Tak fordi du besøger nature.com. Den browserversion, du bruger, har begrænset CSS-understøttelse. For at få den bedste oplevelse anbefaler vi at bruge den nyeste browserversion (eller at deaktivere kompatibilitetstilstand i Internet Explorer). Derudover vil dette websted ikke indeholde stilarter eller JavaScript for at sikre fortsat understøttelse.
Skiferekspansion i klastiske reservoirer skaber betydelige problemer, hvilket fører til ustabilitet i borehullet. Af miljømæssige årsager foretrækkes brugen af ​​vandbaseret borevæske med tilsatte skiferinhibitorer frem for oliebaseret borevæske. Ioniske væsker (IL'er) har tiltrukket sig stor opmærksomhed som skiferinhibitorer på grund af deres justerbare egenskaber og stærke elektrostatiske egenskaber. Imidlertid har imidazolylbaserede ioniske væsker (IL'er), der er meget udbredt i borevæsker, vist sig at være giftige, ikke-biologisk nedbrydelige og dyre. Dybe eutektiske opløsningsmidler (DES) betragtes som et mere omkostningseffektivt og mindre giftigt alternativ til ioniske væsker, men de lever stadig ikke op til den krævede miljømæssige bæredygtighed. Nylige fremskridt på dette område har ført til introduktionen af ​​naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NADES), der er kendt for deres sande miljøvenlighed. Denne undersøgelse undersøgte NADES'er, som indeholder citronsyre (som en hydrogenbindingsacceptor) og glycerol (som en hydrogenbindingsdonor) som borevæsketilsætningsstoffer. De NADES-baserede borevæsker blev udviklet i overensstemmelse med API 13B-1, og deres ydeevne blev sammenlignet med kaliumchloridbaserede borevæsker, imidazoliumbaserede ioniske væsker og cholinchlorid:urinstof-DES-baserede borevæsker. De fysisk-kemiske egenskaber af de proprietære NADES'er er beskrevet i detaljer. De reologiske egenskaber, væsketab og skiferinhiberingsegenskaber af borevæsken blev evalueret under undersøgelsen, og det blev vist, at ved en koncentration på 3% NADES'er blev flydespændings-/plastisk viskositetsforholdet (YP/PV) øget, slamkagetykkelsen blev reduceret med 26%, og filtratvolumenet blev reduceret med 30,1%. Det er værd at bemærke, at NADES opnåede en imponerende ekspansionsinhiberingsrate på 49,14% og øgede skiferproduktionen med 86,36%. Disse resultater tilskrives NADES' evne til at modificere overfladeaktiviteten, zetapotentialet og mellemlagsafstanden i lerarter, hvilket diskuteres i denne artikel for at forstå de underliggende mekanismer. Denne bæredygtige borevæske forventes at revolutionere boreindustrien ved at tilbyde et giftfrit, omkostningseffektivt og yderst effektivt alternativ til traditionelle skiferkorrosionsinhibitorer og dermed bane vejen for miljøvenlige borepraksisser.
Skifer er en alsidig bjergart, der fungerer som både kilde og reservoir for kulbrinter, og dens porøse struktur1 giver potentiale for både produktion og lagring af disse værdifulde ressourcer. Skifer er dog rig på lermineraler som montmorillonit, smektit, kaolinit og illit, hvilket gør den tilbøjelig til at hæve, når den udsættes for vand, hvilket fører til ustabilitet i borehullet under boreoperationer2,3. Disse problemer kan føre til ikke-produktiv tid (NPT) og en række driftsproblemer, herunder fastklemte rør, tabt muddercirkulation, kollaps af borehullet og borekroneforurening, hvilket øger genopretningstid og omkostninger. Traditionelt har oliebaserede borevæsker (OBDF) været det foretrukne valg til skiferformationer på grund af deres evne til at modstå skiferudvidelse4. Brugen af ​​oliebaserede borevæsker medfører dog højere omkostninger og miljørisici. Syntetisk baserede borevæsker (SBDF) er blevet overvejet som et alternativ, men deres egnethed ved høje temperaturer er utilfredsstillende. Vandbaserede borevæsker (WBDF) er en attraktiv løsning, fordi de er sikrere, mere miljøvenlige og mere omkostningseffektive end OBDF5. Forskellige skiferinhibitorer er blevet brugt til at forbedre WBDF's skiferinhibitorevne, herunder traditionelle inhibitorer såsom kaliumchlorid, kalk, silikat og polymer. Disse inhibitorer har dog begrænsninger med hensyn til effektivitet og miljøpåvirkning, især på grund af den høje K+-koncentration i kaliumchloridinhibitorer og silikaters pH-følsomhed.6 Forskere har undersøgt muligheden for at bruge ioniske væsker som borevæskeadditiver for at forbedre borevæskens reologi og forhindre skiferkvældning og hydratdannelse. Disse ioniske væsker, især dem, der indeholder imidazolylkationer, er imidlertid generelt giftige, dyre, ikke-biologisk nedbrydelige og kræver komplekse fremstillingsprocesser. For at løse disse problemer begyndte man at lede efter et mere økonomisk og miljøvenligt alternativ, hvilket førte til fremkomsten af ​​dybe eutektiske opløsningsmidler (DES). DES er en eutektisk blanding dannet af en hydrogenbindingsdonor (HBD) og en hydrogenbindingsacceptor (HBA) ved et specifikt molforhold og en specifik temperatur. Disse eutektiske blandinger har lavere smeltepunkter end deres individuelle komponenter, primært på grund af ladningsdelokalisering forårsaget af hydrogenbindinger. Mange faktorer, herunder gitterenergi, entropiændring og interaktioner mellem anioner og HBD, spiller en nøglerolle i at sænke smeltepunktet for DES.
