Täname teid nature.com külastamise eest. Teie kasutataval brauseriversioonil on piiratud CSS-i tugi. Parima kogemuse saamiseks soovitame kasutada brauseri uusimat versiooni (või lülitada Internet Exploreris ühilduvusrežiim välja). Lisaks ei sisalda see sait jätkuva toe tagamiseks stiile ega JavaScripti.
Põlevkivi paisumine klastilistes reservuaarides tekitab olulisi probleeme, mis viib puuraugu ebastabiilsuseni. Keskkonnakaalutlustel eelistatakse õlipõhistele puurimisvedelikele veepõhist puurimisvedelikku koos lisatud põlevkivi inhibiitoritega. Ioonvedelikud (IL-id) on oma häälestatavate omaduste ja tugevate elektrostaatiliste omaduste tõttu pälvinud palju tähelepanu põlevkivi inhibiitoritena. Imidasolüülil põhinevad ioonvedelikud (IL-id), mida laialdaselt puurimisvedelikes kasutatakse, on aga osutunud mürgisteks, biolagunematuteks ja kalliteks. Sügavaid eutektilisi lahusteid (DES) peetakse ioonvedelike kulutõhusamaks ja vähem toksiliseks alternatiiviks, kuid need ei vasta siiski nõutavale keskkonnasäästlikkusele. Hiljutised edusammud selles valdkonnas on viinud looduslike sügavate eutektiliste lahustite (NADES) kasutuselevõtuni, mis on tuntud oma tõelise keskkonnasõbralikkuse poolest. Käesolevas uuringus uuriti NADES-e, mis sisaldavad puurimisvedeliku lisanditena sidrunhapet (vesiniksideme aktseptorina) ja glütserooli (vesiniksideme doonorina). NADES-põhised puurimisvedelikud töötati välja vastavalt API 13B-1 standardile ja nende toimivust võrreldi kaaliumkloriidil põhinevate puurimisvedelike, imidasooliumil põhinevate ioonvedelike ja koliinkloriidi:uurea-DES-põhiste puurimisvedelikega. Patenteeritud NADES-ide füüsikalis-keemilisi omadusi kirjeldatakse üksikasjalikult. Uuringu käigus hinnati puurimisvedeliku reoloogilisi omadusi, vedeliku kadu ja põlevkivi inhibeerimisomadusi ning näidati, et 3% NADES-ide kontsentratsiooni juures suurenes voolavuspiiri/plastilise viskoossuse suhe (YP/PV), mudakoogi paksus vähenes 26% ja filtraadi maht vähenes 30,1%. Märkimisväärselt saavutas NADES muljetavaldava paisumise inhibeerimismäära 49,14% ja suurendas põlevkivi tootmist 86,36%. Need tulemused omistatakse NADES-i võimele muuta savide pinnaaktiivsust, dzeetapotentsiaali ja vahekihtide vahekaugust, mida käesolevas artiklis käsitletakse, et mõista aluseks olevaid mehhanisme. See säästev puurimisvedelik peaks puurimistööstust revolutsiooniliselt muutma, pakkudes mittetoksilist, kulutõhusat ja väga tõhusat alternatiivi traditsioonilistele põlevkivi korrosiooni inhibiitoritele, sillutades teed keskkonnasõbralikele puurimistavadele.
Põlevkivi on mitmekülgne kivim, mis toimib nii süsivesinike allikana kui ka reservuaarina ning selle poorne struktuur1 pakub potentsiaali nii nende väärtuslike ressursside tootmiseks kui ka ladustamiseks. Põlevkivi on aga rikas savimineraalide, näiteks montmorilloniidi, smektiidi, kaoliniidi ja illiiti poolest, mis muudavad selle veega kokkupuutel paisumisele kalduvaks, mis viib puuraugu ebastabiilsuseni puurimistööde ajal2,3. Need probleemid võivad põhjustada mitteproduktiivset aega (NPT) ja hulgaliselt tööprobleeme, sealhulgas kinni jäänud torud, muda ringluse kadumine, puuraugu kokkuvarisemine ja puuriterade saastumine, mis suurendab taaskasutusaega ja -kulusid. Traditsiooniliselt on õlipõhised puurimisvedelikud (OBDF) olnud eelistatud valik põlevkivi formatsioonide jaoks, kuna need suudavad põlevkivi paisumisele vastu pidada4. Õlipõhiste puurimisvedelike kasutamine toob aga kaasa suuremad kulud ja keskkonnariskid. Alternatiivina on kaalutud sünteetilisi puurimisvedelikke (SBDF), kuid nende sobivus kõrgetel temperatuuridel ei ole rahuldav. Veepõhised puurimisvedelikud (WBDF) on atraktiivne lahendus, kuna need on ohutumad, keskkonnasõbralikumad ja kulutõhusamad kui OBDF5. WBDF-i põlevkivi inhibiitorite võime suurendamiseks on kasutatud mitmesuguseid põlevkivi inhibiitoreid, sealhulgas traditsioonilisi inhibiitoreid nagu kaaliumkloriid, lubi, silikaat ja polümeer. Nendel inhibiitoritel on aga piirangud efektiivsuse ja keskkonnamõju osas, eriti kaaliumkloriidi inhibiitorite kõrge K+ kontsentratsiooni ja silikaatide pH-tundlikkuse tõttu.6 Teadlased on uurinud ioonvedelike kasutamise võimalust puurimisvedeliku lisanditena, et parandada puurimisvedeliku reoloogiat ning vältida põlevkivi paisumist ja hüdraatide teket. Need ioonvedelikud, eriti need, mis sisaldavad imidasolüülkatioone, on aga üldiselt mürgised, kallid, biolagunematud ja vajavad keerulisi valmistusprotsesse. Nende probleemide lahendamiseks hakati otsima säästlikumat ja keskkonnasõbralikumat alternatiivi, mis viis süvaeutektiliste lahustite (DES) tekkimiseni. DES on eutektiline segu, mis moodustub vesiniksideme doonorist (HBD) ja vesiniksideme aktseptorist (HBA) kindla molaarsuhte ja temperatuuri juures. Nendel eutektilistel segudel on madalamad sulamistemperatuurid kui nende üksikutel komponentidel, peamiselt vesiniksidemete põhjustatud laengu delokalisatsiooni tõttu. DES-i sulamistemperatuuri alandamisel mängivad võtmerolli paljud tegurid, sealhulgas võreenergia, entroopia muutus ning anioonide ja HBD vahelised interaktsioonid.
