Синтез и исследование свойств акрилатных ионогенных терполимеров с повышенными кислото-, соле- и термостойкостью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.06, кандидат наук Нечаев Антон Игоревич

• Нечаев Антон Игоревич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Нечаев Антон Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Эффект снижения гидродинамического сопротивления растворами полимеров

1.1.1 Общие сведения, предполагаемые механизмы эффекта Томса

1.1.2 Влияние физико-химических свойств растворов полимеров на величину снижения гидродинамического сопротивления

1.2 Полимеризация и сополимеризации акрилатных мономеров

1.2.1 Радикальная полимеризация акрилатных мономеров

1.2.2 Гомогенная радикальная сополимеризация акрилатных мономеров в водной среде

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Характеристика исходных веществ

2.2 Методика проведения сополимеризации АА-АН-АМПСКа

2.3 Методы анализа

2.3.1 Определение элементного состава и структуры сополимеров

2.3.2 Определение кинетических параметров сополимеризации

2.3.3 Определение молекулярно-массовых характеристик сополимеров

2.3.4 Определение термостойкости сополимеров

2.3.5 Определение коэффициента светопропускания водных растворов сополимеров... 42 ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1 Синтез акрилатных терполимеров АА-АН-АМПСКа

3.1.1 Определение состава акрилатных терполимеров

3.1.2 Исследование кинетических параметров терполимеризации

3.1.3 Определение структуры акрилатных терполимеров

3.1.4 Определение молекулярно-массовых характеристик акрилатных терполимеров

3.2 Физико-химические свойства акрилатных терполимеров АА-АН-АМПСКа

3.2.1 Влияние температуры и гидротермального воздействия на терполимеры

3.2.2 Влияние низкомолекулярных электролитов на устойчивость растворов терполимеров

3.2.3 Влияние кислотности среды на акрилатные ионогенные терполимеры

3.2.4 Влияние низкомолекулярных электролитов при различной кислотности на устойчивость растворов терполимеров

3.3 Экспериментальная турбореометрическая установка и методика исследования эффекта снижения гидродинамического сопротивления

3.4 Влияние физико-химических свойств растворов акрилатных терполимеров АА-АН-АМПСКа на величину снижения гидродинамического сопротивления

3.4.1 Влияние состава акрилатных ионогенных терполимеров на величину снижения гидродинамического сопротивления

3.4.2 Влияние параметров потока на величину снижения гидродинамического сопротивления акрилатным ионогенным терполимером

3.4.3 Влияние ионной силы, температуры и кислотности раствора на величину снижения гидродинамического сопротивления акрилатным ионогенным терполимером

3.5 Эффект снижения гидродинамического сопротивления противотурбулентной добавкой на основе акрилатного терполимера

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез и исследование свойств акрилатных ионогенных терполимеров с повышенными кислото-, соле- и термостойкостью»

Актуальность темы исследования

Линейные полимеры высокой молекулярной массы нашли широкое применение на практике для интенсификации и повышения энергоэффективности процессов бурения нефтегазовых скважин, а также при применении технологии гидроразрыва пласта. Снижение энергозатрат связано с ростом скорости течения полимерных растворов в сравнении со скоростью течения исходных растворителей при постоянном давлении, либо со снижением давления при постоянной скорости течения жидкости. Данное явление уменьшения величины гидродинамического сопротивления полимерами получило название эффект Томса. Свойства полимеров, такие как молекулярная масса, плотность заряда (количество ионогенных групп), гибкость цепи, структура, морфология, сродство к растворителю и концентрация полимера оказывают влияние на величину снижения гидродинамического сопротивления. Известно, что полиэлектролиты характеризуются большим сольватным объемом, чем неионогенные полимеры, что в свою очередь способствует росту величины снижения гидродинамического сопротивления турбулентных потоков водной среды данными полимерами. Кроме того, химическая природа полимеров определяет зависимость размеров сольватированных макромолекулярных клубков от условий окружающей среды, таких как температура, ионная сила раствора, кислотность среды, что также сказывается на величине эффекта Томса. Наибольший эффект снижения гидродинамического сопротивления водных турбулентных потоков проявляют высокомолекулярные ионогенные линейные сополимеры на основе акриламида (АА).

В настоящее время в России происходит стремительное наращивание вовлечения трудноизвлекаемых запасов нефти в добычу, в связи с чем активно развивается бурение глубоких и сверхглубоких поисково-разведочных и эксплуатационных нефтегазовых скважин в сложных горно-геологических условиях. Данные условия эксплуатации характеризуются, в том числе, высокими температурами среды до 140-160 °С в призабойной зоне, повышенными значениями минерализации и кислотности, что сказывается на физико-химических характеристиках всех компонентов буровых растворов. Так, в условиях повышенных температур, наличия в среде катионов поливалентных металлов или повышенной кислотности среды полиакриламид подвержен процессам деструкции, частичной меж- и внутримолекулярной сшивке, гидролизу, образованию водонерастворимых комплексов и т.д., что приводит к полной потере его функциональных свойств.

