Köszönjük, hogy felkereste a nature.com weboldalt. Az Ön által használt böngészőverzió korlátozott CSS-támogatással rendelkezik. A legjobb élmény érdekében a legújabb böngészőverzió használatát javasoljuk (vagy az Internet Explorer kompatibilitási módjának kikapcsolását). Ezenkívül a folyamatos támogatás biztosítása érdekében ez az oldal nem tartalmaz stílusokat vagy JavaScriptet.
A törmelékes rezervoárokban a pala terjeszkedése jelentős problémákat okoz, ami a fúrólyuk instabilitásához vezet. Környezetvédelmi okokból a palagátlókkal kiegészített víz alapú fúrófolyadék használata előnyösebb az olaj alapú fúrófolyadékkal szemben. Az ionos folyadékok (IL-ek) nagy figyelmet kaptak palagátlóként hangolható tulajdonságaik és erős elektrosztatikus jellemzőik miatt. Az imidazolil-alapú ionos folyadékok (IL-ek), amelyeket széles körben használnak a fúrófolyadékokban, azonban mérgezőnek, biológiailag nem lebomlónak és drágának bizonyultak. A mély eutektikus oldószerek (DES) költséghatékonyabb és kevésbé mérgező alternatívájának tekinthetők az ionos folyadékokkal szemben, de még mindig nem teljesítik a szükséges környezeti fenntarthatóságot. A terület legújabb fejlesztései a természetes mély eutektikus oldószerek (NADES) bevezetéséhez vezettek, amelyek valódi környezetbarát jellegükről ismertek. Ez a tanulmány a NADES-eket vizsgálta, amelyek citromsavat (hidrogénkötés-akceptorként) és glicerint (hidrogénkötés-donorként) tartalmaznak fúrófolyadék-adalékanyagként. A NADES-alapú fúrófolyadékokat az API 13B-1 szabványnak megfelelően fejlesztették ki, és teljesítményüket kálium-klorid alapú fúrófolyadékokkal, imidazólium alapú ionos folyadékokkal és kolin-klorid:karbamid-DES alapú fúrófolyadékokkal hasonlították össze. A szabadalmaztatott NADES-ek fizikai-kémiai tulajdonságait részletesen ismertetik. A vizsgálat során értékelték a fúrófolyadék reológiai tulajdonságait, folyadékveszteségét és palaképződést gátló tulajdonságait, és kimutatták, hogy 3%-os NADES-koncentrációnál a folyáshatár/képlékeny viszkozitás arány (YP/PV) nőtt, az iszaplepény vastagsága 26%-kal, a szűrlet térfogata pedig 30,1%-kal csökkent. Figyelemre méltó, hogy a NADES lenyűgöző, 49,14%-os tágulásgátlási rátát és 86,36%-kal növelte a palaképződést. Ezeket az eredményeket a NADES azon képességének tulajdonítják, hogy módosítja az agyagok felületi aktivitását, zeta-potenciálját és rétegek közötti távolságát, amelyeket ebben a cikkben tárgyalunk az alapul szolgáló mechanizmusok megértése érdekében. Ez a fenntartható fúrófolyadék várhatóan forradalmasítja a fúróipart azáltal, hogy nem mérgező, költséghatékony és rendkívül hatékony alternatívát kínál a hagyományos palakorróziógátlókkal szemben, utat nyitva a környezetbarát fúrási gyakorlatoknak.
A pala egy sokoldalú kőzet, amely szénhidrogének forrásaként és tárolójaként is szolgál, porózus szerkezete1 pedig lehetőséget biztosít ezen értékes erőforrások kitermelésére és tárolására egyaránt. A pala azonban gazdag agyagásványokban, például montmorillonitban, szmektitben, kaolinitban és illitben, amelyek miatt vízzel érintkezve hajlamos a duzzanatra, ami a fúrási műveletek során a kútfej instabilitásához vezet2,3. Ezek a problémák improduktív időhöz (NPT) és számos üzemeltetési problémához vezethetnek, beleértve az elakadt csöveket, az iszapkeringés elvesztését, a kútfej összeomlását és a fúrólyuk eltömődését, ami növeli a helyreállítási időt és a költségeket. Hagyományosan az olaj alapú fúrófolyadékok (OBDF) voltak az előnyben részesített választás a palaképződményekhez, mivel képesek ellenállni a pala tágulásának4. Az olaj alapú fúrófolyadékok használata azonban magasabb költségekkel és környezeti kockázatokkal jár. A szintetikus alapú fúrófolyadékokat (SBDF) alternatívaként fontolóra vették, de magas hőmérsékleten való alkalmasságuk nem kielégítő. A víz alapú fúrófolyadékok (WBDF) vonzó megoldást jelentenek, mert biztonságosabbak, környezetbarátabbak és költséghatékonyabbak, mint az OBDF5. Különböző palagátlókat alkalmaztak a WBDF palagátló képességének fokozására, beleértve a hagyományos inhibitorokat, mint például a kálium-kloridot, a meszet, a szilikátot és a polimert. Ezeknek az inhibitoroknak azonban vannak korlátai a hatékonyság és a környezeti hatások tekintetében, különösen a kálium-klorid inhibitorok magas K+ koncentrációja és a szilikátok pH-érzékenysége miatt. 6 A kutatók vizsgálták az ionos folyadékok fúrófolyadék-adalékanyagként való használatának lehetőségét a fúrófolyadék reológiájának javítása, valamint a pala duzzadásának és hidrátképződésének megelőzése érdekében. Ezek az ionos folyadékok, különösen az imidazolil-kationokat tartalmazók, azonban általában mérgezőek, drágák, nem lebomlóak, és összetett előállítási folyamatokat igényelnek. E problémák megoldása érdekében az emberek gazdaságosabb és környezetbarátabb alternatívát kezdtek keresni, ami a mély eutektikus oldószerek (DES) megjelenéséhez vezetett. A DES egy eutektikus keverék, amelyet egy hidrogénkötés-donor (HBD) és egy hidrogénkötés-akceptor (HBA) alkot egy meghatározott mólarányban és hőmérsékleten. Ezeknek az eutektikus keverékeknek az olvadáspontja alacsonyabb, mint az egyes komponenseiknek, elsősorban a hidrogénkötések által okozott töltésdelokalizáció miatt. Számos tényező, beleértve a rácsenergia, az entrópiaváltozás, valamint az anionok és a HBD közötti kölcsönhatások kulcsszerepet játszanak a DES olvadáspontjának csökkentésében.
