Takk for at du besøker nature.com. Nettleserversjonen du bruker har begrenset CSS-støtte. For best mulig opplevelse anbefaler vi at du bruker den nyeste nettleserversjonen (eller slår av kompatibilitetsmodus i Internet Explorer). I tillegg, for å sikre fortsatt støtte, vil ikke dette nettstedet inkludere stiler eller JavaScript.
Skiferekspansjon i klastiske reservoarer skaper betydelige problemer, noe som fører til ustabilitet i borehullet. Av miljømessige årsaker er bruk av vannbasert borevæske med tilsatte skiferhemmere foretrukket fremfor oljebasert borevæske. Ioniske væsker (IL-er) har fått mye oppmerksomhet som skiferhemmere på grunn av deres justerbare egenskaper og sterke elektrostatiske egenskaper. Imidlertid har imidazolylbaserte ioniske væsker (IL-er), som er mye brukt i borevæsker, vist seg å være giftige, ikke-biologisk nedbrytbare og dyre. Dypeutektiske løsemidler (DES) anses som et mer kostnadseffektivt og mindre giftig alternativ til ioniske væsker, men de når fortsatt ikke den nødvendige miljømessige bærekraften. Nylige fremskritt på dette feltet har ført til introduksjonen av naturlige dypeutektiske løsemidler (NADES), kjent for sin sanne miljøvennlighet. Denne studien undersøkte NADES-er, som inneholder sitronsyre (som en hydrogenbindingsakseptor) og glyserol (som en hydrogenbindingsdonor) som tilsetningsstoffer i borevæsken. De NADES-baserte borevæskene ble utviklet i samsvar med API 13B-1, og ytelsen deres ble sammenlignet med kaliumkloridbaserte borevæsker, imidazoliumbaserte ioniske væsker og kolinklorid:urea-DES-baserte borevæsker. De fysikalsk-kjemiske egenskapene til de proprietære NADES-ene er beskrevet i detalj. De reologiske egenskapene, væsketapet og skiferhevende egenskapene til borevæsken ble evaluert under studien, og det ble vist at ved en konsentrasjon på 3 % NADES ble flytespennings-/plastisk viskositetsforholdet (YP/PV) økt, slamkaketykkelsen ble redusert med 26 %, og filtratvolumet ble redusert med 30,1 %. Det er verdt å merke seg at NADES oppnådde en imponerende ekspansjonshemmingsrate på 49,14 % og økte skiferproduksjonen med 86,36 %. Disse resultatene tilskrives NADES' evne til å modifisere overflateaktivitet, zetapotensial og mellomlagsavstand i leire, som diskuteres i denne artikkelen for å forstå de underliggende mekanismene. Denne bærekraftige borevæsken forventes å revolusjonere boreindustrien ved å tilby et giftfritt, kostnadseffektivt og svært effektivt alternativ til tradisjonelle skiferkorrosjonshemmere, og dermed bane vei for miljøvennlige borepraksiser.
Skifer er en allsidig bergart som fungerer som både kilde og reservoar for hydrokarboner, og dens porøse struktur1 gir potensial for både produksjon og lagring av disse verdifulle ressursene. Skifer er imidlertid rik på leirmineraler som montmorillonitt, smektitt, kaolinitt og illitt, noe som gjør den utsatt for hevelse når den utsettes for vann, noe som fører til ustabilitet i borehullet under boreoperasjoner2,3. Disse problemene kan føre til ikke-produktiv tid (NPT) og en rekke driftsproblemer, inkludert fastlåste rør, tapt slamsirkulasjon, kollaps av borehullet og tilsmussing av borekroner, noe som øker gjenopprettingstiden og kostnadene. Tradisjonelt har oljebaserte borevæsker (OBDF) vært det foretrukne valget for skiferformasjoner på grunn av deres evne til å motstå skiferekspansjon4. Bruk av oljebaserte borevæsker medfører imidlertid høyere kostnader og miljørisikoer. Syntetisk baserte borevæsker (SBDF) har blitt vurdert som et alternativ, men deres egnethet ved høye temperaturer er utilfredsstillende. Vannbaserte borevæsker (WBDF) er en attraktiv løsning fordi de er tryggere, mer miljøvennlige og mer kostnadseffektive enn OBDF5. Ulike skiferhemmere har blitt brukt for å forbedre skiferhemmingsevnen til WBDF, inkludert tradisjonelle inhibitorer som kaliumklorid, kalk, silikat og polymer. Disse inhibitorene har imidlertid begrensninger når det gjelder effektivitet og miljøpåvirkning, spesielt på grunn av den høye K+-konsentrasjonen i kaliumkloridinhibitorer og pH-følsomheten til silikater.6 Forskere har utforsket muligheten for å bruke ioniske væsker som borevæsketilsetningsstoffer for å forbedre borevæskereologien og forhindre skifersvelling og hydratdannelse. Imidlertid er disse ioniske væskene, spesielt de som inneholder imidazolylkationer, generelt giftige, dyre, ikke-biologisk nedbrytbare og krever komplekse forberedelsesprosesser. For å løse disse problemene begynte folk å lete etter et mer økonomisk og miljøvennlig alternativ, noe som førte til fremveksten av dypeutektiske løsningsmidler (DES). DES er en eutektisk blanding dannet av en hydrogenbindingsdonor (HBD) og en hydrogenbindingsakseptor (HBA) ved et spesifikt molforhold og temperatur. Disse eutektiske blandingene har lavere smeltepunkter enn deres individuelle komponenter, hovedsakelig på grunn av ladningsdelokalisering forårsaket av hydrogenbindinger. Mange faktorer, inkludert gitterenergi, entropiendring og interaksjoner mellom anioner og HBD, spiller en nøkkelrolle i å senke smeltepunktet til DES.
