Dziękujemy za odwiedzenie strony nature.com. Używana przez Ciebie wersja przeglądarki ma ograniczoną obsługę CSS. Aby zapewnić najlepsze wrażenia, zalecamy korzystanie z najnowszej wersji przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer). Dodatkowo, aby zapewnić ciągłą obsługę, ta strona nie będzie zawierać stylów ani JavaScript.
Ekspansja łupków w złożach klastycznych stwarza poważne problemy, prowadząc do niestabilności otworu wiertniczego. Ze względów środowiskowych, preferowane jest stosowanie płuczki wiertniczej na bazie wody z dodatkiem inhibitorów łupkowych zamiast płuczki wiertniczej na bazie ropy naftowej. Ciecze jonowe (IL) cieszą się dużym zainteresowaniem jako inhibitory łupkowe ze względu na ich regulowane właściwości i silne właściwości elektrostatyczne. Jednak ciecze jonowe (IL) na bazie imidazolilu, powszechnie stosowane w płuczkach wiertniczych, okazały się toksyczne, niebiodegradowalne i drogie. Rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (DES) są uważane za bardziej opłacalną i mniej toksyczną alternatywę dla cieczy jonowych, ale nadal nie spełniają one wymagań dotyczących zrównoważonego rozwoju środowiska. Ostatnie postępy w tej dziedzinie doprowadziły do ​​wprowadzenia naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych (NADES), znanych ze swojej przyjazności dla środowiska. W niniejszym badaniu zbadano NADES, które zawierają kwas cytrynowy (jako akceptor wiązań wodorowych) i glicerol (jako donor wiązań wodorowych) jako dodatki do płuczki wiertniczej. Płyny wiertnicze na bazie NADES opracowano zgodnie z normą API 13B-1, a ich wydajność porównano z płynami wiertniczymi na bazie chlorku potasu, cieczami jonowymi na bazie imidazoli oraz płynami wiertniczymi na bazie chlorku choliny:mocznika-DES. Właściwości fizykochemiczne zastrzeżonych płynów NADES zostały szczegółowo opisane. W trakcie badania oceniono właściwości reologiczne, utratę płynu i właściwości inhibicji łupków płynu wiertniczego i wykazano, że przy stężeniu 3% NADES, stosunek granicy plastyczności do lepkości plastycznej (YP/PV) wzrósł, grubość placka płuczki wiertniczej została zmniejszona o 26%, a objętość filtratu została zmniejszona o 30,1%. Co godne uwagi, NADES osiągnął imponujący wskaźnik inhibicji ekspansji wynoszący 49,14% i zwiększył produkcję łupków o 86,36%. Wyniki te przypisuje się zdolności NADES do modyfikowania aktywności powierzchniowej, potencjału zeta i odstępów międzywarstwowych glin, które omówiono w niniejszym artykule w celu zrozumienia leżących u ich podstaw mechanizmów. Oczekuje się, że ten zrównoważony płyn wiertniczy zrewolucjonizuje branżę wiertniczą, stanowiąc nietoksyczną, ekonomiczną i wysoce skuteczną alternatywę dla tradycyjnych inhibitorów korozji łupków, torując drogę przyjaznym dla środowiska praktykom wiertniczym.
Łupek to wszechstronna skała, która służy zarówno jako źródło, jak i zbiornik węglowodorów, a jego porowata struktura1 zapewnia potencjał zarówno do produkcji, jak i magazynowania tych cennych zasobów. Jednakże łupek jest bogaty w minerały ilaste, takie jak montmorylonit, smektyt, kaolinit i illit, które powodują jego podatność na pęcznienie pod wpływem wody, co prowadzi do niestabilności otworu wiertniczego podczas operacji wiertniczych2,3. Problemy te mogą prowadzić do nieproduktywnego czasu pracy (NPT) i wielu problemów operacyjnych, w tym zatkania rur, utraty cyrkulacji płuczki wiertniczej, zapadnięcia się otworu wiertniczego i zanieczyszczenia wiertła, wydłużając czas i koszty wydobycia. Tradycyjnie, płyny wiertnicze na bazie ropy naftowej (OBDF) były preferowanym wyborem dla formacji łupkowych ze względu na ich zdolność do przeciwdziałania ekspansji łupków4. Jednak stosowanie płynów wiertniczych na bazie ropy naftowej wiąże się z wyższymi kosztami i ryzykiem środowiskowym. Płyny wiertnicze na bazie syntetycznej (SBDF) były rozważane jako alternatywa, ale ich przydatność w wysokich temperaturach jest niezadowalająca. Płyny wiertnicze na bazie wody (WBDF) stanowią atrakcyjne rozwiązanie, ponieważ są bezpieczniejsze, bardziej przyjazne dla środowiska i bardziej ekonomiczne niż OBDF5. W celu zwiększenia zdolności WBDF do hamowania łupków stosowano różne inhibitory, w tym tradycyjne inhibitory, takie jak chlorek potasu, wapno, krzemian i polimer. Inhibitory te mają jednak ograniczenia pod względem skuteczności i wpływu na środowisko, zwłaszcza ze względu na wysokie stężenie potasu w inhibitorach chlorku potasu oraz wrażliwość krzemianów na pH.6 Naukowcy badali możliwość wykorzystania cieczy jonowych jako dodatków do płuczek wiertniczych w celu poprawy reologii płuczek wiertniczych i zapobiegania pęcznieniu łupków oraz tworzeniu się hydratów. Jednak te ciecze jonowe, zwłaszcza te zawierające kationy imidazolilowe, są na ogół toksyczne, drogie, niebiodegradowalne i wymagają skomplikowanych procesów przygotowawczych. Aby rozwiązać te problemy, zaczęto poszukiwać bardziej ekonomicznej i przyjaznej dla środowiska alternatywy, co doprowadziło do powstania rozpuszczalników głęboko eutektycznych (DES). DES to mieszanina eutektyczna utworzona przez donor wiązań wodorowych (HBD) i akceptor wiązań wodorowych (HBA) w określonym stosunku molowym i temperaturze. Te mieszaniny eutektyczne mają niższe temperatury topnienia niż ich poszczególne składniki, głównie ze względu na delokalizację ładunku spowodowaną wiązaniami wodorowymi. Wiele czynników, w tym energia sieci krystalicznej, zmiana entropii oraz interakcje między anionami a HBD, odgrywa kluczową rolę w obniżaniu temperatury topnienia DES.