Korábbi tanulmányokban különféle adalékanyagokat adtak a vízbázisú fúrófolyadékhoz a pala duzzanatának problémájának megoldására. Például Ofei és munkatársai 1-butil-3-metilimidazólium-kloridot (BMIM-Cl) adtak hozzá, ami jelentősen csökkentette az iszaplepény vastagságát (akár 50%-kal), és 11-szeresére csökkentette az YP/PV értéket különböző hőmérsékleteken. Huang és munkatársai ionos folyadékokat (konkrétan 1-hexil-3-metilimidazólium-bromidot és 1,2-bisz(3-hexilimidazólium-1-il)etán-bromidot) használtak Na-Bt részecskékkel kombinálva, és jelentősen, 86,43%-kal, illetve 94,17%-kal csökkentették a pala duzzadását12. Ezenkívül Yang és munkatársai 1-vinil-3-dodecilimidazólium-bromidot és 1-vinil-3-tetradecilimidazólium-bromidot használtak a pala duzzadásának 16,91%-os, illetve 5,81%-os csökkentésére.13 Yang és munkatársai 1-vinil-3-etilimidazólium-bromidot is használtak, és 31,62%-kal csökkentették a pala expanzióját, miközben a pala kinyerését 40,60%-on tartották.14 Ezenkívül Luo és munkatársai 1-oktil-3-metilimidazólium-tetrafluoroborátot használtak a pala duzzadásának 80%-os csökkentésére.15, 16 Dai és munkatársai ionos folyékony kopolimereket használtak a pala gátlására, és 18%-os növekedést értek el a lineáris kinyerésben az amin inhibitorokhoz képest.17
Maguknak az ionos folyadékoknak is vannak hátrányaik, ami arra késztette a tudósokat, hogy környezetbarátabb alternatívákat keressenek az ionos folyadékok helyett, és így született meg a DES. Hanjia volt az első, aki mély eutektikus oldószereket (DES) alkalmazott, amelyek vinil-klorid-propionsavból (1:1), vinil-klorid-3-fenilpropionsavból (1:2) és 3-merkaptopropionsav + itakonsav + vinil-kloridból (1:1:2) álltak, és amelyek 68%-kal, 58%-kal és 58%-kal gátolták a bentonit duzzadását18. Egy szabad kísérletben MH Rasul 2:1 arányú glicerint és kálium-karbonátot (DES) használt, és jelentősen, 87%-kal csökkentette a pala minták duzzadását19,20. Ma karbamid:vinil-kloridot használt a pala duzzadásának jelentős, 67%-os csökkentésére21. Rasul és munkatársai. A DES és a polimer kombinációját kettős hatású palagátlóként alkalmazták, amely kiváló palagátló hatást ért el22.
Bár a mély eutektikus oldószereket (DES) általában zöldebb alternatívának tekintik az ionos folyadékokkal szemben, potenciálisan mérgező összetevőket is tartalmaznak, például ammóniumsókat, ami megkérdőjelezi környezetbarát jellegüket. Ez a probléma vezetett a természetes mély eutektikus oldószerek (NADES) kifejlesztéséhez. Ezeket továbbra is DES-ként osztályozzák, de természetes anyagokból és sókból állnak, beleértve a kálium-kloridot (KCl), a kalcium-kloridot (CaCl2), az Epsom-sókat (MgSO4.7H2O) és másokat. A DES és a NADES számos lehetséges kombinációja széleskörű kutatási lehetőségeket nyit meg ezen a területen, és várhatóan számos területen alkalmazásokat találnak. Számos kutató sikeresen kifejlesztett új DES-kombinációkat, amelyek számos alkalmazásban hatékonynak bizonyultak. Például Naser és munkatársai 2013-ban kálium-karbonát alapú DES-t szintetizáltak, és tanulmányozták termofizikai tulajdonságait, amelyek később alkalmazásokat találtak a hidrátgátlás, a fúrófolyadék-adalékanyagok, a delignifikáció és a nanofibrilláció területén.23 Jordy Kim és munkatársai aszkorbinsav alapú NADES-t fejlesztettek ki, és értékelték antioxidáns tulajdonságait különböző alkalmazásokban. 24 Christer és munkatársai citromsav alapú NADES-t fejlesztettek ki, és azonosították annak potenciálját kollagéntermékek segédanyagaként. 25 Liu Yi és munkatársai egy átfogó áttekintésben foglalták össze a NADES extrakciós és kromatográfiás közegként való alkalmazását, míg Misan és munkatársai a NADES sikeres alkalmazásait tárgyalták az agrár-élelmiszeripari szektorban. Rendkívül fontos, hogy a fúrófolyadék-kutatók elkezdjenek figyelmet fordítani a NADES hatékonyságára alkalmazásaikban. 2023-ban Rasul és munkatársai természetes mélyeutektikus oldószerek különböző kombinációit használták aszkorbinsav26, kalcium-klorid27, kálium-klorid28 és Epsom-só29 alapján, és lenyűgöző palagátlást és palakinyerést értek el. Ez a tanulmány az egyik első olyan tanulmány, amely a NADES-t (különösen a citromsav és glicerin alapú készítményt) környezetbarát és hatékony palagátlóként mutatta be vízbázisú fúrófolyadékokban, amely kiváló környezeti stabilitással, jobb palagátlási képességgel és jobb folyadékteljesítményel rendelkezik a hagyományos inhibitorokhoz, például a KCl-hoz, az imidazolil-alapú ionos folyadékokhoz és a hagyományos DES-hez képest.