Более устойчивыми к катионам поливалентных металлов в широком диапазоне рН среды являются сополимеры АА с объемными сульфонатными заместителями в боковой цепи. Полиэлектролиты также характеризуются большим сольватным объемом, чем неионогенные полимеры, вследствие наличия электростатического отталкивания между заряженными сегментами в полимерной цепи, что в свою очередь способствует росту величины снижения гидродинамического сопротивления турбулентных потоков водной среды данными полимерами. Термостойкость водорастворимых сополимеров определяется химической природой основной цепи полимера, а также боковых заместителей. Введение нитрильных групп в боковые заместители за счет повышенной энергии нитрильной связи увеличивает термостойкость всего сополимера.

Снизить негативное влияние перечисленных факторов среды, равномерно распределить ионогенные и неионогенные звенья по длине макромолекул, улучшить растворимость полимера можно путем сополимеризации АА с различными неионогенными, например, акрилонитрилом (АН) и анионными мономерами, такими как 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислотой (АМПСК) и её натриевой солью (АМПС№). Однако, процесс радикальной терполимеризации АА, АН и АМПСК и его параметры, влияющие на химический состав и структуру и, как следствие, на величину снижения гидродинамического сопротивления данными ионогенными терполимерами при повышенных температуре и кислотности среды, а также в присутствии солей жесткости до настоящего времени не изучались. Кроме того, существующие экспериментальные данные по оценке влияния различных факторов на способность полимеров снижать величину гидродинамического сопротивления достаточно противоречивы и зачастую требуется проведение детальных экспериментальных исследований для каждого типа полимеров и сополимеров в отдельности.

Степень разработанности темы исследования

Большая часть исследований в области синтеза акрилатных сополимеров посвящена изучению бинарных систем на основе АА и АМПСК. Основы радикальной полимеризации ионизующихся мономеров заложил академик В.А. Кабанов. Существенный вклад в изучение процессов радикальной сополимеризации АМПСК и ее солей внесли профессор В.Ф. Куренков с коллегами, в том числе Ф.И. Лобановым, С.А. Шевцовой, А.В. Куренковым, В.Ф. Мягченковым, А.Г. Сафиным, О.А. Антонович и др. Исследованием сополимеризации АМПСК с АА, а также с АН успешно занимается группа под руководством профессора О.А. Казанцева. Существенный вклад в изучение синтеза, химических и физико-химических свойств полимеров акриламида внесли также Л.И. Абрамова, Т.А. Байбурдов, В.Ф. Громов, В.В. Лисовцев. Определенное влияние на решение проблемы исследования терполимеризации сульфоамидокислот с акрилатными мономерами оказали работы О.К. Швецова и Ж.А. Маер.

Наиболее существенный вклад среди зарубежных ученых в исследование процесса сополимеризации ионогенных акрилатных мономеров и изучение их физико-химических свойств внесли C.L. McCormick, J. Travas-Sejdic, I. Lacik, R. Kumar, R.D. Shupe, Y.M. Mohan, M. Rashidi и др. Однако в трудах этих ученых не рассматриваются закономерности процесса радикальной терполимеризации АА, АН и АМПСК и его параметры, влияющие на структуру и, как следствие, на противотурбулентные свойства. Наибольший вклад в исследование эффекта снижения гидродинамического сопротивления полимерными растворам внесли P.S. Virk, H.C. Hershey, A. White, J.L. Zakin и др. В последние годы проблеме снижения гидродинамического сопротивления полимерными растворами уделяют большое внимание научные коллективы под руководством C.M. White, V.S. L'vov, T. Min, A. Abubakar и др. Из отечественных ученых, работающих в области исследования эффекта Томса как в водных, так и неводных средах, необходимо упомянуть профессора В.Н. Манжая, Г.В. Несына, профессора В.А. Мягченкова, С.В. Чичканова и др. При этом стоит отметить, что в работах перечисленных авторов не затрагиваются вопросы, связанные с проявлением эффекта при повышенных температурах в водных средах, что объясняется отсутствием функциональных полимеров.