W poprzednich badaniach do płynów wiertniczych na bazie wody dodawano różne dodatki, aby rozwiązać problem rozszerzania się łupków. Na przykład Ofei i in. dodali chlorek 1-butylo-3-metyloimidazoliowy (BMIM-Cl), który znacząco zmniejszył grubość placka płuczkowego (nawet o 50%) i obniżył wartość YP/PV o 11 w różnych temperaturach. Huang i in. zastosowali ciecze jonowe (konkretnie bromek 1-heksylo-3-metyloimidazoliowy i bromek 1,2-bis(3-heksyloimidazol-1-ylo)etanu) w połączeniu z cząsteczkami Na-Bt, co znacząco zmniejszyło pęcznienie łupków, odpowiednio o 86,43% i 94,17%12. Ponadto Yang i in. użyli bromku 1-winylo-3-dodecyloimidazoliowego i bromku 1-winylo-3-tetradecyloimidazoliowego, aby zmniejszyć pęcznienie łupków o odpowiednio 16,91% i 5,81%. 13 Yang i in. również użyli bromku 1-winylo-3-etyloimidazoliowego i zmniejszyli ekspansję łupków o 31,62%, utrzymując jednocześnie wydobycie łupków na poziomie 40,60%. 14 Ponadto Luo i in. użyli tetrafluoroboranu 1-oktylo-3-metyloimidazoliowego, aby zmniejszyć pęcznienie łupków o 80%. 15, 16 Dai i in. użyli kopolimerów cieczy jonowych do zahamowania łupków i osiągnęli 18% wzrost liniowego wydobycia w porównaniu z inhibitorami aminowymi. 17
Same ciecze jonowe mają pewne wady, co skłoniło naukowców do poszukiwania bardziej przyjaznych dla środowiska alternatyw dla cieczy jonowych, i tak narodził się DES. Hanjia jako pierwszy użył głęboko eutektycznych rozpuszczalników (DES) składających się z kwasu propionowego chlorku winylu (1:1), kwasu 3-fenylopropionowego chlorku winylu (1:2) i kwasu 3-merkaptopropionowego + kwasu itakonowego + chlorku winylu (1:1:2), które zahamowały pęcznienie bentonitu odpowiednio o 68%, 58% i 58%18. W swobodnym eksperymencie MH Rasul zastosował stosunek glicerolu i węglanu potasu (DES) w stosunku 2:1 i znacząco zmniejszył pęcznienie próbek łupków o 87%19,20. Ma zastosował mocznik:chlorek winylu, aby znacząco zmniejszyć ekspansję łupków o 67%.21 Rasul i in. Połączenie DES i polimeru zastosowano jako inhibitor łupkowy o podwójnym działaniu, co pozwoliło uzyskać doskonały efekt hamowania łupków22.
Chociaż rozpuszczalniki głęboko eutektyczne (DES) są ogólnie uważane za bardziej ekologiczną alternatywę dla cieczy jonowych, zawierają one również potencjalnie toksyczne składniki, takie jak sole amonowe, co stawia ich przyjazność dla środowiska pod znakiem zapytania. Problem ten doprowadził do opracowania naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych (NADES). Nadal są one klasyfikowane jako DES, ale składają się z naturalnych substancji i soli, w tym chlorku potasu (KCl), chlorku wapnia (CaCl2), soli Epsom (MgSO4.7H2O) i innych. Liczne potencjalne kombinacje DES i NADES otwierają szerokie możliwości badań w tej dziedzinie i oczekuje się, że znajdą zastosowanie w wielu dziedzinach. Kilku badaczy z powodzeniem opracowało nowe kombinacje DES, które okazały się skuteczne w wielu zastosowaniach. Na przykład, Naser i in. w 2013 roku zsyntetyzowali DES na bazie węglanu potasu i zbadali jego właściwości termofizyczne, które następnie znalazły zastosowanie w obszarach inhibicji hydratów, dodatków do płynów wiertniczych, delignifikacji i nanofibrylacji. 23 Jordy Kim i współpracownicy opracowali NADES na bazie kwasu askorbinowego i ocenili jego właściwości antyoksydacyjne w różnych zastosowaniach. 24 Christer i in. opracowali NADES na bazie kwasu cytrynowego i zidentyfikowali jego potencjał jako substancji pomocniczej w produktach kolagenowych. 25 Liu Yi i współpracownicy podsumowali zastosowania NADES jako mediów ekstrakcyjnych i chromatograficznych w obszernym przeglądzie, podczas gdy Misan i in. omówili udane zastosowania NADES w sektorze rolno-spożywczym. Konieczne jest, aby badacze płynów wiertniczych zaczęli zwracać uwagę na skuteczność NADES w swoich zastosowaniach. W 2023 roku Rasul i in. zastosowali różne kombinacje naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych na bazie kwasu askorbinowego26, chlorku wapnia27, chlorku potasu28 i soli Epsom29, osiągając imponujące hamowanie i odzysk łupków. Badanie to jest jednym z pierwszych, w których wprowadzono NADES (w szczególności formulację na bazie kwasu cytrynowego i glicerolu) jako przyjazny dla środowiska i skuteczny inhibitor łupków w płynach wiertniczych na bazie wody. Charakteryzuje się on doskonałą stabilnością środowiskową, lepszymi zdolnościami do hamowania łupków i lepszymi parametrami roboczymi płynu w porównaniu z tradycyjnymi inhibitorami, takimi jak KCl, ciecze jonowe na bazie imidazolilu i tradycyjne DES.
