Bedankt voor uw bezoek aan nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte CSS-ondersteuning. Voor de beste ervaring raden we aan de nieuwste browserversie te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om de website te blijven ondersteunen, zal deze bovendien geen stijlen of JavaScript bevatten.
De uitzetting van schalie in klastische reservoirs veroorzaakt aanzienlijke problemen en leidt tot instabiliteit van de boorgatwand. Om milieuredenen heeft het gebruik van boorvloeistof op waterbasis met toegevoegde schalie-inhibitoren de voorkeur boven boorvloeistof op oliebasis. Ionische vloeistoffen (IL's) hebben veel aandacht gekregen als schalie-inhibitoren vanwege hun instelbare eigenschappen en sterke elektrostatische kenmerken. Imidazolyl-gebaseerde ionische vloeistoffen (IL's), die veelvuldig in boorvloeistoffen worden gebruikt, blijken echter giftig, niet-biologisch afbreekbaar en duur te zijn. Diepe eutectische oplosmiddelen (DES) worden beschouwd als een kosteneffectiever en minder giftig alternatief voor ionische vloeistoffen, maar ze voldoen nog steeds niet aan de vereiste milieuduurzaamheid. Recente ontwikkelingen op dit gebied hebben geleid tot de introductie van natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen (NADES), die bekend staan ​​om hun daadwerkelijke milieuvriendelijkheid. In deze studie werden NADES'en onderzocht die citroenzuur (als waterstofbrugacceptor) en glycerol (als waterstofbrugdonor) bevatten als additieven voor boorvloeistoffen. De op NADES gebaseerde boorvloeistoffen werden ontwikkeld volgens API 13B-1 en hun prestaties werden vergeleken met boorvloeistoffen op basis van kaliumchloride, imidazolium-ionische vloeistoffen en boorvloeistoffen op basis van cholinechloride:ureum-DES. De fysisch-chemische eigenschappen van de gepatenteerde NADES'en worden gedetailleerd beschreven. De reologische eigenschappen, het vloeistofverlies en de schalie-remmende eigenschappen van de boorvloeistof werden tijdens het onderzoek geëvalueerd. Hieruit bleek dat bij een concentratie van 3% NADES de vloeigrens/plastische viscositeitsverhouding (YP/PV) toenam, de dikte van de boorkoek met 26% afnam en het filtraatvolume met 30,1% daalde. Opvallend is dat NADES een indrukwekkende expansieremming van 49,14% behaalde en de schalieproductie met 86,36% verhoogde. Deze resultaten worden toegeschreven aan het vermogen van NADES om de oppervlakteactiviteit, het zeta-potentiaal en de interlaagafstand van kleien te modificeren. Deze aspecten worden in dit artikel besproken om de onderliggende mechanismen te begrijpen. Deze duurzame boorvloeistof zal naar verwachting een revolutie teweegbrengen in de boorindustrie door een niet-toxisch, kosteneffectief en zeer effectief alternatief te bieden voor traditionele corrosieremmers voor schaliegesteente, en zo de weg vrijmaken voor milieuvriendelijke boormethoden.
Schalie is een veelzijdig gesteente dat zowel als bron als reservoir van koolwaterstoffen dient, en de poreuze structuur¹ biedt de mogelijkheid voor zowel de productie als de opslag van deze waardevolle grondstoffen. Schalie is echter rijk aan kleimineralen zoals montmorilloniet, smectiet, kaoliniet en illiet, waardoor het gevoelig is voor zwelling bij blootstelling aan water, wat leidt tot instabiliteit van het boorgat tijdens boorwerkzaamheden²,³. Deze problemen kunnen leiden tot niet-productieve tijd (NPT) en een reeks operationele problemen, waaronder vastzittende pijpen, verlies van moddercirculatie, instorting van het boorgat en vervuiling van de boorbeitel, waardoor de hersteltijd en -kosten toenemen. Traditioneel hebben boorvloeistoffen op oliebasis (OBDF) de voorkeur gekregen voor schalieformaties vanwege hun vermogen om schalie-expansie tegen te gaan⁴. Het gebruik van boorvloeistoffen op oliebasis brengt echter hogere kosten en milieurisico's met zich mee. Synthetische boorvloeistoffen (SBDF) zijn overwogen als alternatief, maar hun geschiktheid bij hoge temperaturen is onvoldoende. Boorvloeistoffen op waterbasis (WBDF) zijn een aantrekkelijke oplossing omdat ze veiliger, milieuvriendelijker en kosteneffectiever zijn dan OBDF5. Verschillende schalie-inhibitoren zijn gebruikt om het schalie-remmende vermogen van WBDF te verbeteren, waaronder traditionele inhibitoren zoals kaliumchloride, kalk, silicaat en polymeer. Deze inhibitoren hebben echter beperkingen wat betreft effectiviteit en milieubelasting, met name door de hoge K+-concentratie in kaliumchloride-inhibitoren en de pH-gevoeligheid van silicaten.⁶ Onderzoekers hebben de mogelijkheid onderzocht om ionische vloeistoffen als additieven voor boorvloeistoffen te gebruiken om de reologie van de boorvloeistof te verbeteren en schaliezwelling en hydraatvorming te voorkomen. Deze ionische vloeistoffen, met name die met imidazolylkationen, zijn echter over het algemeen giftig, duur, niet-biologisch afbreekbaar en vereisen complexe bereidingsprocessen. Om deze problemen op te lossen, ging men op zoek naar een economischer en milieuvriendelijker alternatief, wat leidde tot de opkomst van diepe eutectische oplosmiddelen (DES). DES is een eutectisch mengsel gevormd door een waterstofbrugdonor (HBD) en een waterstofbrugacceptor (HBA) bij een specifieke molaire verhouding en temperatuur. Deze eutectische mengsels hebben lagere smeltpunten dan hun afzonderlijke componenten, voornamelijk als gevolg van ladingsdelokalisatie veroorzaakt door waterstofbruggen. Veel factoren, waaronder roosterenergie, entropieverandering en interacties tussen anionen en HBD, spelen een belangrijke rol bij het verlagen van het smeltpunt van DES.