Цель и задачи исследования

Целью работы является синтез методом радикальной полимеризации терполимеров на основе акриламида (АА), нитрила акриловой кислоты (АН), 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты (АМПСК), исследование свойств и установление влияния их состава, температуры, ионной силы раствора и кислотности среды на величину снижения гидродинамического сопротивления для получения противотурбулентных добавок, применимых в осложненных условиях эксплуатации.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

- Изучить процесс радикальной терполимеризации АА, АН и АМПСК в виде ее натриевой соли (АМПС№) и сополимеризации каждой из пар мономеров в водной среде, установить кинетические закономерности протекания реакций радикальной со- и терполимеризации.

- Исследовать влияние соотношения мономерных звеньев АА, АН и АМПС№ в составе акрилатного ионогенного терполимера на его устойчивость к воздействию повышенных температур и гидротермальному воздействию, чувствительность к ионной силе раствора и повышенной кислотности среды.

- Создать экспериментальную турбореометрическую установку капиллярного типа для проведения исследований по изучению эффекта снижения гидродинамического сопротивления полимерными растворами.

- Установить зависимость величины снижения гидродинамического сопротивления и приращения объемного расхода турбулентных водных потоков акрилатными ионогенными терполимерами АА-АН-АМПСКа от гидродинамических параметров, температуры, кислотности и ионной силы среды.

- Разработать противотурбулентную добавку на основе ионогенного терполимера АА-АН-АМПСКа и определить её эффективность в снижении гидродинамического сопротивления.

Научная новизна работы

Установлены основные кинетические параметры процесса радикальной терполимеризации АА, АН и АМПСК в виде ее натриевой соли в водных растворах в присутствии окислительно-восстановительной системы инициации персульфат калия - сульфит натрия.

Определено повышение устойчивости акрилатных ионогенных терполимеров к термическому гидролизу, связанное с совместным присутствием и увеличением содержания в составе боковых групп нитрильных и сульфонатных заместителей.

Показано, что снижение влияния кислотности и ионной силы раствора на изменение среднего гидродинамического размера сольватированных макромолекулярных клубков обусловлено повышением количества звеньев АМПС№ в составе терполимера.

Установлено, что состав статистических терполимеров АА-АН-АМПСКа, характеризующихся повышенной термостойкостью, позволил впервые достигнуть эффекта снижения гидродинамического сопротивления турбулентных водных потоков при температурах выше 100 °С. Для данных терполимеров выявлены температурные экстремальные зависимости величины снижения гидродинамического сопротивления.

Практическая значимость работы

Разработана методика синтеза акрилатных ионогенных терполимеров с различными характеристиками, таким как характеристическая вязкость, состав, устойчивость к повышенным температурам, солям жёсткости, пониженной кислотности среды, путем варьирования условий полимеризации.

Разработана и запатентована [1] противотурбулентная добавка для снижения гидродинамического сопротивления бурового раствора на водной среде в сложных горногеологических условиях, которая представляет собой акрилатный терполимер, состоящий из АА, АН и АМПСКа.

Полученные данные по эффективности снижения гидродинамического сопротивления противотурбулентными добавками на основе разработанных акрилатных терполимеров АА-АН-АМПСКа позволяют рекомендовать их для применения при бурении нефтяных и газовых скважин как в нормальных, так и в сложных горно-геологических условиях с целью повышения

энергоэффективности и экономичности эксплуатации оборудования. Разработанные противотурбулентные добавки могут использоваться при проведении разведочного и эксплуатационного бурения, а также для проведения операций гидроразрыва пласта, в том числе кислотного, в осложненных условиях.

Методология и методы исследования

Состав акрилатных терполимеров определялся методами ИК-Фурье спектроскопии, элементного анализа (CHNSO), термогравиметрическим анализом (ТГА), а также с использованием дифференциального уравнения терполимеризации Альфрея-Голдфингера на

1 13

основании метода Келена-Тюдеша. Структура терполимеров определялась Ни C ЯМР спектрометрией. Коллоидные характеристики макромолекулярных клубков определены методом динамического светорассеяния (DLS), характеристическая и относительная вязкости терполимеров определялись методом капиллярной вискозиметрии. Исследования кинетических закономерностей радикальной терполимеризации исследовались дилатометрическим и гравиметрическим методами, а также методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Энергия активации определялась изоконверсионным методом используя модель-независимый анализ Фридмана. Влияние низкомолекулярных электролитов исследовалось методом УФ-Вид спектрометрии.

Способность терполимеров снижать гидродинамическое сопротивление и обеспечивать приращение объемного расхода при турбулентном течении водного потока, в том числе в широком диапазоне температур до 180 °С, исследовалась на специально разработанном и запатентованном (патент RU 2662502 О) турбулентном реометре капиллярного типа.

Положения, выносимые на защиту

Результаты изученных закономерностей радикальной терполимеризации АА, АН и АМПСК в виде ее натриевой соли (АМПС^) в водной среде, кинетические параметры протекания реакций радикальной терполимеризации.

