Hvala vam što ste posjetili nature.com. Verzija preglednika koju koristite ima ograničenu podršku za CSS. Za najbolje iskustvo preporučujemo korištenje najnovije verzije preglednika (ili isključivanje načina kompatibilnosti u Internet Exploreru). Osim toga, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, ova stranica neće uključivati ​​stilove ili JavaScript.
Širenje škriljaca u klastičnim rezervoarima stvara značajne probleme, što dovodi do nestabilnosti bušotine. Iz ekoloških razloga, upotreba tekućine za bušenje na bazi vode s dodanim inhibitorima škriljaca je poželjnija u odnosu na tekućinu za bušenje na bazi nafte. Ionske tekućine (IL) privukle su veliku pažnju kao inhibitori škriljaca zbog svojih prilagodljivih svojstava i jakih elektrostatičkih karakteristika. Međutim, ionske tekućine (IL) na bazi imidazolila, koje se široko koriste u tekućinama za bušenje, pokazale su se toksičnima, nerazgradivima i skupima. Duboki eutektički rastvarači (DES) smatraju se isplativijom i manje toksičnom alternativom ionskim tekućinama, ali i dalje ne zadovoljavaju potrebnu ekološku održivost. Nedavni napredak u ovoj oblasti doveo je do uvođenja prirodnih dubokih eutektičkih rastvarača (NADES), poznatih po svojoj istinskoj ekološkoj prihvatljivosti. Ova studija istraživala je NADES-ove, koji sadrže limunsku kiselinu (kao akceptor vodikove veze) i glicerol (kao donor vodikove veze) kao aditive tekućini za bušenje. Bušaće tekućine na bazi NADES-a razvijene su u skladu sa API 13B-1, a njihove performanse su upoređene sa bušaćim tekućinama na bazi kalijevog hlorida, ionskim tekućinama na bazi imidazolija i bušaćim tekućinama na bazi holin hlorida:uree-DES-a. Fizičko-hemijska svojstva vlasničkih NADES-a detaljno su opisana. Reološka svojstva, gubitak tekućine i svojstva inhibicije škriljaca bušaće tekućine procijenjeni su tokom studije, a pokazano je da je pri koncentraciji od 3% NADES-a povećan omjer napona tečenja/plastične viskoznosti (YP/PV), debljina isplačne pogače smanjena je za 26%, a volumen filtrata smanjen za 30,1%. Značajno je da je NADES postigao impresivnu stopu inhibicije ekspanzije od 49,14% i povećao proizvodnju škriljaca za 86,36%. Ovi rezultati se pripisuju sposobnosti NADES-a da modificira površinsku aktivnost, zeta potencijal i međuslojni razmak glina, što se razmatra u ovom radu kako bi se razumjeli osnovni mehanizmi. Očekuje se da će ova održiva tekućina za bušenje revolucionirati industriju bušenja pružajući netoksičnu, isplativu i vrlo učinkovitu alternativu tradicionalnim inhibitorima korozije škriljaca, otvarajući put ekološki prihvatljivim praksama bušenja.
Škriljac je svestrana stijena koja služi i kao izvor i kao rezervoar ugljikovodika, a njegova porozna struktura1 pruža potencijal i za proizvodnju i za skladištenje ovih vrijednih resursa. Međutim, škriljac je bogat mineralima gline poput montmorilonita, smektita, kaolinita i ilita, što ga čini sklonim bubrenju kada je izložen vodi, što dovodi do nestabilnosti bušotine tokom operacija bušenja2,3. Ovi problemi mogu dovesti do neproduktivnog vremena (NPT) i niza operativnih problema, uključujući zaglavljene cijevi, gubitak cirkulacije isplake, urušavanje bušotine i onečišćenje svrdla, povećavajući vrijeme oporavka i troškove. Tradicionalno, bušaće tekućine na bazi nafte (OBDF) bile su preferirani izbor za formacije škriljaca zbog svoje sposobnosti da se odupru širenju škriljaca4. Međutim, upotreba bušaćih tekućina na bazi nafte podrazumijeva veće troškove i rizike za okoliš. Bušaće tekućine na bazi sintetike (SBDF) razmatrane su kao alternativa, ali njihova pogodnost na visokim temperaturama nije zadovoljavajuća. Bušaće tekućine na bazi vode (WBDF) su atraktivno rješenje jer su sigurnije, ekološki prihvatljivije i isplativije od OBDF5. Različiti inhibitori škriljaca korišteni su za poboljšanje sposobnosti inhibicije škriljaca WBDF-a, uključujući tradicionalne inhibitore poput kalijum hlorida, kreča, silikata i polimera. Međutim, ovi inhibitori imaju ograničenja u pogledu efikasnosti i utjecaja na okoliš, posebno zbog visoke koncentracije K+ u inhibitorima kalijum hlorida i pH osjetljivosti silikata. 6 Istraživači su istraživali mogućnost korištenja jonskih tekućina kao aditiva za bušaće tekućine kako bi poboljšali reologiju bušaće tekućine i spriječili bubrenje škriljaca i stvaranje hidrata. Međutim, ove jonske tekućine, posebno one koje sadrže imidazolil katione, uglavnom su toksične, skupe, nisu biorazgradive i zahtijevaju složene procese pripreme. Da bi se riješili ovi problemi, ljudi su počeli tražiti ekonomičniju i ekološki prihvatljiviju alternativu, što je dovelo do pojave duboko eutektičkih rastvarača (DES). DES je eutektička smjesa koju formiraju donor vodikove veze (HBD) i akceptor vodikove veze (HBA) pri određenom molarnom omjeru i temperaturi. Ove eutektičke smjese imaju niže tačke topljenja od njihovih pojedinačnih komponenti, prvenstveno zbog delokalizacije naboja uzrokovane vodikovim vezama. Mnogi faktori, uključujući energiju rešetke, promjenu entropije i interakcije između aniona i HBD-a, igraju ključnu ulogu u snižavanju tačke topljenja DES-a.