In eerdere studies werden verschillende additieven toegevoegd aan boorvloeistof op waterbasis om het probleem van schalie-expansie op te lossen. Ofei et al. voegden bijvoorbeeld 1-butyl-3-methylimidazoliumchloride (BMIM-Cl) toe, wat de dikte van de boorvloeistofkoek aanzienlijk verminderde (tot 50%) en de YP/PV-waarde met 11 verlaagde bij verschillende temperaturen. Huang et al. gebruikten ionische vloeistoffen (specifiek 1-hexyl-3-methylimidazoliumbromide en 1,2-bis(3-hexylimidazol-1-yl)ethaanbromide) in combinatie met Na-Bt-deeltjes en verminderden de schaliezwelling aanzienlijk met respectievelijk 86,43% en 94,17%12. Daarnaast hebben Yang et al. Yang et al. gebruikten 1-vinyl-3-dodecylimidazoliumbromide en 1-vinyl-3-tetradecylimidazoliumbromide om de zwelling van schalie met respectievelijk 16,91% en 5,81% te verminderen.¹³ Yang et al. gebruikten ook 1-vinyl-3-ethylimidazoliumbromide en verminderden de schalie-expansie met 31,62%, terwijl het schalie-herstel op 40,60% bleef.¹⁴ Daarnaast gebruikten Luo et al. 1-octyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroboraat om de zwelling van schalie met 80% te verminderen.^15,16 Dai et al. gebruikten ionische vloeistofcopolymeren om schalie te remmen en bereikten een toename van 18% in lineair herstel in vergelijking met amineremmers.¹⁷
Ionische vloeistoffen hebben zelf enkele nadelen, wat wetenschappers ertoe aanzette om te zoeken naar milieuvriendelijkere alternatieven voor ionische vloeistoffen, en zo ontstonden diepe eutectische oplosmiddelen (DES). Hanjia was de eerste die diepe eutectische oplosmiddelen (DES) gebruikte, bestaande uit vinylchloridepropionzuur (1:1), vinylchloride-3-fenylpropionzuur (1:2) en 3-mercaptopropionzuur + itaconzuur + vinylchloride (1:1:2), die de zwelling van bentoniet respectievelijk met 68%, 58% en 58% remden.¹⁸ In een vrij experiment gebruikte MH Rasul een 2:1-verhouding van glycerol en kaliumcarbonaat (DES) en verminderde de zwelling van schaliemonsters aanzienlijk met 87%.^19,20 Ma gebruikte ureum:vinylchloride om de uitzetting van schalie aanzienlijk te verminderen met 67%.²¹ Rasul et al. De combinatie van DES en polymeer werd gebruikt als een dubbelwerkende schalie-inhibitor, waarmee een uitstekend schalie-remmend effect werd bereikt22.
Hoewel diepe eutectische oplosmiddelen (DES) over het algemeen worden beschouwd als een groener alternatief voor ionische vloeistoffen, bevatten ze ook potentieel giftige componenten zoals ammoniumzouten, waardoor hun milieuvriendelijkheid twijfelachtig is. Dit probleem heeft geleid tot de ontwikkeling van natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen (NADES). Deze worden nog steeds geclassificeerd als DES, maar zijn samengesteld uit natuurlijke stoffen en zouten, waaronder kaliumchloride (KCl), calciumchloride (CaCl2), Epsomzout (MgSO4.7H2O) en andere. De talrijke potentiële combinaties van DES en NADES bieden een breed scala aan onderzoeksmogelijkheden op dit gebied en zullen naar verwachting toepassingen vinden in diverse sectoren. Verschillende onderzoekers hebben met succes nieuwe DES-combinaties ontwikkeld die effectief zijn gebleken in uiteenlopende toepassingen. Zo synthetiseerden Naser et al. (2013) een op kaliumcarbonaat gebaseerd DES en bestudeerden de thermofysische eigenschappen ervan, wat vervolgens toepassingen vond op het gebied van hydraatremming, toevoeging aan boorvloeistoffen, delignificatie en nanofibrillatie. 23 Jordy Kim en collega's ontwikkelden op ascorbinezuur gebaseerde NADES en evalueerden de antioxiderende eigenschappen ervan in diverse toepassingen. 24 Christer et al. ontwikkelden op citroenzuur gebaseerde NADES en identificeerden het potentieel ervan als hulpstof voor collageenproducten. 25 Liu Yi en collega's vatten de toepassingen van NADES als extractie- en chromatografiemedia samen in een uitgebreid overzicht, terwijl Misan et al. de succesvolle toepassingen van NADES in de agrovoedingssector bespraken. Het is van essentieel belang dat onderzoekers naar boorvloeistoffen aandacht gaan besteden aan de effectiviteit van NADES in hun toepassingen. In 2023 gebruikten Rasul et al. verschillende combinaties van natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen op basis van ascorbinezuur26, calciumchloride27, kaliumchloride28 en Epsomzout29 en bereikten indrukwekkende schalie-inhibitie en schalie-terugwinning. Deze studie is een van de eerste studies die NADES (met name formuleringen op basis van citroenzuur en glycerol) introduceert als een milieuvriendelijke en effectieve schalie-inhibitor in boorvloeistoffen op waterbasis. Deze formulering kenmerkt zich door een uitstekende milieustabiliteit, een verbeterd vermogen tot schalie-inhibitie en betere vloeistofprestaties in vergelijking met traditionele inhibitoren zoals KCl, imidazolyl-gebaseerde ionische vloeistoffen en traditionele DES.