I tidligere studier ble forskjellige tilsetningsstoffer tilsatt vannbasert borevæske for å løse problemet med skiferekspansjon. For eksempel tilsatte Ofei et al. 1-butyl-3-metylimidazoliumklorid (BMIM-Cl), noe som reduserte slamkaketykkelsen betydelig (opptil 50 %) og reduserte YP/PV-verdien med 11 ved forskjellige temperaturer. Huang et al. brukte ioniske væsker (spesifikt 1-heksyl-3-metylimidazoliumbromid og 1,2-bis(3-heksylimidazol-1-yl)etanbromid) i kombinasjon med Na-Bt-partikler og reduserte skifersvellingen betydelig med henholdsvis 86,43 % og 94,17 %12. I tillegg brukte Yang et al. 1-vinyl-3-dodecylimidazoliumbromid og 1-vinyl-3-tetradecylimidazoliumbromid for å redusere skifersvelling med henholdsvis 16,91 % og 5,81 %. 13 Yang et al. brukte også 1-vinyl-3-etylimidazoliumbromid og reduserte skiferekspansjonen med 31,62 % mens skiferutvinningen ble opprettholdt på 40,60 %. 14 I tillegg brukte Luo et al. 1-oktyl-3-metylimidazoliumtetrafluorborat for å redusere skifersvelling med 80 %. 15, 16 Dai et al. brukte ioniske flytende kopolymerer for å hemme skifer og oppnådde en økning på 18 % i lineær utvinning sammenlignet med aminhemmere. 17
Ioniske væsker har i seg selv noen ulemper, noe som fikk forskere til å se etter mer miljøvennlige alternativer til ioniske væsker, og dermed ble DES født. Hanjia var den første som brukte dypeutektiske løsningsmidler (DES) bestående av vinylkloridpropionsyre (1:1), vinylklorid 3-fenylpropionsyre (1:2) og 3-merkaptopropionsyre + itakonsyre + vinylklorid (1:1:2), som hemmet svellingen av bentonitt med henholdsvis 68 %, 58 % og 58 %18. I et fritt eksperiment brukte MH Rasul et 2:1-forhold av glyserol og kaliumkarbonat (DES) og reduserte svellingen av skiferprøver betydelig med 87 %19,20. Ma brukte urea:vinylklorid for å redusere ekspansjonen av skifer betydelig med 67 %.21 Rasul et al. Kombinasjonen av DES og polymer ble brukt som en dobbeltvirkende skiferhemmer, noe som oppnådde utmerket skiferhemmende effekt22.
Selv om dypeutektiske løsemidler (DES) generelt sett anses som et grønnere alternativ til ioniske væsker, inneholder de også potensielt giftige komponenter som ammoniumsalter, noe som gjør deres miljøvennlighet tvilsom. Dette problemet har ført til utviklingen av naturlige dypeutektiske løsemidler (NADES). De er fortsatt klassifisert som DES, men er sammensatt av naturlige stoffer og salter, inkludert kaliumklorid (KCl), kalsiumklorid (CaCl2), Epsom-salter (MgSO4.7H2O) og andre. De mange potensielle kombinasjonene av DES og NADES åpner for et bredt spekter for forskning på dette området og forventes å finne anvendelser innen en rekke felt. Flere forskere har med hell utviklet nye DES-kombinasjoner som har vist seg effektive i en rekke bruksområder. For eksempel syntetiserte Naser et al. 2013 kaliumkarbonatbasert DES og studerte dens termofysiske egenskaper, som senere fant anvendelser innen områdene hydratinhibering, borevæsketilsetninger, delignifisering og nanofibrillering. 23 Jordy Kim og medarbeidere utviklet askorbinsyrebasert NADES og evaluerte dens antioksidantegenskaper i ulike bruksområder. 24 Christer et al. utviklet sitronsyrebasert NADES og identifiserte potensialet som et hjelpestoff for kollagenprodukter. 25 Liu Yi og medarbeidere oppsummerte bruksområdene til NADES som ekstraksjons- og kromatografimedier i en omfattende gjennomgang, mens Misan et al. diskuterte de vellykkede bruksområdene til NADES i landbruks- og næringsmiddelsektoren. Det er viktig at borevæskeforskere begynner å legge merke til effektiviteten til NADES i sine bruksområder. I 2023 brukte Rasul et al. forskjellige kombinasjoner av naturlige dypeutektiske løsemidler basert på askorbinsyre26, kalsiumklorid27, kaliumklorid28 og Epsom-salt29 og oppnådde imponerende skiferhemming og skiferutvinning. Denne studien er en av de første studiene som introduserer NADES (spesielt formulering basert på sitronsyre og glyserol) som en miljøvennlig og effektiv skiferhemmer i vannbaserte borevæsker, som har utmerket miljøstabilitet, forbedret skiferhemmingsevne og forbedret væskeytelse sammenlignet med tradisjonelle hemmere som KCl, imidazolylbaserte ioniske væsker og tradisjonell DES.
