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钻井液中黄原胶的复配研究

发布日期:2015-05-02 10:30:43
表观粘度
  黄原胶(Xanthan Gum)是应用广泛的多糖之一。其主链呈纤维结构,含有丙酮酸与葡 萄糖醛酸基团,具有阴离子特性,水溶性、増溶性与假塑性良好[1]。作为钻井液増粘剂,黄原胶具有调整钻井液动切力、静切力、粘弹性和改善滤饼质量的作用,其优良的剪切稀释性 能能够有效地改进钻井液流型[2, 3]。
  
  目前己有的关于黄原胶复配的研究集中于食品工业,且表观粘度复配浓度多集中在1%[4,5],在复 配过程中,由于混合方式、混合时间以及具体生产过程中其它物质如电解质等的影响,使得 研究结果不能直接应用于石油化工。本实验进行了淡水中总浓度为0.4%的黄原胶复配研究, 对于黄原胶在钻井中的应用有一定的指导意义
  
  1.材料方法1.1材料与仪器黄原胶(XG);魔芋胶;槐豆胶;卡拉胶
  
  高速搅拌器;直读式粘度计;电子天平。
  
  1.2实验方法 1.2.1溶液的配制按照钻井液的配制方法配制不同的实验体系。
  
  1.2.2测量方法用直读式粘度计测试体系的流变性
  
  1.2.3分析方法根据API标准规定计算。其中仪器系数为0.511。
  
  2.实验内容2.1黄原胶与复配材料的性能配制分别为 0 % (w/v)、0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6 %的黄原胶 溶液,0 %、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5 %的魔芋胶溶液,0 %、0.2%、0.4%、0.6%、 0.8%、1.0 %的槐豆胶和卡拉胶溶液,测定其流变性。
  
  2.2复配单因素实验分别测定黄原胶与复配材料的性能,并由此计算总浓度为0.4 %时理论叠加值;在总浓 度为0.4 %条件下将复配材料与黄原胶按10 : 0、8 : 2、6 : 4、4 : 6、2 : 8、0 : 10的不同比例进行复配,测定各自的流变性,将其结果与理论叠加值进行比较。
  
  2.3正交实验黄原胶、魔芋胶、槐豆胶三者以不同比例复配,测定流变性,与理论叠加值进行比较。 设计正交表1。
  
  表1 L9 (34)正交实验因素水平表水因素平黄原胶(A)魔芋胶(B)槐豆胶(C)
  
  10.1%0.1%0.1%20.2%0.2%0.2%30.3%0.3%0.3%3.结果与分析3.1黄原胶与复配材料的性能结果如图2-1 (a)、(b)、(c)、(d)。在低浓度下黄原胶和复配材料的粘度、动切力随浓 度的増加而増加,且均为非线性关系。
  
  0000.10.20.30.40.50.6黄原胶浓度/(%)
  
  (b)魔芋胶溶液表观粘度与表动切力曲线25100000图2-1 (a)黄原胶溶液表观粘度与动切力曲线0.00.20.40.60.81.00.00.20.40.60.81.0槐豆胶浓度(%)卡拉胶的浓度(%)
  
  (c)槐豆胶溶液表观粘度与表动切力曲线(d)卡拉胶溶液表观粘度与表动切力曲线表观黏度(?);动切力(■)
  
  3.2单因素实验3.2.1黄原胶与魔芋胶复配由图2-2(a)、(b)所示,比例为1 : 1时复配体系的表观粘度和动切力达最大值,且协效 性最好。此时复配体系粘度是黄原胶的2.18倍,魔芋胶的1.26倍;复配体系的动切力是黄 原胶的3.17倍,魔芋胶的1.88倍。
  
  628406284 3 3 2 2 2 1 12420\ \d6<u:V \12〈 \? XK! 辟8-41 1 1垂 1 垂000:101:31:13:11〇:00: 101 3 黄原胶1 魔芋胶:110: 0黄原胶:魔芋胶图2-2 (a)与魔芋胶复配比例不同表观粘度图2-2(b)与魔芋胶复配比例不同的动切力复配体系(?);理论叠加值(X)
  
  3.2.2黄原胶与槐豆胶复配从图2-3(a)、(b)可以看出,黄原胶和槐豆胶之间存在协效作用,且动切力与粘度的变化 是同步的。比例为2: 8时,协效性最高。复配体系表观粘度是黄原胶的0.83倍,槐豆胶的 2.4倍;复配体系的动切力是黄原胶的0.62倍,槐豆胶的8.0倍。
  