Varasemates uuringutes lisati veepõhisele puurimisvedelikule põlevkivi paisumise probleemi lahendamiseks mitmesuguseid lisandeid. Näiteks lisasid Ofei jt 1-butüül-3-metüülimidasooliumkloriidi (BMIM-Cl), mis vähendas oluliselt mudakoogi paksust (kuni 50%) ja vähendas YP/PV väärtust 11 võrra erinevatel temperatuuridel. Huang jt kasutasid ioonvedelikke (täpsemalt 1-heksüül-3-metüülimidasooliumbromiidi ja 1,2-bis(3-heksüülimidasool-1-üül)etaanbromiidi) koos Na-Bt osakestega ja vähendasid oluliselt põlevkivi paisumist vastavalt 86,43% ja 94,17%12. Lisaks kasutasid Yang jt 1-vinüül-3-dodetsüülimidasooliumbromiidi ja 1-vinüül-3-tetradetsüülimidasooliumbromiidi, et vähendada põlevkivi paisumist vastavalt 16,91% ja 5,81%.13 Yang jt kasutasid ka 1-vinüül-3-etüülimidasooliumbromiidi ja vähendasid põlevkivi paisumist 31,62% võrra, hoides samal ajal põlevkivi saagise 40,60% juures.14 Lisaks kasutasid Luo jt 1-oktüül-3-metüülimidasooliumtetrafluoroboraati, et vähendada põlevkivi paisumist 80% võrra.15, 16 Dai jt kasutasid põlevkivi inhibeerimiseks ioonseid vedelaid kopolümeere ja saavutasid lineaarse saagise 18% suurenemise võrreldes amiini inhibiitoritega.17
Ioonvedelikel endil on teatud puudused, mis ajendasid teadlasi otsima keskkonnasõbralikumaid alternatiive ioonvedelikele ja nii sündiski DES. Hanjia kasutas esimesena sügavaid eutektilisi lahusteid (DES), mis koosnesid vinüülkloriidpropioonhappest (1:1), vinüülkloriid-3-fenüülpropioonhappest (1:2) ja 3-merkaptopropioonhappest + itakoonhappest + vinüülkloriidist (1:1:2), mis pärssisid bentoniidi paisumist vastavalt 68%, 58% ja 58%18. Vabas katses kasutas MH Rasul glütserooli ja kaaliumkarbonaadi (DES) suhet 2:1 ja vähendas põlevkiviproovide paisumist oluliselt 87%19,20. Ma kasutas põlevkivi paisumise oluliseks vähendamiseks karbamiidi:vinüülkloriidi 67%.21 Rasul jt. DES-i ja polümeeri kombinatsiooni kasutati kahetoimelise põlevkivi inhibiitorina, mis saavutas suurepärase põlevkivi inhibeerimise efekti22.
Kuigi süvaeutektilisi lahusteid (DES) peetakse üldiselt ioonvedelike rohelisemaks alternatiiviks, sisaldavad need ka potentsiaalselt toksilisi komponente, näiteks ammooniumsoolasid, mis muudab nende keskkonnasõbralikkuse küsitavaks. See probleem on viinud looduslike süvaeutektiliste lahustite (NADES) väljatöötamiseni. Neid klassifitseeritakse endiselt DES-idena, kuid need koosnevad looduslikest ainetest ja sooladest, sealhulgas kaaliumkloriidist (KCl), kaltsiumkloriidist (CaCl2), Epsomi sooladest (MgSO4.7H2O) ja teistest. DES-i ja NADES-i arvukad potentsiaalsed kombinatsioonid avavad selles valdkonnas laiaulatuslikud uurimisvõimalused ja eeldatavasti leiavad rakendusi erinevates valdkondades. Mitmed teadlased on edukalt välja töötanud uusi DES-i kombinatsioone, mis on osutunud tõhusaks mitmesugustes rakendustes. Näiteks Naser jt. sünteesisid 2013. aastal kaaliumkarbonaadil põhineva DES-i ja uurisid selle termofüüsikalisi omadusi, mis hiljem leidis rakendusi hüdraatide inhibeerimise, puurimisvedeliku lisandite, delignifikatsiooni ja nanofibrillatsiooni valdkonnas.23 Jordy Kim ja tema kaastöötajad töötasid välja askorbiinhappel põhineva NADES-i ja hindasid selle antioksüdantseid omadusi erinevates rakendustes. 24 Christer jt töötasid välja sidrunhappel põhineva NADES-i ja tuvastasid selle potentsiaali kollageenitoodete abiainena. 25 Liu Yi ja kaastöötajad võtsid põhjalikus ülevaates kokku NADES-i rakendused ekstraheerimis- ja kromatograafiakeskkonnana, samas kui Misan jt arutasid NADES-i edukaid rakendusi põllumajandus- ja toidusektoris. On hädavajalik, et puurimisvedelike uurijad hakkaksid pöörama tähelepanu NADES-i tõhususele oma rakendustes. Hiljutised. 2023. aastal kasutasid Rasul jt erinevaid looduslike sügavate eutektiliste lahustite kombinatsioone, mis põhinevad askorbiinhappel26, kaltsiumkloriidil27, kaaliumkloriidil28 ja Epsomi soolal29, ning saavutasid muljetavaldava põlevkivi inhibeerimise ja põlevkivi taaskasutuse. See uuring on üks esimesi uuringuid, mis tutvustas NADES-i (eriti sidrunhappel ja glütseroolil põhinevat koostist) keskkonnasõbraliku ja tõhusa põlevkivi inhibiitorina veepõhistes puurimisvedelikes, millel on suurepärane keskkonnastabiilsus, parem põlevkivi inhibeerimisvõime ja parem vedeliku jõudlus võrreldes traditsiooniliste inhibiitoritega, nagu KCl, imidasolüülil põhinevad ioonvedelikud ja traditsiooniline DES.
