Kiitos käynnistäsi nature.com-sivustolla. Käyttämäsi selainversio tukee CSS:ää rajoitetusti. Parhaan käyttökokemuksen saavuttamiseksi suosittelemme käyttämään uusinta selainversiota (tai poistamaan yhteensopivuustilan käytöstä Internet Explorerissa). Lisäksi jatkuvan tuen varmistamiseksi tämä sivusto ei sisällä tyylejä tai JavaScriptiä.
Liuskekiven laajeneminen klastisissa esiintymispaikoissa aiheuttaa merkittäviä ongelmia, jotka johtavat porausreiän epävakauteen. Ympäristösyistä vesipohjaisen porausnesteen, johon on lisätty liuskekiven estäjiä, käyttö on edullisempaa kuin öljypohjaisen porausnesteen käyttö. Ioniset nesteet (IL) ovat herättäneet paljon huomiota liuskekiven estäjinä niiden viritettävien ominaisuuksien ja vahvojen sähköstaattisten ominaisuuksien vuoksi. Imidatsolyylipohjaiset ioniset nesteet (IL), joita käytetään laajalti porausnesteissä, ovat kuitenkin osoittautuneet myrkyllisiksi, biohajoamattomiksi ja kalliiksi. Syväeutektisia liuottimia (DES) pidetään kustannustehokkaampana ja vähemmän myrkyllisempänä vaihtoehtona ionisille nesteille, mutta ne eivät silti täytä vaadittua ympäristökestävyyttä. Viimeaikaiset edistysaskeleet tällä alalla ovat johtaneet luonnollisten syväeutektisten liuottimien (NADES) käyttöönottoon, jotka tunnetaan todellisesta ympäristöystävällisyydestään. Tässä tutkimuksessa tutkittiin NADES-liuottimia, jotka sisältävät sitruunahappoa (vetysidoksen vastaanottajana) ja glyserolia (vetysidoksen luovuttajana) porausnesteen lisäaineina. NADES-pohjaiset porausnesteet kehitettiin API 13B-1 -standardin mukaisesti, ja niiden suorituskykyä verrattiin kaliumkloridipohjaisiin porausnesteisiin, imidatsoliumpohjaisiin ionisiin nesteisiin ja koliinikloridi:urea-DES-pohjaisiin porausnesteisiin. Patentoitujen NADES-nesteiden fysikaalis-kemialliset ominaisuudet kuvataan yksityiskohtaisesti. Porausnesteen reologisia ominaisuuksia, nestehäviötä ja liuskekiven muodostumista estäviä ominaisuuksia arvioitiin tutkimuksen aikana, ja osoitettiin, että 3 %:n NADES-pitoisuudella myötöraja/plastinen viskositeettisuhde (YP/PV) kasvoi, liejukakun paksuus pieneni 26 % ja suodostilavuus pieneni 30,1 %. Merkittävää on, että NADES saavutti vaikuttavan 49,14 %:n laajenemisen estoasteen ja lisäsi liuskekiven tuotantoa 86,36 %. Nämä tulokset johtuvat NADES:n kyvystä muuttaa savien pinta-aktiivisuutta, zetapotentiaalia ja välikerrosten etäisyyttä, joita käsitellään tässä artikkelissa taustalla olevien mekanismien ymmärtämiseksi. Tämän kestävän porausnesteen odotetaan mullistavan porausteollisuutta tarjoamalla myrkyttömän, kustannustehokkaan ja erittäin tehokkaan vaihtoehdon perinteisille liuskekiven korroosionestoaineille ja tasoittamalla tietä ympäristöystävällisille porauskäytännöille.
Liuskekivi on monipuolinen kivilaji, joka toimii sekä hiilivetyjen lähteenä että varastona, ja sen huokoinen rakenne1 tarjoaa potentiaalin sekä näiden arvokkaiden luonnonvarojen tuotantoon että varastointiin. Liuskekivi on kuitenkin runsaasti savimineraaleja, kuten montmorilloniittia, smektiittiä, kaoliniittia ja illiittiä, jotka tekevät siitä alttiin turpoamiselle veden vaikutuksesta, mikä johtaa kaivonreiän epävakauteen poraustoiminnan aikana2,3. Nämä ongelmat voivat johtaa tuottamattomaan aikaan (NPT) ja lukuisiin toiminnallisiin ongelmiin, kuten tukossa oleviin putkiin, menetettyyn liejukierron, kaivonreiän romahtamiseen ja terän likaantumiseen, mikä lisää toipumisaikaa ja -kustannuksia. Perinteisesti öljypohjaiset porausnesteet (OBDF) ovat olleet ensisijainen valinta liuskekivimuodostelmille, koska ne kykenevät vastustamaan liuskekierron laajenemista4. Öljypohjaisten porausnesteiden käyttö tuo kuitenkin mukanaan korkeampia kustannuksia ja ympäristöriskejä. Synteettisiä porausnesteitä (SBDF) on harkittu vaihtoehtona, mutta niiden soveltuvuus korkeisiin lämpötiloihin on epätyydyttävä. Vesipohjaiset porausnesteet (WBDF) ovat houkutteleva ratkaisu, koska ne ovat turvallisempia, ympäristöystävällisempiä ja kustannustehokkaampia kuin OBDF5. Erilaisia ​​liuskekiven inhibiittoreja on käytetty parantamaan WBDF:n liuskekiven estokykyä, mukaan lukien perinteiset inhibiittorit, kuten kaliumkloridi, kalkki, silikaatti ja polymeeri. Näillä inhibiittoreilla on kuitenkin rajoituksensa tehokkuuden ja ympäristövaikutusten suhteen, erityisesti kaliumkloridin inhibiittoreiden korkean K+-pitoisuuden ja silikaattien pH-herkkyyden vuoksi.6 Tutkijat ovat selvittäneet mahdollisuutta käyttää ionisia nesteitä porausnesteen lisäaineina porausnesteen reologian parantamiseksi ja liuskekiven turpoamisen ja hydraattien muodostumisen estämiseksi. Nämä ioniset nesteet, erityisesti imidatsolyylikationeja sisältävät nesteet, ovat kuitenkin yleensä myrkyllisiä, kalliita, biohajoamattomia ja vaativat monimutkaisia ​​valmistusprosesseja. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi ihmiset alkoivat etsiä taloudellisempaa ja ympäristöystävällisempää vaihtoehtoa, mikä johti syväeutektisten liuottimien (DES) syntymiseen. DES on eutektinen seos, joka muodostuu vetysidoksen luovuttajasta (HBD) ja vetysidoksen vastaanottajasta (HBA) tietyssä moolisuhteessa ja lämpötilassa. Näillä eutektisilla seoksilla on alhaisemmat sulamispisteet kuin niiden yksittäisillä komponenteilla, mikä johtuu pääasiassa vetysidosten aiheuttamasta varauksen delokalisaatiosta. Monet tekijät, kuten hilaenergia, entropian muutos sekä anionien ja HBD:n väliset vuorovaikutukset, ovat avainasemassa DES:n sulamispisteen alentamisessa.
