原位状态下高浓度分散体系的过程流变性研究

2020-12-21

介绍

高浓度分散体系通常是非常复杂的分散体系,在静止时微观结构和流变性能逐渐变化,本文通过Rheolaser Master光学法微流变仪研究了高浓度分散体系在静止状态下粘弹性的变化过程。

微流变学过去20年一直是流变学研究的热点,最前沿的研究人员对流变学表征这一技术也愈加感兴趣。不同于宏观流变学,微流变学从样品的微观结构出发,通过追踪分散体系中胶体示踪粒子的运动情况来获得体系的粘弹性参数。微流变学的特点在于可以表征极低粘度样品(如聚合物溶液或蛋白质溶液)的粘弹性,测量范围和灵敏度远远超过现代最精密的机械流变仪可达到的范围。微流变技术的一个最重要的优点是可测量、表征弱结构流体的粘弹性。另外,所需要的样品量非常少,操作更加简单,可以持续追踪粘弹性的变化过程。

1.1 分散体系中粒子的运动

粒子的布朗运动是无序运动,微流变学中研究其统计学分布规律,使用均方根位移(MSD=Mean Square Displacement)描述粒子的运动,即单位时间内粒子运动的面积。这样便可以消除粒子移动过程中产生的不规则性。      

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对于纯粘性非牛顿流体来说,粒子的运动是自由的,均方根位移MSD随着粒子运动时间的增加呈直线增加,见图1。而粘弹性非牛顿流体中的粒子在运动一段距离后会被大分子骨架阻挡和缠绕,随着时间继续增加,在弛豫时间TR时突破缠绕进入宏观溶剂中,继续运动扩大均方根面积。所以,均方根位移曲线的平台区表现了样品的弹性强弱,TR之后的斜率区表现样品的粘性强弱。

 

结果与讨论

粘弹性平衡状态的MSD曲线分析

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   图2 不同样品MSD曲线对比

上图是三个不同配方的高浓度分散体系在粘弹性平衡时的均方根位移曲线对比,1#为红色,2#为蓝色,3#为黄色。首先,三个样品均有明显的弹性平台,均是粘弹性流体。3#样品(黄)的弹性平台区更靠近下方,说明其微观构造的弹性更强,2#样品(蓝)的粘性斜率区更加靠右,说明其粘度最强。

过程流变性

分析了三个样品在静置状态下的粘度因子和弛豫时间的变化,通过监测各钻井液流变性随静置时间的变化对其稳定性进行排序。粘度因子由均方根位移MSD曲线粘性区斜率的倒数计算得来,可以直观的反应钻井液粘性的变化过程。

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 图3 不同样品粘度变化过程对比

从上可见,三个样品在开始时间内由于结构恢复过程,粘度持续增加,并逐步达到粘性平衡,但是1#样品(红)在2.5h之后粘度开始下降,2#号样品(蓝)22h后粘度发生下降,说明结构也发生了崩解。3#样品(黑)最稳定,粘度在30h测试时间内未降低。

 

结论

高浓度分散体系中的高分子聚合物可以形成网络结构,用于悬浮颗粒的骨架。当分散体系被搅拌后,网络结构被打散,在静置时开始结构恢复,黏性逐渐增加。稳定性不好的分散体系在静置一段时间后网络结构开始失稳,此时可能导致严重的颗粒沉降问题。

微流变学可以精确地描述高浓度分散体系的粘弹性变化过程,这对进一步研究和表征分散体系复杂的最终使用性能具有很重要的意义。

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