Salamat sa pagbisita sa nature.com. Limitado ang suporta sa CSS sa bersyon ng browser na iyong ginagamit. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin ang paggamit ng pinakabagong bersyon ng browser (o pag-off ng compatibility mode sa Internet Explorer). Bukod pa rito, upang matiyak ang patuloy na suporta, hindi isasama ng site na ito ang mga estilo o JavaScript.
Ang paglawak ng shale sa mga clastic reservoir ay lumilikha ng mga malalaking problema, na humahantong sa kawalang-tatag ng wellbore. Dahil sa mga kadahilanang pangkapaligiran, ang paggamit ng water-based drilling fluid na may dagdag na shale inhibitors ay mas mainam kaysa sa oil-based drilling fluid. Ang mga ionic liquid (IL) ay nakakuha ng maraming atensyon bilang mga shale inhibitor dahil sa kanilang mga katangiang maaaring ibagay at malalakas na electrostatic na katangian. Gayunpaman, ang mga imidazolyl-based ionic liquids (IL), na malawakang ginagamit sa mga drilling fluid, ay napatunayang nakakalason, hindi nabubulok, at mahal. Ang mga deep eutectic solvents (DES) ay itinuturing na mas cost-effective at hindi gaanong nakakalason na alternatibo sa mga ionic liquid, ngunit hindi pa rin sila nakakatugon sa kinakailangang pagpapanatili ng kapaligiran. Ang mga kamakailang pagsulong sa larangang ito ay humantong sa pagpapakilala ng mga natural deep eutectic solvents (NADES), na kilala sa kanilang tunay na pagiging environmentally friendly. Sinuri ng pag-aaral na ito ang mga NADES, na naglalaman ng citric acid (bilang isang hydrogen bond acceptor) at glycerol (bilang isang hydrogen bond donor) bilang mga additives ng drilling fluid. Ang mga drilling fluid na nakabatay sa NADES ay binuo alinsunod sa API 13B-1 at ang kanilang pagganap ay inihambing sa mga drilling fluid na nakabatay sa potassium chloride, mga ionic liquid na nakabatay sa imidazolium, at mga drilling fluid na nakabatay sa choline chloride:urea-DES. Ang mga katangiang physicochemical ng mga proprietary NADES ay inilarawan nang detalyado. Ang mga katangiang rheological, fluid loss, at mga katangian ng shale inhibition ng drilling fluid ay sinuri sa panahon ng pag-aaral, at ipinakita na sa konsentrasyon ng 3% NADES, ang yield stress/plastic viscosity ratio (YP/PV) ay tumaas, ang kapal ng mud cake ay nabawasan ng 26%, at ang volume ng filtrate ay nabawasan ng 30.1%. Kapansin-pansin, ang NADES ay nakamit ang kahanga-hangang expansion inhibition rate na 49.14% at nadagdagan ang shale production ng 86.36%. Ang mga resultang ito ay iniuugnay sa kakayahan ng NADES na baguhin ang surface activity, zeta potential, at interlayer spacing ng mga clay, na tinalakay sa papel na ito upang maunawaan ang mga pinagbabatayang mekanismo. Inaasahang babaguhin ng napapanatiling drilling fluid na ito ang industriya ng pagbabarena sa pamamagitan ng pagbibigay ng hindi nakalalason, sulit, at lubos na epektibong alternatibo sa mga tradisyunal na shale corrosion inhibitor, na magbubukas ng daan para sa mga kasanayan sa pagbabarena na environment-friendly.
Ang shale ay isang maraming gamit na bato na nagsisilbing pinagmumulan at imbakan ng mga hydrocarbon, at ang porous na istruktura nito1 ay nagbibigay ng potensyal para sa parehong produksyon at pag-iimbak ng mga mahahalagang yamang ito. Gayunpaman, ang shale ay mayaman sa mga mineral na luwad tulad ng montmorillonite, smectite, kaolinite at illite, na nagiging sanhi ng pamamaga nito kapag nalantad sa tubig, na humahantong sa kawalang-tatag ng wellbore habang isinasagawa ang mga operasyon sa pagbabarena2,3. Ang mga isyung ito ay maaaring humantong sa hindi produktibong oras (NPT) at maraming problema sa operasyon kabilang ang mga natigil na tubo, nawawalang sirkulasyon ng putik, pagguho ng wellbore at pagkabulok ng bit, na nagpapataas ng oras at gastos sa pagbawi. Ayon sa kaugalian, ang oil-based drilling fluids (OBDF) ang naging mas gustong pagpipilian para sa mga pormasyon ng shale dahil sa kanilang kakayahang labanan ang paglawak ng shale4. Gayunpaman, ang paggamit ng oil-based drilling fluids ay nagdudulot ng mas mataas na gastos at mga panganib sa kapaligiran. Ang mga synthetic-based drilling fluids (SBDF) ay itinuturing na isang alternatibo, ngunit ang kanilang pagiging angkop sa mataas na temperatura ay hindi kasiya-siya. Ang water-based drilling fluids (WBDF) ay isang kaakit-akit na solusyon dahil ang mga ito ay mas ligtas, mas environment-friendly, at mas cost-effective kaysa sa OBDF5. Iba't ibang shale inhibitor ang ginamit upang mapahusay ang kakayahan ng WBDF na pigilan ang shale, kabilang ang mga tradisyunal na inhibitor tulad ng potassium chloride, lime, silicate, at polymer. Gayunpaman, ang mga inhibitor na ito ay may mga limitasyon sa mga tuntunin ng pagiging epektibo at epekto sa kapaligiran, lalo na dahil sa mataas na konsentrasyon ng K+ sa mga potassium chloride inhibitor at ang pH sensitivity ng mga silicate. 6 Sinuri ng mga mananaliksik ang posibilidad ng paggamit ng mga ionic liquid bilang mga additive sa drilling fluid upang mapabuti ang rheology ng drilling fluid at maiwasan ang pamamaga ng shale at pagbuo ng hydrate. Gayunpaman, ang mga ionic liquid na ito, lalo na ang mga naglalaman ng imidazolyl cations, ay karaniwang nakakalason, mahal, hindi nabubulok, at nangangailangan ng mga kumplikadong proseso ng paghahanda. Upang malutas ang mga problemang ito, nagsimulang maghanap ang mga tao ng mas matipid at environment-friendly na alternatibo, na humantong sa paglitaw ng mga deep eutectic solvents (DES). Ang DES ay isang eutectic mixture na nabuo ng isang hydrogen bond donor (HBD) at isang hydrogen bond acceptor (HBA) sa isang partikular na molar ratio at temperatura. Ang mga eutectic mixture na ito ay may mas mababang melting point kaysa sa kanilang mga indibidwal na bahagi, pangunahin dahil sa charge delocalization na dulot ng mga hydrogen bond. Maraming salik, kabilang ang enerhiya ng lattice, pagbabago ng entropy, at mga interaksyon sa pagitan ng mga anion at HBD, ang gumaganap ng mahalagang papel sa pagpapababa ng melting point ng DES.