I tidligere undersøgelser blev forskellige tilsætningsstoffer tilsat vandbaseret borevæske for at løse problemet med skiferekspansion. For eksempel tilsatte Ofei et al. 1-butyl-3-methylimidazoliumchlorid (BMIM-Cl), hvilket signifikant reducerede mudderkagetykkelsen (op til 50%) og reducerede YP/PV-værdien med 11 ved forskellige temperaturer. Huang et al. brugte ioniske væsker (specifikt 1-hexyl-3-methylimidazoliumbromid og 1,2-bis(3-hexylimidazol-1-yl)ethanbromid) i kombination med Na-Bt-partikler og reducerede skiferkvældningen signifikant med henholdsvis 86,43% og 94,17%12. Derudover brugte Yang et al. 1-vinyl-3-dodecylimidazoliumbromid og 1-vinyl-3-tetradecylimidazoliumbromid til at reducere skiferkvældningen med henholdsvis 16,91% og 5,81%. 13 Yang et al. anvendte også 1-vinyl-3-ethylimidazoliumbromid og reducerede skiferekspansionen med 31,62 %, mens skiferudvindingen blev opretholdt på 40,60 %. 14 Derudover anvendte Luo et al. 1-octyl-3-methylimidazoliumtetrafluorborat til at reducere skiferkvældning med 80 %. 15, 16 Dai et al. anvendte ioniske flydende copolymerer til at hæmme skifer og opnåede en stigning på 18 % i lineær udvinding sammenlignet med aminhæmmere. 17
Ioniske væsker har i sig selv nogle ulemper, hvilket fik forskere til at lede efter mere miljøvenlige alternativer til ioniske væsker, og således blev DES født. Hanjia var den første til at bruge dybe eutektiske opløsningsmidler (DES) bestående af vinylchlorid propionsyre (1:1), vinylchlorid 3-phenylpropionsyre (1:2) og 3-mercaptopropionsyre + itaconsyre + vinylchlorid (1:1:2), hvilket hæmmede hævelsen af ​​bentonit med henholdsvis 68%, 58% og 58%18. I et frit eksperiment brugte MH Rasul et 2:1-forhold af glycerol og kaliumcarbonat (DES) og reducerede hævelsen af ​​skiferprøver signifikant med 87%19,20. Ma brugte urinstof:vinylchlorid til at reducere ekspansionen af ​​skifer signifikant med 67%.21 Rasul et al. Kombinationen af ​​DES og polymer blev brugt som en dobbeltvirkende skiferinhibitor, hvilket opnåede en fremragende skiferinhiberende effekt22.
Selvom dybe eutektiske opløsningsmidler (DES) generelt betragtes som et grønnere alternativ til ioniske væsker, indeholder de også potentielt giftige komponenter såsom ammoniumsalte, hvilket gør deres miljøvenlighed tvivlsom. Dette problem har ført til udviklingen af ​​naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NADES). De klassificeres stadig som DES, men er sammensat af naturlige stoffer og salte, herunder kaliumchlorid (KCl), calciumchlorid (CaCl2), Epsom-salte (MgSO4.7H2O) og andre. De mange potentielle kombinationer af DES og NADES åbner et bredt potentiale for forskning på dette område og forventes at finde anvendelser inden for en række forskellige områder. Adskillige forskere har med succes udviklet nye DES-kombinationer, der har vist sig effektive i en række forskellige anvendelser. For eksempel syntetiserede Naser et al. 2013 kaliumcarbonatbaseret DES og undersøgte dets termofysiske egenskaber, som efterfølgende fandt anvendelser inden for områderne hydratinhibering, borevæskeadditiver, delignificering og nanofibrillering. 23 Jordy Kim og kolleger udviklede ascorbinsyrebaseret NADES og evaluerede dets antioxidantegenskaber i forskellige anvendelser. 24 Christer et al. udviklede citronsyrebaseret NADES og identificerede dets potentiale som et hjælpestof i kollagenprodukter. 25 Liu Yi og kolleger opsummerede anvendelserne af NADES som ekstraktions- og kromatografimedier i en omfattende gennemgang, mens Misan et al. diskuterede de succesfulde anvendelser af NADES i landbrugsfødevaresektoren. Det er bydende nødvendigt, at borevæskeforskere begynder at være opmærksomme på effektiviteten af ​​NADES i deres anvendelser. I 2023 brugte Rasul et al. forskellige kombinationer af naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler baseret på ascorbinsyre26, calciumchlorid27, kaliumchlorid28 og Epsom-salt29 og opnåede imponerende skiferhæmning og skiferudvinding. Denne undersøgelse er en af ​​de første undersøgelser, der introducerer NADES (især citronsyre- og glycerolbaseret formulering) som en miljøvenlig og effektiv skiferhæmmer i vandbaserede borevæsker, som har fremragende miljøstabilitet, forbedret skiferhæmningsevne og forbedret væskeydeevne sammenlignet med traditionelle inhibitorer såsom KCl, imidazolylbaserede ioniske væsker og traditionel DES.