Studien vil involvere intern fremstilling av sitronsyre (CA)-basert NADES, etterfulgt av detaljert fysisk-kjemisk karakterisering og bruk som et borevæsketilsetningsstoff for å evaluere borevæskens egenskaper og dens svellingshemmende evne. I denne studien vil CA fungere som en hydrogenbindingsakseptor, mens glyserol (Gly) vil fungere som en hydrogenbindingsdonor valgt basert på MH-screeningkriteriene for NADES-dannelse/seleksjon i skiferinhiberingsstudier30. Fourier-transform infrarødspektroskopi (FTIR), røntgendiffraksjon (XRD) og zetapotensial (ZP)-målinger vil belyse NADES-leire-interaksjonene og mekanismen som ligger til grunn for leirens svellingshemming. I tillegg vil denne studien sammenligne CA NADES-basert borevæske med DES32 basert på 1-etyl-3-metylimidazoliumklorid [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl og kolinklorid:urea (1:2) for å undersøke deres effektivitet i skiferinhibering og forbedring av borevæskeytelse.
Sitronsyre (monohydrat), glyserol (99 USP) og urea ble kjøpt fra EvaChem, Kuala Lumpur, Malaysia. Kolinklorid (>98 %), [EMIM]Cl 98 % og kaliumklorid ble kjøpt fra Sigma Aldrich, Malaysia. De kjemiske strukturene til alle kjemikaliene er vist i figur 1. Det grønne diagrammet sammenligner hovedkjemikaliene som ble brukt i denne studien: imidazolylionisk væske, kolinklorid (DES), sitronsyre, glyserol, kaliumklorid og NADES (sitronsyre og glyserol). Miljøvennlighetstabellen for kjemikaliene som ble brukt i denne studien er presentert i tabell 1. I tabellen er hvert kjemikalie vurdert basert på toksisitet, biologisk nedbrytbarhet, kostnad og miljømessig bærekraft.
Kjemiske strukturer av materialene som ble brukt i denne studien: (a) sitronsyre, (b) [EMIM]Cl, (c) kolinklorid og (d) glyserol.
Kandidater som hydrogenbindingsdonorer (HBD) og hydrogenbindingsakseptorer (HBA) for utvikling av CA-baserte (naturlige dypeutektiske løsemidler) NADES ble nøye utvalgt i henhold til MH 30-utvelgelseskriteriene, som er ment for utvikling av NADES som effektive skiferinhibitorer. I henhold til dette kriteriet anses komponenter med et stort antall hydrogenbindingsdonorer og -akseptorer, samt polare funksjonelle grupper, som egnet for utvikling av NADES.
I tillegg ble den ioniske væsken [EMIM]Cl og kolinklorid:urea dyp eutektisk løsningsmiddel (DES) valgt for sammenligning i denne studien fordi de er mye brukt som borevæsketilsetningsstoffer33,34,35,36. I tillegg ble kaliumklorid (KCl) sammenlignet fordi det er en vanlig inhibitor.
Sitronsyre og glyserol ble blandet i forskjellige molforhold for å oppnå eutektiske blandinger. Visuell inspeksjon viste at den eutektiske blandingen var en homogen, transparent væske uten turbiditet, noe som indikerer at hydrogenbindingsdonoren (HBD) og hydrogenbindingsakseptoren (HBA) ble blandet i denne eutektiske sammensetningen. Foreløpige eksperimenter ble utført for å observere den temperaturavhengige oppførselen til blandingsprosessen av HBD og HBA. I henhold til tilgjengelig litteratur ble andelen av eutektiske blandinger evaluert ved tre spesifikke temperaturer over 50 °C, 70 °C og 100 °C, noe som indikerer at den eutektiske temperaturen vanligvis er i området 50–80 °C. En Mettler digitalvekt ble brukt til å veie HBD- og HBA-komponentene nøyaktig, og en Thermo Fisher-varmeplate ble brukt til å varme opp og røre HBD og HBA ved 100 o/min under kontrollerte forhold.
