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 škriljevca u klastičnim ležištima stvara značajne probleme, što dovodi do nestabilnosti bušotine. Iz ekoloških razloga, upotreba bušaće tekućine na bazi vode s dodanim inhibitorima škriljevca je poželjnija od bušaće tekućine na bazi nafte. Ionske tekućine (IL) privukle su veliku pozornost kao inhibitori škriljevca zbog svojih prilagodljivih svojstava i jakih elektrostatskih karakteristika. Međutim, ionske tekućine (IL) na bazi imidazolila, koje se široko koriste u bušaćim tekućinama, pokazale su se toksičnima, nerazgradivima i skupima. Duboka eutektička otapala (DES) smatraju se isplativijom i manje toksičnom alternativom ionskim tekućinama, ali i dalje ne zadovoljavaju potrebnu ekološku održivost. Nedavni napredak u ovom području doveo je do uvođenja prirodnih dubokih eutektičkih otapala (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 bušaćoj tekućini. Isplake za bušenje na bazi NADES-a razvijene su u skladu s API 13B-1, a njihova učinkovitost uspoređena je s isplakama za bušenje na bazi kalijevog klorida, ionskim tekućinama na bazi imidazolija i isplakama za bušenje na bazi kolin klorida:uree-DES-a. Fizikalno-kemijska svojstva vlasničkih NADES-a detaljno su opisana. Reološka svojstva, gubitak fluida i svojstva inhibicije škriljevca procijenjeni su tijekom studije, a pokazalo se da je pri koncentraciji od 3% NADES-a povećan omjer granice tečenja/plastične viskoznosti (YP/PV), debljina isplačne pogače smanjena je za 26%, a volumen filtrata smanjen je za 30,1%. Značajno je da je NADES postigao impresivnu stopu inhibicije širenja od 49,14% i povećao proizvodnju škriljevca za 86,36%. Ovi rezultati pripisuju se sposobnosti NADES-a da modificira površinsku aktivnost, zeta potencijal i međuslojni razmak glina, što se raspravlja u ovom radu kako bi se razumjeli temeljni mehanizmi. Očekuje se da će ova održiva tekućina za bušenje revolucionirati industriju bušenja pružajući netoksičnu, isplativu i vrlo učinkovitu alternativu tradicionalnim inhibitorima korozije škriljevca, otvarajući put ekološki prihvatljivim praksama bušenja.
Škriljevac je svestrana stijena koja služi i kao izvor i kao rezervoar ugljikovodika, a njegova porozna struktura1 pruža potencijal za proizvodnju i skladištenje ovih vrijednih resursa. Međutim, škriljevac je bogat glinastim mineralima poput montmorilonita, smektita, kaolinita i ilita, zbog čega je sklon bubrenju kada je izložen vodi, što dovodi do nestabilnosti bušotine tijekom 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, što povećava vrijeme oporavka i troškove. Tradicionalno, bušaće tekućine na bazi nafte (OBDF) bile su preferirani izbor za formacije škriljevca zbog svoje sposobnosti da se odupru širenju škriljevca4. 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 prikladnost na visokim temperaturama nije zadovoljavajuća. Bušaće tekućine na bazi vode (WBDF) atraktivno su rješenje jer su sigurnije, ekološki prihvatljivije i isplativije od OBDF5. Različiti inhibitori škriljevca korišteni su za poboljšanje sposobnosti inhibicije WBDF-a u škriljevcu, uključujući tradicionalne inhibitore poput kalijevog klorida, vapna, silikata i polimera. Međutim, ovi inhibitori imaju ograničenja u pogledu učinkovitosti i utjecaja na okoliš, posebno zbog visoke koncentracije K+ u inhibitorima kalijevog klorida i pH osjetljivosti silikata. 6 Istraživači su istražili mogućnost korištenja ionskih tekućina kao aditiva za bušaće tekućine kako bi poboljšali reologiju bušaće tekućine i spriječili bubrenje škriljevca i stvaranje hidrata. Međutim, ove ionske tekućine, posebno one koje sadrže imidazolilne katione, općenito su toksične, skupe, nisu biorazgradive i zahtijevaju složene procese pripreme. Kako bi se riješili ovi problemi, ljudi su počeli tražiti ekonomičniju i ekološki prihvatljiviju alternativu, što je dovelo do pojave duboko eutektičkih otapala (DES). DES je eutektička smjesa koju tvore donor vodikove veze (HBD) i akceptor vodikove veze (HBA) pri određenom molarnom omjeru i temperaturi. Ove eutektičke smjese imaju niže točke taljenja od svojih pojedinačnih komponenti, prvenstveno zbog delokalizacije naboja uzrokovane vodikovim vezama. Mnogi čimbenici, uključujući energiju rešetke, promjenu entropije i interakcije između aniona i HBD-a, igraju ključnu ulogu u snižavanju točke taljenja DES-a.