Undersøgelsen vil involvere intern fremstilling af citronsyre (CA)-baseret NADES efterfulgt af detaljeret fysisk-kemisk karakterisering og dets anvendelse som et borevæskeadditiv for at evaluere borevæskens egenskaber og dens kvældningshæmmende evne. I denne undersøgelse vil CA fungere som en hydrogenbindingsacceptor, mens glycerol (Gly) vil fungere som en hydrogenbindingsdonor udvalgt baseret på MH-screeningskriterierne for NADES-dannelse/selektion i skiferinhiberingsundersøgelser30. Fourier-transform infrarødspektroskopi (FTIR), røntgendiffraktion (XRD) og zetapotentiale (ZP) målinger vil belyse NADES-ler-interaktionerne og mekanismen bag lerkvældningshæmningen. Derudover vil denne undersøgelse sammenligne CA NADES-baseret borevæske med DES32 baseret på 1-ethyl-3-methylimidazoliumchlorid [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl og cholinchlorid:urinstof (1:2) for at undersøge deres effektivitet i skiferinhibering og forbedring af borevæskens ydeevne.
Citronsyre (monohydrat), glycerol (99 USP) og urinstof blev købt fra EvaChem, Kuala Lumpur, Malaysia. Cholinchlorid (>98%), [EMIM]Cl 98% og kaliumchlorid blev købt fra Sigma Aldrich, Malaysia. De kemiske strukturer af alle kemikalier er vist i figur 1. Det grønne diagram sammenligner de vigtigste kemikalier, der blev anvendt i denne undersøgelse: imidazolylionisk væske, cholinchlorid (DES), citronsyre, glycerol, kaliumchlorid og NADES (citronsyre og glycerol). Miljøvenlighedstabellen for de kemikalier, der blev anvendt i denne undersøgelse, er præsenteret i tabel 1. I tabellen er hvert kemikalie vurderet baseret på toksicitet, bionedbrydelighed, omkostninger og miljømæssig bæredygtighed.
Kemiske strukturer af de materialer, der anvendes i denne undersøgelse: (a) citronsyre, (b) [EMIM]Cl, (c) cholinchlorid og (d) glycerol.
Kandidater til udvikling af NADES baseret på CA (naturligt dyb eutektisk opløsningsmiddel) blev omhyggeligt udvalgt i henhold til MH 30-udvælgelseskriterierne, som er beregnet til udvikling af NADES som effektive skiferinhibitorer. I henhold til dette kriterium anses komponenter med et stort antal hydrogenbindingsdonorer og -acceptorer samt polære funktionelle grupper for at være egnede til udvikling af NADES.
Derudover blev den ioniske væske [EMIM]Cl og det dybdeeutektiske opløsningsmiddel (DES) fra cholinchlorid:urea valgt til sammenligning i denne undersøgelse, fordi de er meget anvendte som tilsætningsstoffer til borevæsker33,34,35,36. Derudover blev kaliumchlorid (KCl) sammenlignet, fordi det er en almindelig inhibitor.
Citronsyre og glycerol blev blandet i forskellige molforhold for at opnå eutektiske blandinger. Visuel inspektion viste, at den eutektiske blanding var en homogen, transparent væske uden turbiditet, hvilket indikerer, at hydrogenbindingsdonoren (HBD) og hydrogenbindingsacceptoren (HBA) blev blandet med succes i denne eutektiske sammensætning. Indledende eksperimenter blev udført for at observere den temperaturafhængige opførsel af blandingsprocessen for HBD og HBA. Ifølge den tilgængelige litteratur blev andelen af ​​eutektiske blandinger evalueret ved tre specifikke temperaturer over 50 °C, 70 °C og 100 °C, hvilket indikerer, at den eutektiske temperatur normalt ligger i området 50-80 °C. En Mettler digitalvægt blev brugt til nøjagtigt at veje HBD- og HBA-komponenterne, og en Thermo Fisher-varmeplade blev brugt til at opvarme og omrøre HBD og HBA ved 100 rpm under kontrollerede forhold.
