Vă mulțumim că ați vizitat nature.com. Versiunea browserului pe care o utilizați are suport limitat pentru CSS. Pentru o experiență optimă, vă recomandăm să utilizați cea mai recentă versiune de browser (sau să dezactivați modul de compatibilitate în Internet Explorer). În plus, pentru a asigura asistență continuă, acest site nu va include stiluri sau JavaScript.
Expansiunea șisturilor în rezervoarele clastice creează probleme semnificative, ducând la instabilitate în gaura de foraj. Din motive de mediu, utilizarea fluidului de foraj pe bază de apă cu inhibitori de șist adăugați este preferată fluidului de foraj pe bază de petrol. Lichidele ionice (IL) au atras multă atenție ca inhibitori de șist datorită proprietăților lor reglabile și caracteristicilor electrostatice puternice. Cu toate acestea, lichidele ionice (IL) pe bază de imidazolil, utilizate pe scară largă în fluidele de foraj, s-au dovedit a fi toxice, nebiodegradabile și scumpe. Solvenții eutectici profunzi (DES) sunt considerați o alternativă mai rentabilă și mai puțin toxică la lichidele ionice, dar tot nu ating sustenabilitatea ecologică necesară. Progresele recente în acest domeniu au condus la introducerea solvenților eutectici profunzi naturali (NADES), cunoscuți pentru adevărata lor prietenie cu mediul. Acest studiu a investigat NADES-urile, care conțin acid citric (ca acceptor de legături de hidrogen) și glicerol (ca donor de legături de hidrogen) ca aditivi ai fluidului de foraj. Fluidele de foraj pe bază de NADES au fost dezvoltate în conformitate cu standardul API 13B-1, iar performanța lor a fost comparată cu fluidele de foraj pe bază de clorură de potasiu, lichidele ionice pe bază de imidazoliu și fluidele de foraj pe bază de clorură de colină:uree-DES. Proprietățile fizico-chimice ale NADES-urilor brevetate sunt descrise în detaliu. Proprietățile reologice, pierderea de fluid și proprietățile de inhibare a șisturilor argiloase ale fluidului de foraj au fost evaluate în timpul studiului și s-a demonstrat că, la o concentrație de 3% NADES, raportul tensiune de curgere/vâscozitate plastică (YP/PV) a crescut, grosimea turtei de noroi a fost redusă cu 26%, iar volumul filtratului a fost redus cu 30,1%. În mod notabil, NADES a atins o rată impresionantă de inhibare a expansiunii de 49,14% și a crescut producția de șist argilos cu 86,36%. Aceste rezultate sunt atribuite capacității NADES de a modifica activitatea de suprafață, potențialul zeta și spațierea interstraturilor argilelor, aspecte discutate în această lucrare pentru a înțelege mecanismele care stau la baza acestora. Se așteaptă ca acest fluid de foraj sustenabil să revoluționeze industria de foraj, oferind o alternativă netoxică, rentabilă și extrem de eficientă la inhibitorii tradiționali de coroziune a șisturilor bituminoase, deschizând calea pentru practici de foraj ecologice.
Șistul este o rocă versatilă care servește atât ca sursă, cât și ca rezervor de hidrocarburi, iar structura sa poroasă1 oferă potențialul atât pentru producția, cât și pentru depozitarea acestor resurse valoroase. Cu toate acestea, șistul este bogat în minerale argiloase, cum ar fi montmorillonitul, smectitul, caolinitul și ilitul, care îl fac predispus la umflare atunci când este expus la apă, ducând la instabilitate a sondei în timpul operațiunilor de foraj2,3. Aceste probleme pot duce la timpi neproductivi (NPT) și la o serie de probleme operaționale, inclusiv țevi blocate, pierderea circulației noroiului, prăbușirea sondei și colmatarea sapei, crescând timpul și costurile de recuperare. În mod tradițional, fluidele de foraj pe bază de petrol (OBDF) au fost alegerea preferată pentru formațiunile de șisturi datorită capacității lor de a rezista expansiunii șisturilor4. Cu toate acestea, utilizarea fluidelor de foraj pe bază de petrol implică costuri mai mari și riscuri de mediu. Fluidele de foraj sintetice (SBDF) au fost luate în considerare ca o alternativă, dar adecvarea lor la temperaturi ridicate este nesatisfăcătoare. Fluidele de foraj pe bază de apă (WBDF) reprezintă o soluție atractivă deoarece sunt mai sigure, mai ecologice și mai rentabile decât OBDF5. Au fost utilizați diverși inhibitori de șist pentru a spori capacitatea de inhibare a șisturilor de către WBDF, inclusiv inhibitori tradiționali precum clorura de potasiu, varul, silicatul și polimerul. Cu toate acestea, acești inhibitori au limitări în ceea ce privește eficacitatea și impactul asupra mediului, în special din cauza concentrației ridicate de K+ din inhibitorii de clorură de potasiu și a sensibilității la pH a silicaților.6 Cercetătorii au explorat posibilitatea utilizării lichidelor ionice ca aditivi pentru fluidele de foraj pentru a îmbunătăți reologia fluidelor de foraj și a preveni umflarea șisturilor și formarea hidraților. Cu toate acestea, aceste lichide ionice, în special cele care conțin cationi imidazolil, sunt în general toxice, scumpe, nebiodegradabile și necesită procese complexe de preparare. Pentru a rezolva aceste probleme, oamenii au început să caute o alternativă mai economică și mai ecologică, ceea ce a dus la apariția solvenților eutectici profunzi (DES). DES este un amestec eutectic format dintr-un donor de legături de hidrogen (HBD) și un acceptor de legături de hidrogen (HBA) la un raport molar și o temperatură specifice. Aceste amestecuri eutectice au puncte de topire mai scăzute decât componentele lor individuale, în principal datorită delocalizării sarcinii cauzate de legăturile de hidrogen. Mulți factori, inclusiv energia rețelei, schimbarea entropiei și interacțiunile dintre anioni și HBD, joacă un rol cheie în scăderea punctului de topire al DES.