U prethodnim studijama, razni aditivi su dodavani u tekućinu za bušenje na bazi vode kako bi se riješio problem širenja škriljaca. Na primjer, Ofei i saradnici su dodali 1-butil-3-metilimidazolijum hlorid (BMIM-Cl), što je značajno smanjilo debljinu isplake (do 50%) i smanjilo vrijednost YP/PV za 11 na različitim temperaturama. Huang i saradnici su koristili jonske tekućine (konkretno, 1-heksil-3-metilimidazolijum bromid i 1,2-bis(3-heksilimidazolijum-1-il)etan bromid) u kombinaciji sa Na-Bt česticama i značajno smanjili bubrenje škriljaca za 86,43% odnosno 94,17%12. Pored toga, Yang i saradnici su koristili 1-vinil-3-dodecilimidazolijum bromid i 1-vinil-3-tetradecilimidazolijum bromid kako bi smanjili bubrenje škriljaca za 16,91% odnosno 5,81%. 13 Yang i saradnici također su koristili 1-vinil-3-etilimidazolij bromid i smanjili širenje škriljevca za 31,62%, uz održavanje iskorištenja škriljevca na 40,60%. 14 Osim toga, Luo i saradnici su koristili 1-oktil-3-metilimidazolij tetrafluoroborat kako bi smanjili bubrenje škriljevca za 80%. 15, 16 Dai i saradnici su koristili ionske tekuće kopolimere za inhibiciju škriljevca i postigli povećanje linearnog iskorištenja od 18% u poređenju s aminskim inhibitorima. 17
Same jonske tekućine imaju neke nedostatke, što je potaknulo naučnike da traže ekološki prihvatljivije alternative jonskim tekućinama, te je tako nastao DES. Hanjia je prvi koristio duboko eutektičke rastvarače (DES) koji se sastoje od vinilklorida propionske kiseline (1:1), vinilklorida 3-fenilpropionske kiseline (1:2) i 3-merkaptopropionske kiseline + itakonske kiseline + vinilklorida (1:1:2), što je inhibiralo bubrenje bentonita za 68%, 58% i 58%, respektivno18. U slobodnom eksperimentu, MH Rasul je koristio omjer glicerola i kalijevog karbonata (DES) 2:1 i značajno smanjio bubrenje uzoraka škriljaca za 87%19,20. Ma je ​​koristio ureu:vinilklorid kako bi značajno smanjio širenje škriljaca za 67%.21 Rasul i dr. Kombinacija DES-a i polimera korištena je kao inhibitor škriljaca dvostrukog djelovanja, što je postiglo odličan učinak inhibicije škriljaca22.
Iako se duboko eutektička rastvarača (DES) općenito smatraju zelenijom alternativom ionskim tekućinama, ona također sadrže potencijalno toksične komponente poput amonijevih soli, što dovodi u pitanje njihovu ekološku prihvatljivost. Ovaj problem doveo je do razvoja prirodnih duboko eutektičkih rastvarača (NADES). Oni se i dalje klasificiraju kao DES, ali se sastoje od prirodnih tvari i soli, uključujući kalijev klorid (KCl), kalcijev klorid (CaCl2), Epsom soli (MgSO4.7H2O) i druge. Brojne potencijalne kombinacije DES-a i NADES-a otvaraju širok prostor za istraživanje u ovom području i očekuje se da će pronaći primjenu u raznim poljima. Nekoliko istraživača uspješno je razvilo nove DES kombinacije koje su se pokazale učinkovitima u raznim primjenama. Na primjer, Naser i suradnici 2013. sintetizirali su DES na bazi kalijevog karbonata i proučavali njegova termofizička svojstva, koja su potom pronašla primjenu u područjima inhibicije hidrata, aditiva za bušaće tekućine, delignifikacije i nanofibrilacije.23 Jordy Kim i saradnici razvili su NADES na bazi askorbinske kiseline i procijenili njegova antioksidativna svojstva u raznim primjenama.24 Christer i suradnici razvili su NADES na bazi limunske kiseline i identificirali njegov potencijal kao pomoćne tvari za kolagene proizvode. 25 Liu Yi i saradnici sumirali su primjenu NADES-a kao medija za ekstrakciju i hromatografiju u sveobuhvatnom pregledu, dok su Misan i saradnici raspravljali o uspješnoj primjeni NADES-a u poljoprivredno-prehrambenom sektoru. Imperativ je da istraživači tekućina za bušenje počnu obraćati pažnju na učinkovitost NADES-a u svojim primjenama. nedavno. 2023. godine, Rasul i saradnici koristili su različite kombinacije prirodnih dubokih eutektičkih rastvarača na bazi askorbinske kiseline26, kalcijevog hlorida27, kalijevog hlorida28 i Epsom soli29 i postigli impresivnu inhibiciju škriljevca i oporavak škriljevca. Ova studija je jedna od prvih studija koja je predstavila NADES (posebno formulaciju na bazi limunske kiseline i glicerola) kao ekološki prihvatljiv i učinkovit inhibitor škriljevca u tekućinama za bušenje na bazi vode, koji se odlikuje odličnom stabilnošću u okolišu, poboljšanom sposobnošću inhibicije škriljevca i poboljšanim performansama fluida u usporedbi s tradicionalnim inhibitorima poput KCl, ionskih tekućina na bazi imidazolila i tradicionalnog DES-a.