De termofysiske egenskaber ved vores syntetiserede dybe eutektiske opløsningsmiddel (DES), herunder densitet, overfladespænding, brydningsindeks og viskositet, blev nøjagtigt målt over et temperaturområde fra 289,15 til 333,15 K. Det skal bemærkes, at dette temperaturområde primært blev valgt på grund af begrænsningerne i eksisterende udstyr. Den omfattende analyse omfattede en dybdegående undersøgelse af forskellige termofysiske egenskaber ved denne NADES-formulering, hvilket afslørede deres opførsel over en række temperaturer. Fokus på dette specifikke temperaturområde giver indsigt i NADES' egenskaber, som er af særlig betydning for en række anvendelser.
Overfladespændingen af ​​den fremstillede NADES blev målt i området fra 289,15 til 333,15 K ved hjælp af en grænsefladespændingsmåler (IFT700). NADES-dråber dannes i et kammer fyldt med en stor mængde væske ved hjælp af en kapillarnål under specifikke temperatur- og trykforhold. Moderne billeddannelsessystemer introducerer passende geometriske parametre til at beregne grænsefladespændingen ved hjælp af Laplace-ligningen.
Et ATAGO-refraktometer blev brugt til at bestemme brydningsindekset for frisk fremstillet NADES over temperaturområdet fra 289,15 til 333,15 K. Instrumentet bruger et termisk modul til at regulere temperaturen for at estimere graden af ​​lysbrydning, hvilket eliminerer behovet for et vandbad med konstant temperatur. Refraktometerets prismeoverflade skal rengøres, og prøveopløsningen skal fordeles jævnt over den. Kalibrer med en kendt standardopløsning, og aflæs derefter brydningsindekset på skærmen.
Viskositeten af ​​den fremstillede NADES blev målt over temperaturområdet 289,15 til 333,15 K ved hjælp af et Brookfield rotationsviskosimeter (kryogen type) med en forskydningshastighed på 30 o/min og en spindelstørrelse på 6. Viskosimeteret måler viskositet ved at bestemme det drejningsmoment, der kræves for at rotere spindlen med en konstant hastighed i en væskeprøve. Efter at prøven er placeret på sigten under spindlen og strammet, viser viskosimeteret viskositeten i centipoise (cP), hvilket giver værdifuld information om væskens reologiske egenskaber.
En bærbar densitetsmåler DMA 35 Basic blev brugt til at bestemme densiteten af ​​frisk fremstillet naturligt dybdeeutektisk opløsningsmiddel (NDEES) i temperaturområdet 289,15-333,15 K. Da enheden ikke har en indbygget varmelegeme, skal den forvarmes til den angivne temperatur (± 2 °C), før NADES-densitetsmåleren anvendes. Træk mindst 2 ml prøve gennem røret, og densiteten vil straks blive vist på skærmen. Det er værd at bemærke, at på grund af manglen på en indbygget varmelegeme har måleresultaterne en fejl på ± 2 °C.
For at evaluere pH-værdien af ​​frisk fremstillet NADES i temperaturområdet 289,15-333,15 K anvendte vi et Kenis pH-meter til stationær brug. Da der ikke er nogen indbygget varmeenhed, blev NADES først opvarmet til den ønskede temperatur (±2 °C) ved hjælp af en varmeplade og derefter målt direkte med et pH-meter. Nedsænk pH-meterproben helt i NADES, og registrer den endelige værdi, når aflæsningen har stabiliseret sig.
Termogravimetrisk analyse (TGA) blev anvendt til at evaluere den termiske stabilitet af naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NADES). Prøverne blev analyseret under opvarmning. Ved hjælp af en højpræcisionsvægt og nøje overvågning af opvarmningsprocessen blev der genereret et plot af massetab versus temperatur. NADES blev opvarmet fra 0 til 500 °C med en hastighed på 1 °C pr. minut.
For at starte processen skal NADES-prøven blandes grundigt, homogeniseres, og overfladefugtigheden skal fjernes. Den forberedte prøve placeres derefter i en TGA-kuvette, som typisk er lavet af et inert materiale såsom aluminium. For at sikre nøjagtige resultater kalibreres TGA-instrumenter ved hjælp af referencematerialer, typisk vægtstandarder. Når TGA-eksperimentet er kalibreret, begynder det, og prøven opvarmes kontrolleret, normalt med en konstant hastighed. Kontinuerlig overvågning af forholdet mellem prøvevægt og temperatur er en central del af eksperimentet. TGA-instrumenter indsamler data om temperatur, vægt og andre parametre såsom gasstrøm eller prøvetemperatur. Når TGA-eksperimentet er afsluttet, analyseres de indsamlede data for at bestemme ændringen i prøvevægt som funktion af temperaturen. Denne information er værdifuld til at bestemme temperaturområder forbundet med fysiske og kemiske ændringer i prøven, herunder processer såsom smeltning, fordampning, oxidation eller nedbrydning.