De termofysiske egenskapene til vårt syntetiserte dypeutektiske løsningsmiddel (DES), inkludert tetthet, overflatespenning, brytningsindeks og viskositet, ble nøyaktig målt over et temperaturområde fra 289,15 til 333,15 K. Det skal bemerkes at dette temperaturområdet først og fremst ble valgt på grunn av begrensningene i eksisterende utstyr. Den omfattende analysen inkluderte en grundig studie av ulike termofysiske egenskaper til denne NADES-formuleringen, som avslørte deres oppførsel over et temperaturområde. Å fokusere på dette spesifikke temperaturområdet gir innsikt i egenskapene til NADES som er av spesiell betydning for en rekke bruksområder.
Overflatespenningen til den ferdig fremstilte NADES ble målt i området fra 289,15 til 333,15 K ved hjelp av en grenseflatespenningsmåler (IFT700). NADES-dråper dannes i et kammer fylt med et stort volum væske ved hjelp av en kapillarnål under spesifikke temperatur- og trykkforhold. Moderne bildebehandlingssystemer introduserer passende geometriske parametere for å beregne grenseflatespenningen ved hjelp av Laplace-ligningen.
Et ATAGO-refraktometer ble brukt til å bestemme brytningsindeksen til nylaget NADES over temperaturområdet 289,15 til 333,15 K. Instrumentet bruker en termisk modul for å regulere temperaturen for å estimere lysbrytningsgraden, noe som eliminerer behovet for et vannbad med konstant temperatur. Prismeoverflaten på refraktometeret bør rengjøres, og prøveløsningen bør fordeles jevnt over den. Kalibrer med en kjent standardløsning, og les deretter av brytningsindeksen fra skjermen.
Viskositeten til den fremstilte NADES-en ble målt over temperaturområdet 289,15 til 333,15 K ved bruk av et Brookfield rotasjonsviskosimeter (kryogen type) med en skjærhastighet på 30 o/min og en spindelstørrelse på 6. Viskosimeteret måler viskositet ved å bestemme dreiemomentet som kreves for å rotere spindelen med konstant hastighet i en væskeprøve. Etter at prøven er plassert på skjermen under spindelen og strammet til, viser viskosimeteret viskositeten i centipoise (cP), noe som gir verdifull informasjon om væskens reologiske egenskaper.
En bærbar tetthetsmåler DMA 35 Basic ble brukt til å bestemme tettheten av et ferskt tilberedt naturlig dypeutektisk løsemiddel (NDEES) i temperaturområdet 289,15–333,15 K. Siden enheten ikke har en innebygd varmeelement, må den forvarmes til den angitte temperaturen (± 2 °C) før NADES-tetthetsmåleren brukes. Trekk minst 2 ml prøve gjennom røret, og tettheten vil umiddelbart vises på skjermen. Det er verdt å merke seg at på grunn av mangelen på en innebygd varmeelement, har måleresultatene en feil på ± 2 °C.
For å evaluere pH-verdien til ferskt tilberedt NADES i temperaturområdet 289,15–333,15 K, brukte vi et Kenis pH-måler til benkeplate. Siden det ikke er noen innebygd varmeenhet, ble NADES først varmet opp til ønsket temperatur (±2 °C) ved hjelp av en varmeplate og deretter målt direkte med et pH-måler. Senk pH-målerproben helt ned i NADES og registrer den endelige verdien etter at avlesningen har stabilisert seg.
Termogravimetrisk analyse (TGA) ble brukt til å evaluere den termiske stabiliteten til naturlige dypeutektiske løsemidler (NADES). Prøvene ble analysert under oppvarming. Ved hjelp av en høypresisjonsvekt og nøye overvåking av oppvarmingsprosessen ble det generert et plott av massetap versus temperatur. NADES ble varmet opp fra 0 til 500 °C med en hastighet på 1 °C per minutt.
For å starte prosessen må NADES-prøven blandes grundig, homogeniseres og overflatefuktigheten fjernes. Den forberedte prøven plasseres deretter i en TGA-kyvette, som vanligvis er laget av et inert materiale som aluminium. For å sikre nøyaktige resultater kalibreres TGA-instrumenter ved hjelp av referansematerialer, vanligvis vektstandarder. Når TGA-eksperimentet er kalibrert, starter det, og prøven varmes opp på en kontrollert måte, vanligvis med en konstant hastighet. Kontinuerlig overvåking av forholdet mellom prøvevekt og temperatur er en sentral del av eksperimentet. TGA-instrumenter samler inn data om temperatur, vekt og andre parametere som gasstrøm eller prøvetemperatur. Når TGA-eksperimentet er fullført, analyseres de innsamlede dataene for å bestemme endringen i prøvevekt som en funksjon av temperaturen. Denne informasjonen er verdifull for å bestemme temperaturområder knyttet til fysiske og kjemiske endringer i prøven, inkludert prosesser som smelting, fordampning, oksidasjon eller dekomponering.