Studija će uključivati ​​internu pripremu NADES-a na bazi limunske kiseline (CA), nakon čega slijedi detaljna fizičko-hemijska karakterizacija i njegova upotreba kao aditiva za bušaću tekućinu kako bi se procijenila svojstva bušaće tekućine i njena sposobnost inhibicije bubrenja. U ovoj studiji, CA će djelovati kao akceptor vodikovih veza, dok će glicerol (Gly) djelovati kao donor vodikovih veza odabran na osnovu MH kriterija skrininga za formiranje/selekciju NADES-a u studijama inhibicije škriljca30. Mjerenja Fourierove transformacijske infracrvene spektroskopije (FTIR), rendgenske difrakcije (XRD) i zeta potencijala (ZP) će razjasniti interakcije NADES-glina i mehanizam koji leži u osnovi inhibicije bubrenja gline. Pored toga, ova studija će uporediti bušaću tekućinu na bazi CA NADES-a sa DES32 na bazi 1-etil-3-metilimidazolijum hlorida [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl i holin hlorida:uree (1:2) kako bi se istražila njihova efikasnost u inhibiciji škriljca i poboljšanju performansi bušaće tekućine.
Limunska kiselina (monohidrat), glicerol (99 USP) i urea su kupljeni od EvaChem, Kuala Lumpur, Malezija. Holin hlorid (>98%), [EMIM]Cl 98% i kalijum hlorid su kupljeni od Sigma Aldrich, Malezija. Hemijske strukture svih hemikalija prikazane su na Slici 1. Zeleni dijagram upoređuje glavne hemikalije korištene u ovoj studiji: imidazolil jonska tečnost, holin hlorid (DES), limunska kiselina, glicerol, kalijum hlorid i NADES (limunska kiselina i glicerol). Tabela ekološke prihvatljivosti hemikalija korištenih u ovoj studiji prikazana je u Tabeli 1. U tabeli je svaka hemikalija ocijenjena na osnovu toksičnosti, biorazgradivosti, troškova i ekološke održivosti.
Hemijske strukture materijala korištenih u ovoj studiji: (a) limunska kiselina, (b) [EMIM]Cl, (c) holin hlorid i (d) glicerol.
Kandidati za donore i akceptore vodikovih veza (HBD) za razvoj NADES-a baziranih na CA (prirodnom dubokom eutektičkom rastvaraču) pažljivo su odabrani prema kriterijima selekcije MH 30, koji su namijenjeni razvoju NADES-a kao efikasnih inhibitora škriljaca. Prema ovom kriteriju, komponente s velikim brojem donora i akceptora vodikovih veza, kao i polarnih funkcionalnih grupa, smatraju se pogodnim za razvoj NADES-a.
Pored toga, jonska tečnost [EMIM]Cl i duboko eutektički rastvarač holin hlorid:urea (DES) odabrani su za poređenje u ovoj studiji jer se široko koriste kao aditivi za bušaće tekućine 33,34,35,36. Pored toga, kalijum hlorid (KCl) je upoređen jer je uobičajeni inhibitor.
Limunska kiselina i glicerol su pomiješani u različitim molarnim omjerima kako bi se dobile eutektičke smjese. Vizuelnim pregledom je utvrđeno da je eutektička smjesa homogena, prozirna tečnost bez zamućenja, što ukazuje na to da su donor vodikove veze (HBD) i akceptor vodikove veze (HBA) uspješno pomiješani u ovom eutektičkom sastavu. Preliminarni eksperimenti su provedeni kako bi se posmatralo ponašanje procesa miješanja HBD i HBA u zavisnosti od temperature. Prema dostupnoj literaturi, udio eutektičkih smjesa je procijenjen na tri specifične temperature iznad 50 °C, 70 °C i 100 °C, što ukazuje na to da je eutektička temperatura obično u rasponu od 50–80 °C. Mettler digitalna vaga je korištena za precizno vaganje komponenti HBD i HBA, a Thermo Fisher grijaća ploča je korištena za zagrijavanje i miješanje HBD i HBA pri 100 o/min pod kontrolisanim uslovima.