Badania obejmą wewnętrzne przygotowanie NADES na bazie kwasu cytrynowego (CA), a następnie szczegółową charakterystykę fizykochemiczną i zastosowanie go jako dodatku do płuczki wiertniczej w celu oceny właściwości płuczki wiertniczej i jej zdolności do hamowania pęcznienia. W tym badaniu CA będzie działać jako akceptor wiązań wodorowych, a glicerol (Gly) jako donor wiązań wodorowych, wybrany na podstawie kryteriów selekcji MH dla tworzenia/selekcji NADES w badaniach hamowania pęcznienia w łupkach30. Pomiary spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) i potencjału zeta (ZP) wyjaśnią interakcje NADES z iłem oraz mechanizm leżący u podstaw hamowania pęcznienia iłu. Ponadto w badaniu tym porównano płyn wiertniczy na bazie CA NADES z płynem DES32 na bazie chlorku 1-etylo-3-metyloimidazoliowego [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl i chlorku choliny:mocznika (1:2) w celu zbadania ich skuteczności w hamowaniu tworzenia się łupków i poprawie wydajności płynu wiertniczego.
Kwas cytrynowy (monohydrat), glicerol (99 USP) i mocznik zakupiono od firmy EvaChem z Kuala Lumpur w Malezji. Chlorek choliny (>98%), [EMIM]Cl 98% i chlorek potasu zakupiono od firmy Sigma Aldrich z Malezji. Struktury chemiczne wszystkich substancji chemicznych przedstawiono na rysunku 1. Zielony diagram porównuje główne substancje chemiczne użyte w badaniu: imidazolilową ciecz jonową, chlorek choliny (DES), kwas cytrynowy, glicerol, chlorek potasu i NADES (kwas cytrynowy i glicerol). Tabela ekologiczności substancji chemicznych użytych w badaniu znajduje się w tabeli 1. W tabeli każda substancja chemiczna została oceniona pod względem toksyczności, biodegradowalności, kosztów i wpływu na środowisko.
Struktury chemiczne materiałów użytych w tym badaniu: (a) kwas cytrynowy, (b) [EMIM]Cl, (c) chlorek choliny i (d) glicerol.
Kandydaci na donory i akceptory wiązań wodorowych (HBD) do opracowania NADES na bazie CA (naturalnego rozpuszczalnika głęboko eutektycznego) zostali starannie wyselekcjonowani zgodnie z kryteriami selekcji MH 30, które mają na celu opracowanie NADES jako skutecznych inhibitorów łupkowych. Zgodnie z tym kryterium, komponenty z dużą liczbą donorów i akceptorów wiązań wodorowych, a także polarnymi grupami funkcyjnymi, są uważane za odpowiednie do opracowania NADES.
Ponadto do porównania w tym badaniu wybrano ciecz jonową [EMIM]Cl oraz rozpuszczalnik głęboko eutektyczny (DES) chlorku choliny i mocznika, ponieważ są one powszechnie stosowane jako dodatki do płynów wiertniczych33,34,35,36. Porównano również chlorek potasu (KCl), ponieważ jest on powszechnym inhibitorem.
Kwas cytrynowy i glicerol zmieszano w różnych stosunkach molowych w celu uzyskania mieszanin eutektycznych. Kontrola wizualna wykazała, że ​​mieszanina eutektyczna była jednorodną, ​​przezroczystą cieczą bez zmętnienia, co wskazuje na to, że donor wiązań wodorowych (HBD) i akceptor wiązań wodorowych (HBA) zostały pomyślnie wymieszane w tej kompozycji eutektycznej. Przeprowadzono wstępne eksperymenty w celu obserwacji zależności procesu mieszania HBD i HBA od temperatury. Zgodnie z dostępną literaturą, proporcje mieszanin eutektycznych oceniano w trzech określonych temperaturach powyżej 50°C, 70°C i 100°C, co wskazuje, że temperatura eutektyczna zazwyczaj mieści się w zakresie 50–80°C. Do dokładnego zważenia składników HBD i HBA użyto wagi cyfrowej firmy Mettler, a do podgrzewania i mieszania HBD i HBA z prędkością 100 obr./min w kontrolowanych warunkach użyto płyty grzejnej Thermo Fisher.