Den vannbaserte borevæsken ble nøye formulert i henhold til API 13B-1-standarden, og den spesifikke sammensetningen er listet opp i tabell 2 som referanse. Sitronsyre og glyserol (99 USP) ble kjøpt fra Sigma Aldrich, Malaysia for å fremstille det naturlige dypeutektiske løsningsmidlet (NADES). I tillegg ble den konvensjonelle skiferinhibitoren kaliumklorid (KCl) også kjøpt fra Sigma Aldrich, Malaysia. 1-etyl, 3-metylimidazoliumklorid ([EMIM]Cl) med en renhet på mer enn 98 % ble valgt på grunn av dens betydelige effekt i å forbedre reologien til borevæsken og skiferinhibering, noe som ble bekreftet i tidligere studier. Både KCl og ([EMIM]Cl) vil bli brukt i den sammenlignende analysen for å evaluere skiferinhiberingsytelsen til NADES.
Mange forskere foretrekker å bruke bentonittflak for å studere svelling i skifer fordi bentonitt inneholder den samme «montmorillonitt»-gruppen som forårsaker svelling i skifer. Det er utfordrende å få tak i ekte skiferkjerneprøver fordi kjerneboringsprosessen destabiliserer skiferen, noe som resulterer i prøver som ikke er utelukkende skifer, men vanligvis inneholder en blanding av sandstein- og kalksteinslag. I tillegg mangler skiferprøver vanligvis montmorillonittgruppene som forårsaker svelling i skifer, og er derfor uegnet for svellingshemmingsforsøk.
I denne studien brukte vi rekonstituerte bentonittpartikler med en diameter på omtrent 2,54 cm. Granulene ble laget ved å presse 11,5 gram natriumbentonittpulver i en hydraulisk presse ved 1600 psi. Tykkelsen på granulene ble nøyaktig målt før de ble plassert i et lineært dilatometer (LD). Partiklene ble deretter nedsenket i borevæskeprøver, inkludert baseprøver og prøver injisert med inhibitorer brukt for å forhindre svelling av skifer. Endringen i granulattykkelse ble deretter nøye overvåket ved hjelp av LD, med målinger registrert med 60-sekunders intervaller i 24 timer.
Røntgendiffraksjon viste at bentonittens sammensetning, spesielt dens montmorillonittkomponent på 47 %, er en nøkkelfaktor for å forstå dens geologiske egenskaper. Blant montmorillonittkomponentene i bentonitt er montmorillonitt hovedkomponenten, og står for 88,6 % av de totale komponentene. Kvarts står for 29 %, illitt for 7 % og karbonat for 9 %. En liten del (ca. 3,2 %) er en blanding av illitt og montmorillonitt. I tillegg inneholder den sporstoffer som Fe₂O₃ (4,7 %), sølvaluminosilikat (1,2 %), muskovitt (4 %) og fosfat (2,3 %). I tillegg er små mengder Na₂O (1,83 %) og jernsilikat (2,17 %) tilstede, noe som gjør det mulig å fullt ut forstå de bestanddelene i bentonitt og deres respektive proporsjoner.
Denne omfattende studiedelen beskriver de reologiske og filtreringsegenskapene til borevæskeprøver fremstilt ved hjelp av naturlig dypeutektisk løsningsmiddel (NADES) og brukt som et borevæsketilsetningsstoff i forskjellige konsentrasjoner (1 %, 3 % og 5 %). De NADES-baserte oppslemmingsprøvene ble deretter sammenlignet og analysert med oppslemmingsprøver bestående av kaliumklorid (KCl), CC:urea DES (kolinklorid dypeutektisk løsningsmiddel:urea) og ioniske væsker. En rekke nøkkelparametere ble dekket i denne studien, inkludert viskositetsavlesninger oppnådd ved hjelp av et FANN-viskosimeter før og etter eksponering for aldringsforhold ved 100 °C og 150 °C. Målinger ble tatt ved forskjellige rotasjonshastigheter (3 o/min, 6 o/min, 300 o/min og 600 o/min), noe som muliggjør en omfattende analyse av borevæskens oppførsel. Dataene som innhentes kan deretter brukes til å bestemme nøkkelegenskaper som flytegrense (YP) og plastisk viskositet (PV), som gir innsikt i væskens ytelse under forskjellige forhold. Høytrykks- og høytemperaturfiltreringstester (HPHT) ved 400 psi og 150 °C (typiske temperaturer i høytemperaturbrønner) bestemmer filtreringsytelsen (kaketykkelse og filtratvolum).
Denne seksjonen benytter toppmoderne utstyr, Grace HPHT Linear Dilatometer (M4600), for å grundig evaluere skiferens svellingshemmende egenskaper til våre vannbaserte borevæsker. LSM er en toppmoderne maskin som består av to komponenter: en platekomprimator og et lineært dilatometer (modell: M4600). Bentonittplater ble klargjort for analyse ved hjelp av Grace Core/Plate Compactor. LSM gir deretter umiddelbare svellingsdata på disse platene, noe som muliggjør en omfattende evaluering av skiferens svellingshemmende egenskaper. Skiferekspansjonstester ble utført under omgivelsesforhold, dvs. 25 °C og 1 psia.