Влияние соотношения мономерных звеньев АА, АН и АМПС^ в составе терполимера на его устойчивость к воздействию повышенных температур, гидротермальному воздействию, чувствительность к ионной силе раствора и повышенной кислотности среды.

Зависимости величины снижения гидродинамического сопротивления и приращения объемного расхода турбулентных водных потоков акрилатными ионогенными терполимерами АА-АН-АМПСКа от гидродинамических параметров, температуры, кислотности и ионной силы среды.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность результатов и обоснованность выводов обеспечены воспроизводимостью, применением современных физико-химических методов исследования, использованием

стандартных методик и статистической обработкой данных. Полученные результаты не противоречат современным концепциям химии высокомолекулярных соединений и физической химии.

Основные результаты работы были представлены и обсуждены на международных и всероссийских конференциях: V и VI Международная конференция «Техническая химия. От теории к практике» (Пермь, 2016 и 2019), XX и XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Екатеринбург 2016, Санкт-Петербург 2019), IV молодежная школа-конференция «Современные аспекты химии» (Пермь, 2017), XVI Israeli - Russian Bi-National Workshop "The optimization of composition, structure and properties of metals, oxides, composites, nano and amorphous materials" (Ariel, Israel, 2017), IV Пермский нефтегазовый форум «Новые решения для развития нефтегазовой отрасли» (Пермь, 2018), VII Всероссийская научная конференция (с международным участием) «Физикохимия полимеров и процессов их переработки» (Иваново, 2019).

Публикации

Материалы диссертационной работы представлены в 14 публикациях, в том числе в 5 статьях из списка ВАК, 7 тезисах докладов, материалах Всероссийских и Международных конференций и 2 патентах РФ.

Личный вклад соискателя

Автор участвовал в постановке задач исследования, планировании, подготовке и проведении экспериментальной работы по синтезу терполимеров, исследованию их физико-химических и гидродинамических свойств, обсуждении, анализе и интерпретации полученных результатов, формулировке выводов, подготовке и оформлении публикаций и патентов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, результатов и их обсуждения, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка цитируемой литературы. Материалы диссертации изложены на 129 страницах машинописного текста, включают 46 рисунков, 4 таблицы. Список литературы содержит 164 наименования.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы» по Соглашению № 14.607.21.0121 по теме ПНИЭР «Исследование акрилатных сополимеров и разработка на их основе импортозамещающих смазочных добавок для буровых растворов».

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Эффект снижения гидродинамического сопротивления растворами полимеров 1.1.1 Общие сведения, предполагаемые механизмы эффекта Томса

Полимеры нашли широкое применение на разных стадиях добычи, транспортировки и переработки нефти. Одним из наиболее эффективных способов применения полимеров в нефтедобывающей отрасли является использование их в составе противотурбулентных добавок в качестве гасителей пристеночной турбулентности потоков жидкостей: водных, органических и водно-органических. В основе явления лежит эффект Томса. Снижение гидродинамического сопротивления турбулентных потоков жидкости в водных средах при введении небольших количеств полимеров (10-3-10-4 масс.%) может достигать 80 % [2]. Снижение гидродинамических потерь давления на трение при постоянном объемном расходе жидкости (Q = Const) или увеличение пропускной способности трубопровода/капилляра при постоянном перепаде давления (АР = Const) достигается за счет уменьшения коэффициента гидродинамического сопротивления при введении в турбулентный поток высокомолекулярных полимерных добавок [3]. Применение эффекта Томса позволяет уменьшить время проходки скважин при бурении и снизить потребляемую мощность приводных систем насосных установок. Наиболее раннее и широкое практическое применение эффект Томса получил в трубопроводной системе Аляски, где применение полимерных добавок позволяет снизить потребляемую насосными станциями мощность и увеличить пропускную способность [4]. В работе [5] установлено, что 70 % насосной мощности, используемой для подачи горячей воды в первичных трубопроводах или системах централизованного теплоснабжения, было сэкономлено путем добавления полимерных добавок в оборотную воду. Значительный потенциал применения эффекта Томса для сокращения энергопотребления в условиях истощающихся ресурсов, а также для снижения загрязнения окружающей среды стимулировал к проведению большого количества исследований в данной области [6].