U prethodnim studijama, razni aditivi dodavani su tekućini za bušenje na bazi vode kako bi se riješio problem širenja škriljevca. Na primjer, Ofei i sur. dodali su 1-butil-3-metilimidazolijev klorid (BMIM-Cl), što je značajno smanjilo debljinu isplake (do 50%) i smanjilo vrijednost YP/PV za 11 pri različitim temperaturama. Huang i sur. koristili su ionske tekućine (posebno 1-heksil-3-metilimidazolijev bromid i 1,2-bis(3-heksilimidazol-1-il)etan bromid) u kombinaciji s Na-Bt česticama i značajno smanjili bubrenje škriljevca za 86,43% odnosno 94,17%12. Osim toga, Yang i sur. koristili su 1-vinil-3-dodecilimidazolijev bromid i 1-vinil-3-tetradecilimidazolijev bromid kako bi smanjili bubrenje škriljevca za 16,91% odnosno 5,81%. 13 Yang i sur. također su koristili 1-vinil-3-etilimidazolijev bromid i smanjili širenje škriljevca za 31,62% uz održavanje iskorištenja škriljevca na 40,60%. 14 Osim toga, Luo i sur. koristili su 1-oktil-3-metilimidazolijev tetrafluoroborat za smanjenje bubrenja škriljevca za 80%. 15, 16 Dai i sur. koristili su ionske tekuće kopolimere za inhibiciju škriljevca i postigli 18%-tno povećanje linearnog iskorištenja u usporedbi s aminskim inhibitorima. 17
Ionske tekućine same po sebi imaju neke nedostatke, što je potaknulo znanstvenike da traže ekološki prihvatljivije alternative ionskim tekućinama, te je tako nastao DES. Hanjia je prvi koristio duboko eutektička otapala (DES) koja se sastoje od vinilklorid propionske kiseline (1:1), vinilklorid 3-fenilpropionske kiseline (1:2) i 3-merkaptopropionske kiseline + itakonske kiseline + vinilklorida (1:1:2), što je inhibiralo bubrenje bentonita za 68%, 58% odnosno 58%18. U slobodnom eksperimentu, MH Rasul je koristio omjer glicerola i kalijevog karbonata (DES) 2:1 i značajno smanjio bubrenje uzoraka škriljevca za 87%19,20. Ma je ​​koristio ureu:vinilklorid kako bi značajno smanjio širenje škriljevca za 67%.21 Rasul i suradnici. Kombinacija DES-a i polimera korištena je kao inhibitor škriljevca dvostrukog djelovanja, čime je postignut izvrstan učinak inhibicije škriljevca22.
