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。     

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。     

钻井液黄原胶胶液的流变特性研究

以钻井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Herschel Bulkley方程；体系剪切稀释性明显，触变性较小。在石油天然气钻井工程中，低浓度（0.1%～0.7%）的XC水溶胶液就能满足钻井、完井液增黏、降滤失、改善流型等方面的需要。     

油酸酰胺丙基二甲基叔胺改性黄原胶溶液的流变特性

为改善黄原胶的流变性能,以油酸酰胺丙基二甲基叔胺与环氧氯丙烷为主要原料合成了长链疏水阳离子醚化试剂,并以此阳离子醚化试剂对黄原胶(XG)进行改性制得了长链疏水两性黄原胶(OD-XG)。研究并比较了OD-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和破胶性能。研究结果表明,OD-XG溶液的黏度较XG显著增加,质量分数为0.6%的OD-XG溶液的黏度(237.97 mPa·s)比XG溶液黏度(74.12 m Pa·s)增大了221%;XG和OD-XG溶液的流动曲线可用非线性共转Jefferys本构方程描述;OD-XG溶液的黏弹性及触变性较XG溶液均显著提高;OD-XG溶液的耐温性能提高,80℃恒温剪切90 min后,质量分数0.4%的OD-XG溶液的保留黏度(70.10 mPa·s)约为XG溶液保留黏度(35.14 mPa·s)的2倍。破胶过程流变性研究结果表明,加入破胶剂过硫酸铵后OD-XG溶液的破胶情况良好。     

羧甲基羟丙基瓜尔胶压裂液的高温性能评价

评价了羧甲基羟丙基瓜尔胶（CMHPG）压裂液在90～180℃的流变性与伤害特征。该稠化剂水不溶物含量低于1.1%,用于180℃储层的加量为0.60%,基液黏度88.6 mPa.s,交联液在170 1/s剪切100 min后的黏度大于50 mPa.s。0.25%交联液100℃时的储能模量为2.451 Pa,大于0.50%羟丙基瓜尔胶（HPG）交联液的0.7265Pa。CMHPG交联液在低破胶剂浓度下即可快速破胶水化,残渣含量为194～225 mg/L,不到HPG的1/2。CMHPG和HPG交联液对储层岩心的伤害率分别为39.8%、52.3%。CMHPG交联液悬砂性能良好。在排量2～6 m3/min时,0.45%CMHPG压裂液基液（用于150℃高温深井）的摩阻系数与0.30%HPG基液（用于70℃地层）相当。与HPG压裂液相比,CMHPG压裂液具有高弹性、高悬砂性及低稠化剂使用浓度、低基液黏度、低伤害、低摩阻的＂二高四低＂性能。图5表8参4     

羧甲基羟丙基胍胶压裂液的研究与应用

苏北盆地致密砂岩段、有机质泥页岩段含油丰富,具有较大的开发潜力。该类油藏敏感性强,渗透率低,普通的胍胶体系容易对地层造成强水敏、强水锁伤害。针对此类储层特点,开展了羧甲基羟丙基胍胶压裂液配方研究,形成了适应不同温度的交联体系,具有水不溶物低,用量少,残渣低,易破胶;耐高温、高剪切,粘弹性好;返排率高,粘土抑制性能强等优点。经现场应用,可满足江苏油田非常规储层的压裂需要。     

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。      

分散型速溶黄原胶DIXG的制备与评价

以烷基金属有机物NA为改性剂,以无水乙醇为分散介质,在酸性条件下进行了黄原胶的疏水改性,同时对所制备分散型速溶黄原胶(DIXG)进行了分散性能、溶解性能和流变性能的评价。评价实验结果表明,DIXG的分散性和溶解速度明显优于国内的分散型黄原胶产品,而流变性基本不变,不降低黄原胶的使用性能。     

三乙醇胺改性羟丙基瓜胶溶液流变性能

以三乙醇胺改性羟丙基瓜胶为稠化剂,三异丙醇胺/乳酸/丙三醇有机锆为交联剂,获得了交联凝胶。研究了交联凝胶流变性能及改性羟丙基瓜胶溶液交联过程流变性能,获得了黏度和黏弹性模量随时间的变化关系,考察了温度对交联过程的影响;并首次应用核磁共振成像分析仪研究了静态交联过程溶液性能,获得了弛豫时间随时间的变化关系。结果表明,交联凝胶具有明显的黏弹性和触变性,携砂性能良好;三乙醇胺改性羟丙基瓜胶溶液交联过程中黏度及黏弹性模量随时间的变化曲线可用4-参数交联过程流变动力学模型描述; 4-参数静态交联过程动力学方程能较好地描述静态交联过程中弛豫时间随时间的变化关系,模型参数具有明确的物理意义。     