Эффект Томса начинает проявляться уже при числах Рейнольдса (Re) порядка (2-4)-10 единиц, т.е. в пограничной области при переходе от ламинарного режима течения потока к турбулентному [7]. При этом для растворов полимеров эффект снижения гидродинамического сопротивления не проявляется до тех пор, пока не будет превышено определенное, т.е. пороговое, напряжение сдвига на стенке канала [8] или скорость сдвига [9]. A.White [10] и

P.S.Virk [8] обнаружили, что начальное напряжение сдвига не зависит от диаметра канала. Таким образом, один и тот же раствор полимера характеризуется разными пороговыми значениями числами Рейнольдса при разных диаметрах канала, соответствуя начальным напряжению сдвига или скорости сдвига. Отмечается, что пороговое число Рейнольдса является функцией параметров системы растворитель-полимер. Так, например, пороговое значение числа Рейнольдса уменьшается с увеличением молекулярной массы и радиуса инерции полимерной молекулы [11].

Параметры, влияющие на величину снижения гидродинамического сопротивления растворами полимеров, можно разделить на две группы: свойства полимеров и характеристики потока жидкости. Свойства полимеров включают молекулярную массу, плотность заряда, гибкость цепи, структуру, морфологию и концентрацию полимера. К характеристикам потока жидкости относятся геометрия, шероховатость стенок, размер трубопровода/канала, скорость потока, тип растворителя и минерализация, рН и температура [2,3,8, 12-15].

Virk et я1. в работе [16] установили наличие асимптоты максимального снижения гидродинамического сопротивления для разбавленных растворов полимеров. Уравнение асимптоты максимального уменьшения гидродинамического сопротивления получено путем сопоставления данных из большого числа экспериментальных работ об объемном расходе потока для различных растворов полимеров. Данная зависимость чаще всего упоминается исследователями эффекта Томса и называется асимптотой Вирка. Разные системы полимер-растворитель характеризуются различными оптимальными концентрациями полимера для достижения асимптоты. Уравнение имеет вид:

С-1/2 = 19^0 (ИеС^2) - 32.4 (1.1)

или

Сг = 0.58йе-0'58 (4000 << Яе << 40000), (1.2)

где Cf - фактор трения Фаннинга, Re - число Рейнольдса.

Virk в работе [17] вывел профиль предельной средней скорости. Он предложил модель для полимерных растворов, уменьшающих гидродинамическое сопротивление в турбулентном режиме течения, аналогичную для ньютоновских жидкостей. Для большинства растворов полимеров зависимость снижения гидродинамического сопротивления от фактора трения и средних скоростей находятся в области, ограниченной линией закона течения Прандтля-Кармана (или Блазиуса) и асимптотой Вирка.

Эффект снижения гидродинамического сопротивления при постоянной скорости течения потока растет до достижения определенного значения при увеличении содержания полимера. Данная концентрация полимера называется концентрацией насыщения. При превышении

концентрации насыщения эффект снижения гидродинамического сопротивления начинает уменьшаться [18, 19]. Начальное увеличение эффекта снижения гидродинамического сопротивления с повышением концентрации, вероятно, связано с ростом количества макромолекул полимера, которые вызывают затухание турбулентных вихрей. Снижение эффекта после превышения концентрации насыщения вызвано взаимодействием полимерных макромолекулярных клубков друг с другом и, соответственно, увеличением вязкости раствора. Концентрация полимера количественно связана с эффективностью снижения гидродинамического сопротивления для любых полимерных растворов и является характеристикой системы полимер-растворитель. Значение концентрации пропорционально углу наклона, который определяется как разность наклона между раствором полимера, уменьшающим гидродинамическое сопротивление, и чистым растворителем в полулогарифмических координатах Прандтля- Кармана. Virk [20] предположил, что зависимость коэффициента трения/сопротивления раствора полимеров подчиняется закону, который является линейным в полулогарифмических координатах Прандтля- Кармана: разница в наклоне зависимостей коэффициента трения между раствором полимера и растворителем пропорциональна корню квадратному из концентрации полимера. Berman и Yuen в [21] отметили для сильно разбавленных полимерных растворов, менее 1 ppm, что данная зависимость пропорциональна степени 2/3. White et al. [22] установили, что концентрация полимера неоднородна в слоях, а пространственное распределение полимера связано с турбулентной структурой потока.

Существует несколько гипотез о механизме снижения гидродинамического сопротивления. Наиболее распространенные теории представлены в обзорах [23, 24]. Предполагаемые механизмы объединены в группы в зависимости от превалирующего, по мнению авторов, фактора, так, к первой группе можно отнести теории, в которых превалирующим параметром являются масштаб размерности и времени. Предположение механизма первой группы связывается со снижением гидродинамического сопротивления при соизмеримости линейного масштаба турбулентности и размера макромолекулярных полимерных клубков (80-150 нм). Также к предполагаемому механизму относят совпадение частоты турбулентных пульсаций и обратной величины времени релаксации макромолекулярных полимерных клубков, т.е. для возникновения эффекта Томса необходимо, чтобы время релаксации полимерного клубка было сопоставимо или больше, чем характерный временной масштаб существования пристеночной турбулентности [25]. Согласно данному временному критерию, начало снижения гидродинамического сопротивления происходит, когда отношение времени релаксации полимерного клубка ко времени существования

пристеночной турбулентности, определяемой как число Вейссенберга, составляет порядка единицы [26].

