损耗模量均增大，质量浓度为1 g/L时，G′、G″ 2条曲线在低频区相交，浓度增加时，G′、G″ 2条曲线始终没有相交，且G′大于G″，说明在实验浓度范围内，溶液的储能模量大于损耗模量，表现出以弹性为主的流体性质，浓度越大，黏弹性越强。实验中韦兰胶溶液的动态黏度随频率增加而降低，表现为剪切稀化，这与静态流变研究结果相符。

图7　韦兰胶溶液的黏弹性(40 ℃)Fig.7　Elasticoviscosity of Welan gum solution (40 ℃)

3　结　论

(1)韦兰胶的水溶性好，增黏性强。静态流变研究表明，韦兰胶溶液为假塑性流体，不具有触变性，其表观黏度随剪切速率增加而降低，随浓度升高而增大，其流动模型符合幂律模型。

(2)温度对韦兰胶溶液的黏度影响不大。韦兰胶溶液在pH值为2～12范围内，黏度基本保持不变，具有良好的耐酸碱性，且具有一定的抗盐性。

(3)韦兰胶溶液是一种黏弹性流体，质量浓度增加，线性黏弹区范围增大，黏弹性增强。当质量浓度等于1 g/L，G′与G″在很低的频率相交，当质量浓度大于1 g/L，G′与G″无交点，且G′>G″，表现为类似固体的弹性行为。

(4)韦兰胶良好的增黏性、抗温性、抗盐性等，使其可以作为一种新型钻井液增黏剂。良好的黏弹性使其可以用于压裂液、三次采油中的调驱、调堵等。

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责任编辑：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

陕西省教育厅基金项目“羟丙基瓜尔胶压裂返排液重复使用技术研究”(编号：12JK0644)资助

张喜凤(1964-)，女，高级实验师，主要从事钻井液及储层保护方面的研究。E-mail：xfzhang1@163.com

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

TE254

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