三异丙醇胺改性黄原胶溶液流变特性

为改善黄原胶的流变性能,采用三异丙醇胺与环氧氯丙烷合成多羟基阳离子醚化试剂,以此阳离子醚化试剂对黄原胶（XG）进行改性制得高黏度的多羟基两性黄原胶（TIPA-XG）。对XG及TIPA-XG进行了红外谱图、元素分析及XRD表征,研究并比较了TIPA-XG和XG溶液的流变特性,包括稳态黏度、流动曲线、触变性及黏弹性,并进一步研究了其耐温耐剪切性。结果表明,TIPA-XG溶液的黏度较XG显著增加,0.6% TIPA-XG溶液的黏度（320.45 mPa·s）比XG溶液黏度（74.12 mPa·s）增大了332%;XG和TIPA-XG溶液的流动曲线可用非线性共转Jefferys本构方程描述;TIPAXG溶液的黏弹性及触变性较XG溶液均显著提高;TIPA-XG溶液的耐温性能提高,80℃恒温剪切90 min后,0.6% TIPA-XG的保留黏度（142.88 mPa·s）为0.6% XG保留黏度（63.27 mPa·s）的2.26倍,表明改性后TIPA-XG的耐温性能较XG而言有显著提升。      

疏水两性黄原胶的制备及流变性能评价

为提高黄原胶的基本性能并拓宽其在石油开采领域的应用,采用环氧氯丙烷和十六叔胺合成了疏水阳离子醚化试剂(3-氯-2-羟丙基二甲基十六烷基醋酸铵),以此醚化试剂对黄原胶(XG)改性制备了疏水两性黄原胶(HAXG),研究了HAXG溶液的流变性能(表观黏度、触变性、流动曲线、黏弹性能)以及携砂性能、减阻性能、耐温耐剪切性能。结果表明,改性后HAXG溶液的表观黏度显著增强,0.4%HAXG溶液黏度(172.38 m Pa·s)是0.4%XG溶液黏度(42.54 m Pa·s)的4.05倍。XG和HAXG溶液具有假塑性流体的剪切变稀特性,其流动曲线均可用Cross模型进行描述。相较于XG,HAXG溶液具有更好的触变性能、黏弹性能和网络结构,从而表现出更加优良的携砂性能和耐温耐剪切性能。HAXG溶液的减阻性能好于XG,0.12%XG和HAXG溶液在光滑管中的最大减阻率分别为57.80%和65.01%。HAXG可作为减阻剂用于滑溜水压裂液。     

羧甲基黄原胶溶液流变减阻特性研究

为提高黄原胶(XG)的流变和减阻性能,用醚化剂(氯乙酸钠)对XG进行改性制得羧甲基黄原胶(CMXG)。研究了CMXG的流变特性(剪切变稀性、黏弹性、触变性)、耐温耐剪切性和减阻性能。结果表明,与XG相比,CMXG的黏度显著增加,6 g/L CMXG溶液的黏度比XG增大了156%;CMXG溶液的弹性模量、黏性模量、触变性和耐温性能均显著提高。XG和CMXG溶液均具有剪切变稀性,黏度随剪切速率的变化曲线可用Cross模型表征。CMXG溶液在光滑管中的减阻率随浓度和流量的增大而增大,1g/L CMXG溶液的最大减阻率为64.3%,减阻效果好于XG。     

阳离子黄原胶的合成及性能评价

为提高黄原胶的基本性能并拓宽其应用范围,将阳离子醚化剂(3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵)和黄原胶(XG)在碱性条件下反应制得淡黄色的阳离子黄原胶(CXG),对CXG的流变特性(剪切变稀性、黏弹性、触变性)以及其作为压裂液的基本性能(携砂性、耐温耐剪切性)进行了研究。结果表明,6 g/L CXG溶液的表观黏度比XG溶液增大了1.34倍,且CXG溶液的弹性模量G'、黏性模量G'和触变环面积均比XG溶液有显著的提高;陶粒在CXG溶液的沉降速度远小于在XG溶液的沉降速度,携砂性能得到提高;XG改性后的耐温耐剪切性提高,4 g/L CXG溶液在80℃、170 s~(-1)下剪切90 min后的保留黏度为58.05 mPa·s,与同浓度的XG溶液在30℃的表观黏度(47.53 mPa·s)相当;XG和CXG溶液的流动曲线可用非线性共转Jeffreys本构方程进行表征,且模拟值与实验值吻合良好。XG通过阳离子改性后,基本性能得到了较大幅度的提高。     