Sa mga nakaraang pag-aaral, iba't ibang additives ang idinagdag sa water-based drilling fluid upang malutas ang problema sa shale expansion. Halimbawa, sina Ofei et al. ay nagdagdag ng 1-butyl-3-methylimidazolium chloride (BMIM-Cl), na makabuluhang nagbawas sa kapal ng mud cake (hanggang 50%) at nagpababa sa YP/PV value ng 11 sa iba't ibang temperatura. Gumamit sina Huang et al. ng mga ionic liquid (partikular, ang 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide at 1,2-bis(3-hexylimidazol-1-yl)ethane bromide) kasama ng mga Na-Bt particle at makabuluhang nagbawas sa shale swelling ng 86.43% at 94.17%, ayon sa pagkakabanggit12. Bukod pa rito, ginamit ni Yang et al. ang 1-vinyl-3-dodecylimidazolium bromide at 1-vinyl-3-tetradecylimidazolium bromide upang mabawasan ang shale swelling ng 16.91% at 5.81%, ayon sa pagkakabanggit. 13 Gumamit din sina Yang et al. ng 1-vinyl-3-ethylimidazolium bromide at binawasan ang paglawak ng shale ng 31.62% habang pinapanatili ang shale recovery sa 40.60%. 14 Bukod pa rito, gumamit sina Luo et al. ng 1-octyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate upang mabawasan ang pamamaga ng shale ng 80%. 15, 16 Gumamit sina Dai et al. ng ionic liquid copolymers upang pigilan ang shale at nakamit ang 18% na pagtaas sa linear recovery kumpara sa mga amine inhibitor. 17
Ang mga ionic liquid mismo ay may ilang mga disbentaha, na nag-udyok sa mga siyentipiko na maghanap ng mas environment-friendly na alternatibo sa mga ionic liquid, at sa gayon ay isinilang ang DES. Si Hanjia ang unang gumamit ng deep eutectic solvents (DES) na binubuo ng vinyl chloride propionic acid (1:1), vinyl chloride 3-phenylpropionic acid (1:2), at 3-mercaptopropionic acid + itaconic acid + vinyl chloride (1:1:2), na pumigil sa pamamaga ng bentonite ng 68%, 58%, at 58%, ayon sa pagkakabanggit18. Sa isang libreng eksperimento, gumamit si MH Rasul ng 2:1 ratio ng glycerol at potassium carbonate (DES) at makabuluhang nagbawas sa pamamaga ng mga shale sample ng 87%19,20. Gumamit si Ma ng urea:vinyl chloride upang makabuluhang bawasan ang paglawak ng shale ng 67%.21 Rasul et al. Ang kumbinasyon ng DES at polymer ay ginamit bilang isang dual-action shale inhibitor, na nakamit ang mahusay na shale inhibition effect22.
Bagama't ang mga deep eutectic solvents (DES) ay karaniwang itinuturing na mas ligtas na alternatibo sa mga ionic liquid, naglalaman din ang mga ito ng mga potensyal na nakalalasong sangkap tulad ng ammonium salts, na nagpapaduda sa kanilang pagiging eco-friendly. Ang problemang ito ay humantong sa pag-unlad ng mga natural deep eutectic solvents (NADES). Ang mga ito ay inuri pa rin bilang DES, ngunit binubuo ng mga natural na sangkap at asin, kabilang ang potassium chloride (KCl), calcium chloride (CaCl2), Epsom salts (MgSO4.7H2O), at iba pa. Ang maraming potensyal na kumbinasyon ng DES at NADES ay nagbubukas ng malawak na saklaw para sa pananaliksik sa larangang ito at inaasahang makakahanap ng mga aplikasyon sa iba't ibang larangan. Maraming mananaliksik ang matagumpay na nakabuo ng mga bagong kumbinasyon ng DES na napatunayang epektibo sa iba't ibang aplikasyon. Halimbawa, si Naser et al. 2013 ay nag-synthesize ng potassium carbonate-based DES at pinag-aralan ang mga thermophysical properties nito, na kalaunan ay nakahanap ng mga aplikasyon sa mga lugar ng hydrate inhibition, drilling fluid additives, delignification, at nanofibrillation. 23 Si Jordy Kim at mga kasamahan ay nakabuo ng ascorbic acid-based NADES at sinuri ang mga antioxidant properties nito sa iba't ibang aplikasyon. 24 Bumuo sina Christer et al. ng citric acid-based NADES at kinilala ang potensyal nito bilang isang excipient para sa mga produktong collagen. 25 Ibinuod nina Liu Yi at mga kasamahan ang mga aplikasyon ng NADES bilang extraction at chromatography media sa isang komprehensibong pagsusuri, habang tinalakay naman nina Misan et al. ang matagumpay na aplikasyon ng NADES sa sektor ng agri-food. Mahalaga na simulan ng mga mananaliksik ng drilling fluid na bigyang-pansin ang pagiging epektibo ng NADES sa kanilang mga aplikasyon. kamakailan lamang. Noong 2023, gumamit si Rasul et al. ng iba't ibang kombinasyon ng natural deep eutectic solvents batay sa ascorbic acid26, calcium chloride27, potassium chloride28 at Epsom salt29 at nakamit ang kahanga-hangang shale inhibition at shale recovery. Ang pag-aaral na ito ay isa sa mga unang pag-aaral na nagpakilala ng NADES (partikular na ang citric acid at glycerol-based formulation) bilang isang environment-friendly at epektibong shale inhibitor sa mga water-based drilling fluid, na nagtatampok ng mahusay na environmental stability, pinahusay na shale inhibition ability at pinahusay na fluid performance kumpara sa mga tradisyonal na inhibitor tulad ng KCl, imidazolyl-based ionic liquids at tradisyonal na DES.