Aiemmissa tutkimuksissa vesipohjaiseen porausnesteeseen lisättiin erilaisia ​​lisäaineita liuskekiven laajenemisongelman ratkaisemiseksi. Esimerkiksi Ofei ym. lisäsivät 1-butyyli-3-metyyli-imidatsoliumkloridia (BMIM-Cl), mikä pienensi merkittävästi lietekakun paksuutta (jopa 50 %) ja YP/PV-arvoa 11 %:lla eri lämpötiloissa. Huang ym. käyttivät ionisia nesteitä (erityisesti 1-heksyyli-3-metyyli-imidatsoliumbromidia ja 1,2-bis(3-heksyyli-imidatsol-1-yyli)etaanibromidia) yhdessä Na-Bt-hiukkasten kanssa ja vähensivät liuskekiven turpoamista merkittävästi, vastaavasti 86,43 % ja 94,17 %12. Lisäksi Yang ym. käyttivät 1-vinyyli-3-dodekyyli-imidatsoliumbromidia ja 1-vinyyli-3-tetradekyyli-imidatsoliumbromidia vähentääkseen liuskekiven turpoamista 16,91 % ja 5,81 %.13 Yang ym. käyttivät myös 1-vinyyli-3-etyyli-imidatsoliumbromidia ja vähensivät saviliuskeen laajenemista 31,62 % pitäen saviliuskeen talteenoton 40,60 %:ssa.14 Lisäksi Luo ym. käyttivät 1-oktyyli-3-metyyli-imidatsoliumtetrafluoroboraattia vähentääkseen saviliuskeen turpoamista 80 %:lla.15, 16 Dai ym. käyttivät ionisia nestemäisiä kopolymeerejä saviliuskeen estämiseen ja saavuttivat 18 %:n kasvun lineaarisessa talteenotossa verrattuna amiini-inhibiittoreihin.17
Ionisilla nesteillä itsessään on joitakin haittoja, jotka saivat tutkijat etsimään ympäristöystävällisempiä vaihtoehtoja ionisille nesteille, ja näin syntyi DES. Hanjia käytti ensimmäisenä syväeutektisia liuottimia (DES), jotka koostuivat vinyylikloridipropionihaposta (1:1), vinyylikloridi-3-fenyylipropionihaposta (1:2) ja 3-merkaptopropionihaposta + itakonihaposta + vinyylikloridista (1:1:2), jotka estivät bentoniitin turpoamista vastaavasti 68 %, 58 % ja 58 %18. Vapaassa kokeessa MH Rasul käytti glyserolia ja kaliumkarbonaattia (DES) suhteessa 2:1 ja vähensi liuskenäytteiden turpoamista merkittävästi 87 %19,20. Ma käytti urea:vinyylikloridia vähentääkseen liuskeen laajenemista merkittävästi 67 %.21 Rasul ym. DES:n ja polymeerin yhdistelmää käytettiin kaksitoimisena liuskeinhibiittorina, jolla saavutettiin erinomainen liuskeinhibiittorivaikutus22.
Vaikka syväeutektisia liuottimia (DES) pidetään yleisesti vihreämpänä vaihtoehtona ionisille nesteille, ne sisältävät myös mahdollisesti myrkyllisiä komponentteja, kuten ammoniumsuoloja, mikä tekee niiden ympäristöystävällisyydestä kyseenalaista. Tämä ongelma on johtanut luonnollisten syväeutektisten liuottimien (NADES) kehittämiseen. Ne luokitellaan edelleen DES-liuottimiksi, mutta ne koostuvat luonnollisista aineista ja suoloista, kuten kaliumkloridista (KCl), kalsiumkloridista (CaCl2), Epsom-suoloista (MgSO4.7H2O) ja muista. Lukuisat DES:n ja NADES:n mahdolliset yhdistelmät avaavat laajan alan tutkimukselle, ja niiden odotetaan löytävän sovelluksia useilla eri aloilla. Useat tutkijat ovat onnistuneesti kehittäneet uusia DES-yhdistelmiä, jotka ovat osoittautuneet tehokkaiksi useissa eri sovelluksissa. Esimerkiksi Naser et al. syntetisoivat kaliumkarbonaattipohjaista DES:iä vuonna 2013 ja tutkivat sen termofysikaalisia ominaisuuksia, jolle myöhemmin löytyi sovelluksia hydraattien estämisen, porausnesteiden lisäaineiden, delignifikaation ja nanofibrilloinnin aloilla.23 Jordy Kim ja työtoverit kehittivät askorbiinihappopohjaisen NADES:in ja arvioivat sen antioksidanttisia ominaisuuksia useissa eri sovelluksissa. 24 Christer ym. kehittivät sitruunahappopohjaisen NADESin ja tunnistivat sen potentiaalin kollageenituotteiden täyteaineena. 25 Liu Yi ja työtoverit tiivistivät NADESin sovellukset uutto- ja kromatografiaväliaineena kattavassa katsauksessa, kun taas Misan ym. käsittelivät NADESin onnistuneita sovelluksia elintarvikealalla. On välttämätöntä, että porausnestetutkijat alkavat kiinnittää huomiota NADESin tehokkuuteen sovelluksissaan. Vuonna 2023 Rasul ym. käyttivät erilaisia ​​luonnollisten syväeutektisten liuottimien yhdistelmiä, jotka perustuivat askorbiinihappoon26, kalsiumkloridiin27, kaliumkloridiin28 ja Epsom-suolaan29, ja saavuttivat vaikuttavan liuskekiven eston ja liuskekiven talteenoton. Tämä tutkimus on yksi ensimmäisistä tutkimuksista, joissa NADES (erityisesti sitruunahappo- ja glyserolipohjainen koostumus) esiteltiin ympäristöystävällisenä ja tehokkaana liuskekiven estäjänä vesipohjaisissa porausnesteissä, jolla on erinomainen ympäristöstabiilisuus, parannettu liuskekiven estokyky ja parempi nesteen suorituskyky verrattuna perinteisiin estoaineisiin, kuten KCl:ään, imidatsolyylipohjaisiin ionisiin nesteisiin ja perinteiseen DESiin.