Uuring hõlmab sidrunhappel (CA) põhineva NADES-i kohapealset valmistamist, millele järgneb detailne füüsikalis-keemiline iseloomustus ja selle kasutamine puurimisvedeliku lisandina, et hinnata puurimisvedeliku omadusi ja selle paisumise pärssimise võimet. Selles uuringus toimib CA vesiniksideme aktseptorina, samas kui glütserool (Gly) toimib vesiniksideme doonorina, mis valitakse MH sõelumiskriteeriumide alusel NADES-i moodustumiseks/selektsiooniks põlevkivi inhibeerimise uuringutes30. Fourier' teisendusega infrapunaspektroskoopia (FTIR), röntgendifraktsiooni (XRD) ja dzeetapotentsiaali (ZP) mõõtmised selgitavad NADES-savi interaktsioone ja savi paisumise pärssimise aluseks olevat mehhanismi. Lisaks võrdleb see uuring CA NADES-põhist puurimisvedelikku 1-etüül-3-metüülimidasooliumkloriidil [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl-il ja koliinkloriidil:uureal (1:2) põhineva DES32-ga, et uurida nende efektiivsust põlevkivi inhibeerimisel ja puurimisvedeliku jõudluse parandamisel.
Sidrunhape (monohüdraat), glütserool (99 USP) ja uurea osteti firmalt EvaChem, Kuala Lumpur, Malaisia. Koliinkloriid (>98%), [EMIM]Cl 98% ja kaaliumkloriid osteti firmalt Sigma Aldrich, Malaisia. Kõigi kemikaalide keemilised struktuurid on näidatud joonisel 1. Roheline diagramm võrdleb selles uuringus kasutatud peamisi kemikaale: imidasolüülioonvedelik, koliinkloriid (DES), sidrunhape, glütserool, kaaliumkloriid ja NADES (sidrunhape ja glütserool). Selles uuringus kasutatud kemikaalide keskkonnasõbralikkuse tabel on esitatud tabelis 1. Tabelis on iga kemikaal hinnatud toksilisuse, biolagunevuse, maksumuse ja keskkonnasäästlikkuse alusel.
Selles uuringus kasutatud materjalide keemilised struktuurid: (a) sidrunhape, (b) [EMIM]Cl, (c) koliinkloriid ja (d) glütserool.
Vesiniksideme doonori (HBD) ja vesiniksideme aktseptori (HBA) kandidaadid CA-põhiste (looduslik süvaeutektiline lahusti) NADES-ide väljatöötamiseks valiti hoolikalt välja vastavalt MH 30 valikukriteeriumidele, mis on ette nähtud NADES-ide arendamiseks tõhusate põlevkivi inhibiitoritena. Selle kriteeriumi kohaselt peetakse NADES-ide arendamiseks sobivaks komponente, millel on suur hulk vesiniksideme doonoreid ja aktseptoreid ning polaarsed funktsionaalrühmad.
Lisaks valiti selles uuringus võrdluseks ioonvedelik [EMIM]Cl ja koliinkloriidi:uurea sügav eutektiline lahusti (DES), kuna neid kasutatakse laialdaselt puurimisvedeliku lisanditena33,34,35,36. Lisaks võrreldi kaaliumkloriidi (KCl), kuna see on levinud inhibiitor.
Sidrunhape ja glütserool segati eutektiliste segude saamiseks erinevates molaarsuhetes. Visuaalne kontroll näitas, et eutektiline segu oli homogeenne, läbipaistev ja hägususeta vedelik, mis näitab, et vesiniksideme doonor (HBD) ja vesiniksideme aktseptor (HBA) olid selles eutektilises koostises edukalt segatud. Eelkatsed viidi läbi, et jälgida HBD ja HBA segamisprotsessi temperatuurist sõltuvat käitumist. Olemasoleva kirjanduse kohaselt hinnati eutektiliste segude osakaalu kolmel konkreetsel temperatuuril: üle 50 °C, 70 °C ja 100 °C, mis näitab, et eutektiline temperatuur on tavaliselt vahemikus 50–80 °C. HBD ja HBA komponentide täpseks kaalumiseks kasutati Mettleri digitaalset kaalu ning HBD ja HBA kuumutamiseks ja segamiseks kiirusel 100 p/min kontrollitud tingimustes kasutati Thermo Fisheri kuumutusplaati.
