Le polyacrylamide est largement utilisé dans des applications industrielles telles que la récupération assistée du pétrole et le traitement de l'eau en raison de sa capacité exceptionnelle à réguler les propriétés rhéologiques des solutions. Cependant, au cours de ces applications, l'hydrolyse progressive modifie la structure moléculaire du polyacrylamide, entraînant un changement biphasique unique de la viscosité qui reste mal compris. Dans cette étude, des calculs de théorie fonctionnelle de la densité et des simulations de dynamique moléculaire ont été systématiquement réalisés pour élucider le mécanisme moléculaire de l'hydrolyse du polyacrylamide et clarifier l'origine de sa réponse de viscosité biphasique au niveau moléculaire. Les résultats des calculs de théorie fonctionnelle de la densité et des simulations de dynamique moléculaire révèlent que l'hydrolyse initiale augmente la viscosité structurelle en favorisant l'agrégation des polymères, tandis qu'une hydrolyse plus poussée conduit à la dispersion des chaînes polymères, entraînant une diminution de la viscosité structurelle et une augmentation de la viscosité de frottement. À des niveaux d'hydrolyse élevés, le recul des chaînes provoqué par les interactions des ions de sel réduit à la fois les viscosités structurelle et de frottement. Cette étude non seulement élucide les mécanismes fondamentaux régissant l'hydrolyse du polyacrylamide et ses effets biphasiques sur la viscosité, mais fournit également des informations précieuses pour concevoir des polymères avec des propriétés rhéologiques optimisées afin de répondre aux exigences de diverses applications industrielles.

Le polyacrylamide (PAM) est un polymère largement utilisé dans diverses applications industrielles, telles que la récupération améliorée de pétrole (EOR) et le traitement des eaux usées, apprécié pour sa capacité exceptionnelle à moduler la rhéologie des solutions. Dans les applications pratiques, le PAM subit une hydrolyse—une réaction chimique qui convertit ses groupes amides en groupes carboxylates. Bien que les mécanismes et les processus d'hydrolyse aient été largement étudiés, les effets de l'hydrolyse sur les propriétés rhéologiques des solutions de PAM sont compliqués et n'ont pas encore été pleinement compris. En particulier, des études expérimentales antérieures ont rapporté une tendance biphasique distincte dans la viscosité des solutions à mesure que l'hydrolyse progresse : la viscosité augmente initialement mais diminue au-delà d'un certain seuil. Ce phénomène est systématiquement observé à différentes températures et salinités (Fig. 1a) et joue un rôle critique dans la performance industrielle du PAM. Le manque de compréhension au niveau moléculaire de cet effet biphasique unique a entravé la conception précise des structures moléculaires et des formulations de solutions dans la science des polymères et les applications industrielles. Ce manque de connaissances a motivé la présente étude.

Ici, nous utilisons l'application de PAM dans l'EOR comme exemple pour mettre en évidence l'impact critique de l'effet biphasique de l'hydrolyse de PAM sur la performance industrielle. L'injection de polymères à base de PAM est une technique EOR largement utilisée qui améliore l'efficacité du déplacement du pétrole en réduisant le doigté visqueux et en améliorant la perméabilité des pores. Avant l'injection, le PAM est généralement converti en polyacrylamide partiellement hydrolysé (HPAM) pour améliorer la viscosité de la solution. Cependant, pendant l'injection de polymères, la viscosité de la solution et l'efficacité du déplacement du pétrole diminuent souvent de manière significative. Des études antérieures ont attribué cette perte de performance principalement aux conditions de haute température et de haute salinité des réservoirs de pétrole, ce qui a conduit au développement de polymères à base de PAM résistants à la température et à la salinité. Pourtant, même avec ces modifications, une perte de viscosité significative pendant l'injection de polymères persiste encore, suggérant que les variations structurelles des molécules de PAM dues à une hydrolyse supplémentaire pendant l'application jouent un rôle plus critique que la température et la salinité seules. Ainsi, une compréhension plus approfondie de l'hydrolyse de PAM et de ses effets sur la viscosité est essentielle pour optimiser l'efficacité de l'EOR et concevoir des formulations de polymères plus résilientes.

Essentiellement, la viscosité des solutions polymères est fondamentalement régie par les interactions moléculaires. Avec l'avancement des méthodes computationnelles, les simulations moléculaires sont devenues un outil puissant dans la science des polymères pour élucider les interactions entre les polymères, les ions et l'eau. Par exemple, Abdel-Azeim et al. ont étudié l'effet de la sulfonation sur la chaîne latérale du PAM concernant son comportement de phase et ses propriétés interfaciales en utilisant des simulations de dynamique moléculaire (MD) à l'équilibre et de métadynamique bien tempérée. Ils ont trouvé que le polymère sulfoné présente une meilleure tolérance au sel et une meilleure stabilité dans des conditions de haute salinité en raison de ses interactions faibles avec les cations de saumure. De même, Wang et al. ont utilisé des simulations de dynamique moléculaire à atomes complets pour analyser les caractéristiques structurelles et la performance tolérante au sel de l'HPAM modifié par acide sulfonique avec des longueurs de chaînes latérales variables. Ils ont conclu que des augmentations modérées de la longueur de la chaîne latérale améliorent la résistance au sel et la flexibilité, tandis qu'un branchement excessif entraîne un repliement du polymère en raison de l'enchevêtrement. Ces études de simulation ont considérablement avancé notre compréhension des caractéristiques microscopiques du PAM et de son comportement en solution. Cependant, à notre connaissance, aucune étude de simulation systématique n'a encore été réalisée pour enquêter directement sur la relation entre le degré d'hydrolyse du PAM et la viscosité de la solution.

Dans cette étude, nous utilisons des simulations MD classiques et des calculs de théorie de la fonctionnelle de densité (DFT) pour élucider les mécanismes microscopiques régissant les effets de l'hydrolyse sur la viscosité des solutions de PAM dans des conditions de haute température, de forte salinité et alcalines. L'étude est structurée en trois composants clés : (i) des simulations DFT et MD ont été réalisées pour étudier les mécanismes d'hydrolyse et les disparités des monomères dans des conditions alcalines ; (ii) la méthode de perturbation périodique en MD non-équilibrée a été employée pour examiner l'effet du degré d'hydrolyse sur les propriétés rhéologiques des solutions ; (iii) des analyses détaillées ont été menées pour comprendre les interactions atomiques entre l'eau, les ions et le PAM avec divers degrés d'hydrolyse. Collectivement, cette étude explique avec succès pourquoi la viscosité de la solution varie avec le degré d'hydrolyse du PAM selon une tendance biphasique. Les connaissances acquises offrent un cadre précieux pour prédire et concevoir des polymères à base de PAM adaptés aux exigences rhéologiques dans diverses applications industrielles.