A tanulmány magában foglalja a citromsav (CA) alapú NADES házon belüli előállítását, majd részletes fizikai-kémiai jellemzését és fúrófolyadék-adalékanyagként való felhasználását a fúrófolyadék tulajdonságainak és duzzadásgátló képességének értékelésére. Ebben a tanulmányban a CA hidrogénkötés-akceptorként, míg a glicerin (Gly) hidrogénkötés-donorként fog működni, amelyeket az MH szűrőkritériumok alapján választanak ki a NADES képződéséhez/szelekciójához a palagátlási vizsgálatokban30. A Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópia (FTIR), a röntgendiffrakció (XRD) és a zeta-potenciál (ZP) mérések tisztázzák a NADES-agyag kölcsönhatásokat és az agyag duzzadásgátlásának mechanizmusát. Ezenkívül a tanulmány összehasonlítja a CA NADES alapú fúrófolyadékot az 1-etil-3-metilimidazólium-kloridon [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl-on és kolin-klorid:karbamidon (1:2) alapuló DES32-vel, hogy megvizsgálja hatékonyságukat a palagátlásban és a fúrófolyadék teljesítményének javításában.
A citromsavat (monohidrát), a glicerint (99 USP) és a karbamidot az EvaChem (Kuala Lumpur, Malajzia) cégtől szereztük be. A kolin-kloridot (>98%), a 98%-os [EMIM]Cl-t és a kálium-kloridot a Sigma Aldrich (Malajzia) cégtől szereztük be. Az összes vegyi anyag kémiai szerkezetét az 1. ábra mutatja. A zöld diagram a vizsgálatban használt főbb vegyi anyagokat hasonlítja össze: imidazolil ionos folyadék, kolin-klorid (DES), citromsav, glicerin, kálium-klorid és NADES (citromsav és glicerin). A vizsgálatban használt vegyi anyagok környezetbarát jellegét az 1. táblázat tartalmazza. A táblázatban minden vegyi anyagot toxicitás, biológiai lebonthatóság, költség és környezeti fenntarthatóság alapján osztályoztunk.
A vizsgálatban felhasznált anyagok kémiai szerkezete: (a) citromsav, (b) [EMIM]Cl, (c) kolin-klorid és (d) glicerin.
A CA (természetes mélyeutektikus oldószer) alapú NADES fejlesztéséhez szükséges hidrogénkötés-donor (HBD) és hidrogénkötés-akceptor (HBA) jelölteket gondosan választották ki az MH 30 szelekciós kritériumok szerint, amelyek a NADES hatékony palagátlóként való fejlesztését célozzák. E kritérium szerint a nagyszámú hidrogénkötés-donorral és -akceptorral, valamint poláris funkciós csoporttal rendelkező komponensek tekinthetők alkalmasnak a NADES fejlesztésére.
Ezenkívül az [EMIM]Cl ionos folyadékot és a kolin-klorid:karbamid mély eutektikus oldószert (DES) választottuk összehasonlításra ebben a tanulmányban, mivel széles körben használják ezeket fúrófolyadék-adalékanyagként33,34,35,36. Ezenkívül a kálium-kloridot (KCl) is összehasonlítottuk, mivel az egy gyakori inhibitor.
A citromsavat és a glicerint különböző mólarányokban keverték össze, hogy eutektikus keverékeket kapjanak. A vizuális ellenőrzés azt mutatta, hogy az eutektikus keverék homogén, átlátszó folyadék volt, zavarosság nélkül, ami azt jelzi, hogy a hidrogénkötés-donor (HBD) és a hidrogénkötés-akceptor (HBA) sikeresen összekeveredett ebben az eutektikus összetételben. Előzetes kísérleteket végeztek a HBD és a HBA keverési folyamatának hőmérsékletfüggő viselkedésének megfigyelésére. A rendelkezésre álló szakirodalom szerint az eutektikus keverékek arányát három meghatározott hőmérsékleten értékelték: 50 °C, 70 °C és 100 °C felett, ami azt jelzi, hogy az eutektikus hőmérséklet általában 50–80 °C tartományban van. A HBD és HBA komponensek pontos mérésére Mettler digitális mérleget használtak, és Thermo Fisher forrólapot használtak a HBD és a HBA melegítésére és keverésére 100 fordulat/perc sebességgel, szabályozott körülmények között.