Ко второй группе теорий относятся объяснения проявления эффекта Томса в зависимости от влияния растяжения/деформации полимерного клубка на течение. Ряд авторов фокусируются на вязкостных свойствах растворов полимеров [27, 28], тогда как другие исследователи обращают внимание на свойства упругости полимерных макромолекулярных клубков [29, 30]. Основным постулатом объяснения теории вязкостных свойств является эффект растяжения/деформации полимерного клубка в турбулентном потоке, что приводит к увеличению эффективной вязкости. В турбулентных потоках, ограниченных стенками канала, считается, что полимеры растягиваются/деформируются в буферном подслое, непосредственно за пределами вязкого подслоя. Предполагается, что скорость деформации и вихревое поле, создаваемые в буферном слое, вызывают полное удлинение полимерных клубков (т.е. переход клубок - вытянутая конфигурация), что приводит к значительному увеличению относительной вязкости при растяжении/деформации [31]. Утверждается, что значительное увеличение эффективной вязкости непосредственно за пределами вязкого подслоя подавляет турбулентные вихри, увеличивает толщину буферного подслоя и уменьшает гидродинамическое сопротивление на стенке канала.

В работе [32] высказано предположение, что растяжение/деформация полимерного клубка обеспечивает эффективную вязкость, которая линейно возрастает, начиная от стенки канала, т.е. зависит от местонахождения в пространстве капилляра. Используя параметры масштабирования и допущение, что вязкость полимерных клубков оказывает основную роль в передаче импульса т.е. пренебрегая вкладом вязкостного напряжения растворителя, авторы вывели выражение для профиля средней продольной скорости, которое согласуется с максимально достижимым профилем, установленным Virk et я1. [7]. Численное моделирование [33] показало, что пространственно-зависимая модель эффективной вязкости, которая линейно изменяется от стенки капилляра, достаточно точно описывает эффект снижения гидродинамического сопротивления.

Теория упругости, предложенная de Gennes [34], постулирует, что упругая энергия, запасаемая частично растянутыми/деформированными полимерными клубками, является превалирующим фактором в объяснении эффекта снижения гидродинамического сопротивления. Деформация полимера связана либо с внутримолекулярной упругостью цепи макромолекулы, либо с конфигурационно-энтропийной обратимостью системы макромолекула-растворитель [35]. В случае внутримолекулярной упругости деформация приводит к изменению внутренней энергии макромолекул, во втором случае предполагается, что деформация связана с изменением свободной энергии за счет меняющейся энтропии при

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нечаев Антон Игоревич, 2020 год

- 22 с.

126. Барабанова, А. И. Радикальная полимеризация винилсульфокислоты и ее сополимеризация с акриламидом в водном растворе/ А. И. Барабанова, В. Ф. Громов, Е. В. Бунэ // Высокомолекулярные соединения. - 1994. - Т. 36. - № 6. - С. 901-907.

127. Сивохин, А.П. Спонтанная сополимеризация 2-акриламидо-2-метилпропансульфокислоты с акриламидом и акрилонитрилом в концентрированных водных

растворах / А. П. Сивохин, О. А. Казанцев, К. В. Ширшин // Журн. прикл. химии. - 2007. - Т. 80. - Вып. 8. - С. 1355-1361.

128. McCormick, C.L. Water-soluble copolymers. IV. Random copolymers of acrylamide with sulfonated comonomers / C. L. McCormick, G. S. Chen // J Polym Sci: Polym Chem Ed. - 1982. - V. 20(3). - P. 817-838.

129. Aggour, Y. A. Copolymerization and Thermal Investigation of 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic Acid with Acrylonitrile / Y. A. Aggour, G. Bekhat, A. Atia // Journal of Polymer Materials. - 2000. - V. 17. - №. 2. - P. 193-197.

130. Громов, В. Ф. Особенности радикальной сополимеризации водорастворимых мономеров / В. Ф. Громов, Е .В. Бунэ, А. И. Барованова и др. // Высокомолекулярные соединения серия А.

- 1995. - Т. 37 (11). - С. 1818-1822.

131. Барованова, А. И. Радикальная полимеризация винилсульфокислоты и ее сополимеризация с акриламидом в водном растворе / А. И. Барованова, В. Ф. Громов, Е. В. Бунэ и др. // Высокомолекулярные соединения серия А. - 1994. - Т. 36(6). - С. 901-907.