黄原胶溶液及其冻胶的流变特性研究

为拓宽黄原胶(XG)的应用范围,采用一种有机锆交联剂ZW35对黄原胶溶液进行交联,形成黄原胶冻胶。对黄原胶溶液及其冻胶的交联比、剪切变稀性、粘弹性、触变性以及耐温耐剪切性能进行了研究。结果表明,0.2%XG溶液的表观黏度为17.5mPa·s,随着交联剂用量的增加,黄原胶冻胶的表观黏度先增加后降低,在交联剂用量为0.4%时,表观黏度达到较大值200.4mPa·s。黄原胶冻胶的弹性模量G′、黏性模量G″和触变环面积均比黄原胶溶液有显著的提高,表明黄原胶冻胶的网络结构强度得到增强。0.2%XG溶液在30℃的表观黏度为17.5mPa·s,而黄原胶冻胶(0.2%XG+0.4%ZW35)在80℃、170s~(-1)下剪切90min后的保留黏度仍有82.6mPa·s,耐温耐剪切性得到提高。黄原胶溶液及其形成的黄原胶冻胶均呈现出剪切变稀特性,其流动曲线均可采用非线性共转Jeffreys本构方程进行表征,各体系的模拟值与实验值吻合良好。     

羧甲基羟丙基黄原胶及其流变特性

为拓宽黄原胶的应用范围,采用环氧丙烷和氯乙酸钠在醇溶剂中与黄原胶（XG）反应制得淡黄色的羧甲基羟丙基黄原胶（CMHPXG）。对羧甲基羟丙基黄原胶的流变特性（剪切变稀性、黏弹性、触变性）以及其作为压裂液的基本性能（携砂性、耐温耐剪切性）进行了研究。结果表明,0.5% CMHPXG溶液的表观黏度比0.5% XG溶液增大了3.35倍,且CMHPXG溶液的弹性模量、黏性模量和触变环面积均比XG溶液有显著的提高。陶粒在CMHPXG溶液的沉降速度远小于在XG溶液的沉降速度,携砂性能得到提高。0.4% XG溶液在30℃的表观黏度为43.1 mPa·s,而0.4% CMHPXG溶液在120℃、170 s-1下剪切90 min后的保留黏度仍有64 mPa·s,CMHPXG溶液的耐温耐剪切性能相对XG有较大程度的提高。XG和CMHPXG溶液的流动曲线可用Cross本构方程进行表征,且模拟值与实验值吻合良好。相较于黄原胶,羧甲基羟丙基黄原胶的基本性能得到了较大幅度的提高。      

阳离子羟丙基黄原胶的制备及性能评价

为改善黄原胶(XG)的各项性能,以3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、环氧丙烷为改性剂与XG发生醚化反应,分别获得阳离子黄原胶(CXG)和阳离子羟丙基黄原胶(HCXG)。采用红外光谱、核磁共振和X射线衍射(XRD)等方法表征了产物的结构,研究了XG、CXG和HCXG溶液的流变性能及其作为压裂液的性能指标。红外、核磁以及XRD测试结果表明,阳离子醚化剂和羟丙基已成功接入XG。制备的HCXG的阳离子取代度平均值为0.3175%,羟丙基化程度为0.500%。HCXG溶液的流变性能和压裂液基液性能优于CXG和XG溶液。XG改性后的溶液黏度增加,0.4%HCXG溶液的表观黏度分别是XG、CXG溶液的6.27倍和2.27倍。XG改性后,溶液强度、屈服应力、黏弹性、耐温耐剪切性、携砂性和破胶性均明显提高。HCXG溶液流变性能和压裂液基液性能较好,可用于压裂液增稠剂。图19表3参21     