Het onderzoek omvat de interne bereiding van op citroenzuur (CA) gebaseerde NADES, gevolgd door een gedetailleerde fysisch-chemische karakterisering en het gebruik ervan als boorvloeistofadditief om de eigenschappen van de boorvloeistof en het vermogen tot zwellingremming te evalueren. In dit onderzoek fungeert CA als waterstofbrugacceptor, terwijl glycerol (Gly) fungeert als waterstofbrugdonor, geselecteerd op basis van de MH-screeningcriteria voor de vorming/selectie van NADES in studies naar schalie-inhibitie30. Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR), röntgendiffractie (XRD) en zeta-potentiaalmetingen (ZP) zullen de interacties tussen NADES en klei en het mechanisme achter de remming van kleizwelling ophelderen. Daarnaast zal deze studie de op CA NADES gebaseerde boorvloeistof vergelijken met DES32, gebaseerd op 1-ethyl-3-methylimidazoliumchloride [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl en cholinechloride:ureum (1:2), om hun effectiviteit in het remmen van schalievorming en het verbeteren van de prestaties van de boorvloeistof te onderzoeken.
Citroenzuur (monohydraat), glycerol (99 USP) en ureum werden gekocht bij EvaChem, Kuala Lumpur, Maleisië. Cholinechloride (>98%), [EMIM]Cl 98% en kaliumchloride werden gekocht bij Sigma Aldrich, Maleisië. De chemische structuren van alle chemicaliën worden weergegeven in Figuur 1. Het groene diagram vergelijkt de belangrijkste chemicaliën die in dit onderzoek zijn gebruikt: imidazolyl ionische vloeistof, cholinechloride (DES), citroenzuur, glycerol, kaliumchloride en NADES (citroenzuur en glycerol). De tabel met de milieuvriendelijkheid van de in dit onderzoek gebruikte chemicaliën is weergegeven in Tabel 1. In de tabel wordt elke chemische stof beoordeeld op toxiciteit, biologische afbreekbaarheid, kosten en milieuduurzaamheid.
Chemische structuren van de materialen die in dit onderzoek zijn gebruikt: (a) citroenzuur, (b) [EMIM]Cl, (c) cholinechloride en (d) glycerol.
Kandidaten voor waterstofbrugdonoren (HBD) en waterstofbrugacceptoren (HBA) voor de ontwikkeling van op CA (natuurlijk diep eutectisch oplosmiddel) gebaseerde NADES werden zorgvuldig geselecteerd volgens de MH 30-selectiecriteria, die bedoeld zijn voor de ontwikkeling van NADES als effectieve schalie-inhibitoren. Volgens deze criteria worden componenten met een groot aantal waterstofbrugdonoren en -acceptoren, evenals polaire functionele groepen, geschikt geacht voor de ontwikkeling van NADES.
Daarnaast werden de ionische vloeistof [EMIM]Cl en het diepe eutectische oplosmiddel (DES) cholinechloride:ureum geselecteerd voor vergelijking in deze studie, omdat ze veelvuldig worden gebruikt als toevoegingen aan boorvloeistoffen33,34,35,36. Ook werd kaliumchloride (KCl) vergeleken, omdat dit een veelgebruikte remmer is.
Citroenzuur en glycerol werden in verschillende molaire verhoudingen gemengd om eutectische mengsels te verkrijgen. Visuele inspectie toonde aan dat het eutectische mengsel een homogene, transparante vloeistof zonder troebelheid was, wat erop wijst dat de waterstofbrugdonor (HBD) en waterstofbrugacceptor (HBA) succesvol in deze eutectische samenstelling waren gemengd. Voorafgaande experimenten werden uitgevoerd om het temperatuurafhankelijke gedrag van het mengproces van HBD en HBA te observeren. Volgens de beschikbare literatuur werd de verhouding van eutectische mengsels bepaald bij drie specifieke temperaturen boven 50 °C, 70 °C en 100 °C, wat aangeeft dat de eutectische temperatuur doorgaans tussen de 50 en 80 °C ligt. Een digitale weegschaal van Mettler werd gebruikt om de HBD- en HBA-componenten nauwkeurig af te wegen, en een Thermo Fisher-verwarmingsplaat werd gebruikt om de HBD en HBA onder gecontroleerde omstandigheden met 100 tpm te verwarmen en te roeren.