Ang pag-aaral ay magsasangkot sa in-house na paghahanda ng citric acid (CA) based NADES na susundan ng detalyadong physicochemical characterization at ang paggamit nito bilang drilling fluid additive upang suriin ang mga katangian ng drilling fluid at ang kakayahan nitong pumigil sa pamamaga. Sa pag-aaral na ito, ang CA ay magsisilbing hydrogen bond acceptor habang ang glycerol (Gly) ay magsisilbing hydrogen bond donor na napili batay sa pamantayan ng MH screening para sa pagbuo/pagpili ng NADES sa mga pag-aaral ng shale inhibition30. Ang Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD) at zeta potential (ZP) na mga sukat ay magpapaliwanag sa mga interaksyon ng NADES-clay at ang mekanismo na pinagbabatayan ng clay swelling inhibition. Bukod pa rito, ihahambing ng pag-aaral na ito ang CA NADES based drilling fluid sa DES32 batay sa 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl at choline chloride:urea (1:2) upang siyasatin ang kanilang pagiging epektibo sa shale inhibition at pagpapabuti ng performance ng drilling fluid.
Ang citric acid (monohydrate), glycerol (99 USP), at urea ay binili mula sa EvaChem, Kuala Lumpur, Malaysia. Ang Choline chloride (>98%), [EMIM]Cl 98%, at potassium chloride ay binili mula sa Sigma Aldrich, Malaysia. Ang mga istrukturang kemikal ng lahat ng kemikal ay ipinapakita sa Figure 1. Inihahambing ng berdeng diagram ang mga pangunahing kemikal na ginamit sa pag-aaral na ito: imidazolyl ionic liquid, choline chloride (DES), citric acid, glycerol, potassium chloride, at NADES (citric acid at glycerol). Ang talahanayan ng pagiging kaaya-aya sa kapaligiran ng mga kemikal na ginamit sa pag-aaral na ito ay ipinapakita sa Table 1. Sa talahanayan, ang bawat kemikal ay niraranggo batay sa toxicity, biodegradability, gastos, at pagpapanatili ng kapaligiran.
Mga istrukturang kemikal ng mga materyales na ginamit sa pag-aaral na ito: (a) citric acid, (b) [EMIM]Cl, (c) choline chloride, at (d) glycerol.
Ang mga kandidatong hydrogen bond donor (HBD) at hydrogen bond acceptor (HBA) para sa pagbuo ng CA (natural deep eutectic solvent) based NADES ay maingat na pinili ayon sa pamantayan sa pagpili ng MH 30, na inilaan para sa pagbuo ng NADES bilang epektibong shale inhibitors. Ayon sa pamantayang ito, ang mga bahaging may malaking bilang ng hydrogen bond donors at acceptors pati na rin ang mga polar functional groups ay itinuturing na angkop para sa pagbuo ng NADES.
Bukod pa rito, ang ionic liquid [EMIM]Cl at choline chloride:urea deep eutectic solvent (DES) ay napili para sa paghahambing sa pag-aaral na ito dahil malawakang ginagamit ang mga ito bilang mga additives sa drilling fluid33,34,35,36. Bukod pa rito, ang potassium chloride (KCl) ay inihambing dahil ito ay isang karaniwang inhibitor.
Ang citric acid at glycerol ay hinalo sa iba't ibang molar ratio upang makakuha ng mga eutectic mixture. Ipinakita ng visual inspection na ang eutectic mixture ay isang homogenous, transparent na likido na walang turbidity, na nagpapahiwatig na ang hydrogen bond donor (HBD) at hydrogen bond acceptor (HBA) ay matagumpay na nahalo sa eutectic composition na ito. Isinagawa ang mga paunang eksperimento upang obserbahan ang temperature-dependent na pag-uugali ng proseso ng paghahalo ng HBD at HBA. Ayon sa mga magagamit na literatura, ang proporsyon ng mga eutectic mixture ay sinuri sa tatlong partikular na temperatura na higit sa 50 °C, 70 °C at 100 °C, na nagpapahiwatig na ang eutectic temperature ay karaniwang nasa hanay na 50–80 °C. Ginamit ang isang Mettler digital balance upang tumpak na timbangin ang mga bahagi ng HBD at HBA, at isang Thermo Fisher hot plate ang ginamit upang painitin at haluin ang HBD at HBA sa 100 rpm sa ilalim ng mga kontroladong kondisyon.
Ang mga thermophysical na katangian ng aming na-synthesize na deep eutectic solvent (DES), kabilang ang density, surface tension, refractive index, at viscosity, ay tumpak na nasukat sa hanay ng temperatura mula 289.15 hanggang 333.15 K. Dapat tandaan na ang hanay ng temperaturang ito ay pangunahing pinili dahil sa mga limitasyon ng mga umiiral na kagamitan. Kasama sa komprehensibong pagsusuri ang isang malalim na pag-aaral ng iba't ibang thermophysical na katangian ng pormulasyong NADES na ito, na nagpapakita ng kanilang pag-uugali sa iba't ibang temperatura. Ang pagtuon sa partikular na hanay ng temperaturang ito ay nagbibigay ng mga pananaw sa mga katangian ng NADES na may partikular na kahalagahan para sa maraming aplikasyon.