Tutkimukseen kuuluu sitruunahappoon (CA) perustuvan NADESin itsevalmistus, jota seuraa yksityiskohtainen fysikaalis-kemiallinen karakterisointi ja käyttö porausnesteen lisäaineena porausnesteen ominaisuuksien ja sen turpoamisenestokykyvyn arvioimiseksi. Tässä tutkimuksessa CA toimii vetysidoksen akseptorina, kun taas glyseroli (Gly) toimii vetysidoksen luovuttajana, joka valitaan MH-seulontakriteerien perusteella NADESin muodostumiselle/valinnalle saviliuskeen estotutkimuksissa30. Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopia (FTIR), röntgendiffraktio (XRD) ja zetapotentiaali (ZP) -mittaukset selvittävät NADESin ja saven vuorovaikutuksia ja saven turpoamisenestokykyvyn taustalla olevaa mekanismia. Lisäksi tässä tutkimuksessa verrataan CA-pohjaista NADES-pohjaista porausnestettä 1-etyyli-3-metyyli-imidatsoliumkloridiin [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl:ään ja koliinikloridi:ureaan (1:2) perustuvaan DES32:een niiden tehokkuuden tutkimiseksi saviliuskeen estossa ja porausnesteen suorituskyvyn parantamisessa.
Sitruunahappo (monohydraatti), glyseroli (99 USP) ja urea hankittiin EvaChemiltä, ​​Kuala Lumpur, Malesiasta. Koliinikloridi (>98%), [EMIM]Cl 98% ja kaliumkloridi hankittiin Sigma Aldrichilta, Malesiasta. Kaikkien kemikaalien kemialliset rakenteet on esitetty kuvassa 1. Vihreä kaavio vertailee tässä tutkimuksessa käytettyjä tärkeimpiä kemikaaleja: imidatsolyyli-ionineste, koliinikloridi (DES), sitruunahappo, glyseroli, kaliumkloridi ja NADES (sitruunahappo ja glyseroli). Tässä tutkimuksessa käytettyjen kemikaalien ympäristöystävällisyystaulukko on esitetty taulukossa 1. Taulukossa jokainen kemikaali on luokiteltu myrkyllisyyden, biohajoavuuden, kustannusten ja ympäristökestävyyden perusteella.
Tässä tutkimuksessa käytettyjen materiaalien kemialliset rakenteet: (a) sitruunahappo, (b) [EMIM]Cl, (c) koliinikloridi ja (d) glyseroli.
Vetysidoksen luovuttaja- (HBD) ja vetysidoksen vastaanottaja (HBA) -ehdokkaat CA-pohjaisten (luonnollinen syväeutektinen liuotin) NADES-yhdisteiden kehittämiseksi valittiin huolellisesti MH 30 -valintakriteerien mukaisesti, jotka on tarkoitettu NADES-yhdisteiden kehittämiseen tehokkaina liuskekaasun estäjinä. Tämän kriteerin mukaan komponentteja, joissa on suuri määrä vetysidoksen luovuttajia ja vastaanottajia sekä polaarisia funktionaalisia ryhmiä, pidetään sopivina NADES-yhdisteiden kehittämiseen.
Lisäksi ioninen neste [EMIM]Cl ja koliinikloridi:urea-syväeutektinen liuotin (DES) valittiin vertailukohdaksi tässä tutkimuksessa, koska niitä käytetään laajalti porausnesteen lisäaineina33,34,35,36. Lisäksi kaliumkloridia (KCl) verrattiin, koska se on yleinen inhibiittori.
Sitruunahappoa ja glyserolia sekoitettiin eri moolisuhteissa eutektisten seosten saamiseksi. Visuaalinen tarkastus osoitti, että eutektinen seos oli homogeeninen, läpinäkyvä neste ilman sameutta, mikä osoittaa, että vetysidoksen luovuttaja (HBD) ja vetysidoksen vastaanottaja (HBA) sekoittuivat onnistuneesti tässä eutektisessa koostumuksessa. Alustavia kokeita tehtiin HBD:n ja HBA:n sekoitusprosessin lämpötilariippuvaisen käyttäytymisen havainnoimiseksi. Saatavilla olevan kirjallisuuden mukaan eutektisten seosten osuutta arvioitiin kolmessa tietyssä lämpötilassa: yli 50 °C, 70 °C ja 100 °C, mikä osoittaa, että eutektisen lämpötilan on yleensä välillä 50–80 °C. HBD- ja HBA-komponentit punnittiin tarkasti Mettler-digitaalivaa'alla, ja HBD:tä ja HBA:ta lämmitettiin ja sekoitettiin Thermo Fisher -lämpölevyllä nopeudella 100 rpm kontrolloiduissa olosuhteissa.