Właściwości termofizyczne naszego zsyntetyzowanego rozpuszczalnika głęboko eutektycznego (DES), w tym gęstość, napięcie powierzchniowe, współczynnik załamania światła i lepkość, zostały dokładnie zmierzone w zakresie temperatur od 289,15 do 333,15 K. Należy zauważyć, że ten zakres temperatur został wybrany przede wszystkim ze względu na ograniczenia istniejącego sprzętu. Kompleksowa analiza obejmowała dogłębne badanie różnych właściwości termofizycznych tej formulacji NADES, ujawniając ich zachowanie w szerokim zakresie temperatur. Skupienie się na tym konkretnym zakresie temperatur pozwala na wgląd w właściwości NADES, które mają szczególne znaczenie dla wielu zastosowań.
Napięcie powierzchniowe przygotowanych NADES mierzono w zakresie temperatur od 289,15 do 333,15 K za pomocą miernika napięcia międzyfazowego (IFT700). Kropelki NADES formuje się w komorze wypełnionej dużą objętością cieczy za pomocą igły kapilarnej w określonych warunkach temperatury i ciśnienia. Nowoczesne systemy obrazowania wprowadzają odpowiednie parametry geometryczne do obliczenia napięcia międzyfazowego za pomocą równania Laplace'a.
Do określenia współczynnika refrakcji świeżo przygotowanych NADES w zakresie temperatur od 289,15 do 333,15 K użyto refraktometru ATAGO. Urządzenie wykorzystuje moduł termiczny do regulacji temperatury w celu oszacowania stopnia refrakcji światła, eliminując potrzebę stosowania łaźni wodnej o stałej temperaturze. Powierzchnię pryzmatu refraktometru należy oczyścić, a roztwór próbki równomiernie rozprowadzić na niej. Należy skalibrować znanym roztworem wzorcowym, a następnie odczytać współczynnik refrakcji z ekranu.
Lepkość przygotowanego NADES mierzono w zakresie temperatur od 289,15 do 333,15 K za pomocą lepkościomierza rotacyjnego Brookfielda (typu kriogenicznego) przy szybkości ścinania 30 obr./min i średnicy wrzeciona 6. Wiskozymetr mierzy lepkość, określając moment obrotowy wymagany do obrotu wrzeciona ze stałą prędkością w próbce cieczy. Po umieszczeniu próbki na sicie pod wrzecionem i dokręceniu, wiskozymetr wyświetla lepkość w centypuazach (cP), dostarczając cennych informacji na temat właściwości reologicznych cieczy.
Do określenia gęstości świeżo przygotowanego naturalnego rozpuszczalnika głęboko eutektycznego (NDEES) w zakresie temperatur 289,15–333,15 K użyto przenośnego gęstościomierza DMA 35 Basic. Ponieważ urządzenie nie posiada wbudowanej grzałki, przed użyciem gęstościomierza NADES należy je wstępnie podgrzać do określonej temperatury (± 2°C). Pobrać co najmniej 2 ml próbki przez rurkę, a gęstość zostanie natychmiast wyświetlona na ekranie. Należy pamiętać, że ze względu na brak wbudowanej grzałki, wyniki pomiaru obarczone są błędem ± 2°C.
Aby ocenić pH świeżo przygotowanych NADES w zakresie temperatur 289,15–333,15 K, użyliśmy pH-metru stołowego firmy Kenis. Ponieważ nie ma wbudowanego urządzenia grzejnego, NADES został najpierw podgrzany do pożądanej temperatury (±2°C) za pomocą płyty grzejnej, a następnie zmierzony bezpośrednio pH-metrem. Całkowicie zanurz sondę pH-metru w NADES i zanotuj wartość końcową po ustabilizowaniu się odczytu.
Do oceny stabilności termicznej naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych (NADES) wykorzystano analizę termograwimetryczną (TGA). Próbki analizowano podczas ogrzewania. Używając precyzyjnej wagi i uważnie monitorując proces ogrzewania, wygenerowano wykres utraty masy w funkcji temperatury. NADES ogrzewano w zakresie od 0 do 500°C z szybkością 1°C na minutę.
Aby rozpocząć proces, próbkę NADES należy dokładnie wymieszać, zhomogenizować i usunąć z niej wilgoć powierzchniową. Przygotowaną próbkę umieszcza się następnie w kuwecie TGA, która zazwyczaj jest wykonana z obojętnego materiału, takiego jak aluminium. Aby zapewnić dokładne wyniki, przyrządy TGA są kalibrowane przy użyciu materiałów odniesienia, zazwyczaj wzorców wagowych. Po kalibracji rozpoczyna się eksperyment TGA, a próbka jest podgrzewana w kontrolowany sposób, zazwyczaj ze stałą szybkością. Ciągłe monitorowanie zależności między masą próbki a temperaturą jest kluczowym elementem eksperymentu. Przyrządy TGA zbierają dane dotyczące temperatury, masy i innych parametrów, takich jak przepływ gazu lub temperatura próbki. Po zakończeniu eksperymentu TGA zebrane dane są analizowane w celu określenia zmiany masy próbki w funkcji temperatury. Informacje te są cenne przy określaniu zakresów temperatur związanych ze zmianami fizycznymi i chemicznymi w próbce, w tym procesami takimi jak topnienie, parowanie, utlenianie lub rozkład.