Iako se duboka eutektička otapala (DES) općenito smatraju zelenijom alternativom ionskim tekućinama, ona također sadrže potencijalno toksične komponente poput amonijevih soli, što njihovu ekološku prihvatljivost čini upitnom. Taj je problem doveo do razvoja prirodnih dubokih eutektičkih otapala (NADES). Ona se još uvijek 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 područjima. Nekoliko istraživača uspješno je razvilo nove kombinacije DES-a 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 suradnici 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 suradnici saželi su primjenu NADES-a kao medija za ekstrakciju i kromatografiju u sveobuhvatnom pregledu, dok su Misan i suradnici raspravljali o uspješnoj primjeni NADES-a u poljoprivredno-prehrambenom sektoru. Imperativ je da istraživači tekućina za bušenje počnu obraćati pozornost na učinkovitost NADES-a u svojim primjenama. nedavno. Godine 2023. Rasul i suradnici koristili su različite kombinacije prirodnih dubokih eutektičkih otapala na bazi askorbinske kiseline26, kalcijevog klorida27, kalijevog klorida28 i Epsom soli29 te postigli impresivnu inhibiciju škriljevca i oporavak škriljevca. Ova studija jedna je od prvih studija koje su uvele NADES (posebno formulaciju na bazi limunske kiseline i glicerola) kao ekološki prihvatljiv i učinkovit inhibitor škriljevca u tekućinama za bušenje na bazi vode, koji ima izvrsnu stabilnost u okolišu, poboljšanu sposobnost inhibicije škriljevca i poboljšane performanse 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 fizikalno-kemijska karakterizacija i njegova upotreba kao aditiva za bušaću tekućinu kako bi se procijenila svojstva bušaće tekućine i njezina sposobnost inhibicije bubrenja. U ovoj studiji, CA će djelovati kao akceptor vodikove veze, dok će glicerol (Gly) djelovati kao donor vodikove veze odabran na temelju MH kriterija probira za stvaranje/odabir NADES-a u studijama inhibicije škriljevca30. Mjerenja Fourierove transformacijske infracrvene spektroskopije (FTIR), rendgenske difrakcije (XRD) i zeta potencijala (ZP) razjasnit će interakcije NADES-glina i mehanizam koji leži u osnovi inhibicije bubrenja gline. Osim toga, ova studija će usporediti bušaću tekućinu na bazi CA NADES-a s DES32 na bazi 1-etil-3-metilimidazolijevog klorida [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl i kolin klorida:uree (1:2) kako bi se istražila njihova učinkovitost u inhibiciji škriljevca i poboljšanju performansi bušaće tekućine.
Limunska kiselina (monohidrat), glicerol (99 USP) i urea kupljeni su od tvrtke EvaChem, Kuala Lumpur, Malezija. Kolin klorid (>98%), [EMIM]Cl 98% i kalijev klorid kupljeni su od tvrtke Sigma Aldrich, Malezija. Kemijske strukture svih kemikalija prikazane su na slici 1. Zeleni dijagram uspoređuje glavne kemikalije korištene u ovoj studiji: imidazolil ionska tekućina, kolin klorid (DES), limunska kiselina, glicerol, kalijev klorid i NADES (limunska kiselina i glicerol). Tablica ekološke prihvatljivosti kemikalija korištenih u ovoj studiji prikazana je u tablici 1. U tablici je svaka kemikalija ocijenjena na temelju toksičnosti, biorazgradivosti, troškova i ekološke održivosti.
Kemijske strukture materijala korištenih u ovoj studiji: (a) limunska kiselina, (b) [EMIM]Cl, (c) kolin klorid i (d) glicerol.
Kandidati za donore i akceptore vodikovih veza (HBD) za razvoj NADES-a na bazi CA (prirodnog dubokog eutektičkog otapala) pažljivo su odabrani prema kriterijima odabira MH 30, koji su namijenjeni razvoju NADES-a kao učinkovitih inhibitora škriljevca. Prema ovom kriteriju, komponente s velikim brojem donora i akceptora vodikovih veza, kao i polarnih funkcionalnih skupina, smatraju se prikladnima za razvoj NADES-a.
Osim toga, ionska tekućina [EMIM]Cl i duboko eutektičko otapalo kolin klorid:urea (DES) odabrani su za usporedbu u ovoj studiji jer se široko koriste kao aditivi za bušaće tekućine 33, 34, 35, 36. Osim toga, kalijev klorid (KCl) uspoređen je jer je uobičajeni inhibitor.
Limunska kiselina i glicerol pomiješani su u različitim molarnim omjerima kako bi se dobile eutektičke smjese. Vizualnim pregledom pokazalo se da je eutektička smjesa homogena, prozirna tekućina 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 provedeni su kako bi se promatralo ponašanje procesa miješanja HBD-a i HBA ovisno o temperaturi. Prema dostupnoj literaturi, udio eutektičkih smjesa procijenjen je 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. Za precizno vaganje komponenti HBD-a i HBA korištena je Mettlerova digitalna vaga, a za zagrijavanje i miješanje HBD-a i HBA pri 100 okretaja u minuti pod kontroliranim uvjetima korištena je Thermo Fisher grijaća ploča.