Skiferstabilitetstesting involverer en nøkkeltest som ofte refereres til som skiferutvinningstest, skiferdyppetest eller skiferdispersjonstest. For å starte denne evalueringen separeres skiferkaks på en #6 BSS-sikt og plasseres deretter på en #10-sikt. Kakset føres deretter til en oppbevaringstank hvor det blandes med en basisvæske og boreslam som inneholder NADES (Natural Deep Eutectic Solvent). Neste trinn er å plassere blandingen i en ovn for en intens varmvalseprosess, slik at kakset og slammet blandes grundig. Etter 16 timer fjernes kakset fra massen ved å la skiferen dekomponere, noe som resulterer i en reduksjon i kaksvekten. Skiferutvinningstesten ble utført etter at skiferkakset hadde blitt holdt i boreslam ved 150 °C og 1000 psi. tomme i løpet av 24 timer.
For å måle utvinningen av skiferslammet filtrerte vi det gjennom en finere sil (40 mesh), vasket det deretter grundig med vann og tørket det til slutt i en ovn. Denne omhyggelige prosedyren lar oss estimere det utvunnede slammet sammenlignet med den opprinnelige vekten, og til slutt beregne prosentandelen skiferslam som ble utvunnet. Kilden til skiferprøvene er fra Niah-distriktet, Miri-distriktet, Sarawak, Malaysia. Før dispersjons- og utvinningstestene ble skiferprøvene utsatt for en grundig røntgendiffraksjonsanalyse (XRD) for å kvantifisere leirsammensetningen og bekrefte at de var egnet for testing. Leirmineralsammensetningen i prøven er som følger: illitt 18 %, kaolinitt 31 %, kloritt 22 %, vermikulitt 10 % og glimmer 19 %.
Overflatespenning er en nøkkelfaktor som kontrollerer penetreringen av vannkationer inn i skifermikroporer via kapillærvirkning, noe som vil bli studert i detalj i denne delen. Denne artikkelen undersøker rollen til overflatespenning i den kohesive egenskapen til borevæsker, og fremhever dens viktige innflytelse på boreprosessen, spesielt skiferinhibering. Vi brukte et grenseflatetensiometer (IFT700) for å måle overflatespenningen til borevæskeprøver nøyaktig, noe som avslører et viktig aspekt ved væskeoppførsel i sammenheng med skiferinhibering.
Denne delen diskuterer i detalj d-lagsavstanden, som er avstanden mellom lagene mellom aluminosilikatlagene og ett aluminosilikatlag i leire. Analysen dekket våte slamprøver som inneholdt 1 %, 3 % og 5 % CA NADES, samt 3 % KCl, 3 % [EMIM]Cl og 3 % CC:urea-basert DES for sammenligning. Et toppmoderne røntgendiffraktometer (D2 Phaser) som opererer ved 40 mA og 45 kV med Cu-Kα-stråling (λ = 1,54059 Å) spilte en kritisk rolle i registreringen av røntgendiffraksjonstoppene til både våte og tørre Na-Bt-prøver. Anvendelsen av Bragg-ligningen muliggjør nøyaktig bestemmelse av d-lagsavstanden, og gir dermed verdifull informasjon om leirens oppførsel.
Denne delen bruker det avanserte Malvern Zetasizer Nano ZSP-instrumentet for å måle zeta-potensial nøyaktig. Denne evalueringen ga verdifull informasjon om ladningsegenskapene til fortynnede slamprøver som inneholder 1 %, 3 % og 5 % CA NADES, samt 3 % KCl, 3 % [EMIM]Cl og 3 % CC:urea-basert DES for sammenlignende analyse. Disse resultatene bidrar til vår forståelse av stabiliteten til kolloidale forbindelser og deres interaksjoner i væsker.
Leirprøvene ble undersøkt før og etter eksponering for naturlig dypeutektisk løsemiddel (NADES) ved bruk av et Zeiss Supra 55 VP feltemisjonsskanningselektronmikroskop (FESEM) utstyrt med energidispersiv røntgen (EDX). Bildeoppløsningen var 500 nm og elektronstråleenergien var 30 kV og 50 kV. FESEM gir høyoppløselig visualisering av overflatemorfologien og strukturelle trekk ved leirprøvene. Målet med denne studien var å innhente informasjon om effekten av NADES på leirprøvene ved å sammenligne bildene tatt før og etter eksponering.
I denne studien ble feltemisjonsskanningselektronmikroskopi (FESEM) brukt til å undersøke effekten av NADES på leireprøver på mikroskopisk nivå. Målet med denne studien er å belyse de potensielle bruksområdene for NADES og dens effekt på leiremorfologi og gjennomsnittlig partikkelstørrelse, noe som vil gi verdifull informasjon for forskning på dette feltet.
