Tack för att du besöker nature.com. Webbläsarversionen du använder har begränsat CSS-stöd. För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder den senaste webbläsarversionen (eller att du stänger av kompatibilitetsläget i Internet Explorer). För att säkerställa fortsatt stöd kommer den här webbplatsen dessutom inte att innehålla stilar eller JavaScript.
Skifferexpansion i klastiska reservoarer skapar betydande problem, vilket leder till instabilitet i borrhålet. Av miljöskäl är användningen av vattenbaserad borrvätska med tillsatta skifferinhibitorer att föredra framför oljebaserad borrvätska. Joniska vätskor (IL) har fått stor uppmärksamhet som skifferinhibitorer på grund av deras avstämbara egenskaper och starka elektrostatiska egenskaper. Imidazolylbaserade joniska vätskor (IL), som används i stor utsträckning i borrvätskor, har dock visat sig vara toxiska, icke-biologiskt nedbrytbara och dyra. Djupeutektiska lösningsmedel (DES) anses vara ett mer kostnadseffektivt och mindre toxiskt alternativ till joniska vätskor, men de uppfyller fortfarande inte den erforderliga miljömässiga hållbarheten. Nya framsteg inom detta område har lett till införandet av naturliga djupeutektiska lösningsmedel (NADES), kända för sin verkliga miljövänlighet. Denna studie undersökte NADES, som innehåller citronsyra (som vätebindningsacceptor) och glycerol (som vätebindningsdonator) som borrvätsketillsatser. De NADES-baserade borrvätskorna utvecklades i enlighet med API 13B-1 och deras prestanda jämfördes med kaliumkloridbaserade borrvätskor, imidazoliumbaserade jonvätskor och kolinklorid:urea-DES-baserade borrvätskor. De fysikalisk-kemiska egenskaperna hos de patentskyddade NADES-erna beskrivs i detalj. De reologiska egenskaperna, vätskeförlusten och skifferinhiberingsegenskaperna hos borrvätskan utvärderades under studien, och det visades att vid en koncentration på 3 % NADES ökade sträckgränsen/plastisk viskositetsförhållandet (YP/PV), slamkakans tjocklek minskade med 26 % och filtratvolymen minskade med 30,1 %. Det är värt att notera att NADES uppnådde en imponerande expansionsinhiberingshastighet på 49,14 % och ökade skifferproduktionen med 86,36 %. Dessa resultat tillskrivs NADES förmåga att modifiera ytaktiviteten, zetapotentialen och mellanskiktsavståndet hos leror, vilket diskuteras i denna artikel för att förstå de underliggande mekanismerna. Denna hållbara borrvätska förväntas revolutionera borrindustrin genom att tillhandahålla ett giftfritt, kostnadseffektivt och mycket effektivt alternativ till traditionella skifferkorrosionsinhibitorer, vilket banar väg för miljövänliga borrmetoder.
Skiffer är en mångsidig bergart som fungerar som både källa och reservoar för kolväten, och dess porösa struktur1 ger potential för både produktion och lagring av dessa värdefulla resurser. Skiffer är dock rik på lermineraler som montmorillonit, smektit, kaolinit och illit, vilket gör den benägen att svälla när den utsätts för vatten, vilket leder till instabilitet i borrhålet under borroperationer2,3. Dessa problem kan leda till icke-produktiv tid (NPT) och en mängd driftsproblem, inklusive fastnade rör, förlorad lercirkulation, kollaps av borrhålet och borrkronans nedsmutsning, vilket ökar återhämtningstiden och kostnaden. Traditionellt har oljebaserade borrvätskor (OBDF) varit det föredragna valet för skifferformationer på grund av deras förmåga att motstå skifferexpansion4. Användningen av oljebaserade borrvätskor medför dock högre kostnader och miljörisker. Syntetbaserade borrvätskor (SBDF) har övervägts som ett alternativ, men deras lämplighet vid höga temperaturer är otillfredsställande. Vattenbaserade borrvätskor (WBDF) är en attraktiv lösning eftersom de är säkrare, mer miljövänliga och mer kostnadseffektiva än OBDF5. Olika skifferinhibitorer har använts för att förbättra WBDF:s skifferinhiberande förmåga, inklusive traditionella inhibitorer som kaliumklorid, kalk, silikat och polymer. Dessa inhibitorer har dock begränsningar vad gäller effektivitet och miljöpåverkan, särskilt på grund av den höga K+-koncentrationen i kaliumkloridinhibitorer och pH-känsligheten hos silikater.6 Forskare har undersökt möjligheten att använda joniska vätskor som borrvätsketillsatser för att förbättra borrvätskereologin och förhindra skiffersvällning och hydratbildning. Dessa joniska vätskor, särskilt de som innehåller imidazolylkatjoner, är dock i allmänhet giftiga, dyra, icke-biologiskt nedbrytbara och kräver komplexa beredningsprocesser. För att lösa dessa problem började man leta efter ett mer ekonomiskt och miljövänligt alternativ, vilket ledde till framväxten av djupa eutektiska lösningsmedel (DES). DES är en eutektisk blandning som bildas av en vätebindningsdonator (HBD) och en vätebindningsacceptor (HBA) vid ett specifikt molärt förhållande och temperatur. Dessa eutektiska blandningar har lägre smältpunkter än deras individuella komponenter, främst på grund av laddningsdelokalisering orsakad av vätebindningar. Många faktorer, inklusive gitterenergi, entropiförändring och interaktioner mellan anjoner och HBD, spelar en nyckelroll för att sänka smältpunkten för DES.