De thermofysische eigenschappen van ons gesynthetiseerde diepe eutectische oplosmiddel (DES), waaronder dichtheid, oppervlaktespanning, brekingsindex en viscositeit, werden nauwkeurig gemeten over een temperatuurbereik van 289,15 tot 333,15 K. Het is belangrijk op te merken dat dit temperatuurbereik voornamelijk is gekozen vanwege de beperkingen van de bestaande apparatuur. De uitgebreide analyse omvatte een diepgaande studie van diverse thermofysische eigenschappen van deze NADES-formulering, waarbij hun gedrag over een reeks temperaturen werd onthuld. Door zich te richten op dit specifieke temperatuurbereik verkrijgen we inzicht in de eigenschappen van NADES die van bijzonder belang zijn voor een aantal toepassingen.
De oppervlaktespanning van de bereide NADES werd gemeten in het bereik van 289,15 tot 333,15 K met behulp van een grensvlakspanningsmeter (IFT700). NADES-druppels worden gevormd in een kamer gevuld met een groot volume vloeistof met behulp van een capillaire naald onder specifieke temperatuur- en drukcondities. Moderne beeldvormingssystemen introduceren geschikte geometrische parameters om de grensvlakspanning te berekenen met behulp van de Laplace-vergelijking.
Een ATAGO-refractometer werd gebruikt om de brekingsindex van vers bereide NADES te bepalen in het temperatuurbereik van 289,15 tot 333,15 K. Het instrument maakt gebruik van een thermische module om de temperatuur te regelen en zo de mate van lichtbreking te schatten, waardoor een waterbad met constante temperatuur overbodig is. Het prisma-oppervlak van de refractometer moet worden gereinigd en de monsteroplossing moet er gelijkmatig over worden verdeeld. Kalibreer met een bekende standaardoplossing en lees vervolgens de brekingsindex af van het scherm.
De viscositeit van de bereide NADES werd gemeten over een temperatuurbereik van 289,15 tot 333,15 K met behulp van een Brookfield rotatieviscometer (cryogeen type) bij een schuifsnelheid van 30 rpm en een spindelgrootte van 6. De viscometer meet de viscositeit door het koppel te bepalen dat nodig is om de spindel met een constante snelheid in een vloeistofmonster te laten roteren. Nadat het monster op het scherm onder de spindel is geplaatst en vastgedraaid, geeft de viscometer de viscositeit weer in centipoise (cP), wat waardevolle informatie oplevert over de reologische eigenschappen van de vloeistof.
Een draagbare dichtheidsmeter DMA 35 Basic werd gebruikt om de dichtheid van vers bereid natuurlijk diep eutectisch oplosmiddel (NDEES) te bepalen in het temperatuurbereik van 289,15–333,15 K. Omdat het apparaat geen ingebouwde verwarming heeft, moet het voor gebruik van de NDEES-dichtheidsmeter worden voorverwarmd tot de aangegeven temperatuur (± 2 °C). Zuig minimaal 2 ml monster door het buisje, waarna de dichtheid direct op het scherm wordt weergegeven. Houd er rekening mee dat de meetresultaten door het ontbreken van een ingebouwde verwarming een foutmarge van ± 2 °C hebben.
Om de pH van vers bereide NADES te bepalen in het temperatuurbereik van 289,15–333,15 K, gebruikten we een Kenis tafelmodel pH-meter. Omdat er geen ingebouwd verwarmingselement is, werd de NADES eerst verwarmd tot de gewenste temperatuur (±2 °C) met behulp van een verwarmingsplaat en vervolgens direct gemeten met de pH-meter. Dompel de sonde van de pH-meter volledig onder in de NADES en noteer de eindwaarde nadat de meting is gestabiliseerd.
Thermogravimetrische analyse (TGA) werd gebruikt om de thermische stabiliteit van natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen (NADES) te evalueren. De monsters werden tijdens verhitting geanalyseerd. Met behulp van een zeer nauwkeurige balans en door het verhittingsproces nauwlettend te volgen, werd een grafiek van massaverlies versus temperatuur gegenereerd. NADES werd verhit van 0 tot 500 °C met een snelheid van 1 °C per minuut.
Om het proces te starten, moet het NADES-monster grondig worden gemengd, gehomogeniseerd en moet het oppervlaktevocht worden verwijderd. Het voorbereide monster wordt vervolgens in een TGA-cuvette geplaatst, die doorgaans is gemaakt van een inert materiaal zoals aluminium. Om nauwkeurige resultaten te garanderen, worden TGA-instrumenten gekalibreerd met behulp van referentiematerialen, meestal gewichtsstandaarden. Na kalibratie begint het TGA-experiment en wordt het monster op gecontroleerde wijze verwarmd, meestal met een constante snelheid. Continue monitoring van de relatie tussen monstergewicht en temperatuur is een essentieel onderdeel van het experiment. TGA-instrumenten verzamelen gegevens over temperatuur, gewicht en andere parameters zoals gasstroom of monstertemperatuur. Zodra het TGA-experiment is voltooid, worden de verzamelde gegevens geanalyseerd om de verandering in monstergewicht als functie van de temperatuur te bepalen. Deze informatie is waardevol voor het bepalen van temperatuurbereiken die verband houden met fysische en chemische veranderingen in het monster, waaronder processen zoals smelten, verdampen, oxidatie of ontleding.