Den vandbaserede borevæske blev omhyggeligt formuleret i henhold til API 13B-1-standarden, og dens specifikke sammensætning er anført i tabel 2 som reference. Citronsyre og glycerol (99 USP) blev købt fra Sigma Aldrich, Malaysia, for at fremstille det naturlige dybe eutektiske opløsningsmiddel (NADES). Derudover blev den konventionelle skiferinhibitor kaliumchlorid (KCl) også købt fra Sigma Aldrich, Malaysia. 1-ethyl, 3-methylimidazoliumchlorid ([EMIM]Cl) med en renhed på mere end 98% blev valgt på grund af dens betydelige effekt i forbedringen af ​​borevæskens reologi og skiferinhibering, hvilket blev bekræftet i tidligere undersøgelser. Både KCl og ([EMIM]Cl) vil blive anvendt i den sammenlignende analyse for at evaluere NADES' skiferinhiberingsevne.
Mange forskere foretrækker at bruge bentonitflager til at studere skiferkvældning, fordi bentonit indeholder den samme "montmorillonit"-gruppe, der forårsager skiferkvældning. Det er udfordrende at opnå ægte skiferkerneprøver, fordi kerneboringsprocessen destabiliserer skiferen, hvilket resulterer i prøver, der ikke udelukkende er skifer, men typisk indeholder en blanding af sandstens- og kalkstenslag. Derudover mangler skiferprøver typisk de montmorillonitgrupper, der forårsager skiferkvældning, og er derfor uegnede til kvældningshæmningsforsøg.
I denne undersøgelse anvendte vi rekonstituerede bentonitpartikler med en diameter på cirka 2,54 cm. Granulerne blev fremstillet ved at presse 11,5 gram natriumbentonitpulver i en hydraulisk presse ved 1600 psi. Granulernes tykkelse blev nøjagtigt målt, før de blev placeret i et lineært dilatometer (LD). Partiklerne blev derefter nedsænket i borevæskeprøver, herunder basisprøver og prøver injiceret med inhibitorer, der blev brugt til at forhindre skiferkvældning. Ændringen i granulattykkelse blev derefter omhyggeligt overvåget ved hjælp af LD, med målinger registreret med 60 sekunders intervaller i 24 timer.
Røntgendiffraktion viste, at bentonits sammensætning, især dens montmorillonitkomponent på 47%, er en nøglefaktor i forståelsen af ​​dens geologiske karakteristika. Blandt bentonits montmorillonitkomponenter er montmorillonit hovedkomponenten og tegner sig for 88,6% af de samlede komponenter. Kvarts tegner sig for 29%, illit for 7% og karbonat for 9%. En lille del (ca. 3,2%) er en blanding af illit og montmorillonit. Derudover indeholder den sporstoffer som Fe2O3 (4,7%), sølvaluminosilikat (1,2%), muskovit (4%) og fosfat (2,3%). Derudover er små mængder Na2O (1,83%) og jernsilikat (2,17%) til stede, hvilket gør det muligt fuldt ud at vurdere bentonits bestanddele og deres respektive andele.
Dette omfattende studieafsnit beskriver de reologiske og filtreringsegenskaber af borevæskeprøver fremstillet ved hjælp af naturligt dybdeeutektisk opløsningsmiddel (NADES) og anvendt som borevæskeadditiv i forskellige koncentrationer (1%, 3% og 5%). De NADES-baserede opslæmningsprøver blev derefter sammenlignet og analyseret med opslæmningsprøver bestående af kaliumchlorid (KCl), CC:urea DES (kolinchlorid dybdeeutektisk opløsningsmiddel:urea) og ioniske væsker. En række nøgleparametre blev dækket i dette studie, herunder viskositetsaflæsninger opnået ved hjælp af et FANN-viskosimeter før og efter eksponering for ældningsbetingelser ved 100°C og 150°C. Målinger blev foretaget ved forskellige rotationshastigheder (3 rpm, 6 rpm, 300 rpm og 600 rpm), hvilket muliggjorde en omfattende analyse af borevæskens opførsel. De opnåede data kan derefter bruges til at bestemme nøgleegenskaber såsom flydegrænse (YP) og plastisk viskositet (PV), hvilket giver indsigt i væskens ydeevne under forskellige forhold. Højtryks- og højtemperaturfiltreringstest (HPHT) ved 400 psi og 150 °C (typiske temperaturer i højtemperaturbrønde) bestemmer filtreringsydelsen (kagetykkelse og filtratvolumen).
Dette afsnit anvender det mest avancerede udstyr, Grace HPHT Linear Dilatometer (M4600), til grundigt at evaluere skiferens kvældningshæmmende egenskaber i vores vandbaserede borevæsker. LSM'en er en avanceret maskine bestående af to komponenter: en pladekomprimator og et lineært dilatometer (model: M4600). Bentonitplader blev forberedt til analyse ved hjælp af Grace Core/Plate Compactor. LSM'en leverer derefter øjeblikkelige kvældningsdata på disse plader, hvilket muliggør en omfattende evaluering af skiferens kvældningshæmmende egenskaber. Skiferekspansionstests blev udført under omgivende forhold, dvs. 25°C og 1 psia.