A szintetizált mélyeutektikus oldószerünk (DES) termofizikai tulajdonságait, beleértve a sűrűséget, a felületi feszültséget, a törésmutatót és a viszkozitást, pontosan mértük 289,15 és 333,15 K közötti hőmérsékleti tartományban. Meg kell jegyezni, hogy ezt a hőmérsékleti tartományt elsősorban a meglévő berendezések korlátai miatt választottuk. Az átfogó elemzés magában foglalta a NADES-készítmény különböző termofizikai tulajdonságainak mélyreható vizsgálatát, feltárva azok viselkedését egy adott hőmérsékleti tartományban. Erre a specifikus hőmérsékleti tartományra összpontosítva betekintést nyerhetünk a NADES azon tulajdonságaiba, amelyek számos alkalmazás szempontjából különösen fontosak.
Az előállított NADES felületi feszültségét 289,15 és 333,15 K közötti tartományban mérték határfelületi feszültségmérővel (IFT700). A NADES-cseppeket nagy térfogatú folyadékkal töltött kamrában, kapilláris tű segítségével, meghatározott hőmérsékleti és nyomásviszonyok között képezik. A modern képalkotó rendszerek megfelelő geometriai paramétereket vezetnek be a határfelületi feszültség Laplace-egyenlet segítségével történő kiszámításához.
Egy ATAGO refraktométert használtunk a frissen elkészített NADES törésmutatójának meghatározására 289,15 és 333,15 K közötti hőmérsékleti tartományban. A műszer egy hőmodult használ a hőmérséklet szabályozására a fénytörés mértékének becsléséhez, így nincs szükség állandó hőmérsékletű vízfürdőre. A refraktométer prizma felületét meg kell tisztítani, és a mintaoldatot egyenletesen kell elosztani rajta. Kalibráljuk egy ismert standardoldattal, majd olvassuk le a törésmutatót a képernyőről.
Az előállított NADES viszkozitását 289,15 és 333,15 K közötti hőmérsékleti tartományban mértük Brookfield rotációs viszkoziméterrel (kriogén típusú), 30 fordulat/perc nyírási sebességgel és 6-os orsómérettel. A viszkozitásmérő a viszkozitást úgy méri, hogy meghatározza azt a nyomatékot, amely az orsó állandó sebességgel történő forgatásához szükséges egy folyékony mintában. Miután a mintát az orsó alatti szitára helyeztük és meghúztuk, a viszkozitásmérő centipoise-ban (cP) jeleníti meg a viszkozitást, értékes információkat nyújtva a folyadék reológiai tulajdonságairól.
Egy hordozható DMA 35 Basic sűrűségmérőt használtunk a frissen készített természetes mélyeutektikus oldószer (NDEES) sűrűségének meghatározására 289,15–333,15 K hőmérsékleti tartományban. Mivel a készülék nem rendelkezik beépített fűtővel, a NADES sűrűségmérő használata előtt elő kell melegíteni a megadott hőmérsékletre (± 2 °C). Legalább 2 ml mintát kell szívni a csövön keresztül, és a sűrűség azonnal megjelenik a képernyőn. Érdemes megjegyezni, hogy a beépített fűtőelem hiánya miatt a mérési eredmények ± 2 °C-os hibával rendelkeznek.
A frissen elkészített NADES pH-értékének 289,15–333,15 K hőmérsékleti tartományban történő kiértékeléséhez Kenis asztali pH-mérőt használtunk. Mivel nincs beépített fűtőberendezés, a NADES-t először egy főzőlap segítségével melegítettük a kívánt hőmérsékletre (±2 °C), majd közvetlenül pH-mérővel mértük. A pH-mérő szondáját teljesen merítettük a NADES-be, és a leolvasott érték stabilizálódása után jegyeztük fel a végeredményt.
Termogravimetriás analízist (TGA) alkalmaztunk a természetes mély eutektikus oldószerek (NADES) termikus stabilitásának értékelésére. A mintákat melegítés közben elemeztük. Nagy pontosságú mérleg segítségével és a melegítési folyamat gondos monitorozásával a tömegveszteséget a hőmérséklet függvényében ábrázoltuk. A NADES-t 0-ról 500 °C-ra melegítettük percenként 1 °C sebességgel.
A folyamat megkezdéséhez a NADES mintát alaposan össze kell keverni, homogenizálni kell, és a felületi nedvességet el kell távolítani. Az előkészített mintát ezután egy TGA küvettába helyezik, amely jellemzően inert anyagból, például alumíniumból készül. A pontos eredmények biztosítása érdekében a TGA műszereket referenciaanyagok, jellemzően súlystandardok segítségével kalibrálják. A kalibrálás után megkezdődik a TGA kísérlet, és a mintát szabályozott módon, általában állandó sebességgel melegítik. A minta súlya és a hőmérséklet közötti kapcsolat folyamatos monitorozása a kísérlet kulcsfontosságú része. A TGA műszerek adatokat gyűjtenek a hőmérsékletről, a súlyról és más paraméterekről, például a gázáramlásról vagy a minta hőmérsékletéről. Miután a TGA kísérlet befejeződött, a gyűjtött adatokat elemzik, hogy meghatározzák a minta súlyának változását a hőmérséklet függvényében. Ez az információ értékes a minta fizikai és kémiai változásaival kapcsolatos hőmérsékleti tartományok meghatározásában, beleértve az olyan folyamatokat, mint az olvadás, párolgás, oxidáció vagy bomlás.
