黃原膠(xanthan gum),又稱黃胞膠、漢生膠，簡 稱XC，是野油菜黃單胞桿菌以碳水化合物為主要原 料，經(jīng)發(fā)酵生產(chǎn)的一種用途廣泛的微生物胞外多糖。 黃原膠無毒，能溶于水，具有類似纖維素的聚1-1，‘ 吡喃型葡萄糖的主鏈以及含糖的側(cè)鏈(如甘露糖和 葡萄糖醛酸)，其平均分子量在2x 106?5x 107道爾 頓之間[1]。黃原膠水溶膠液在較低濃度時即表現(xiàn)出 有較高的黏度和良好的流變性。筆者主要討論低濃 度范圍內(nèi)，鉆井液用黃原膠水溶膠液的流變特性及 其影響因素，旨為拓寬其在油田化學(xué)作業(yè)中的應(yīng)用 提供實驗依據(jù)。

一、實驗部分

1.材料與儀器

國產(chǎn)工業(yè)級黃原膠；ZNN -D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度 計;RV30型哈克黏度計;pH S — 3C酸度計。

2.實驗內(nèi)容及方法

(1)黃原膠水溶膠液配制。用蒸餾水配制一系 列不同質(zhì)量百分數(shù)的黃原膠水溶膠液，攪拌均勻，在 室溫下放置24 h。

(2)濃度對黃原膠水溶膠液黏度的影響。鉆井液黃原膠膠液的流變特性研究，分別 取濃度為0. 1%~ 1. 0%的黃原膠水溶膠液，在室溫 下，用六速旋轉(zhuǎn)黏度計分別測定黏度，考察黃原膠水 溶膠液在不同濃度時的黏度變化以及濃度對體系流 變模型的影響。

(3)溫度對黃原膠水溶膠液黏度的影響。取

0.2%和0. 4%的黃原膠水溶膠液分別在20 °C、40 °C、60 °C、80 °C、100 °C水浴中預(yù)熱30 min，用六速 旋轉(zhuǎn)黏度計測定在100 r/ min時的黏度，討論溫度與 黏度的關(guān)系。

(4)在恒溫、連續(xù)剪切下黃原膠水溶膠液黏度的 變化。用哈克黏度計測量0. 5%的黃原膠水溶膠液 在室溫(20 °C)和高溫(50 °C)下連續(xù)剪切時黏度的 變化。討論黃原膠水溶膠液的流變方程，并考察剪 切速率的影響。

二、實驗結(jié)果與討論

1.濃度的影響

非牛頓性是大多數(shù)聚合物水溶液的共性，黃原 膠也不例外。圖1中的10條曲線分別表示XC濃度 為0.1% ~ 1.0%時，黏度與剪切速率的雙對數(shù)關(guān)系 圖。可看出在相同剪切速率下，黃原膠水溶膠液的 黏度隨濃度的増大而増大;在相同濃度下，黏度隨剪 切速率的増大而減小;在低剪切速率范圍內(nèi)（小于10 s- j，濃度對黏度影響很顯著。圖1中，在濃度較小 (0. 1% ~ 0. 2%)時，黃原膠水溶膠液呈塑性流體的 特點;濃度較大(0. 3%~ 1. 0%)時，體系呈假塑性流 體的特點?？梢娫诓煌牡蜐舛确秶?，黃原膠水溶 

 

圖3濃度為4%時黏度與溫度關(guān)系圖

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膠液呈不同的流型。以上分析說明濃度不僅會對黃 原膠水溶膠液的黏度產(chǎn)生影響，而且會影響其流變 模型。所以XC應(yīng)用于鉆井液時要根據(jù)實際需要選 擇合適的濃度，以滿足不同條件的作業(yè)要求。

2.溫度的影響

 

由線性回歸分析可得：在剪切速率為170. 3 s-、溫度在293~ 373 K時，濃度0. 和0. 4%。的 AEn 值分別為 5. 59 kj/ mol、3. 58 kj/ mol,得到黏度

與溫度的關(guān)系式為：

圖2是濃度為0. 2%和0. 4%的XC水溶膠液黏 度隨溫度變化曲線圖。可看出不同濃度黃原膠水而 

 

C= 0. 2%的溶液

C= 0. 4%的溶液

lnn =- 5. 86 + 672A (3) lnn =- 4. 39 + 43T°^6 (4)

 

溶膠液的黏度都是隨溫度的升高逐漸降低，不同濃 度水溶膠液黏度降低的趨勢大致相同，但下降幅度 各異。水溶膠液溫度100 °C與20 °C相比，0. 4%溶 液的黏度下降28%，0. 2%溶液的黏度下降44%。 高分子溶液的黏度隨溫度升高而降低是十分普遍的 現(xiàn)象，其黏度一溫度關(guān)系可用Andrade方程表示，即： n = A exp( AE^/RT)(1)

或ln H = lnA +(2)

式中:A為給定剪切應(yīng)力下聚合物分子量特征常數(shù)； AEn為流動活化能，是正值。其大小反映了物質(zhì)黏 度變化的溫度敏感性[2]; AEn值越大，溫度對溶液表 觀黏度影響越大，從AEn值的大小可了解溫度對溶 液黏度改變的可能性;R為氣體常數(shù)；T為絕對溫 度。式(2)為黏度與溫度關(guān)聯(lián)的直線方程;lnA為截 距;AEn為斜率。圖3、圖4分別為濃度4%和2%時 黏度與溫度的直線關(guān)系，即符合Andrade方程。