În studiile anterioare, diverși aditivi au fost adăugați fluidului de foraj pe bază de apă pentru a rezolva problema expansiunii șistului. De exemplu, Ofei și colab. au adăugat clorură de 1-butil-3-metilimidazoliu (BMIM-Cl), care a redus semnificativ grosimea turtei de noroi (până la 50%) și a scăzut valoarea YP/PV cu 11 la diferite temperaturi. Huang și colab. au utilizat lichide ionice (în mod specific, bromură de 1-hexil-3-metilimidazoliu și bromură de 1,2-bis(3-hexilimidazol-1-il)etan) în combinație cu particule de Na-Bt și au redus semnificativ umflarea șistului cu 86,43%, respectiv 94,17%12. În plus, Yang și colab. au utilizat bromură de 1-vinil-3-dodecilimidazoliu și bromură de 1-vinil-3-tetradecilimidazoliu pentru a reduce umflarea șistului cu 16,91%, respectiv 5,81%. 13 Yang și colab. au utilizat, de asemenea, bromură de 1-vinil-3-etilimidazoliu și au redus expansiunea șistului cu 31,62%, menținând în același timp recuperarea șistului la 40,60%. 14 În plus, Luo și colab. au utilizat tetrafluoroborat de 1-octil-3-metilimidazoliu pentru a reduce umflarea șistului cu 80%. 15, 16 Dai și colab. au utilizat copolimeri lichizi ionici pentru a inhiba șistul și au obținut o creștere cu 18% a recuperării liniare în comparație cu inhibitorii de amină. 17
Lichidele ionice în sine au unele dezavantaje, care i-au determinat pe oamenii de știință să caute alternative mai ecologice la lichidele ionice, și astfel s-a născut DES. Hanjia a fost prima companie care a utilizat solvenți eutectici profunzi (DES) constând din acid propionic de clorură de vinil (1:1), acid 3-fenilpropionic de clorură de vinil (1:2) și acid 3-mercaptopropionic + acid itaconic + clorură de vinil (1:1:2), care au inhibat umflarea bentonitei cu 68%, 58% și, respectiv, 58%18. Într-un experiment liber, MH Rasul a utilizat un raport de 2:1 de glicerol și carbonat de potasiu (DES) și a redus semnificativ umflarea probelor de șist cu 87%19,20. Ma a utilizat uree:clorură de vinil pentru a reduce semnificativ expansiunea șistului cu 67%.21 Rasul și colab. Combinația de DES și polimer a fost utilizată ca inhibitor de șist cu acțiune dublă, care a obținut un efect excelent de inhibare a șistului22.
Deși solvenții eutectici profunzi (DES) sunt în general considerați o alternativă mai ecologică la lichidele ionice, aceștia conțin și componente potențial toxice, cum ar fi sărurile de amoniu, ceea ce face ca ecologicitatea lor să fie discutabilă. Această problemă a dus la dezvoltarea solvenților eutectici profunzi naturali (NADES). Aceștia sunt încă clasificați drept DES, dar sunt compuși din substanțe și săruri naturale, inclusiv clorură de potasiu (KCl), clorură de calciu (CaCl2), săruri Epsom (MgSO4.7H2O) și altele. Numeroasele combinații potențiale de DES și NADES deschid un domeniu larg de cercetare în acest domeniu și se așteaptă să găsească aplicații într-o varietate de domenii. Mai mulți cercetători au dezvoltat cu succes noi combinații DES care s-au dovedit eficiente într-o varietate de aplicații. De exemplu, Naser și colab. 2013 au sintetizat DES pe bază de carbonat de potasiu și au studiat proprietățile sale termofizice, care ulterior și-au găsit aplicații în domeniile inhibării hidraților, aditivilor pentru fluidele de foraj, delignificării și nanofibrilației.23 Jordy Kim și colegii săi au dezvoltat NADES pe bază de acid ascorbic și au evaluat proprietățile sale antioxidante în diverse aplicații. 24 Christer și colab. au dezvoltat NADES pe bază de acid citric și au identificat potențialul său ca excipient pentru produsele de colagen. 25 Liu Yi și colegii săi au rezumat aplicațiile NADES ca medii de extracție și cromatografie într-o analiză cuprinzătoare, în timp ce Misan și colab. au discutat aplicațiile de succes ale NADES în sectorul agroalimentar. Este imperativ ca cercetătorii fluidelor de foraj să înceapă să acorde atenție eficacității NADES în aplicațiile lor recente. În 2023, Rasul și colab. au utilizat diferite combinații de solvenți eutectici naturali profunzi pe bază de acid ascorbic26, clorură de calciu27, clorură de potasiu28 și sare Epsom29 și au obținut o inhibare și o recuperare impresionante ale șistului. Acest studiu este unul dintre primele studii care introduc NADES (în special formula pe bază de acid citric și glicerol) ca inhibitor de șist ecologic și eficient în fluidele de foraj pe bază de apă, care prezintă o stabilitate excelentă la mediu, o capacitate îmbunătățită de inhibare a șistului și o performanță îmbunătățită a fluidelor în comparație cu inhibitorii tradiționali, cum ar fi KCl, lichidele ionice pe bază de imidazolil și DES tradițional.