De boorvloeistof op waterbasis werd zorgvuldig samengesteld volgens de API 13B-1-norm, en de specifieke samenstelling ervan is ter referentie weergegeven in Tabel 2. Citroenzuur en glycerol (99 USP) werden gekocht bij Sigma Aldrich, Maleisië, om het natuurlijke diepe eutectische oplosmiddel (NADES) te bereiden. Daarnaast werd de conventionele schalie-inhibitor kaliumchloride (KCl) ook gekocht bij Sigma Aldrich, Maleisië. 1-ethyl, 3-methylimidazoliumchloride ([EMIM]Cl) met een zuiverheid van meer dan 98% werd geselecteerd vanwege het significante effect ervan op de verbetering van de reologie van de boorvloeistof en de schalie-inhibitie, wat in eerdere studies is bevestigd. Zowel KCl als [EMIM]Cl zullen worden gebruikt in de vergelijkende analyse om de schalie-inhiberende werking van NADES te evalueren.
Veel onderzoekers geven de voorkeur aan bentonietvlokken om de zwelling van schalie te bestuderen, omdat bentoniet dezelfde "montmorilloniet"-groep bevat die schaliezwelling veroorzaakt. Het verkrijgen van echte schaliekernmonsters is lastig, omdat het boorproces de schalie destabiliseert, waardoor monsters ontstaan ​​die niet volledig uit schalie bestaan, maar meestal een mengsel van zandsteen- en kalksteenlagen bevatten. Bovendien ontbreken in schaliemonsters doorgaans de montmorillonietgroepen die schaliezwelling veroorzaken, waardoor ze ongeschikt zijn voor experimenten naar zwellingremming.
In deze studie gebruikten we gereconstitueerde bentonietdeeltjes met een diameter van ongeveer 2,54 cm. De korrels werden gemaakt door 11,5 gram natriumbentonietpoeder in een hydraulische pers te persen bij een druk van 1600 psi. De dikte van de korrels werd nauwkeurig gemeten voordat ze in een lineaire dilatometer (LD) werden geplaatst. De deeltjes werden vervolgens ondergedompeld in boorvloeistofmonsters, waaronder basismonsters en monsters waaraan remmers waren toegevoegd om zwelling van schalie te voorkomen. De verandering in korreldikte werd vervolgens nauwlettend gevolgd met behulp van de LD, waarbij metingen met tussenpozen van 60 seconden gedurende 24 uur werden geregistreerd.
Röntgen diffractie toonde aan dat de samenstelling van bentoniet, met name het 47% montmorillonietgehalte, een cruciale factor is voor het begrijpen van de geologische eigenschappen ervan. Van de montmorillonietcomponenten is montmorilloniet de belangrijkste component, goed voor 88,6% van de totale samenstelling. Kwarts is goed voor 29%, illiet voor 7% en carbonaat voor 9%. Een klein deel (ongeveer 3,2%) bestaat uit een mengsel van illiet en montmorilloniet. Daarnaast bevat het sporenelementen zoals Fe2O3 (4,7%), zilveraluminiumsilicaat (1,2%), muscoviet (4%) en fosfaat (2,3%). Ook zijn er kleine hoeveelheden Na2O (1,83%) en ijzersilicaat (2,17%) aanwezig, waardoor de samenstelling van bentoniet en hun respectievelijke verhoudingen volledig in kaart gebracht kunnen worden.
Dit uitgebreide onderzoeksonderdeel beschrijft de reologische en filtratie-eigenschappen van boorvloeistofmonsters die zijn bereid met behulp van een natuurlijk diep eutectisch oplosmiddel (NADES) en gebruikt als boorvloeistofadditief in verschillende concentraties (1%, 3% en 5%). De op NADES gebaseerde slurrymonsters werden vervolgens vergeleken en geanalyseerd met slurrymonsters bestaande uit kaliumchloride (KCl), CC:ureum DES (cholinechloride diep eutectisch oplosmiddel:ureum) en ionische vloeistoffen. Een aantal belangrijke parameters werd in dit onderzoek behandeld, waaronder viscositeitsmetingen verkregen met een FANN-viscometer vóór en na blootstelling aan verouderingsomstandigheden bij 100 °C en 150 °C. Metingen werden uitgevoerd bij verschillende rotatiesnelheden (3 rpm, 6 rpm, 300 rpm en 600 rpm), waardoor een uitgebreide analyse van het gedrag van de boorvloeistof mogelijk was. De verkregen gegevens kunnen vervolgens worden gebruikt om belangrijke eigenschappen te bepalen, zoals het vloeipunt (YP) en de plastische viscositeit (PV), die inzicht geven in de prestaties van de vloeistof onder verschillende omstandigheden. Hogedruk-hogetemperatuurfiltratietests (HPHT) bij 400 psi en 150 °C (typische temperaturen in hogetemperatuurputten) bepalen de filtratieprestaties (koekdikte en filtraatvolume).
In dit gedeelte wordt gebruikgemaakt van de modernste apparatuur, de Grace HPHT Linear Dilatometer (M4600), om de zwellingremmende eigenschappen van onze boorvloeistoffen op waterbasis grondig te evalueren. De LSM is een geavanceerde machine die bestaat uit twee componenten: een plaatverdichter en een lineaire dilatometer (model: M4600). Bentonietplaten werden voorbereid voor analyse met behulp van de Grace Core/Plate Compactor. De LSM levert vervolgens direct zwellingsgegevens van deze platen, waardoor een uitgebreide evaluatie van de zwellingremmende eigenschappen van de schalie mogelijk is. Schalie-expansietests werden uitgevoerd onder omgevingsomstandigheden, d.w.z. 25 °C en 1 psia.
