Ďakujeme za návštevu stránky nature.com. Verzia prehliadača, ktorú používate, má obmedzenú podporu CSS. Pre dosiahnutie čo najlepšieho zážitku odporúčame používať najnovšiu verziu prehliadača (alebo vypnúť režim kompatibility v prehliadači Internet Explorer). Okrem toho, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, táto stránka nebude obsahovať štýly ani JavaScript.
Expanzia bridlice v klastických rezervoároch vytvára značné problémy, ktoré vedú k nestabilite vrtu. Z environmentálnych dôvodov sa uprednostňuje použitie vrtnej kvapaliny na vodnej báze s pridanými inhibítormi bridlice pred vrtnou kvapalinou na báze ropy. Iónové kvapaliny (IL) priťahujú veľkú pozornosť ako inhibítory bridlice vďaka svojim laditeľným vlastnostiam a silným elektrostatickým vlastnostiam. Iónové kvapaliny (IL) na báze imidazolylu, ktoré sa široko používajú vo vrtných kvapalinách, sa však ukázali ako toxické, biologicky nerozložiteľné a drahé. Hlboko eutektické rozpúšťadlá (DES) sa považujú za nákladovo efektívnejšiu a menej toxickú alternatívu k iónovým kvapalinám, ale stále nespĺňajú požadovanú environmentálnu udržateľnosť. Nedávny pokrok v tejto oblasti viedol k zavedeniu prírodných hlboko eutektických rozpúšťadiel (NADES), ktoré sú známe svojou skutočnou šetrnosťou k životnému prostrediu. Táto štúdia skúmala NADES, ktoré obsahujú kyselinu citrónovú (ako akceptor vodíkových väzieb) a glycerol (ako donor vodíkových väzieb) ako prísady do vrtných kvapalín. Vrtné kvapaliny na báze NADES boli vyvinuté v súlade s normou API 13B-1 a ich výkonnosť bola porovnaná s vrtnými kvapalinami na báze chloridu draselného, ​​iónovými kvapalinami na báze imidazolia a vrtnými kvapalinami na báze cholínchloridu:močoviny-DES. Fyzikálno-chemické vlastnosti patentovaných NADES sú podrobne opísané. Počas štúdie boli hodnotené reologické vlastnosti, strata kvapaliny a inhibičné vlastnosti vrtnej kvapaliny voči bridliciam a ukázalo sa, že pri koncentrácii 3 % NADES sa zvýšil pomer medze klzu/plastickej viskozity (YP/PV), hrúbka kalového koláča sa znížila o 26 % a objem filtrátu sa znížil o 30,1 %. Je pozoruhodné, že NADES dosiahol pôsobivú mieru inhibície expanzie 49,14 % a zvýšil produkciu bridlice o 86,36 %. Tieto výsledky sa pripisujú schopnosti NADES modifikovať povrchovú aktivitu, zeta potenciál a medzivrstvové rozstupy ílov, ktoré sú v tomto článku diskutované s cieľom pochopiť základné mechanizmy. Očakáva sa, že táto udržateľná vrtná kvapalina spôsobí revolúciu vo vrtnom priemysle tým, že poskytne netoxickú, nákladovo efektívnu a vysoko účinnú alternatívu k tradičným inhibítorom korózie bridlíc, čím vydláždi cestu pre ekologicky šetrné vrtné postupy.
Bridlica je všestranná hornina, ktorá slúži ako zdroj aj rezervoár uhľovodíkov a jej pórovitá štruktúra1 poskytuje potenciál pre produkciu aj skladovanie týchto cenných zdrojov. Bridlica je však bohatá na ílovité minerály, ako je montmorillonit, smektit, kaolinit a ilit, ktoré ju robia náchylnou na napučiavanie pri vystavení vode, čo vedie k nestabilite vrtu počas vŕtania2,3. Tieto problémy môžu viesť k neproduktívnemu času (NPT) a množstvu prevádzkových problémov vrátane zaseknutých potrubí, stratenej cirkulácie kalu, kolapsu vrtu a znečistenia vrtáka, čo zvyšuje čas a náklady na zotavenie. Tradične boli vrtné kvapaliny na báze ropy (OBDF) preferovanou voľbou pre bridlicové formácie kvôli ich schopnosti odolávať rozpínaniu bridlice4. Použitie vrtných kvapalín na báze ropy však so sebou prináša vyššie náklady a environmentálne riziká. Ako alternatíva sa zvažovali vrtné kvapaliny na báze syntetických látok (SBDF), ale ich vhodnosť pri vysokých teplotách nie je uspokojivá. Vrtné kvapaliny na báze vody (WBDF) sú atraktívnym riešením, pretože sú bezpečnejšie, ekologickejšie a nákladovo efektívnejšie ako OBDF5. Na zvýšenie schopnosti WBDF inhibovať tvorbu bridlíc sa používali rôzne inhibítory bridlíc, vrátane tradičných inhibítorov, ako je chlorid draselný, vápno, kremičitan a polymér. Tieto inhibítory však majú obmedzenia, pokiaľ ide o účinnosť a vplyv na životné prostredie, najmä kvôli vysokej koncentrácii K+ v inhibítoroch chloridu draselného a citlivosti kremičitanov na pH.6 Výskumníci skúmali možnosť použitia iónových kvapalín ako prísad do vrtných výplachov na zlepšenie reológie vrtných výplachov a zabránenie napučiavania bridlíc a tvorby hydrátov. Tieto iónové kvapaliny, najmä tie, ktoré obsahujú imidazolylové katióny, sú však vo všeobecnosti toxické, drahé, biologicky nerozložiteľné a vyžadujú si zložité procesy prípravy. Na vyriešenie týchto problémov ľudia začali hľadať ekonomickejšiu a ekologickejšiu alternatívu, čo viedlo k vzniku hlboko eutektických rozpúšťadiel (DES). DES je eutektická zmes tvorená donorom vodíkových väzieb (HBD) a akceptorom vodíkových väzieb (HBA) pri špecifickom molárnom pomere a teplote. Tieto eutektické zmesi majú nižšie teploty topenia ako ich jednotlivé zložky, predovšetkým kvôli delokalizácii náboja spôsobenej vodíkovými väzbami. Kľúčovú úlohu pri znižovaní bodu topenia DES zohráva mnoho faktorov vrátane mriežkovej energie, zmeny entropie a interakcií medzi aniónmi a HBD.