Meie sünteesitud sügava eutektilise lahusti (DES) termofüüsikalisi omadusi, sealhulgas tihedust, pindpinevust, murdumisnäitajat ja viskoossust, mõõdeti täpselt temperatuurivahemikus 289,15 kuni 333,15 K. Tuleb märkida, et see temperatuurivahemik valiti peamiselt olemasolevate seadmete piirangute tõttu. Põhjalik analüüs hõlmas selle NADES-formulatsiooni erinevate termofüüsikaliste omaduste põhjalikku uurimist, mis näitas nende käitumist erinevates temperatuurivahemikes. Sellele konkreetsele temperatuurivahemikule keskendumine annab ülevaate NADES-i omadustest, mis on eriti olulised mitmete rakenduste jaoks.
Valmistatud NADES-i pindpinevust mõõdeti temperatuurivahemikus 289,15–333,15 K, kasutades faasidevahelise pinge mõõturit (IFT700). NADES-i tilgad moodustatakse kapillaarnõela abil suure vedelikumahuga täidetud kambris kindla temperatuuri ja rõhu tingimustes. Kaasaegsed kuvamissüsteemid kasutavad faasidevahelise pinge arvutamiseks Laplace'i võrrandi abil sobivaid geomeetrilisi parameetreid.
Värskelt valmistatud NADES-i murdumisnäitaja määramiseks temperatuurivahemikus 289,15–333,15 K kasutati ATAGO refraktomeetrit. Instrument kasutab temperatuuri reguleerimiseks termomoodulit, et hinnata valguse murdumise astet, välistades vajaduse konstantse temperatuuriga veevanni järele. Refraktomeetri prisma pind tuleks puhastada ja proovilahus tuleks sellele ühtlaselt jaotada. Kalibreerida teadaoleva standardlahusega ja seejärel lugeda murdumisnäitaja ekraanilt.
Valmistatud NADES-i viskoossust mõõdeti temperatuurivahemikus 289,15–333,15 K, kasutades Brookfieldi pöörlevat viskosimeetrit (krüogeenset tüüpi) nihkekiirusel 30 p/min ja spindli suurusel 6. Viskosimeeter mõõdab viskoossust, määrates pöördemomendi, mis on vajalik spindli pöörlemiseks konstantsel kiirusel vedelas proovis. Pärast proovi asetamist sõelale spindli alla ja pingutamist kuvab viskosimeeter viskoossust sentipoisides (cP), mis annab väärtuslikku teavet vedeliku reoloogiliste omaduste kohta.
Värskelt valmistatud loodusliku süvaeutektilise lahusti (NDEES) tiheduse määramiseks temperatuurivahemikus 289,15–333,15 K kasutati kaasaskantavat tihedusmõõturit DMA 35 Basic. Kuna seadmel puudub sisseehitatud kütteseade, tuleb see enne NADES-tihedusmõõturi kasutamist eelsoojendada ettenähtud temperatuurini (± 2 °C). Tõmmake läbi toru vähemalt 2 ml proovi ja tihedus kuvatakse kohe ekraanil. Tasub märkida, et sisseehitatud kütteseadme puudumise tõttu on mõõtmistulemuste viga ± 2 °C.
Värskelt valmistatud NADES-i pH hindamiseks temperatuurivahemikus 289,15–333,15 K kasutasime Kenise lauaarvuti pH-meetrit. Kuna sisseehitatud kütteseadet ei ole, kuumutati NADES esmalt soovitud temperatuurini (±2 °C) kuumutusplaadi abil ja seejärel mõõdeti otse pH-meetriga. Kastke pH-meetri sond täielikult NADES-i ja registreerige lõppväärtus pärast näidu stabiliseerumist.
Looduslike süvaeutektiliste lahustite (NADES) termilise stabiilsuse hindamiseks kasutati termogravimeetrilist analüüsi (TGA). Proove analüüsiti kuumutamise ajal. Kasutades suure täpsusega kaalu ja jälgides kuumutamisprotsessi hoolikalt, genereeriti massikao ja temperatuuri graafik. NADES-i kuumutati temperatuurini 0–500 °C kiirusega 1 °C minutis.
Protsessi alustamiseks tuleb NADES-proov põhjalikult segada, homogeniseerida ja pinnalt niiskus eemaldada. Seejärel asetatakse ettevalmistatud proov TGA küvetti, mis on tavaliselt valmistatud inertsest materjalist, näiteks alumiiniumist. Täpsete tulemuste tagamiseks kalibreeritakse TGA instrumendid võrdlusmaterjalide, tavaliselt kaalustandardite abil. Pärast kalibreerimist algab TGA katse ja proovi kuumutatakse kontrollitud viisil, tavaliselt konstantse kiirusega. Proovi kaalu ja temperatuuri vahelise seose pidev jälgimine on katse oluline osa. TGA instrumendid koguvad andmeid temperatuuri, kaalu ja muude parameetrite, näiteks gaasivoolu või proovi temperatuuri kohta. Kui TGA katse on lõppenud, analüüsitakse kogutud andmeid, et määrata proovi kaalu muutus temperatuuri funktsioonina. See teave on väärtuslik proovi füüsikaliste ja keemiliste muutustega seotud temperatuurivahemike määramisel, sealhulgas selliste protsesside nagu sulamine, aurustumine, oksüdeerumine või lagunemine.
