胍胶降阻特性及机理研究

张春雨，吴家全，王桂珠，郭丽梅

(天津科技大学 化工与材料学院，天津 300457)

页岩气以清洁、优质、高储量等优点被“十三五”重点关注[1]，具有致密、低渗特点，需通过体积改造实现增产目标[2-3]。目前，国内外储层改造主要以聚合物类、表面活性剂类、生物基多糖类等水基压裂液为主[4]，加入降阻剂可大幅减小泵入阻力，提高压裂效率。

胍胶具有良好的水溶性、增稠性，自然降解能力强且来源广泛，其降阻率可达60%[5-7]，广泛应用于压裂施工，但对其降阻效率及机理缺乏系统性研究。本文系统研究了胍胶降阻效率随浓度、流动状态、离子类型及分子排布形态的变化规律，分析其降阻机理，对胍胶类压裂液降阻剂的开发与应用具有一定指导意义。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

胍胶原粉(guar)，一级品；羟丙基胍胶(非离子型胍胶，N-guar)、羧甲基羟丙基胍胶(阴离子型胍胶，A-guar)、胍胶羟丙基三甲基氯化铵(阳离子型胍胶，C-guar)，99%，均由山东优索化工科技有限公司提供；有机硼交联剂，自制。

WY-2B型吴茵混调器；DNJ-9SN型旋转粘度计；管道环路摩阻测试系统，自制；1835第68号乌氏粘度计。

1.2 降阻剂溶液配制

称取一定量胍胶于吴茵混调器中，2 000 r/min搅拌下迅速分散溶解，分别配制不同浓度胍胶水溶液，搅拌2 h待用。以交联剂对胍胶溶液进行交联，搅拌均匀。

1.3 表观粘度及分子量测定

采用旋转粘度计测定表观粘度。采用乌氏粘度计测定粘度，粘度法计算粘均分子量。

1.4 降阻率测定

以清水为对照，采用流动回路摩阻测试系统测定胍胶降阻效果。测试管路为不锈钢光滑管，管径20.5 mm，管长2.0 m。测量胍胶溶液流经管路后的压力降，计算降阻率[8]：

η=(ΔP1-ΔP2)/ΔP1×100%

式中η——降阻率，%；

ΔP1——清水流经管路后的压力降，MPa；

ΔP2——同流量下胍胶溶液流经管路后的压力降，MPa。

2 结果与讨论

2.1 分子量测定

测得几种胍胶粘均分子量见表1。

表1 胍胶粘均分子量Table 1 Viscose average molecular weight of guanidine gum

由表1可知，4种胍胶分子量相近，均为2×106左右。

2.2 浓度对降阻性能影响

压裂液中胍胶一般使用浓度为3 000 mg/L左右是通过现场施工效果得出的经验值，浓度选择仍缺乏理论支撑，因此需要研究胍胶浓度对降阻效果的影响，期望找出降阻机理。采用羟丙基胍胶(N-guar)，管路流量为3.0 L/s，降阻率随浓度变化规律见图1。

由图1可知，N-guar溶液流经测试管路压降显著小于清水，表明N-guar具有良好的降阻效果。随N-guar浓度增大降阻率逐渐增加，1 000 mg/L达到最大值后缓慢下降，当浓度超过3 000 mg/L时降阻率迅速下降，一定浓度范围内(<1 000 mg/L)符合Virk有效滑移假说。Virk[9]认为可将管内湍流流动的流体分为三个层次，从壁面向管轴依次为粘性底层、弹性层和湍流核心层，弹性层是导致流体阻力减小的主要因素。流动过程中弹性层厚度随N-guar浓度增大而增大，当弹性层扩展至管轴中心时，降阻效果达到极限值。N-guar溶液表观粘度随浓度增大而增大，当浓度超过3 000 mg/L，溶液粘度的增加成为流体流动阻力的主要来源。因此，浓度为1 000～3 000 mg/L时降阻效果较佳。

图1 压力(a)、降阻率和表观粘度(b)随浓度变化曲线

2.3 流动状态对降阻性能影响

线性大分子分散于流体中将干扰管路近壁区湍流的形成与发展过程[10-11]。线性大分子链段通过拉伸、转动及与准轴向涡流之间相互作用抑制了涡流的形成、发展及扰动过程；采用FENE-P模型模拟[12]及中、低雷诺数实验，验证降阻剂分子通过与壁面发生碰撞回弹过程中从近壁区吸收能量而压缩涡流，湍流状态的形成被进一步抑制，降低流体流动阻力的机理，模拟结果见图2。