V predchádzajúcich štúdiách sa do vrtnej kvapaliny na vodnej báze pridávali rôzne prísady na vyriešenie problému s rozpínaním bridlice. Napríklad Ofei a kol. pridali 1-butyl-3-metylimidazoliumchlorid (BMIM-Cl), ktorý významne znížil hrúbku kalového koláča (až o 50 %) a znížil hodnotu YP/PV o 11 pri rôznych teplotách. Huang a kol. použili iónové kvapaliny (konkrétne 1-hexyl-3-metylimidazoliumbromid a 1,2-bis(3-hexylimidazol-1-yl)etánbromid) v kombinácii s časticami Na-Bt a významne znížili napučiavanie bridlice o 86,43 %, respektíve 94,17 %12. Okrem toho Yang a kol. použili 1-vinyl-3-dodecylimidazoliumbromid a 1-vinyl-3-tetradecylimidazoliumbromid na zníženie napučiavania bridlice o 16,91 %, respektíve 5,81 %. 13 Yang a kol. tiež použili 1-vinyl-3-etylimidazóliumbromid a znížili expanziu bridlice o 31,62 % pri zachovaní výťažnosti bridlice na 40,60 %.14 Okrem toho Luo a kol. použili 1-oktyl-3-metylimidazóliumtetrafluórborát na zníženie napučiavania bridlice o 80 %.15, 16 Dai a kol. použili iónové kvapalné kopolyméry na inhibíciu bridlice a dosiahli 18 % zvýšenie lineárnej výťažnosti v porovnaní s amínovými inhibítormi.17
Samotné iónové kvapaliny majú určité nevýhody, čo viedlo vedcov k hľadaniu ekologickejších alternatív k iónovým kvapalinám, a tak sa zrodil DES. Hanjia ako prvý použil hlboko eutektické rozpúšťadlá (DES) pozostávajúce z vinylchloridu kyseliny propiónovej (1:1), vinylchloridu kyseliny 3-fenylpropiónovej (1:2) a kyseliny 3-merkaptopropiónovej + kyseliny itakónovej + vinylchloridu (1:1:2), ktoré inhibovali napučiavanie bentonitu o 68 %, 58 % a 58 %18. Vo voľnom experimente MH Rasul použil pomer 2:1 glycerolu a uhličitanu draselného (DES) a významne znížil napučiavanie vzoriek bridlice o 87 %19,20. Ma použil močovinu:vinylchlorid na významné zníženie expanzie bridlice o 67 %.21 Rasul a kol. Kombinácia DES a polyméru sa použila ako dvojito pôsobiaci inhibítor bridlice, čím sa dosiahol vynikajúci inhibičný účinok na bridlicu22.
Hoci sa hlboko eutektické rozpúšťadlá (DES) vo všeobecnosti považujú za ekologickejšiu alternatívu k iónovým kvapalinám, obsahujú aj potenciálne toxické zložky, ako sú amónne soli, čo spochybňuje ich ekologickú šetrnosť. Tento problém viedol k vývoju prírodných hlboko eutektických rozpúšťadiel (NADES). Stále sa klasifikujú ako DES, ale pozostávajú z prírodných látok a solí vrátane chloridu draselného (KCl), chloridu vápenatého (CaCl2), epsomských solí (MgSO4.7H2O) a ďalších. Početné potenciálne kombinácie DES a NADES otvárajú široký priestor pre výskum v tejto oblasti a očakáva sa, že nájdu uplatnenie v rôznych oblastiach. Niekoľko výskumníkov úspešne vyvinulo nové kombinácie DES, ktoré sa ukázali ako účinné v rôznych aplikáciách. Napríklad Naser a kol. v roku 2013 syntetizovali DES na báze uhličitanu draselného a študovali jeho termofyzikálne vlastnosti, ktoré následne našli uplatnenie v oblastiach inhibície hydrátov, prísad do vrtných výplachov, delignifikácie a nanofibrilácie.23 Jordy Kim a jeho spolupracovníci vyvinuli NADES na báze kyseliny askorbovej a hodnotili jeho antioxidačné vlastnosti v rôznych aplikáciách.24 Christer a kol. vyvinuli NADES na báze kyseliny citrónovej a identifikovali jeho potenciál ako excipientu pre kolagénové produkty.25 Liu Yi a jeho spolupracovníci zhrnuli aplikácie NADES ako extrakčného a chromatografického média v komplexnom prehľade, zatiaľ čo Misan a kol. diskutovali o úspešných aplikáciách NADES v agropotravinárskom sektore. Je nevyhnutné, aby výskumníci v oblasti vrtných kvapalín začali venovať pozornosť účinnosti NADES vo svojich aplikáciách. nedávne. V roku 2023 Rasul a kol. použili rôzne kombinácie prírodných hlboko eutektických rozpúšťadiel na báze kyseliny askorbovej26, chloridu vápenatého27, chloridu draselného28 a epsomskej soli29 a dosiahli pôsobivú inhibíciu bridlice a výťažnosť bridlice. Táto štúdia je jednou z prvých štúdií, ktoré zaviedli NADES (najmä formuláciu na báze kyseliny citrónovej a glycerolu) ako ekologický a účinný inhibítor bridlice vo vrtných kvapalinách na vodnej báze, ktorý sa vyznačuje vynikajúcou environmentálnou stabilitou, zlepšenou schopnosťou inhibovať bridlicu a zlepšeným výkonom kvapaliny v porovnaní s tradičnými inhibítormi, ako sú KCl, iónové kvapaliny na báze imidazolylu a tradičné DES.