Płyn wiertniczy na bazie wody został starannie opracowany zgodnie z normą API 13B-1, a jego szczegółowy skład podano w Tabeli 2 w celach informacyjnych. Kwas cytrynowy i glicerol (99 USP) zakupiono od firmy Sigma Aldrich w Malezji w celu przygotowania naturalnego rozpuszczalnika eutektycznego (NADES). Ponadto, konwencjonalny inhibitor łupkowy, chlorek potasu (KCl), również zakupiono od firmy Sigma Aldrich w Malezji. Chlorek 1-etylo, 3-metyloimidazoliowy ([EMIM]Cl) o czystości powyżej 98% wybrano ze względu na jego znaczący wpływ na poprawę reologii płynu wiertniczego i hamowanie łupków, co potwierdzono w poprzednich badaniach. Zarówno KCl, jak i ([EMIM]Cl) zostaną wykorzystane w analizie porównawczej w celu oceny skuteczności NADES w hamowaniu łupków.
Wielu badaczy preferuje wykorzystanie płatków bentonitu do badania pęcznienia łupków, ponieważ bentonit zawiera tę samą grupę „montmorylonitową”, która powoduje pęcznienie łupków. Uzyskanie rzeczywistych próbek rdzeni łupkowych jest trudne, ponieważ proces rdzeniowania destabilizuje łupki, co skutkuje uzyskaniem próbek, które nie są w całości łupkowe, lecz zazwyczaj zawierają mieszaninę warstw piaskowca i wapienia. Ponadto próbki łupków zazwyczaj nie zawierają grup montmorylonitowych, które powodują pęcznienie łupków, i dlatego nie nadają się do eksperymentów z hamowaniem pęcznienia.
W niniejszym badaniu wykorzystaliśmy odtworzone cząstki bentonitu o średnicy około 2,54 cm. Granulki uzyskano poprzez sprasowanie 11,5 grama proszku bentonitu sodowego w prasie hydraulicznej pod ciśnieniem 1600 psi. Grubość granulek została dokładnie zmierzona przed umieszczeniem ich w dylatometrze liniowym (LD). Następnie cząstki zanurzono w próbkach płynu wiertniczego, w tym w próbkach bazowych oraz w próbkach z wstrzykniętymi inhibitorami zapobiegającymi pęcznieniu łupków. Zmianę grubości granulek starannie monitorowano za pomocą dylatometru liniowego (LD), rejestrując pomiary w odstępach 60-sekundowych przez 24 godziny.
Dyfrakcja rentgenowska wykazała, że ​​skład bentonitu, a zwłaszcza jego 47% montmorylonitu, jest kluczowym czynnikiem dla zrozumienia jego właściwości geologicznych. Spośród montmorylonitowych składników bentonitu, montmorylonit jest głównym składnikiem, stanowiąc 88,6% całości. Kwarc stanowi 29%, illit 7%, a węglan 9%. Niewielka część (około 3,2%) to mieszanina illitu i montmorylonitu. Ponadto zawiera on pierwiastki śladowe, takie jak Fe2O3 (4,7%), glinokrzemian srebra (1,2%), muskowit (4%) i fosforan (2,3%). Ponadto obecne są niewielkie ilości Na2O (1,83%) i krzemianu żelaza (2,17%), co pozwala w pełni ocenić składniki bentonitu i ich proporcje.
Ta kompleksowa sekcja badawcza szczegółowo opisuje właściwości reologiczne i filtracyjne próbek płynu wiertniczego przygotowanych z użyciem naturalnego głęboko eutektycznego rozpuszczalnika (NADES) i stosowanych jako dodatek do płynu wiertniczego w różnych stężeniach (1%, 3% i 5%). Próbki zawiesiny na bazie NADES porównano i przeanalizowano z próbkami zawiesiny zawierającymi chlorek potasu (KCl), CC:mocznik DES (chlorek choliny głęboko eutektyczny rozpuszczalnik:mocznik) i ciecze jonowe. W badaniu uwzględniono szereg kluczowych parametrów, w tym odczyty lepkości uzyskane za pomocą wiskozymetru FANN przed i po wystawieniu na warunki starzenia w temperaturze 100°C i 150°C. Pomiary przeprowadzono przy różnych prędkościach obrotowych (3 obr./min, 6 obr./min, 300 obr./min i 600 obr./min), co umożliwiło kompleksową analizę zachowania się płynu wiertniczego. Uzyskane dane można następnie wykorzystać do określenia kluczowych właściwości, takich jak granica płynięcia (YP) i lepkość plastyczna (PV), które dają wgląd w wydajność płynu w różnych warunkach. Testy filtracji pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze (HPHT) przy ciśnieniu 400 psi i temperaturze 150°C (typowe temperatury w studniach wysokotemperaturowych) określają wydajność filtracji (grubość placka i objętość filtratu).
W tej sekcji wykorzystywany jest najnowocześniejszy sprzęt, liniowy dylatometr Grace HPHT (M4600), do dokładnej oceny właściwości hamujących pęcznienie łupków za pomocą naszych wodnych płynów wiertniczych. LSM to najnowocześniejsze urządzenie składające się z dwóch komponentów: zagęszczarki płytowej i liniowego dylatometru (model M4600). Płyty bentonitowe przygotowano do analizy za pomocą zagęszczarki Grace Core/Plate. LSM dostarcza następnie natychmiastowe dane dotyczące pęcznienia na tych płytach, umożliwiając kompleksową ocenę właściwości hamujących pęcznienie łupków. Testy rozszerzalności łupków przeprowadzono w warunkach otoczenia, tj. w temperaturze 25°C i ciśnieniu 1 psia.