A vízbázisú fúrófolyadékot gondosan az API 13B-1 szabvány szerint állították össze, és a konkrét összetételét referenciaként a 2. táblázat tartalmazza. A természetes mélyeutektikus oldószer (NADES) előállításához citromsavat és glicerint (99 USP) vásároltak a Sigma Aldrich-tól, Malajziából. Ezenkívül a hagyományos palagátló kálium-kloridot (KCl) is a Sigma Aldrich-tól, Malajziából vásárolták. A 98%-nál tisztaabb 1-etil, 3-metilimidazólium-kloridot ([EMIM]Cl) választották ki, mivel jelentős hatással van a fúrófolyadék reológiájának javítására és a palagátlásra, amit korábbi vizsgálatok is megerősítettek. Mind a KCl-t, mind a ([EMIM]Cl)-t felhasználják az összehasonlító elemzésben a NADES palagátlási teljesítményének értékelésére.
Sok kutató bentonitpelyheket használ a pala duzzadásának vizsgálatára, mivel a bentonit ugyanazt a „montmorillonit” csoportot tartalmazza, amely a pala duzzadását okozza. A valódi palamagminták beszerzése kihívást jelent, mivel a magmintavételi folyamat destabilizálja a palát, ami olyan mintákat eredményez, amelyek nem teljesen palából állnak, hanem jellemzően homokkő és mészkő rétegek keverékét tartalmazzák. Ezenkívül a palamintákból jellemzően hiányoznak a pala duzzadását okozó montmorillonit csoportok, ezért alkalmatlanok a duzzadásgátlási kísérletekre.
Ebben a tanulmányban körülbelül 2,54 cm átmérőjű, helyreállított bentonit részecskéket használtunk. A granulátumokat 11,5 gramm nátrium-bentonit por hidraulikus présben, 1600 psi nyomáson történő préselésével állítottuk elő. A granulátumok vastagságát pontosan megmértük, mielőtt lineáris dilatométerbe (LD) helyeztük volna őket. A részecskéket ezután fúrófolyadék mintákba merítettük, beleértve az alapmintákat és a pala duzzadásának megakadályozására használt inhibitorokkal injektált mintákat. A granulátum vastagságának változását ezután gondosan monitoroztuk az LD segítségével, a méréseket 60 másodperces időközönként 24 órán keresztül rögzítettük.
A röntgendiffrakció kimutatta, hogy a bentonit összetétele, különösen a 47%-os montmorillonit-komponense kulcsfontosságú tényező a geológiai jellemzőinek megértésében. A bentonit montmorillonit-komponensei közül a montmorillonit a fő összetevő, az összes összetevő 88,6%-át teszi ki. Eközben a kvarc 29%-ot, az illit 7%-ot, a karbonát pedig 9%-ot tesz ki. Kis része (körülbelül 3,2%) illit és montmorillonit keveréke. Ezenkívül nyomelemeket is tartalmaz, például Fe2O3-at (4,7%), ezüst-alumínium-szilikátot (1,2%), muszkovitot (4%) és foszfátot (2,3%). Ezenkívül kis mennyiségű Na2O (1,83%) és vas-szilikát (2,17%) is jelen van, ami lehetővé teszi a bentonit alkotóelemeinek és azok arányainak teljes körű megértését.
Ez az átfogó tanulmány részletezi a természetes mélyeutektikus oldószerrel (NADES) előállított és különböző koncentrációkban (1%, 3% és 5%) fúrófolyadék-adalékként használt fúrófolyadék-minták reológiai és szűrési tulajdonságait. A NADES alapú zagymintákat ezután összehasonlították és elemezték kálium-kloridból (KCl), CC:karbamid DES-ből (kolin-klorid mélyeutektikus oldószer:karbamid) és ionos folyadékokból álló zagymintákkal. A vizsgálat számos kulcsfontosságú paramétert vizsgált, beleértve a FANN viszkozitásmérővel 100°C-on és 150°C-on végzett öregítési körülményeknek való kitettség előtt és után kapott viszkozitási értékeket. A méréseket különböző forgási sebességeken (3 ford/perc, 6 ford/perc, 300 ford/perc és 600 ford/perc) végezték, lehetővé téve a fúrófolyadék viselkedésének átfogó elemzését. A kapott adatok ezután felhasználhatók olyan kulcsfontosságú tulajdonságok meghatározására, mint a folyáshatár (YP) és a plasztikus viszkozitás (PV), amelyek betekintést nyújtanak a folyadék teljesítményébe különböző körülmények között. A nagynyomású, nagy hőmérsékletű (HPHT) szűrési tesztek 400 psi nyomáson és 150 °C-on (tipikus hőmérsékletek magas hőmérsékletű kutakban) meghatározzák a szűrési teljesítményt (a szűrőlepény vastagsága és a szűrlet térfogata).
Ez a rész a legmodernebb berendezést, a Grace HPHT lineáris dilatométert (M4600) használja a vízbázisú fúrófolyadékaink pala duzzadásgátló tulajdonságainak alapos értékelésére. Az LSM egy korszerű gép, amely két komponensből áll: egy lemezes tömörítőből és egy lineáris dilatométerből (modell: M4600). A bentonit lemezeket a Grace Core/Plate Compactor segítségével készítettük elő elemzésre. Az LSM ezután azonnal duzzadási adatokat szolgáltat ezekről a lemezekről, lehetővé téve a pala duzzadásgátló tulajdonságainak átfogó értékelését. A pala expanziós vizsgálatokat környezeti körülmények között, azaz 25 °C-on és 1 psia nyomáson végeztük.