I tidigare studier tillsattes olika tillsatser till vattenbaserad borrvätska för att lösa problemet med skifferexpansion. Till exempel tillsatte Ofei et al. 1-butyl-3-metylimidazoliumklorid (BMIM-Cl), vilket signifikant minskade slamkakans tjocklek (upp till 50 %) och minskade YP/PV-värdet med 11 vid olika temperaturer. Huang et al. använde joniska vätskor (specifikt 1-hexyl-3-metylimidazoliumbromid och 1,2-bis(3-hexylimidazol-1-yl)etanbromid) i kombination med Na-Bt-partiklar och minskade signifikant skiffersvällningen med 86,43 % respektive 94,17 %12. Dessutom använde Yang et al. 1-vinyl-3-dodecylimidazoliumbromid och 1-vinyl-3-tetradecylimidazoliumbromid för att minska skiffersvällningen med 16,91 % respektive 5,81 %. 13 Yang et al. använde även 1-vinyl-3-etylimidazoliumbromid och minskade skifferexpansionen med 31,62 % samtidigt som skifferutvinningen bibehölls på 40,60 %. 14 Dessutom använde Luo et al. 1-oktyl-3-metylimidazoliumtetrafluoroborat för att minska skiffersvällning med 80 %. 15, 16 Dai et al. använde joniska flytande sampolymerer för att hämma skiffer och uppnådde en ökning på 18 % i linjär utvinning jämfört med aminhämmare. 17
Joniska vätskor har i sig vissa nackdelar, vilket fick forskare att leta efter mer miljövänliga alternativ till joniska vätskor, och därmed föddes DES. Hanjia var först med att använda djupa eutektiska lösningsmedel (DES) bestående av vinylkloridpropionsyra (1:1), vinylklorid 3-fenylpropionsyra (1:2) och 3-merkaptopropionsyra + itakonsyra + vinylklorid (1:1:2), vilket hämmade svallningen av bentonit med 68 %, 58 % respektive 58 %. I ett fritt experiment använde MH Rasul ett 2:1-förhållande av glycerol och kaliumkarbonat (DES) och minskade svallningen av skifferprover signifikant med 87 %19,20. Ma använde urea:vinylklorid för att signifikant minska expansionen av skiffer med 67 %.21 Rasul et al. Kombinationen av DES och polymer användes som en dubbelverkande skifferhämmare, vilket uppnådde utmärkt skifferhämningseffekt22.
Även om djupa eutektiska lösningsmedel (DES) allmänt anses vara ett grönare alternativ till joniska vätskor, innehåller de också potentiellt giftiga komponenter såsom ammoniumsalter, vilket gör deras miljövänlighet tveksam. Detta problem har lett till utvecklingen av naturliga djupa eutektiska lösningsmedel (NADES). De klassificeras fortfarande som DES, men består av naturliga ämnen och salter, inklusive kaliumklorid (KCl), kalciumklorid (CaCl2), Epsomsalter (MgSO4.7H2O) och andra. De många potentiella kombinationerna av DES och NADES öppnar upp ett brett utrymme för forskning inom detta område och förväntas hitta tillämpningar inom en mängd olika områden. Flera forskare har framgångsrikt utvecklat nya DES-kombinationer som har visat sig effektiva inom en mängd olika tillämpningar. Till exempel syntetiserade Naser et al. 2013 kaliumkarbonatbaserad DES och studerade dess termofysiska egenskaper, som senare fann tillämpningar inom områdena hydratinhibering, borrvätsketillsatser, delignifiering och nanoflimmering. 23 Jordy Kim och medarbetare utvecklade askorbinsyrabaserad NADES och utvärderade dess antioxidantegenskaper i olika tillämpningar. 24 Christer et al. utvecklade citronsyrabaserad NADES och identifierade dess potential som hjälpämne för kollagenprodukter. 25 Liu Yi och medarbetare sammanfattade tillämpningarna av NADES som extraktions- och kromatografimedia i en omfattande översikt, medan Misan et al. diskuterade de framgångsrika tillämpningarna av NADES inom jordbruks- och livsmedelssektorn. Det är absolut nödvändigt att borrvätskeforskare börjar uppmärksamma effektiviteten hos NADES i sina tillämpningar. År 2023 använde Rasul et al. olika kombinationer av naturliga djupeutektiska lösningsmedel baserade på askorbinsyra26, kalciumklorid27, kaliumklorid28 och Epsomsalt29 och uppnådde imponerande skifferinhibering och skifferutvinning. Denna studie är en av de första studierna som introducerar NADES (särskilt citronsyra- och glycerolbaserad formulering) som en miljövänlig och effektiv skifferinhibitor i vattenbaserade borrvätskor, vilken har utmärkt miljöstabilitet, förbättrad skifferinhiberingsförmåga och förbättrad vätskeprestanda jämfört med traditionella inhibitorer som KCl, imidazolylbaserade joniska vätskor och traditionell DES.