Ang surface tension ng inihandang NADES ay sinukat sa hanay mula 289.15 hanggang 333.15 K gamit ang isang interfacial tension meter (IFT700). Ang mga droplet ng NADES ay nabubuo sa isang silid na puno ng malaking volume ng likido gamit ang isang capillary needle sa ilalim ng mga partikular na kondisyon ng temperatura at presyon. Ang mga modernong sistema ng imaging ay nagpapakilala ng mga naaangkop na geometric parameter upang kalkulahin ang interfacial tension gamit ang Laplace equation.
Isang ATAGO refractometer ang ginamit upang matukoy ang refractive index ng bagong inihandang NADES sa hanay ng temperaturang 289.15 hanggang 333.15 K. Gumagamit ang instrumento ng thermal module upang i-regulate ang temperatura upang matantya ang antas ng refraction ng liwanag, na nag-aalis ng pangangailangan para sa isang constant-temperature water bath. Dapat linisin ang prism surface ng refractometer at ang sample solution ay dapat na pantay na ipamahagi dito. I-calibrate gamit ang isang kilalang standard solution, at pagkatapos ay basahin ang refractive index mula sa screen.
Ang lagkit ng inihandang NADES ay sinukat sa hanay ng temperatura na 289.15 hanggang 333.15 K gamit ang Brookfield rotational viscometer (cryogenic type) sa shear rate na 30 rpm at spindle size na 6. Sinusukat ng viscometer ang lagkit sa pamamagitan ng pagtukoy sa torque na kinakailangan upang paikutin ang spindle sa isang pare-parehong bilis sa isang likidong sample. Matapos ilagay ang sample sa screen sa ilalim ng spindle at higpitan, ipinapakita ng viscometer ang lagkit sa centipoise (cP), na nagbibigay ng mahalagang impormasyon sa mga rheological properties ng likido.
Isang portable density meter na DMA 35 Basic ang ginamit upang matukoy ang density ng bagong inihandang natural deep eutectic solvent (NDEES) sa hanay ng temperatura na 289.15–333.15 K. Dahil ang aparato ay walang built-in na heater, dapat itong painitin sa tinukoy na temperatura (± 2 °C) bago gamitin ang NADES density meter. Magpapasok ng kahit 2 ml ng sample sa tubo, at ang density ay agad na ipapakita sa screen. Mahalagang tandaan na dahil sa kawalan ng built-in na heater, ang mga resulta ng pagsukat ay may error na ± 2 °C.
Upang masuri ang pH ng bagong handang NADES sa hanay ng temperaturang 289.15–333.15 K, gumamit kami ng Kenis benchtop pH meter. Dahil walang built-in na heating device, ang NADES ay unang pinainit sa nais na temperatura (±2 °C) gamit ang hotplate at pagkatapos ay direktang sinukat gamit ang pH meter. Ilubog nang lubusan ang pH meter probe sa NADES at itala ang pangwakas na halaga pagkatapos maging matatag ang pagbasa.
Ginamit ang Thermogravimetric analysis (TGA) upang suriin ang thermal stability ng natural deep eutectic solvents (NADES). Sinuri ang mga sample habang pinapainit. Gamit ang isang high-precision balance at maingat na sinusubaybayan ang proseso ng pag-init, isang plot ng mass loss laban sa temperatura ang nabuo. Ang NADES ay pinainit mula 0 hanggang 500 °C sa bilis na 1 °C kada minuto.
Upang simulan ang proseso, ang sample ng NADES ay dapat na lubusang ihalo, gawing homogenous, at alisin ang kahalumigmigan sa ibabaw. Ang inihandang sample ay inilalagay sa isang TGA cuvette, na karaniwang gawa sa isang inert na materyal tulad ng aluminyo. Upang matiyak ang tumpak na mga resulta, ang mga instrumento ng TGA ay kinakalkula gamit ang mga materyales na sanggunian, karaniwang mga pamantayan ng timbang. Kapag nakalkula na, magsisimula ang eksperimento ng TGA at ang sample ay iniinit sa isang kontroladong paraan, kadalasan sa isang pare-parehong rate. Ang patuloy na pagsubaybay sa ugnayan sa pagitan ng timbang at temperatura ng sample ay isang mahalagang bahagi ng eksperimento. Ang mga instrumento ng TGA ay nangongolekta ng data sa temperatura, timbang, at iba pang mga parameter tulad ng daloy ng gas o temperatura ng sample. Kapag nakumpleto na ang eksperimento ng TGA, ang nakolektang data ay sinusuri upang matukoy ang pagbabago sa timbang ng sample bilang isang function ng temperatura. Ang impormasyong ito ay mahalaga sa pagtukoy ng mga saklaw ng temperatura na nauugnay sa mga pisikal at kemikal na pagbabago sa sample, kabilang ang mga proseso tulad ng pagtunaw, pagsingaw, oksihenasyon, o dekomposisyon.
Ang water-based drilling fluid ay maingat na binuo ayon sa pamantayan ng API 13B-1, at ang partikular na komposisyon nito ay nakalista sa Table 2 para sa sanggunian. Ang citric acid at glycerol (99 USP) ay binili mula sa Sigma Aldrich, Malaysia upang ihanda ang natural deep eutectic solvent (NADES). Bukod pa rito, ang conventional shale inhibitor potassium chloride (KCl) ay binili rin mula sa Sigma Aldrich, Malaysia. Ang 1-ethyl, 3-methylimidazolium chloride ([EMIM]Cl) na may kadalisayan na higit sa 98% ay napili dahil sa makabuluhang epekto nito sa pagpapabuti ng rheology ng drilling fluid at shale inhibition, na nakumpirma sa mga nakaraang pag-aaral. Ang parehong KCl at ([EMIM]Cl) ay gagamitin sa comparative analysis upang suriin ang shale inhibition performance ng NADES.