Studiul va implica prepararea internă a NADES pe bază de acid citric (CA), urmată de o caracterizare fizico-chimică detaliată și utilizarea sa ca aditiv pentru fluidul de foraj pentru a evalua proprietățile fluidului de foraj și capacitatea sa de inhibare a umflării. În acest studiu, CA va acționa ca un acceptor de legături de hidrogen, în timp ce glicerolul (Gly) va acționa ca un donor de legături de hidrogen selectat pe baza criteriilor de screening MH pentru formarea/selecția NADES în studiile de inhibare a umflării argilei30. Măsurătorile prin spectroscopie în infraroșu cu transformare Fourier (FTIR), difracție de raze X (XRD) și potențial zeta (ZP) vor elucida interacțiunile NADES-argilă și mecanismul care stă la baza inhibării umflării argilei. În plus, acest studiu va compara fluidul de foraj pe bază de NADES CA cu DES32 pe bază de clorură de 1-etil-3-metilimidazoliu [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl și clorură de colină:uree (1:2) pentru a investiga eficacitatea acestora în inhibarea șisturilor și îmbunătățirea performanței fluidului de foraj.
Acidul citric (monohidrat), glicerolul (99 USP) și ureea au fost achiziționate de la EvaChem, Kuala Lumpur, Malaezia. Clorura de colină (>98%), [EMIM]Cl 98% și clorura de potasiu au fost achiziționate de la Sigma Aldrich, Malaezia. Structurile chimice ale tuturor substanțelor chimice sunt prezentate în Figura 1. Diagrama verde compară principalele substanțe chimice utilizate în acest studiu: lichid ionic imidazolil, clorură de colină (DES), acid citric, glicerol, clorură de potasiu și NADES (acid citric și glicerol). Tabelul de ecologicitate al substanțelor chimice utilizate în acest studiu este prezentat în Tabelul 1. În tabel, fiecare substanță chimică este evaluată în funcție de toxicitate, biodegradabilitate, cost și sustenabilitate ecologică.
Structurile chimice ale materialelor utilizate în acest studiu: (a) acid citric, (b) [EMIM]Cl, (c) clorură de colină și (d) glicerol.
Candidații donori de legături de hidrogen (HBD) și acceptori de legături de hidrogen (HBA) pentru dezvoltarea NADES pe bază de CA (solvent eutectic profund natural) au fost selectați cu atenție conform criteriilor de selecție MH 30, care sunt destinate dezvoltării NADES ca inhibitori eficienți ai șistului. Conform acestui criteriu, componentele cu un număr mare de donori și acceptori de legături de hidrogen, precum și grupe funcționale polare, sunt considerate potrivite pentru dezvoltarea NADES.
În plus, lichidul ionic [EMIM]Cl și solventul eutectic profund (DES) clorură de colină:uree au fost selectați pentru comparație în acest studiu, deoarece sunt utilizați pe scară largă ca aditivi pentru fluidele de foraj33,34,35,36. În plus, clorura de potasiu (KCl) a fost comparată deoarece este un inhibitor comun.
Acidul citric și glicerolul au fost amestecate în diferite raporturi molare pentru a obține amestecuri eutectice. Inspecția vizuală a arătat că amestecul eutectic era un lichid omogen, transparent, fără turbiditate, indicând faptul că donorul de legături de hidrogen (HBD) și acceptorul de legături de hidrogen (HBA) au fost amestecate cu succes în această compoziție eutectică. Au fost efectuate experimente preliminare pentru a observa comportamentul dependent de temperatură al procesului de amestecare a HBD și HBA. Conform literaturii de specialitate disponibile, proporția amestecurilor eutectice a fost evaluată la trei temperaturi specifice peste 50 °C, 70 °C și 100 °C, indicând faptul că temperatura eutectică este de obicei în intervalul 50-80 °C. O balanță digitală Mettler a fost utilizată pentru a cântări cu precizie componentele HBD și HBA, iar o placă încălzitoare Thermo Fisher a fost utilizată pentru a încălzi și agita HBD și HBA la 100 rpm în condiții controlate.
