环保型海藻酸钠在压裂减阻中的应用：实验与基于快速傅里叶变换的动态分析

本刊推荐：针对水力压裂中合成减阻剂的环境危害问题，研究人员开展了海藻酸钠(SA)生物聚合物减阻性能研究。通过微管实验证实SA可实现15%的减阻率，尺度律推算工业管道减阻率达37%。FFT分析揭示SA能抑制湍流脉动，10分钟降解测试表明减阻率仅从15%降至13%，DLS验证其结构稳定性。该研究为绿色压裂作业提供了环保经济的新型添加剂选择。

　　

随着全球能源需求的持续增长，水力压裂技术作为石油工程领域的重要增产手段，正面临着严峻的环境挑战。传统合成减阻聚合物虽然能有效降低管道流动阻力，但其不可生物降解的特性往往导致地下水污染和生态系统破坏，在环保法规日益严格的当下，寻找绿色替代品已成为行业迫切需求。

在这项发表于《International Journal of Biological Macromolecules》的研究中，中国石油大学（华东）的研究团队将目光投向了海洋生物资源——从褐藻中提取的海藻酸钠(sodium alginate, SA)。这种天然生物聚合物不仅来源可再生，还具备良好的生物降解性，有望成为合成减阻剂的环保替代品。研究人员通过系统的实验探索和理论分析，全面评估了海藻酸钠在水力压裂应用中的减阻性能、抗剪切能力和作用机理。

研究主要采用微管流变实验系统、快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)频谱分析和动态光散射(Dynamic Light Scattering, DLS)技术。实验装置包括精密计量泵、有机玻璃微管(内径1.85 mm)和差压传感器，确保测量精度；FFT用于分析压力波动频谱特征；DLS则用于表征聚合物分子在溶液中的尺寸分布变化。

3. Results and discussions

减阻性能量化

实验结果显示，海藻酸钠在微管湍流中可实现最高15%的减阻率。当浓度从10 ppm增加至200 ppm时，减阻效果显著提升，且所有摩擦因子数据都介于Prandtl-Karman线和Virk最大减阻线之间，符合聚合物减阻的理论规律。通过二次多项式拟合建立的预测模型(DR% = A₀ + A₁Q + A₂C + A₃QC + A₄Q² + A₅C²)能较好预测不同工况下的减阻效果。

尺度放大预测

应用尺度律(Re√f/d = Constant)将实验室数据放大到工业尺度预测表明：在直径为20 cm的压裂管道中，流量为10 m³/min时，海藻酸钠的减阻率可达36.9%。这证明了其在实际压裂作业中的应用潜力，尽管该预测未考虑高温、高矿化度等现场条件的影响。

动态频谱分析

通过快速傅里叶变换分析新定义的无因次压力降(Dimensionless Pressure Drop, DPD)发现，海藻酸钠溶液的压力波动频谱比纯溶剂简单，高频峰值显著降低。这表明海藻酸钠分子通过抑制湍流涡旋的生成和破碎，减少了速度脉动，从而降低了能量耗散。

抗剪切性能评估

10分钟循环剪切测试显示，海藻酸钠的减阻率从初始的15%仅下降至13%，表现出优异的抗降解能力。动态光散射数据进一步证实：降解前后聚合物的水力直径从510 nm减小到507 nm，变化不足1%，说明只有部分分子链发生断裂。这种结构稳定性源于海藻酸钠分子链的刚性六元环结构，使其比柔性聚合物(如PEO、PAM)更能抵抗高速剪切。

机理阐释

研究提出了基于热力学和动力学的减阻机理：在湍流场中，海藻酸钠分子经历可逆的卷曲-伸展转变，通过分子链与涡旋的相互作用消耗湍流动能；同时，其刚性结构能抵抗近壁区高剪切场的破坏作用，维持减阻效果的持久性。

研究结论表明，海藻酸钠作为一种环保型减阻剂，在微管湍流中可实现15%的减阻率，工业尺度预测减阻率可达37%，且具备良好的抗剪切稳定性。FFT频谱分析证实其能有效抑制湍流脉动，DLS数据表明降解仅导致部分分子链断裂。这些发现不仅为水力压裂作业提供了一种绿色添加剂选择，也为生物聚合物减阻机理研究提供了新的见解。海藻酸钠的海洋来源特性、生物可降解性和经济性(单价仅0.50 USD/kg，低于黄原胶的1.5-2.5 USD/kg)使其特别适合在生态敏感区域的压裂作业中应用。未来研究应关注其在高温、高矿化度条件下的性能表现，以及通过分子改性进一步提升减阻效率的途径。