Studien kommer att omfatta intern framställning av citronsyra (CA)-baserad NADES följt av detaljerad fysikalisk-kemisk karakterisering och dess användning som borrvätskeadditiv för att utvärdera borrvätskans egenskaper och dess svällningsinhiberande förmåga. I denna studie kommer CA att fungera som en vätebindningsacceptor medan glycerol (Gly) kommer att fungera som en vätebindningsdonator vald baserat på MH-screeningskriterierna för NADES-bildning/selektion i skifferinhiberingsstudier30. Fouriertransform infrarödspektroskopi (FTIR), röntgendiffraktion (XRD) och zetapotentialmätningar (ZP) kommer att belysa NADES-lera-interaktionerna och mekanismen bakom lersvällningsinhiberingen. Dessutom kommer denna studie att jämföra CA NADES-baserad borrvätska med DES32 baserad på 1-etyl-3-metylimidazoliumklorid [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl och kolinklorid:urea (1:2) för att undersöka deras effektivitet i skifferinhibering och förbättring av borrvätskans prestanda.
Citronsyra (monohydrat), glycerol (99 USP) och urea köptes från EvaChem, Kuala Lumpur, Malaysia. Kolinklorid (>98 %), [EMIM]Cl 98 % och kaliumklorid köptes från Sigma Aldrich, Malaysia. De kemiska strukturerna för alla kemikalier visas i figur 1. Det gröna diagrammet jämför de huvudsakliga kemikalierna som användes i denna studie: imidazolyljonisk vätska, kolinklorid (DES), citronsyra, glycerol, kaliumklorid och NADES (citronsyra och glycerol). Miljövänlighetstabellen för de kemikalier som användes i denna studie presenteras i tabell 1. I tabellen är varje kemikalie klassificerad baserat på toxicitet, biologisk nedbrytbarhet, kostnad och miljömässig hållbarhet.
Kemiska strukturer för de material som användes i denna studie: (a) citronsyra, (b) [EMIM]Cl, (c) kolinklorid och (d) glycerol.
Kandidater för vätebindningsdonatorer (HBD) och vätebindningsacceptorer (HBA) för utveckling av CA-baserade (naturliga djupeutektiska lösningsmedel) NADES valdes noggrant ut enligt MH 30-urvalskriterierna, vilka är avsedda för utveckling av NADES som effektiva skifferinhibitorer. Enligt detta kriterium anses komponenter med ett stort antal vätebindningsdonatorer och -acceptorer samt polära funktionella grupper vara lämpliga för utveckling av NADES.
Dessutom valdes den joniska vätskan [EMIM]Cl och kolinklorid:urea djupeutektiskt lösningsmedel (DES) för jämförelse i denna studie eftersom de används i stor utsträckning som borrvätsketillsatser33,34,35,36. Dessutom jämfördes kaliumklorid (KCl) eftersom det är en vanlig hämmare.
Citronsyra och glycerol blandades i olika molära förhållanden för att erhålla eutektiska blandningar. Visuell inspektion visade att den eutektiska blandningen var en homogen, transparent vätska utan grumlighet, vilket indikerar att vätebindningsdonatorn (HBD) och vätebindningsacceptorn (HBA) blandades framgångsrikt i denna eutektiska komposition. Preliminära experiment utfördes för att observera det temperaturberoende beteendet hos blandningsprocessen för HBD och HBA. Enligt tillgänglig litteratur utvärderades andelen eutektiska blandningar vid tre specifika temperaturer över 50 °C, 70 °C och 100 °C, vilket indikerar att den eutektiska temperaturen vanligtvis ligger i intervallet 50–80 °C. En Mettler digitalvåg användes för att noggrant väga HBD- och HBA-komponenterna, och en Thermo Fisher-värmeplatta användes för att värma och röra om HBD och HBA vid 100 rpm under kontrollerade förhållanden.