132. Громов, В.Ф. Радикальная полимеризация акриламида с сернокислой солью диметиламиноэтилметакрилата / В. Ф. Громов, Ю. С. Богачев, Е .В. Бунэ и др. // Высокомолекулярные соединения серия А. - 1993. - Т. 35(1). - С. 7-12.

133. Kumar, R. Studies on aqueous polymerization of 2-Acrylamido-2-methyl-1-propane sulphonic acid initiated by peroxydiphosphate/ Ag(I)- A Kinetic study ACS / R. Kumar, A. Srivastava, K. Behari // Abstracts of papers of the american chemical society. - 1155 16TH ST, NW, WASHINGTON, DC 20036 USA: AMER CHEMICAL SOC. - 2003. - V. 225. - P. 559.

134. Kurenkov, V. F. The effect of ionic strength on copolymerization of acrylamide with sodium salt of 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid in aqueous solutions / V. F. Kurenkov, A. R. Utikeeva // Polymer science. Series A. - 2000. - V. 42. - №. 4. - P. 372-377.

135. Shirshin, K. Concentration effects in copolymerization of sulfuric acid salt of N, N -dimethylaminoethyl methacrylate with acrylonitrile and acrylamide in aqueous solutions / K. Shirshin, O. Kazantsev, A. Sivokhin et al. // Russ J Appl Chem. - 2007. - V. 80(8). - P. 1404-1408.

136. Beuermann, S. Freeradical polymerization kinetics of 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid in aqueous solution / S. Beuermann, M. Buback, P. Hesse // Macromolecules. - 2006. - V. 39(2).

- P. 509-516.

137. Lacik, I. PLP-SEC study into the free-radical propagation rate coefficients of partially and fully ionized acrylic acid in aqueous solution / I. Lacik, S. Beuermann, M. Buback // Macromol Chem Phys.

- 2004. - V. 205(8). - P. 1080-1087.

138. Lacik, I. PLP-SEC study into free-radical propagation rate of nonionized acrylic acid in aqueous solution / I. Lacik, S. Beuermann, M. Buback // Macromolecules. - 2003. - V. 36(25). - P. 9355-9363.

139. Pascal, P. Pulsed laser study of the propagation kinetics of acrylamide and its derivatives in water / P. Pascal, M. A. Winnik, D. H. Napper et al. // Macromolecules. - 1993. - V. 26(17) - P. 4572-4576.

140. Shibalovich, V. G. Synthesis and properties of ammonium salts of N, N-climethylaminoethyl methacrylate and mineral acids / V. G. Shibalovich, D. Y. Efimova, A. F. Nikolaev // International Polymer Science and Technology. - 2000. - V. 27. - №. 10. - P. 76-80.

141. Kazantsev, O. A. Spontaneous polymerization of (meth)acrylamides in concentrated aqueous solutions / O. A. Kazantsev, K. V. Shirshin // Polymer. - 2004. - V. 45(15). - P. 5021-5029.

142. Semchikov, Y. D. Dependence of copolymer composition upon molecular weight in homogeneous radical copolymerization / Y. D. Semchikov, L. A. Smirnova, T. Y. Knyazeva et al. // Eur Polym J. -1990. - V. 26(8). - P. 883-887.

143. Semchikov, Y. D. The influence of preferential sorption upon the copolymerization of vinylpyrrolidone with vinyl acetate / Y. D. Semchikov, N. N. Slavnitskaya, L. A. Smirnova et al. // Eur Polym J. - 1990. - V. 26(8). - P. 889-891.

144. Badertscher, M. Structure determination of organic compounds / M. Badertscher, P. Bühlmann, E. Pretsch. - Springer Berlin Heidelberg, 2009. - 433p.

145. Тарасевич, Б.Н. ИК спектры основных классов органических соединений. Справочные материалы / Б. Н. Тарасевич. - М.: МГУ, 2012. - 55 с.

146. Kelen, T. Analysis of the Linear Methods for Determining Copolymerization Reactivity Ratios. I. A New Improved Linear Graphic Method / T. Kelen, F. Tüdos // J. Macromol. Sci., Chem. - 1975. -V. 9. - № 1. - P. 1-27.

147. Vyazovkin, S. ICTAC Kinetics Committee recommendations for performing kinetic computations on thermal analysis data / S. Vyazovkin, A. K. Burnhamb, J. M. Criadoc et al. // Thermochimica Acta. - 2011. - V. 520. - P. 1-19.

148. Куренков, В. Ф. Влияние ионной силы на сополимеризацию акриламида с натриевой солью 2-акриламидо-2-метилпропансульфокислоты в водных растворах / В. Ф. Куренков, А. Р. Утикеева // Высокомол. Соед А. - 2000. - Т. 42. - № 4. - С. 587.