Skiferstabilitetstest involverer en nøgletest, der ofte omtales som skifergenvindingstest, skiferdypningstest eller skiferdispersionstest. For at starte denne evaluering separeres skiferborematerialer på en #6 BSS-sigte og placeres derefter på en #10-sigte. Borematerialet føres derefter til en opbevaringstank, hvor det blandes med en basisvæske og boremudder indeholdende NADES (Natural Deep Eutectic Solvent). Det næste trin er at placere blandingen i en ovn til en intens varmvalsningsproces, hvilket sikrer, at borematerialer og mudder blandes grundigt. Efter 16 timer fjernes borematerialet fra pulpen ved at lade skiferen nedbrydes, hvilket resulterer i en reduktion af borematerialets vægt. Skifergenvindingstesten blev udført, efter at skiferborematerialet var blevet holdt i boremudder ved 150 °C og 1000 psi. tommer inden for 24 timer.
For at måle udvindingen af ​​skifermudderet filtrerede vi det gennem en finere sigte (40 mesh), vaskede det derefter grundigt med vand og tørrede det til sidst i en ovn. Denne omhyggelige procedure giver os mulighed for at estimere det udvundne mudder sammenlignet med den oprindelige vægt og i sidste ende beregne procentdelen af ​​skifermudder, der er udvundet. Kilden til skiferprøverne er fra Niah-distriktet, Miri-distriktet, Sarawak, Malaysia. Før dispersions- og udvindingstestene blev skiferprøverne underkastet en grundig røntgendiffraktion (XRD) analyse for at kvantificere deres lersammensætning og bekræfte deres egnethed til testning. Lermineralsammensætningen af ​​prøven er som følger: illit 18%, kaolinit 31%, chlorit 22%, vermiculit 10% og glimmer 19%.
Overfladespænding er en nøglefaktor, der styrer penetrationen af ​​vandkationer ind i skifermikroporer via kapillærvirkning, hvilket vil blive undersøgt detaljeret i dette afsnit. Denne artikel undersøger overfladespændingens rolle i borevæskers kohæsive egenskaber og fremhæver dens vigtige indflydelse på boreprocessen, især skiferinhibering. Vi brugte et grænsefladetensiometer (IFT700) til nøjagtigt at måle overfladespændingen af ​​borevæskeprøver, hvilket afslører et vigtigt aspekt af væskens opførsel i sammenhæng med skiferinhibering.
Dette afsnit diskuterer i detaljer d-lagsafstanden, som er afstanden mellem lagene mellem aluminosilikatlag og ét aluminosilikatlag i lerarter. Analysen dækkede våde mudderprøver indeholdende 1%, 3% og 5% CA NADES, samt 3% KCl, 3% [EMIM]Cl og 3% CC:urea-baseret DES til sammenligning. Et avanceret røntgendiffraktometer (D2 Phaser) til bordbrug (40 mA og 45 kV med Cu-Kα-stråling (λ = 1,54059 Å) spillede en afgørende rolle i registreringen af ​​røntgendiffraktionstoppene i både våde og tørre Na-Bt-prøver. Anvendelsen af ​​Bragg-ligningen muliggør nøjagtig bestemmelse af d-lagsafstanden og giver derved værdifuld information om lerets opførsel.
Dette afsnit anvender det avancerede Malvern Zetasizer Nano ZSP-instrument til nøjagtig måling af zeta-potentiale. Denne evaluering gav værdifuld information om ladningsegenskaberne for fortyndede mudderprøver indeholdende 1%, 3% og 5% CA NADES, samt 3% KCl, 3% [EMIM]Cl og 3% CC:urea-baseret DES til sammenlignende analyse. Disse resultater bidrager til vores forståelse af stabiliteten af ​​kolloidale forbindelser og deres interaktioner i væsker.
Lerprøverne blev undersøgt før og efter eksponering for naturligt dyb eutektisk opløsningsmiddel (NADES) ved hjælp af et Zeiss Supra 55 VP feltemissions-skanningselektronmikroskop (FESEM) udstyret med energidispersiv røntgen (EDX). Billeddannelsesopløsningen var 500 nm, og elektronstråleenergien var 30 kV og 50 kV. FESEM giver visualisering i høj opløsning af overflademorfologien og de strukturelle egenskaber af lerprøverne. Formålet med denne undersøgelse var at indhente information om effekten af ​​NADES på lerprøverne ved at sammenligne billederne taget før og efter eksponering.
I denne undersøgelse blev feltemissionsscanningselektronmikroskopi (FESEM) anvendt til at undersøge effekten af ​​NADES på lerprøver på mikroskopisk niveau. Formålet med denne undersøgelse er at belyse de potentielle anvendelser af NADES og dens effekt på lermorfologi og gennemsnitlig partikelstørrelse, hvilket vil give værdifuld information til forskning på dette område.
