胍膠降阻特性及機理研究

張春雨，吳家全，王桂珠，郭麗梅

(天津科技大學 化工與材料學院，天津 300457)

頁巖氣以清潔、優質、高儲量等優點被“十三五”重點關注[1]，具有致密、低滲特點，需通過體積改造實現增產目標[2-3]。目前，國內外儲層改造主要以聚合物類、表面活性劑類、生物基多糖類等水基壓裂液為主[4]，加入降阻劑可大幅減小泵入阻力，提高壓裂效率。

胍膠具有良好的水溶性、增稠性，自然降解能力強且來源廣泛，其降阻率可達60%[5-7]，廣泛應用于壓裂施工，但對其降阻效率及機理缺乏系統性研究。本文系統研究了胍膠降阻效率隨濃度、流動狀態、離子類型及分子排布形態的變化規律，分析其降阻機理，對胍膠類壓裂液降阻劑的開發與應用具有一定指導意義。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

胍膠原粉(guar)，一級品；羥丙基胍膠(非離子型胍膠，N-guar)、羧甲基羥丙基胍膠(陰離子型胍膠，A-guar)、胍膠羥丙基三甲基氯化銨(陽離子型胍膠，C-guar)，99%，均由山東優索化工科技有限公司提供；有機硼交聯劑，自制。

WY-2B型吳茵混調器；DNJ-9SN型旋轉粘度計；管道環路摩阻測試系統，自制；1835第68號烏氏粘度計。

1.2 降阻劑溶液配制

稱取一定量胍膠于吳茵混調器中，2 000 r/min攪拌下迅速分散溶解，分別配制不同濃度胍膠水溶液，攪拌2 h待用。以交聯劑對胍膠溶液進行交聯，攪拌均勻。

1.3 表觀粘度及分子量測定

采用旋轉粘度計測定表觀粘度。采用烏氏粘度計測定粘度，粘度法計算粘均分子量。

1.4 降阻率測定

以清水為對照，采用流動回路摩阻測試系統測定胍膠降阻效果。測試管路為不銹鋼光滑管，管徑20.5 mm，管長2.0 m。測量胍膠溶液流經管路后的壓力降，計算降阻率[8]：

η=(ΔP1-ΔP2)/ΔP1×100%

式中η——降阻率，%；

ΔP1——清水流經管路后的壓力降，MPa；

ΔP2——同流量下胍膠溶液流經管路后的壓力降，MPa。

2 結果與討論

2.1 分子量測定

測得幾種胍膠粘均分子量見表1。

表1 胍膠粘均分子量Table 1 Viscose average molecular weight of guanidine gum

由表1可知，4種胍膠分子量相近，均為2×106左右。

2.2 濃度對降阻性能影響

壓裂液中胍膠一般使用濃度為3 000 mg/L左右是通過現場施工效果得出的經驗值，濃度選擇仍缺乏理論支撐，因此需要研究胍膠濃度對降阻效果的影響，期望找出降阻機理。采用羥丙基胍膠(N-guar)，管路流量為3.0 L/s，降阻率隨濃度變化規律見圖1。

由圖1可知，N-guar溶液流經測試管路壓降顯著小于清水，表明N-guar具有良好的降阻效果。隨N-guar濃度增大降阻率逐漸增加，1 000 mg/L達到最大值后緩慢下降，當濃度超過3 000 mg/L時降阻率迅速下降，一定濃度范圍內(<1 000 mg/L)符合Virk有效滑移假說。Virk[9]認為可將管內湍流流動的流體分為三個層次，從壁面向管軸依次為粘性底層、彈性層和湍流核心層，彈性層是導致流體阻力減小的主要因素。流動過程中彈性層厚度隨N-guar濃度增大而增大，當彈性層擴展至管軸中心時，降阻效果達到極限值。N-guar溶液表觀粘度隨濃度增大而增大，當濃度超過3 000 mg/L，溶液粘度的增加成為流體流動阻力的主要來源。因此，濃度為1 000～3 000 mg/L時降阻效果較佳。

圖1 壓力(a)、降阻率和表觀粘度(b)隨濃度變化曲線

2.3 流動狀態對降阻性能影響

線性大分子分散于流體中將干擾管路近壁區湍流的形成與發展過程[10-11]。線性大分子鏈段通過拉伸、轉動及與準軸向渦流之間相互作用抑制了渦流的形成、發展及擾動過程；采用FENE-P模型模擬[12]及中、低雷諾數實驗，驗證降阻劑分子通過與壁面發生碰撞回彈過程中從近壁區吸收能量而壓縮渦流，湍流狀態的形成被進一步抑制，降低流體流動阻力的機理，模擬結果見圖2。