A pala stabilitási vizsgálata egy kulcsfontosságú vizsgálatot foglal magában, amelyet gyakran pala-visszanyerési vizsgálatnak, palamártási vizsgálatnak vagy pala diszperziós vizsgálatnak neveznek. Ennek az értékelésnek a megkezdéséhez a palaforgácsokat egy 6-os BSS szitán választják szét, majd egy 10-es szitára helyezik. A forgácsokat ezután egy tárolótartályba vezetik, ahol egy alapfolyadékkal és NADES-t (természetes mélyeutektikus oldószert) tartalmazó fúróiszappal keverik össze. A következő lépés a keverék kemencébe helyezése intenzív meleghengerlési folyamathoz, biztosítva, hogy a forgács és az iszap alaposan összekeveredjen. 16 óra elteltével a forgácsokat eltávolítják a pépből azáltal, hogy hagyják a palát lebomlani, ami a forgács súlyának csökkenéséhez vezet. A pala-visszanyerési vizsgálatot azután végezték, hogy a palaforgácsokat 24 órán belül fúróiszapban tartották 150 °C-on és 1000 psi hüvelyk nyomáson.
A palaiszap kinyerésének méréséhez finomabb szitán (40 mesh) szűrtük át, majd alaposan mostuk vízzel, végül kemencében szárítottuk. Ez a fáradságos eljárás lehetővé teszi számunkra, hogy megbecsüljük a kinyert iszap mennyiségét az eredeti tömeghez képest, végső soron kiszámítva a sikeresen kinyert palaiszap százalékos arányát. A palaminták forrása a malajziai Sarawak Niah kerületéből, Miri kerületéből származik. A diszperziós és kinyerési vizsgálatok előtt a palamintákat alapos röntgendiffrakciós (XRD) elemzésnek vetettük alá, hogy meghatározzuk agyagösszetételüket és megerősítsük a vizsgálatra való alkalmasságukat. A minta agyagásványi összetétele a következő: illit 18%, kaolinit 31%, klorit 22%, vermikulit 10% és csillám 19%.
A felületi feszültség kulcsfontosságú tényező, amely szabályozza a vízkationok kapilláris hatás révén történő behatolását a pala mikropórusaiba, amit ebben a szakaszban részletesen tárgyalunk. Ez a tanulmány a felületi feszültség szerepét vizsgálja a fúrófolyadékok kohéziós tulajdonságában, kiemelve annak fontos hatását a fúrási folyamatra, különösen a palagátlásra. Egy határfelületi tenziométert (IFT700) használtunk a fúrófolyadék minták felületi feszültségének pontos mérésére, ami a folyadék viselkedésének egy fontos aspektusát tárja fel a palagátlás összefüggésében.
Ez a szakasz részletesen tárgyalja a d-réteg távolságot, amely az alumínium-szilikát rétegek és az agyagokban található egyetlen alumínium-szilikát réteg közötti rétegtávolság. Az elemzés 1%, 3% és 5% CA NADES-t, valamint 3% KCl-t, 3% [EMIM]Cl-t és 3% CC:karbamid alapú DES-t tartalmazó nedves iszapmintákra terjedt ki összehasonlításképpen. Egy korszerű, 40 mA-es és 45 kV-os Cu-Kα sugárzással (λ = 1,54059 Å) működő asztali röntgendiffrakciós mérőeszköz (D2 Phaser) kritikus szerepet játszott mind a nedves, mind a száraz Na-Bt minták röntgendiffrakciós csúcsainak rögzítésében. A Bragg-egyenlet alkalmazása lehetővé teszi a d-réteg távolság pontos meghatározását, ezáltal értékes információkat szolgáltat az agyag viselkedéséről.
Ez a rész a fejlett Malvern Zetasizer Nano ZSP műszert használja a zéta-potenciál pontos mérésére. Ez az értékelés értékes információkat szolgáltatott az 1%, 3% és 5% CA NADES-t, valamint a 3% KCl-t, 3% [EMIM]Cl-t és 3% CC:karbamid alapú DES-t tartalmazó híg iszapminták töltésjellemzőiről az összehasonlító elemzéshez. Ezek az eredmények hozzájárulnak a kolloid vegyületek stabilitásának és folyadékokban való kölcsönhatásainak megértéséhez.
Az agyagmintákat a természetes mélyeutektikus oldószerrel (NADES) való kezelés előtt és után vizsgálták egy energiadiszperzív röntgennel (EDX) felszerelt Zeiss Supra 55 VP téremissziós pásztázó elektronmikroszkóppal (FESEM). A képalkotási felbontás 500 nm, az elektronnyaláb energiája pedig 30 kV és 50 kV volt. A FESEM nagy felbontású vizualizációt biztosít az agyagminták felületi morfológiájáról és szerkezeti jellemzőiről. A tanulmány célja az volt, hogy információkat szerezzen a NADES agyagmintákra gyakorolt ​​hatásáról az expozíció előtt és után kapott képek összehasonlításával.
Ebben a tanulmányban téremissziós pásztázó elektronmikroszkópos (FESEM) technológiát alkalmaztak a NADES agyagmintákra gyakorolt ​​hatásának mikroszkopikus szintű vizsgálatára. A tanulmány célja a NADES lehetséges alkalmazásainak, valamint az agyag morfológiájára és az átlagos részecskeméretre gyakorolt ​​hatásának feltárása, ami értékes információkkal szolgálhat a terület kutatásához.