Mas gusto ng maraming mananaliksik na gumamit ng mga bentonite flakes upang pag-aralan ang shale swelling dahil ang bentonite ay naglalaman ng parehong "montmorillonite" group na nagdudulot ng shale swelling. Ang pagkuha ng mga totoong shale core sample ay mahirap dahil ang proseso ng coring ay nagpapawalang-bisa sa shale, na nagreresulta sa mga sample na hindi ganap na shale ngunit karaniwang naglalaman ng pinaghalong mga layer ng sandstone at limestone. Bukod pa rito, ang mga shale sample ay karaniwang kulang sa mga montmorillonite group na nagdudulot ng shale swelling at samakatuwid ay hindi angkop para sa mga eksperimento sa pagpigil sa swelling.
Sa pag-aaral na ito, gumamit kami ng mga muling binuong partikulo ng bentonite na may diyametrong humigit-kumulang 2.54 cm. Ang mga granule ay ginawa sa pamamagitan ng pagpindot ng 11.5 gramo ng sodium bentonite powder sa isang hydraulic press sa 1600 psi. Ang kapal ng mga granule ay tumpak na sinukat bago ilagay sa isang linear dilatometer (LD). Ang mga particle ay inilubog sa mga sample ng drilling fluid, kabilang ang mga base sample at mga sample na injected ng mga inhibitor na ginagamit upang maiwasan ang pamamaga ng shale. Ang pagbabago sa kapal ng granule ay maingat na sinusubaybayan gamit ang LD, na may mga sukat na naitala sa 60 segundong pagitan sa loob ng 24 na oras.
Ipinakita ng X-ray diffraction na ang komposisyon ng bentonite, lalo na ang 47% na bahagi nito na montmorillonite, ay isang mahalagang salik sa pag-unawa sa mga katangiang heolohikal nito. Sa mga bahagi ng montmorillonite ng bentonite, ang montmorillonite ang pangunahing bahagi, na bumubuo sa 88.6% ng kabuuang bahagi. Samantala, ang quartz ay bumubuo sa 29%, ang illite ay 7%, at ang carbonate ay 9%. Ang isang maliit na bahagi (mga 3.2%) ay pinaghalong illite at montmorillonite. Bukod pa rito, naglalaman ito ng mga trace elements tulad ng Fe2O3 (4.7%), silver aluminosilicate (1.2%), muscovite (4%), at phosphate (2.3%). Bukod pa rito, may kaunting Na2O (1.83%) at iron silicate (2.17%), na nagbibigay-daan upang lubos na maunawaan ang mga bumubuong elemento ng bentonite at ang kani-kanilang proporsyon.
Idinedetalye ng komprehensibong seksyon ng pag-aaral na ito ang mga katangiang reolohikal at pagsasala ng mga sample ng drilling fluid na inihanda gamit ang natural deep eutectic solvent (NADES) at ginamit bilang additive ng drilling fluid sa iba't ibang konsentrasyon (1%, 3% at 5%). Ang mga sample ng slurry na nakabase sa NADES ay inihambing at sinuri gamit ang mga sample ng slurry na binubuo ng potassium chloride (KCl), CC:urea DES (choline chloride deep eutectic solvent:urea) at ionic liquids. Tinalakay sa pag-aaral na ito ang ilang pangunahing parameter kabilang ang mga pagbasa ng lagkit na nakuha gamit ang isang FANN viscometer bago at pagkatapos malantad sa mga kondisyon ng pagtanda sa 100°C at 150°C. Ang mga sukat ay kinuha sa iba't ibang bilis ng pag-ikot (3 rpm, 6 rpm, 300 rpm at 600 rpm) na nagbibigay-daan para sa isang komprehensibong pagsusuri ng pag-uugali ng drilling fluid. Ang datos na nakuha ay maaaring gamitin upang matukoy ang mga pangunahing katangian tulad ng yield point (YP) at plastic viscosity (PV), na nagbibigay ng pananaw sa pagganap ng fluid sa ilalim ng iba't ibang mga kondisyon. Ang mga pagsubok sa pagsasala gamit ang high pressure high temperature (HPHT) sa 400 psi at 150°C (karaniwang temperatura sa mga balon na may mataas na temperatura) ay tumutukoy sa pagganap ng pagsasala (kapal ng cake at dami ng filtrate).
Ang seksyong ito ay gumagamit ng makabagong kagamitan, ang Grace HPHT Linear Dilatometer (M4600), upang lubusang suriin ang mga katangian ng pagpigil sa pamamaga ng shale ng aming mga water-based drilling fluid. Ang LSM ay isang makabagong makina na binubuo ng dalawang bahagi: isang plate compactor at isang linear dilatometer (modelo: M4600). Ang mga bentonite plate ay inihanda para sa pagsusuri gamit ang Grace Core/Plate Compactor. Pagkatapos, ang LSM ay nagbibigay ng agarang datos ng pamamaga sa mga plate na ito, na nagbibigay-daan para sa isang komprehensibong pagsusuri ng mga katangian ng pagpigil sa pamamaga ng shale. Ang mga pagsusuri sa pagpapalawak ng shale ay isinagawa sa ilalim ng mga kondisyon sa paligid, ibig sabihin, 25°C at 1 psia.
Ang pagsusuri sa katatagan ng shale ay kinabibilangan ng isang mahalagang pagsusuri na kadalasang tinutukoy bilang shale recovery test, shale dip test o shale dispersion test. Upang simulan ang pagsusuring ito, ang mga pinagputulan ng shale ay pinaghihiwalay sa isang #6 BSS screen at pagkatapos ay inilalagay sa isang #10 screen. Ang mga pinagputulan ay ipinapasok sa isang holding tank kung saan hinahalo ang mga ito sa isang base fluid at drilling mud na naglalaman ng NADES (Natural Deep Eutectic Solvent). Ang susunod na hakbang ay ang paglalagay ng halo sa isang oven para sa isang matinding hot rolling process, na tinitiyak na ang mga pinagputulan at putik ay lubusang nahahalo. Pagkatapos ng 16 na oras, ang mga pinagputulan ay tinatanggal mula sa pulp sa pamamagitan ng pagpapahintulot sa shale na mabulok, na nagreresulta sa pagbawas ng bigat ng mga pinagputulan. Ang shale recovery test ay isinagawa pagkatapos na ang mga pinagputulan ng shale ay mahawakan sa drilling mud sa 150°C at 1000 psi. inch sa loob ng 24 na oras.