以上數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)R2> 0.99。

由 AEr!(0. 2%)( 0. 4%)可知，0. 2% XC

水溶膠液黏度與0. 4%的相比，受溫度影響較大。與 圖2中0. 2% XC水溶膠液黏度下降幅度較大的分析 結(jié)果相同，說明溫度對黏度不是單因素影響，還必須 考慮濃度等因素。由以上分析看出：在較低溫度范 圍內(nèi)，黃原膠水溶膠液對黏度的溫敏性較小，對溫度 依賴程度低;濃度増大，溫度對黏度影響減小。進一 步實驗證明，黃原膠水溶膠液在高溫（100 °c)水浴 恒溫較長時間(30 min)后，XC水溶膠液的黏度不能 恢復(fù)到升溫前水平，只能達到70% ~ 80%。對黃原 膠熱穩(wěn)定性研究表明，黃原膠在255 °C時才開始降 解[3]。鉆井液黃原膠膠液的流變特性研究，因此，這種黏度降低的現(xiàn)象不是由于降解引 起的。王德潤等[4]研究表明，在加熱后黃原膠在水 中原有的聚集態(tài)散開，變小，主要是溫度升高破壞了 形成原有聚集態(tài)的非共價鍵，即黃原膠分子之間的 非共價結(jié)合力，從而導(dǎo)致黏度降低。 

(s.£e)«<i

 

 

^64 2 0864 2 0 (*d)*R5/這 s

 

100200300400

剪切速率(s"*)

圖6剪切應(yīng)力隨剪切速率變化圖

3.剪切速率的影響

鉆井施工過程中，鉆井液通常是在高剪切和連 續(xù)剪切環(huán)境下工作的。因此，考察剪切速率對流變 特性的影響具有重要意義。圖5是0. 5%的黃原膠 水溶膠液分別在20 °C和50 °C下，黏度隨剪切速率 的變化趨勢圖?？煽闯龈邷厍€和低溫曲線幾乎重 合，說明溫度變化對黏度影響較小，進一步證明此種 工業(yè)級黃原膠對溫度的依賴性較小。剪切速率在0 ?100 s-1時，黏度急劇下降，XC水溶膠液表現(xiàn)出十 分顯著的非牛頓性特點；大于100 s-1時，體系的黏 度下降十分緩慢，非牛頓性隨剪切速率的増大而減 弱。剪切作用對高分子液體表觀黏度的影響主要表 現(xiàn)為1‘剪切稀釋”效應(yīng)。

 

 

圖5不同溫度下黏度隨剪切速率的變化圖

在黃原膠水溶膠液體系中，用賓漢模型或冪律 模型都不能準確地反映體系的流變特性。由圖6數(shù) 據(jù)經(jīng)非線性數(shù)據(jù)擬合得出，XC水溶膠液在1~ 500 s- 1范圍內(nèi)符合Hersche-Bulkley方程，即：

T = T, + K Y"'(5)

式中：T為剪切應(yīng)力；X為動切力（或屈服應(yīng)力)；K 為稠度指數(shù);n為流性指數(shù)。

計算得出濃度為0. 5%的XC水溶膠液的各參 數(shù)值為:％.= 5. 1074、K= 0. 3566、n= 0. 5523。；是 塑性流體的特征值，表示使流體開始流動所需的最 低剪切應(yīng)力，Ty的存在與黃原膠水溶膠液中分子締 合或雙螺旋有序結(jié)構(gòu)的破壞有關(guān)[5]，屈服應(yīng)力的大 小表明黃原膠雙螺旋結(jié)構(gòu)的強弱。K值和増稠能力 有關(guān)，K值越大，表明増稠能力越強。n值是反映流 體非牛頓性強弱的量，n值越小，表示溶液的非牛頓 性越強。由于n值不是一個恒定常數(shù)，而是與溫度、 剪切速率、分子量等因素相關(guān)。因此，在實際應(yīng)用 時，要根據(jù)具體參數(shù)確定流性指數(shù)。圖6是剪切應(yīng) 力隨剪切速率變化過程曲線圖。在圖中剪切應(yīng)力隨 剪切速率増大(上行線)與減?。ㄏ滦芯€）的曲線沒有 重合，說明觸變性的存在，即XC水溶膠液的流體特

性有一定的依時性。可看出XC水溶膠液的觸變性 恢復(fù)時間短，鉆井液黃原膠膠液的流變特性研究，其分子間氫鍵等作用力較大，分子鏈的 取向改變不大，聚集態(tài)比較穩(wěn)定[6]。通過實驗發(fā)現(xiàn)， 黃原膠水溶膠液在恒定剪切速率下持續(xù)一段時間 后，剪切應(yīng)力有所下降，溫度不同，下降幅度不同，高 溫時剪切應(yīng)力下降幅度幾乎是低溫時的2倍。

三、結(jié)論與建議

(1)實驗所用工業(yè)級黃原膠在低濃度時即可用 于低固相或無固相鉆井液中，起到増黏、改善流變性 能等作用。黃原膠水溶膠液的濃度越大，非牛頓性 越顯著，濃度對黃原膠水溶膠液的黏度和流變模型 都有影響。黃原膠水溶膠液對溫度依賴性不強，溫 敏性較小。

(2)溫度和剪切作用都會使黃原膠分子原有聚 集態(tài)有序結(jié)構(gòu)受到破壞，但有一定程度的恢復(fù)，這種 動態(tài)的恢復(fù)是很慢或不完全的。剪切作用對黃原膠 水溶膠液的流變性影響較大，剪切速率在1~ 500 s-1范 圍內(nèi)，用Hersch-Bulkley方程能很好地反映XC水溶 膠液的流變模型。對于黃原膠等聚糖類水溶膠液的流 變性，在連續(xù)剪切條件下進行評價更具有實用意義。