  10: 0图2-3(a)与槐豆胶不同比例复配表观粘度复配体系(?);理论叠加值(x)
  
  1.2.3黄原胶与卡拉胶复配从图2-4(a)可以看出,协效性最好的比例为6 : 4,此时复配体系的表观粘度是黄原胶的 0.76倍,卡拉胶的4.38倍。表观粘度最大的比例为8: 2。从图2-4 (b)可以看出,动切力 出现桔抗作用。复配体系动切力是黄原胶的0.58倍,是卡拉胶的7.51倍。
  
  0: 101: 31: 13: 110: 0黄原胶:卡拉胶黄原胶:卡拉胶图2-4(a)与卡拉胶不同比例复配时表观粘度图2-4(b)与卡拉胶不同比例复配时动切力复配体系(?);理论叠加值(x)
  
  从单因素实验可以看出三种复配材料的増效作用大小顺序为:魔芋胶>槐豆胶>卡拉 胶。此关系可由其结构进行分析,卡拉胶是双螺旋结构[6],与黄原胶空间结构相同,空间位 阻较前两者大,协效性小。魔芋胶主链上每32?80糖残基有一个支链,槐豆胶平均每4个甘 露糖上连接一个半乳糖,魔芋胶的支链数目少于槐豆胶,所以其与黄原胶的协效作用大于槐豆胶。
  
  3.3正交实验结果与分析在单因素实验基础上,对魔芋胶、槐豆胶、黄原胶三者进行U (34)正交实验。结果见 表 2。
  
  序ABCeAV理论 AAV=AV-表 2 正交实验结果号AV值理论AV值1111119.5013.675.83212222014.105.90313332014.295.714212318.511.407.105223119.2512.366.89623122317.085.927313215.510.345.07832131814.833.179332119.514.814.69表3协效性结果直观分析序号ABCe直Ki==5.813Kr6.000Ki==4.973Ki==5.803观K2==6.637K2=5.320K2==5.897K2=5.630分K3==4.310K35.440K3=5.890K35.327析R==2.327R=0.680R==0.924R==0.476从结果可以看出,影响协效性大小顺序为黄原胶>槐豆胶>魔芋胶,且比例为2 : 1 : 2 时协效性最高。用同样的方法分析动切力协效性的变化,结果为2 : 3 : 1。
  
  表4协效性方差分析变差来源平方和白由度均方F值显着性A8.351224.175623.928*B0.79020.3952.264C1.69320.84654.851e0.34920.17451.000总和11.18328结果表明,黄原胶是协效性的显着影响因子,魔芋胶和槐豆胶是非显着影响因素
  
  表5正交实验表观粘度直观分析序号ABCe直Ki=19.833Kr17.833Kr=20.167Ki==19.417观K2=20.250K2=19.083K2=19.333K2=19.500分K3=17.667K320.833K318.250K3=18.833析R=2.583R = 3.000R=1.917R = 0.667结果表明,三种物质对表观粘度影响的大小顺序为:魔芋胶>黄原胶>槐豆胶,与三种 胶0.4 %时单独粘度大小顺序相同。且当三者的比例为2 : 3 : 1时,表观粘度最大。用同样 的方法分析动切力的变化,结果与表观黏度最大比例一致。
  
  A自由度方平和值F曰业着性11.542 25.77114.573表6表观粘度方差分析B13.62526.812517.203C5.54222.7716.997e0.79220.3961.000总和31.5018方差分析结果表明,每种物质对表观粘度的贡献都是非显着因子。三种物质对表观粘度 的贡献与该物质在0.4 %浓度下表观粘度大小的顺序一致。
  
  4.实验结论(1)黄原胶溶液是典型的假塑性流体,其表观粘度、动切力随浓度増加呈现非线性増加。 复配材料的表观黏度、动切力随浓度増加呈现非线性増加。
  
  (2)单因素实验表明黄原胶与槐豆胶、魔芋胶、卡拉胶之间存在协同増效作用。且协效性 关系为:魔芋胶>槐豆胶>卡拉胶。
  
  (3)黄原胶、魔芋胶和槐豆胶三者复配体系中,黄原胶是影响协效性的显着因素;当比例 为2 : 1 : 2时,表观粘度协效性最大,为2 : 3 : 1时,动切力协效性最大。三种物质对复配 体系表观粘度和动切力影响的大小顺序为:魔芋胶>黄原胶>槐豆胶,这一顺序与0.4 %浓 度下三种物质表观粘度与动切力大小顺序一致。