多糖溶液中微流变学检测方案(流变仪)

DKSH 多糖溶液交联凝胶化过程微流变学研究 引自：马明，田萌，方波，等.多糖溶液交联凝胶化过程微流变学研究[C].//第十二届全国流变学学术会议论文集.2014：91-94. 摘要 压裂液中稠化剂溶液凝胶化过程决定着压裂施工的成败。本文采用光学微流变的方法研究了交联剂用量、温度、浓度对两种多糖类稠化剂低浓度胍胶和纤维素溶液的交联过程的影响。在交联过程中，溶液的弹性因子 EI(Elasticity Index)和宏观粘度因子 MVI (Macroscopic Viscosity Index)值随时间的变化是先增大，然后逐渐达到稳定；改变交联条件可以得到不同的 EI 和 MVI 值随时间的变化曲线，表明光学微流变法能够较好地表征多糖溶液的静态凝胶化过程。 关键词：纤维素；低浓度胍胶；光学微流变；凝胶化过程 1引言 低渗透储层物性条件复杂、敏感性强、易受伤害，对压裂技术的要求也越来越高[1-4]。为有效控制和降低压裂液对油层的伤害，开发满足低渗透储层压裂需要的低质量分数、低残渣、低伤害的超级胍胶压裂液和清洁纤维素压裂液配方体系是十分必要的，该过程可以利用光学微流变仪研究低浓度瓜胶和纤维素溶液的交联凝胶化过程。 微流变学是流变学研究新领域，因其测量过程为静止、非接触状态，不需要使用宏观应力，与常规旋转流变仪相比，可以保证样品在测量时不发生变形和破坏，且不会出现壁面滑移[5-7]。光学法微流变仪是采用动态激光光散射为基础的多散斑扩散波光谱学(MS-DWS)技术[8]，通过持续不断地追踪检测嵌入在流体中的颗粒热运动，计算得到流体中颗粒热运动造成的纳米级均方位移，并与样品的网络结构相关联，在无扰动和破坏的情况下获得样品微流变学性质(包括宏观粘度因子 MVI 和弹性因子EI)，可以表征多糖类聚合物凝胶过程。 2实验 2.1试剂和仪器 试剂：低浓度胍胶(本文中简称胍胶)，由中国石油勘探开发研究院廊坊分院提供；交联剂 FAL-120、 pH调节剂 FAL-121， 廊坊分院研发产品； 2um SiO2，阿拉丁试剂。改性纤维素 FAG-500，由中国石油勘探开发研究院廊坊分院提供；调节剂、 有机锆交联剂为廊坊分院研发产品；仪器：光学法微流变仪 RHEOLASER MASTER， 大昌洋行(上海)有限公司。 2.2实验方法 低浓度胍胶微流变测试：在一定测试温度下，取 20ml不同浓度的低浓度胍胶溶液分别加入 0.3%pH调节剂 FAL-121和 2%的2um SiOz示踪颗粒，混合均匀，然后加入0.5%交联剂 FAL-120，迅速放入微流变仪内，设定测试模式为 full characterisation，频率范围为10Hz 到10*Hz。纤维素溶液微流变测试：配制 0.2%FAG-500 水溶液，向其中加入0.1%增粘剂，待溶液彻底溶解后加入1%SiO2(2um)作为示踪剂；每次取20ml上述溶液，加入0.9%的交联调节剂待测。 3结果与讨论 3.1低浓度胍胶溶液交联微流变过程 在30℃下，以2%的 2um SiOz 为分踪剂分别测定不同浓度胍胶交联过程中 MVI随时间的变化，结果如图2所示。交联过程中， MVI 值随时间的变化是先增大，然后逐渐达到稳定；胍胶浓度越大达到稳定所需要的时间越短，达到稳定时 MVI 值越大。 图2胍胶交联过程中MVI变化曲线(30℃) 图3温度对胍胶交联过程 MVI变化曲线的影响(0.2%) 在不同温度下，0.2%胍胶交联过程中 MVI 随时间的变化结果如图3所示。随着温度的升高，MVI值达到稳定所需要的时间缩短，且达到稳定时 MVI 值减小。 3.2纤维素胍胶溶液交联微流变过程 图4不同交联剂用量EI 随时间的变化曲线图5不同交司剂用量 MVI随时间的变化曲线 在30℃下，改变交联剂的用量，纤维素溶液静态交联过程中 EI和 MVI 随时间的变化结果如图4、图5所示。由图4可知，随着交联剂用量的增加，溶液形成凝胶所用时间减少；当交联剂用量不超过0.25%时，随着交联剂量的增加，溶液形成凝胶后的弹性逐渐增大，交联剂用量超过0.25%溶液后，交联冻胶的弹性逐渐减小，冻胶粘壁并且脆。由图5所示，随着交联剂用量的增加，溶液形成凝胶所用时间减少；溶液的粘度急速增加，当交联剂用量超过0.3%后，溶液形成凝胶后的粘度几乎不变。由图4、图5可知，最合适的交联剂用量在0.2%-0.3%之间。 4结论 在相同温度下，胍胶溶液交联过程中随浓度增大，由溶液形成凝胶的时间越短，MVI值越大；对相同浓度的胍胶溶液，随交联温度升高，凝胶化时间越短， MVI值越小。在纤维素 FAG-500 交联过程中，溶液的EI和MVI值随时间的变化先增大，然后逐渐达到稳定；改变交联的条件可以得到不同的EI 和MVI，表明光学微流变法能够比较地的表征多糖溶液的静态凝胶化过程，为研究多糖溶液的静态交联流变动力学提供基础。 ( 参考文献 ) [1]朱广宇.可再生低聚半乳甘露聚糖凝胶体系及流变性研究[D].华东理工大学硕士论文.2012 ( [2] Dong Z， Holditch S， McVay D， et al. Global unconventional gas resource assessment [J]. SPE Economics & Management， 2 0 12， 4(4)：222-234. ) ( [3] Crompton P， Wu Y. Energy consumption in C hina： pa s t trends and future directions[J]. EnergyEconomics，2005，27(1)：195-208. ) ( [4]何良好.