Upang masukat ang nakuhang muli ng shale mud, sinala namin ito sa pamamagitan ng mas pinong screen (40 mesh), pagkatapos ay hinugasan itong mabuti gamit ang tubig, at sa huli ay pinatuyo sa oven. Ang masusing pamamaraang ito ay nagbibigay-daan sa amin upang tantyahin ang nakuhang muli na putik kumpara sa orihinal na timbang, at sa huli ay kinakalkula ang porsyento ng shale mud na matagumpay na nakuha. Ang pinagmulan ng mga sample ng shale ay mula sa Niah District, Miri District, Sarawak, Malaysia. Bago ang mga pagsubok sa dispersion at recovery, ang mga sample ng shale ay isinailalim sa isang masusing pagsusuri ng X-ray diffraction (XRD) upang masukat ang kanilang komposisyon ng clay at kumpirmahin ang kanilang pagiging angkop para sa pagsusuri. Ang komposisyon ng clay mineral ng sample ay ang mga sumusunod: illite 18%, kaolinite 31%, chlorite 22%, vermiculite 10%, at mica 19%.
Ang surface tension ay isang mahalagang salik na kumokontrol sa pagtagos ng mga water cation sa mga shale micropores sa pamamagitan ng capillary action, na pag-aaralan nang detalyado sa seksyong ito. Sinusuri ng papel na ito ang papel ng surface tension sa cohesive properties ng mga drilling fluid, na binibigyang-diin ang mahalagang impluwensya nito sa proseso ng pagbabarena, lalo na ang shale inhibition. Gumamit kami ng interfacial tensiometer (IFT700) upang tumpak na masukat ang surface tension ng mga sample ng drilling fluid, na nagpapakita ng isang mahalagang aspeto ng fluid behavior sa konteksto ng shale inhibition.
Tinatalakay nang detalyado sa bahaging ito ang d-layer spacing, na siyang distansya sa pagitan ng mga aluminosilicate layer at isang aluminosilicate layer sa mga clay. Sinaklaw ng pagsusuri ang mga sample ng basang putik na naglalaman ng 1%, 3% at 5% CA NADES, pati na rin ang 3% KCl, 3% [EMIM]Cl at 3% CC:urea based DES para sa paghahambing. Ang isang makabagong benchtop X-ray diffractometer (D2 Phaser) na gumagana sa 40 mA at 45 kV na may Cu-Kα radiation (λ = 1.54059 Å) ay gumanap ng mahalagang papel sa pagtatala ng mga X-ray diffraction peak ng parehong basa at tuyong Na-Bt sample. Ang aplikasyon ng Bragg equation ay nagbibigay-daan sa tumpak na pagtukoy ng d-layer spacing, sa gayon ay nagbibigay ng mahalagang impormasyon sa pag-uugali ng clay.
Ginagamit ng seksyong ito ang makabagong instrumentong Malvern Zetasizer Nano ZSP upang tumpak na masukat ang potensyal ng zeta. Ang pagsusuring ito ay nagbigay ng mahalagang impormasyon tungkol sa mga katangian ng karga ng mga dilute mud sample na naglalaman ng 1%, 3%, at 5% CA NADES, pati na rin ang 3% KCl, 3% [EMIM]Cl, at 3% CC:urea-based DES para sa paghahambing na pagsusuri. Ang mga resultang ito ay nakakatulong sa aming pag-unawa sa katatagan ng mga colloidal compound at ang kanilang mga interaksyon sa mga likido.
Ang mga sample ng luwad ay sinuri bago at pagkatapos ng pagkakalantad sa natural deep eutectic solvent (NADES) gamit ang isang Zeiss Supra 55 VP field emission scanning electron microscope (FESEM) na may energy dispersive X-ray (EDX). Ang resolution ng imaging ay 500 nm at ang enerhiya ng electron beam ay 30 kV at 50 kV. Ang FESEM ay nagbibigay ng high-resolution na visualization ng morpolohiya ng ibabaw at mga katangiang istruktural ng mga sample ng luwad. Ang layunin ng pag-aaral na ito ay upang makakuha ng impormasyon tungkol sa epekto ng NADES sa mga sample ng luwad sa pamamagitan ng paghahambing ng mga imaheng nakuha bago at pagkatapos ng pagkakalantad.
Sa pag-aaral na ito, ginamit ang teknolohiyang field emission scanning electron microscopy (FESEM) upang siyasatin ang epekto ng NADES sa mga sample ng luwad sa antas na mikroskopiko. Ang layunin ng pag-aaral na ito ay linawin ang mga potensyal na aplikasyon ng NADES at ang epekto nito sa morpolohiya ng luwad at karaniwang laki ng partikulo, na magbibigay ng mahalagang impormasyon para sa pananaliksik sa larangang ito.
Sa pag-aaral na ito, ginamit ang mga error bar upang biswal na ilarawan ang pagkakaiba-iba at kawalan ng katiyakan ng mean percent error (AMPE) sa mga kundisyon ng eksperimento. Sa halip na i-plot ang mga indibidwal na halaga ng AMPE (dahil ang pag-plot ng mga halaga ng AMPE ay maaaring magtago ng mga trend at magpalaki ng maliliit na pagkakaiba-iba), kinakalkula namin ang mga error bar gamit ang 5% rule. Tinitiyak ng pamamaraang ito na ang bawat error bar ay kumakatawan sa pagitan kung saan inaasahang bababa ang 95% confidence interval at 100% ng mga halaga ng AMPE, sa gayon ay nagbibigay ng mas malinaw at mas maigsi na buod ng distribusyon ng datos para sa bawat kundisyon ng eksperimento. Ang paggamit ng mga error bar batay sa 5% rule ay nagpapabuti sa interpretability at reliability ng mga graphical na representasyon at nakakatulong na magbigay ng mas detalyadong pag-unawa sa mga resulta at sa mga implikasyon ng mga ito.