Proprietățile termofizice ale solventului eutectic profund (DES) sintetizat de noi, inclusiv densitatea, tensiunea superficială, indicele de refracție și vâscozitatea, au fost măsurate cu precizie pe un interval de temperatură cuprins între 289,15 și 333,15 K. Trebuie menționat că acest interval de temperatură a fost ales în principal datorită limitărilor echipamentelor existente. Analiza cuprinzătoare a inclus un studiu aprofundat al diferitelor proprietăți termofizice ale acestei formulări NADES, dezvăluind comportamentul acestora pe o gamă de temperaturi. Concentrarea asupra acestui interval specific de temperatură oferă informații despre proprietățile NADES care sunt de o importanță deosebită pentru o serie de aplicații.
Tensiunea superficială a NADES preparate a fost măsurată în intervalul 289,15 - 333,15 K utilizând un tensiometru interfacial (IFT700). Picăturile de NADES se formează într-o cameră umplută cu un volum mare de lichid folosind un ac capilar în condiții specifice de temperatură și presiune. Sistemele moderne de imagistică introduc parametri geometrici adecvați pentru a calcula tensiunea interfacială folosind ecuația Laplace.
Un refractometru ATAGO a fost utilizat pentru a determina indicele de refracție al NADES proaspăt preparate pe intervalul de temperatură 289,15 - 333,15 K. Instrumentul utilizează un modul termic pentru a regla temperatura și a estima gradul de refracție al luminii, eliminând necesitatea unei băi de apă la temperatură constantă. Suprafața prismei refractometrului trebuie curățată, iar soluția probă trebuie distribuită uniform pe aceasta. Se calibrează cu o soluție standard cunoscută, apoi se citește indicele de refracție de pe ecran.
Vâscozitatea NADES preparate a fost măsurată în intervalul de temperatură de la 289,15 la 333,15 K utilizând un viscozimetru rotativ Brookfield (tip criogenic) la o viteză de forfecare de 30 rpm și o dimensiune a axului de 6. Viscozimetrul măsoară vâscozitatea prin determinarea cuplului necesar pentru rotirea axului la o viteză constantă într-o probă lichidă. După ce proba este plasată pe sita de sub ax și strânsă, viscozimetrul afișează vâscozitatea în centipoise (cP), oferind informații valoroase despre proprietățile reologice ale lichidului.
Un densimetru portabil DMA 35 Basic a fost utilizat pentru a determina densitatea solventului eutectic profund natural (NDEES) proaspăt preparat în intervalul de temperatură 289,15–333,15 K. Deoarece dispozitivul nu are un încălzitor încorporat, acesta trebuie preîncălzit la temperatura specificată (± 2 °C) înainte de a utiliza densimetrul NADES. Extrageți cel puțin 2 ml de probă prin tub, iar densitatea va fi afișată imediat pe ecran. Este demn de remarcat faptul că, din cauza lipsei unui încălzitor încorporat, rezultatele măsurătorilor au o eroare de ± 2 °C.
Pentru a evalua pH-ul NADES proaspăt preparat în intervalul de temperatură 289,15–333,15 K, am utilizat un pH-metru Kenis. Deoarece nu există un dispozitiv de încălzire încorporat, NADES a fost mai întâi încălzit la temperatura dorită (±2 °C) folosind o placă încălzitoare și apoi măsurat direct cu un pH-metru. Introduceți complet sonda pH-metrului în NADES și înregistrați valoarea finală după stabilizarea citirii.
Analiza termogravimetrică (TGA) a fost utilizată pentru a evalua stabilitatea termică a solvenților eutectici naturali profunzi (NADES). Probele au fost analizate în timpul încălzirii. Folosind o balanță de înaltă precizie și monitorizând cu atenție procesul de încălzire, a fost generată o diagramă a pierderii de masă în funcție de temperatură. NADES a fost încălzit de la 0 la 500 °C cu o rată de 1 °C pe minut.
Pentru a începe procesul, proba NADES trebuie amestecată complet, omogenizată și trebuie îndepărtată umiditatea de la suprafață. Proba preparată este apoi plasată într-o cuvă TGA, care este de obicei fabricată dintr-un material inert, cum ar fi aluminiul. Pentru a asigura rezultate precise, instrumentele TGA sunt calibrate folosind materiale de referință, de obicei standarde de greutate. Odată calibrat, experimentul TGA începe și proba este încălzită într-un mod controlat, de obicei la o rată constantă. Monitorizarea continuă a relației dintre greutatea probei și temperatură este o parte cheie a experimentului. Instrumentele TGA colectează date despre temperatură, greutate și alți parametri, cum ar fi debitul de gaz sau temperatura probei. Odată ce experimentul TGA este finalizat, datele colectate sunt analizate pentru a determina modificarea greutății probei în funcție de temperatură. Aceste informații sunt valoroase în determinarea intervalelor de temperatură asociate cu modificările fizice și chimice din probă, inclusiv procese precum topirea, evaporarea, oxidarea sau descompunerea.