Stabiliteitstesten van schalie omvatten een belangrijke test die vaak de schaliehersteltest, schalie-diptest of schalie-dispersietest wordt genoemd. Om deze evaluatie te starten, worden schaliefragmenten gescheiden op een #6 BSS-zeef en vervolgens op een #10-zeef geplaatst. De fragmenten worden vervolgens naar een opslagtank geleid waar ze worden gemengd met een basisvloeistof en boormodder die NADES (Natural Deep Eutectic Solvent) bevat. De volgende stap is het plaatsen van het mengsel in een oven voor een intensief heetwalsingsproces, waarbij ervoor wordt gezorgd dat de fragmenten en de modder grondig worden gemengd. Na 16 uur worden de fragmenten uit de pulp verwijderd door de schalie te laten ontbinden, wat resulteert in een vermindering van het gewicht van de fragmenten. De schaliehersteltest werd uitgevoerd nadat de schaliefragmenten gedurende 24 uur in boormodder bij 150 °C en 1000 psi. inch waren bewaard.
Om het rendement van de schaliemodder te meten, hebben we deze gefilterd door een fijnere zeef (40 mesh), vervolgens grondig gewassen met water en ten slotte gedroogd in een oven. Deze nauwgezette procedure stelt ons in staat de hoeveelheid teruggewonnen modder te schatten ten opzichte van het oorspronkelijke gewicht, en uiteindelijk het percentage succesvol teruggewonnen schaliemodder te berekenen. De schaliemonsters zijn afkomstig uit het district Niah, district Miri, Sarawak, Maleisië. Voordat de dispersie- en terugwinningsproeven werden uitgevoerd, werden de schaliemonsters onderworpen aan een grondige röntgendiffractieanalyse (XRD) om hun kleisamenstelling te kwantificeren en hun geschiktheid voor de tests te bevestigen. De kleimineralensamenstelling van het monster is als volgt: illiet 18%, kaoliniet 31%, chloriet 22%, vermiculiet 10% en mica 19%.
Oppervlaktespanning is een belangrijke factor die de penetratie van waterkationen in de microporiën van schalie via capillaire werking beheerst, wat in dit hoofdstuk gedetailleerd zal worden bestudeerd. Dit artikel onderzoekt de rol van oppervlaktespanning in de cohesieve eigenschappen van boorvloeistoffen en benadrukt de belangrijke invloed ervan op het boorproces, met name op de remming van schalievorming. We hebben een grensvlakspanningsmeter (IFT700) gebruikt om de oppervlaktespanning van boorvloeistofmonsters nauwkeurig te meten, waarmee een belangrijk aspect van het vloeistofgedrag in de context van schalievorming aan het licht is gekomen.
In dit gedeelte wordt de d-laagafstand in detail besproken, oftewel de afstand tussen aluminosilicaatlagen en één aluminosilicaatlaag in klei. De analyse omvatte natte moddermonsters met 1%, 3% en 5% CA NADES, evenals 3% KCl, 3% [EMIM]Cl en 3% CC:ureum-gebaseerde DES ter vergelijking. Een geavanceerde röntgendiffractometer (D2 Phaser) werkend op 40 mA en 45 kV met Cu-Kα-straling (λ = 1,54059 Å) speelde een cruciale rol bij het vastleggen van de röntgendiffractiepieken van zowel natte als droge Na-Bt-monsters. De toepassing van de Bragg-vergelijking maakt een nauwkeurige bepaling van de d-laagafstand mogelijk, wat waardevolle informatie oplevert over het gedrag van de klei.
In dit gedeelte wordt het geavanceerde Malvern Zetasizer Nano ZSP-instrument gebruikt om de zeta-potentiaal nauwkeurig te meten. Deze evaluatie leverde waardevolle informatie op over de ladingseigenschappen van verdunde moddermonsters met 1%, 3% en 5% CA NADES, evenals 3% KCl, 3% [EMIM]Cl en 3% CC:ureum-gebaseerde DES voor vergelijkende analyse. Deze resultaten dragen bij aan ons begrip van de stabiliteit van colloïdale verbindingen en hun interacties in vloeistoffen.
De kleimonsters werden vóór en na blootstelling aan een natuurlijk diep eutectisch oplosmiddel (NADES) onderzocht met behulp van een Zeiss Supra 55 VP veldemissie-scanningelektronenmicroscoop (FESEM) uitgerust met energiedispersieve röntgenanalyse (EDX). De beeldresolutie was 500 nm en de energie van de elektronenbundel bedroeg 30 kV en 50 kV. FESEM biedt een hoge resolutie visualisatie van de oppervlaktemorfologie en structurele kenmerken van de kleimonsters. Het doel van deze studie was om informatie te verkrijgen over het effect van NADES op de kleimonsters door de beelden van vóór en na blootstelling te vergelijken.
In deze studie werd veldemissiescanningelektronenmicroscopie (FESEM) gebruikt om het effect van NADES op kleimonsters op microscopisch niveau te onderzoeken. Het doel van deze studie is om de potentiële toepassingen van NADES en het effect ervan op de morfologie en de gemiddelde deeltjesgrootte van klei te verduidelijken, wat waardevolle informatie zal opleveren voor onderzoek op dit gebied.