Termofizička svojstva našeg sintetiziranog duboko eutektičkog rastvarača (DES), uključujući gustoću, površinsku napetost, indeks prelamanja i viskoznost, precizno su izmjerena u temperaturnom rasponu od 289,15 do 333,15 K. Treba napomenuti da je ovaj temperaturni raspon odabran prvenstveno zbog ograničenja postojeće opreme. Sveobuhvatna analiza uključivala je detaljnu studiju različitih termofizičkih svojstava ove NADES formulacije, otkrivajući njihovo ponašanje u rasponu temperatura. Fokusiranje na ovaj specifični temperaturni raspon pruža uvid u svojstva NADES-a koja su od posebnog značaja za brojne primjene.
Površinska napetost pripremljenog NADES-a mjerena je u rasponu od 289,15 do 333,15 K pomoću mjerača međupovršinske napetosti (IFT700). Kapljice NADES-a formiraju se u komori napunjenoj velikom količinom tekućine pomoću kapilarne igle pod specifičnim uvjetima temperature i pritiska. Moderni sistemi za snimanje uvode odgovarajuće geometrijske parametre za izračunavanje međupovršinske napetosti pomoću Laplaceove jednadžbe.
Za određivanje indeksa prelamanja svježe pripremljenog NADES-a korišten je ATAGO refraktometar u temperaturnom rasponu od 289,15 do 333,15 K. Instrument koristi termalni modul za regulaciju temperature radi procjene stepena prelamanja svjetlosti, eliminirajući potrebu za vodenim kupatilom konstantne temperature. Površina prizme refraktometra treba biti očišćena, a rastvor uzorka ravnomjerno raspoređen po njoj. Kalibrirajte poznatim standardnim rastvorom, a zatim očitajte indeks prelamanja sa ekrana.
Viskoznost pripremljenog NADES-a mjerena je u temperaturnom rasponu od 289,15 do 333,15 K korištenjem Brookfield rotacijskog viskozimetra (kriogenog tipa) pri brzini smicanja od 30 o/min i veličini vretena 6. Viskozimetar mjeri viskoznost određivanjem obrtnog momenta potrebnog za rotaciju vretena konstantnom brzinom u tekućem uzorku. Nakon što se uzorak postavi na ekran ispod vretena i zategne, viskozimetar prikazuje viskoznost u centipoazima (cP), pružajući vrijedne informacije o reološkim svojstvima tekućine.
Za određivanje gustine svježe pripremljenog prirodnog dubokog eutektičkog rastvarača (NDEES) u temperaturnom rasponu od 289,15–333,15 K korišten je prenosivi mjerač gustine DMA 35 Basic. Budući da uređaj nema ugrađeni grijač, prije upotrebe NADES mjerača gustine mora se prethodno zagrijati na specificiranu temperaturu (± 2 °C). Provucite najmanje 2 ml uzorka kroz cijev, a gustina će se odmah prikazati na ekranu. Vrijedi napomenuti da zbog nedostatka ugrađenog grijača rezultati mjerenja imaju grešku od ± 2 °C.
Za procjenu pH vrijednosti svježe pripremljenog NADES-a u temperaturnom rasponu od 289,15–333,15 K, koristili smo Kenis stolni pH metar. Budući da nema ugrađenog uređaja za grijanje, NADES je prvo zagrijan na željenu temperaturu (±2 °C) pomoću grijaće ploče, a zatim direktno izmjeren pH metrom. Potpuno uronite sondu pH metra u NADES i zabilježite konačnu vrijednost nakon što se očitanje stabilizira.
Termogravimetrijska analiza (TGA) korištena je za procjenu termičke stabilnosti prirodnih dubokih eutektičkih rastvarača (NADES). Uzorci su analizirani tokom zagrijavanja. Korištenjem visokoprecizne vage i pažljivim praćenjem procesa zagrijavanja, generiran je grafik gubitka mase u odnosu na temperaturu. NADES je zagrijavan od 0 do 500 °C brzinom od 1 °C u minuti.
Da bi se započeo proces, NADES uzorak mora se temeljito izmiješati, homogenizirati i ukloniti površinska vlaga. Pripremljeni uzorak se zatim stavlja u TGA kivetu, koja je obično napravljena od inertnog materijala kao što je aluminij. Da bi se osigurali tačni rezultati, TGA instrumenti se kalibriraju korištenjem referentnih materijala, obično standarda težine. Nakon kalibracije, TGA eksperiment započinje i uzorak se zagrijava na kontroliran način, obično konstantnom brzinom. Kontinuirano praćenje odnosa između težine uzorka i temperature ključni je dio eksperimenta. TGA instrumenti prikupljaju podatke o temperaturi, težini i drugim parametrima kao što su protok plina ili temperatura uzorka. Nakon što je TGA eksperiment završen, prikupljeni podaci se analiziraju kako bi se odredila promjena težine uzorka kao funkcija temperature. Ove informacije su vrijedne u određivanju temperaturnih raspona povezanih s fizičkim i hemijskim promjenama u uzorku, uključujući procese kao što su topljenje, isparavanje, oksidacija ili razgradnja.