聚合物稠化剂制备及超高温压裂液体系流变性能研究[D].华东理工大学硕士论文.2013. ) ( [5]Tisserand C， Fleury M， B runel L， et al. Passive microrheology for measurement of the concentrateddispersions stability[M]//UK Colloids 2011. Springer Berlin Heidelberg， 2012：101-105. ) ( [6] Tisserand C， Fleury M， Brunel L， et al. Soft m a tter analysis by means of microrheology [J]. JCTCoatings Tech， 2012，9(3)： 46-51. [7] Chen Y Q， Cheng C Y， C hiang C C， et al. Microrheology of sodiumpolystyrene sulfonate (NaPSS) solutions with d ifferent polymer concentrations and m olecular weightsstudied by diffusing wave pectroscopy[C]//Photonics Asia 2010. Int e rnational Society for Optics andPhotonics，2010：78480H-78480H-9. ) ( [8] Chen Y Q， Chou P， C heng C Y， et a l . Micr o rheology of human synovial fluid of a rthritis patients studiedby diffusing wave spectroscopy[]. Journal of biophotonics， 2012，5(10 ) ： 777 - 784. ) ( [9] Ye J， Qiu T， Wang H， et al. Study of glycidyl ether as a new kind o f modifier for urea f ormaldehydewood adhesives [J]. Journal of Applied Polymer S cience， 2013，1 2 8(6)：4086-4094. ) 选择大昌华嘉，就是选择仪器应用专家 www.dksh-instrument.cn 电话： 邮箱： ins.cn@dksh.comDelivering Growth - in Asia and Beyond. 引自：马明, 田萌,方波,等. 多糖溶液交联凝胶化过程微流变学研究[C]. //第十二届全国流变学学术会议论文集. 2014:91-94.摘要压裂液中稠化剂溶液凝胶化过程决定着压裂施工的成败。本文采用光学微流变的方法研究了交联剂用量、温度、浓度对两种多糖类稠化剂低浓度胍胶和纤维素溶液的交联过程的影响。在交联过程中， 溶液的弹性因子 EI(Elasticity Index)和宏观粘度因子 MVI（Macroscopic Viscosity Index）值随时间的变化 是先增大，然后逐渐达到稳定；改变交联条件可以得到不同的 EI 和 MVI 值随时间的变化曲线，表明光 学微流变法能够较好地表征多糖溶液的静态凝胶化过程。1 引言低渗透储层物性条件复杂、敏感性强、易受伤害，对压裂技术的要求也越来越高[1-4]。为有效控制和降低压裂液对油层的伤害，开发满足低渗透储层压裂需要的低质量分数、低残渣、低伤害的超级胍胶压裂液和清洁纤维素压裂液配方体系是十分必要的，该过程可以利用光学微流变仪研究低浓度瓜胶和纤维素溶液的交联凝胶化过程。微流变学是流变学研究新领域，因其测量过程为静止、非接触状态，不需要使用宏观应力，与常规旋转流变仪相比，可以保证样品在测量时不发生变形和破坏，且不会出现壁面滑移[5-7]。光学法微流变仪是采用动态激光光散射为基础的多散斑扩散波光谱学（MS-DWS）技术[8]，通过持续不断地追踪检测嵌入在流体中的颗粒热运动，计算得到流体中颗粒热运动造成的纳米级均方位移，并与样品的网络结构相关联，在无扰动和破坏的情况下获得样品微流变学性质（包括宏观粘度因子 MVI 和弹性因子 EI），可以表征多糖类聚合物凝胶过程。 2 实验2.1 试剂和仪器试剂：低浓度胍胶（本文中简称胍胶）；交联剂 FAL-120、 pH 调节剂 FAL-121；2μm SiO2，阿拉丁试剂、改性纤维素 FAG-500；调节剂、 有机锆交联剂。仪器：光学法微流变仪 RHEOLASER MASTER。 2.2 实验方法低浓度胍胶微流变测试：在一定测试温度下，取20ml 不同浓度的低浓度胍胶溶液分别加入 0.3%pH 调节剂FAL-121和 2% 的2μm SiO2 示踪颗粒，混合均匀，然后加入0.5%交联剂FAL-120，迅速放入微流变仪内，设定测试模式为 full characterisation，频率范围为10Hz 到10-4Hz。