Termofizička svojstva našeg sintetiziranog duboko eutektičkog otapala (DES), uključujući gustoću, površinsku napetost, indeks loma i viskoznost, točno 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 dubinsku 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 posebne važnosti za niz primjena.
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 ispunjenoj velikim volumenom tekućine pomoću kapilarne igle pod specifičnim uvjetima temperature i tlaka. Moderni sustavi za snimanje uvode odgovarajuće geometrijske parametre za izračun međupovršinske napetosti pomoću Laplaceove jednadžbe.
Za određivanje indeksa loma svježe pripremljenog NADES-a u temperaturnom rasponu od 289,15 do 333,15 K korišten je ATAGO refraktometar. Instrument koristi termalni modul za regulaciju temperature radi procjene stupnja loma svjetlosti, eliminirajući potrebu za vodenom kupelji konstantne temperature. Površina prizme refraktometra treba se očistiti, a otopina uzorka ravnomjerno rasporediti po njoj. Kalibrirajte s poznatom standardnom otopinom, a zatim očitajte indeks loma s ekrana.
Viskoznost pripremljenog NADES-a mjerena je u temperaturnom rasponu od 289,15 do 333,15 K pomoću Brookfieldovog rotacijskog viskozimetra (kriogenog tipa) pri brzini smicanja od 30 okretaja u minuti i veličini vretena 6. Viskozimetar mjeri viskoznost određivanjem momenta potrebnog za rotaciju vretena konstantnom brzinom u tekućem uzorku. Nakon što se uzorak postavi na zaslon ispod vretena i zategne, viskozimetar prikazuje viskoznost u centipoazima (cP), pružajući vrijedne informacije o reološkim svojstvima tekućine.
Prijenosni mjerač gustoće DMA 35 Basic korišten je za određivanje gustoće svježe pripremljenog prirodnog dubokog eutektičkog otapala (NDEES) u temperaturnom rasponu od 289,15–333,15 K. Budući da uređaj nema ugrađeni grijač, prije upotrebe mjerača gustoće NADES mora se prethodno zagrijati na zadanu temperaturu (± 2 °C). Kroz cijev provucite najmanje 2 ml uzorka, a gustoća će se odmah prikazati na zaslonu. Vrijedi napomenuti da zbog nedostatka ugrađenog grijača rezultati mjerenja imaju pogrešku od ± 2 °C.
Za procjenu pH vrijednosti svježe pripremljenog NADES-a u temperaturnom rasponu od 289,15 do 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 izravno 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 toplinske stabilnosti prirodnih dubokih eutektičkih otapala (NADES). Uzorci su analizirani tijekom zagrijavanja. Korištenjem visokoprecizne vage i pažljivim praćenjem procesa zagrijavanja generiran je dijagram gubitka mase u odnosu na temperaturu. NADES je zagrijavan od 0 do 500 °C brzinom od 1 °C u minuti.
Za početak postupka, NADES uzorak mora se temeljito promiješati, homogenizirati i ukloniti površinska vlaga. Pripremljeni uzorak se zatim stavlja u TGA kivetu, koja je obično izrađena od inertnog materijala poput aluminija. Kako bi se osigurali točni rezultati, TGA instrumenti se kalibriraju pomoću referentnih materijala, obično standarda težine. Nakon kalibracije, započinje TGA eksperiment i uzorak se zagrijava kontrolirano, 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 kemijskim promjenama u uzorku, uključujući procese poput taljenja, isparavanja, oksidacije ili razgradnje.
Bušaća tekućina na bazi vode pažljivo je formulirana prema standardu API 13B-1, a njezin specifični sastav naveden je u Tablici 2 kao referenca. Limunska kiselina i glicerol (99 USP) kupljeni su od tvrtke Sigma Aldrich u Maleziji za pripremu prirodnog dubokog eutektičkog otapala (NADES). Osim toga, konvencionalni inhibitor škriljevca kalijev klorid (KCl) također je kupljen od tvrtke Sigma Aldrich u Maleziji. 1-etil, 3-metilimidazolijev klorid ([EMIM]Cl) čistoće veće od 98% odabran je zbog svog značajnog učinka na poboljšanje reologije bušaće tekućine i inhibicije škriljevca, što je potvrđeno u prethodnim studijama. I KCl i ([EMIM]Cl) koristit će se u komparativnoj analizi za procjenu učinkovitosti inhibicije škriljevca NADES-a.