Badanie stabilności łupków obejmuje kluczowy test, często nazywany testem odzysku łupków, testem zanurzeniowym łupków lub testem dyspersji łupków. Aby rozpocząć tę ocenę, zwierciny łupkowe są rozdzielane na sicie BSS nr 6, a następnie umieszczane na sicie nr 10. Zwierciny są następnie wprowadzane do zbiornika retencyjnego, gdzie są mieszane z płynem bazowym i płuczką wiertniczą zawierającą NADES (naturalny rozpuszczalnik głęboko eutektyczny). Kolejnym krokiem jest umieszczenie mieszanki w piecu w celu intensywnego walcowania na gorąco, co zapewnia dokładne wymieszanie zwiercin i płuczki wiertniczej. Po 16 godzinach zwierciny są oddzielane od pulpy, umożliwiając rozkład łupków, co skutkuje zmniejszeniem ich masy. Test odzysku łupków przeprowadzono po umieszczeniu zwiercin łupkowych w płuczce wiertniczej w temperaturze 150°C i ciśnieniu 1000 psi. cal przez 24 godziny.
Aby zmierzyć odzysk mułu łupkowego, przefiltrowaliśmy go przez drobniejsze sito (40 mesh), następnie dokładnie przemyliśmy wodą i na koniec wysuszyliśmy w piecu. Ta żmudna procedura pozwala nam oszacować odzyskany muł w porównaniu do pierwotnej masy, ostatecznie obliczając procentowy udział mułu łupkowego, który został pomyślnie odzyskany. Źródło próbek łupków pochodzi z dystryktu Niah, dystryktu Miri, Sarawak, Malezja. Przed testami dyspersji i odzysku próbki łupków poddano dokładnej analizie dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) w celu określenia składu iłu i potwierdzenia ich przydatności do badań. Skład mineralny iłu próbki przedstawia się następująco: illit 18%, kaolinit 31%, chloryt 22%, wermikulit 10% i mika 19%.
Napięcie powierzchniowe jest kluczowym czynnikiem kontrolującym przenikanie kationów wody do mikroporów łupków poprzez działanie kapilarne, co zostanie szczegółowo omówione w tej sekcji. W niniejszym artykule analizuje się rolę napięcia powierzchniowego w kohezji płynów wiertniczych, podkreślając jego istotny wpływ na proces wiercenia, a zwłaszcza na inhibicję łupków. Do dokładnego pomiaru napięcia powierzchniowego próbek płynu wiertniczego wykorzystano tensjometr międzyfazowy (IFT700), co pozwoliło na uwidocznienie istotnego aspektu zachowania się płynu w kontekście inhibicji łupków.
W tej sekcji szczegółowo omówiono odstęp między warstwami d, czyli odległość międzywarstwową między warstwami glinokrzemianowymi a jedną warstwą glinokrzemianową w glinach. Analiza objęła próbki mokrego mułu zawierające 1%, 3% i 5% CA NADES, a także 3% KCl, 3% [EMIM]Cl i 3% DES na bazie CC:mocznika, dla porównania. Najnowocześniejszy laboratoryjny dyfraktometr rentgenowski (D2 Phaser) pracujący przy 40 mA i 45 kV z promieniowaniem Cu-Kα (λ = 1,54059 Å) odegrał kluczową rolę w rejestracji pików dyfrakcji rentgenowskiej zarówno mokrych, jak i suchych próbek Na-Bt. Zastosowanie równania Bragga umożliwia dokładne określenie odstępu między warstwami d, dostarczając tym samym cennych informacji na temat zachowania gliny.
W tej sekcji wykorzystano zaawansowany instrument Malvern Zetasizer Nano ZSP do dokładnego pomiaru potencjału zeta. Ta ocena dostarczyła cennych informacji na temat charakterystyki ładunku rozcieńczonych próbek szlamu zawierających 1%, 3% i 5% CA NADES, a także 3% KCl, 3% [EMIM]Cl i 3% DES na bazie CC:mocznika, do analizy porównawczej. Wyniki te przyczyniają się do naszej wiedzy na temat stabilności związków koloidalnych i ich interakcji w płynach.
Próbki gliny zbadano przed i po ekspozycji na naturalny rozpuszczalnik głęboko eutektyczny (NADES) za pomocą mikroskopu elektronowego z emisją polową (FESEM) Zeiss Supra 55 VP, wyposażonego w wiązkę promieni rentgenowskich z dyspersją energii (EDX). Rozdzielczość obrazowania wynosiła 500 nm, a energia wiązki elektronów wynosiła 30 kV i 50 kV. FESEM zapewnia wizualizację morfologii powierzchni i cech strukturalnych próbek gliny w wysokiej rozdzielczości. Celem niniejszego badania było uzyskanie informacji na temat wpływu NADES na próbki gliny poprzez porównanie obrazów uzyskanych przed i po ekspozycji.
W niniejszym badaniu wykorzystano technologię skaningowej mikroskopii elektronowej z emisją polową (FESEM) do zbadania wpływu NADES na próbki gliny na poziomie mikroskopowym. Celem badania jest wyjaśnienie potencjalnych zastosowań NADES oraz jego wpływu na morfologię gliny i średni rozmiar cząstek, co dostarczy cennych informacji dla badań w tej dziedzinie.