图2 牛顿流体粒子图像测速向量图与瞬时可视化近壁涡结构(a，c)及大分子水溶液对应的向量图与近壁涡结构(b，d)

由图2可知，平均速度剖面在流体中引入大分子后发生变化，从而影响了边界层中剪切力的分布，改变了涡流的产生与生长过程；另一方面大分子在管壁上发生吸附过程，使得近壁区光滑度和柔韧性向低摩阻方向转变，两种效应通过影响湍流条纹编队共同实现降阻效果。

采用1 500 mg/L N-guar水溶液，测定降阻率、雷诺数随管路流量变化规律，与模拟结果对照，测定结果见图3。

图3 降阻率、雷诺数随管路流量变化曲线

由图3可知，雷诺数随管路流量增大而增大，当流量为1.8 L/s时雷诺数已超过2 000，流体流动进入由层流转变为湍流的过渡状态。雷诺数超过2 000 后降阻率迅速增加，作为线性大分子，低浓度溶液中胍胶分子的伸缩变形运动可阻碍涡流的形成与发育，降低涡流猝发周期，实现湍流降阻效果。

2.4 离子类型对降阻性能影响

大分子通过在管壁吸附作用形成一定的近壁结构，近壁区大分子分布形态将影响降阻性能[13]。近壁区是涡流发生和成长区域，速度梯度很高，强剪切作用使得流体在此阶段内拉伸变形非常强烈。近壁区大分子通过拉伸变形所产生的抗力能够降低涡流猝发频率，从而达到降阻作用，因此能在强剪切下保持相对稳定近壁结构的分子，能够更好地发挥降阻效果。

测定不同离子类型胍胶降阻率随管路流量变化规律，浓度均为1 500 mg/L，结果见图4。

由图4可知，3种离子类型胍胶均有良好的降阻性能，在分子量相近时阳离子型胍胶降阻效果略优于其他离子类型胍胶。降阻性能的差异与降阻剂所带电荷种类有关，管壁带负电，降阻剂与之吸附主要为物理吸附(静电力)，阳离子型胍胶与管壁为正负电荷间的吸引力；非离子型胍胶(羟丙基胍胶)由于羟丙基的引入强化了分子内偶极电荷极端分布，产生仅次于阳离子型胍胶正负电荷吸引的范德华力；胍胶原粉也是非离子型分子，由于分子中电荷极化较弱，使得与管壁间吸附力也很微弱；阴离子型胍胶由于同种电荷排斥作用在管壁表面形成一层薄隔离层，使液体流过时在管壁表面出现类似“彼此飘过”的现象。由于摩擦力是因为两个物体表面“高点”之间微观电磁力变化引起的[14]，阴离子降阻剂在管壁表面形成的隔离层在一定程度削弱了滑动摩擦力，但这种削弱非常微弱，因此阴离子型胍胶降阻性能优于胍胶原粉却弱于非离子型胍胶。综上所述，4种胍胶降阻性能依次为阳离子型胍胶>非离子型胍胶>阴离子型胍胶>胍胶原粉，与近壁区静电力作用规律相符合。

图4 离子类型对降阻率的影响

2.5 粘度对降阻性能影响

随粘度升高流体更容易进入湍流状态，而流体在管道中流动阻力也随溶液粘度增大而增大，使溶液粘度成为影响降阻性能的因素之一[15]。

以有机硼为交联剂通过交联改变胍胶溶液粘度。管路流量为3.0 L/s，测定1 500 mg/L N-guar降阻率及表观粘度随交联剂加量变化规律，结果见图5。

图5 交联剂加量对表观粘度、降阻率的影响Fig.5 Effect of cross-linker addition on apparent viscosity and reduction rate

由图5可知，交联剂加量较小时，流体粘弹性的增加有助于抵消因溶液粘稠度增加引起的流动阻力增加。当交联剂加量继续增大，溶液粘度迅速增加，由流动性较好的稀溶液转变为流动性较差的冻胶状，这种变化极大增加了流体流动阻力。

3 结论

(1)胍胶溶液浓度为1 000～3 000 mg/L时具有较好的降阻性能。一定浓度范围内降阻性能变化规律符合Virk有效滑移假说，当浓度超过极限值，流体流动弹性层厚度不再增加，溶液粘度的增加成为流动阻力主要来源之一。

(2)由于大分子伸缩变形运动能降低溶液的涡流猝发周期，胍胶溶液主要在层流湍流过渡状态下发挥降阻作用。

(3)近壁结构是影响胍胶降阻性能的重要因素之一。阳离子型胍胶能在强剪切力存在的近壁区保持稳定的近壁结构，因此其降阻性能优于其他离子类型胍胶。