In deze studie werden foutbalken gebruikt om de variabiliteit en onzekerheid van de gemiddelde procentuele fout (AMPE) over de experimentele omstandigheden visueel weer te geven. In plaats van individuele AMPE-waarden uit te zetten (omdat het uitzetten van AMPE-waarden trends kan verbergen en kleine variaties kan overdrijven), berekenden we foutbalken met behulp van de 5%-regel. Deze aanpak zorgt ervoor dat elke foutbalk het interval vertegenwoordigt waarbinnen het 95%-betrouwbaarheidsinterval en 100% van de AMPE-waarden naar verwachting zullen vallen, waardoor een duidelijker en beknopter overzicht van de gegevensverdeling voor elke experimentele omstandigheid wordt verkregen. Het gebruik van foutbalken op basis van de 5%-regel verbetert dus de interpreteerbaarheid en betrouwbaarheid van grafische weergaven en draagt ​​bij aan een gedetailleerder begrip van de resultaten en hun implicaties.
Bij de synthese van natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen (NADES) werden verschillende sleutelparameters zorgvuldig bestudeerd tijdens het interne bereidingsproces. Deze cruciale factoren omvatten temperatuur, molaire verhouding en mengsnelheid. Onze experimenten tonen aan dat wanneer HBA (citroenzuur) en HBD (glycerol) worden gemengd in een molaire verhouding van 1:4 bij 50 °C, een eutectisch mengsel wordt gevormd. Het onderscheidende kenmerk van het eutectische mengsel is de transparante, homogene structuur en de afwezigheid van bezinksel. Deze cruciale stap benadrukt dus het belang van de molaire verhouding, temperatuur en mengsnelheid, waarbij de molaire verhouding de meest invloedrijke factor bleek te zijn bij de bereiding van DES en NADES, zoals weergegeven in Figuur 2.
De brekingsindex (n) geeft de verhouding weer tussen de lichtsnelheid in een vacuüm en de lichtsnelheid in een tweede, dichter medium. De brekingsindex is met name interessant voor natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen (NADES) bij optisch gevoelige toepassingen zoals biosensoren. De brekingsindex van de bestudeerde NADES bij 25 °C was 1,452, wat opvallend lager is dan die van glycerol.
Het is belangrijk op te merken dat de brekingsindex van NADES afneemt met de temperatuur, en deze trend kan nauwkeurig worden beschreven door formule (1) en figuur 3, waarbij de absolute gemiddelde procentuele fout (AMPE) 0% bereikt. Dit temperatuurafhankelijke gedrag wordt verklaard door de afname van de viscositeit en dichtheid bij hoge temperaturen, waardoor het licht met een hogere snelheid door het medium reist, wat resulteert in een lagere brekingsindex (n) waarde. Deze resultaten bieden waardevolle inzichten in het strategische gebruik van NADES in optische sensoren en benadrukken hun potentieel voor biosensor-toepassingen.
Oppervlaktespanning, die de neiging van een vloeistofoppervlak weerspiegelt om zijn oppervlakte te minimaliseren, is van groot belang bij het beoordelen van de geschiktheid van natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen (NADES) voor toepassingen op basis van capillaire druk. Een onderzoek naar de oppervlaktespanning in het temperatuurbereik van 25–60 °C levert waardevolle informatie op. Bij 25 °C bedroeg de oppervlaktespanning van NADES op basis van citroenzuur 55,42 mN/m, wat aanzienlijk lager is dan die van water en glycerol. Figuur 4 laat zien dat de oppervlaktespanning significant afneemt met toenemende temperatuur. Dit fenomeen kan worden verklaard door een toename van de moleculaire kinetische energie en een daaropvolgende afname van de intermoleculaire aantrekkingskrachten.
De lineair dalende trend van de oppervlaktespanning die in de bestudeerde NADES wordt waargenomen, kan goed worden weergegeven door vergelijking (2), die de fundamentele wiskundige relatie in het temperatuurbereik van 25–60 °C illustreert. De grafiek in figuur 4 toont duidelijk de trend van de oppervlaktespanning met de temperatuur met een absolute gemiddelde procentuele fout (AMPE) van 1,4%, wat de nauwkeurigheid van de gerapporteerde oppervlaktespanningswaarden kwantificeert. Deze resultaten hebben belangrijke implicaties voor het begrijpen van het gedrag van NADES en de potentiële toepassingen ervan.
Inzicht in de dichtheidsdynamiek van natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen (NADES) is cruciaal voor hun toepassing in talrijke wetenschappelijke studies. De dichtheid van op citroenzuur gebaseerde NADES bij 25 °C is 1,361 g/cm³, wat hoger is dan de dichtheid van het moedermolecuul glycerol. Dit verschil kan worden verklaard door de toevoeging van een waterstofbrugacceptor (citroenzuur) aan glycerol.
Neem bijvoorbeeld citraat-gebaseerde NADES: de dichtheid daalt tot 1,19 g/cm³ bij 60 °C. De toename van de kinetische energie bij verhitting zorgt ervoor dat de NADES-moleculen zich verspreiden, waardoor ze een groter volume innemen en de dichtheid afneemt. De waargenomen afname van de dichtheid vertoont een zekere lineaire correlatie met de temperatuurstijging, die correct kan worden weergegeven door formule (3). Figuur 5 toont deze kenmerken van de dichtheidsverandering van NADES grafisch weer met een absolute gemiddelde procentuele fout (AMPE) van 1,12%, wat een kwantitatieve maatstaf is voor de nauwkeurigheid van de gerapporteerde dichtheidswaarden.