Fluidul de foraj pe bază de apă a fost formulat cu atenție conform standardului API 13B-1, iar compoziția sa specifică este prezentată în Tabelul 2 pentru referință. Acidul citric și glicerolul (99 USP) au fost achiziționate de la Sigma Aldrich, Malaezia, pentru a prepara solventul eutectic profund natural (NADES). În plus, inhibitorul convențional de șist, clorura de potasiu (KCl), a fost, de asemenea, achiziționat de la Sigma Aldrich, Malaezia. Clorura de 1-etil, 3-metilimidazoliu ([EMIM]Cl) cu o puritate mai mare de 98% a fost selectată datorită efectului său semnificativ în îmbunătățirea reologiei fluidului de foraj și inhibarea șisturilor, fapt confirmat în studiile anterioare. Atât KCl, cât și ([EMIM]Cl) vor fi utilizate în analiza comparativă pentru a evalua performanța de inhibare a șisturilor prin NADES.
Mulți cercetători preferă să utilizeze fulgi de bentonită pentru a studia umflarea șisturilor argiloase, deoarece bentonita conține aceeași grupare „montmorillonită” care provoacă umflarea șisturilor argiloase. Obținerea de probe reale de carotaj de șist este dificilă, deoarece procesul de carotare destabilizează șistul, rezultând probe care nu sunt în întregime șisturi argiloase, ci conțin de obicei un amestec de straturi de gresie și calcar. În plus, probele de șist argiloase nu conțin de obicei grupările montmorillonite care provoacă umflarea șisturilor argiloase și, prin urmare, sunt nepotrivite pentru experimentele de inhibare a umflării.
În acest studiu, am utilizat particule de bentonită reconstituită cu un diametru de aproximativ 2,54 cm. Granulele au fost obținute prin presarea a 11,5 grame de pulbere de bentonită sodică într-o presă hidraulică la 1600 psi. Grosimea granulelor a fost măsurată cu precizie înainte de a fi plasate într-un dilatometru liniar (LD). Particulele au fost apoi imersate în probe de fluid de foraj, inclusiv probe de bază și probe injectate cu inhibitori utilizați pentru a preveni umflarea șisturilor argiloase. Modificarea grosimii granulelor a fost apoi monitorizată cu atenție folosind LD, cu măsurători înregistrate la intervale de 60 de secunde timp de 24 de ore.
Difracția de raze X a arătat că, în special, componenta sa montmorillonită de 47%, este un factor cheie în înțelegerea caracteristicilor sale geologice. Printre componentele montmorillonite ale bentonitei, montmorillonitul este componenta principală, reprezentând 88,6% din totalul componentelor. Între timp, cuarțul reprezintă 29%, ilitul 7% și carbonatul 9%. O mică parte (aproximativ 3,2%) este un amestec de ilit și montmorillonit. În plus, conține oligoelemente precum Fe2O3 (4,7%), aluminosilicat de argint (1,2%), muscovit (4%) și fosfat (2,3%). În plus, sunt prezente cantități mici de Na2O (1,83%) și silicat de fier (2,17%), ceea ce face posibilă aprecierea pe deplin a elementelor constitutive ale bentonitei și a proporțiilor lor respective.
Această secțiune cuprinzătoare a studiului detaliază proprietățile reologice și de filtrare ale probelor de fluid de foraj preparate folosind solvent eutectic profund natural (NADES) și utilizate ca aditiv pentru fluidul de foraj la diferite concentrații (1%, 3% și 5%). Probele de suspensie pe bază de NADES au fost apoi comparate și analizate cu probe de suspensie constând din clorură de potasiu (KCl), CC:uree DES (solvent eutectic profund de clorură de colină:uree) și lichide ionice. O serie de parametri cheie au fost acoperiți în acest studiu, inclusiv citirile de vâscozitate obținute folosind un viscozimetru FANN înainte și după expunerea la condiții de îmbătrânire la 100°C și 150°C. Măsurătorile au fost efectuate la diferite viteze de rotație (3 rpm, 6 rpm, 300 rpm și 600 rpm), permițând o analiză cuprinzătoare a comportamentului fluidului de foraj. Datele obținute pot fi apoi utilizate pentru a determina proprietăți cheie, cum ar fi punctul de curgere (YP) și vâscozitatea plastică (PV), care oferă o perspectivă asupra performanței fluidului în diverse condiții. Testele de filtrare la presiune înaltă și temperatură înaltă (HPHT) la 400 psi și 150°C (temperaturi tipice în puțuri cu temperatură înaltă) determină performanța de filtrare (grosimea turtei și volumul filtratului).
Această secțiune utilizează echipament de ultimă generație, Dilatometrul Liniar Grace HPHT (M4600), pentru a evalua temeinic proprietățile de inhibare a umflării șisturilor abrazive ale fluidelor noastre de foraj pe bază de apă. LSM este o mașină de ultimă generație, formată din două componente: o placă compactatoare și un dilatometru liniar (model: M4600). Plăcile de bentonită au fost pregătite pentru analiză folosind Compactorul Grace Core/Place. LSM furnizează apoi date imediate privind umflarea acestor plăci, permițând o evaluare completă a proprietăților de inhibare a umflării șisturilor abrazive. Testele de expansiune a șisturilor abrazive au fost efectuate în condiții ambientale, adică 25°C și 1 psia.