Bušaća tekućina na bazi vode pažljivo je formulirana u skladu sa standardom API 13B-1, a njen specifični sastav naveden je u Tabeli 2 radi reference. Limunska kiselina i glicerol (99 USP) kupljeni su od Sigma Aldrich, Malezija, za pripremu prirodnog dubokog eutektičkog rastvarača (NADES). Pored toga, konvencionalni inhibitor škriljaca, kalijum hlorid (KCl), također je kupljen od Sigma Aldrich, Malezija. 1-etil, 3-metilimidazolijum hlorid ([EMIM]Cl) čistoće veće od 98% odabran je zbog svog značajnog učinka na poboljšanje reologije bušaće tekućine i inhibicije škriljaca, što je potvrđeno u prethodnim studijama. I KCl i ([EMIM]Cl) će se koristiti u komparativnoj analizi za procjenu učinkovitosti inhibicije škriljaca NADES-a.
Mnogi istraživači preferiraju korištenje bentonitnih pahuljica za proučavanje bubrenja škriljevca jer bentonit sadrži istu "montmorilonitnu" grupu koja uzrokuje bubrenje škriljevca. Dobijanje pravih uzoraka jezgre škriljevca je izazovno jer proces vađenja jezgre destabilizuje škriljac, što rezultira uzorcima koji nisu u potpunosti od škriljevca, već obično sadrže mješavinu slojeva pješčenjaka i krečnjaka. Osim toga, uzorci škriljevca obično nemaju montmorilonitne grupe koje uzrokuju bubrenje škriljevca i stoga nisu pogodni za eksperimente inhibicije bubrenja.
U ovoj studiji koristili smo rekonstituirane čestice bentonita promjera približno 2,54 cm. Granule su napravljene presovanjem 11,5 grama praha natrijum bentonita u hidrauličnoj presi pod pritiskom od 1600 psi. Debljina granula je precizno izmjerena prije nego što su stavljene u linearni dilatometar (LD). Čestice su zatim uronjene u uzorke tekućine za bušenje, uključujući osnovne uzorke i uzorke u koje su ubrizgani inhibitori koji se koriste za sprječavanje bubrenja škriljaca. Promjena debljine granula je zatim pažljivo praćena pomoću LD-a, a mjerenja su zabilježena u intervalima od 60 sekundi tokom 24 sata.
Rendgenska difrakcija je pokazala da je sastav bentonita, posebno njegove 47% montmorilonitne komponente, ključni faktor u razumijevanju njegovih geoloških karakteristika. Među montmorilonitnim komponentama bentonita, montmorilonit je glavna komponenta, koja čini 88,6% ukupnih komponenti. U međuvremenu, kvarc čini 29%, ilit 7%, a karbonat 9%. Mali dio (oko 3,2%) je mješavina ilita i montmorilonita. Osim toga, sadrži elemente u tragovima kao što su Fe2O3 (4,7%), srebro-aluminosilikat (1,2%), muskovit (4%) i fosfat (2,3%). Osim toga, prisutne su male količine Na2O (1,83%) i željeznog silikata (2,17%), što omogućava potpunu procjenu sastavnih elemenata bentonita i njihovih odgovarajućih proporcija.
Ovaj sveobuhvatni odjeljak studije detaljno opisuje reološka i filtracijska svojstva uzoraka tekućine za bušenje pripremljenih korištenjem prirodnog dubokog eutektičkog rastvarača (NADES) i korištenih kao aditiv tekućini za bušenje u različitim koncentracijama (1%, 3% i 5%). Uzorci suspenzije na bazi NADES-a zatim su upoređeni i analizirani s uzorcima suspenzije koji se sastoje od kalijum hlorida (KCl), CC:urea DES (duboki eutektički rastvarač holin hlorid:urea) i jonskih tekućina. U ovoj studiji obuhvaćen je niz ključnih parametara, uključujući očitanja viskoznosti dobivena korištenjem FANN viskozimetra prije i nakon izlaganja uvjetima starenja na 100°C i 150°C. Mjerenja su izvršena pri različitim brzinama rotacije (3 o/min, 6 o/min, 300 o/min i 600 o/min) što omogućava sveobuhvatnu analizu ponašanja tekućine za bušenje. Dobijeni podaci se zatim mogu koristiti za određivanje ključnih svojstava kao što su granica tečenja (YP) i plastična viskoznost (PV), koja pružaju uvid u performanse tekućine pod različitim uvjetima. Testovi filtracije pod visokim pritiskom i visokom temperaturom (HPHT) pri 400 psi i 150°C (tipične temperature u bunarima visoke temperature) određuju performanse filtracije (debljina kolača i volumen filtrata).
Ovaj odjeljak koristi najsavremeniju opremu, Grace HPHT linearni dilatometar (M4600), za temeljitu procjenu svojstava inhibicije bubrenja škriljaca naših fluida za bušenje na bazi vode. LSM je najsavremenija mašina koja se sastoji od dvije komponente: ploče za zbijanje i linearnog dilatometra (model: M4600). Bentonitne ploče su pripremljene za analizu pomoću Grace Core/Plate Compactor-a. LSM zatim pruža trenutne podatke o bubrenju na ovim pločama, omogućavajući sveobuhvatnu procjenu svojstava inhibicije bubrenja škriljaca. Testovi širenja škriljaca provedeni su u ambijentalnim uslovima, tj. na 25°C i pritisku od 1 psia.