Mnogi istraživači preferiraju korištenje bentonitnih pahuljica za proučavanje bubrenja škriljevca jer bentonit sadrži istu skupinu "montmorilonita" koja uzrokuje bubrenje škriljevca. Dobivanje pravih uzoraka jezgre škriljevca je izazovno jer proces jezgre destabilizira škriljevca, što rezultira uzorcima koji nisu u potpunosti od škriljevca, već obično sadrže mješavinu slojeva pješčenjaka i vapnenca. Osim toga, uzorcima škriljevca obično nedostaju skupine montmorilonita koje uzrokuju bubrenje škriljevca i stoga nisu prikladni za eksperimente inhibicije bubrenja.
U ovoj studiji koristili smo rekonstituirane čestice bentonita promjera približno 2,54 cm. Granule su napravljene prešanjem 11,5 grama praha natrijevog bentonita u hidrauličnoj preši pod tlakom od 1600 psi. Debljina granula je točno 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 škriljevca. Promjena debljine granula zatim je pažljivo praćena pomoću LD-a, a mjerenja su zabilježena u intervalima od 60 sekundi tijekom 24 sata.
Rendgenska difrakcija pokazala je da je sastav bentonita, posebno njegove 47%-tne montmorilonitne komponente, ključni čimbenik 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 poput Fe2O3 (4,7%), srebrnog aluminosilikata (1,2%), muskovita (4%) i fosfata (2,3%). Osim toga, prisutne su male količine Na2O (1,83%) i željeznog silikata (2,17%), što omogućuje potpuno razumijevanje sastavnih elemenata bentonita i njihovih odgovarajućih omjera.
Ovaj sveobuhvatni odjeljak studije detaljno opisuje reološka i filtracijska svojstva uzoraka tekućine za bušenje pripremljenih korištenjem prirodnog dubokog eutektičkog otapala (NADES) i korištenih kao aditiv tekućini za bušenje u različitim koncentracijama (1%, 3% i 5%). Uzorci suspenzije na bazi NADES-a zatim su uspoređeni i analizirani s uzorcima suspenzije koji se sastoje od kalijevog klorida (KCl), CC:urea DES (kolin klorid duboko eutektičko otapalo:urea) i ionskih tekućina. U ovoj studiji obuhvaćen je niz ključnih parametara, uključujući očitanja viskoznosti dobivena pomoću FANN viskozimetra prije i nakon izlaganja uvjetima starenja na 100°C i 150°C. Mjerenja su provedena pri različitim brzinama rotacije (3 o/min, 6 o/min, 300 o/min i 600 o/min) što omogućuje sveobuhvatnu analizu ponašanja tekućine za bušenje. Dobiveni podaci zatim se mogu koristiti za određivanje ključnih svojstava kao što su granica razvlačenja (YP) i plastična viskoznost (PV), koja pružaju uvid u performanse tekućine u različitim uvjetima. Ispitivanja filtracije pod visokim tlakom i visokom temperaturom (HPHT) pri 400 psi i 150°C (tipične temperature u bunarima s visokim temperaturama) određuju učinkovitost filtracije (debljinu kolača i volumen filtrata).
Ovaj odjeljak koristi najsuvremeniju opremu, Grace HPHT linearni dilatometar (M4600), za temeljitu procjenu svojstava inhibicije bubrenja škriljevca naših tekućina za bušenje na bazi vode. LSM je najsuvremeniji stroj koji se sastoji od dvije komponente: ploče za zbijanje i linearnog dilatometra (model: M4600). Bentonitne ploče pripremljene su za analizu pomoću Grace Core/Plate Compactora. LSM zatim pruža trenutne podatke o bubrenju na tim pločama, omogućujući sveobuhvatnu procjenu svojstava inhibicije bubrenja škriljevca. Ispitivanja širenja škriljevca provedena su u ambijentalnim uvjetima, tj. 25°C i 1 psia.