羧甲基瓜尔胶水溶液流变特性研究

研究了羧甲基瓜尔胶水溶液的流变特性,考察了羧甲基瓜尔胶浓度、温度、pH值及外加NaCl浓度对羧甲基瓜尔胶水溶液表观黏度的影响.结果表明,羧甲基瓜尔胶水溶液表观黏度随浓度的增加而增大,随温度的上升而降低,随NaCl浓度的增加而明显降低,稳定的pH值范围为6～8.羧甲基瓜尔胶水溶液具有剪切变稀特性,溶液表观黏度随剪切速率的变化可用Ostwald-Dewaele方程描述;零切黏度可由Spencer-Dillon经验公式外推得出,其与温度的关系符合Arrhenius公式.羧甲基瓜尔胶水溶液具有一定的触变性和黏弹性,黏弹性随浓度的增加而增强.图10表2参16     

黄原胶接枝共聚物降滤失剂应用性能评价

黄原胶（XG）具有优良的耐盐性和增稠降滤失性能，但耐温性较差。对XG分子结构的分析认为，可利用XG链上的活泼基团接枝丙烯酰胺等乙烯基单体，增强其耐温性能，用作耐温抗盐钻井液处理剂。对比了合成的黄原胶丙烯酰胺等接枝共聚物（XGG）降滤失剂与XG在淡水、4％盐水和饱和盐水钻井液中的增粘降滤失性能和抗温性能，并通过岩心膨胀试验对比了XGG、XG和KCl对页岩的抑制性能。试验结果表明，在淡水钻井液中XGG具有极强的增粘效果和降滤失能力，远远超过XG1随着钻井液矿化度的提高，XGG的性能有一定下降，但XGG在各种钻井液中均具有比XG更好的高温增稠和控制失水的能力；XG已具有优良的抑制性，XGG的抑制性得到进一步提高。     

油田压裂用羟丙基胍胶的合成及性能评价

主要介绍了油田用羟丙基胍胶实验室制备方法。考察了胍胶含量对压裂液中水不溶物含量的影响,交联剂对胍胶压裂液粘度的影响,羟丙基胍胶压裂液耐温耐盐性。结果表明,羟丙基胍胶压裂液中水不溶物含量小于原粉胍胶压裂液水不溶物含量的1／2;交联剂的加入有利于提高羟丙基胍胶压裂液粘度;羟丙基胍胶压裂液耐温性不很理想;耐盐性明显好于原粉胍胶压裂液。     

黄原胶高温稳定性的影响因素

通过分析总结前人的研究成果及经验,从黄原胶固有的分子结构出发,分析了黄原胶的高温降解机理,论述了黄原胶高温稳定性的影响因素.分析结果表明,当温度高于构象转变温度时,黄原胶分子由原来有序的稳定的二维结构变成杂乱无序的结构,使其主链暴露出来,更容易受到外部自由基和酸碱的攻击而变得不稳定;氧是黄原胶发生自由基氧化还原反应的主要原因,因此加入抗氧剂可提高黄原胶的热稳定性;一价盐尤其是甲酸钾、KCl等含K+的碱金属盐类,能够提高黄原胶的构象转变温度;在酸性和碱性pH值条件下,黄原胶都容易发生水解反应,因此应尽可能地使pH维持在中性.     

水介质中羧甲基化香豆胶的制备与表征

以一氯乙酸钠为醚化剂,在水介质中制备了羧甲基化香豆胶。运用单因素实验和正交实验对羧甲基化香豆胶的合成条件进行了优化,确定了最佳合成条件:香豆胶浓度0.40 mol/L,一氯乙酸钠浓度0.25 mol/L,n(氢氧化钠):n(一氯乙酸钠)=1:1,碱化时间30 min,反应温度60℃,反应时间5 h。在此条件下制备的羧甲基化香豆胶的取代度可达0.75。FTIR和SEM表征结果显示,香豆胶与一氯乙酸钠发生了醚化反应,香豆胶颗粒的表观形貌在醚化反应前后发生了明显变化。通过对香豆胶醚化反应前后的溶解性实验发现,对香豆胶原粉进行醚化改性,在降低其水中不溶物含量的同时还可显著提高其溶液的黏度。