Testiranje stabilnosti škriljevca uključuje ključni test koji se često naziva testom iskorištavanja škriljevca, testom uranjanja škriljevca ili testom disperzije škriljevca. Da bi se započela ova evaluacija, reznice škriljevca se odvajaju na BSS situ #6, a zatim stavljaju na sito #10. Reznice se zatim dovode u rezervoar za zadržavanje gdje se miješaju s baznom tekućinom i isplakom za bušenje koja sadrži NADES (prirodni duboki eutektički rastvarač). Sljedeći korak je stavljanje smjese u peć radi intenzivnog procesa vrućeg valjanja, osiguravajući da se reznice i isplaka temeljito pomiješaju. Nakon 16 sati, reznice se uklanjaju iz pulpe tako što se škriljevcu dozvoljava da se razgradi, što rezultira smanjenjem težine reznica. Test iskorištavanja škriljevca proveden je nakon što su reznice škriljevca držane u isplaci za bušenje na 150°C i 1000 psi inča u roku od 24 sata.
Da bismo izmjerili iskorištenje škriljnog mulja, filtrirali smo ga kroz finije sito (40 mesh), zatim ga temeljito isprali vodom i na kraju osušili u pećnici. Ovaj mukotrpan postupak nam omogućava da procijenimo iskorišteni mulj u odnosu na originalnu težinu, te na kraju izračunamo postotak uspješno iskorištenog škriljnog mulja. Izvor uzoraka škriljca je iz okruga Niah, okrug Miri, Sarawak, Malezija. Prije testova disperzije i iskorištenja, uzorci škriljca su podvrgnuti temeljitoj rendgenskoj difrakcijskoj (XRD) analizi kako bi se kvantificirao njihov sastav gline i potvrdila njihova pogodnost za testiranje. Sastav glinenih minerala uzorka je sljedeći: ilit 18%, kaolinit 31%, hlorit 22%, vermikulit 10% i tinjac 19%.
Površinska napetost je ključni faktor koji kontrolira prodiranje kationa vode u mikropore škriljevca putem kapilarnog djelovanja, što će biti detaljno proučeno u ovom odjeljku. Ovaj rad ispituje ulogu površinske napetosti u kohezivnim svojstvima fluida za bušenje, ističući njen važan utjecaj na proces bušenja, posebno inhibiciju škriljca. Koristili smo međufazni tenziometar (IFT700) za precizno mjerenje površinske napetosti uzoraka fluida za bušenje, otkrivajući važan aspekt ponašanja fluida u kontekstu inhibicije škriljca.
Ovaj odjeljak detaljno razmatra razmak d-sloja, koji predstavlja međuslojnu udaljenost između slojeva aluminosilikata i jednog sloja aluminosilikata u glinama. Analiza je obuhvatila uzorke vlažnog blata koji sadrže 1%, 3% i 5% CA NADES-a, kao i 3% KCl, 3% [EMIM]Cl i 3% DES-a na bazi CC:uree radi poređenja. Najsavremeniji stolni rendgenski difraktometar (D2 Phaser) koji radi na 40 mA i 45 kV sa Cu-Kα zračenjem (λ = 1,54059 Å) odigrao je ključnu ulogu u snimanju vrhova rendgenske difrakcije i vlažnih i suhih uzoraka Na-Bt. Primjena Braggove jednačine omogućava precizno određivanje razmaka d-sloja, čime se pružaju vrijedne informacije o ponašanju gline.
U ovom odjeljku se koristi napredni instrument Malvern Zetasizer Nano ZSP za precizno mjerenje zeta potencijala. Ova evaluacija pružila je vrijedne informacije o karakteristikama naboja uzoraka razrijeđenog blata koji sadrže 1%, 3% i 5% CA NADES-a, kao i 3% KCl, 3% [EMIM]Cl i 3% CC:DES na bazi uree za komparativnu analizu. Ovi rezultati doprinose našem razumijevanju stabilnosti koloidnih spojeva i njihovih interakcija u tekućinama.
Uzorci gline su ispitani prije i nakon izlaganja prirodnom dubokom eutektičkom rastvaraču (NADES) korištenjem Zeiss Supra 55 VP skenirajućeg elektronskog mikroskopa (FESEM) opremljenog energetski disperzivnim X-zrakama (EDX). Rezolucija snimanja bila je 500 nm, a energija elektronskog snopa 30 kV i 50 kV. FESEM omogućava vizualizaciju visoke rezolucije površinske morfologije i strukturnih karakteristika uzoraka gline. Cilj ove studije bio je dobiti informacije o utjecaju NADES-a na uzorke gline poređenjem slika dobijenih prije i nakon izlaganja.
U ovoj studiji, korištena je tehnologija skenirajuće elektronske mikroskopije poljem emisije (FESEM) za istraživanje utjecaja NADES-a na uzorke gline na mikroskopskom nivou. Cilj ove studije je razjasniti potencijalne primjene NADES-a i njegov utjecaj na morfologiju gline i prosječnu veličinu čestica, što će pružiti vrijedne informacije za istraživanje u ovoj oblasti.