De termofysiska egenskaperna hos vårt syntetiserade djupeutektiska lösningsmedel (DES), inklusive densitet, ytspänning, brytningsindex och viskositet, mättes noggrant över ett temperaturområde från 289,15 till 333,15 K. Det bör noteras att detta temperaturområde valdes främst på grund av begränsningarna hos befintlig utrustning. Den omfattande analysen inkluderade en djupgående studie av olika termofysiska egenskaper hos denna NADES-formulering, vilket avslöjade deras beteende över ett temperaturområde. Att fokusera på detta specifika temperaturområde ger insikter i egenskaperna hos NADES som är av särskild betydelse för ett antal tillämpningar.
Ytspänningen hos den framställda NADES mättes i intervallet 289,15 till 333,15 K med hjälp av en gränsytspänningsmätare (IFT700). NADES-droppar bildas i en kammare fylld med en stor volym vätska med hjälp av en kapillärnål under specifika temperatur- och tryckförhållanden. Moderna avbildningssystem introducerar lämpliga geometriska parametrar för att beräkna gränsytspänningen med hjälp av Laplace-ekvationen.
En ATAGO-refraktometer användes för att bestämma brytningsindex för nyframställd NADES över temperaturområdet 289,15 till 333,15 K. Instrumentet använder en termisk modul för att reglera temperaturen för att uppskatta ljusets brytningsgrad, vilket eliminerar behovet av ett vattenbad med konstant temperatur. Refraktometerns prismayta bör rengöras och provlösningen bör fördelas jämnt över den. Kalibrera med en känd standardlösning och läs sedan av brytningsindex från skärmen.
Viskositeten hos den framställda NADES mättes över temperaturområdet 289,15 till 333,15 K med hjälp av en Brookfield rotationsviskometer (kryogen typ) vid en skjuvhastighet på 30 rpm och en spindelstorlek på 6. Viskometern mäter viskositet genom att bestämma det vridmoment som krävs för att rotera spindeln med konstant hastighet i ett vätskeprov. Efter att provet placerats på skärmen under spindeln och dragits åt visar viskometern viskositeten i centipoise (cP), vilket ger värdefull information om vätskans reologiska egenskaper.
En bärbar densitetsmätare DMA 35 Basic användes för att bestämma densiteten hos nyframställt naturligt djupeutektiskt lösningsmedel (NDEES) i temperaturområdet 289,15–333,15 K. Eftersom enheten inte har en inbyggd värmare måste den förvärmas till den angivna temperaturen (± 2 °C) innan NADES-densitetsmätaren används. Dra minst 2 ml prov genom röret, så visas densiteten omedelbart på skärmen. Det är värt att notera att på grund av avsaknaden av en inbyggd värmare har mätresultaten ett fel på ± 2 °C.
För att utvärdera pH-värdet hos nyframställd NADES i temperaturintervallet 289,15–333,15 K använde vi en Kenis pH-mätare för bänkbruk. Eftersom det inte finns någon inbyggd värmeanordning värmdes NADES först upp till önskad temperatur (±2 °C) med hjälp av en värmeplatta och mättes sedan direkt med en pH-mätare. Sänk ner pH-mätarens prob helt i NADES och registrera slutvärdet efter att avläsningen har stabiliserats.
Termogravimetrisk analys (TGA) användes för att utvärdera den termiska stabiliteten hos naturliga djupeutektiska lösningsmedel (NADES). Proverna analyserades under uppvärmning. Med hjälp av en högprecisionsvåg och noggrann övervakning av uppvärmningsprocessen genererades ett diagram över massförlust kontra temperatur. NADES uppvärmdes från 0 till 500 °C med en hastighet av 1 °C per minut.
För att påbörja processen måste NADES-provet blandas noggrant, homogeniseras och ytfukten avlägsnas. Det beredda provet placeras sedan i en TGA-kyvett, som vanligtvis är tillverkad av ett inert material såsom aluminium. För att säkerställa noggranna resultat kalibreras TGA-instrument med hjälp av referensmaterial, vanligtvis viktstandarder. När TGA-experimentet är kalibrerat påbörjas och provet värms upp på ett kontrollerat sätt, vanligtvis med en konstant hastighet. Kontinuerlig övervakning av förhållandet mellan provvikt och temperatur är en viktig del av experimentet. TGA-instrument samlar in data om temperatur, vikt och andra parametrar såsom gasflöde eller provtemperatur. När TGA-experimentet är klart analyseras de insamlade uppgifterna för att bestämma förändringen i provvikt som en funktion av temperaturen. Denna information är värdefull för att bestämma temperaturintervall som är förknippade med fysikaliska och kemiska förändringar i provet, inklusive processer som smältning, avdunstning, oxidation eller sönderdelning.