Syntetisoidun syväeutektisen liuottimen (DES) termofysikaaliset ominaisuudet, mukaan lukien tiheys, pintajännitys, taitekerroin ja viskositeetti, mitattiin tarkasti lämpötila-alueella 289,15–333,15 K. On huomattava, että tämä lämpötila-alue valittiin pääasiassa olemassa olevien laitteiden rajoitusten vuoksi. Kattava analyysi sisälsi perusteellisen tutkimuksen tämän NADES-formulaation erilaisista termofysikaalisista ominaisuuksista, paljastaen niiden käyttäytymisen eri lämpötila-alueilla. Keskittyminen tähän tiettyyn lämpötila-alueeseen antaa tietoa NADESin ominaisuuksista, jotka ovat erityisen tärkeitä useissa sovelluksissa.
Valmistetun NADESin pintajännitys mitattiin lämpötila-alueella 289,15–333,15 K rajapintajännitysmittarilla (IFT700). NADES-pisarat muodostetaan suurella nestemäärällä täytetyssä kammiossa kapillaarineitulan avulla tietyissä lämpötila- ja paineolosuhteissa. Nykyaikaiset kuvantamisjärjestelmät ottavat käyttöön sopivat geometriset parametrit rajapintajännityksen laskemiseksi Laplacen yhtälön avulla.
ATAGO-refraktometriä käytettiin tuoreen NADES-liuoksen taitekertoimen määrittämiseen lämpötila-alueella 289,15–333,15 K. Laite käyttää lämpömoduulia lämpötilan säätämiseen valon taittumisasteen arvioimiseksi, mikä poistaa tarpeen vakiolämpötilassa olevalle vesihauteelle. Refraktometrin prismapinta tulee puhdistaa ja näyteliuos tulee jakaa tasaisesti sen päälle. Kalibroi tunnetulla standardiliuoksella ja lue sitten taitekerroin näytöltä.
Valmistetun NADESin viskositeetti mitattiin lämpötila-alueella 289,15–333,15 K käyttäen Brookfield-rotaatioviskosimetriä (kryogeeninen tyyppi) leikkausnopeudella 30 rpm ja karan koolla 6. Viskosimetri mittaa viskositeettia määrittämällä vääntömomentin, joka tarvitaan karan pyörittämiseen vakionopeudella nestemäisessä näytteessä. Kun näyte on asetettu karan alle olevalle seulalle ja kiristetty, viskosimetri näyttää viskositeetin senttipoiseina (cP), mikä antaa arvokasta tietoa nesteen reologisista ominaisuuksista.
Kannettavaa tiheysmittaria DMA 35 Basic käytettiin määrittämään juuri valmistetun luonnollisen syväeutektisen liuottimen (NDEES) tiheys lämpötila-alueella 289,15–333,15 K. Koska laitteessa ei ole sisäänrakennettua lämmitintä, se on esilämmitettävä määritettyyn lämpötilaan (± 2 °C) ennen NADES-tiheysmittarin käyttöä. Vedä putkeen vähintään 2 ml näytettä, niin tiheys näkyy välittömästi näytöllä. On syytä huomata, että sisäänrakennetun lämmittimen puuttumisen vuoksi mittaustulosten virhe on ± 2 °C.
Tuoreen NADES-liuoksen pH-arvon arvioimiseksi lämpötila-alueella 289,15–333,15 K käytimme Kenis-pöytämallista pH-mittaria. Koska laitteessa ei ole sisäänrakennettua lämmitintä, NADES lämmitettiin ensin haluttuun lämpötilaan (±2 °C) lämpölevyn avulla ja mitattiin sitten suoraan pH-mittarilla. Upota pH-mittarin anturi kokonaan NADES-liuokseen ja kirjaa lopullinen arvo ylös, kun lukema on vakiintunut.
Termogravimetristä analyysiä (TGA) käytettiin luonnollisten syväeutektisten liuottimien (NADES) lämpöstabiilisuuden arvioimiseen. Näytteet analysoitiin kuumennuksen aikana. Käyttämällä erittäin tarkkaa vaakaa ja seuraamalla kuumennusprosessia huolellisesti, luotiin käyrä massahäviöstä lämpötilan funktiona. NADES kuumennettiin 0–500 °C:een nopeudella 1 °C minuutissa.
Prosessin aloittamiseksi NADES-näyte on sekoitettava huolellisesti, homogenisoitava ja poistettava pintakosteus. Valmisteltu näyte asetetaan sitten TGA-kyvettiin, joka on tyypillisesti valmistettu inertistä materiaalista, kuten alumiinista. Tarkkojen tulosten varmistamiseksi TGA-instrumentit kalibroidaan käyttämällä vertailumateriaaleja, tyypillisesti painostandardeja. Kalibroinnin jälkeen TGA-koe alkaa ja näytettä lämmitetään hallitusti, yleensä vakionopeudella. Näytteen painon ja lämpötilan välisen suhteen jatkuva seuranta on keskeinen osa koetta. TGA-instrumentit keräävät tietoja lämpötilasta, painosta ja muista parametreista, kuten kaasun virtauksesta tai näytteen lämpötilasta. Kun TGA-koe on valmis, kerätyt tiedot analysoidaan näytteen painon muutoksen määrittämiseksi lämpötilan funktiona. Nämä tiedot ovat arvokkaita määritettäessä näytteen fysikaalisiin ja kemiallisiin muutoksiin liittyviä lämpötila-alueita, mukaan lukien prosessit, kuten sulaminen, haihtuminen, hapettuminen tai hajoaminen.
