黃原膠(Xanthan Gum)是由甘藍黑腐黃單胞菌或野油菜黃單胞菌以碳水化合物為主要原料，經(jīng)好 氧發(fā)酵生物工程技術產(chǎn)生的一種高粘度水溶性微生物胞外多糖，是一種新型高分子多糖聚合物，可作為 食品工業(yè)中的穩(wěn)定劑、乳化劑、増稠劑而廣泛應用于 食品加工業(yè)中，其獨特的分子結構使其具有許多 優(yōu)異的理化性能。近年來，由于該產(chǎn)品與一般的水解 聚丙烯酰胺相比，其物理化學性質穩(wěn)定、加工工藝簡 單、驅油效果好、制造成本低，又由于其具有良好的 抗剪切降解能力，在地層中能選擇性流動，具有更好 的驅油效果，己逐漸作為提高油田采收率的驅替劑或改善開采效果的化學調剖劑應用到油田開采 中。目前，黃原膠作為油田驅替劑還處于礦場先導試 驗階段，對黃原膠性能綜合研究的報道很少見。為了 更好地將該產(chǎn)品推廣應用到油田開采，有必要結合 油田的基本狀況加強該產(chǎn)品室內實驗性能的綜合評價。
黃原膠是由D-葡萄糖、D-甘露糖、葡萄糖醛酸、 乙酸和丙酮酸組成的五糖重復單元”結構聚合體， 分子量在50萬?500萬之間，其分子是由主鏈和多 支側鏈形成的網(wǎng)狀鏈式結構，在每組第二個葡萄糖 環(huán)(&L葡萄糖）上有兩個不同側鏈的纖維素鏈，側 鏈也有象基本單元一樣的糖環(huán)[3,4]。每個側鏈由三個 單糖組成，第一個側鏈末端開始的是一個甘露糖，第 二個側鏈與第一個類似，只是在末端甘露糖上有丙 酮酸鹽單元。分子側鏈末端丙酮酸基因的多少對黃 原膠性能產(chǎn)生較大影響，但丙酮酸鹽在分子中的分 布還有待更進一步研究，丙酮酸鹽基團和兩個葡萄 糖酸使分子具有陰離子的特征，盡管這個分子與聚 丙烯酰胺類似，在其側鏈上也帶有電荷，但在高含鹽 度水中的行為完全不同，黃原膠溶液能和許多鹽溶液混溶，其粘度不受影響[1]，這種現(xiàn)象是由于側鏈結 構的影響，其分子的剛性比聚丙烯酰胺強，這也可能 是它具有良好剪切安定性的原因，但如果丙酮酸鹽 含量太高,吸咐量也可能增加。
通常狀態(tài)下，天然的黃原膠分子的帶電荷側鏈 反向纏繞主鏈,在有序狀態(tài)時,靠氫鍵的維系呈現(xiàn)一 般或雙螺的螺旋結構,這些螺旋結構靠微弱的共價 鍵結合，還可排列成整齊的螺旋共聚體，與另一種高 分子聚合物聚丙烯酰胺相比，分子有強的剛性，在水 溶液中，分子十分舒展，因此增粘性良好[5]。但高溫 易引起黃原膠的水解、熱氧降解及螺旋結構的改變 等不利影響，從而導致粘度下降[4,5]。
實驗應用的黃原膠為KJDX公司生產(chǎn)的黃原 膠MKD發(fā)酵液,濃度為1.7%,配制水為HJM油 田注水站的處理污水，其中總礦化度為5 879. 8 mg/l, Ca2+ 濃度為 34. 1 mg/l, Mg2+ 濃度為 3. 4 mg/
1。按照行業(yè)標準，聚合物溶液粘度測定條件為:B8L 型粘度計,U L轉子，6 rpm( 7. 34 sec ^ ,恒溫水浴， 以下粘度的測定若無特殊說明均為該條件。在地層 溫度87°C下，黃原膠溶液的粘度測定結果見圖1。結 果表明，黃原膠溶液的粘度隨濃度的增加而明顯增 力口，當濃度為 300 mg/1, 800 mg/1 和 1 200 mg/1 時， 黃原膠溶液的粘度分別為:2. 5(mPa • s), 7. 0 (mPa • s)和 12. 1(mPa • s)。
黃原膠屬高分子生物聚合物，其水溶液驅油時 有兩個主要功能:一是調整吸水剖面;二是提高驅替 相的粘度，降低油與驅替相的流度比，從而擴大波及 體積，提高原油采收率。因此增粘性能就成為聚合物 驅中最重要的產(chǎn)品性能指標之一，良好的增粘性可 以使用少量的聚合物達到所需的流度比，可降低成 本達到較好的經(jīng)濟效益。
