سنتز و شناسایی هموپلیمر و کوپلیمر پایه اکریل‌آمید و کاربرد آنها در سیال حفاری پایه آبی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی فرآیندهای پلیمریزاسیون، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 پژوهشکده مهندسی نفت، پردیس توسعه صنایع بالادستی، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران، ایران

10.22078/pr.2019.3256.2555

چکیده

هموپلیمر اکریل‌آمید و کوپلیمر اکریل‌آمید/ استایرن جهت کاربرد در سیال حفاری پایه آبی با روش کوپلیمری‌شدن مایسلی سنتز شدند. نتایج طیف FTIR و NMR نشان دادند که هموپلیمر وکوپلیمر با موفقیت سنتز شدند. روش کوپلیمری‌شدن مایسلی به ایجاد قطعات مونومر آب‌گریز در زنجیر مونومر آب‌دوست منجر می‌شود. بنابراین، طول قطعات مونومر آب‌گریز با روش‌ نظری و درصد تبدیل واکنش‌ها با روش وزن‌سنجی محاسبه شدند. از گرانروی‌سنج لوله موئین آبلود برای به‌دست آوردن گرانروی کاهش‌یافته محلول‌های رقیق پلیمرها استفاده شد و سپس وزن مولکولی متوسط گرانروی پلیمرها توسط روابط تجربی محاسبه شد. نتایج نشان داد که مقادیر درصد تبدیل و وزن مولکولی به‌دست آمده برای هموپلیمر بیشتر از کوپلیمر است. این مشاهدات به افزایش احتمال واکنش‌های انتقال به سطح‌فعال در کوپلیمری‌شدن مایسلی نسبت داده شد. گرانروی ظاهری محلول‌های آبی حاوی پلیمرهای سنتزشده با استفاده از گرانروی‌سنج بروکفیلد به‌دست آمد. نتایج گرانروی‌سنجی نشان داد که علی‌رغم وزن مولکولی بیشتر هموپلیمر اکریل‌آمید، در شرایط مشابه، گرانروی محلول‌های حاوی کوپلیمر بیشتر است. این رفتار به تجمعات آب‌گریز واحدهای استایرنی در زنجیرهای کوپلیمر اکریل‌آمید/ استایرن نسبت داده شد. از پلیمرها در سه غلظت مختلف در فرمولاسیون سیال حفاری پایه آبی استفاده شد و آزمون‌های رئولوژی و اتلاف سیال برای دو حالت قبل و بعد از hr 16 چرخش حرارتی در دمای C°120 روی سیال‌های حفاری ساخته‌شده انجام شد. نتایج نشان دادند که هر دو نمونه سنتزشده باعث افزایش خواص رئولوژی سیال حفاری پایه آبی می‌شوند هر چند که حضور و افزایش مقدار هموپلیمر به‌دلیل وزن مولکولی بیشتر، باعث بهبود بیشتر خواص رئولوژی و اتلاف سیال نسبت به نمونه‌های حاوی کوپلیمر می‌شود. هرچند که خواص رئولوژی سیال در حضور نمک و پس از اعمال حرارت کاهش یافت اما مقایسه نتایج نشان داد که سیال حاوی کوپلیمر، به‌دلیل قابلیت تشکیل شبکه فیزیکی ناشی از تجمعات آب‌گریز، توانایی بیشتری در حفظ خواص رئولوژی دارد.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Synthesis and Characterization of Acrylamide-based Homo-and Copolymers and their Application in Water-Based Drilling Fluid

نویسندگان [English]

  • Hossein Biazar 1
  • Mahdi Abdollahi 1
  • alireza nasiri 2
1 Polymer Reaction Engineering Department, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Petroleum Engineering Division, Research Institute of Petroleum Industry, (RIPI) Tehran, Iran
چکیده [English]

based drilling fluid, rheology modifier and enhanced oil recovery. Moreover, structure and microstructure of these polymers are of important in above-mentioned applications. Acrylamide homopolymer and acrylamide/styrene copolymer were synthetized using micellar polymerization for application in the water-based drilling fluid. FTIR, NMR and some theoretical calculations were used to characterize (micro)structure of the polymers. In addition, conversion was obtained using gravimetric method. Ubbelohde viscometer was used to evaluate viscosity- average molecular weight. Apparent viscosity was measured by Brookfield viscometer. Synthesized polymers were used in the water- based drilling fluids with three different concentrations and rheological and fluid loss properties were evaluated before and after hot rolling at 120 °C for 16 h. Moreover, FTIR and NMR results showed successful synthesis of the homo- and copolymers with high conversions. Average hydrophobic styrene block length was calculated by theoretical method to be 3. Results showed that both conversion and molecular weight values were higher in the case of synthetized homopolymer. It was attributed to increase in the possibility of chain transfer to surfactant in the micellar copolymerization reactions. Results showed that despite higher molecular weight in the acrylamide homopolymer case, viscosities of the acrylamide/styrene copolymer aqueous solutions were better in similar concentrations. It was attributed to the hydrophobic association between styrene units. Finally, results showed that both homo- and copolymer caused an improvement in the rheology and fluid loss properties of the water- based drilling fluid. Although rheological properties were reduced after hot rolling or in the presence of salt in the drilling fluids, drilling fluids prepared with acrylamide/styrene copolymer showed more ability to preserve their rheological properties due to the formation of physical network resulting from the hydrophobic associations.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Acrylamide/styrene
  • Micellar copolymerization
  • Water-Based ِِِDrilling Fluid
  • viscosity
  • Fluid loss