Vesipohjainen porausneste formuloitiin huolellisesti API 13B-1 -standardin mukaisesti, ja sen tarkka koostumus on lueteltu taulukossa 2 viitteeksi. Sitruunahappo ja glyseroli (99 USP) hankittiin Sigma Aldrichilta, Malesiasta, luonnollisen syväeutektisen liuottimen (NADES) valmistamiseksi. Lisäksi tavanomaista liuskekiven inhibiittoria kaliumkloridia (KCl) hankittiin myös Sigma Aldrichilta, Malesiasta. Yli 98 %:n puhtausasteen omaava 1-etyyli, 3-metyyli-imidatsoliumkloridi ([EMIM]Cl) valittiin sen merkittävän porausnesteen reologiaa ja liuskekiven inhibitiota parantavan vaikutuksen vuoksi, mikä vahvistettiin aiemmissa tutkimuksissa. Sekä KCl:a että ([EMIM]Cl):a käytetään vertailevassa analyysissä NADESin liuskekiven inhibiittoritehon arvioimiseksi.
Monet tutkijat käyttävät mieluummin bentoniittihiutaleita liuskekiven turpoamisen tutkimiseen, koska bentoniitti sisältää saman "montmorilloniitti"-ryhmän, joka aiheuttaa liuskekiven turpoamista. Todellisten liuskekiviydinnäytteiden saaminen on haastavaa, koska ytimenottoprosessi destabiloi liuskekiveä, minkä seurauksena näytteet eivät ole kokonaan liuskekiveä, vaan tyypillisesti sisältävät sekoituksen hiekkakivi- ja kalkkikivikerroksia. Lisäksi liuskekivinäytteistä tyypillisesti puuttuu liuskekiven turpoamista aiheuttavia montmorilloniittiryhmiä, joten ne eivät sovellu turpoamisenestokokeisiin.
Tässä tutkimuksessa käytimme noin 2,54 cm:n läpimittaisia, uudelleen muodostettuja bentoniittihiukkasia. Rakeet valmistettiin puristamalla 11,5 grammaa natriumbentoniittijauhetta hydraulisessa puristimessa 1600 psi:n paineella. Rakeiden paksuus mitattiin tarkasti ennen niiden asettamista lineaariseen dilatomometriin (LD). Sitten hiukkaset upotettiin porausnestenäytteisiin, mukaan lukien perusnäytteisiin ja näytteisiin, joihin oli injektoitu liuskekiven turpoamisen estämiseksi käytettyjä inhibiittoreja. Rakeiden paksuuden muutosta seurattiin sitten tarkasti LD:n avulla, ja mittaukset tallennettiin 60 sekunnin välein 24 tunnin ajan.
Röntgendiffraktio osoitti, että bentoniitin koostumus, erityisesti sen 47 %:n montmorilloniittikomponentti, on keskeinen tekijä sen geologisten ominaisuuksien ymmärtämisessä. Bentoniitin montmorilloniittikomponenteista montmorilloniitti on pääkomponentti, muodostaen 88,6 % kokonaiskomponenteista. Kvartsia on 29 %, illiittiä 7 % ja karbonaattia 9 %. Pieni osa (noin 3,2 %) on illiitin ja montmorilloniitin seosta. Lisäksi se sisältää hivenaineita, kuten Fe2O3:a (4,7 %), hopea-alumiinisilikaattia (1,2 %), muskoviittia (4 %) ja fosfaattia (2,3 %). Lisäksi läsnä on pieniä määriä Na2O:ta (1,83 %) ja rautasilikaattia (2,17 %), mikä mahdollistaa bentoniitin ainesosien ja niiden osuuksien täydellisen ymmärtämisen.
Tässä kattavassa tutkimusosiossa yksityiskohtaisesti kuvataan luonnollista syväeutektista liuotinta (NADES) käyttäen valmistettujen ja porausnesteen lisäaineena eri pitoisuuksina (1 %, 3 % ja 5 %) käytettyjen porausnestenäytteiden reologisia ja suodatusominaisuuksia. NADES-pohjaisia ​​lietenäytteitä verrattiin ja analysoitiin sitten lietenäytteisiin, jotka koostuivat kaliumkloridista (KCl), CC:urea DES:stä (koliinikloridi-syväeutektinen liuotin:urea) ja ionisista nesteistä. Tässä tutkimuksessa käsiteltiin useita keskeisiä parametreja, mukaan lukien FANN-viskosimetrillä saadut viskositeettilukemat ennen ja jälkeen vanhentamisolosuhteille altistumisen 100 °C:ssa ja 150 °C:ssa. Mittaukset tehtiin eri pyörimisnopeuksilla (3 rpm, 6 rpm, 300 rpm ja 600 rpm), mikä mahdollisti porausnesteen käyttäytymisen kattavan analyysin. Saatuja tietoja voidaan sitten käyttää keskeisten ominaisuuksien, kuten myötörajan (YP) ja plastisen viskositeetin (PV), määrittämiseen, jotka antavat tietoa nesteen suorituskyvystä erilaisissa olosuhteissa. Korkeapaine- ja korkealämpötilasuodatuskokeet (HPHT) 400 psi:n paineessa ja 150 °C:n lämpötilassa (tyypilliset lämpötilat korkean lämpötilan kaivoissa) määrittävät suodatustehon (kakun paksuuden ja suodoksen tilavuuden).
Tässä osiossa käytetään huippuluokan laitetta, Grace HPHT Linear Dilatometer (M4600), vesipohjaisten porausnesteidemme saviliuskeen turpoamisenesto-ominaisuuksien perusteelliseen arviointiin. LSM on huippuluokan laite, joka koostuu kahdesta komponentista: levytiivistimestä ja lineaarisesta dilatometristä (malli: M4600). Bentoniittilevyt valmisteltiin analyysia varten Grace Core/Plate Compactorilla. LSM tarjoaa sitten välittömiä turpoamistietoja näille levyille, mikä mahdollistaa saviliuskeen turpoamisenesto-ominaisuuksien kattavan arvioinnin. Liuskeliuskeen laajenemistestit tehtiin ympäristön olosuhteissa, eli 25 °C:ssa ja 1 psia:n paineessa.