Sa sintesis ng natural deep eutectic solvents (NADES), ilang pangunahing parametro ang maingat na pinag-aralan sa proseso ng paghahanda sa loob ng kumpanya. Kabilang sa mga kritikal na salik na ito ang temperatura, molar ratio, at bilis ng paghahalo. Ipinapakita ng aming mga eksperimento na kapag ang HBA (citric acid) at HBD (glycerol) ay hinalo sa molar ratio na 1:4 sa 50°C, isang eutectic mixture ang nabubuo. Ang natatanging katangian ng eutectic mixture ay ang transparent at homogenous nitong anyo, at ang kawalan ng sediment. Kaya, binibigyang-diin ng mahalagang hakbang na ito ang kahalagahan ng molar ratio, temperatura, at bilis ng paghahalo, kung saan ang molar ratio ang pinakamahalagang salik sa paghahanda ng DES at NADES, gaya ng ipinapakita sa Figure 2.
Ang refractive index (n) ay nagpapahayag ng ratio ng bilis ng liwanag sa isang vacuum sa bilis ng liwanag sa isang pangalawa, mas siksik na medium. Ang refractive index ay partikular na interesante para sa natural deep eutectic solvents (NADES) kapag isinasaalang-alang ang mga optically sensitive na aplikasyon tulad ng mga biosensor. Ang refractive index ng pinag-aralang NADES sa 25 °C ay 1.452, na kapansin-pansing mas mababa kaysa sa glycerol.
Mahalagang tandaan na ang refractive index ng NADES ay bumababa kasabay ng temperatura, at ang trend na ito ay maaaring tumpak na ilarawan sa pamamagitan ng formula (1) at Figure 3, kung saan ang absolute mean percentage error (AMPE) ay umaabot sa 0%. Ang temperature-dependent behavior na ito ay ipinaliwanag ng pagbaba ng viscosity at density sa mataas na temperatura, na nagiging sanhi ng pagdaan ng liwanag sa medium sa mas mataas na bilis, na nagreresulta sa mas mababang refractive index (n) value. Ang mga resultang ito ay nagbibigay ng mahahalagang pananaw sa estratehikong paggamit ng NADES sa optical sensing, na nagpapakita ng kanilang potensyal para sa mga aplikasyon ng biosensor.
Ang surface tension, na sumasalamin sa tendensiya ng isang likidong ibabaw na paliitin ang lawak nito, ay napakahalaga sa pagtatasa ng kaangkupan ng natural deep eutectic solvents (NADES) para sa mga aplikasyon batay sa capillary pressure. Ang isang pag-aaral ng surface tension sa hanay ng temperatura na 25–60 °C ay nagbibigay ng mahalagang impormasyon. Sa 25 °C, ang surface tension ng citric acid-based NADES ay 55.42 mN/m, na mas mababa nang malaki kaysa sa tubig at glycerol. Ipinapakita ng Figure 4 na ang surface tension ay bumababa nang malaki kasabay ng pagtaas ng temperatura. Ang phenomenon na ito ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng pagtaas ng molecular kinetic energy at kasunod na pagbaba ng intermolecular attractive forces.
Ang linear na pagbaba ng takbo ng surface tension na naobserbahan sa pinag-aralang NADES ay maipapahayag nang maayos sa pamamagitan ng equation (2), na naglalarawan ng pangunahing matematikal na ugnayan sa hanay ng temperatura na 25–60 °C. Malinaw na inilalarawan ng graph sa Figure 4 ang takbo ng surface tension kasabay ng temperatura na may absolute mean percentage error (AMPE) na 1.4%, na sumusukat sa katumpakan ng mga naiulat na halaga ng surface tension. Ang mga resultang ito ay may mahahalagang implikasyon para sa pag-unawa sa pag-uugali ng NADES at mga potensyal na aplikasyon nito.
Ang pag-unawa sa densidad ng mga natural deep eutectic solvents (NADES) ay mahalaga upang mapadali ang kanilang aplikasyon sa maraming siyentipikong pag-aaral. Ang densidad ng citric acid-based NADES sa 25°C ay 1.361 g/cm3, na mas mataas kaysa sa densidad ng parent glycerol. Ang pagkakaibang ito ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng pagdaragdag ng hydrogen bond acceptor (citric acid) sa glycerol.
Kung kukunin ang citrate-based NADES bilang halimbawa, ang densidad nito ay bumababa sa 1.19 g/cm3 sa 60°C. Ang pagtaas ng kinetic energy kapag pinainit ay nagiging sanhi ng pagkalat ng mga molekula ng NADES, na nagiging sanhi ng pagsakop nila sa mas malaking volume, na nagreresulta sa pagbaba ng densidad. Ang naobserbahang pagbaba ng densidad ay nagpapakita ng isang tiyak na linear correlation sa pagtaas ng temperatura, na maaaring maayos na maipahayag sa pamamagitan ng formula (3). Ipinapakita ng Figure 5 ang mga katangiang ito ng pagbabago ng densidad ng NADES na may absolute mean percentage error (AMPE) na 1.12%, na nagbibigay ng quantitative measure ng katumpakan ng mga naiulat na halaga ng densidad.
Ang lagkit ay ang puwersang pang-akit sa pagitan ng iba't ibang patong ng isang likidong gumagalaw at gumaganap ng mahalagang papel sa pag-unawa sa kakayahang magamit ng natural deep eutectic solvents (NADES) sa iba't ibang aplikasyon. Sa 25 °C, ang lagkit ng NADES ay 951 cP, na mas mataas kaysa sa glycerol.