I denne studien ble feilfelt brukt til å visuelt beskrive variasjonen og usikkerheten i gjennomsnittlig prosentvis feil (AMPE) på tvers av eksperimentelle forhold. I stedet for å plotte individuelle AMPE-verdier (siden plotting av AMPE-verdier kan skjule trender og overdrive små variasjoner), beregner vi feilfelt ved hjelp av 5%-regelen. Denne tilnærmingen sikrer at hver feilfelt representerer intervallet som 95%-konfidensintervallet og 100% av AMPE-verdiene forventes å falle innenfor, og gir dermed et tydeligere og mer konsist sammendrag av datafordelingen for hver eksperimentell betingelse. Bruk av feilfelt basert på 5%-regelen forbedrer dermed tolkbarheten og påliteligheten til grafiske representasjoner og bidrar til å gi en mer detaljert forståelse av resultatene og deres implikasjoner.
I syntesen av naturlige dypeutektiske løsemidler (NADES) ble flere nøkkelparametere nøye studert under den interne fremstillingsprosessen. Disse kritiske faktorene inkluderer temperatur, molforhold og blandehastighet. Våre eksperimenter viser at når HBA (sitronsyre) og HBD (glyserol) blandes i et molforhold på 1:4 ved 50 °C, dannes en eutektisk blanding. Det som kjennetegner den eutektiske blandingen er dens transparente, homogene utseende og fraværet av sediment. Dette viktige trinnet fremhever dermed viktigheten av molforhold, temperatur og blandehastighet, der molforholdet var den mest innflytelsesrike faktoren i fremstillingen av DES og NADES, som vist i figur 2.
Brytningsindeksen (n) uttrykker forholdet mellom lysets hastighet i vakuum og lysets hastighet i et annet, tettere medium. Brytningsindeksen er av spesiell interesse for naturlige dypeutektiske løsningsmidler (NADES) når man vurderer optisk sensitive anvendelser som biosensorer. Brytningsindeksen til den studerte NADES ved 25 °C var 1,452, noe som er interessant nok lavere enn for glyserol.
Det er verdt å merke seg at brytningsindeksen til NADES avtar med temperaturen, og denne trenden kan beskrives nøyaktig med formel (1) og figur 3, der den absolutte gjennomsnittlige prosentvise feilen (AMPE) når 0 %. Denne temperaturavhengige oppførselen forklares med reduksjonen i viskositet og tetthet ved høye temperaturer, noe som får lyset til å bevege seg gjennom mediet med høyere hastighet, noe som resulterer i en lavere brytningsindeksverdi (n). Disse resultatene gir verdifull innsikt i den strategiske bruken av NADES i optisk sensing, og fremhever potensialet deres for biosensorapplikasjoner.
Overflatespenning, som gjenspeiler tendensen en væskeoverflate har til å minimere arealet sitt, er av stor betydning for å vurdere egnetheten til naturlige dypeutektiske løsningsmidler (NADES) for kapillærtrykkbaserte applikasjoner. En studie av overflatespenning i temperaturområdet 25–60 °C gir verdifull informasjon. Ved 25 °C var overflatespenningen til sitronsyrebasert NADES 55,42 mN/m, som er betydelig lavere enn for vann og glyserol. Figur 4 viser at overflatespenningen avtar betydelig med økende temperatur. Dette fenomenet kan forklares med en økning i molekylær kinetisk energi og en påfølgende reduksjon i intermolekylære tiltrekningskrefter.
Den lineære, avtagende trenden for overflatespenning observert i den studerte NADES-en kan godt uttrykkes ved hjelp av ligning (2), som illustrerer det grunnleggende matematiske forholdet i temperaturområdet 25–60 °C. Grafen i figur 4 viser tydelig trenden for overflatespenning med temperatur med en absolutt gjennomsnittlig prosentvis feil (AMPE) på 1,4 %, som kvantifiserer nøyaktigheten til de rapporterte overflatespenningsverdiene. Disse resultatene har viktige implikasjoner for å forstå oppførselen til NADES og dens potensielle bruksområder.
Det er avgjørende å forstå tetthetsdynamikken til naturlige dypeutektiske løsemidler (NADES) for å legge til rette for deres anvendelse i en rekke vitenskapelige studier. Tettheten til sitronsyrebasert NADES ved 25 °C er 1,361 g/cm3, som er høyere enn tettheten til den opprinnelige glyserolen. Denne forskjellen kan forklares med tilsetningen av en hydrogenbindingsakseptor (sitronsyre) til glyserol.
Hvis vi tar sitratbasert NADES som et eksempel, synker tettheten til 1,19 g/cm3 ved 60 °C. Økningen i kinetisk energi ved oppvarming fører til at NADES-molekylene spres, noe som fører til at de opptar et større volum, noe som resulterer i en reduksjon i tetthet. Den observerte reduksjonen i tetthet viser en viss lineær korrelasjon med temperaturøkningen, som kan uttrykkes korrekt ved formel (3). Figur 5 presenterer grafisk disse egenskapene til NADES-tetthetsendringen med en absolutt gjennomsnittlig prosentvis feil (AMPE) på 1,12 %, som gir et kvantitativt mål på nøyaktigheten til de rapporterte tetthetsverdiene.
Viskositet er den tiltrekkende kraften mellom ulike lag i en væske i bevegelse, og spiller en nøkkelrolle i forståelsen av anvendeligheten av naturlige dypeutektiske løsemidler (NADES) i ulike bruksområder. Ved 25 °C var viskositeten til NADES 951 cP, som er høyere enn viskositeten til glyserol.