Ebben a tanulmányban hibasávokat használtunk az átlagos százalékos hiba (AMPE) kísérleti körülmények közötti változékonyságának és bizonytalanságának vizuális leírására. Az egyes AMPE-értékek ábrázolása helyett (mivel az AMPE-értékek ábrázolása elfedheti a trendeket és eltúlozhatja a kis eltéréseket), az 5%-os szabály segítségével számítottuk ki a hibasávokat. Ez a megközelítés biztosítja, hogy minden hibasáv azt az intervallumot jelölje, amelybe a 95%-os konfidenciaintervallum és az AMPE-értékek 100%-a várhatóan beleesik, ezáltal világosabb és tömörebb összefoglalást nyújtva az egyes kísérleti körülmények közötti adateloszlásról. Az 5%-os szabályon alapuló hibasávok használata így javítja a grafikus ábrázolások értelmezhetőségét és megbízhatóságát, és segít az eredmények és azok következményeinek részletesebb megértésében.
A természetes mélyeutektikus oldószerek (NADES) szintézise során számos kulcsfontosságú paramétert gondosan tanulmányoztak a házon belüli előállítási folyamat során. Ezek a kritikus tényezők a hőmérséklet, a mólarány és a keverési sebesség. Kísérleteink azt mutatják, hogy amikor a HBA-t (citromsav) és a HBD-t (glicerin) 1:4 mólarányban keverik 50°C-on, eutektikus keverék keletkezik. Az eutektikus keverék megkülönböztető jegye az átlátszó, homogén megjelenés és az üledék hiánya. Így ez a kulcsfontosságú lépés kiemeli a mólarány, a hőmérséklet és a keverési sebesség fontosságát, amelyek közül a mólarány volt a legbefolyásosabb tényező a DES és a NADES előállításában, amint az a 2. ábrán látható.
A törésmutató (n) a vákuumban mért fénysebesség és egy második, sűrűbb közegben mért fénysebesség arányát fejezi ki. A törésmutató különösen érdekes a természetes mély eutektikus oldószerek (NADES) esetében, optikailag érzékeny alkalmazások, például bioszenzorok esetében. A vizsgált NADES törésmutatója 25 °C-on 1,452 volt, ami érdekes módon alacsonyabb, mint a gliceriné.
Érdemes megjegyezni, hogy a NADES törésmutatója a hőmérséklettel csökken, és ez a tendencia pontosan leírható az (1) képlettel és a 3. ábrával, ahol az abszolút átlagos százalékos hiba (AMPE) eléri a 0%-ot. Ezt a hőmérsékletfüggő viselkedést a viszkozitás és a sűrűség csökkenése magyarázza magas hőmérsékleten, aminek következtében a fény nagyobb sebességgel halad át a közegen, ami alacsonyabb törésmutató (n) értéket eredményez. Ezek az eredmények értékes betekintést nyújtanak a NADES stratégiai felhasználásába az optikai érzékelésben, kiemelve a bioszenzoros alkalmazásokban rejlő lehetőségeit.
A felületi feszültség, amely a folyadékfelület minimalizálására való hajlamát tükrözi, nagy jelentőséggel bír a természetes mély eutektikus oldószerek (NADES) kapilláris nyomáson alapuló alkalmazásokhoz való alkalmasságának felmérésében. A felületi feszültség 25–60 °C hőmérsékleti tartományban történő vizsgálata értékes információkat nyújt. 25 °C-on a citromsav alapú NADES felületi feszültsége 55,42 mN/m volt, ami jelentősen alacsonyabb, mint a víz és a gliceriné. A 4. ábra azt mutatja, hogy a felületi feszültség jelentősen csökken a hőmérséklet növekedésével. Ez a jelenség a molekuláris kinetikus energia növekedésével és az intermolekuláris vonzó erők ezt követő csökkenésével magyarázható.
A vizsgált NADES-ben megfigyelt felületi feszültség lineáris csökkenő trendje jól kifejezhető a (2) egyenlettel, amely a 25–60 °C hőmérsékleti tartományban az alapvető matematikai összefüggést szemlélteti. A 4. ábrán látható grafikon világosan ábrázolja a felületi feszültség hőmérsékletfüggését, 1,4%-os abszolút átlagos százalékos hibával (AMPE), ami számszerűsíti a jelentett felületi feszültségértékek pontosságát. Ezek az eredmények fontos következményekkel járnak a NADES viselkedésének és lehetséges alkalmazásainak megértéséhez.
A természetes mély eutektikus oldószerek (NADES) sűrűségdinamikájának megértése kulcsfontosságú ahhoz, hogy számos tudományos vizsgálatban alkalmazhatók legyenek. A citromsav alapú NADES sűrűsége 25°C-on 1,361 g/cm3, ami magasabb, mint az alap glicerin sűrűsége. Ez a különbség egy hidrogénkötés-akceptor (citromsav) glicerinhez való addíciójával magyarázható.
Példaként a citrát alapú NADES esetében a sűrűsége 60°C-on 1,19 g/cm3-re csökken. A melegítés során megnövekedett kinetikus energia a NADES molekulák diszpergálódását okozza, aminek következtében nagyobb térfogatot foglalnak el, ami a sűrűség csökkenéséhez vezet. A megfigyelt sűrűségcsökkenés bizonyos lineáris összefüggést mutat a hőmérséklet-emelkedéssel, amelyet a (3) képlettel lehet megfelelően kifejezni. Az 5. ábra grafikusan mutatja be a NADES sűrűségváltozásának ezen jellemzőit 1,12%-os abszolút átlagos százalékos hibával (AMPE), ami a jelentett sűrűségértékek pontosságának kvantitatív mértékét adja.