Den vattenbaserade borrvätskan formulerades noggrant enligt API 13B-1-standarden, och dess specifika sammansättning listas i tabell 2 som referens. Citronsyra och glycerol (99 USP) köptes från Sigma Aldrich, Malaysia för att framställa det naturliga djupeutektiska lösningsmedlet (NADES). Dessutom köptes den konventionella skifferinhibitorn kaliumklorid (KCl) från Sigma Aldrich, Malaysia. 1-etyl, 3-metylimidazoliumklorid ([EMIM]Cl) med en renhet på mer än 98 % valdes på grund av dess signifikanta effekt på att förbättra borrvätskans reologi och skifferinhibering, vilket bekräftades i tidigare studier. Både KCl och ([EMIM]Cl) kommer att användas i den jämförande analysen för att utvärdera skifferinhiberingsprestanda hos NADES.
Många forskare föredrar att använda bentonitflingor för att studera skiffersvällning eftersom bentonit innehåller samma "montmorillonit"-grupp som orsakar skiffersvällning. Att få fram riktiga skifferkärnprover är utmanande eftersom kärnborrningsprocessen destabiliserar skiffern, vilket resulterar i prover som inte helt består av skiffer utan vanligtvis innehåller en blandning av sandstens- och kalkstensskikt. Dessutom saknar skifferprover vanligtvis de montmorillonitgrupper som orsakar skiffersvällning och är därför olämpliga för svällningsinhiberingsexperiment.
I denna studie använde vi rekonstituerade bentonitpartiklar med en diameter på cirka 2,54 cm. Granulerna framställdes genom att pressa 11,5 gram natriumbentonitpulver i en hydraulisk press vid 1600 psi. Granulernas tjocklek mättes noggrant innan de placerades i en linjär dilatometer (LD). Partiklarna doppades sedan i borrvätskeprover, inklusive basprover och prover injicerade med inhibitorer som används för att förhindra skiffersvällning. Förändringen i granultjocklek övervakades sedan noggrant med hjälp av LD, med mätningar registrerade med 60-sekundersintervaller under 24 timmar.
Röntgendiffraktion visade att bentonitens sammansättning, särskilt dess 47 % montmorillonitkomponent, är en nyckelfaktor för att förstå dess geologiska egenskaper. Bland montmorillonitkomponenterna i bentonit är montmorillonit huvudkomponenten och står för 88,6 % av de totala komponenterna. Kvarts står för 29 %, illit för 7 % och karbonat för 9 %. En liten del (cirka 3,2 %) är en blandning av illit och montmorillonit. Dessutom innehåller den spårämnen som Fe₂O₃ (4,7 %), silveraluminosilikat (1,2 %), muskovit (4 %) och fosfat (2,3 %). Dessutom finns små mängder Na₂O (1,83 %) och järnsilikat (2,17 %) närvarande, vilket gör det möjligt att fullt ut uppskatta bentonitens beståndsdelar och deras respektive proportioner.
Denna omfattande studiedel beskriver de reologiska och filtreringsegenskaperna hos borrvätskeprover framställda med naturligt djupeutektiskt lösningsmedel (NADES) och använt som borrvätsketillsats i olika koncentrationer (1 %, 3 % och 5 %). De NADES-baserade uppslamningsproverna jämfördes och analyserades sedan med uppslamningsprover bestående av kaliumklorid (KCl), CC:urea DES (kolinklorid djupeutektiskt lösningsmedel:urea) och joniska vätskor. Ett antal nyckelparametrar täcktes i denna studie, inklusive viskositetsavläsningar erhållna med en FANN-viskosimeter före och efter exponering för åldringsförhållanden vid 100 °C och 150 °C. Mätningar gjordes vid olika rotationshastigheter (3 rpm, 6 rpm, 300 rpm och 600 rpm) vilket möjliggjorde en omfattande analys av borrvätskans beteende. De erhållna uppgifterna kan sedan användas för att bestämma nyckelegenskaper såsom sträckgräns (YP) och plastisk viskositet (PV), vilket ger insikt i vätskans prestanda under olika förhållanden. Högtrycks- och högtemperaturfiltreringstester (HPHT) vid 400 psi och 150 °C (typiska temperaturer i högtemperaturbrunnar) bestämmer filtreringsprestandan (kaktjocklek och filtratvolym).
Denna sektion använder toppmodern utrustning, Grace HPHT Linear Dilatometer (M4600), för att noggrant utvärdera skifferns svällhämmande egenskaper hos våra vattenbaserade borrvätskor. LSM är en toppmodern maskin som består av två komponenter: en plattkomprimator och en linjär dilatometer (modell: M4600). Bentonitplattor förbereddes för analys med hjälp av Grace Core/Plate Compactor. LSM ger sedan omedelbara svällningsdata på dessa plattor, vilket möjliggör en omfattande utvärdering av skifferns svällhämmande egenskaper. Skifferexpansionstester utfördes under omgivande förhållanden, dvs. 25 °C och 1 psia.