Liuskekiven stabiiliustestaus sisältää keskeisen testin, jota usein kutsutaan liuskekiven talteenottotestiksi, liuskekiven upotustestiksi tai liuskekiven dispersiotestiksi. Tämän arvioinnin aloittamiseksi liuskekivipöly erotellaan #6 BSS-seulalla ja asetetaan sitten #10-seulalle. Pöly syötetään sitten varastosäiliöön, jossa se sekoitetaan perusnesteen ja NADESia (luonnollinen syväeutektinen liuotin) sisältävän porauslietteen kanssa. Seuraava vaihe on seoksen sijoittaminen uuniin voimakkaaseen kuumavalssausprosessiin varmistaen, että pöllyt ja liete sekoittuvat perusteellisesti. 16 tunnin kuluttua pöllyt poistetaan massasta antamalla liuskekiven hajota, mikä johtaa pöllysten painon vähenemiseen. Liuskekiven talteenottotesti suoritettiin sen jälkeen, kun liuskekivipölyä oli pidetty porauslietteessä 150 °C:ssa ja 1000 psi-tuumassa 24 tunnin ajan.
Liuskelietteen talteenoton mittaamiseksi suodatettiin se hienomman seulan (40 mesh) läpi, pestiin sen sitten huolellisesti vedellä ja lopuksi kuivattiin uunissa. Tämä huolellinen toimenpide mahdollistaa talteen otetun lieteen määrän arvioimisen alkuperäiseen painoon verrattuna ja lopulta laskee onnistuneesti talteen otetun liuskelietteen prosenttiosuuden. Liuskenäytteet ovat peräisin Niahin ja Mirin alueelta Sarawakista Malesiasta. Ennen dispersio- ja talteenottotestejä liuskenäytteille tehtiin perusteellinen röntgendiffraktioanalyysi (XRD) niiden savikoostumuksen määrittämiseksi ja niiden soveltuvuuden testaukseen varmistamiseksi. Näytteen savimineraalikoostumus on seuraava: illiitti 18 %, kaoliniitti 31 %, kloriitti 22 %, vermikuliitti 10 % ja kiille 19 %.
Pintajännitys on keskeinen tekijä, joka kontrolloi vesikationien tunkeutumista liuskekiven mikrohuokosiin kapillaari-ilmiön kautta, mitä tutkitaan yksityiskohtaisesti tässä osiossa. Tässä artikkelissa tarkastellaan pintajännityksen roolia porausnesteiden koheesio-ominaisuudessa ja korostetaan sen tärkeää vaikutusta porausprosessiin, erityisesti liuskekiven muodostumisen estoon. Käytimme rajapintatensiometriä (IFT700) porausnestenäytteiden pintajännityksen tarkkaan mittaamiseen, mikä paljastaa tärkeän näkökohdan nesteen käyttäytymisestä liuskekiven muodostumisen eston yhteydessä.
Tässä osiossa käsitellään yksityiskohtaisesti d-kerrosten välistä etäisyyttä, joka on alumiinisilikaattikerrosten ja yhden alumiinisilikaattikerroksen välinen etäisyys savessa. Analyysi kattoi märkiä liejunäytteitä, jotka sisälsivät 1 %, 3 % ja 5 % CA NADESia, sekä vertailun vuoksi 3 % KCl:a, 3 % [EMIM]Cl:a ja 3 % CC:urea-pohjaista DESiä. Huippuluokan pöytäröntgendiffraktometri (D2 Phaser), joka toimi 40 mA:n ja 45 kV:n virralla ja Cu-Kα-säteilyllä (λ = 1,54059 Å), oli ratkaisevassa roolissa sekä märkien että kuivien Na-Bt-näytteiden röntgendiffraktiopiikkien tallentamisessa. Braggin yhtälön soveltaminen mahdollistaa d-kerrosten välisen etäisyyden tarkan määrittämisen, mikä antaa arvokasta tietoa saven käyttäytymisestä.
Tässä osiossa käytetään edistynyttä Malvern Zetasizer Nano ZSP -laitetta zetapotentiaalin tarkkaan mittaamiseen. Tämä arviointi antoi arvokasta tietoa laimennettujen liejunäytteiden varausominaisuuksista, jotka sisälsivät 1 %, 3 % ja 5 % CA NADESia sekä 3 % KCl:a, 3 % [EMIM]Cl:a ja 3 % CC:ureapohjaista DESiä vertailevaa analyysia varten. Nämä tulokset edistävät ymmärrystämme kolloidisten yhdisteiden stabiilisuudesta ja niiden vuorovaikutuksista nesteissä.
Savinäytteitä tutkittiin ennen ja jälkeen altistuksen luonnolliselle syväeutektiselle liuottimelle (NADES) käyttäen Zeiss Supra 55 VP -kenttäemissiopyyhkäisyelektronimikroskooppia (FESEM), joka oli varustettu energiadispersiivisellä röntgenlaitteella (EDX). Kuvantamisresoluutio oli 500 nm ja elektronisuihkun energiat 30 kV ja 50 kV. FESEM tarjoaa korkearesoluutioisen visualisoinnin savinäytteiden pinnan morfologiasta ja rakenteellisista ominaisuuksista. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli saada tietoa NADESin vaikutuksesta savinäytteisiin vertaamalla ennen altistusta ja sen jälkeen saatuja kuvia.
Tässä tutkimuksessa käytettiin kenttäemissiopyyhkäisyelektronimikroskopiaa (FESEM) NADESin vaikutuksen tutkimiseen savinäytteisiin mikroskooppisella tasolla. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää NADESin potentiaalisia sovelluksia ja sen vaikutusta saven morfologiaan ja keskimääräiseen hiukkaskokoon, mikä tarjoaa arvokasta tietoa alan tutkimukselle.