Viscositeit is de aantrekkingskracht tussen verschillende lagen van een bewegende vloeistof en speelt een cruciale rol bij het begrijpen van de toepasbaarheid van natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen (NADES) in diverse toepassingen. Bij 25 °C bedroeg de viscositeit van NADES 951 cP, wat hoger is dan die van glycerol.
De waargenomen afname van de viscositeit bij toenemende temperatuur wordt hoofdzakelijk verklaard door de verzwakking van de intermoleculaire aantrekkingskrachten. Dit fenomeen resulteert in een afname van de viscositeit van de vloeistof, een trend die duidelijk wordt weergegeven in figuur 6 en gekwantificeerd door vergelijking (4). Opvallend is dat de viscositeit bij 60 °C daalt tot 898 cP met een gemiddelde procentuele fout (AMPE) van 1,4%. Een gedetailleerd begrip van de afhankelijkheid van de viscositeit van de temperatuur in NADES is van groot belang voor de praktische toepassing ervan.
De pH van de oplossing, bepaald door de negatieve logaritme van de waterstofionenconcentratie, is cruciaal, vooral bij pH-gevoelige toepassingen zoals DNA-synthese. Daarom moet de pH van NADES zorgvuldig worden bestudeerd vóór gebruik. Neem bijvoorbeeld NADES op basis van citroenzuur: deze vertoont een duidelijk zure pH van 1,91, wat een scherp contrast vormt met de relatief neutrale pH van glycerol.
Interessant genoeg vertoonde de pH van het in natuurlijke citroenzuurdehydrogenase oplosbare oplosmiddel (NADES) een niet-lineaire dalende trend bij toenemende temperatuur. Dit fenomeen wordt toegeschreven aan de toegenomen moleculaire trillingen die de H+-balans in de oplossing verstoren, wat leidt tot de vorming van [H]+-ionen en, op zijn beurt, een verandering in de pH-waarde. Terwijl de natuurlijke pH van citroenzuur varieert van 3 tot 5, verlaagt de aanwezigheid van zure waterstof in glycerol de pH verder tot 1,91.
Het pH-gedrag van op citraat gebaseerde NADES in het temperatuurbereik van 25–60 °C kan adequaat worden weergegeven door vergelijking (5), die een wiskundige uitdrukking geeft voor de waargenomen pH-trend. Figuur 7 illustreert deze interessante relatie grafisch en benadrukt het effect van temperatuur op de pH van NADES, dat naar verluidt 1,4% bedraagt ​​voor AMPE.
Thermogravimetrische analyse (TGA) van natuurlijk citroenzuur diep eutectisch oplosmiddel (NADES) werd systematisch uitgevoerd in het temperatuurbereik van kamertemperatuur tot 500 °C. Zoals te zien is in figuren 8a en b, was het initiële massaverlies tot 100 °C voornamelijk te wijten aan het geabsorbeerde water en het hydratatiewater geassocieerd met citroenzuur en zuivere glycerol. Een significant massabehoud van ongeveer 88% werd waargenomen tot 180 °C, wat voornamelijk te wijten was aan de ontleding van citroenzuur tot aconietzuur en de daaropvolgende vorming van methylmaleïnezuuranhydride(III) bij verdere verhitting (figuur 8b). Boven 180 °C was ook een duidelijke verschijning van acroleïne (acrylaldehyde) in glycerol waarneembaar, zoals weergegeven in figuur 8b37.
Thermogravimetrische analyse (TGA) van glycerol onthulde een tweefasig massaverliesproces. De eerste fase (180 tot 220 °C) omvat de vorming van acroleïne, gevolgd door een significant massaverlies bij hoge temperaturen van 230 tot 300 °C (Figuur 8a). Naarmate de temperatuur stijgt, worden achtereenvolgens acetaldehyde, koolstofdioxide, methaan en waterstof gevormd. Opvallend is dat slechts 28% van de massa behouden bleef bij 300 °C, wat suggereert dat de intrinsieke eigenschappen van NADES 8(a)38,39 mogelijk gebrekkig zijn.
Om informatie te verkrijgen over de vorming van nieuwe chemische bindingen, werden vers bereide suspensies van natuurlijke diepe eutectische oplosmiddelen (NADES) geanalyseerd met behulp van Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR). De analyse werd uitgevoerd door het spectrum van de NADES-suspensie te vergelijken met de spectra van zuiver citroenzuur (CA) en glycerol (Gly). Het CA-spectrum vertoonde duidelijke pieken bij 1752 1/cm en 1673 1/cm, die de rekvibraties van de C=O-binding vertegenwoordigen en tevens kenmerkend zijn voor CA. Daarnaast werd een significante verschuiving in de OH-buigingsvibratie bij 1360 1/cm waargenomen in het vingerafdrukgebied, zoals weergegeven in figuur 9.
Op vergelijkbare wijze werden in het geval van glycerol verschuivingen van de OH-rek- en buigtrillingen gevonden bij golfgetallen van respectievelijk 3291 1/cm en 1414 1/cm. Bij analyse van het spectrum van de bereide NADES werd een significante verschuiving in het spectrum waargenomen. Zoals weergegeven in figuur 7, verschoof de rektrilling van de C=O-binding van 1752 1/cm naar 1720 1/cm en de buigtrilling van de -OH-binding van glycerol van 1414 1/cm naar 1359 1/cm. Deze verschuivingen in golfgetallen duiden op een verandering in elektronegativiteit, wat wijst op de vorming van nieuwe chemische bindingen in de structuur van NADES.