黄原胶及其衍生物的耐温耐剪切性能

耐温耐剪切性能是压裂液性能的重要参数,也是决定压裂施工成败的关键因素之一。为拓宽黄原胶非交联压裂液的应用范围,提高其压裂施工效果,针对黄原胶（XG）溶液的耐温耐剪切性能,研究了化学改性、构象等因素的影响。结果表明,化学改性可以显著增强黄原胶在低温下的耐温耐剪切性能,但对高温下的耐温耐剪切性能提升很小。化学改性可以促使黄原胶的网络结构和黏弹性能得到进一步增强,盐离子的加入可以促使改性黄原胶构象向双螺旋结构转变,将化学改性和盐离子同时作用于黄原胶,可以显著增强黄原胶的耐温耐剪切性能及其在高温下的支撑剂悬浮性能。此外,耐温耐剪切测试（180℃）前、后的流变性能对比表明,盐离子的加入可以增强黄原胶溶液在高温下的黏弹性能、触变性和表观黏度,使其在超高温下仍具有良好的携砂性能,拓宽了黄原胶和改性黄原胶作为非交联压裂液的适用范围。因此,通过化学改性和盐离子共同作用,可显著提高黄原胶压裂液的流变性能和耐温耐剪切性能,使得黄原胶非交联压裂液,特别是海水基改性黄原胶压裂液,具有优良的压裂性能和广阔的应用前景。      

芥酸酰胺丙基二甲基叔胺改性纤维素溶液的 流变性能与交联性能

为了改善纤维素溶液的增稠能力和交联性能,合成了一种新型疏水醚化改性剂(3-氯-2-羟丙基芥酸酰胺醋酸铵),并采用该改性剂对羧甲基羟乙基纤维素(CMHEC)进行疏水改性,首次制得了芥酸酰胺丙基二甲基叔胺疏水改性纤维素(ED-CMHEC),研究了CMHEC和ED-CMHEC溶液的流变性能(表观黏度、流动曲线、触变性和黏弹性)和交联性能。研究结果表明,改性后ED-CMHEC溶液的表观黏度得到显著提升并表现出更显著的触变性与黏弹性。质量分数0.3%的CMHEC和ED-CMHEC溶液在30℃、170 s~(-1)的表观黏度分别为18 mPa·s和71mPa·s,后者较前者提高了2.94倍。不同质量分数(0.3%数0.5%)的CMHEC和ED-CMHEC溶液均表现出剪切变稀性质,其流动曲线可用Cross模型进行描述。有机锆交联剂FAC-201加量为0.2%时,质量分数0.3%ED-CMHEC溶液交联形成凝胶的黏度是改性前的2.4倍,表现出更强的交联性能。图9表4参22     

合成聚合物XJJ- 4 耐高温压裂液室内研究

采用自制聚合物配制出了合成聚合物基高温压裂液研究了体系组成对压裂液性能的影响,考察了组成为:0.40%稠化剂XJJ-4+0.25%交联剂J-1+0.015%pH调节剂W-1+0.2%助排剂。压裂液体系的耐温抗剪切性、黏弹性、流变性以及破胶性。研究结果表明,该压裂液体系在150℃、170 s~(-1)下连续剪切2h后的黏度约120mPa·s,耐温抗剪切性良好;在线性黏弹区内,体系储能模量G′恒大于损耗模量G″,是典型的黏弹性结构流体;稠度系数(2.141 mPa·S~(0.476))较大,流变行为指数(0.476)较小,具有明显的非牛顿流体行为;加入0.01%破胶剂APS,在150℃下3 h完全破胶水化,破胶液黏度1.38mPa·s,残渣含量15 mg/L,且破胶液具有较低的表面张力(26.24mN/m)和界面张力(1.83mN/m),有利于压裂施工后破胶液顺利返排,降低对地层的伤害。