W niniejszym badaniu słupki błędów wykorzystano do wizualnego opisu zmienności i niepewności średniego błędu procentowego (AMPE) w różnych warunkach eksperymentalnych. Zamiast wykreślać poszczególne wartości AMPE (ponieważ wykreślanie wartości AMPE może zaciemniać trendy i wyolbrzymiać niewielkie odchylenia), obliczamy słupki błędów, stosując regułę 5%. Takie podejście gwarantuje, że każdy słupek błędu reprezentuje przedział, w którym spodziewane jest 95% przedział ufności i 100% wartości AMPE, zapewniając tym samym jaśniejsze i bardziej zwięzłe podsumowanie rozkładu danych dla każdego warunku eksperymentalnego. Użycie słupków błędów w oparciu o regułę 5% poprawia zatem interpretowalność i wiarygodność reprezentacji graficznych oraz pomaga w głębszym zrozumieniu wyników i ich implikacji.
W syntezie naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych (NADES), w procesie przygotowania wewnątrz firmy, dokładnie zbadano kilka kluczowych parametrów. Do tych krytycznych czynników należą temperatura, stosunek molowy i prędkość mieszania. Nasze eksperymenty pokazują, że po zmieszaniu HBA (kwasu cytrynowego) i HBD (gliceryny) w stosunku molowym 1:4 w temperaturze 50°C powstaje mieszanina eutektyczna. Cechą charakterystyczną mieszaniny eutektycznej jest jej przezroczysty, jednorodny wygląd i brak osadu. Zatem ten kluczowy etap podkreśla znaczenie stosunku molowego, temperatury i prędkości mieszania, spośród których stosunek molowy miał największy wpływ na przygotowanie DES i NADES, jak pokazano na rysunku 2.
Współczynnik refrakcji (n) wyraża stosunek prędkości światła w próżni do prędkości światła w drugim, gęstszym ośrodku. Współczynnik refrakcji jest szczególnie interesujący w przypadku naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych (NADES) w kontekście zastosowań optycznie wrażliwych, takich jak czujniki biologiczne. Współczynnik refrakcji badanych NADES w temperaturze 25°C wynosił 1,452, co jest wartością, co ciekawe, niższą niż w przypadku glicerolu.
Warto zauważyć, że współczynnik załamania światła NADES maleje wraz z temperaturą, a trend ten można dokładnie opisać wzorem (1) i rysunkiem 3, gdzie bezwzględny średni błąd procentowy (AMPE) osiąga 0%. To zależne od temperatury zachowanie jest wyjaśnione spadkiem lepkości i gęstości w wysokich temperaturach, co powoduje, że światło przemieszcza się przez medium z większą prędkością, a tym samym obniża wartość współczynnika załamania światła (n). Wyniki te dostarczają cennych informacji na temat strategicznego wykorzystania NADES w czujnikach optycznych, podkreślając ich potencjał w zastosowaniach biosensorycznych.
Napięcie powierzchniowe, odzwierciedlające tendencję powierzchni cieczy do minimalizacji jej powierzchni, ma ogromne znaczenie w ocenie przydatności naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych (NADES) do zastosowań opartych na ciśnieniu kapilarnym. Badanie napięcia powierzchniowego w zakresie temperatur 25–60°C dostarcza cennych informacji. W temperaturze 25°C napięcie powierzchniowe NADES na bazie kwasu cytrynowego wynosiło 55,42 mN/m, co jest wartością znacznie niższą niż w przypadku wody i glicerolu. Rysunek 4 pokazuje, że napięcie powierzchniowe znacząco spada wraz ze wzrostem temperatury. Zjawisko to można wyjaśnić wzrostem energii kinetycznej cząsteczek i wynikającym z tego spadkiem sił przyciągania międzycząsteczkowego.
Liniowy trend malejącego napięcia powierzchniowego obserwowany w badanym NADES można dobrze wyrazić równaniem (2), które ilustruje podstawową zależność matematyczną w zakresie temperatur 25–60°C. Wykres na rysunku 4 wyraźnie przedstawia trend napięcia powierzchniowego w funkcji temperatury, z bezwzględnym średnim błędem procentowym (AMPE) wynoszącym 1,4%, co pozwala określić dokładność mierzonych wartości napięcia powierzchniowego. Wyniki te mają istotne implikacje dla zrozumienia zachowania NADES i jego potencjalnych zastosowań.
Zrozumienie dynamiki gęstości naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych (NADES) jest kluczowe dla ułatwienia ich zastosowania w licznych badaniach naukowych. Gęstość NADES na bazie kwasu cytrynowego w temperaturze 25°C wynosi 1,361 g/cm³ i jest wyższa niż gęstość macierzystego glicerolu. Różnicę tę można wyjaśnić dodatkiem akceptora wiązania wodorowego (kwasu cytrynowego) do glicerolu.
Biorąc za przykład NADES na bazie cytrynianu, jego gęstość spada do 1,19 g/cm³ w temperaturze 60°C. Wzrost energii kinetycznej podczas ogrzewania powoduje rozproszenie cząsteczek NADES, co powoduje, że zajmują one większą objętość, a w rezultacie spadek gęstości. Zaobserwowany spadek gęstości wykazuje pewną liniową korelację ze wzrostem temperatury, co można poprawnie wyrazić wzorem (3). Rysunek 5 przedstawia graficznie te charakterystyki zmiany gęstości NADES z bezwzględnym średnim błędem procentowym (AMPE) wynoszącym 1,12%, co stanowi ilościową miarę dokładności raportowanych wartości gęstości.