Veepõhine puurimisvedelik valmistati hoolikalt vastavalt API 13B-1 standardile ja selle täpne koostis on toodud tabelis 2 võrdluseks. Loodusliku sügava eutektilise lahusti (NADES) valmistamiseks osteti sidrunhape ja glütserool (99 USP) firmalt Sigma Aldrich, Malaisia. Lisaks osteti firmalt Sigma Aldrich, Malaisia, tavapärane põlevkivi inhibiitor kaaliumkloriid (KCl). Valiti välja 1-etüül, 3-metüülimidasooliumkloriid ([EMIM]Cl) puhtusega üle 98%, kuna sellel on märkimisväärne mõju puurimisvedeliku reoloogia parandamisele ja põlevkivi inhibeerimisele, mida kinnitasid ka varasemad uuringud. Nii KCl-i kui ka ([EMIM]Cl) kasutatakse võrdlevas analüüsis, et hinnata NADES-i põlevkivi inhibeerimisvõimet.
Paljud teadlased eelistavad põlevkivi turse uurimiseks kasutada bentoniidihelbeid, kuna bentoniit sisaldab sama montmorilloniidi rühma, mis põhjustab põlevkivi turset. Päris põlevkiviproovide saamine on keeruline, kuna südamiku võtmise protsess destabiliseerib põlevkivi, mille tulemuseks on proovid, mis ei ole täielikult põlevkivist, vaid sisaldavad tavaliselt liivakivi ja lubjakivi kihtide segu. Lisaks puuduvad põlevkiviproovidel tavaliselt montmorilloniidi rühmad, mis põhjustavad põlevkivi turset, ja seetõttu ei sobi need turse pärssimise katseteks.
Selles uuringus kasutasime ligikaudu 2,54 cm läbimõõduga taastatud bentoniidiosakesi. Graanulid valmistati 11,5 grammi naatriumbentoniidipulbri pressimisega hüdraulilises pressis rõhul 1600 psi. Graanulite paksus mõõdeti täpselt enne lineaarsesse dilatomeetrisse (LD) asetamist. Seejärel kasteti osakesed puurimisvedeliku proovidesse, sealhulgas alusproovidesse ja proovidesse, kuhu süstiti põlevkivi paisumise vältimiseks kasutatavaid inhibiitoreid. Graanulite paksuse muutust jälgiti seejärel hoolikalt LD abil, mõõtmisi registreerides 60-sekundiliste intervallidega 24 tunni jooksul.
Röntgendifraktsioon näitas, et bentoniidi koostis, eriti selle 47% montmorilloniidi komponent, on võtmetegur selle geoloogiliste omaduste mõistmisel. Bentoniidi montmorilloniidi komponentide hulgas on montmorilloniit peamine komponent, moodustades 88,6% kogu komponentidest. Kvarts moodustab 29%, illiit 7% ja karbonaat 9%. Väike osa (umbes 3,2%) on iliidi ja montmorilloniidi segu. Lisaks sisaldab see mikroelemente nagu Fe2O3 (4,7%), hõbealumosilikaat (1,2%), muskoviit (4%) ja fosfaat (2,3%). Lisaks esineb väikestes kogustes Na2O (1,83%) ja raudsilikaati (2,17%), mis võimaldab täielikult hinnata bentoniidi koostisosi ja nende vastavaid proportsioone.
See põhjalik uuringuosa kirjeldab loodusliku süvaeutektilise lahusti (NADES) abil valmistatud ja erinevates kontsentratsioonides (1%, 3% ja 5%) puurimisvedeliku lisandina kasutatud puurimisvedeliku proovide reoloogilisi ja filtreerimisomadusi. Seejärel võrreldi ja analüüsiti NADES-põhiseid suspensiooniproove kaaliumkloriidist (KCl), CC:uureast DES-ist (koliinkloriidi süvaeutektilise lahusti:uurea) ja ioonvedelikest koosnevate suspensiooniproovidega. Selles uuringus käsitleti mitmeid olulisi parameetreid, sealhulgas FANN-viskosimeetri abil saadud viskoossuse näite enne ja pärast vananemistingimustele eksponeerimist temperatuuril 100 °C ja 150 °C. Mõõtmised tehti erinevatel pöörlemiskiirustel (3 p/min, 6 p/min, 300 p/min ja 600 p/min), mis võimaldas puurimisvedeliku käitumist põhjalikult analüüsida. Saadud andmeid saab seejärel kasutada selliste oluliste omaduste nagu voolavuspiir (YP) ja plastiline viskoossus (PV) määramiseks, mis annavad ülevaate vedeliku toimivusest erinevates tingimustes. Kõrgsurve-kõrgtemperatuuri (HPHT) filtreerimiskatsed rõhul 400 psi ja temperatuuril 150 °C (tüüpilised temperatuurid kõrgtemperatuurilistes puurkaevudes) määravad filtreerimisjõudluse (filtrikoogi paksus ja filtraadi maht).
Selles osas kasutatakse tipptasemel seadet Grace HPHT lineaarset dilatomeetrit (M4600), et põhjalikult hinnata meie veepõhiste puurimisvedelike põlevkivi paisumise tõkestamise omadusi. LSM on tipptasemel masin, mis koosneb kahest komponendist: plaattihendajast ja lineaarsest dilatomeetrist (mudel: M4600). Bentoniitplaadid valmistati analüüsiks ette Grace Core/Plate Compactoriga. Seejärel annab LSM nende plaatide kohta koheselt paisumisandmeid, mis võimaldab põlevkivi paisumise tõkestamise omadusi põhjalikult hinnata. Põlevkivi paisumise katsed viidi läbi ümbritseva keskkonna tingimustes, st temperatuuril 25 °C ja rõhul 1 psia.