Štúdia bude zahŕňať internú prípravu NADES na báze kyseliny citrónovej (CA), po ktorej bude nasledovať podrobná fyzikálno-chemická charakterizácia a jej použitie ako prísady do vrtnej kvapaliny na vyhodnotenie vlastností vrtnej kvapaliny a jej schopnosti inhibovať napučiavanie. V tejto štúdii bude CA pôsobiť ako akceptor vodíkových väzieb, zatiaľ čo glycerol (Gly) bude pôsobiť ako donor vodíkových väzieb vybraný na základe kritérií skríningu MH pre tvorbu/výber NADES v štúdiách inhibície bridlice30. Merania infračervenej spektroskopie s Fourierovou transformáciou (FTIR), röntgenovej difrakcie (XRD) a zeta potenciálu (ZP) objasnia interakcie NADES-íl a mechanizmus, ktorý je základom inhibície napučiavania ílu. Okrem toho táto štúdia porovná vrtnú kvapalinu na báze CA NADES s DES32 na báze 1-etyl-3-metylimidazóliumchloridu [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl a cholínchloridu:močoviny (1:2) s cieľom preskúmať ich účinnosť pri inhibícii bridlice a zlepšení výkonu vrtnej kvapaliny.
Kyselina citrónová (monohydrát), glycerol (99 USP) a močovina boli zakúpené od spoločnosti EvaChem, Kuala Lumpur, Malajzia. Cholínchlorid (> 98 %), [EMIM]Cl 98 % a chlorid draselný boli zakúpené od spoločnosti Sigma Aldrich, Malajzia. Chemické štruktúry všetkých chemikálií sú znázornené na obrázku 1. Zelený diagram porovnáva hlavné chemikálie použité v tejto štúdii: imidazolylová iónová kvapalina, cholínchlorid (DES), kyselina citrónová, glycerol, chlorid draselný a NADES (kyselina citrónová a glycerol). Tabuľka ekologickej vhodnosti chemikálií použitých v tejto štúdii je uvedená v tabuľke 1. V tabuľke je každá chemikália hodnotená na základe toxicity, biologickej odbúrateľnosti, nákladov a environmentálnej udržateľnosti.
Chemické štruktúry materiálov použitých v tejto štúdii: (a) kyselina citrónová, (b) [EMIM]Cl, (c) cholínchlorid a (d) glycerol.
Kandidáti na donory a akceptory vodíkových väzieb (HBD) a akceptory vodíkových väzieb (HBA) pre vývoj NADES na báze CA (prírodné hlboko eutektické rozpúšťadlo) boli starostlivo vybraní podľa výberových kritérií MH 30, ktoré sú určené na vývoj NADES ako účinných inhibítorov bridlicovej štruktúry. Podľa tohto kritéria sa zložky s veľkým počtom donorov a akceptorov vodíkových väzieb, ako aj polárnych funkčných skupín, považujú za vhodné pre vývoj NADES.
Okrem toho boli v tejto štúdii na porovnanie vybrané iónová kvapalina [EMIM]Cl a hlboko eutektické rozpúšťadlo cholínchlorid:močovina (DES), pretože sa široko používajú ako prísady do vrtných výplachov33,34,35,36. Okrem toho bol porovnávaný chlorid draselný (KCl), pretože je bežným inhibítorom.
Kyselina citrónová a glycerol boli zmiešané v rôznych molárnych pomeroch, aby sa získali eutektické zmesi. Vizuálna kontrola ukázala, že eutektická zmes bola homogénna, priehľadná kvapalina bez zákalu, čo naznačuje, že donor vodíkových väzieb (HBD) a akceptor vodíkových väzieb (HBA) boli v tomto eutektickom zložení úspešne zmiešané. Boli vykonané predbežné experimenty na pozorovanie teplotne závislého správania procesu miešania HBD a HBA. Podľa dostupnej literatúry bol podiel eutektických zmesí hodnotený pri troch špecifických teplotách nad 50 °C, 70 °C a 100 °C, čo naznačuje, že eutektická teplota je zvyčajne v rozmedzí 50 – 80 °C. Na presné váženie zložiek HBD a HBA bola použitá digitálna váha Mettler a na zahrievanie a miešanie HBD a HBA pri 100 ot./min za kontrolovaných podmienok sa použila vyhrievacia platňa Thermo Fisher.