Skifferstabilitetstestning innefattar ett viktigt test som ofta kallas skifferåtervinningstest, skifferdopptest eller skifferdispersionstest. För att påbörja denna utvärdering separeras skifferkaks på en #6 BSS-sikt och placeras sedan på en #10-sikt. Kakset matas sedan till en uppsamlingstank där det blandas med en basvätska och borrslam innehållande NADES (Natural Deep Eutectic Solvent). Nästa steg är att placera blandningen i en ugn för en intensiv varmvalsningsprocess, vilket säkerställer att kakset och slammet blandas noggrant. Efter 16 timmar avlägsnas kakset från massan genom att låta skiffern sönderfalla, vilket resulterar i en minskning av kaksets vikt. Skifferåtervinningstestet utfördes efter att skifferkakset hade hållits i borrslam vid 150 °C och 1000 psi. inch inom 24 timmar.
För att mäta utvinningen av skifferslammet filtrerade vi det genom en finare sikt (40 mesh), tvättade det sedan noggrant med vatten och torkade det slutligen i en ugn. Denna noggranna procedur gör det möjligt för oss att uppskatta den utvunna slammet jämfört med den ursprungliga vikten och slutligen beräkna andelen skifferslam som framgångsrikt utvunnits. Källan till skifferproverna är från Niah-distriktet, Miri-distriktet, Sarawak, Malaysia. Före dispersions- och utvinningstesterna utsattes skifferproverna för en grundlig röntgendiffraktion (XRD) för att kvantifiera deras lersammansättning och bekräfta deras lämplighet för testning. Provets lermineralsammansättning är följande: illit 18 %, kaolinit 31 %, klorit 22 %, vermikulit 10 % och glimmer 19 %.
Ytspänning är en nyckelfaktor som styr penetrationen av vattenkatjoner in i skiffermikroporer via kapillärverkan, vilket kommer att studeras i detalj i detta avsnitt. Denna artikel undersöker ytspänningens roll i borrvätskors kohesiva egenskaper och belyser dess viktiga inflytande på borrprocessen, särskilt skifferinhibering. Vi använde en gränssnittstensiometer (IFT700) för att noggrant mäta ytspänningen hos borrvätskeprover, vilket avslöjar en viktig aspekt av vätskebeteendet i samband med skifferinhibering.
Detta avsnitt diskuterar i detalj d-skiktsavståndet, vilket är avståndet mellan skikten mellan aluminosilikatskikt och ett aluminosilikatskikt i leror. Analysen omfattade våta lerprover innehållande 1 %, 3 % och 5 % CA NADES, samt 3 % KCl, 3 % [EMIM]Cl och 3 % CC:urea-baserad DES för jämförelse. En toppmodern bänkmonterad röntgendiffraktometer (D2 Phaser) som arbetar vid 40 mA och 45 kV med Cu-Kα-strålning (λ = 1,54059 Å) spelade en avgörande roll för att registrera röntgendiffraktionstopparna för både våta och torra Na-Bt-prover. Tillämpningen av Bragg-ekvationen möjliggör noggrann bestämning av d-skiktsavståndet, vilket ger värdefull information om lerans beteende.
Detta avsnitt använder det avancerade Malvern Zetasizer Nano ZSP-instrumentet för att noggrant mäta zetapotential. Denna utvärdering gav värdefull information om laddningsegenskaperna hos utspädda slamprover innehållande 1 %, 3 % och 5 % CA NADES, samt 3 % KCl, 3 % [EMIM]Cl och 3 % CC:urea-baserad DES för jämförande analys. Dessa resultat bidrar till vår förståelse av stabiliteten hos kolloidala föreningar och deras interaktioner i vätskor.
Lerproverna undersöktes före och efter exponering för naturligt djupeutektiskt lösningsmedel (NADES) med hjälp av ett Zeiss Supra 55 VP fältemissions-svepelektronmikroskop (FESEM) utrustat med energidispersiv röntgen (EDX). Bildupplösningen var 500 nm och elektronstråleenergin var 30 kV och 50 kV. FESEM ger högupplöst visualisering av ytmorfologin och strukturella egenskaper hos lerproverna. Syftet med denna studie var att erhålla information om effekten av NADES på lerproverna genom att jämföra bilderna som erhölls före och efter exponering.
I denna studie användes fältemissionsskanningselektronmikroskopi (FESEM) för att undersöka effekten av NADES på lerprover på mikroskopisk nivå. Syftet med denna studie är att belysa de potentiella tillämpningarna av NADES och dess effekt på lermorfologi och genomsnittlig partikelstorlek, vilket kommer att ge värdefull information för forskning inom detta område.