Lepkość to siła przyciągania między różnymi warstwami cieczy w ruchu i odgrywa kluczową rolę w zrozumieniu możliwości zastosowania naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych (NADES) w różnych zastosowaniach. W temperaturze 25°C lepkość NADES wynosiła 951 cP, czyli więcej niż glicerolu.
Obserwowany spadek lepkości wraz ze wzrostem temperatury można wytłumaczyć głównie osłabieniem międzycząsteczkowych sił przyciągania. Zjawisko to powoduje spadek lepkości cieczy, co wyraźnie widać na rysunku 6 i jest opisane równaniem (4). Warto zauważyć, że w temperaturze 60°C lepkość spada do 898 cP przy ogólnym średnim błędzie procentowym (AMPE) wynoszącym 1,4%. Szczegółowe zrozumienie zależności lepkości od temperatury w metodzie NADES ma ogromne znaczenie dla jej praktycznego zastosowania.
pH roztworu, określone na podstawie ujemnego logarytmu stężenia jonów wodorowych, ma kluczowe znaczenie, zwłaszcza w zastosowaniach wrażliwych na pH, takich jak synteza DNA. Dlatego przed użyciem należy dokładnie zbadać pH NADES. Biorąc za przykład NADES na bazie kwasu cytrynowego, można zaobserwować wyraźnie kwaśne pH wynoszące 1,91, co stanowi ostry kontrast w porównaniu ze stosunkowo neutralnym pH glicerolu.
Co ciekawe, pH naturalnego rozpuszczalnika rozpuszczalnego dehydrogenazy kwasu cytrynowego (NADES) wykazywało nieliniową tendencję spadkową wraz ze wzrostem temperatury. Zjawisko to przypisuje się zwiększonym drganiom molekularnym, które zaburzają równowagę jonów H+ w roztworze, prowadząc do powstawania jonów [H]+, a tym samym do zmiany wartości pH. Podczas gdy naturalne pH kwasu cytrynowego waha się od 3 do 5, obecność kwaśnego wodoru w glicerolu dodatkowo obniża pH do 1,91.
Zachowanie pH NADES na bazie cytrynianu w zakresie temperatur 25–60°C można trafnie przedstawić za pomocą równania (5), które stanowi matematyczne wyrażenie obserwowanego trendu pH. Rysunek 7 graficznie przedstawia tę interesującą zależność, podkreślając wpływ temperatury na pH NADES, które w przypadku AMPE wynosi 1,4%.
Analizę termograwimetryczną (TGA) naturalnego kwasu cytrynowego jako głęboko eutektycznego rozpuszczalnika (NADES) przeprowadzono systematycznie w zakresie temperatur od temperatury pokojowej do 500°C. Jak widać na rysunkach 8a i b, początkowa utrata masy do 100°C była spowodowana głównie zaabsorbowaną wodą i wodą hydratacyjną związaną z kwasem cytrynowym i czystym glicerolem. Do 180°C zaobserwowano znaczną retencję masy, wynoszącą około 88%, co było spowodowane głównie rozkładem kwasu cytrynowego do kwasu akonitowego i późniejszym utworzeniem bezwodnika metylomaleinowego(III) po dalszym ogrzewaniu (rysunek 8b). Powyżej 180°C można było również zaobserwować wyraźne pojawienie się akroleiny (aldehydu akrylowego) w glicerolu, jak pokazano na rysunku 8b37.
Analiza termograwimetryczna (TGA) glicerolu wykazała dwuetapowy proces utraty masy. Początkowy etap (180–220°C) obejmuje tworzenie akroleiny, po którym następuje znaczna utrata masy w wysokich temperaturach od 230 do 300°C (rysunek 8a). Wraz ze wzrostem temperatury, aldehyd octowy, dwutlenek węgla, metan i wodór tworzą się sekwencyjnie. Co ciekawe, w temperaturze 300°C zachowano jedynie 28% masy, co sugeruje, że naturalne właściwości NADES 8(a)38,39 mogą być wadliwe.
Aby uzyskać informacje na temat tworzenia nowych wiązań chemicznych, świeżo przygotowane zawiesiny naturalnych rozpuszczalników głęboko eutektycznych (NADES) przeanalizowano metodą spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR). Analizę przeprowadzono poprzez porównanie widma zawiesiny NADES z widmami czystego kwasu cytrynowego (CA) i glicerolu (Gly). Widmo CA wykazało wyraźne piki przy 1752 μl/cm i 1673 μl/cm, które reprezentują drgania rozciągające wiązania C=O i są również charakterystyczne dla CA. Ponadto, w obszarze odcisku palca zaobserwowano znaczące przesunięcie w drganiach zginających OH przy 1360 μl/cm, jak pokazano na rysunku 9.
Podobnie, w przypadku glicerolu, przesunięcia drgań rozciągających i zginających grupy OH zaobserwowano przy liczbach falowych odpowiednio 3291 1/cm i 1414 1/cm. Analizując widmo przygotowanych NADES, stwierdzono istotne przesunięcie widma. Jak pokazano na rysunku 7, drgania rozciągające wiązania C=O przesunęły się z 1752 1/cm do 1720 1/cm, a drgania zginające wiązania -OH glicerolu z 1414 1/cm do 1359 1/cm. Te przesunięcia liczb falowych wskazują na zmianę elektroujemności, co wskazuje na powstawanie nowych wiązań chemicznych w strukturze NADES.