Termofyzikálne vlastnosti nášho syntetizovaného hlboko eutektického rozpúšťadla (DES), vrátane hustoty, povrchového napätia, indexu lomu a viskozity, boli presne merané v teplotnom rozsahu od 289,15 do 333,15 K. Treba poznamenať, že tento teplotný rozsah bol zvolený predovšetkým kvôli obmedzeniam existujúceho zariadenia. Komplexná analýza zahŕňala hĺbkovú štúdiu rôznych termofyzikálnych vlastností tejto formulácie NADES, ktorá odhalila ich správanie v celom rozsahu teplôt. Zameranie sa na tento špecifický teplotný rozsah poskytuje prehľad o vlastnostiach NADES, ktoré sú obzvlášť dôležité pre množstvo aplikácií.
Povrchové napätie pripraveného NADES sa meralo v rozsahu od 289,15 do 333,15 K pomocou merača medzifázového napätia (IFT700). Kvapôčky NADES sa tvoria v komore naplnenej veľkým objemom kvapaliny pomocou kapilárnej ihly za špecifických teplotných a tlakových podmienok. Moderné zobrazovacie systémy zavádzajú vhodné geometrické parametre na výpočet medzifázového napätia pomocou Laplaceovej rovnice.
Na stanovenie indexu lomu čerstvo pripraveného NADES v teplotnom rozsahu 289,15 až 333,15 K bol použitý refraktometer ATAGO. Prístroj využíva tepelný modul na reguláciu teploty pre odhad stupňa lomu svetla, čím sa eliminuje potreba vodného kúpeľa s konštantnou teplotou. Hranolový povrch refraktometra by sa mal vyčistiť a roztok vzorky by sa mal na ňom rovnomerne rozložiť. Kalibrujte so známym štandardným roztokom a potom odčítajte index lomu z obrazovky.
Viskozita pripraveného NADES sa merala v teplotnom rozsahu 289,15 až 333,15 K pomocou rotačného viskozimetra Brookfield (kryogénny typ) pri šmykovej rýchlosti 30 ot./min a veľkosti vretena 6. Viskozimeter meria viskozitu určením krútiaceho momentu potrebného na otáčanie vretena konštantnou rýchlosťou v kvapalnej vzorke. Po umiestnení vzorky na sito pod vretenom a utiahnutí viskozimeter zobrazí viskozitu v centipoise (cP), čo poskytuje cenné informácie o reologických vlastnostiach kvapaliny.
Na stanovenie hustoty čerstvo pripraveného prírodného hlboko eutektického rozpúšťadla (NDEES) v teplotnom rozsahu 289,15–333,15 K bol použitý prenosný hustomer DMA 35 Basic. Keďže zariadenie nemá zabudovaný ohrievač, pred použitím hustomera NADES je potrebné ho predhriať na stanovenú teplotu (± 2 °C). Po natiahnutí aspoň 2 ml vzorky cez skúmavku sa hustota okamžite zobrazí na obrazovke. Stojí za zmienku, že kvôli absencii zabudovaného ohrievača majú výsledky merania chybu ± 2 °C.
Na vyhodnotenie pH čerstvo pripraveného NADES v teplotnom rozsahu 289,15 – 333,15 K sme použili stolový pH meter Kenis. Keďže NADES nemá zabudované ohrievacie zariadenie, najskôr sa zahrial na požadovanú teplotu (±2 °C) pomocou vyhrievacej platničky a potom sa meral priamo pH metrom. Sondu pH metra úplne ponorte do NADES a po stabilizácii nameranej hodnoty zaznamenajte konečnú hodnotu.
Na vyhodnotenie tepelnej stability prírodných hlboko eutektických rozpúšťadiel (NADES) bola použitá termogravimetrická analýza (TGA). Vzorky boli analyzované počas zahrievania. Pomocou vysoko presných váh a starostlivým sledovaním procesu zahrievania bol vytvorený graf závislosti úbytku hmotnosti od teploty. NADES sa zahrieval od 0 do 500 °C rýchlosťou 1 °C za minútu.
Na začatie procesu sa musí vzorka NADES dôkladne premiešať, homogenizovať a odstrániť povrchová vlhkosť. Pripravená vzorka sa potom umiestni do kyvety TGA, ktorá je zvyčajne vyrobená z inertného materiálu, ako je hliník. Na zabezpečenie presných výsledkov sa prístroje TGA kalibrujú pomocou referenčných materiálov, zvyčajne hmotnostných štandardov. Po kalibrácii sa začne experiment TGA a vzorka sa kontrolovane zahrieva, zvyčajne konštantnou rýchlosťou. Nepretržité monitorovanie vzťahu medzi hmotnosťou vzorky a teplotou je kľúčovou súčasťou experimentu. Prístroje TGA zhromažďujú údaje o teplote, hmotnosti a ďalších parametroch, ako je prietok plynu alebo teplota vzorky. Po dokončení experimentu TGA sa zozbierané údaje analyzujú, aby sa určila zmena hmotnosti vzorky ako funkcia teploty. Tieto informácie sú cenné pri určovaní teplotných rozsahov spojených s fyzikálnymi a chemickými zmenami vo vzorke, vrátane procesov, ako je topenie, odparovanie, oxidácia alebo rozklad.