I denna studie användes felstaplar för att visuellt beskriva variabiliteten och osäkerheten i medelprocentfelet (AMPE) över experimentella förhållanden. Istället för att plotta individuella AMPE-värden (eftersom plottning av AMPE-värden kan dölja trender och överdriva små variationer) beräknar vi felstaplar med hjälp av 5%-regeln. Denna metod säkerställer att varje felstapel representerar det intervall inom vilket 95%-konfidensintervallet och 100% av AMPE-värdena förväntas falla, vilket ger en tydligare och mer koncis sammanfattning av datafördelningen för varje experimentellt tillstånd. Att använda felstaplar baserade på 5%-regeln förbättrar således tolkningsbarheten och tillförlitligheten hos grafiska representationer och hjälper till att ge en mer detaljerad förståelse av resultaten och deras implikationer.
Vid syntesen av naturliga djupeutektiska lösningsmedel (NADES) studerades flera viktiga parametrar noggrant under den interna beredningsprocessen. Dessa kritiska faktorer inkluderar temperatur, molförhållande och blandningshastighet. Våra experiment visar att när HBA (citronsyra) och HBD (glycerol) blandas i ett molförhållande på 1:4 vid 50 °C bildas en eutektisk blandning. Det som kännetecknar den eutektiska blandningen är dess transparenta, homogena utseende och frånvaron av sediment. Detta viktiga steg belyser således vikten av molförhållande, temperatur och blandningshastighet, bland vilka molförhållandet var den mest inflytelserika faktorn vid beredningen av DES och NADES, såsom visas i figur 2.
Brytningsindex (n) uttrycker förhållandet mellan ljusets hastighet i vakuum och ljusets hastighet i ett andra, tätare medium. Brytningsindex är av särskilt intresse för naturliga djupeutektiska lösningsmedel (NADES) när man överväger optiskt känsliga tillämpningar såsom biosensorer. Brytningsindexet för den studerade NADES vid 25 °C var 1,452, vilket är intressant lägre än glycerols.
Det är värt att notera att brytningsindexet för NADES minskar med temperaturen, och denna trend kan beskrivas noggrant med formel (1) och figur 3, där det absoluta medelvärdet av procentfelet (AMPE) når 0 %. Detta temperaturberoende beteende förklaras av minskningen av viskositet och densitet vid höga temperaturer, vilket gör att ljuset färdas genom mediet med en högre hastighet, vilket resulterar i ett lägre brytningsindex (n)-värde. Dessa resultat ger värdefulla insikter i den strategiska användningen av NADES inom optisk avkänning, och belyser deras potential för biosensortillämpningar.
Ytspänning, som återspeglar en vätskeytas tendens att minimera sin area, är av stor betydelse för att bedöma lämpligheten hos naturliga djupeutektiska lösningsmedel (NADES) för kapillärtrycksbaserade tillämpningar. En studie av ytspänning i temperaturområdet 25–60 °C ger värdefull information. Vid 25 °C var ytspänningen för citronsyrabaserad NADES 55,42 mN/m, vilket är signifikant lägre än för vatten och glycerol. Figur 4 visar att ytspänningen minskar signifikant med ökande temperatur. Detta fenomen kan förklaras av en ökning av molekylär kinetisk energi och en efterföljande minskning av intermolekylära attraktionskrafter.
Den linjärt minskande trenden för ytspänning som observerats i den studerade NADES kan väl uttryckas med ekvation (2), som illustrerar det grundläggande matematiska sambandet i temperaturområdet 25–60 °C. Grafen i figur 4 visar tydligt trenden för ytspänning med temperaturen med ett absolut medelprocentuellt fel (AMPE) på 1,4 %, vilket kvantifierar noggrannheten hos de rapporterade ytspänningsvärdena. Dessa resultat har viktiga implikationer för att förstå NADES beteende och dess potentiella tillämpningar.
Att förstå densitetsdynamiken hos naturliga djupeutektiska lösningsmedel (NADES) är avgörande för att underlätta deras tillämpning i ett flertal vetenskapliga studier. Densiteten för citronsyrabaserad NADES vid 25 °C är 1,361 g/cm3, vilket är högre än densiteten för modersubstansen glycerol. Denna skillnad kan förklaras av tillsatsen av en vätebindningsacceptor (citronsyra) till glycerol.
Om vi ​​tar citratbaserad NADES som exempel, sjunker dess densitet till 1,19 g/cm3 vid 60 °C. Ökningen av den kinetiska energin vid uppvärmning gör att NADES-molekylerna dispergeras, vilket gör att de upptar en större volym, vilket resulterar i en minskning av densiteten. Den observerade minskningen av densiteten visar en viss linjär korrelation med temperaturökningen, vilket korrekt kan uttryckas med formel (3). Figur 5 presenterar grafiskt dessa egenskaper hos NADES-densitetsförändringen med ett absolut medelprocentuellt fel (AMPE) på 1,12 %, vilket ger ett kvantitativt mått på noggrannheten hos de rapporterade densitetsvärdena.
Viskositet är den attraktionskraft som finns mellan olika lager av en vätska i rörelse och spelar en nyckelroll för att förstå användbarheten av naturliga djupeutektiska lösningsmedel (NADES) i olika tillämpningar. Vid 25 °C var viskositeten för NADES 951 cP, vilket är högre än för glycerol.