黃原膠分子側鏈上的乙酰基和丙酮酸根通過氫 鍵的作用，使側鏈反向纏繞主鏈，形成單股或雙股的 螺旋結構，這種結構對溫度較為敏感，隨溫度的升 高，分子結構出現(xiàn)有序向無序的轉變，從而影響黃原 膠水溶液的粘度變化[4,5]。圖2為濃度為1 000 mg/ 1的黃原膠溶液的粘度^溫度關系曲線，結果表明，黃 原膠溶液的粘度隨溫度升高而下降的趨勢較為明 顯，當溫度從30C升至55C和87C(HJM油田的地 層溫度）時，黃原膠溶液的粘度從34. 5( mPa • s)降 至20. 0( m Pa • s)和9. 5( mPa • s),粘度保持率分別 為 37. 3%和 27. 5%。
黃原膠溶液屬于假塑性流體，它的流變性能表 現(xiàn)為：隨剪切速率的變化呈牛頓一非牛頓一牛頓型 流體的流動特征。在剪切速率較低的情況下(第一牛 頓區(qū)），分子的運動以布朗運動為主。布朗運動的結 果，使較小剪切速率引起的分子取向很快消失，所以 粘度保持不變;在較高的剪切速率下(非牛頓區(qū))，分 子很快取向，布朗運動的影響可以忽略不記，故溶液 的粘度隨剪切速率的升高而降低;在更高的剪切速 率下(第二牛頓區(qū)內），分子取向度達極限值而不再 提高，因此粘度又保持不變（圖3)。實驗結果表明： 黃原膠溶液的剪切變稀性能較強，但這種剪切變稀 現(xiàn)象是可逆的，高的抗機械降解能力使黃原膠分子 不象聚丙稀酰胺那樣容易產(chǎn)生分子斷裂，只要移去 剪切力，粘度迅速恢復。當黃原膠溶液剪切速率為 250 s-1后，立即測其流變性，兩條流變曲線重合，說 明它具有良好的剪切恢復性。
在現(xiàn)有的實驗條件下，配制了濃度為1 000 mg/1的黃原膠溶液(未除氧)，加入1 000mg/1的甲 醛殺菌劑溶液，置于87C的恒溫箱中，定期取樣測 其粘度，結果見圖4?？梢婞S原膠溶液在高溫下熱穩(wěn) 定性較差，90天后粘度保持率已從100%降至 28. 4%。
長期熱穩(wěn)定性是黃原膠產(chǎn)品的重要指標之一， 它表明黃原膠分子在長時間的熱老化過程中溶液粘度的保留率。通常認為黃原膠在高溫下不穩(wěn)定，可 能產(chǎn)生以下三種降解:一是溫度升高時，黃原膠分子 的螺旋結構被破壞，即從有序向無序轉變;二是熱氧 降解，只要有50X10-9的溶解氧就會顯著降低溶液 的粘度;三是水解，黃原膠的葡萄糖主鏈以及丙酮 酸、乙?；鶊F等在溫度升高時會被水解斷裂。
為了認識黃原膠的水溶解性，稱量一定量的黃 原膠發(fā)酵液,放于適量水中，用攪拌器以一定速度攪 拌便可很快溶于水中，溶解速度小于0. 5 h,故黃原 膠的溶解性能較好。
水不溶物是指聚合物溶液中大于一定粒徑的難 溶物質顆粒,水不溶物過多，易造成對地層孔隙的堵 塞，對于聚丙烯酰胺每克干粉的水不溶物含量應小 于2. 0 mg。根據(jù)聚合物溶液水不溶物的含義，稱取 黃原膠發(fā)酵液58. 82 g(含純黃原膠1 g)溶于1 000 ml水中，充分攪拌，混溶，確認完全溶解后，再裝入 過濾裝置，過濾裝置為4.5 pm?9.0 pm的耐酸玻 璃濾器。此條件下測得的每克純黃原膠的水不溶物 含量為13.0 mg。實驗測量黃原膠溶液的水不溶物 含量較高的原因可能是:（1)黃原膠產(chǎn)品中的菌體和 發(fā)酵原料(如玉米淀粉)沒有完全地被利用轉化成黃 原膠,轉化率一般在60%左右，剩余的淀粉和蛋白 質可能為不溶物;（2)黃原膠發(fā)酵中間可能有多價金 屬離子與黃原膠分子交聯(lián)形成凝膠;（3)黃原膠分子 與蛋白體等形成的微凝膠。