Põlevkivi stabiilsuse testimine hõlmab võtmetesti, mida sageli nimetatakse põlevkivi taaskasutustestiks, põlevkivi kastmistestiks või põlevkivi dispersioontestiks. Selle hindamise alustamiseks eraldatakse põlevkivi puru #6 BSS sõelal ja asetatakse seejärel #10 sõelale. Seejärel suunatakse puru hoidmispaaki, kus see segatakse baasvedeliku ja NADES-i (looduslik sügav eutektiline lahusti) sisaldava puurimismudaga. Järgmine samm on segu asetamine ahju intensiivseks kuumvaltsimisprotsessiks, tagades, et puru ja muda on korralikult segunenud. 16 tunni pärast eemaldatakse puru tselluloosist, lastes põlevkivil laguneda, mille tulemuseks on puru kaalu vähenemine. Põlevkivi taaskasutustest viidi läbi pärast seda, kui põlevkivi puru oli 24 tunni jooksul hoitud puurimismudas temperatuuril 150 °C ja rõhul 1000 psi-tolli.
Põlevkivimuda saagise mõõtmiseks filtreerisime selle läbi peenema sõela (40 mešši), seejärel pesti põhjalikult veega ja lõpuks kuivatasime ahjus. See vaevarikas protseduur võimaldab meil hinnata taaskasutatud muda kogust võrreldes algse kaaluga, arvutades lõpuks edukalt taaskasutatud põlevkivimuda protsendi. Põlevkiviproovid pärinevad Niahi ringkonnast, Miri ringkonnast, Sarawakist, Malaisiast. Enne dispersioon- ja saagiseteste tehti põlevkiviproovidele põhjalik röntgendifraktsiooni (XRD) analüüs, et kvantifitseerida nende savi koostist ja kinnitada nende sobivust testimiseks. Proovi savimineraalide koostis on järgmine: illiit 18%, kaoliniit 31%, kloriit 22%, vermikuliit 10% ja vilgukivi 19%.
Pindpinevus on võtmetegur, mis kontrollib veekatioonide tungimist põlevkivi mikropooridesse kapillaarse toime kaudu, mida selles osas üksikasjalikult uuritakse. See artikkel uurib pindpinevuse rolli puurimisvedelike kohesiooniomadustes, rõhutades selle olulist mõju puurimisprotsessile, eriti põlevkivi inhibeerimisele. Kasutasime puurimisvedeliku proovide pindpinevuse täpseks mõõtmiseks faasidevahelist tensiomeetrit (IFT700), mis paljastab vedeliku käitumise olulise aspekti põlevkivi inhibeerimise kontekstis.
Selles osas käsitletakse üksikasjalikult d-kihtide vahekaugust, mis on savide alumiiniumsilikaatkihtide ja ühe alumiiniumsilikaatkihi vaheline kaugus. Analüüs hõlmas võrdluseks märgmudaproove, mis sisaldasid 1%, 3% ja 5% CA NADES-i, samuti 3% KCl-i, 3% [EMIM]Cl-i ja 3% CC:uureal põhinevat DES-i. Nii märgade kui ka kuivade Na-Bt proovide röntgendifraktsioonipiikide registreerimisel mängis olulist rolli tipptasemel röntgendifraktomeetril (D2 Phaser), mis töötas 40 mA ja 45 kV juures Cu-Kα kiirgusega (λ = 1,54059 Å). Braggi võrrandi rakendamine võimaldab täpselt määrata d-kihtide vahekaugust, andes seeläbi väärtuslikku teavet savi käitumise kohta.
Selles osas kasutatakse dzeeta potentsiaali täpseks mõõtmiseks täiustatud Malvern Zetasizer Nano ZSP instrumenti. See hindamine andis väärtuslikku teavet lahjendatud mudaproovide laenguomaduste kohta, mis sisaldasid 1%, 3% ja 5% CA NADES-i, samuti 3% KCl-i, 3% [EMIM]Cl-i ja 3% CC:uurea-põhist DES-i võrdleva analüüsi jaoks. Need tulemused aitavad kaasa meie arusaamisele kolloidsete ühendite stabiilsusest ja nende interaktsioonidest vedelikes.
Saviproove uuriti enne ja pärast loodusliku süvaeutektilise lahustiga (NADES) kokkupuudet Zeiss Supra 55 VP väljakiirgusega skaneeriva elektronmikroskoobi (FESEM) abil, mis oli varustatud energiadispersiivse röntgenkiirguse (EDX) seadmega. Kujutise eraldusvõime oli 500 nm ja elektronkiire energia oli vastavalt 30 kV ja 50 kV. FESEM pakub saviproovide pinnamorfoloogia ja struktuuriliste omaduste kõrglahutusega visualiseerimist. Selle uuringu eesmärk oli saada teavet NADESi mõju kohta saviproovidele, võrreldes enne ja pärast kokkupuudet saadud pilte.
Selles uuringus kasutati NADES-i mõju uurimiseks saviproovidele mikroskoopilisel tasandil väljakiirgusega skaneeriva elektronmikroskoopia (FESEM) tehnoloogiat. Uuringu eesmärk on selgitada NADES-i potentsiaalseid rakendusi ja selle mõju savi morfoloogiale ja keskmisele osakeste suurusele, mis annaks väärtuslikku teavet selle valdkonna uuringuteks.