Den observerade minskningen av viskositet med ökande temperatur förklaras huvudsakligen av försvagningen av intermolekylära attraktionskrafter. Detta fenomen resulterar i en minskning av vätskans viskositet, en trend som tydligt visas i figur 6 och kvantifieras av ekvation (4). Det är värt att notera att viskositeten vid 60 °C sjunker till 898 cP med ett totalt medelprocentfel (AMPE) på 1,4 %. En detaljerad förståelse av viskositets- kontra temperaturberoendet i NADES är av stor betydelse för dess praktiska tillämpning.
Lösningens pH-värde, bestämt av den negativa logaritmen för vätejonkoncentrationen, är kritiskt, särskilt i pH-känsliga tillämpningar såsom DNA-syntes, så pH-värdet för NADES måste studeras noggrant före användning. Om man tar citronsyrabaserad NADES som exempel kan ett tydligt surt pH på 1,91 observeras, vilket står i skarp kontrast till glycerols relativt neutrala pH-värde.
Intressant nog visade pH-värdet för det naturliga citronsyradehydrogenaslösliga lösningsmedlet (NADES) en icke-linjär minskande trend med ökande temperatur. Detta fenomen tillskrivs de ökade molekylära vibrationerna som stör H+-balansen i lösningen, vilket leder till bildandet av [H]+-joner och i sin tur en förändring av pH-värdet. Medan det naturliga pH-värdet för citronsyra varierar från 3 till 5, sänker närvaron av surt väte i glycerol pH-värdet ytterligare till 1,91.
pH-beteendet för citratbaserad NADES i temperaturintervallet 25–60 °C kan representeras på lämpligt sätt av ekvation (5), som ger ett matematiskt uttryck för den observerade pH-trenden. Figur 7 visar grafiskt detta intressanta samband och belyser temperaturens effekt på pH-värdet för NADES, vilket rapporteras vara 1,4 % för AMPE.
Termogravimetrisk analys (TGA) av naturligt djupeutektiskt lösningsmedel i citronsyra (NADES) utfördes systematiskt i temperaturområdet från rumstemperatur till 500 °C. Som framgår av figur 8a och b berodde den initiala massförlusten upp till 100 °C huvudsakligen på det absorberade vattnet och hydratiseringsvattnet i samband med citronsyra och ren glycerol. En signifikant massretention på cirka 88 % observerades upp till 180 °C, vilket huvudsakligen berodde på nedbrytningen av citronsyra till akonitsyra och den efterföljande bildningen av metylmaleinsyraanhydrid (III) vid ytterligare uppvärmning (figur 8b). Över 180 °C kunde även en tydlig förekomst av akrolein (akrylaldehyd) i glycerol observeras, såsom visas i figur 8b37.
Termogravimetrisk analys (TGA) av glycerol avslöjade en tvåstegs massförlustprocess. Det initiala steget (180 till 220 °C) involverar bildandet av akrolein, följt av betydande massförlust vid höga temperaturer från 230 till 300 °C (Figur 8a). När temperaturen ökar bildas acetaldehyd, koldioxid, metan och väte sekventiellt. Det är värt att notera att endast 28 % av massan behölls vid 300 °C, vilket tyder på att de inneboende egenskaperna hos NADES 8(a)38,39 kan vara defekta.
För att få information om bildandet av nya kemiska bindningar analyserades nyframställda suspensioner av naturliga djupeutektiska lösningsmedel (NADES) med Fouriertransform infrarödspektroskopi (FTIR). Analysen utfördes genom att jämföra spektrumet för NADES-suspensionen med spektra för ren citronsyra (CA) och glycerol (Gly). CA-spektrumet visade tydliga toppar vid 1752 1/cm och 1673 1/cm, vilka representerar sträckningsvibrationerna för C=O-bindningen och också är karakteristiska för CA. Dessutom observerades en signifikant förskjutning i OH-böjningsvibrationen vid 1360 1/cm i fingeravtrycksregionen, såsom visas i figur 9.
På liknande sätt, i fallet med glycerol, observerades förskjutningarna av OH-sträcknings- och böjningsvibrationer vid vågtal på 3291 1/cm² respektive 1414 1/cm². Genom att analysera spektrumet för den framställda NADES konstaterades en signifikant förskjutning i spektrumet. Som visas i figur 7 skiftade sträckningsvibrationen för C=O-bindningen från 1752 1/cm² till 1720 1/cm² och böjningsvibrationen för -OH-bindningen i glycerol skiftade från 1414 1/cm² till 1359 1/cm². Dessa förskjutningar i vågtal indikerar förändringen i elektronegativitet, vilket indikerar bildandet av nya kemiska bindningar i NADES-strukturen.