Vrtná kvapalina na vodnej báze bola starostlivo formulovaná podľa normy API 13B-1 a jej špecifické zloženie je uvedené v tabuľke 2 ako referencia. Kyselina citrónová a glycerol (99 USP) boli zakúpené od spoločnosti Sigma Aldrich v Malajzii na prípravu prírodného hlboko eutektického rozpúšťadla (NADES). Okrem toho bol od spoločnosti Sigma Aldrich v Malajzii zakúpený aj konvenčný inhibítor bridlicovej oxidácie chlorid draselný (KCl). 1-etyl, 3-metylimidazoliumchlorid ([EMIM]Cl) s čistotou viac ako 98 % bol vybraný kvôli jeho významnému účinku na zlepšenie reológie vrtnej kvapaliny a inhibície bridlicovej oxidácie, čo bolo potvrdené v predchádzajúcich štúdiách. KCl aj ([EMIM]Cl) budú použité v porovnávacej analýze na vyhodnotenie inhibičnej účinnosti NADES v bridlicovej oxidácii.
Mnoho výskumníkov uprednostňuje použitie bentonitových vločiek na štúdium napučiavania bridlice, pretože bentonit obsahuje rovnakú skupinu „montmorillonitu“, ktorá spôsobuje napučiavanie bridlice. Získanie skutočných vzoriek bridlicového jadra je náročné, pretože proces odberu jadier destabilizuje bridlicu, čoho výsledkom sú vzorky, ktoré nie sú úplne bridlicové, ale zvyčajne obsahujú zmes vrstiev pieskovca a vápenca. Okrem toho vzorky bridlice zvyčajne neobsahujú skupiny montmorillonitu, ktoré spôsobujú napučiavanie bridlice, a preto nie sú vhodné na experimenty s inhibíciou napučiavania.
V tejto štúdii sme použili rekonštituované bentonitové častice s priemerom približne 2,54 cm. Granule boli vyrobené lisovaním 11,5 gramu práškového bentonitu sodného v hydraulickom lise pri tlaku 1600 psi. Hrúbka granúl bola presne zmeraná pred umiestnením do lineárneho dilatometra (LD). Častice boli potom ponorené do vzoriek vrtnej kvapaliny vrátane základných vzoriek a vzoriek injektovaných inhibítormi používanými na zabránenie napučiavania bridlice. Zmena hrúbky granúl bola potom starostlivo monitorovaná pomocou LD, pričom merania boli zaznamenávané v 60-sekundových intervaloch počas 24 hodín.
Röntgenová difrakcia ukázala, že zloženie bentonitu, najmä jeho 47 % montmorillonitovej zložky, je kľúčovým faktorom pre pochopenie jeho geologických charakteristík. Medzi montmorillonitovými zložkami bentonitu je montmorillonit hlavnou zložkou, ktorá predstavuje 88,6 % z celkového množstva zložiek. Kremeň tvorí 29 %, illit 7 % a uhličitan 9 %. Malá časť (približne 3,2 %) je zmesou illitu a montmorillonitu. Okrem toho obsahuje stopové prvky, ako je Fe2O3 (4,7 %), hlinitokremičitan strieborný (1,2 %), muskovit (4 %) a fosfát (2,3 %). Okrem toho sú prítomné malé množstvá Na2O (1,83 %) a kremičitanu železitého (2,17 %), čo umožňuje plne pochopiť zloženie bentonitu a ich príslušné pomery.
Táto komplexná študijná časť podrobne popisuje reologické a filtračné vlastnosti vzoriek vrtnej kvapaliny pripravených s použitím prírodného hlboko eutektického rozpúšťadla (NADES) a použitých ako prísada do vrtnej kvapaliny v rôznych koncentráciách (1 %, 3 % a 5 %). Vzorky suspenzie na báze NADES boli potom porovnané a analyzované so vzorkami suspenzie pozostávajúcimi z chloridu draselného (KCl), CC:močoviny DES (hlboko eutektické rozpúšťadlo cholínchlorid:močovina) a iónových kvapalín. V tejto štúdii bolo zahrnutých niekoľko kľúčových parametrov vrátane hodnôt viskozity získaných pomocou viskozimetra FANN pred a po vystavení podmienkam starnutia pri teplote 100 °C a 150 °C. Merania sa vykonávali pri rôznych rýchlostiach otáčania (3 ot./min, 6 ot./min, 300 ot./min a 600 ot./min), čo umožnilo komplexnú analýzu správania vrtnej kvapaliny. Získané údaje sa potom môžu použiť na určenie kľúčových vlastností, ako je medza klzu (YP) a plastická viskozita (PV), ktoré poskytujú prehľad o výkonnosti kvapaliny za rôznych podmienok. Filtračné testy za vysokého tlaku a teploty (HPHT) pri tlaku 400 psi a 150 °C (typické teploty vo vysokoteplotných vrtoch) určujú výkon filtrácie (hrúbku koláča a objem filtrátu).
Táto sekcia využíva najmodernejšie zariadenie, lineárny dilatometer Grace HPHT (M4600), na dôkladné vyhodnotenie vlastností inhibície napučiavania bridlice našich vrtných kvapalín na vodnej báze. LSM je najmodernejší stroj pozostávajúci z dvoch komponentov: zhutňovacej dosky a lineárneho dilatometra (model: M4600). Bentonitové dosky boli pripravené na analýzu pomocou zhutňovača Grace Core/Plate Compactor. LSM potom poskytuje okamžité údaje o napučiavaní týchto dosiek, čo umožňuje komplexné vyhodnotenie vlastností inhibície napučiavania bridlice. Testy rozpínania bridlice sa vykonávali za okolitých podmienok, t. j. pri teplote 25 °C a tlaku 1 psia.