Selles uuringus kasutati vearibasid, et visuaalselt kirjeldada keskmise protsendivea (AMPE) varieeruvust ja määramatust katsetingimustes. Üksikute AMPE väärtuste joonistamise asemel (kuna AMPE väärtuste joonistamine võib varjata trende ja liialdada väikeste variatsioonidega), arvutasime vearibad 5% reegli abil. See lähenemisviis tagab, et iga veariba esindab vahemikku, millesse 95% usaldusvahemik ja 100% AMPE väärtustest peaksid jääma, pakkudes seeläbi selgemat ja kokkuvõtlikumat kokkuvõtet iga katsetingimuse andmete jaotusest. 5% reeglil põhinevate vearibade kasutamine parandab seega graafiliste esituste tõlgendatavust ja usaldusväärsust ning aitab saada tulemustest ja nende mõjust üksikasjalikuma ülevaate.
Looduslike süvaeutektiliste lahustite (NADES) sünteesimisel uuriti sisemise valmistusprotsessi käigus hoolikalt mitmeid võtmeparameetreid. Nende oluliste tegurite hulka kuuluvad temperatuur, molaarsuhe ja segamiskiirus. Meie katsed näitavad, et kui HBA (sidrunhape) ja HBD (glütserool) segatakse molaarsuhtes 1:4 temperatuuril 50 °C, moodustub eutektiline segu. Eutektilise segu eristavaks tunnuseks on selle läbipaistev, homogeenne välimus ja sette puudumine. Seega rõhutab see võtmeetapp molaarsuhte, temperatuuri ja segamiskiiruse olulisust, mille hulgas oli molaarsuhe DES-i ja NADES-i valmistamisel kõige mõjukam tegur, nagu on näidatud joonisel 2.
Murdumisnäitaja (n) väljendab valguse kiiruse suhet vaakumis valguse kiirusega teises, tihedamas keskkonnas. Murdumisnäitaja pakub erilist huvi looduslike sügavate eutektiliste lahustite (NADES) puhul optiliselt tundlike rakenduste, näiteks biosensorite puhul. Uuritud NADES-i murdumisnäitaja temperatuuril 25 °C oli 1,452, mis on huvitaval kombel madalam kui glütseroolil.
Väärib märkimist, et NADES-i murdumisnäitaja väheneb temperatuuriga ning seda suundumust saab täpselt kirjeldada valemiga (1) ja joonisega 3, kus absoluutne keskmine protsentuaalne viga (AMPE) ulatub 0%-ni. Seda temperatuurist sõltuvat käitumist seletatakse viskoossuse ja tiheduse vähenemisega kõrgetel temperatuuridel, mille tõttu valgus liigub keskkonnas suurema kiirusega, mille tulemuseks on madalam murdumisnäitaja (n) väärtus. Need tulemused annavad väärtuslikku teavet NADES-i strateegilise kasutamise kohta optilises sensoris, rõhutades selle potentsiaali biosensorrakendustes.
Pindpinevus, mis peegeldab vedeliku pinna kalduvust oma pindala minimeerida, on väga oluline looduslike sügavate eutektiliste lahustite (NADES) sobivuse hindamisel kapillaarsel rõhul põhinevate rakenduste jaoks. Pindpinevuse uuring temperatuurivahemikus 25–60 °C annab väärtuslikku teavet. Temperatuuril 25 °C oli sidrunhappel põhineva NADESi pindpinevus 55,42 mN/m, mis on oluliselt madalam kui veel ja glütseroolil. Joonis 4 näitab, et pindpinevus väheneb temperatuuri tõustes oluliselt. Seda nähtust saab seletada molekulaarse kineetilise energia suurenemise ja sellele järgneva molekulidevaheliste atraktiivsete jõudude vähenemisega.
Uuritud NADES-is täheldatud pindpinevuse lineaarset vähenemistrendi saab hästi väljendada võrrandiga (2), mis illustreerib põhilist matemaatilist seost temperatuurivahemikus 25–60 °C. Joonisel 4 olev graafik kujutab selgelt pindpinevuse trendi temperatuuriga, absoluutse keskmise protsendiveaga (AMPE) 1,4%, mis kvantifitseerib esitatud pindpinevuse väärtuste täpsust. Need tulemused on olulised NADES-i käitumise ja selle potentsiaalsete rakenduste mõistmiseks.
Looduslike süvaeutektiliste lahustite (NADES) tihedusdünaamika mõistmine on ülioluline, et hõlbustada nende rakendamist arvukates teaduslikes uuringutes. Sidrunhappel põhineva NADESi tihedus temperatuuril 25 °C on 1,361 g/cm3, mis on suurem kui lähteglütserooli tihedus. Seda erinevust saab seletada vesiniksideme aktseptori (sidrunhappe) lisamisega glütseroolile.
Näiteks tsitraadil põhineva NADESi tihedus langeb temperatuuril 60 °C 1,19 g/cm3-ni. Kuumutamisel tekkiv kineetilise energia suurenemine põhjustab NADESi molekulide dispersiooni, mille tulemusel nad hõivavad suurema mahu, mille tulemuseks on tiheduse vähenemine. Täheldatud tiheduse vähenemine näitab teatud lineaarset korrelatsiooni temperatuuri tõusuga, mida saab hästi väljendada valemiga (3). Joonis 5 esitab graafiliselt NADESi tiheduse muutuse need omadused absoluutse keskmise protsentuaalse veaga (AMPE) 1,12%, mis annab kvantitatiivse mõõdu esitatud tiheduse väärtuste täpsuse kohta.