I denne undersøgelse blev fejlsøjler brugt til visuelt at beskrive variabiliteten og usikkerheden af ​​den gennemsnitlige procentvise fejl (AMPE) på tværs af forsøgsbetingelser. I stedet for at plotte individuelle AMPE-værdier (da plotning af AMPE-værdier kan skjule tendenser og overdrive små variationer), beregner vi fejlsøjler ved hjælp af 5%-reglen. Denne tilgang sikrer, at hver fejlsøjle repræsenterer det interval, inden for hvilket 95%-konfidensintervallet og 100% af AMPE-værdierne forventes at falde, hvilket giver et klarere og mere præcist resumé af datafordelingen for hver forsøgsbetingelse. Brug af fejlsøjler baseret på 5%-reglen forbedrer således fortolkningen og pålideligheden af ​​grafiske repræsentationer og hjælper med at give en mere detaljeret forståelse af resultaterne og deres implikationer.
I syntesen af ​​naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NADES) blev flere nøgleparametre omhyggeligt undersøgt under den interne fremstillingsproces. Disse kritiske faktorer omfatter temperatur, molforhold og blandingshastighed. Vores eksperimenter viser, at når HBA (citronsyre) og HBD (glycerol) blandes i et molforhold på 1:4 ved 50 °C, dannes en eutektisk blanding. Det kendetegnende ved den eutektiske blanding er dens transparente, homogene udseende og fraværet af sediment. Dette nøgletrin fremhæver således vigtigheden af ​​molforhold, temperatur og blandingshastighed, hvoraf molforholdet var den mest indflydelsesrige faktor i fremstillingen af ​​DES og NADES, som vist i figur 2.
Brydningsindekset (n) udtrykker forholdet mellem lysets hastighed i vakuum og lysets hastighed i et andet, tættere medium. Brydningsindekset er af særlig interesse for naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NADES), når man overvejer optisk følsomme anvendelser såsom biosensorer. Brydningsindekset for den undersøgte NADES ved 25 °C var 1,452, hvilket er interessant lavere end glycerols.
Det er værd at bemærke, at brydningsindekset for NADES falder med temperaturen, og denne tendens kan beskrives nøjagtigt ved formel (1) og figur 3, hvor den absolutte gennemsnitlige procentvise fejl (AMPE) når 0 %. Denne temperaturafhængige adfærd forklares ved faldet i viskositet og densitet ved høje temperaturer, hvilket får lyset til at bevæge sig gennem mediet med en højere hastighed, hvilket resulterer i en lavere brydningsindeksværdi (n). Disse resultater giver værdifuld indsigt i den strategiske anvendelse af NADES i optisk sensorisering og fremhæver deres potentiale for biosensorapplikationer.
Overfladespænding, som afspejler en væskeoverflades tendens til at minimere sit areal, er af stor betydning for at vurdere egnetheden af ​​naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NADES) til kapillærtryksbaserede anvendelser. En undersøgelse af overfladespænding i temperaturområdet 25-60 °C giver værdifuld information. Ved 25 °C var overfladespændingen af ​​citronsyrebaseret NADES 55,42 mN/m, hvilket er betydeligt lavere end for vand og glycerol. Figur 4 viser, at overfladespændingen falder betydeligt med stigende temperatur. Dette fænomen kan forklares med en stigning i molekylær kinetisk energi og et efterfølgende fald i intermolekylære tiltrækningskræfter.
Den lineære, faldende tendens for overfladespænding observeret i den undersøgte NADES kan tydeligt udtrykkes ved ligning (2), som illustrerer det grundlæggende matematiske forhold i temperaturområdet 25-60 °C. Grafen i figur 4 viser tydeligt tendensen for overfladespænding med temperaturen med en absolut gennemsnitlig procentvis fejl (AMPE) på 1,4 %, hvilket kvantificerer nøjagtigheden af ​​de rapporterede overfladespændingsværdier. Disse resultater har vigtige implikationer for forståelsen af ​​NADES' opførsel og dens potentielle anvendelser.
Forståelse af densitetsdynamikken i naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NADES) er afgørende for at lette deres anvendelse i adskillige videnskabelige undersøgelser. Densiteten af ​​citronsyrebaseret NADES ved 25 °C er 1,361 g/cm3, hvilket er højere end densiteten af ​​​​moderglycerolen. Denne forskel kan forklares ved tilsætning af en hydrogenbindingsacceptor (citronsyre) til glycerol.
Hvis vi tager citratbaseret NADES som eksempel, falder dens densitet til 1,19 g/cm3 ved 60°C. Stigningen i kinetisk energi ved opvarmning får NADES-molekylerne til at spredes, hvilket får dem til at optage et større volumen, hvilket resulterer i et fald i densitet. Det observerede fald i densitet viser en vis lineær korrelation med temperaturstigningen, hvilket korrekt kan udtrykkes ved formel (3). Figur 5 præsenterer grafisk disse karakteristika for NADES-densitetsændringen med en absolut gennemsnitlig procentvis fejl (AMPE) på 1,12%, hvilket giver et kvantitativt mål for nøjagtigheden af ​​de rapporterede densitetsværdier.
Viskositet er den tiltrækkende kraft mellem forskellige lag af en væske i bevægelse og spiller en nøglerolle i forståelsen af ​​anvendeligheden af ​​naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NADES) i forskellige anvendelser. Ved 25 °C var NADES' viskositet 951 cP, hvilket er højere end glycerols.