A viszkozitás a mozgó folyadék különböző rétegei közötti vonzóerő, és kulcsszerepet játszik a természetes mélyeutektikus oldószerek (NADES) különböző alkalmazásokban való alkalmazhatóságának megértésében. 25 °C-on a NADES viszkozitása 951 cP volt, ami magasabb, mint a gliceriné.
A viszkozitás hőmérséklettel történő csökkenését főként az intermolekuláris vonzóerők gyengülésével magyarázzák. Ez a jelenség a folyadék viszkozitásának csökkenéséhez vezet, ezt a tendenciát a 6. ábra világosan mutatja, és a (4) egyenlettel számszerűsíthető. Figyelemre méltó, hogy 60°C-on a viszkozitás 898 cP-re csökken, 1,4%-os átlagos hibaszázalékkal (AMPE). A NADES viszkozitás-hőmérséklet függésének részletes megértése nagy jelentőséggel bír a gyakorlati alkalmazás szempontjából.
Az oldat pH-ja, amelyet a hidrogénion-koncentráció negatív logaritmusa határoz meg, kritikus, különösen a pH-érzékeny alkalmazásokban, például a DNS-szintézisben, ezért a NADES pH-ját használat előtt gondosan meg kell vizsgálni. A citromsav alapú NADES példájaként véve, egy kifejezetten savas, 1,91-es pH-érték figyelhető meg, ami éles ellentétben áll a glicerin viszonylag semleges pH-jával.
Érdekes módon a természetes citromsav-dehidrogenáz oldható oldószer (NADES) pH-ja nemlineáris csökkenő tendenciát mutatott a hőmérséklet emelkedésével. Ez a jelenség a megnövekedett molekuláris rezgéseknek tulajdonítható, amelyek felborítják az oldat H+ egyensúlyát, ami [H]+ ionok képződéséhez és ezáltal a pH-érték változásához vezet. Míg a citromsav természetes pH-ja 3 és 5 között mozog, a glicerinben lévő savas hidrogén jelenléte tovább csökkenti a pH-t 1,91-re.
A citrátalapú NADES pH-viselkedése 25–60 °C hőmérsékleti tartományban megfelelően ábrázolható az (5) egyenlettel, amely matematikai kifejezést ad a megfigyelt pH-trendre. A 7. ábra grafikusan ábrázolja ezt az érdekes összefüggést, kiemelve a hőmérséklet hatását a NADES pH-jára, amely az AMPE esetében 1,4%-nak adódik.
A természetes citromsav mély eutektikus oldószer (NADES) termogravimetriás analízisét (TGA) szisztematikusan végezték szobahőmérséklettől 500 °C-ig terjedő hőmérséklet-tartományban. Amint a 8a. és b. ábrán látható, a kezdeti tömegveszteség 100 °C-ig főként az abszorbeált víznek, valamint a citromsavhoz és a tiszta glicerinhez kapcsolódó hidratációs víznek volt köszönhető. 180 °C-ig jelentős, körülbelül 88%-os tömegretenciót figyeltek meg, ami főként a citromsav akonitos savvá történő bomlásának és a további melegítés hatására metilmaleinsavanhidrid(III) képződésének volt köszönhető (8b. ábra). 180 °C felett az akrolein (akrilaldehid) egyértelmű megjelenése is megfigyelhető volt a glicerinben, amint azt a 8b37. ábra mutatja.
A glicerin termogravimetriás analízise (TGA) kétlépcsős tömegveszteséget mutatott ki. A kezdeti szakaszban (180-220 °C) akrolein keletkezik, amelyet jelentős tömegveszteség követ magas hőmérsékleten, 230-300 °C között (8a. ábra). A hőmérséklet emelkedésével acetaldehid, szén-dioxid, metán és hidrogén képződik egymás után. Figyelemre méltó, hogy a tömegnek csak 28%-a maradt meg 300 °C-on, ami arra utal, hogy a NADES 8(a)38,39 belső tulajdonságai hibásak lehetnek.
Az új kémiai kötések kialakulásának vizsgálata érdekében frissen készített természetes mély eutektikus oldószerek (NADES) szuszpenzióit Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópiával (FTIR) elemeztük. Az elemzést a NADES szuszpenzió spektrumának a tiszta citromsav (CA) és a glicerin (Gly) spektrumával való összehasonlításával végeztük. A CA spektrumban egyértelmű csúcsok mutatkoztak 1752 1/cm és 1673 1/cm értéknél, amelyek a C=O kötés nyújtási rezgéseit jelentik, és szintén jellemzőek a CA-ra. Ezenkívül az ujjlenyomat-tartományban az OH hajlító rezgésében jelentős eltolódást figyeltünk meg 1360 1/cm értéknél, amint az a 9. ábrán látható.
Hasonlóképpen, a glicerin esetében az OH nyújtási és hajlítási rezgések eltolódását 3291 l/cm, illetve 1414 l/cm hullámszámoknál találták. Az előállított NADES spektrumának elemzésekor jelentős eltolódást találtak a spektrumban. Amint a 7. ábra mutatja, a C=O kötés nyújtási rezgése 1752 l/cm-ről 1720 l/cm-re, a glicerin -OH kötésének hajlítási rezgése pedig 1414 l/cm-ről 1359 l/cm-re tolódott el. Ezek a hullámszám-eltolódások az elektronegativitás változását jelzik, ami új kémiai kötések kialakulását jelzi a NADES szerkezetében.