Ispitivanje stabilnosti škriljevca uključuje ključni test koji se često naziva testom iskorištavanja škriljevca, testom uranjanja škriljevca ili testom disperzije škriljevca. Za početak ove evaluacije, reznice škriljevca se odvajaju na BSS situ #6, a zatim stavljaju na sito #10. Reznice se zatim dovode u spremnik za zadržavanje gdje se miješaju s baznom tekućinom i isplakom za bušenje koja sadrži NADES (prirodno duboko eutektičko otapalo). Sljedeći korak je stavljanje smjese u peć za intenzivan proces vrućeg valjanja, osiguravajući da se reznice i isplaka temeljito pomiješaju. Nakon 16 sati, reznice se uklanjaju iz pulpe tako što se škriljevcu dopušta razgradnja, 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 unutar 24 sata.
Kako bismo izmjerili iskorištenje škriljčevog mulja, filtrirali smo ga kroz finije sito (40 mesh), zatim ga temeljito isprali vodom i na kraju osušili u pećnici. Ovaj mukotrpan postupak omogućuje nam procjenu iskorištenog mulja u usporedbi s izvornom težinom, te u konačnici izračunavamo postotak uspješno iskorištenog škriljčevog mulja. Izvor uzoraka škriljčevog mulja je iz okruga Niah, okrug Miri, Sarawak, Malezija. Prije testova disperzije i iskorištenja, uzorci škriljčevog mulja podvrgnuti su temeljitoj analizi rendgenske difrakcije (XRD) kako bi se kvantificirao njihov sastav gline i potvrdila njihova prikladnost za ispitivanje. Sastav glinenih minerala uzorka je sljedeći: ilit 18%, kaolinit 31%, klorit 22%, vermikulit 10% i tinjac 19%.
Površinska napetost ključni je faktor koji kontrolira prodiranje kationa vode u mikropore škriljevca putem kapilarnog djelovanja, što će se detaljno proučiti u ovom odjeljku. Ovaj rad ispituje ulogu površinske napetosti u kohezivnom svojstvu fluida za bušenje, ističući njezin važan utjecaj na proces bušenja, posebno inhibiciju škriljevca. Koristili smo međufazni tenziometar (IFT700) za precizno mjerenje površinske napetosti uzoraka fluida za bušenje, otkrivajući važan aspekt ponašanja fluida u kontekstu inhibicije škriljevca.
U ovom odjeljku detaljno se raspravlja o razmaku d-sloja, što je međuslojni razmak 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 usporedbe. Najsuvremeniji stolni rendgenski difraktometar (D2 Phaser) koji radi na 40 mA i 45 kV s 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 jednadžbe omogućuje točno određivanje razmaka d-sloja, čime se pružaju vrijedne informacije o ponašanju gline.
U ovom odjeljku koristi se 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 ispitani su prije i nakon izlaganja prirodnom dubokom eutektičkom otapalu (NADES) pomoću Zeiss Supra 55 VP skenirajućeg elektronskog mikroskopa s emisijom polja (FESEM) opremljenog energetski disperzivnim rendgenskim zračenjem (EDX). Rezolucija snimanja bila je 500 nm, a energija elektronskog snopa 30 kV i 50 kV. FESEM omogućuje vizualizaciju visoke rezolucije površinske morfologije i strukturnih značajki uzoraka gline. Cilj ove studije bio je dobiti informacije o učinku NADES-a na uzorke gline usporedbom slika dobivenih prije i nakon izlaganja.
U ovoj studiji korištena je tehnologija skenirajuće elektronske mikroskopije s emisijom polja (FESEM) za istraživanje učinka NADES-a na uzorke gline na mikroskopskoj razini. Cilj ove studije je razjasniti potencijalne primjene NADES-a i njegov učinak na morfologiju gline i prosječnu veličinu čestica, što će pružiti vrijedne informacije za istraživanja u ovom području.