Ang naobserbahang pagbaba ng lagkit kasabay ng pagtaas ng temperatura ay pangunahing ipinaliwanag ng paghina ng mga puwersang pang-akit sa pagitan ng mga molekula. Ang penomenong ito ay nagreresulta sa pagbaba ng lagkit ng likido, isang kalakaran na malinaw na ipinakita sa Figure 6 at tinantiya ng Equation (4). Kapansin-pansin, sa 60°C, ang lagkit ay bumababa sa 898 cP na may pangkalahatang mean percent error (AMPE) na 1.4%. Ang detalyadong pag-unawa sa lagkit laban sa pagdepende sa temperatura sa NADES ay napakahalaga para sa praktikal na aplikasyon nito.
Ang pH ng solusyon, na tinutukoy ng negatibong logarithm ng konsentrasyon ng hydrogen ion, ay kritikal, lalo na sa mga aplikasyon na sensitibo sa pH tulad ng sintesis ng DNA, kaya ang pH ng NADES ay dapat na maingat na pag-aralan bago gamitin. Kung gagamitin ang NADES na nakabatay sa citric acid bilang halimbawa, maaaring maobserbahan ang isang natatanging acidic na pH na 1.91, na lubos na kabaligtaran ng medyo neutral na pH ng glycerol.
Kapansin-pansin, ang pH ng natural citric acid dehydrogenase soluble solvent (NADES) ay nagpakita ng hindi linear na pagbaba kasabay ng pagtaas ng temperatura. Ang penomenong ito ay iniuugnay sa pagtaas ng mga molekular na vibration na nakakagambala sa balanse ng H+ sa solusyon, na humahantong sa pagbuo ng mga [H]+ ions at, kaugnay nito, isang pagbabago sa halaga ng pH. Bagama't ang natural na pH ng citric acid ay mula 3 hanggang 5, ang presensya ng acidic hydrogen sa glycerol ay lalong nagpapababa sa pH sa 1.91.
Ang pH behavior ng citrate-based NADES sa hanay ng temperaturang 25–60 °C ay maaaring angkop na maipakita sa pamamagitan ng equation (5), na nagbibigay ng mathematical expression para sa naobserbahang pH trend. Grapikong inilalarawan ng Figure 7 ang kawili-wiling ugnayang ito, na nagbibigay-diin sa epekto ng temperatura sa pH ng NADES, na iniulat na 1.4% para sa AMPE.
Ang Thermogravimetric analysis (TGA) ng natural citric acid deep eutectic solvent (NADES) ay sistematikong isinagawa sa hanay ng temperatura mula sa temperatura ng silid hanggang 500 °C. Gaya ng makikita sa Mga Larawan 8a at b, ang unang pagkawala ng masa hanggang 100 °C ay pangunahing dahil sa nasipsip na tubig at sa tubig na hydration na nauugnay sa citric acid at purong glycerol. Isang makabuluhang pagpapanatili ng masa na humigit-kumulang 88% ang naobserbahan hanggang 180 °C, na pangunahing dahil sa pagkabulok ng citric acid sa aconitic acid at ang kasunod na pagbuo ng methylmaleic anhydride(III) sa karagdagang pag-init (Larawan 8b). Sa itaas ng 180 °C, isang malinaw na anyo ng acrolein (acrylaldehyde) sa glycerol ang naobserbahan din, gaya ng ipinapakita sa Larawan 8b37.
Ang thermogravimetric analysis (TGA) ng glycerol ay nagsiwalat ng dalawang-yugtong proseso ng pagkawala ng masa. Ang unang yugto (180 hanggang 220 °C) ay kinabibilangan ng pagbuo ng acrolein, na sinusundan ng malaking pagkawala ng masa sa mataas na temperatura mula 230 hanggang 300 °C (Larawan 8a). Habang tumataas ang temperatura, ang acetaldehyde, carbon dioxide, methane, at hydrogen ay nabubuo nang sunud-sunod. Kapansin-pansin, 28% lamang ng masa ang napanatili sa 300 °C, na nagmumungkahi na ang mga likas na katangian ng NADES 8(a)38,39 ay maaaring may depekto.
Upang makakuha ng impormasyon tungkol sa pagbuo ng mga bagong kemikal na bono, ang mga bagong inihandang suspensyon ng natural deep eutectic solvents (NADES) ay sinuri gamit ang Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Isinagawa ang pagsusuri sa pamamagitan ng paghahambing ng spectrum ng NADES suspension sa spectra ng purong citric acid (CA) at glycerol (Gly). Ang CA spectrum ay nagpakita ng malinaw na mga peak sa 1752 1/cm at 1673 1/cm, na kumakatawan sa mga stretching vibrations ng C=O bond at katangian din ng CA. Bukod pa rito, isang makabuluhang pagbabago sa OH bending vibration sa 1360 1/cm ang naobserbahan sa rehiyon ng fingerprint, gaya ng ipinapakita sa Figure 9.
Gayundin, sa kaso ng glycerol, ang mga pagbabago ng OH stretching at bending vibrations ay natagpuan sa mga wavenumber na 3291 1/cm at 1414 1/cm, ayon sa pagkakabanggit. Ngayon, sa pamamagitan ng pagsusuri sa spectrum ng inihandang NADES, isang makabuluhang pagbabago sa spectrum ang natagpuan. Gaya ng ipinapakita sa Figure 7, ang stretching vibration ng C=O bond ay lumipat mula 1752 1/cm patungong 1720 1/cm at ang bending vibration ng -OH bond ng glycerol ay lumipat mula 1414 1/cm patungong 1359 1/cm. Ang mga pagbabagong ito sa mga wavenumber ay nagpapahiwatig ng pagbabago sa electronegativity, na nagpapahiwatig ng pagbuo ng mga bagong chemical bond sa istruktura ng NADES.