Den observerte reduksjonen i viskositet med økende temperatur forklares hovedsakelig av svekkelsen av intermolekylære tiltrekningskrefter. Dette fenomenet resulterer i en reduksjon i væskens viskositet, en trend som er tydelig demonstrert i figur 6 og kvantifisert av ligning (4). Det er verdt å merke seg at viskositeten faller til 898 cP ved 60 °C med en gjennomsnittlig prosentvis feil (AMPE) på 1,4 %. En detaljert forståelse av viskositets- versus temperaturavhengigheten i NADES er av stor betydning for den praktiske anvendelsen.
Løsningens pH, bestemt av den negative logaritmen til hydrogenionkonsentrasjonen, er kritisk, spesielt i pH-følsomme applikasjoner som DNA-syntese, så pH-verdien til NADES må studeres nøye før bruk. Hvis man tar sitronsyrebasert NADES som et eksempel, kan man observere en tydelig sur pH-verdi på 1,91, som står i skarp kontrast til den relativt nøytrale pH-verdien til glyserol.
Interessant nok viste pH-verdien til det naturlige sitronsyredehydrogenaseløselige løsningsmidlet (NADES) en ikke-lineær synkende trend med økende temperatur. Dette fenomenet tilskrives de økte molekylære vibrasjonene som forstyrrer H+-balansen i løsningen, noe som fører til dannelsen av [H]+-ioner og dermed en endring i pH-verdien. Mens den naturlige pH-verdien til sitronsyre varierer fra 3 til 5, senker tilstedeværelsen av surt hydrogen i glyserol pH-verdien ytterligere til 1,91.
pH-oppførselen til sitratbasert NADES i temperaturområdet 25–60 °C kan representeres på en passende måte ved hjelp av ligning (5), som gir et matematisk uttrykk for den observerte pH-trenden. Figur 7 viser grafisk dette interessante forholdet, og fremhever effekten av temperatur på pH-verdien til NADES, som er rapportert å være 1,4 % for AMPE.
Termogravimetrisk analyse (TGA) av naturlig sitronsyre dyp eutektisk løsemiddel (NADES) ble systematisk utført i temperaturområdet fra romtemperatur til 500 °C. Som det fremgår av figur 8a og b, skyldtes det innledende massetapet opptil 100 °C hovedsakelig det absorberte vannet og hydreringsvannet assosiert med sitronsyre og ren glyserol. En betydelig masseretensjon på omtrent 88 % ble observert opptil 180 °C, som hovedsakelig skyldtes dekomponeringen av sitronsyre til akonitsyre og den påfølgende dannelsen av metylmaleinsyreanhydrid (III) ved ytterligere oppvarming (figur 8b). Over 180 °C kunne man også observere en tydelig forekomst av akrolein (akrylaldehyd) i glyserol, som vist i figur 8b37.
Termogravimetrisk analyse (TGA) av glyserol avdekket en to-trinns massetapprosess. Den første fasen (180 til 220 °C) involverer dannelsen av akrolein, etterfulgt av betydelig massetap ved høye temperaturer fra 230 til 300 °C (figur 8a). Når temperaturen øker, dannes acetaldehyd, karbondioksid, metan og hydrogen sekvensielt. Det er verdt å merke seg at bare 28 % av massen ble beholdt ved 300 °C, noe som tyder på at de iboende egenskapene til NADES 8(a)38,39 kan være defekte.
For å få informasjon om dannelsen av nye kjemiske bindinger ble ferskt fremstilte suspensjoner av naturlige dypeutektiske løsningsmidler (NADES) analysert ved hjelp av Fourier-transform infrarødspektroskopi (FTIR). Analysen ble utført ved å sammenligne spekteret til NADES-suspensjonen med spektrene til ren sitronsyre (CA) og glyserol (Gly). CA-spekteret viste klare topper ved 1752 1/cm² og 1673 1/cm², som representerer strekkvibrasjonene til C=O-bindingen og også er karakteristiske for CA. I tillegg ble det observert et betydelig skifte i OH-bøyevibrasjonen ved 1360 1/cm² i fingeravtrykksområdet, som vist i figur 9.
På samme måte, i tilfellet med glyserol, ble det funnet forskyvninger i OH-strekk- og bøyevibrasjoner ved bølgetall på henholdsvis 3291 1/cm og 1414 1/cm. Ved å analysere spekteret av den fremstilte NADES, ble det nå funnet et signifikant forskyvning i spekteret. Som vist i figur 7, forskjøv strekkvibrasjonen til C=O-bindingen seg fra 1752 1/cm til 1720 1/cm, og bøyevibrasjonen til -OH-bindingen til glyserol forskjøv seg fra 1414 1/cm til 1359 1/cm. Disse forskyvningene i bølgetall indikerer endringen i elektronegativitet, noe som indikerer dannelsen av nye kjemiske bindinger i strukturen til NADES.