U ovoj studiji, intervali greške su korišteni za vizuelni opis varijabilnosti i nesigurnosti srednjeg procentualnog greške (AMPE) u različitim eksperimentalnim uslovima. Umjesto prikazivanja pojedinačnih AMPE vrijednosti (budući da prikaz AMPE vrijednosti može prikriti trendove i preuveličati male varijacije), izračunavamo intervale greške koristeći pravilo od 5%. Ovaj pristup osigurava da svaki interval greške predstavlja interval unutar kojeg se očekuje da će se nalaziti interval pouzdanosti od 95% i 100% AMPE vrijednosti, čime se pruža jasniji i koncizniji sažetak distribucije podataka za svaki eksperimentalni uslov. Korištenje intervala greške zasnovanih na pravilu od 5% poboljšava interpretabilnost i pouzdanost grafičkih prikaza i pomaže u detaljnijem razumijevanju rezultata i njihovih implikacija.
U sintezi prirodnih dubokih eutektičkih rastvarača (NADES), nekoliko ključnih parametara je pažljivo proučeno tokom internog procesa pripreme. Ovi kritični faktori uključuju temperaturu, molarni odnos i brzinu miješanja. Naši eksperimenti pokazuju da kada se HBA (limunska kiselina) i HBD (glicerol) pomiješaju u molarnom odnosu 1:4 na 50°C, formira se eutektička smjesa. Karakteristična karakteristika eutektičke smjese je njen proziran, homogen izgled i odsustvo taloga. Dakle, ovaj ključni korak ističe važnost molarnog odnosa, temperature i brzine miješanja, među kojima je molarni odnos bio najuticajniji faktor u pripremi DES-a i NADES-a, kao što je prikazano na Slici 2.
Indeks prelamanja (n) izražava odnos brzine svjetlosti u vakuumu i brzine svjetlosti u drugom, gušćem mediju. Indeks prelamanja je od posebnog interesa za prirodne duboke eutektičke rastvarače (NADES) kada se razmatraju optički osjetljive primjene kao što su biosenzori. Indeks prelamanja proučavanog NADES-a na 25 °C bio je 1,452, što je zanimljivo niže od indeksa prelamanja glicerola.
Vrijedi napomenuti da indeks prelamanja NADES-a opada s temperaturom, a ovaj trend se može precizno opisati formulom (1) i slikom 3, pri čemu apsolutna srednja procentualna greška (AMPE) dostiže 0%. Ovo ponašanje koje zavisi od temperature objašnjava se smanjenjem viskoznosti i gustine na visokim temperaturama, što uzrokuje da svjetlost putuje kroz medij većom brzinom, što rezultira nižom vrijednošću indeksa prelamanja (n). Ovi rezultati pružaju vrijedne uvide u stratešku upotrebu NADES-a u optičkom senzorstvu, ističući njihov potencijal za primjenu u biosenzorima.
Površinska napetost, koja odražava tendenciju površine tekućine da minimizira svoju površinu, od velikog je značaja u procjeni pogodnosti prirodnih dubokih eutektičkih rastvarača (NADES) za primjene zasnovane na kapilarnom pritisku. Studija površinske napetosti u temperaturnom rasponu od 25–60 °C pruža vrijedne informacije. Na 25 °C, površinska napetost NADES-a na bazi limunske kiseline iznosila je 55,42 mN/m, što je znatno niže od one kod vode i glicerola. Slika 4 pokazuje da površinska napetost značajno opada s porastom temperature. Ovaj fenomen se može objasniti povećanjem molekularne kinetičke energije i posljedičnim smanjenjem intermolekularnih privlačnih sila.
Linearni trend smanjenja površinske napetosti uočen u proučavanom NADES-u može se dobro izraziti jednačinom (2), koja ilustruje osnovni matematički odnos u temperaturnom rasponu od 25 do 60 °C. Grafikon na slici 4 jasno prikazuje trend površinske napetosti s temperaturom s apsolutnom srednjom procentualnom greškom (AMPE) od 1,4%, što kvantificira tačnost prijavljenih vrijednosti površinske napetosti. Ovi rezultati imaju važne implikacije za razumijevanje ponašanja NADES-a i njegovih potencijalnih primjena.
Razumijevanje dinamike gustoće prirodnih dubokih eutektičkih rastvarača (NADES) ključno je za olakšavanje njihove primjene u brojnim naučnim studijama. Gustoća NADES-a na bazi limunske kiseline na 25°C iznosi 1,361 g/cm3, što je više od gustoće osnovnog glicerola. Ova razlika se može objasniti dodavanjem akceptora vodikove veze (limunske kiseline) glicerolu.
Uzimajući NADES na bazi citrata kao primjer, njegova gustoća pada na 1,19 g/cm3 na 60°C. Povećanje kinetičke energije pri zagrijavanju uzrokuje disperziju molekula NADES-a, uzrokujući njihovo zauzimanje većeg volumena, što rezultira smanjenjem gustoće. Uočeno smanjenje gustoće pokazuje određenu linearnu korelaciju s porastom temperature, što se može pravilno izraziti formulom (3). Slika 5 grafički prikazuje ove karakteristike promjene gustoće NADES-a s apsolutnom srednjom procentualnom greškom (AMPE) od 1,12%, što pruža kvantitativnu mjeru tačnosti prijavljenih vrijednosti gustoće.