Det observerede fald i viskositet med stigende temperatur forklares hovedsageligt af svækkelsen af ​​intermolekylære tiltrækningskræfter. Dette fænomen resulterer i et fald i væskens viskositet, en tendens der tydeligt vises i figur 6 og kvantificeres ved ligning (4). Det er værd at bemærke, at viskositeten ved 60 °C falder til 898 cP med en samlet gennemsnitlig procentvis fejl (AMPE) på 1,4 %. En detaljeret forståelse af viskositets- versus temperaturafhængigheden i NADES er af stor betydning for dens praktiske anvendelse.
Opløsningens pH-værdi, bestemt af den negative logaritme af hydrogenionkoncentrationen, er kritisk, især i pH-følsomme anvendelser såsom DNA-syntese, så pH-værdien af ​​NADES skal undersøges omhyggeligt før brug. Hvis man tager citronsyrebaseret NADES som eksempel, kan man observere en tydelig sur pH-værdi på 1,91, hvilket står i skarp kontrast til glycerols relativt neutrale pH-værdi.
Interessant nok viste pH-værdien af ​​det naturlige citronsyredehydrogenase-opløselige opløsningsmiddel (NADES) en ikke-lineær faldende tendens med stigende temperatur. Dette fænomen tilskrives de øgede molekylære vibrationer, der forstyrrer H+-balancen i opløsningen, hvilket fører til dannelsen af ​​[H]+-ioner og dermed en ændring i pH-værdien. Mens den naturlige pH-værdi af citronsyre varierer fra 3 til 5, sænker tilstedeværelsen af ​​surt hydrogen i glycerol yderligere pH-værdien til 1,91.
pH-adfærden for citratbaseret NADES i temperaturområdet 25-60 °C kan passende repræsenteres ved ligning (5), som giver et matematisk udtryk for den observerede pH-tendens. Figur 7 viser grafisk dette interessante forhold og fremhæver temperaturens effekt på pH-værdien af ​​NADES, som rapporteres at være 1,4 % for AMPE.
Termogravimetrisk analyse (TGA) af naturligt dybt eutektisk opløsningsmiddel med citronsyre (NADES) blev systematisk udført i temperaturområdet fra stuetemperatur til 500 °C. Som det fremgår af figur 8a og b, skyldtes det indledende massetab op til 100 °C hovedsageligt det absorberede vand og hydreringsvandet forbundet med citronsyre og ren glycerol. En betydelig massetilbageholdelse på ca. 88 % blev observeret op til 180 °C, hvilket hovedsageligt skyldtes nedbrydningen af ​​citronsyre til akonitsyre og den efterfølgende dannelse af methylmaleinsyreanhydrid (III) ved yderligere opvarmning (figur 8b). Over 180 °C kunne der også observeres en tydelig forekomst af acrolein (acrylaldehyd) i glycerol, som vist i figur 8b37.
Termogravimetrisk analyse (TGA) af glycerol afslørede en to-trins massetabsproces. Den indledende fase (180 til 220 °C) involverer dannelsen af ​​acrolein, efterfulgt af et betydeligt massetab ved høje temperaturer fra 230 til 300 °C (Figur 8a). Når temperaturen stiger, dannes acetaldehyd, kuldioxid, metan og hydrogen sekventielt. Bemærkelsesværdigt blev kun 28 % af massen bevaret ved 300 °C, hvilket tyder på, at de iboende egenskaber ved NADES 8(a)38,39 kan være defekte.
For at indhente information om dannelsen af ​​nye kemiske bindinger blev frisk fremstillede suspensioner af naturlige dybe eutektiske opløsningsmidler (NADES) analyseret ved hjælp af Fourier-transform infrarød spektroskopi (FTIR). Analysen blev udført ved at sammenligne spektret af NADES-suspensionen med spektrene af ren citronsyre (CA) og glycerol (Gly). CA-spektret viste klare toppe ved 1752 1/cm² og 1673 1/cm², som repræsenterer strækningsvibrationerne af C=O-bindingen og også er karakteristiske for CA. Derudover blev der observeret et signifikant skift i OH-bøjningsvibrationen ved 1360 1/cm² i fingeraftryksområdet, som vist i figur 9.
Tilsvarende blev der i tilfælde af glycerol fundet forskydninger i OH-stræknings- og bøjningsvibrationer ved bølgetal på henholdsvis 3291 1/cm² og 1414 1/cm². Ved at analysere spektret af den fremstillede NADES blev der nu fundet et signifikant forskydning i spektret. Som vist i figur 7 forskydte strækningsvibrationen af ​​C=O-bindingen sig fra 1752 1/cm² til 1720 1/cm², og bøjningsvibrationen af ​​-OH-bindingen i glycerol forskydte sig fra 1414 1/cm² til 1359 1/cm². Disse forskydninger i bølgetal indikerer ændringen i elektronegativitet, hvilket indikerer dannelsen af ​​nye kemiske bindinger i NADES' struktur.