U ovoj studiji, trake pogreške korištene su za vizualni opis varijabilnosti i nesigurnosti srednje postotne pogreške (AMPE) u različitim eksperimentalnim uvjetima. Umjesto prikazivanja pojedinačnih AMPE vrijednosti (budući da prikaz AMPE vrijednosti može prikriti trendove i preuveličati male varijacije), izračunavamo trake pogreške pomoću pravila od 5%. Ovaj pristup osigurava da svaka traka pogreške predstavlja interval unutar kojeg se očekuje da će se nalaziti 95% interval pouzdanosti i 100% AMPE vrijednosti, čime se pruža jasniji i sažetiji sažetak distribucije podataka za svaki eksperimentalni uvjet. Korištenje traka pogreške na temelju pravila od 5% tako poboljšava interpretabilnost i pouzdanost grafičkih prikaza te pomaže u detaljnijem razumijevanju rezultata i njihovih implikacija.
U sintezi prirodnih dubokih eutektičkih otapala (NADES), nekoliko ključnih parametara pažljivo je proučeno tijekom internog procesa pripreme. Ti kritični čimbenici uključuju temperaturu, molarni omjer i brzinu miješanja. Naši eksperimenti pokazuju da kada se HBA (limunska kiselina) i HBD (glicerol) pomiješaju u molarnom omjeru 1:4 na 50°C, nastaje eutektička smjesa. Karakteristična značajka eutektičke smjese je njezin proziran, homogen izgled i odsutnost taloga. Dakle, ovaj ključni korak naglašava važnost molarnog omjera, temperature i brzine miješanja, među kojima je molarni omjer bio najutjecajniji čimbenik u pripremi DES-a i NADES-a, kao što je prikazano na slici 2.
Indeks loma (n) izražava omjer brzine svjetlosti u vakuumu i brzine svjetlosti u drugom, gušćem mediju. Indeks loma je od posebnog interesa za prirodna duboka eutektička otapala (NADES) kada se razmatraju optički osjetljive primjene poput biosenzora. Indeks loma proučavanog NADES-a na 25 °C bio je 1,452, što je zanimljivo niže od indeksa loma glicerola.
Vrijedi napomenuti da indeks loma NADES-a opada s temperaturom, a taj se trend može točno opisati formulom (1) i slikom 3, s apsolutnom srednjom postotnom pogreškom (AMPE) koja doseže 0%. Ovo temperaturno ovisno ponašanje objašnjava se smanjenjem viskoznosti i gustoće na visokim temperaturama, što uzrokuje da svjetlost putuje kroz medij većom brzinom, što rezultira nižom vrijednošću indeksa loma (n). Ovi rezultati pružaju vrijedne uvide u stratešku upotrebu NADES-a u optičkim senzorima, ističući njihov potencijal za primjenu u biosenzorima.
Površinska napetost, koja odražava tendenciju površine tekućine da smanji svoju površinu, od velike je važnosti u procjeni prikladnosti prirodnih dubokih eutektičkih otapala (NADES) za primjene temeljene na kapilarnom tlaku. Studija površinske napetosti u temperaturnom rasponu od 25 do 60 °C pruža vrijedne informacije. Pri 25 °C, površinska napetost NADES-a na bazi limunske kiseline iznosila je 55,42 mN/m, što je znatno niže od napetosti vode i glicerola. Slika 4 pokazuje da površinska napetost značajno opada s porastom temperature. Ovaj fenomen može se objasniti povećanjem molekularne kinetičke energije i posljedičnim smanjenjem međumolekularnih privlačnih sila.
Linearni trend smanjenja površinske napetosti uočen u proučavanom NADES-u može se dobro izraziti jednadžbom (2), koja ilustrira 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 postotnom pogreškom (AMPE) od 1,4%, što kvantificira točnost prijavljenih vrijednosti površinske napetosti. Ovi rezultati imaju važne implikacije za razumijevanje ponašanja NADES-a i njegovih potencijalnih primjena.
Razumijevanje dinamike gustoće prirodnih dubokih eutektičkih otapala (NADES) ključno je za olakšavanje njihove primjene u brojnim znanstvenim studijama. Gustoća NADES-a na bazi limunske kiseline na 25 °C iznosi 1,361 g/cm3, što je više od gustoće matičnog glicerola. Ova se razlika može objasniti dodatkom akceptora vodikove veze (limunske kiseline) glicerolu.