Testovanie stability bridlice zahŕňa kľúčový test, ktorý sa často označuje ako test výťažnosti bridlice, test ponorenia bridlice alebo test disperzie bridlice. Na začiatok tohto hodnotenia sa bridlicové odrezky oddelia na site BSS č. 6 a potom sa umiestnia na sito č. 10. Odrezky sa potom privedú do zbernej nádrže, kde sa zmiešajú so základnou kvapalinou a vrtným kalom obsahujúcim NADES (prírodné hlboko eutektické rozpúšťadlo). Ďalším krokom je umiestnenie zmesi do pece na intenzívny proces valcovania za tepla, pričom sa zabezpečí dôkladné premiešanie odrezkov a kalu. Po 16 hodinách sa odrezky odstránia z buničiny tak, že sa bridlica rozloží, čo vedie k zníženiu hmotnosti odrezkov. Test výťažnosti bridlice sa vykonal po tom, čo boli bridlicové odrezky uchovávané vo vrtnom kale pri teplote 150 °C a tlaku 1000 psi počas 24 hodín.
Na meranie výťažnosti bridlicového kalu sme ho prefiltrovali cez jemnejšie sito (40 mesh), potom sme ho dôkladne premyli vodou a nakoniec sme ho vysušili v peci. Tento starostlivý postup nám umožňuje odhadnúť výťažnosť kalu v porovnaní s pôvodnou hmotnosťou a nakoniec vypočítať percento úspešne výťažnosti bridlicového kalu. Zdroj vzoriek bridlice pochádza z okresu Niah, okres Miri, Sarawak, Malajzia. Pred disperznými a výťažnostnými testami boli vzorky bridlice podrobené dôkladnej röntgenovej difrakčnej (XRD) analýze, aby sa kvantifikovalo ich ílovité zloženie a potvrdila sa ich vhodnosť na testovanie. Zloženie ílových minerálov vzorky je nasledovné: illit 18 %, kaolinit 31 %, chloritan 22 %, vermikulit 10 % a sľuda 19 %.
Povrchové napätie je kľúčovým faktorom riadiacim prenikanie katiónov vody do mikropórov bridlice prostredníctvom kapilárneho pôsobenia, čo bude podrobne preskúmané v tejto časti. Tento článok skúma úlohu povrchového napätia v kohéznych vlastnostiach vrtných kvapalín a zdôrazňuje jeho dôležitý vplyv na proces vŕtania, najmä na inhibíciu v bridliciach. Na presné meranie povrchového napätia vzoriek vrtných kvapalín sme použili medzifázový tenziometer (IFT700), čo odhalilo dôležitý aspekt správania sa kvapalín v kontexte inhibície v bridliciach.
Táto časť podrobne rozoberá rozstup d-vrstiev, čo je medzivrstvová vzdialenosť medzi vrstvami hlinitokremičitanu a jednou vrstvou hlinitokremičitanu v íloch. Analýza zahŕňala vzorky mokrého bahna obsahujúce 1 %, 3 % a 5 % CA NADES, ako aj 3 % KCl, 3 % [EMIM]Cl a 3 % DES na báze CC:močoviny na porovnanie. Najmodernejší stolový röntgenový difraktometer (D2 Phaser) pracujúci pri 40 mA a 45 kV so žiarením Cu-Kα (λ = 1,54059 Å) zohral kľúčovú úlohu pri zaznamenávaní píkov röntgenovej difrakcie mokrých aj suchých vzoriek Na-Bt. Použitie Braggovej rovnice umožňuje presné určenie rozstupu d-vrstiev, čím poskytuje cenné informácie o správaní ílu.
Táto časť využíva pokročilý prístroj Malvern Zetasizer Nano ZSP na presné meranie zeta potenciálu. Toto vyhodnotenie poskytlo cenné informácie o nábojových charakteristikách zriedených vzoriek bahna obsahujúcich 1 %, 3 % a 5 % CA NADES, ako aj 3 % KCl, 3 % [EMIM]Cl a 3 % CC:DES na báze močoviny pre porovnávaciu analýzu. Tieto výsledky prispievajú k nášmu pochopeniu stability koloidných zlúčenín a ich interakcií v tekutinách.
Vzorky ílu boli skúmané pred a po expozícii prírodnému hlboko eutektickému rozpúšťadlu (NADES) pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu s poľovou emisiou (FESEM) Zeiss Supra 55 VP vybaveného energeticky disperzným röntgenovým žiarením (EDX). Rozlíšenie obrazu bolo 500 nm a energia elektrónového lúča bola 30 kV a 50 kV. FESEM poskytuje vizualizáciu povrchovej morfológie a štrukturálnych vlastností vzoriek ílu s vysokým rozlíšením. Cieľom tejto štúdie bolo získať informácie o vplyve NADES na vzorky ílu porovnaním snímok získaných pred a po expozícii.
V tejto štúdii bola na skúmanie vplyvu NADES na vzorky ílu na mikroskopickej úrovni použitá technológia skenovacej elektrónovej mikroskopie s emisiou poľa (FESEM). Cieľom tejto štúdie je objasniť potenciálne aplikácie NADES a jeho vplyv na morfológiu ílu a priemernú veľkosť častíc, čo poskytne cenné informácie pre výskum v tejto oblasti.