纤维素溶液微流变测试：配制 0.2%FAG-500 水溶液，向其中加入 0.1%增粘剂，待溶液彻底溶解后加入1%SiO2(2μm)作为示踪剂；每次取20ml 上述溶液，加入 0.9%的交联调节剂待测。 3 结果与讨论3.1 低浓度胍胶溶液交联微流变过程在30℃下，以2%的 2μm SiO2 为示踪剂分别测定不同浓度胍胶交联过程中 MVI 随时间的变化，结果如图2 所示。交联过程中，MVI 值随时间的变化是先增大，然后逐渐达到稳定；胍胶浓度越大达到稳 定所需要的时间越短，达到稳定时MVI 值越大。在不同温度下，0.2%胍胶交联过程中MVI 随时间的变化结果如图3所示。随着温度的升高，MVI 值达到稳定所需要的时间缩短，且达到稳定时MVI 值减小。 3.2 纤维素胍胶溶液交联微流变过程在30℃下，改变交联剂的用量，纤维素溶液静态交联过程中EI 和MVI 随时间的变化结果如图4、图5 所示。由图4可知，随着交联剂用量的增加，溶液形成凝胶所用时间减少；当交联剂用量不超过0.25%时，随着交联剂量的增加，溶液形成凝胶后的弹性逐渐增大，交联剂用量超过0.25%溶液后，交联冻胶的弹性逐渐减小，冻胶粘壁并且脆。由图5所示，随着交联剂用量的增加，溶液形成凝胶所用时间减少；溶液的粘度急速增加，当交联剂用量超过0.3%后，溶液形成凝胶后的粘度几乎不变。由图4、图5可知，最合适的交联剂用量在0.2%-0.3%之间。 4 结论在相同温度下，胍胶溶液交联过程中随浓度增大，由溶液形成凝胶的时间越短，MVI值越大；对相同浓度的胍胶溶液，随交联温度升高，凝胶化时间越短，MVI值越小。在纤维素 FAG-500 交联过程中，溶液的EI和MVI值随时间的变化先增大，然后逐渐达到稳定；改变交联的条件可以得到不同的 EI和MVI，表明光学微流变法能够比较地的表征多糖溶液的静态凝胶化过程，为研究多糖溶液的静态交联流变动力学提供基础。参考文献[1] 朱广宇．可再生低聚半乳甘露聚糖凝胶体系及流变性研究 [D]．华东理工大学硕士论文．2012[2] Dong Z, Holditch S, McVay D, et al. Global unconventional gas resource assessment [J]. SPE Economics & Management, 2012, 4(4): 222-234.[3] Crompton P, Wu Y. Energy consumption in China: past trends and future directions[J]. Energy Economics, 2005, 27(1): 195-208.   [4] 何良好. 聚合物稠化剂制备及超高温压裂液体系流变性能研究[D]. 华东理工大学硕士论文．2013.[5]Tisserand C, Fleury M, Brunel L, et al. Passive microrheology for measurement of the concentrateddispersions stability[M]//UK Colloids 2011. Springer Berlin Heidelberg, 2012: 101-105.[6] Tisserand C, Fleury M, Brunel L, et al. Soft matter analysis by means of microrheology [J]. JCT Coatings Tech, 2012, 9(3): 46-51. [7] Chen Y Q, Cheng C Y, Chiang C C, et al. Microrheology of sodium polystyrene sulfonate (NaPSS) solutions with different polymer concentrations and molecular weights studied by diffusing wave pectroscopy[C]//Photonics Asia 2010. International Society for Optics and Photonics, 2010: 78480H-78480H-9.[8] Chen Y Q, Chou P, Cheng C Y, et al. Microrheology of human synovial fluid of arthritis patients studied by diffusing wave spectroscopy[J]. Journal of biophotonics, 2012, 5(10): 777-784.[9] Ye J, Qiu T, Wang H, et al. Study of glycidyl ether as a new kind of modifier for urea formaldehyde wood adhesives [J]. Journal of Applied Polymer Science, 2013, 128(6): 4086-4094.