圖2 牛頓流體粒子圖像測速向量圖與瞬時可視化近壁渦結構(a，c)及大分子水溶液對應的向量圖與近壁渦結構(b，d)

由圖2可知，平均速度剖面在流體中引入大分子后發生變化，從而影響了邊界層中剪切力的分布，改變了渦流的產生與生長過程；另一方面大分子在管壁上發生吸附過程，使得近壁區光滑度和柔韌性向低摩阻方向轉變，兩種效應通過影響湍流條紋編隊共同實現降阻效果。

采用1 500 mg/L N-guar水溶液，測定降阻率、雷諾數隨管路流量變化規律，與模擬結果對照，測定結果見圖3。

圖3 降阻率、雷諾數隨管路流量變化曲線

由圖3可知，雷諾數隨管路流量增大而增大，當流量為1.8 L/s時雷諾數已超過2 000，流體流動進入由層流轉變為湍流的過渡狀態。雷諾數超過2 000 后降阻率迅速增加，作為線性大分子，低濃度溶液中胍膠分子的伸縮變形運動可阻礙渦流的形成與發育，降低渦流猝發周期，實現湍流降阻效果。

2.4 離子類型對降阻性能影響

大分子通過在管壁吸附作用形成一定的近壁結構，近壁區大分子分布形態將影響降阻性能[13]。近壁區是渦流發生和成長區域，速度梯度很高，強剪切作用使得流體在此階段內拉伸變形非常強烈。近壁區大分子通過拉伸變形所產生的抗力能夠降低渦流猝發頻率，從而達到降阻作用，因此能在強剪切下保持相對穩定近壁結構的分子，能夠更好地發揮降阻效果。

測定不同離子類型胍膠降阻率隨管路流量變化規律，濃度均為1 500 mg/L，結果見圖4。

由圖4可知，3種離子類型胍膠均有良好的降阻性能，在分子量相近時陽離子型胍膠降阻效果略優于其他離子類型胍膠。降阻性能的差異與降阻劑所帶電荷種類有關，管壁帶負電，降阻劑與之吸附主要為物理吸附(靜電力)，陽離子型胍膠與管壁為正負電荷間的吸引力；非離子型胍膠(羥丙基胍膠)由于羥丙基的引入強化了分子內偶極電荷極端分布，產生僅次于陽離子型胍膠正負電荷吸引的范德華力；胍膠原粉也是非離子型分子，由于分子中電荷極化較弱，使得與管壁間吸附力也很微弱；陰離子型胍膠由于同種電荷排斥作用在管壁表面形成一層薄隔離層，使液體流過時在管壁表面出現類似“彼此飄過”的現象。由于摩擦力是因為兩個物體表面“高點”之間微觀電磁力變化引起的[14]，陰離子降阻劑在管壁表面形成的隔離層在一定程度削弱了滑動摩擦力，但這種削弱非常微弱，因此陰離子型胍膠降阻性能優于胍膠原粉卻弱于非離子型胍膠。綜上所述，4種胍膠降阻性能依次為陽離子型胍膠>非離子型胍膠>陰離子型胍膠>胍膠原粉，與近壁區靜電力作用規律相符合。

圖4 離子類型對降阻率的影響

2.5 粘度對降阻性能影響

隨粘度升高流體更容易進入湍流狀態，而流體在管道中流動阻力也隨溶液粘度增大而增大，使溶液粘度成為影響降阻性能的因素之一[15]。

以有機硼為交聯劑通過交聯改變胍膠溶液粘度。管路流量為3.0 L/s，測定1 500 mg/L N-guar降阻率及表觀粘度隨交聯劑加量變化規律，結果見圖5。

圖5 交聯劑加量對表觀粘度、降阻率的影響Fig.5 Effect of cross-linker addition on apparent viscosity and reduction rate

由圖5可知，交聯劑加量較小時，流體粘彈性的增加有助于抵消因溶液粘稠度增加引起的流動阻力增加。當交聯劑加量繼續增大，溶液粘度迅速增加，由流動性較好的稀溶液轉變為流動性較差的凍膠狀，這種變化極大增加了流體流動阻力。

3 結論

(1)胍膠溶液濃度為1 000～3 000 mg/L時具有較好的降阻性能。一定濃度范圍內降阻性能變化規律符合Virk有效滑移假說，當濃度超過極限值，流體流動彈性層厚度不再增加，溶液粘度的增加成為流動阻力主要來源之一。

(2)由于大分子伸縮變形運動能降低溶液的渦流猝發周期，胍膠溶液主要在層流湍流過渡狀態下發揮降阻作用。

(3)近壁結構是影響胍膠降阻性能的重要因素之一。陽離子型胍膠能在強剪切力存在的近壁區保持穩定的近壁結構，因此其降阻性能優于其他離子類型胍膠。