Testarea stabilității șisturilor implică un test cheie, adesea denumit test de recuperare a șisturilor, test de imersare a șisturilor sau test de dispersie a șisturilor. Pentru a începe această evaluare, detritusurile de șist sunt separate pe o sită BSS nr. 6 și apoi plasate pe o sită nr. 10. Detritusurile sunt apoi introduse într-un rezervor de colectare unde sunt amestecate cu un fluid de bază și noroi de foraj care conține NADES (solvent eutectic natural profund). Următorul pas este plasarea amestecului într-un cuptor pentru un proces intens de laminare la cald, asigurându-se că detritusurile și noroiul sunt amestecate complet. După 16 ore, detritusurile sunt îndepărtate din pulpă, permițând șistului să se descompună, rezultând o reducere a greutății detritusurilor. Testul de recuperare a șisturilor a fost efectuat după ce detritusurile de șist au fost ținute în noroi de foraj la 150°C și 1000 psi. inch în decurs de 24 de ore.
Pentru a măsura recuperarea nămolului de șist, l-am filtrat printr-o sită mai fină (40 mesh), apoi l-am spălat bine cu apă și în final l-am uscat într-un cuptor. Această procedură minuțioasă ne permite să estimăm nămolul recuperat în comparație cu greutatea inițială, calculând în cele din urmă procentul de nămol de șist recuperat cu succes. Sursa probelor de șist provine din districtul Niah, districtul Miri, Sarawak, Malaezia. Înainte de testele de dispersie și recuperare, probele de șist au fost supuse unei analize amănunțite de difracție cu raze X (XRD) pentru a cuantifica compoziția lor argiloasă și a confirma adecvarea lor pentru testare. Compoziția minerală argiloasă a probei este următoarea: ilită 18%, caolinit 31%, clorit 22%, vermiculit 10% și mică 19%.
Tensiunea superficială este un factor cheie care controlează penetrarea cationilor de apă în microporii de șist prin acțiune capilară, aspect care va fi studiat în detaliu în această secțiune. Această lucrare examinează rolul tensiunii superficiale în proprietatea de coeziune a fluidelor de foraj, evidențiind influența sa importantă asupra procesului de foraj, în special asupra inhibării șisturilor. Am utilizat un tensiometru interfacial (IFT700) pentru a măsura cu precizie tensiunea superficială a probelor de fluid de foraj, dezvăluind un aspect important al comportamentului fluidelor în contextul inhibării șisturilor.
Această secțiune discută în detaliu distanța dintre straturile d, care este distanța dintre straturile de aluminosilicat și un strat de aluminosilicat în argile. Analiza a acoperit probe de nămol umed conținând 1%, 3% și 5% CA NADES, precum și 3% KCl, 3% [EMIM]Cl și 3% CC:uree DES pentru comparație. Un difractometru de raze X de ultimă generație (D2 Phaser), de laborator, care funcționează la 40 mA și 45 kV cu radiații Cu-Kα (λ = 1,54059 Å), a jucat un rol esențial în înregistrarea vârfurilor de difracție cu raze X atât ale probelor de Na-Bt umede, cât și ale celor uscate. Aplicarea ecuației Bragg permite determinarea precisă a distanței dintre straturile d, oferind astfel informații valoroase despre comportamentul argilei.
Această secțiune utilizează instrumentul avansat Malvern Zetasizer Nano ZSP pentru a măsura cu precizie potențialul zeta. Această evaluare a furnizat informații valoroase despre caracteristicile de sarcină ale probelor de nămol diluat care conțin 1%, 3% și 5% CA NADES, precum și 3% KCl, 3% [EMIM]Cl și 3% CC:uree DES pentru analiză comparativă. Aceste rezultate contribuie la înțelegerea stabilității compușilor coloidali și a interacțiunilor acestora în fluide.
Probele de argilă au fost examinate înainte și după expunerea la solvent eutectic profund natural (NADES) utilizând un microscop electronic cu scanare cu emisie de câmp (FESEM) Zeiss Supra 55 VP echipat cu raze X cu dispersie de energie (EDX). Rezoluția imagisticii a fost de 500 nm, iar energia fasciculului de electroni a fost de 30 kV și, respectiv, 50 kV. FESEM oferă o vizualizare de înaltă rezoluție a morfologiei suprafeței și a caracteristicilor structurale ale probelor de argilă. Obiectivul acestui studiu a fost de a obține informații despre efectul NADES asupra probelor de argilă prin compararea imaginilor obținute înainte și după expunere.
În acest studiu, tehnologia de microscopie electronică cu scanare prin emisie de câmp (FESEM) a fost utilizată pentru a investiga efectul NADES asupra probelor de argilă la nivel microscopic. Scopul acestui studiu este de a elucida potențialele aplicații ale NADES și efectul său asupra morfologiei argilei și dimensiunii medii a particulelor, ceea ce va oferi informații valoroase pentru cercetarea în acest domeniu.