聚合物溶液對油藏巖石有良好的注入能力是聚 合物驅成功的最重要的條件之一，良好的注入能力 反應在兩個方面。第一，與注水相比,在向油藏注入 聚合物時的壓力增加不應高于因粘度增高而應有的 壓力增加;第二,在注入過程中，壓差應能夠達到一 個穩(wěn)定值，孔隙空間不應被聚合物不可逆的堵塞。
首先配制濃度為900 mg/l的黃原膠溶液，測得 其粘度為8. 1(mPa • s),用4. 5 pm?9. 0 pm的砂 芯玻璃濾器進行過濾，濾后粘度無明顯變化。然后選 用HJM油田的HJ113井的天然巖芯（其滲透率為 476 X 10- 3 _2),在實驗溫度 87°C下，以 0. 98 m/ d 的注入速度注入過濾后的黃原膠溶液，從圖5可看 出，隨注入倍數(shù)的增加，注入壓力逐漸增加,但當注 入倍數(shù)為4. 0 PV時，注入壓力達到平穩(wěn)，說明過濾 后的黃原膠溶液注入性能良好，預計注入地層不會 發(fā)生顯著的地層傷害。
聚合物驅油過程中，在混配、經(jīng)泵和閘門輸送時 都可能出現(xiàn)高的剪切,特別是聚合物流經(jīng)炮眼進入 地層的瞬間速度相當快。聚合物分子在高剪切速率 下會發(fā)生斷裂，從而導致粘度下降。聚丙烯酰胺分子 呈蠕狀，在高速剪切下易斷裂，因此現(xiàn)場的攪拌速度 與注入速率都要加以控制。相對而言,黃原膠分子更 具剛性，抗機械降解能力較強。在測試注入性能的同 一塊巖心上，以不同的速度注入900 mg/l的黃原膠 溶液，考察其剪切安定性。從結果可看出，黃 原膠溶液剪切安定性很好，盡管孔隙流速己達140 m/d,但由于分子更具剛性，不易斷裂，只要去掉剪 切力，粘度即可恢復,保持率幾乎為100%。
不可入孔隙體積當聚合物溶液流經(jīng)孔隙 介質時，不是所有聚合物分子都能夠進入多孔介質 的孔隙及喉道，而只有其中較大一部分孔隙才能讓 聚合物分子進入，這一部分孔隙相對于注入的聚合 物分子來說是可以進入的，而剩余的部分孔隙相對 于注入的聚合物而言是不可入的，稱之為不可入孔 隙體積（IPV)，它是某種聚合物相對于某種巖石而 言，聚合物分子不能進入的那一部分孔隙體積所占 巖石總體積的百分數(shù)，它的存在對聚合物溶液的前 緣推進速度產(chǎn)生嚴重影響。不可入孔隙體積的測量 方法較多:如單段塞濃度剖面法[6]、雙段塞濃度剖面 法161、分子線團尺寸法[7]等，這里利用測量精度較高 的雙段塞濃度剖面法，應用HJM油田HJ113井的 天然巖芯進行動態(tài)吸附試驗，由表1可知，黃原膠溶 液中顆粒的不可入孔隙體積為20%，但在實際油藏 中，那部分孔隙體積往往被束縛水所填充，因此對黃 原膠驅并無傷害。
2. 3.3 阻力系數(shù)及殘余阻力系數(shù)黃原膠溶液驅 油過程中，不僅能提高注入劑的粘度，而且能降低水 相滲透率,有效地控制注入劑的流動度，擴大注入劑 的波及體積，提高原油采收率。殘余阻力系數(shù)FRR定 義為油層注聚合物前的水相滲透率K w與注聚合物 后的水相滲透率Kf的比值，即FRR= Kw/Kf。阻力系 數(shù)FR定義為水的流動度(Kw/^w)與聚合物溶液的 流度(Kp/tt,)之比，即 FR= (Kw/"w)/(Kp/M,)[8]。殘 余阻力系數(shù)值越大，表明聚合物降低水相滲透率能 力越強，它還意味著停注黃原膠后，仍有部分黃原膠 滯留在油層中，即使注入一定量的水后，黃原膠仍保 持降低水相滲透率的作用，即能降低投資成本，又能 夠在較長時期保持油量增產(chǎn)。