[1]. Xia X., Guo J., Feng Y., Chen D., YuY., Jin J. and Liu S., “Hydrophobic associated polymer grafted onto nanosilica as a multi-functional fluid loss agent for oil well cement under ultrahigh temperature,” RSC. Adv., Vol. 6, pp. 91728-91740, 2016. ##

[2]. Wever D., Picchioni F. and Broekhuis A., “Polymers for enhanced oil recovery: A paradigm for structure–property relationship in aqueous solution,” Prog. Polym. Sci., Vol. 36, pp. 1558-1628, 2011. ##

[3]. Pangilinan K., Al Christopher C. and Advincula R, “Polymers for proppants used in hydraulic fracturing,” J. Pet. Sci. Eng., Vol. 145, pp. 154-160, 2016. ##

[4]. Morgan S. and McCormick C., “Water-soluble polymers in enhanced oil recovery,” Prog. Polym. Sci., Vol. 15, pp. 103-145, 1990. ##

[5]. Mao H., Qiu Z., Shen Z. and Huang W., “Hydrophobic associated polymer based silica nanoparticles composite with core–shell structure as a filtrate reducer for drilling fluid at utra-high temperature,” J. Pet. Sci. Eng., Vol. 129, pp. 1-14, 2015. ##

[6]. Barbey R., Lavanant L., Paripovic D., Schüwer N., Sugnaux C., Tugulu S. and Klok H., “Polymer brushes via surface-initiated controlled radical polymerization: synthesis, characterization, properties, and applications,” Chem. Rev., Vol. 109, pp. 5437-5527, 2009. ##

[7]. Liao Y.,Zheng H.,Dai L., Li F., Zhu G., Guan Q.,Sun Y. and Tang X., “Hydrophobically modified polyacrylamide synthesis and application in water treatment,” Asian. J. Chem., Vol. 26, pp. 5923-5927, 2014. ##

[8]. Candau F. andSelb J., “Hydrophobically-modified polyacrylamides prepared by micellar polymerization,” Adv. Colloid. Interfac., Vol 79, pp. 149-172, 1999. ##

[9]. Ezzell S. and McCormick C., “Water-soluble copolymers. 39. Synthesis and solution properties of associative acrylamido copolymers with pyrenesulfonamide fluorescence labels,” Macromolecules, Vol. 25, pp. 1881-1886, 1992. ##

[10]. Rabiee A., Ershad-Langroudi A. and Zeynali M.E., “A survey on cationic polyelectrolytes and their applications: Acrylamide derivatives,” Rev. Chem. Eng., Vol. 31, pp. 239-261, 2015. ##

[11]. Talelli M.,Rijcken C., Van Nostrum C., Storm G. and Hennink W., “Micelles based on HPMA copolymers,” Adv. Drug. Deliver. Rev., Vol. 62, pp. 231-239, 2010. ##

[12]. Khakpour H. and Abdollahi M., “Synthesis, characterization, rheological properties and hydrophobic nano-association of acrylamide/styrene and acrylamide/sodium styrene sulfonate/styrene co-and terpolymers,” J. Polym. Res., Vol. 23, pp. 168-177, 2016. ##

[13]. Oketola A. and Torto N., “Synthesis and characterization of poly(styrene-co-acrylamide) polymers prior to electrospinning,” Adv. Nanoparticles, Vol. 2, pp. 83-87, 2013. ##

[14]. Minsk L., Kotlarchik C. and Darlak R.S., “Effect of solvents upon the copolymerization of acrylamide and styrene.” J. Polym. Sci. A., Vol. 11, pp. 353-365, 1973. ##

[15]. Lane W., “Determination of solubility of styrene in water and of water in styrene,” Ind. Eng. Chem., Vol. 18, pp. 295-296, 1946.

[16]. Chern C., “Principles and applications of emulsion polymerization,” 1st ed. John Wiley & Sons, pp. 1-248, 2008. ##

[17]. Hill A., Candau F. and Selb J., “Properties of hydrophobically associating polyacrylamides: influence of the method of synthesis,” Macromolecules, Vol. 26, pp. 4521-4532, 1993. ##

[18]. Wu Y., Wang Z.,Yan Z., Zhang T., Bai Y., Wang P.,Luo P., Gou S. and Guo Q., “Poly (2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid)-modified SiO2 nanoparticles for water-based muds,” Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 56, pp. 168-174, 2016. ##

[19]. Chen F.,Wu Y.,Wang M. and Zha R., “Self-assembly networks of wormlike micelles and hydrophobically modified polyacrylamide with high performance in fracturing fluid application,” Colloid. Polym. Sci., Vol. 293, pp. 687-697, 2015. ##

[20]. Lazaro A., Quercia G. and Brouwers H. J. H., “Production and application of a new type of nano-silica in concrete,” In Proceedings of The International Conference on Building Materials, Finger-Institut fur Baustoffkunde, Weimar, Germany, 2012. ##

[21]. Adler S and Siegele F., “Drilling aud additives,” Encyclopedia of Polymer Science and Technology, Mark HF, Gaylord NG and Bikales NM Eds, Interscience, New York, 1996. ##

[22]. Zhong C., Luo P., Ye Z. and Chen H., “Characterization and solution properties of a novel water-soluble terpolymer for enhanced oil recovery,” Polym. Bull., Vol. 62, pp. 79-89, 2009. ##