În acest studiu, barele de eroare au fost utilizate pentru a descrie vizual variabilitatea și incertitudinea erorii procentuale medii (AMPE) în diferite condiții experimentale. În loc să reprezentăm grafic valori AMPE individuale (deoarece reprezentarea grafică a valorilor AMPE poate ascunde tendințele și exagera variațiile mici), calculăm barele de eroare folosind regula de 5%. Această abordare asigură că fiecare bară de eroare reprezintă intervalul în care se așteaptă să se încadreze intervalul de încredere de 95% și 100% din valorile AMPE, oferind astfel un rezumat mai clar și mai concis al distribuției datelor pentru fiecare condiție experimentală. Utilizarea barelor de eroare bazate pe regula de 5% îmbunătățește astfel interpretabilitatea și fiabilitatea reprezentărilor grafice și ajută la o înțelegere mai detaliată a rezultatelor și a implicațiilor acestora.
În sinteza solvenților eutectici naturali profunzi (NADES), mai mulți parametri cheie au fost studiați cu atenție în timpul procesului de preparare intern. Acești factori critici includ temperatura, raportul molar și viteza de amestecare. Experimentele noastre arată că atunci când HBA (acid citric) și HBD (glicerol) sunt amestecate într-un raport molar de 1:4 la 50°C, se formează un amestec eutectic. Caracteristica distinctivă a amestecului eutectic este aspectul său transparent, omogen și absența sedimentelor. Astfel, această etapă cheie evidențiază importanța raportului molar, a temperaturii și a vitezei de amestecare, dintre care raportul molar a fost factorul cel mai influent în prepararea DES și NADES, așa cum se arată în Figura 2.
Indicele de refracție (n) exprimă raportul dintre viteza luminii în vid și viteza luminii într-un al doilea mediu, mai dens. Indicele de refracție prezintă un interes deosebit pentru solvenții eutectici naturali profunzi (NADES) atunci când se iau în considerare aplicații optic sensibile, cum ar fi biosenzorii. Indicele de refracție al NADES studiat la 25 °C a fost de 1,452, ceea ce este interesant de mai mic decât cel al glicerolului.
Este demn de remarcat faptul că indicele de refracție al NADES scade odată cu temperatura, iar această tendință poate fi descrisă cu precizie prin formula (1) și Figura 3, eroarea procentuală medie absolută (AMPE) ajungând la 0%. Acest comportament dependent de temperatură este explicat prin scăderea vâscozității și densității la temperaturi ridicate, determinând lumina să călătorească prin mediu cu o viteză mai mare, rezultând o valoare mai mică a indicelui de refracție (n). Aceste rezultate oferă informații valoroase despre utilizarea strategică a NADES în detectarea optică, evidențiind potențialul lor pentru aplicații în biosenzori.
Tensiunea superficială, care reflectă tendința unei suprafețe lichide de a-și minimiza aria, este de mare importanță în evaluarea adecvării solvenților eutectici naturali profunzi (NADES) pentru aplicații bazate pe presiune capilară. Un studiu al tensiunii superficiale în intervalul de temperatură 25–60 °C oferă informații valoroase. La 25 °C, tensiunea superficială a NADES pe bază de acid citric a fost de 55,42 mN/m, ceea ce este semnificativ mai mic decât cea a apei și glicerolului. Figura 4 arată că tensiunea superficială scade semnificativ odată cu creșterea temperaturii. Acest fenomen poate fi explicat printr-o creștere a energiei cinetice moleculare și o scădere ulterioară a forțelor atractive intermoleculare.
Tendința liniară de scădere a tensiunii superficiale observată în NADES studiat poate fi bine exprimată prin ecuația (2), care ilustrează relația matematică de bază în intervalul de temperatură 25–60 °C. Graficul din Figura 4 prezintă clar tendința tensiunii superficiale în funcție de temperatură, cu o eroare procentuală medie absolută (AMPE) de 1,4%, ceea ce cuantifică acuratețea valorilor tensiunii superficiale raportate. Aceste rezultate au implicații importante pentru înțelegerea comportamentului NADES și a potențialelor sale aplicații.
Înțelegerea dinamicii densității solvenților eutectici naturali profunzi (NADES) este crucială pentru facilitarea aplicării lor în numeroase studii științifice. Densitatea NADES pe bază de acid citric la 25°C este de 1,361 g/cm3, ceea ce este mai mare decât densitatea glicerolului de bază. Această diferență poate fi explicată prin adăugarea unui acceptor de legături de hidrogen (acid citric) la glicerol.
Luând ca exemplu NADES pe bază de citrat, densitatea sa scade la 1,19 g/cm3 la 60°C. Creșterea energiei cinetice la încălzire determină dispersarea moleculelor de NADES, determinându-le să ocupe un volum mai mare, rezultând o scădere a densității. Scăderea observată a densității prezintă o anumită corelație liniară cu creșterea temperaturii, care poate fi exprimată corect prin formula (3). Figura 5 prezintă grafic aceste caracteristici ale modificării densității NADES cu o eroare medie procentuală absolută (AMPE) de 1,12%, care oferă o măsură cantitativă a preciziei valorilor densității raportate.