Tässä tutkimuksessa virhepalkkeja käytettiin kuvaamaan visuaalisesti keskimääräisen virheprosentin (AMPE) vaihtelua ja epävarmuutta eri koeolosuhteissa. Yksittäisten AMPE-arvojen piirtämisen sijaan (koska AMPE-arvojen piirtäminen voi hämärtää trendejä ja liioitella pieniä vaihteluita), laskemme virhepalkit käyttämällä 5 %:n sääntöä. Tämä lähestymistapa varmistaa, että jokainen virhepalkki edustaa väliä, jonka sisälle 95 %:n luottamusvälin ja 100 %:n AMPE-arvoista odotetaan osuvan, mikä tarjoaa selkeämmän ja ytimekkäämmän yhteenvedon kunkin koeolosuhteen datajakaumasta. 5 %:n sääntöön perustuvien virhepalkkien käyttö parantaa siten graafisten esitysten tulkittavuutta ja luotettavuutta ja auttaa tarjoamaan yksityiskohtaisemman ymmärryksen tuloksista ja niiden vaikutuksista.
Luonnollisten syväeutektisten liuottimien (NADES) synteesissä useita keskeisiä parametreja tutkittiin huolellisesti sisäisen valmistusprosessin aikana. Näitä kriittisiä tekijöitä ovat lämpötila, moolisuhde ja sekoitusnopeus. Kokeemme osoittavat, että kun HBA:ta (sitruunahappoa) ja HBD:tä (glyserolia) sekoitetaan moolisuhteessa 1:4 50 °C:ssa, muodostuu eutektinen seos. Eutektisen seoksen erottava ominaisuus on sen läpinäkyvä, homogeeninen ulkonäkö ja sedimentin puuttuminen. Tämä keskeinen vaihe korostaa siis moolisuhteen, lämpötilan ja sekoitusnopeuden merkitystä, joista moolisuhde oli vaikutusvaltaisin tekijä DES:n ja NADES:n valmistuksessa, kuten kuvassa 2 on esitetty.
Taitekerroin (n) ilmaisee valonnopeuden suhteen tyhjiössä valon nopeuteen toisessa, tiheämmässä väliaineessa. Taitekerroin on erityisen kiinnostava luonnollisissa syväeutektisissa liuottimissa (NADES), kun tarkastellaan optisesti herkkiä sovelluksia, kuten biosensoreita. Tutkitun NADESin taitekerroin 25 °C:ssa oli 1,452, mikä on mielenkiintoista kyllä ​​alhaisempi kuin glyserolin.
On syytä huomata, että NADESin taitekerroin pienenee lämpötilan mukana, ja tätä suuntausta voidaan kuvata tarkasti kaavalla (1) ja kuvalla 3, jossa absoluuttinen keskimääräinen prosentuaalinen virhe (AMPE) on 0 %. Tätä lämpötilasta riippuvaa käyttäytymistä selittää viskositeetin ja tiheyden lasku korkeissa lämpötiloissa, mikä saa valon kulkemaan väliaineen läpi suuremmalla nopeudella ja johtaa pienempään taitekertoimen (n) arvoon. Nämä tulokset antavat arvokasta tietoa NADESin strategisesta käytöstä optisessa tunnistuksessa ja korostavat niiden potentiaalia biosensorisovelluksissa.
Pintajännitys, joka heijastaa nestepinnan taipumusta minimoida pinta-alaansa, on erittäin tärkeä arvioitaessa luonnollisten syväeutektisten liuottimien (NADES) soveltuvuutta kapillaaripaineeseen perustuviin sovelluksiin. Pintajännityksen tutkiminen lämpötila-alueella 25–60 °C antaa arvokasta tietoa. 25 °C:ssa sitruunahappopohjaisen NADESin pintajännitys oli 55,42 mN/m, mikä on merkittävästi alhaisempi kuin veden ja glyserolin. Kuva 4 osoittaa, että pintajännitys pienenee merkittävästi lämpötilan noustessa. Tämä ilmiö voidaan selittää molekyylin kineettisen energian kasvulla ja sitä seuraavalla molekyylien välisten vetovoimien vähenemisellä.
Tutkitussa NADES-menetelmässä havaittu pintajännityksen lineaarinen laskeva trendi voidaan ilmaista hyvin yhtälöllä (2), joka havainnollistaa matemaattista perussuhdetta lämpötila-alueella 25–60 °C. Kuvan 4 kaavio kuvaa selvästi pintajännityksen trendiä lämpötilan funktiona absoluuttisella keskivirheellä (AMPE) 1,4 %, mikä ilmaisee raportoitujen pintajännitysarvojen tarkkuuden. Näillä tuloksilla on tärkeitä vaikutuksia NADES-menetelmän käyttäytymisen ja sen mahdollisten sovellusten ymmärtämisen kannalta.
Luonnollisten syväeutektisten liuottimien (NADES) tiheysdynamiikan ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää niiden soveltamisen helpottamiseksi lukuisissa tieteellisissä tutkimuksissa. Sitruunahappopohjaisen NADESin tiheys 25 °C:ssa on 1,361 g/cm3, mikä on korkeampi kuin lähtöglyserolin tiheys. Tämä ero voidaan selittää vetysidoksen akseptorin (sitruunahapon) liittymisellä glyseroliin.
Esimerkkinä sitraattipohjaisen NADESin tiheys laskee 1,19 g/cm3:iin 60 °C:ssa. Kuumennettaessa kineettisen energian kasvu saa NADES-molekyylit dispergoimaan, jolloin ne vievät suuremman tilavuuden, mikä johtaa tiheyden pienenemiseen. Havaittu tiheyden lasku osoittaa tiettyä lineaarista korrelaatiota lämpötilan nousun kanssa, mikä voidaan ilmaista kaavalla (3). Kuva 5 esittää graafisesti NADESin tiheysmuutoksen nämä ominaisuudet absoluuttisella keskimääräisellä virheprosentilla (AMPE) 1,12 %, mikä antaa kvantitatiivisen kuvan raportoitujen tiheysarvojen tarkkuudesta.