149. Возная, Н. Ф. Химия воды и микробиология / Н. Ф. Возная. - М.: Высшая школа, 1979. -340 с.

150. Хем, Д. Сополимеризация / Д. Хем. - М.:Химия, 1971. - 616 с.

151. Нечаев, А. И. Исследование радикальной полимеризации и структуры противотурбулентных терполимеров на основе акриламида, акрилонитрила и 2-акриламидо-2-

метилпропансульфоновой кислоты / А. И. Нечаев, М. Н. Горбунова, И. И. Лебедева, В. А. Вальцифер, В. Н. Стрельников // Журн. прикл. химии. - 2017. - Т. 90. - № 9. - С. 1234-1242.

152. Громов, В. Ф. Влияние природы среды на радикальную полимеризацию акриламида / В. Ф. Громов, П. М. Хомиковский, А. Д. Абкин // Высокомол. Соед, сер. Б. - 1970. - Т. 12. - № 10. - С. 767-771.

153. Куренков, В. Ф. Кинетический аспект сополимеризации акриламида с натриевой солью 2-акриламидо-2-метилпропансульфокислоты в концентрированных водных растворах / В. Ф. Куренков, М. Р. Хайруллин, А. Р. Утикеева // Журн. прикл. химии. - 1999. - Т. 72. - № 7. - С. 1177-1181.

154. Нечаев, А. И. Эффект снижения гидродинамического сопротивления турбулентного водного потока сополимерами акриламида, нитрила акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты / А. И. Нечаев, И. И. Лебедева, О. Г. Васильева, А. С. Чащухин, В. А. Вальцифер // Журн. прикл. химии. - 2016. - Т. 89. - № 9. - С. 1205-1210.

155. Савицкая, М. Н. Полиакриламид / М. Н. Савицкая, Ю. Д. Холодова. - Киев: Техника, 1969. - 188с.

156. Нечаев, А. И. Исследование влияния состава тройного сополимера акриламида, нитрила акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты на его устойчивость к термосолевой агрессии / А. И. Нечаев, И. И. Лебедева, В. А. Вальцифер, В. Н. Стрельников // Журн. прикл. химии. - 2016. - Т. 89. - № 8. - С. 1047-1053.

157. Нечаев, А. И. Противотурбулентные свойства сульфометилированного полиакриламида в условиях термической, солевой и кислотной агрессий / А. И. Нечаев, И. И. Лебедева, В. А. Вальцифер, В. Н. Стрельников // Журн. прикл. химии. - 2017. - Т. 90. - № 8. - С. 108-115.

158. Патент на изобретение № 2662502. Турбулентный реометр. Стрельников В. Н., Вальцифер В. А., Старостин А. С., Нечаев А. И. и др.: Заявители и патентообладатели Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук и Закрытое акционерное общество "Проектно-конструкторское предприятие Адсорбер". Заявка №: 2017115623. Приоритет изобретения 03.05.2017. Опубликовано: 26.07.2018 Бюл. № 21.

159. Несын, Г. В. Промышленные испытания полимерной добавки «Виол», снижающей гидродинамическое сопротивление нефти / Г. В. Несын, В. Н. Манжай, М. М. Гареев и др. // Нефтяное хозяйство. - 1995. - № 5-6. - С. 81-82.

160. Nieuwstadt, F. T. M. Turbulence structure and modulation / F. T. M. Nieuwstadt, J. M. J. Den Toonder. - SpringerVienna, 2001. - P. 269-316.

161. Нечаев, А. И. Влияние параметров среды и концентрации акрилатного ионогенного терполимера на эффект Томса / А. И. Нечаев, И. И. Лебедева, В. А. Вальцифер, В. Н. Стрельников // Журн. прикл. химии. - 2017. - Т. 90. - № 11. - С. 16-22.

162. Охрименко, Г. И. Влияние конформаций и размеров макромолекул на снижение сопротивления в турбулентном потоке / Г. И. Охрименко // Химическая технология, применение и свойства пластмасс. - Ленинград. - 1976. - С.72-81.

163. Мягченков, В. А. Влияние ПАВ на эффективность применения ионогенных сополимеров акриламида для снижения гидравлического сопротивления турбулентных потоков / В. А. Мягченков, С. В. Крупин, С. В. Чичканов // Нефтяное хозяйство. - 2003. - № 11. - С.82 - 84.

164. Mjagchenkov, V. A. Synergism and antagonism of acrylamide copolymers and surfactants in drag reduction of turbulent aqueous flows / V. A. Mjagchenkov, S. V. Chichkanov, S. V. Krupin, V. E. Proskurina // Georesources. - 2002. - V. 1. - P. 19-23.