Vâscozitatea este forța atractivă dintre diferitele straturi ale unui lichid în mișcare și joacă un rol cheie în înțelegerea aplicabilității solvenților eutectici naturali profunzi (NADES) în diverse aplicații. La 25 °C, vâscozitatea NADES a fost de 951 cP, care este mai mare decât cea a glicerolului.
Scăderea observată a vâscozității odată cu creșterea temperaturii se explică în principal prin slăbirea forțelor atractive intermoleculare. Acest fenomen are ca rezultat o scădere a vâscozității fluidului, o tendință demonstrată clar în Figura 6 și cuantificată prin Ecuația (4). În special, la 60°C, vâscozitatea scade la 898 cP cu o eroare procentuală medie globală (AMPE) de 1,4%. O înțelegere detaliată a dependenței vâscozității în funcție de temperatură în NADES este de mare importanță pentru aplicarea sa practică.
PH-ul soluției, determinat de logaritmul negativ al concentrației ionilor de hidrogen, este critic, în special în aplicațiile sensibile la pH, cum ar fi sinteza ADN-ului, așadar pH-ul NADES trebuie studiat cu atenție înainte de utilizare. Luând ca exemplu NADES pe bază de acid citric, se poate observa un pH distinct acid de 1,91, care este în contrast puternic cu pH-ul relativ neutru al glicerolului.
Interesant este că pH-ul solventului natural solubil în acid citric dehidrogenază (NADES) a prezentat o tendință de scădere neliniară odată cu creșterea temperaturii. Acest fenomen este atribuit vibrațiilor moleculare crescute care perturbă echilibrul H+ din soluție, ducând la formarea ionilor [H]+ și, la rândul său, la o modificare a valorii pH-ului. În timp ce pH-ul natural al acidului citric variază de la 3 la 5, prezența hidrogenului acid în glicerol scade și mai mult pH-ul la 1,91.
Comportamentul pH-ului NADES pe bază de citrat în intervalul de temperatură 25–60 °C poate fi reprezentat în mod corespunzător prin ecuația (5), care oferă o expresie matematică pentru tendința observată a pH-ului. Figura 7 ilustrează grafic această relație interesantă, evidențiind efectul temperaturii asupra pH-ului NADES, care este raportat a fi 1,4% pentru AMPE.
Analiza termogravimetrică (TGA) a solventului eutectic profund cu acid citric natural (NADES) a fost efectuată sistematic în intervalul de temperatură de la temperatura camerei la 500 °C. După cum se poate observa din Figurile 8a și b, pierderea inițială de masă până la 100 °C s-a datorat în principal apei absorbite și apei de hidratare asociate cu acidul citric și glicerolul pur. O retenție semnificativă de masă de aproximativ 88% a fost observată până la 180 °C, care s-a datorat în principal descompunerii acidului citric în acid aconitic și formării ulterioare a anhidridei metilmaleice(III) la încălzirea ulterioară (Figura 8b). Peste 180 °C, s-a putut observa și o apariție clară a acroleinei (aldehidă acrilică) în glicerol, așa cum se arată în Figura 8b37.
Analiza termogravimetrică (TGA) a glicerolului a relevat un proces de pierdere de masă în două etape. Etapa inițială (180 până la 220 °C) implică formarea acroleinei, urmată de o pierdere semnificativă de masă la temperaturi ridicate, de la 230 la 300 °C (Figura 8a). Pe măsură ce temperatura crește, acetaldehida, dioxidul de carbon, metanul și hidrogenul se formează secvențial. În mod notabil, doar 28% din masă a fost reținută la 300 °C, ceea ce sugerează că proprietățile intrinseci ale NADES 8(a)38,39 ar putea fi defecte.
Pentru a obține informații despre formarea de noi legături chimice, suspensii proaspăt preparate de solvenți eutectici naturali profunzi (NADES) au fost analizate prin spectroscopie în infraroșu cu transformare Fourier (FTIR). Analiza a fost efectuată prin compararea spectrului suspensiei NADES cu spectrele acidului citric pur (CA) și glicerolului (Gly). Spectrul CA a prezentat vârfuri clare la 1752 1/cm și 1673 1/cm, care reprezintă vibrațiile de întindere ale legăturii C=O și sunt, de asemenea, caracteristice CA. În plus, s-a observat o deplasare semnificativă a vibrației de îndoire OH la 1360 1/cm în regiunea amprentei digitale, așa cum se arată în Figura 9.
În mod similar, în cazul glicerolului, deplasările vibrațiilor de întindere și îndoire a compușilor OH au fost observate la numere de undă de 3291 1/cm și respectiv 1414 1/cm. Prin analiza spectrului NADES preparat, s-a constatat o deplasare semnificativă a spectrului. După cum se arată în Figura 7, vibrația de întindere a legăturii C=O s-a mutat de la 1752 1/cm la 1720 1/cm, iar vibrația de îndoire a legăturii -OH a glicerolului s-a mutat de la 1414 1/cm la 1359 1/cm. Aceste deplasări ale numerelor de undă indică modificarea electronegativității, ceea ce indică formarea de noi legături chimice în structura NADES.