Viskositeetti on liikkuvan nesteen eri kerrosten välinen vetovoima, ja sillä on keskeinen rooli luonnollisten syväeutektisten liuottimien (NADES) soveltuvuuden ymmärtämisessä erilaisissa sovelluksissa. 25 °C:ssa NADESin viskositeetti oli 951 cP, mikä on korkeampi kuin glyserolin.
Havaittu viskositeetin lasku lämpötilan noustessa selittyy pääasiassa molekyylien välisten vetovoimien heikkenemisellä. Tämä ilmiö johtaa nesteen viskositeetin laskuun, mikä on selvästi havaittavissa kuvassa 6 ja kvantifioitu yhtälöllä (4). Merkillepantavaa on, että 60 °C:ssa viskositeetti laskee 898 cP:iin keskimääräisen prosentuaalisen virheen (AMPE) ollessa 1,4 %. NADES-menetelmän viskositeetin ja lämpötilan riippuvuuden yksityiskohtainen ymmärtäminen on erittäin tärkeää sen käytännön soveltamisen kannalta.
Liuoksen pH, joka määritetään vetyionipitoisuuden negatiivisena logaritmina, on kriittinen, erityisesti pH-herkissä sovelluksissa, kuten DNA-synteesissä, joten NADESin pH on tutkittava huolellisesti ennen käyttöä. Esimerkkinä sitruunahappopohjaisesta NADESista voidaan havaita selvästi hapan pH 1,91, mikä on jyrkässä ristiriidassa glyserolin suhteellisen neutraalin pH:n kanssa.
Mielenkiintoista kyllä, luonnollisen sitruunahappodehydrogenaasiin liukenevan liuottimen (NADES) pH osoitti epälineaarista laskutrendiä lämpötilan noustessa. Tämä ilmiö johtuu lisääntyneistä molekyylivärähtelyistä, jotka häiritsevät liuoksen H+-tasapainoa, mikä johtaa [H]+-ionien muodostumiseen ja sitä kautta pH-arvon muutokseen. Vaikka sitruunahapon luonnollinen pH vaihtelee 3:n ja 5:n välillä, glyserolin happaman vedyn läsnäolo alentaa pH:ta edelleen 1,91:een.
Sitraattipohjaisen NADESin pH-käyttäytymistä lämpötila-alueella 25–60 °C voidaan esittää sopivasti yhtälöllä (5), joka tarjoaa matemaattisen lausekkeen havaitulle pH-trendille. Kuva 7 kuvaa graafisesti tätä mielenkiintoista suhdetta ja korostaa lämpötilan vaikutusta NADESin pH-arvoon, jonka AMPE:n tapauksessa on raportoitu olevan 1,4 %.
Luonnollisen sitruunahapon syväeutektisen liuottimen (NADES) termogravimetrinen analyysi (TGA) suoritettiin systemaattisesti lämpötila-alueella huoneenlämmöstä 500 °C:seen. Kuten kuvista 8a ja b voidaan nähdä, alkuperäinen massahävikki 100 °C:seen asti johtui pääasiassa imeytyneestä vedestä ja sitruunahappoon ja puhtaaseen glyseroliin liittyvästä hydraatiovedestä. Merkittävä noin 88 %:n massanpidätys havaittiin 180 °C:seen asti, mikä johtui pääasiassa sitruunahapon hajoamisesta akoniittihapoksi ja sitä seuraavasta metyylimaleiinianhydridin(III) muodostumisesta lisäkuumennuksen yhteydessä (kuva 8b). Yli 180 °C:n lämpötilassa glyserolissa havaittiin myös selkeä akroleiinin (akrylaldehydin) esiintyminen, kuten kuvassa 8b37 on esitetty.
Glyserolin termogravimetrinen analyysi (TGA) paljasti kaksivaiheisen massahäviöprosessin. Alkuvaiheessa (180–220 °C) muodostuu akroleiinia, jota seuraa merkittävä massahäviö korkeissa lämpötiloissa 230–300 °C (kuva 8a). Lämpötilan noustessa asetaldehydiä, hiilidioksidia, metaania ja vetyä muodostuu peräkkäin. Merkillepantavaa on, että vain 28 % massasta säilyi 300 °C:ssa, mikä viittaa siihen, että NADES 8(a)38,39:n ominaispiirteet saattavat olla puutteelliset.
Uusien kemiallisten sidosten muodostumisesta saatavan tiedon saamiseksi analysoitiin tuoreena valmistettuja luonnollisten syväeutektisten liuottimien (NADES) suspensioita Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopialla (FTIR). Analyysi suoritettiin vertaamalla NADES-suspension spektriä puhtaan sitruunahapon (CA) ja glyserolin (Gly) spektreihin. CA-spektrissä näkyivät selkeät piikit kohdissa 1752 1/cm ja 1673 1/cm, jotka edustavat C=O-sidoksen venytysvärähtelyjä ja ovat myös CA:lle tyypillisiä. Lisäksi sormenjälkialueella havaittiin merkittävä muutos OH-taivutusvärähtelyssä nopeudella 1360 1/cm, kuten kuvassa 9 on esitetty.
Vastaavasti glyserolin tapauksessa havaittiin OH-venytys- ja taivutusvärähtelyjen siirtymiä aaltoluvuilla 3291 l/cm ja 1414 l/cm. Analysoimalla nyt valmistetun NADESin spektriä havaittiin merkittävä spektrin muutos. Kuten kuvassa 7 on esitetty, C=O-sidoksen venytysvärähtely siirtyi arvosta 1752 l/cm arvoon 1720 l/cm ja glyserolin -OH-sidoksen taivutusvärähtely siirtyi arvosta 1414 l/cm arvoon 1359 l/cm. Nämä aaltolukujen muutokset osoittavat elektronegatiivisuuden muutosta, mikä puolestaan ​​osoittaa uusien kemiallisten sidosten muodostumista NADESin rakenteeseen.