V tejto štúdii boli chybové úsečky použité na vizuálny opis variability a neistoty priemernej percentuálnej chyby (AMPE) v rôznych experimentálnych podmienkach. Namiesto vykresľovania jednotlivých hodnôt AMPE (keďže vykresľovanie hodnôt AMPE môže zakryť trendy a zveličovať malé odchýlky), vypočítavame chybové úsečky pomocou 5% pravidla. Tento prístup zabezpečuje, že každá chybová úsečka predstavuje interval, v ktorom sa očakáva, že bude spadať 95% interval spoľahlivosti a 100% hodnôt AMPE, čím sa poskytuje jasnejšie a stručnejšie zhrnutie rozdelenia údajov pre každú experimentálnu podmienku. Použitie chybových úsečiek založených na 5% pravidle tak zlepšuje interpretovateľnosť a spoľahlivosť grafických znázornení a pomáha poskytnúť podrobnejšie pochopenie výsledkov a ich dôsledkov.
Pri syntéze prírodných hlboko eutektických rozpúšťadiel (NADES) bolo počas interného procesu prípravy starostlivo študovaných niekoľko kľúčových parametrov. Medzi tieto kritické faktory patrí teplota, molárny pomer a rýchlosť miešania. Naše experimenty ukazujú, že keď sa HBA (kyselina citrónová) a HBD (glycerol) zmiešajú v molárnom pomere 1:4 pri teplote 50 °C, vytvorí sa eutektická zmes. Charakteristickým znakom eutektickej zmesi je jej transparentný, homogénny vzhľad a absencia sedimentu. Tento kľúčový krok teda zdôrazňuje dôležitosť molárneho pomeru, teploty a rýchlosti miešania, pričom molárny pomer bol najvplyvnejším faktorom pri príprave DES a NADES, ako je znázornené na obrázku 2.
Index lomu (n) vyjadruje pomer rýchlosti svetla vo vákuu k rýchlosti svetla v druhom, hustejšom prostredí. Index lomu je obzvlášť zaujímavý pre prírodné hlboko eutektické rozpúšťadlá (NADES) pri zvažovaní opticky citlivých aplikácií, ako sú biosenzory. Index lomu študovaného NADES pri 25 °C bol 1,452, čo je zaujímavé nižšie ako index lomu glycerolu.
Stojí za zmienku, že index lomu NADES klesá s teplotou a tento trend možno presne opísať vzorcom (1) a obrázkom 3, pričom absolútna priemerná percentuálna chyba (AMPE) dosahuje 0 %. Toto teplotne závislé správanie sa vysvetľuje poklesom viskozity a hustoty pri vysokých teplotách, čo spôsobuje, že svetlo prechádza médiom vyššou rýchlosťou, čo vedie k nižšej hodnote indexu lomu (n). Tieto výsledky poskytujú cenné poznatky o strategickom využití NADES v optickom snímaní a zdôrazňujú ich potenciál pre aplikácie v biosenzoroch.
Povrchové napätie, ktoré odráža tendenciu povrchu kvapaliny minimalizovať svoju plochu, má veľký význam pri posudzovaní vhodnosti prírodných hlboko eutektických rozpúšťadiel (NADES) pre aplikácie založené na kapilárnom tlaku. Štúdia povrchového napätia v teplotnom rozsahu 25 – 60 °C poskytuje cenné informácie. Pri teplote 25 °C bolo povrchové napätie NADES na báze kyseliny citrónovej 55,42 mN/m, čo je výrazne menej ako u vody a glycerolu. Obrázok 4 ukazuje, že povrchové napätie so zvyšujúcou sa teplotou výrazne klesá. Tento jav možno vysvetliť zvýšením molekulárnej kinetickej energie a následným poklesom medzimolekulárnych príťažlivých síl.
Lineárny klesajúci trend povrchového napätia pozorovaný v skúmanom NADES možno dobre vyjadriť rovnicou (2), ktorá ilustruje základný matematický vzťah v teplotnom rozsahu 25 – 60 °C. Graf na obrázku 4 jasne zobrazuje trend povrchového napätia s teplotou s absolútnou strednou percentuálnou chybou (AMPE) 1,4 %, ktorá kvantifikuje presnosť hlásených hodnôt povrchového napätia. Tieto výsledky majú dôležité dôsledky pre pochopenie správania NADES a jeho potenciálnych aplikácií.
Pochopenie dynamiky hustoty prírodných hlboko eutektických rozpúšťadiel (NADES) je kľúčové pre uľahčenie ich použitia v mnohých vedeckých štúdiách. Hustota NADES na báze kyseliny citrónovej pri 25 °C je 1,361 g/cm3, čo je vyššia hustota ako hustota pôvodného glycerolu. Tento rozdiel možno vysvetliť pridaním akceptora vodíkových väzieb (kyseliny citrónovej) do glycerolu.
Ak vezmeme ako príklad NADES na báze citrátu, jeho hustota klesne na 1,19 g/cm3 pri teplote 60 °C. Zvýšenie kinetickej energie pri zahrievaní spôsobí disperziu molekúl NADES, čo spôsobí, že zaberú väčší objem, čo vedie k poklesu hustoty. Pozorovaný pokles hustoty vykazuje určitú lineárnu koreláciu so zvýšením teploty, ktorú možno správne vyjadriť vzorcom (3). Obrázok 5 graficky znázorňuje tieto charakteristiky zmeny hustoty NADES s absolútnou priemernou percentuálnou chybou (AMPE) 1,12 %, čo poskytuje kvantitatívne meradlo presnosti uvádzaných hodnôt hustoty.