Viskoznost je privlačna sila između različitih slojeva tekućine u pokretu i igra ključnu ulogu u razumijevanju primjenjivosti prirodnih dubokih eutektičkih rastvarača (NADES) u različitim primjenama. Na 25 °C, viskoznost NADES-a bila je 951 cP, što je više od viskoznosti glicerola.
Uočeno smanjenje viskoznosti s porastom temperature uglavnom se objašnjava slabljenjem intermolekularnih privlačnih sila. Ovaj fenomen rezultira smanjenjem viskoznosti fluida, trend koji je jasno prikazan na Slici 6 i kvantificiran Jednačinom (4). Značajno je da na 60°C viskoznost pada na 898 cP s ukupnom srednjom procentualnom greškom (AMPE) od 1,4%. Detaljno razumijevanje zavisnosti viskoznosti od temperature u NADES-u je od velikog značaja za njegovu praktičnu primjenu.
pH rastvora, određen negativnim logaritmom koncentracije vodonikovih iona, je kritičan, posebno u pH-osjetljivim primjenama kao što je sinteza DNK, tako da se pH NADES-a mora pažljivo proučiti prije upotrebe. Uzimajući NADES na bazi limunske kiseline kao primjer, može se uočiti izrazito kiseli pH od 1,91, što je u oštrom kontrastu sa relativno neutralnim pH glicerola.
Zanimljivo je da je pH prirodnog rastvarača rastvorljivog u limunskoj kiselini dehidrogenazi (NADES) pokazao nelinearni trend smanjenja s porastom temperature. Ovaj fenomen se pripisuje povećanim molekularnim vibracijama koje remete ravnotežu H+ u rastvoru, što dovodi do stvaranja [H]+ iona i, zauzvrat, promjene pH vrijednosti. Dok se prirodni pH limunske kiseline kreće od 3 do 5, prisustvo kiselog vodonika u glicerolu dodatno snižava pH na 1,91.
Ponašanje pH vrijednosti NADES-a na bazi citrata u temperaturnom rasponu od 25–60 °C može se na odgovarajući način predstaviti jednačinom (5), koja pruža matematički izraz za uočeni trend pH vrijednosti. Slika 7 grafički prikazuje ovaj zanimljiv odnos, ističući utjecaj temperature na pH vrijednost NADES-a, koja je za AMPE navedena na 1,4%.
Termogravimetrijska analiza (TGA) prirodnog duboko eutektičkog rastvarača limunske kiseline (NADES) sistematski je provedena u temperaturnom rasponu od sobne temperature do 500 °C. Kao što se može vidjeti na slikama 8a i b, početni gubitak mase do 100 °C uglavnom je bio posljedica apsorbirane vode i hidratacijske vode povezane s limunskom kiselinom i čistim glicerolom. Značajno zadržavanje mase od oko 88% uočeno je do 180 °C, što je uglavnom bilo posljedica razgradnje limunske kiseline u akonitnu kiselinu i naknadnog stvaranja metilmaleinskog anhidrida(III) pri daljnjem zagrijavanju (slika 8b). Iznad 180 °C, mogla se uočiti i jasna pojava akroleina (akrilaldehida) u glicerolu, kao što je prikazano na slici 8b37.
Termogravimetrijska analiza (TGA) glicerola otkrila je dvostepeni proces gubitka mase. Početna faza (180 do 220 °C) uključuje formiranje akroleina, nakon čega slijedi značajan gubitak mase na visokim temperaturama od 230 do 300 °C (Slika 8a). Kako temperatura raste, acetaldehid, ugljikov dioksid, metan i vodik se formiraju sekvencijalno. Značajno je da je samo 28% mase zadržano na 300 °C, što ukazuje na to da intrinzična svojstva NADES 8(a)38,39 mogu biti defektna.
Da bi se dobile informacije o formiranju novih hemijskih veza, svježe pripremljene suspenzije prirodnih dubokih eutektičkih rastvarača (NADES) analizirane su Fourierovom transformacijskom infracrvenom spektroskopijom (FTIR). Analiza je provedena poređenjem spektra NADES suspenzije sa spektrima čiste limunske kiseline (CA) i glicerola (Gly). CA spektar je pokazao jasne vrhove na 1752 1/cm i 1673 1/cm, koji predstavljaju vibracije istezanja C=O veze i također su karakteristični za CA. Pored toga, značajan pomak u vibraciji savijanja OH na 1360 1/cm uočen je u području otiska prsta, kao što je prikazano na Slici 9.
Slično tome, u slučaju glicerola, pomaci vibracija istezanja i savijanja OH grupa pronađeni su na talasnim brojevima od 3291 1/cm i 1414 1/cm, respektivno. Sada, analizom spektra pripremljenog NADES-a, pronađen je značajan pomak u spektru. Kao što je prikazano na Slici 7, vibracija istezanja C=O veze pomjerila se sa 1752 1/cm na 1720 1/cm, a vibracija savijanja -OH veze glicerola pomjerila se sa 1414 1/cm na 1359 1/cm. Ovi pomaci u talasnim brojevima ukazuju na promjenu elektronegativnosti, što ukazuje na formiranje novih hemijskih veza u strukturi NADES-a.