Viskoossus on liikuva vedeliku eri kihtide vaheline tõmbejõud ja sellel on võtmeroll looduslike süvaeutektiliste lahustite (NADES) rakendatavuse mõistmisel erinevates rakendustes. Temperatuuril 25 °C oli NADESi viskoossus 951 cP, mis on kõrgem kui glütseroolil.
Täheldatud viskoossuse langus temperatuuri tõustes on peamiselt seletatav molekulidevaheliste atraktsioonijõudude nõrgenemisega. See nähtus põhjustab vedeliku viskoossuse vähenemist, mida näitab selgelt joonis 6 ja kvantifitseerib võrrand (4). Tähelepanuväärne on see, et temperatuuril 60 °C langeb viskoossus 898 cP-ni üldise keskmise veaprotsendiga (AMPE) 1,4%. NADES-i viskoossuse ja temperatuuri sõltuvuse üksikasjalik mõistmine on selle praktilise rakendamise seisukohast väga oluline.
Lahuse pH, mis määratakse vesinikioonide kontsentratsiooni negatiivse logaritmina, on kriitilise tähtsusega, eriti pH-tundlikes rakendustes, näiteks DNA sünteesis, seega tuleb NADESi pH-d enne kasutamist hoolikalt uurida. Näiteks sidrunhappel põhineva NADESi puhul on täheldatav selgelt happeline pH 1,91, mis on teravas vastuolus glütserooli suhteliselt neutraalse pH-ga.
Huvitaval kombel näitas loodusliku sidrunhappe dehüdrogenaasi lahustuva lahusti (NADES) pH temperatuuri tõustes mittelineaarset langustrendi. See nähtus on tingitud suurenenud molekulaarsetest vibratsioonidest, mis häirivad lahuses H+ tasakaalu, mis viib [H]+ ioonide moodustumiseni ja omakorda pH väärtuse muutumiseni. Kuigi sidrunhappe looduslik pH on vahemikus 3 kuni 5, alandab glütseroolis sisalduv happeline vesinik pH-d veelgi, ulatudes 1,91-ni.
Tsitraadil põhineva NADESi pH käitumist temperatuurivahemikus 25–60 °C saab sobivalt kirjeldada võrrandiga (5), mis annab vaadeldava pH trendi matemaatilise avaldise. Joonis 7 kujutab seda huvitavat seost graafiliselt, tuues esile temperatuuri mõju NADESi pH-le, mis AMPE puhul on teatatud olevat 1,4%.
Loodusliku sidrunhappe sügava eutektilise lahusti (NADES) termogravimeetriline analüüs (TGA) viidi süstemaatiliselt läbi temperatuurivahemikus toatemperatuurist kuni 500 °C-ni. Nagu joonistelt 8a ja b näha, oli esialgne massikadu kuni 100 °C-ni peamiselt tingitud imendunud veest ja sidrunhappe ning puhta glütserooliga seotud hüdratsiooniveest. Märkimisväärne massipeetus, umbes 88%, täheldati kuni 180 °C-ni, mis oli peamiselt tingitud sidrunhappe lagunemisest akoniithappeks ja sellele järgnevast metüülmaleiinanhüdriidi(III) moodustumisest edasisel kuumutamisel (joonis 8b). Üle 180 °C võis täheldada ka akroleiini (akrüülaldehüüdi) selget ilmumist glütseroolis, nagu on näidatud joonisel 8b37.
Glütseroli termogravimeetriline analüüs (TGA) näitas kaheastmelist massikaotuse protsessi. Esialgne etapp (180 kuni 220 °C) hõlmab akroleiini moodustumist, millele järgneb märkimisväärne massikaotus kõrgetel temperatuuridel vahemikus 230 kuni 300 °C (joonis 8a). Temperatuuri tõustes moodustuvad järjestikku atseetaldehüüd, süsinikdioksiid, metaan ja vesinik. Tähelepanuväärne on see, et 300 °C juures säilis ainult 28% massist, mis viitab sellele, et NADES 8(a)38,39 olemuslikud omadused võivad olla defektsed.
Uute keemiliste sidemete moodustumise kohta teabe saamiseks analüüsiti värskelt valmistatud looduslike sügavate eutektiliste lahustite (NADES) suspensioone Fourier' teisendusega infrapunaspektroskoopia (FTIR) abil. Analüüs viidi läbi, võrreldes NADES-suspensiooni spektrit puhta sidrunhappe (CA) ja glütserooli (Gly) spektritega. CA spekter näitas selgeid piike 1752 1/cm ja 1673 1/cm juures, mis esindavad C=O sideme venitusvibratsioone ja on samuti CA-le iseloomulikud. Lisaks täheldati sõrmejälje piirkonnas OH painutusvibratsiooni olulist nihet 1360 1/cm juures, nagu on näidatud joonisel 9.
Samamoodi leiti glütserooli puhul OH venitus- ja painutusvibratsioonide nihkeid vastavalt lainearvudel 3291 1/cm ja 1414 1/cm. Nüüd, analüüsides valmistatud NADES-i spektrit, leiti spektris oluline nihe. Nagu joonisel 7 näidatud, nihkus C=O sideme venitusvibratsioon 1752 1/cm-lt 1720 1/cm-le ja glütserooli -OH sideme painutusvibratsioon 1414 1/cm-lt 1359 1/cm-le. Need lainearvude nihked näitavad elektronegatiivsuse muutust, mis viitab uute keemiliste sidemete moodustumisele NADES-i struktuuris.