Viskozita je príťažlivá sila medzi rôznymi vrstvami kvapaliny v pohybe a hrá kľúčovú úlohu v pochopení použiteľnosti prírodných hlboko eutektických rozpúšťadiel (NADES) v rôznych aplikáciách. Pri teplote 25 °C bola viskozita NADES 951 cP, čo je vyššia viskozita ako viskozita glycerolu.
Pozorovaný pokles viskozity so zvyšujúcou sa teplotou sa vysvetľuje najmä oslabením medzimolekulárnych príťažlivých síl. Tento jav vedie k poklesu viskozity kvapaliny, čo je trend jasne znázornený na obrázku 6 a kvantifikovaný rovnicou (4). Je pozoruhodné, že pri 60 °C viskozita klesá na 898 cP s celkovou priemernou percentuálnou chybou (AMPE) 1,4 %. Detailné pochopenie závislosti viskozity od teploty v NADES má veľký význam pre jeho praktické využitie.
Hodnota pH roztoku, určená záporným logaritmom koncentrácie vodíkových iónov, je kritická, najmä v aplikáciách citlivých na pH, ako je syntéza DNA, preto je potrebné pred použitím dôkladne preskúmať pH NADES. Ak vezmeme ako príklad NADES na báze kyseliny citrónovej, možno pozorovať výrazne kyslé pH 1,91, čo je v ostrom kontraste s relatívne neutrálnym pH glycerolu.
Je zaujímavé, že pH prírodného rozpúšťadla rozpustného v dehydrogenáze kyseliny citrónovej (NADES) vykazovalo nelineárny klesajúci trend so zvyšujúcou sa teplotou. Tento jav sa pripisuje zvýšeným molekulárnym vibráciám, ktoré narúšajú rovnováhu H+ v roztoku, čo vedie k tvorbe iónov [H]+ a následne k zmene hodnoty pH. Zatiaľ čo prirodzené pH kyseliny citrónovej sa pohybuje od 3 do 5, prítomnosť kyslého vodíka v glycerole ďalej znižuje pH na 1,91.
Správanie sa pH NADES na báze citrátu v teplotnom rozsahu 25 – 60 °C možno vhodne znázorniť rovnicou (5), ktorá poskytuje matematický výraz pre pozorovaný trend pH. Obrázok 7 graficky znázorňuje tento zaujímavý vzťah a zdôrazňuje vplyv teploty na pH NADES, ktoré je pre AMPE údajne 1,4 %.
Termogravimetrická analýza (TGA) hlboko eutektické rozpúšťadlo na báze prírodnej kyseliny citrónovej (NADES) sa systematicky vykonávala v teplotnom rozsahu od izbovej teploty do 500 °C. Ako je vidieť na obrázkoch 8a a b, počiatočná strata hmotnosti do 100 °C bola spôsobená najmä absorbovanou vodou a hydratačnou vodou spojenou s kyselinou citrónovou a čistým glycerolom. Významná retencia hmotnosti, približne 88 %, sa pozorovala až do 180 °C, čo bolo spôsobené najmä rozkladom kyseliny citrónovej na kyselinu akonitovú a následnou tvorbou anhydridu kyseliny metylmaleínovej(III) pri ďalšom zahrievaní (obrázok 8b). Nad 180 °C bolo možné pozorovať aj jasný výskyt akroleínu (akrylaldehydu) v glycerole, ako je znázornené na obrázku 8b37.
Termogravimetrická analýza (TGA) glycerolu odhalila dvojstupňový proces úbytku hmotnosti. Počiatočný stupeň (180 až 220 °C) zahŕňa tvorbu akroleínu, po ktorom nasleduje významný úbytok hmotnosti pri vysokých teplotách od 230 do 300 °C (obrázok 8a). S rastúcou teplotou sa postupne tvorí acetaldehyd, oxid uhličitý, metán a vodík. Je pozoruhodné, že pri 300 °C sa zachovalo iba 28 % hmotnosti, čo naznačuje, že vnútorné vlastnosti NADES 8(a)38,39 môžu byť chybné.
Na získanie informácií o tvorbe nových chemických väzieb boli čerstvo pripravené suspenzie prírodných hlboko eutektických rozpúšťadiel (NADES) analyzované pomocou infračervenej spektroskopie s Fourierovou transformáciou (FTIR). Analýza sa vykonala porovnaním spektra suspenzie NADES so spektrami čistej kyseliny citrónovej (CA) a glycerolu (Gly). Spektrum CA vykazovalo jasné píky pri 1752 l/cm a 1673 l/cm, ktoré predstavujú vibračné vibrácie väzby C=O a sú tiež charakteristické pre CA. Okrem toho bol v oblasti odtlačkov prstov pozorovaný významný posun v deformačnej vibrácii OH pri 1360 l/cm, ako je znázornené na obrázku 9.
Podobne v prípade glycerolu boli zistené posuny valenčných a ohybových vibrácií OH pri vlnových čísloch 3291 1/cm a 1414 1/cm. Analýzou spektra pripraveného NADES sa zistil významný posun v spektre. Ako je znázornené na obrázku 7, valenčná vibrácia väzby C=O sa posunula z 1752 1/cm na 1720 1/cm a ohybová vibrácia väzby -OH glycerolu sa posunula z 1414 1/cm na 1359 1/cm. Tieto posuny vlnových čísiel naznačujú zmenu elektronegativity, čo naznačuje vznik nových chemických väzieb v štruktúre NADES.