Uzimajući NADES na bazi citrata kao primjer, njegova gustoća pada na 1,19 g/cm3 pri 60°C. Povećanje kinetičke energije pri zagrijavanju uzrokuje disperziju molekula NADES-a, uzrokujući njihovo zauzimanje većeg volumena, što rezultira smanjenjem gustoće. Opaženo smanjenje gustoće pokazuje određenu linearnu korelaciju s porastom temperature, što se može ispravno izraziti formulom (3). Slika 5 grafički prikazuje ove karakteristike promjene gustoće NADES-a s apsolutnom srednjom postotnom pogreškom (AMPE) od 1,12%, što pruža kvantitativnu mjeru točnosti prijavljenih vrijednosti gustoće.
Viskoznost je privlačna sila između različitih slojeva tekućine u pokretu i igra ključnu ulogu u razumijevanju primjenjivosti prirodnih dubokih eutektičkih otapala (NADES) u raznim primjenama. Pri 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 međumolekularnih privlačnih sila. Ovaj fenomen rezultira smanjenjem viskoznosti fluida, trend jasno prikazan na slici 6 i kvantificiran jednadžbom (4). Značajno je da na 60 °C viskoznost pada na 898 cP s ukupnom srednjom postotnom pogreškom (AMPE) od 1,4%. Detaljno razumijevanje ovisnosti viskoznosti o temperaturi u NADES-u od velike je važnosti za njegovu praktičnu primjenu.
pH otopine, određen negativnim logaritmom koncentracije vodikovih iona, ključan je, posebno u pH-osjetljivim primjenama poput sinteze DNA, stoga 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 oštroj suprotnosti s relativno neutralnim pH glicerola.
Zanimljivo je da je pH prirodnog otapala topljivog u limunskoj kiselini dehidrogenazi (NADES) pokazao nelinearni trend smanjenja s porastom temperature. Ovaj fenomen pripisuje se povećanim molekularnim vibracijama koje narušavaju ravnotežu H+ u otopini, što dovodi do stvaranja [H]+ iona i, posljedično, promjene pH vrijednosti. Dok se prirodni pH limunske kiseline kreće od 3 do 5, prisutnost kiselog vodika u glicerolu dodatno snižava pH na 1,91.
Ponašanje pH vrijednosti NADES-a na bazi citrata u temperaturnom rasponu od 25 do 60 °C može se prikladno prikazati jednadžbom (5), koja daje matematički izraz za opaženi trend pH vrijednosti. Slika 7 grafički prikazuje ovaj zanimljiv odnos, ističući utjecaj temperature na pH NADES-a, koji je za AMPE zabilježen na 1,4%.
Termogravimetrijska analiza (TGA) prirodnog duboko eutektičkog otapala limunske kiseline (NADES) sustavno 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 dvostupanjski proces gubitka mase. Početna faza (180 do 220 °C) uključuje stvaranje 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 sekvencijalno stvaraju. Značajno je da je samo 28% mase zadržano na 300 °C, što sugerira da bi intrinzična svojstva NADES 8(a)38,39 mogla biti defektna.
Kako bi se dobile informacije o stvaranju novih kemijskih veza, svježe pripremljene suspenzije prirodnih dubokih eutektičkih otapala (NADES) analizirane su Fourierovom transformacijskom infracrvenom spektroskopijom (FTIR). Analiza je provedena usporedbom spektra NADES suspenzije sa spektrima čiste limunske kiseline (CA) i glicerola (Gly). CA spektar pokazao je jasne vrhove na 1752 1/cm i 1673 1/cm, koji predstavljaju vibracije istezanja C=O veze i također su karakteristični za CA. Osim toga, uočen je značajan pomak u vibraciji savijanja OH na 1360 1/cm u području otiska prsta, kao što je prikazano na slici 9.
Slično tome, u slučaju glicerola, pomaci vibracija istezanja i savijanja OH skupina pronađeni su pri valnim brojevima od 3291 1/cm i 1414 1/cm. Sada, analizom spektra pripremljenog NADES-a, pronađen je značajan pomak u spektru. Kao što je prikazano na slici 7, vibracija istezanja C=O veze pomaknula se s 1752 1/cm na 1720 1/cm, a vibracija savijanja -OH veze glicerola pomaknula se s 1414 1/cm na 1359 1/cm. Ovi pomaci valnih brojeva ukazuju na promjenu elektronegativnosti, što ukazuje na stvaranje novih kemijskih veza u strukturi NADES-a.